Thiết kế bộ điều khiển số sử dụng phương pháp gán điểm cực điều chỉnh tốc độ động cơ DC servo Harmonic R113001

BÀI TẬP LỚN MÔN ĐIỀU KHIỂN SỐ

Đề 11: Thiết kế bộ điều khiển số sử dụng
phương pháp gán điểm cực điều chỉnh tốc độ
động cơ DC servo Harmonic R11-3001

1


MỤC LỤC
Chương 1. Khái quát chung về động cơ DC servo Harmonic R113001
1.1. Giới thiệu động cơ DC servo Harmonic R11-3001
1.2. Mô hình toán của động cơ DC servo Harmonic R11-3001
Chương 2. Xây dựng bộ điều khiển động cơ DC servo Harmonic
R11-3001
2.1. Xây dựng đối tượng điều khiển
2.2. Xây dựng bộ điều khiển số cho động cơ DC servo Harmonic R113001
Chương 3. Mô phỏng hệ thống trên Matlab-Simulink
3.1. Sơ đồ mô phỏng và kết quả
3.2. Nhận xét và kết luận
Chương 4. Thực thi bộ điều khiển trên vi điều khiển Atmega16
4.1. Thực thi bộ điều khiển
4.2. Thuật toán
4.3. Cấu trúc bộ điều khiển số và chương trình

Hải phòng ngày 16/12/2019
GVHD

SVTH

NGUYỄN VĂN TIẾN

2


Chương 1. Khái quát chung về động cơ DC servo
Harmonic RHS14-6003
1.1. Giới thiệu động cơ DC servo Harmonic RH-11D 3001

Hình 1.1: Động cơ RH-11D 3001trong thực tế
* Cấu tạo của động cơ servo:

Hình 1.2: 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
Động cơ RH-11D 3001 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.
* Nguyên lý hoạt động:
- Động cơ servo được thiết kế để quay có giới hạn mà không phải
quay liên tục như động cơ DC hay động cơ bước.
3


* Các tham số cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1.1
Kiểu chạy: Liên tục
Kích thích: Nam châm vĩnh cửu
Cách điện: lớp F
Điện trở cách điện: 100M Ω
Nhiệt độ môi trường: -10 ~ +40oC
Nhiệt độ lưu trữ: -20 ~ +60 oC

Độ ẩm môi trường: 20 ~ 80 % (không ngưng tụ)
Độ rung: 2.5g (5 ~ 400HZ)
Shock: 30g (11ms)
Bôi trơn: Dầu nhờn (SK-1A)
Đầu ra: Mặt bích
Bảng 1.1: Thông số động cơ RH-11D 3001
Thông số
Công suất đầu ra (sau hộp số)
Điện áp định mức
Dòng điện định mức
Mômen định mức TN
Tốc độ định mức nN
Mômen hãm liên tục
Dòng đỉnh
Mômen cực đại đầu ra Tm
Tốc độ cực đại
Hằng số mômen (KT)
Hằng số điện B.E.M.F (ảnh
hưởng của tốc độ đến sđđ phần
ứng)(Kb)

Đơn vị
W
V
A
In-lb

ĐC RH-11D
3001
12.3

24
1.3
34

Nm
rpm
In-lb
Nm
A
In-lb
Nm
rpm
In-lb/A
Nm/A
v/rpm

3.9
30
39
4.4
2.1
69
7.8
50
43
4.91
0.5
4

In-lb –sec2
0.38
Kgm2
43
Hằng số thời gian cơ khí
ms
8.5
Độ dốc đặc tính cơ
In-lb/rpm
4.6
Nm/rpm
5.2.10-4
Hệ số momen nhớt (Bf)
In-lb/rpm
0.62
Nm/rpm
1.7*10-2
Tỷ số truyền
1:R
100
Tải trọng hướng tâm
lb
55
N
245
Tải trọng hướng trục
lb
44
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 khởi động
A
0.31
Dòng không tải
A
0.55
1.2. Mô hình toán của động cơ DC servo Harmonic RHS14-6003
Mô men quán tính (J)

Các tham số cơ bản của động cơ như sau:
Ra = 4.7 (Ω), La = 1.6 (mH)
Kt = 4.91 (Nm/A); Kb = 0.5 (V/rpm)
Bf = 1.7*10-2J = 0.0043
Ta có:
ua – ea = ia.Ra +La.
= (Mđc – Mc)
Mđc= Kt.ia
ea = Kb.n

Chuyển sang Laplace ta được:

5


-

= .

