Thiết kế theo tiêu chuẩn tích phân số (IAE, ITAE, ISE, ITSE) kết hợp với dead – beat khâu điều chỉnh tốc độ động cơ DC servo harmonic RFS32 6018

Lời nói đầu
Trong những năm gần đây công nghệ thông tin có những bước nhảy vọt,đặc
biệtlà sự ra đời của máy tính đã tạo cho xã hội một bước phát triển mới,
nóảnh
hưởngđến hầu hết các vấn đề của xã hội và trong công nghiệp cũng vậy.Hòa
cùng sự phát triển đó, ngày càng nhiều nhà sản xuất đã ứng dụng các họ vixử
lý
mạnh vào trong công nghiệp, trong việc điều khiển và xử lý dữ liệu.Những hạn
chế của kỹ thuật tương tự như sự trôi thông số, sự làm việc cố địnhdài hạn,
những khó khăn của việc thực hiện chức năng điều khiển phức tạp đãthúc đẩy
việc chuyển nhanh công nghệ số. Ngoài ra điều khiển số cho phép tiết kiện linh
kiện phần cứng, cho phép tiêu chuẩn hóa. Với cùng một bộ vi xử lý, một cấu
trúc phần cứng có thể dùng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Tuy nhiên kỹ
thuật
số cũng có những nhược điểm như xử lý các tín hiệu rời rạc…, đồng thời tín
hiệu tương tự có những ưu điểm mà kỹ thuật số không có như tác động
nhanh và
liên tục. Vì vậy xu hướng điều khiển hiện nay là phối hợp cả điều khiển số và
điều khiển tương tự. Để nắm vững những kiến thức đã học thì việc nghiên cứu
là
cần thiết đối với sinh viên. Bài tập lớn Môn “Điều khiển số” đã giúp em biết
thêm được rất nhiều về cả kiến thức lẫn kinh nghiệm. Dưới sự hướng dẫn của
thầy Nguyễn Văn Tiến em đã thực hiện xong bài tập “Thiết kế theo tiêu chuẩn
tích phân số (IAE, ITAE, ISE, ITSE) kết hợp với Dead – Beat khâu điều chỉnh
tốc độ động cơ DC Servo Harmonic RFS32-6018”. Do kiến thức còn hạn chế
nên bài tập còn có nhiều sai sót, nên em mong nhận được sự bổ sung của các
thầy!

1

CHƯƠNG 1: Khái quát về động cơ DC Servo Harmonic RFS 32-6018

1.1. Giới thiệu động cơ servo
Là động cơ cho phép điều khiển vô cấp tốc độ.
Điều khiển động cơ DC (DC Motor) là một ứng dụng thuộc dạng cơ bản
nhất của điều khiển tự động vì DC Motor là cơ cấu chấp hành (actuator) được
dùng nhiều nhất trong các hệ thống tự động (ví dụ robot). DC servo motor là
động cơ DC có bộ điều khiển hồi tiếp.
Mặt khác, động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng
kín. Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ
quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bất kỳ
lý
do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy
tín
hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai
lệch
cho động cơ đạt được điểm chính xác.
Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong
nhiều máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các mô
hình máy bay, ô tô.Ứng dụng mới nhất cho động cơ servo là dùng trong Robot,
cùng loại với các động cơ dùng trong mô hình máy bay và ô tô. Cấu tạo động
cơ
Servo:

2


Hình 1.1: Cấu tạo động cơ servo.
Trong đó :
1, Động cơ

2, Bản mạch
3, dây dương nguồn
4, Dây tín hiệu
5, Dây âm nguồn
6, Điện thế kế
7, Đầu ra (bánh răng)
8, Cơ cấu chấp hành
9, Vỏ
10, Chíp điều khiển
1.2. Thông số động cơ DC Servo Harmonic RFS 32-6018
Động cơ DC Servo Harmonic là loại động cơ bước nhỏ, được sử dụng
trong công nghiệp, khả năng điều khiển chuyển động và momen xoắn với độ
chính xác cao. Động cơ có hộp số cho momen xoắn cao, độ cứng xoắn cao và
hiệu suất cao. Do đó mà nó được sử dụng trong các robot công nghiệp và tự
động hóa.

