thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh vị trí động cơ dc servo harmonic rhs 17-3006

ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ
BÀI TẬP LỚN MÔN ĐIỀU KHIỂN SỐ
Đề 54: Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ động cơ DC servo Harmonic
RHS 17-3006.
Chương 1. Khái quát chung về động cơ DC servo Harmonic RHS17-3006
1.1. Giới thiệu động cơ DC servo Harmonic RHS17-3006
1.1. Mô hình toán của động cơ DC servo Harmonic RHS17-3006
Chương 2. Xây dựng bộ điều khiển động cơ DC servo Harmonic RHS17-3006
2.1. Khảo sát đặc tính động học của động cơ trên miền thời gian thực
2.2. Xây dựng bộ điều khiển số cho động cơ DC servo Harmonic
RHS17-3006
Chương 3. Mô phỏng hệ thống trên Matlab-Simulink
3.1. Sơ đồ mô phỏng
3.2. Kết quả mô phỏng
3.3. Nhận xét và kết luận
Hải phòng ngày 12/4/2012
GVHD SVTH
K.s. NGUYỄN VĂN TIẾN HOÀNG THỊ LOAN
1
Chương 1. Khái quát chung về động cơ DC servo Harmonic
RHS17-3006
1.1. Giới thiệu động cơ DC servo Harmonic RHS17-3006
Hình 1.1: Động cơ RHS 17-3006 trong thực tế
Động cơ RHS 17-3006 là động cơ một chiều do hãng Harmonic của Nhật sản xuất.
Đây là động cơ được thiết kế nhỏ gọn, truyền động chính xác, momen lớn và có
gắn sẵn encoder.
Bảng 1.1: Thông số động cơ RHS 17-3006
Thông số Đơn vị Động cơ RHS17-3006
Công suất đầu ra W 62
Điện áp định mức V 75
Dòng điện định mức A 1.7

Momen định mức Nm 20
Tốc độ định mức Rpm 30
Momen hãm liên tục Nm 22
Dòng đỉnh A 3.5
Momen cực đại đầu ra Nm 54
2
Tốc độ cực đại Rpm 40
Hằng số momen Nm/A 19
Hằng số B.E.M.F v/rpm 2.0
Momen quán tính kg 0.36
Hằng số thời gian cơ khí Msec 4.7
Độ dốc đặc tính cơ Nm/rpm 8.1
Hệ số momen nhớt Nm/rpm 3.1.
Tỷ số truyền 1:R 1:100
Tải trọng hướng tâm N 784
Tải trọng hướng trục N 784
Công suất định mức động cơ W 100
Tốc độ định mức của động cơ Rpm 3000
Điện trở phần ứng Ohm 4.8
Điện cảm phần ứng mH 2.3
Dòng khởi động A 0.23
Dòng không tải A 0.7
1.2. Mô hình toán của động cơ DC servo Harmonic RHS17-3006
Các tham số cơ bản của động cơ như sau:
Ra = 4.8Ω
La = 2.3mH
Kt = 19 Nm/A
Kb = 2.0 V/rpm
Bf = 0.31Nm/rpm
J = 0.36 kg

Ta có :
- = . + .
= ( -
= Kt.
= Kb.n
Chuyển sang Laplace ta được:
- = . + s - = . + s
s.� = (- ) � = (- )
= . = .
3
= .n = .n
Với = ta có:
= ( - )
� = (- )
= .
= .n
Cấu trúc động cơ như sau:
Hình 1.2: Cấu trúc động cơ RHS 17-3006
4
Chương 2. Xây dựng bộ điều khiển động cơ DC servo Harmonic
RHS17-3006
2.1. Khảo sát đặc tính động học của động cơ trên miền thời gian thực
Mô hình mô phỏng trên Simulink:
Hình 2.1: Mô hình mô phỏng động cơ RHS 17-3006
Với m_file lưu thông số của động cơ như sau:
Ra=4.8%Ohm
Ta=0.0005%sec
Kt=19%Nm/A
Kb=2%V/rpm
Bf=0.31%Nm/rpm

