Bài tập lớn Điều khiển số :Thiết kế khâu điều chỉnh kiểu DeadBeat cho dòng động cơ DCServo Rh 11D 3001

Mục lục
Lời nói đầu
Chương 1. Khái quát chung về động cơ DC servo Harmonic R11-3001
1.1. Giới thiệu về động cơ RH-11D-3001
1.2.Các thông số của động cơ RH-11D 3001
1.3.Mô phỏng khi chưa có bộ điều khiển
Chương 2. TỔNG HỢP MẠCH DÒNG ĐIỆN THEO KHÂU ĐIỀU CHỈNH
DEAD-BEAT
2.1 Tổng hợp mạch dòng điện theo khâu điều chỉnh DEAD-BEAT
2.2. Sơ đồ mạch vòng tốc độ
Chương 3. MÔ PHỎNG MẠCH KHI ĐÃ TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN
3.1. Mô phỏng bộ điều khiển
3.2. Nhận xét và kết luận
Chương 4: Thực thi bộ điều khiển số trên vi điều khiển atmega16
4.1.Thực thi bộ điều khiển số
4.2Thuật toán
4.3. Cấu trúc bộ điều khiển và chương trình
Kết luận

Tài liệu tham khảo


Lời nói đầu
Trong những năm gần đây công nghệ thông tin có những bước
nhảy vọt, đặc biệt là sự ra đời của máy tính đã tạo cho xã hội một bước
phát triển mới, nó ảnh hưởng đến 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 vi sử lý mạnh vào trong công nghiệp, trong
việc điều khiển và sử lý đữ liệu. Những hạn chế của kỹ thuật tương tự
như sụ trôi thông số, sự làm việc cố điịnh dài hạn, những khó khăn của
việc thực hiện chức năng điều khiển phức tạp đã thúc 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 sử lý, một cấu
trúc phần cứng có thể dùng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Tuy nhiên kỹ
thuật sô cũng có những nhược điểm như sử 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 lắm 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 này. Do
kiến thức còn hạn chế nên bài tập còn có nhiều sai sót, nên em mong
nhận được sự bổ xung của các thầy, cô và các bạn.
Đề 41: “Thiết kế khâu điều chỉnh kiểu DeadBeat cho dòng động cơ
DCServo Rh 11D 3001”.


Chương 1. Khái quát chung về động cơ DC servo Harmonic R113001
Đối tượng điều khiển ở đây là động cơ Động cơ RH-11D
3001 của
hãng Harmonic .Động cơ này thuộc dòng RH Mini
series là ldòng động cơ được thiếtkế nhỏ gọn ,truyền động chính
xác ,mô men lớn và có gắn sẵn encoder .
1.1.

Giới thiệu động cơ DC Servo RH 11D 3001

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 của động cơ servo:

* 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

* Các tham số cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng
Kiểu chạy : Liên tục
Kích thích : Nam châm vĩnh cửu
Cách điện : lớp B
Điện trở cách điện : 100M Ω


Độ rung : 2.5g(5~400HZ)

Shock : 30g (11ms)
Bôi trơn : Dầu nhờn (SK-2)
Nhiệt độ môi trường : 0 ~ 40oC
Độ ẩm môi trường : 20 ~ 80 % ( không ngưng tụ)

Hình1.1 Động cơ RH-11D 3001

1.2.Các thông số của động cơ RH-11D 3001
Thông số

Đơn vị

Công suất đầu ra (sau hộp số)
Điện áp định mức
Dòng điện định mức

W
V
A

ĐC RH-11D
3001
12.3
24
1.3


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)

In-lb

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

Hằng số điện B.E.M.F ( ảnh
hưởng của tốc độ đến sđđ phần
ứng )(Kb)
Mô men quán tính (J)
In-lb –sec2
Kgm2
Hằng số thời gian cơ khí
ms
Độ dốc đặc tính cơ
In-lb/rpm
Nm/rpm
Hệ số momen nhớt ( Bf)
In-lb/rpm
Nm/rpm
Tỷ số truyền
1:R
Tải trọng hướng tâm
lb
N
Tải trọng hướng trục
lb
N
Công suất động cơ
W
Tốc độ định mức động cơ
rpm
Điện trở phần ứng

Ω
Điện cảm phần ứng
mH
Dòng khởi động
A
Dòng không tải
A

0.38
43
8.5
4.6
5.2.10-4
0.62
1.7*10-2
100
55
245
44
196
20
3000
4.7
1.6
0.31
0.55











Ra = 4.7
La = 1.6mH
Kt = 4.91 Nm/A
Kb = 0.5V/rpm=4.75 (V/rad/s)
Bf = 4.966
J=43e-3
Ta = = 0.34 (ms)

1.3. Ta có phương trình

Thực hiện biến đổi Laplace ta có:

Trong đó :
Ua: là điện áp phần ứng (V)
Ia: là dòng điện phần ứng (A)
Ra: là điện trở phần ứng (Ω)
La: là điện cảm phần ứng (H)
E: là sức điện động (V)
Kb: là hằng số điện áp phần ứng (V/rpm)
M: là mômen quay trên trục động cơ (N.m)


Kt: là hằng số mômen (N.m/A)
Mc: là mômen cản trên trục động cơ (N.m)

J: là mômen quán tính (kgm2)
: là tốc độ quay trên trục động cơ (rad/s)
Bf: là hệ số ma sát ổ trục (N.m/rpm)
Từ (1),(2),(3),(4) ta có mô hình động cơ 1 chiều kích rừ độc lập trên
miền
Laplace như sau:

Hình 1.2. Mô hình động cơ 1 chiều trên miền Laplace
-Mô phỏng động cơ 1 chiều


Hình 1.3. Mô hình động cơ trên miền LapLace

Thiết kế trên không gian matlab
Ra=4.7;
La=1.6e-3;
Ta=La/Ra;
Kt=4.91;
Ke=0.5;
J=43e-3;
Bf=0.017;
Kbd=24/10;


Tbd=0.01;
Kw=10/3000;
Tw=0.01;
T=0.01;
%--------s=tf('s');
G1=1/(Ra+La*s);

G2=Kt;
G3=1/(J*s+Bf);
G4=Ke;
G5=Kbd/(Tbd*s+1);
G6=Kw/(Tw*s+1);
G7=10/3000;
Gh1=G1*G2*G3;
Gs=Gh1/(1+Gh1*G4);

Gz=c2d(Gs,T,'zoh')
step(Gz);
Gs =

0.0003378 s^2 + 0.9924 s + 0.3923


--------------------------------------------------------------4.733e-09 s^4 + 2.781e-05 s^3 + 0.04104 s^2 + 0.5285 s + 0.2025

Continuous-time transfer function.

Gz =

0.2218 z^3 - 0.2136 z^2 - 0.007355 z + 1.286e-15
----------------------------------------------------z^4 - 1.878 z^3 + 0.8782 z^2 - 3.27e-13 z + 3.038e-26

Sample time: 0.01 seconds
Discrete-time transfer function.
Vậy ta có mô hình của đối tượng trên miền S là Gs.
Từ đó ta có hàm truyền gián đoạn Gz
1.2. Khảo sát đáp ứng đầu ra khi đầu vào của đối tượng là hàm

bước nhảy đơn vị
Khảo sát đáp ứng đầu ra khi đầu vào là hàm bước nhảy đơn vị:
>> step(Gz) :// khảo sát đầu ra khi đầu vào là 1 hàm bước nhảy đơn vị
(U=1V)


Hình 1.4. Đáp ứng đầu ra khi đầu vào là hàm bước nhảy đơn vị


1.3 Mô phỏng khi chưa có bộ điều khiển

Khi chưa có tải và điện áp đặt là 24v:
Đặc tính tốc độ động cơ

Hình 1.5 Tốc độ ra của động cơ khi không tải


Đặc tính dòng điện không tải

Hình 1.6 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 1.7 Tốc độ động cơ khi có tải


Đặc tính dòng điện động cơ khi có tải

Hình 1.8 Đặc tính dòng điện của đông cơ khi có tải
- Nhận xét :

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
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


CHƯƠNG 2. TỔNG HỢP MẠCH DÒNG ĐIỆN THEO KHÂU
ĐIỀU CHỈNH DEAD-BEAT
2.1. Tổng hợp mạch dòng điện theo khâu điều chỉnh DEAD-BEAT

Hình 2.1. Mô hình mạch vòng dòng điện động cơ 1 chiều
Tbđ=0,0001s
Từ mô hình ta có đối tượng của hàm truyền hở như sau:

Đồng nhất phương trình (*) và (**) ta có hệ phương trình 3 ẩn như sau:


Thực hiện biến đổi Z biểu thức trên ta có:

Chọn Ti=0,0001(s)

Biểu diễn Gs(z) dưới dạng z-1

Ta tổng hợp bộ điều khiển R theo kiểu Dead-Beat nên ta có hàm truyền
của bộ điều chỉnh có dạng như sau:

Chọn đa thức L(z-1) có dạng: L(z-1)=l0+l1.z-1+l2.z-2
U(z) = L(z-1).A(z-1).W(z-1)
=> Uz = (l0 + l1z-1 + l2z-2)( a0 + a1z-1 + a2z-2)W(z)
=> Uk = a0l0wk+(l0a1 + a0l1)wk-1+(l0a2 + l1a1 +a0l2)wk-2+(l1a2 + a1l2)wk-3 +

a2l2wk-4
Ta có:

u0 = u1
u0 = u2
=> l0 = 0,6573; l1 = 0,7069; l2 = 0,7856


 L(z-1)= 0,6573+0,7069.z-1- 0,7856.z-2

2.2. Sơ đồ mạch vòng tốc độ

Hình 2.2. Mô hình mạch vòng tốc độ động cơ 1 chiều
Từ mô hình ta có đối tượng của hàm truyền hở như sau:

Với T=10.Ti=10.0,0001=0,001 (s)

Chọn bộ điều khiển có dạng (PI) như sau:

Với d1=a1=-0,998 và Vs=1,41.10-3. Với đối tượng và cách chọn bộ điều
khiển như trên ta có:



CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG MẠCH KHI ĐÃ TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU
KHIỂN
3.1. Mô phỏng bộ điều khiển
Sơ đồ mô phỏng động cơ khi có bộ điều khiển

Hình 3.1. Mô hình mô phỏng mạch dòng tốc độ động cơ 1 chiều

Đặc tính động cơ khi không tải với U=10v:
Đặc tính tốc độ:

Hình 3.2 Đặc tính tốc độ ra của động cơ khi có bđk
Đặc tính dòng điện phần ứng:

Hình 3.2 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

Hình 3.4 Đặc tính tốc độ của động cơ khi có tải
Đặc tính dòng phần ứng khi có tải Mc=9N/m

Hình 3.5 Đặc tính dòng phần ứng động cơ khi có tải


3.2 Nhận xét và kết luận
Khi chưa có tải: - 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 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

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


4.2Thuật toán
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