3


Hình 1.2: Đặc tính tải của động cơ
Thông số động cơ :
Thông số

Đơn vị

Động cơ RFS 32-6030

Công suất đầu ra(sau hộp số)

W

185

Điện áp định mức

V

75

Dòng điện định mức

A

4.1

Momen định mức TN

In-Ib

280

Nm

30

Tốc độ định mức nn

rpm

60

Momen hãn liên tục

In-Ib

312

Nm

36

Dòng đỉnh

A

20.6

Momen cực đại đầu ra Tm

In-Ib

1910

Nm

220

Tốc độ cực đại

Rpm

80

Hằng số mômen (KT)

In-Ib/A

100

Nm/A

11.5

4


Hằng số điện B.E.M.F (ảnh hưởng v/rpm
của tốc độ đến sđđ phản ứng) (Kb)

1.18

Momen quán tính (J)

In-Ib-sec2

12.2

Kgm2

1.4

Hằng số thời gian cơ khí

Ms

6.8

Độ dóc đặc tính cơ

In-Ib/rpm

194

Nm/rpm

22

In-Ib/rpm

0.67

Nm/rpm

7.6*10-2

Tỷ số truyền

1:R

50

Tải trọng hướng tâm

Ib

992

N

RFS:4000

Ib

353

N

RhS:4500

Công suất động cơ

W

300

Tốc độ định mức động cơ

rpm

3000

Điện trở phần ứng

Ω

0.60

Điện cảm phần ứng

mH

0.92

Dòng thời gian liên tục

ms

1.5

Dòng khởi động

A

1.1

Dòng không tải

A

1.5

Hệ số momen nhớt (Bf)

Tải trọng hướng trục

5


CHƯƠNG 2: Thiết kế khâu điều chỉnh kiểu deadbeat cho mạch vòng
dòng điệnđộng cơ DC Servo Harmonic RHS RFS 32-6030
2.1. Thiết kế khâu điều chỉnh kiểu deadbeat cho mạch vòng dòng điện

Hình 1. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện
- Hàm tryền của bộ biến đổi :
FBD =
Ta có hàm truyền của đối tượng điều khiển :
Gi(s) = . = . .
Trong đó : RA : điện trở phần ứng;
TA = = 2,2.10-4
Ti : chu kỳ trích mẩu
- Thay số ta có :
Gi(s) =
- Sử dụng lệnh c2d ta tìm được hàm truyền đạt trên miền ảnh Z của đối tượng
theo phương pháp ZOH (với chu kỳ trích mẩu 0,22.10-3)
- >> % chuong trinh matlab
>> G= tf(0.1,[2.2e-7 1.22e-3 1])
G=
0.1
6

--------------------------------------2.2e-07 s^2 + 0.00122 s + 1
Continuous-time transfer function.
>> Ti = 0.22e-3% chu ki trich mau
Ti =
2.2000e-04
>> G = c2d(G,Ti,'ZOH')
G=
0.007489 z + 0.004994
--------------------z^2 - 1.17 z + 0.2952
Sample time: 0.00022 seconds
Discrete-time transfer function.
>> G = filt([0 0.007489 0.004994],[1 -1.17 0.2952],0.22e-3)
G=
0.007489 z^-1 + 0.004994 z^-2
----------------------------1 - 1.17 z^-1 + 0.2952 z^-2
Sample time: 0.00022 seconds
Discrete-time transfer function.
Ta thu được hàm truyền của đối tượng như sau :
GI(z) = =
* Thiết kế bộ điều khiển theo phương pháp Dead – Beat với L(z-1) =l0 + l1.z-1
- Từ GI(z) ở trên ta có
B(z-1) = b0 + b1z-1 + b2z-2
7


A(z-1) = a0 + a1z-1 + a2z-2
Với : b0 = 0 ; b1 = 0,007489 ; b2 = 0,004994
a0 = 1 ; a1 = -1,17 ; a2 = 0,2952
- Theo phương pháp Dead – Beat ta tìm được:

l0 = = 36,91 ; l1 = = 43,19
do đó : L(z-1) = 36,91 + 43,19z-1
- Từ đó ta xác định được bộ điều khiển :
GR(z-1) =
>> % chuong trinh matlab tim bo dieu khien
>> l0 = 36.91; l1=43.19;
>> L = filt([l0 l1],[1],0.22e-3)
L=
36.91 + 43.19 z^-1
Sample time: 0.00022 seconds
>> b0 = 0 ; b1 = 0.007489 ; b2 = 0.004994 ;
>> B = filt([b0 b1 b2],[1],0.22e-3)
B=
0.007489 z^-1 + 0.004994 z^-2
Sample time: 0.00022 seconds
>> a0 = 1 ; a1 =-1.17 ; a2 = 0.2952 ;
>> A = filt([a0 a1 a2],[1],0.22e-3)
A=
1 - 1.17 z^-1 + 0.2952 z^-2
Sample time: 0.00022 seconds.
>> Gr = L*A/(1-L*B)% Ham truyen bo dieu khien
8