J=0.36%kgm2
Mc=22%momen can dinh muc
Ua=75%dien ap dinh muc
plot(ScopeData.time,ScopeData.signals.values)
plot(ScopeData1.time,ScopeData1.signals.values)
Kết quả đáp ứng đầu ra khi không tải:

Hình 2.2a: Kết quả mô phỏng động cơ RHS 17-3006
5
Kết quả đáp ứng đầu ra khi có tải:
Hình 2.2a: Kết quả mô phỏng động cơ RHS 17-3006
6
Nhận xét: Tốc độ động cơ thay đổi khi phụ tải thay đổi, không có khả năng tự ổn
định tốc độ. Dòng điện động cơ khi khởi động tăng rất nhiều so với dòng định mức.
2.2. Mô hình toán của động cơ trên miền số
>> Gz=c2d(Gk,0.1,'zoh')
Transfer function:
0.4329 z + 0.0005641

z^2 - 0.09917 z + 1.376e-018
Sampling time: 0.1
Khảo sát đáp ứng ra khi thay đổi chu kì trích mẫu
Với T=0.1s
Hình 2.3a: Kết quả mô phỏng động cơ RHS 17-3006 trên miền số
Với T= 0.01s
>> Gz=c2d(Gk,0.01,'zoh')
Transfer function:
0.09476 z + 0.004515

z^2 - 0.7937 z + 2.043e-009

Sampling time: 0.01
7
Hình 2.3b: Kết quả mô phỏng động cơ RHS 17-3006 trên miền số
Nhận thấy thời gian lấy mẫu càng nhỏ hệ gián đoạn càng gần với hệ liên tục.
2.3. Xây dựng bộ điều khiển số cho động cơ DC servo Harmonic RHS17-3006
2.3.1. Thiết kế bộ PID trên miền tương tự cho động cơ DC servo Harmonic
RHS17-3006
Để điều khiển tốc độ động cơ DC servo thông thường ta dùng hệ thống hai vòng
điều chỉnh. Tuy nhiên động cơ DC servo harmonic RHS17-3006 là loại động cơ cỡ
nhỏ nên có thể bỏ qua mạch vòng dòng.
Sử dụng Matlab ta tìm được hàm truyền của hệ:
>>G1=tf(1/Ra,[Ta 1];
>>G1=tf(1/Ra,[Ta 1]);
>>G=tf(1,[J Bf]);
>>Gh=G1*Kt*G;
>>Gk1=feedback(Gh,Kb);
>>Gk=zpk(Gk)
plot(ScopeData.time,ScopeData.signals.values)
plot(ScopeData1.time,ScopeData1.signals.values)
Hàm truyền của động cơ:
G1(s) = =
Để tổng hợp bộ điều khiển tốc độ cho động cơ ta bỏ qua sức từ động cảm ứng. Khi
đó hàm truyền của động cơ như sau:
= =
Có thể coi gần đúng hàm truyền của bộ biến đổi là 1 khâu quán tính bậc nhất PT1:
8
=
Với = 0.0001s, = = 7.5 => =
Từ đó ta có hàm truyền của mạch phần ứng :
G1(s) = . =