+

s.� = (
=
=

. .s
-

)

-

=

.
�=

.
.n

+ . .s
(
=

=

-

)

.
.n

Với Ta = ta có:
Ia = (Ua – Ea)
ω = (Mđc – Mc)
Mđc = Kt.Ia
Ea = Kb.n
Cấu trúc động cơ như sau:

Hình 1.3: Cấu trúc động cơ RH-11D 3001
Mô phỏng trên matlab:

Hình 1.4: Mô hình động cơ trên matlab
6


Chương 2. Xây dựng bộ điều khiển động cơ DC servo
Harmonic RHS14-6003
2.1. Xây dựng đội tượng điều khiển

Mô hình mô phỏng trên Simulink:

Hình 2.1 Mô hình toán của dối tượng cần tổng hợp bđk
Để tổng hợp bộ điều khiển theo phương pháp gán điểm cực nhập
tham số trên matlab workspace như sau:
Ra=4.7
La=1.6.10^-3
kt=4.91
ke=0.5
bf=0.017
J=43e-3
Ta=La/Ra
s=tf(‘s’)
G1 = 1/(J*s+bf)
G2=(1/Ra)/((La/Ra)*s+1)
7


G3=kt
G4=ke
Gh=g1*g2*g3
Gs=Gh/(1+Gh*G4)
Gz=c2d(Gs,0.01,’zoh’)
Step(Gz)
bbd=(2.4)/(10^-4*s+1)
Gs2=Gs*bbd*(10/3000)/(10^-3*s+1))*100
Gz2=c2d(Gs2,0.01,’zoh’)
Rltool(gz2)
2.2. Xây dựng bộ điều khiển số cho động cơ DC servo Harmonic
R11-3001

Sau khi chạy mfile ta được:

Với điều kiện động cơ đạt trạng thái xác lập ở 0.7s ta tìm được bộ điều
khiển như sau:

GR(z) =
8


Chương 3: Mô phỏng trên matlab
3.1. Sơ đồ mô phỏng
a. Sơ đồ mô phỏng động cơ khi chưa có bộ điều khiển

Hình 3.1 Mô hình động cơ trên simulink
Khi chưa có tải và điện áp đặt là 24v:
Đặc tính tốc độ động cơ

Hình 3.2 Tốc độ ra của động cơ khi không tải
9


Đặc tính dòng điện không tải

Hình 3.3 Dòng không tải của động cơ
Khi có tải Mc=9N/m và điện áp đặt là 24v:
Đặc tính tốc độ ra khi có tải

Hình 3.4 Tốc độ động cơ khi có tải
10

Đặc tính dòng điện động cơ khi có tải

Hình 3.5 Đặc tính dòng điện của đông cơ khi có tải
b. Mô hình bộ điều khiển tốc độ động cơ servo

Hình 3.6 Mô hình bộ điều khiển số điều khiển tốc độ động cơ servo
Đặc tính động cơ khi không tải với U=10v:
Đặc tính tốc độ:
11


Hình 3.7 Đặc tính tốc độ ra của động cơ khi có bđk
Đặc tính dòng điện phần ứng:

Hình 3.8 Đặc tính dòng phần ứng khi không tải và có bộ điều khiển
Đặc tính động cơ khi có bộ điều khiển và Mc=9N/m
12


Hình 3.9 Đặc tính tốc độ của động cơ khi có tải
Đặc tính dòng phần ứng khi có tải Mc=9N/m