Gr =
36.91 + 0.0053 z^-1 - 39.64 z^-2 + 12.75 z^-3
----------------------------------------------------------1 - 0.2764 z^-1 - 0.5078 z^-2 - 0.2157 z^-3
Sample time: 0.00022 seconds
Discrete-time transfer function.
>> Gk = L*B% Ham truyen dat cua he kin khi co bo dieu khien

Gk =
0.2764 z^-1 + 0.5078 z^-2 + 0.2157 z^-3
Sample time: 0.00022 seconds
Discrete-time transfer function.
>> step(Gk)% hàm mô phỏng dac tính cua hệ kín khi có bộ điều khiển
Kết quả mô phỏng :

Hình 2. Kết quả mô phỏng đặc tính của hệ
Nhận xét :
Ta thấy bộ điều khiển Dead – Beat đầu ra đạt giá trị xác lập sau 3 chu kỳ
trích mẩu .

9


2.2. Tối ưu modul số cho mạch vòng tốc độ :
* Ta có sơ đồ khối cấu trúc mạch vòng tốc độ như hình 2.3 sau :

Hình 3. Sơ đồ khối hệ điều chỉnh PI
Trong đó :
Ki : hệ số phản hồi dòng điện;
: Hằng số thời gian máy phát tốc;
: Hệ số phản hồi máy phát tốc;
Tư = Lư/ Rư : Hằng số thời gian của động cơ;
Ti : Hằng số thời gian của cảm biến sensor dòng điện;
TV : Hệ số thời gian van;
Tsi = Ti + Tv + Tđk Tư
Tc : Hằng số thời gian cơ học Tc = Rư.j/(K)2
Ta có sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ thu gọn như hình 4 :

10


Hình 4. Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ
Trong đó :
S0 (p) = . .

(2.1)

Đặt = 2. +

rất nhỏ . Ta có :

S0 (p) =

( 2. 2 )

Xác định hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ :
* Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu moodul :
F (p) =

( 2. 3 )

R(p) =
R(p) =

(2.4 )
(2.5 )

chọn =

Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn modul tối ưu:
R(p) =

( 2.6 )

R( p) là khâu tỷ lệ ( P ).
Hàm truyền của mạch vòng tốc độ là :
= .

( 2.7 )

Với : 2 =
* áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng :
11


mạch vòng tốc độ hàm truyền bộ điều chỉnh có dạng :
R(p) =

( 2.8 )

F (p) = . .

( 2.9 )

F(p) = =

(2.10 )

Chọn = TS ta được :

T0 = 4TS
K = = .2.TS

( 2.11 )

Thay vào ( 2.8 ) ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn
tối ưu đối xứng là :
R(p) =

( 2.12 )

R(p) là khâu tích phân –tỷ lệ ( PI )
Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng tiêu chuẩn modul tối ưu ta có :
=

. .

( 2.13 )

Kết quả tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng tiêu chuẩn modul tối ưu đối xứng ta có
:
= ..

( 2.14 )

Ta có biểu thức momen quán tính trên trục động cơ là :
J=

( 2.15 )

Thế j ở ( 2.15 ) vòa ( 2.12 ) hàm truyền bộ điều chỉnh tốc độ R thiết kế theo tiêu
chuẩn tối ưu đối xứng ta được :

R(p) = ( 1 + )

(2.16 )

* Tính toán các thông số mô phỏng :
12


= = = 314 ( rad/s )
Cu = =

= 0.024

R(p) = ( 1 + )
= 2. +
Tsi = Tv + Ti + Tđk

Hằng số thời gian máy biến dòng : Ti = 0.0002 s
Hằng số thời gian bộ chỉnh lưu : Tv = 0.0002 s
Tđk : Hằng số thời gian mạch điều khiển bộ chỉnh lưu . Tđk = 0.002 s
Tω = 0.006 là hằng số thời gian của máy phát tốc.
Tsi = 0,00022 + 0,00022 + 0,002 = 0,0024 s

= 2. + = 0,0024 . 2 + 0,006 = 0,0108

= = 187,18
1+ =

- Hàm truyền của máy biến dòng :
FMOI = =

- Sơ đồ mô phỏng trên matlab-simulink

Hình 5. Sơ đồ cấu trúc mô phỏng
13


Hình 6. Kết quả mô phỏng
Kết luận :
- Sau một khoảng thời gian tốc độ động cơ đạt giá trị ổn định , đạt với giá
trị mong muốn.

Tài liệu tham khảo
Bài giảng điều khiển số(Đại học bách khoa Hà Nội) – Nguyễn Phùng Quang
Matlab & simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động – Nguyễn Phùng Quang

14