nên k = 1.56; T1 =0.0001; T2= 0.0005
Áp dụng phương pháp tối ưu độ lớn ta tìm được bộ điều khiển tối ưu độ lớn PI:
R(s) = (1+ ) với =
= = 0.0001. Do đó
R(s) = (1+ ) = 0.064(1+)
Do khi mô phỏng thử trên simulink với =0.064 đáp ứng đầu ra dao động quá nhiều
nên em giảm =0.015 để đáp ứng bớt dao động đi.
Ta dùng máy phát tốc để phản hồi tốc độ về. Với hàm truyền của máy phát tốc
=
Với = 0.004s, = =0.032 => =
2.3.2. Xấp xỉ bộ điều khiển PI sang miền số
R(s) = (1+ ) = 0.015(1+)
Nên
= 0.015, = 0.0001.
Chọn T=0.01s
Áp dụng xấp xỉ thành phần I theo phương pháp hình chữ nhật và thành phần D theo
khai triển chuỗi gần đúng bậc nhất ta có khâu điều chỉnh gián đoạn thiết kế xấp xỉ
liên tục sau:
= với = = 0.015; = - (1 - ) = 1.485
9
Chương 3. Mô phỏng hệ thống trên Matlab - Simulink
3.1. Sơ đồ mô phỏng
Hình 3.1: Mô hình mô phỏng trên hệ liên tục
Hình 3.2: Mô hình mô phỏng trên hệ gián đoạn
M_file lưu thông số mô phỏng:
Ra=4.8%Ohm
Ta=0.0005%sec
Kt=19%Nm/A
Kb=2%V/rpm
Bf=0.31%Nm/rpm

J=0.36%kgm2
Mc=22%momen can dinh muc
Ua=75%dien ap dinh muc
Kft=0.032
Tft=0.004
10
Kbd=7.5
Tbd=0.0001
Kr=0.015
Tr=0.0001
G1=tf([1/Ra],[Ta 1]);
G2=tf(1,[J Bf]);
G3=G1*Kt*G2;
Gdc= feedback(G3,Kb);
Gbd=tf(Kbd,[Tbd 1]);
Gr1=tf([Tr 1],[Tr 0]);
Gr=Kr*Gr1;
Gh=Gr*Gbd*Gdc;
Gft=tf(Kft,[Tft 1]);
Gk=feedback(Gh,Gft);
3.2. Kết quả mô phỏng
Hình 3.3a: Đáp ứng trên miền liên tục
11
Hình 3.3b: Đáp ứng trên miền liên tục
Hình 3.4a: Đáp ứng trên miền liên tục
12
Hình 3.4b: Đáp ứng trên miền gián đoạn
Trên đây là các kết quả khi thực hiện mô phỏng bằng Simulink. Dưới đây là kết
quả khi thực hiện với Matlab
>>Gz=c2d(Gk,0.1,’zoh’)

>>step(Gz)
Hình 3.6: Đáp ứng step với T=0.1s
13
>>Gz=c2d(Gk,0.01,’zoh’)
>>step(Gz)
Hình 3.6: Đáp ứng step với T=0.01s
>>Gz=c2d(Gk,0.001,’zoh’)
>>step(Gz)
Hình 3.7: Đáp ứng step với T=0.001s
14
3.3. Nhận xét và kết luận
Các kết quả mô phỏng cho thấy đáp ứng ra trên miền số tương tự như đáp ứng ra
trên miền liên tục. Điều này khẳng định thuật toán và cách thức xây dựng bộ điều
khiển số là hoàn toàn đúng đắn và chính xác. Kết quả cũng cho thấy việc chọn chu
kì trích mẫu có ảnh hưởng lớn đến chất lượng điều khiển của hệ thống. Chu kì trích
mẫu khác nhau sẽ cho ra các đáp ứng khác nhau. Chu kì trích mẫu càng nhỏ cho
phép ta thiết kế được các bộ điều khiển có chất lượng càng cao. Tuy nhiên không
phải lúc nào ta cũng lựa chọn được chu kì trích mẫu nhỏ, điều này phụ thuộc vào
năng lực tính toán của thiết bị, các tài nguyên hỗ trợ cũng như bản thân hệ thống
cần điều khiển.
15
Tài liệu tham khảo:
[1] Điều khiển số (Digital control) – Nguyễn Phùng Quang, bài giảng cho sinh
viên đại học Bách Khoa Hà Nội,2007
[2] Matlab và Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nguyễn Phùng Quang,
Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật,2006
16