Hình 3.10 Đặc tính dòng phần ứng động cơ khi có tải
13


3.2 Nhận xét và kết luận
Khi chưa có tải: - Khi không có bộ điều khiển thì dòng điện phần ứng
tăng mạnh giai đoạn đầu và gần bằng 2.5Idm còn khi có bộ điều khiển

thì dòng điện phần ứng giai đoạn đầu giảm mạnh (1A)
- Khi có bộ điều khiển động cơ chạy đúng với giá trị
tốc độ đặt trước đó
Khi có tải: - Khi không có bộ điều khiển thì động cơ bị sụt tốc mạnh
và không thể đạt được tốc độ định mức. Khi có bộ điều khiển thì động
cơ bị sụt tốc một khoảng nhỏ trong 0.5s rồi sau đó tăng lên giá trị tốc
độ đặt.
KẾT LUẬN: Bộ điều khiển đã điều khiển được tốc độ động cơ theo
giá trị đặt trước và thỏa mãn yêu cầu đề ra

14


Chương 4: Thực thi bộ điều khiển số trên vi điều khiển
atmega16
4.1. Thực thi bộ điều khiển số
Bộ điều khiển tổng hợp được R(z)=
Áp dụng cấu trúc trực tiếp dạng chính tắt:

rk = ek + rk-1
uk = 0.01rk – 0.05rk-2
Cấu trúc thực thi bộ đks theo dạng chính tắt:

Hình 4.1 Bộ điều khiển số theo dạng chính tắt

4.2. Thuật toán
15


Thuật toán chương trình chính

Bắt đầu

Khởi tạo ADC
Khơi tạo I/O

Khơi tạo Timer ngắt sau 10ms

Khai báo biến sk,yk,ek,rk,rk-1,M1,M2

Chờ ngắt

16


Thuật toán ngắt timer:
Tính Sk, yk

ek = sk - yk

rk = ek + M1
uk = rk + M2

rk-1 = rk

M1 = rk-1

M2 = -0.05rk-1

PORTC=uk

Quay lại chương trình chính

17


4.3. Cấu trúc bộ điều khiển và chương trình

8MHZ

C1

R1

C2

5k
10uF

U?

10uF

CRYSTAL

9
13
12

RV?

50%

40
39
38
37
36
35
34
33

1k

Yk

1
2
3
4
5
6
7
8

RESET
XTAL1
XTAL2
PA0/ADC0
PA1/ADC1
PA2/ADC2

PA3/ADC3
PA4/ADC4
PA5/ADC5
PA6/ADC6
PA7/ADC7
PB0/T0/XCK
PB1/T1
PB2/AIN0/INT2
PB3/AIN1/OC0
PB4/SS
PB5/MOSI
PB6/MISO
PB7/SCK

U?
PC0/SCL
PC1/SDA
PC2/TCK
PC3/TMS
PC4/TDO
PC5/TDI
PC6/TOSC1
PC7/TOSC2
PD0/RXD
PD1/TXD
PD2/INT0
PD3/INT1
PD4/OC1B
PD5/OC1A
PD6/ICP1

PD7/OC2

AREF
AVCC

22
23
24
25
26
27
28
29
14
15
16
17
18
19
20
21

5
6
7
8
9
10
11
12

A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8

VREF+
VREFIOUT
COMP
VEE

14
15

R2

R4
5k

5k

U?

4
16
3

C3

DAC0808

OP1P

1nF

-15k

32
30

ATMEGA16

Chương trình trên vi điều khiển
#include <mega16.h>
#include <delay.h>
// Declare your global variables here
char sk=0, yk=0, rk=0, rk-1=0, M1=0, M2=0;
// Timer1 overflow interrupt service routine
interrupt [TIM1_OVF] void timer1_ovf_isr(void)
{
// Reinitialize Timer1 value
TCNT1H=0xD8F0 >> 8;
TCNT1L=0xD8F0 & 0xff;
sk=read_adc(0);
yk=read_adc(1);
18

ek=sk-yk;
rk=ek+M1;
uk=rk+M2;
rk-1=rk;
M1=rk-1;
M2=-0.05*rk-1;
if(uk>255) {uk=255;};
else
if(uk<0) {uk=0;};
PORTC = (unsigned char) uk;
}

19


Tài liệu tham khảo
[1] Sách điều khiển số; Nhà xuất bản Hàng Hải

20