XÂY DỰNG mô HÌNH điều KHIỂN tốc độ ĐỘNG cơ DC SERVO HARMONIC RH 14d 6002

CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC
RH 11D-6001
1.1. Giới thiệu động cơ servo
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). Điều khiển được DC Motor là
ta đã có thể tự xây dựng được cho mình rất nhiều hệ thống tự động. 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:

Hình 1.1: Cấu tạo động cơ servo
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 RH 14D-6002.
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.
Đặc tính tải của động cơ


Thông số kỹ thuật động cơ:
Thông số

Đơn vị

Động cơ RH 11D-6001

Công suất đầu ra (sau hộp số)

W

13.6

Điện áp định mức

V

24

Dòng điện định mức

A

1.3

Mômen định mức TN

In-lb

19

Nm

2.2

Tốc độ định mức nN

rpm

60

Mômen hãm liên tục

In-lb

22

Nm

2.5

Dòng đỉnh

A

2.4

Mômen cực đại đầu ra Tm

In-lb

43

Nm

4.9

Tốc độ cực đại

rpm

100

Hằng số mômen (KT)

In-lb/A

22

Nm/A

2.46

v/rpm

0.26

In-bl –sec2

0.095

Kgm2

11

Hằng số thời gian cơ khí

ms

8.5

Độ dốc đặc tính cơ

In-lb/rpm

1.2

Nm/rpm

1.4*10^-1

In-lb/rpm

0.16

Nm/rpm

1.8*10^-2

Tỷ số truyền

1:R

50

Tải trọng hướng tâm

lb

55

N

245

lb

44

Hằng số điện B.E.M.F ( ảnh hưởng
của tốc độ đến sđđ phần ứng )(Kb)
Mô men quán tính (J)

Hệ số momen nhớt ( Bf)

Tải trọng hướng trục


N

196

Công suất động cơ

W

20

Tốc độ định mức động cơ

rpm

3000

Điện trở phần ứng

Ω

4.7

Điện cảm phần ứng

mH

1.6

Dòng thời gian liên tục

ms

0.34

Dòng khởi động

A

0.31

Dòng không tải

A

0.61

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG
CƠ DC SERVO HARMONIC RH 14D-6002
2.1.

Cấu trúc điều khiển tốc độ động cơ


Hình 2.1: Cấu trúc điều khiển số tốc độ động cơ phản hồi tốc độ từ Encoder
2.2.

Xây dựng hệ phương trình tính toán động học động cơ Servo

DC Servo Harmonic RH 14D-6002 có các tham số chính:
• Ra = 2.7 Ω
• La = 1.1 mH
• KT = 2.92 Nm/A
• KB = 0.3 V/rpm
• Bf = 3.5*10^-2 Nm/rpm
• J = 21.6 Kgm2
Ta có hệ phương trình động cơ servo:

(1)
Chuyển sang miền Laplace ta có :


U a − e a = i a R a + L a.i a.s

ω = 1 (
−
)

J .s M dc M c


=
 M dc K t.i a
e a = K b.n

(2)

Mà :

T

=
a

L
R

a
a

=> i a =

(U a − e a ) *1/ R a
1 + T a.s

Thay vào (2) ta được hệ phương trình sau :

(U a − e a )*1/ R a
i a =
1 + T a.s


1
(
−
)
ω =
J .s M dc M c


 M dc = K t.i a

e a = K b.n

Từ hệ phương trình trên,ta có cấu trúc của động cơ như sau :


Hình 2.2 : Cấu trúc động cơ DC servo
2.3.Tổng hợp mô hình toán động cơ servo

*Khi không có momen cản

*Khi không có momen cản


2.4.Tổng hợp bộ điều khiển dòng
Ta chọn : Mạch vòng dòng có TI = 0.1ms
MẠch vòng tốc độ Tw = 1ms
Thời gian Tcl = 0.7ms
Tính bộ điều khiển dòng :
Dặt các thông số trong matlab
G1=tf(1,[Tcl 1])
G2=tf(1,[Lu Ru])
G3=G1*G2
Gõ lệnh >>Rltool
Điểm cực


Thay đổi tần số

Đáp ứng


Xuất kết quả của bộ điều khiển
>>C
Ta được
2.3255 (s+6549)
--------------s
Mô phỏng kết quả của bộ điều khiển trên miềm tương tự


Kết quả


Kết luận : Kết quả đầu ra luôn bám theo tín hiệu đặt
* Mô phỏng kết quả của bộ điều khiển trên miềm số

Kết quả :


*Xây dựng bộ điều khiển tốc độ
Vì mạch vòng dòng có I SP = so với mạch vòng tốc độ do vậy trong một trong 1 chu
kỳ
I * = Iu

Áp dụng phương pháp xấp xỉ liên tục ta tìm được bộ (khi bỏ qua mach vòng dòng
G8=Kt
G9=tf(,[J Bf])

G10=G8*G9
Cấu trúc mô hình khi xây dựng bộ điều khiển khiển tốc độ


Bộ điều khiển
0.027969 (s+10.26)
-----------------s
Mô hình

Két quả


Kết quả trên miền số


*Khi có cả bộ điều khiển dòng và điều khiển tốc độ

Kết quả


Trên miên số

Kết quả


Kết luận :
Khi có bộ điều khiển thì kết quả luôn bám theo kết quả đăt
Khi sử dụng bbooj điều khiển ở miền tương tự và miền thời gian số ta thấy kết quả
không có gì sai biệt do thời gian trich mẫu nhỏ gần như không dáng kể . Nên ta
nhin như ở miên tương tự