Thiết kế khâu điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp gán điểm cực cho động cơ DC servo 3002

LỜI MỞ 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.
Hịa 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 xử 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 sơ 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 khơng 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 Mô “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 cịn hạn chế nên bài
tập cịn có nhiều sai xót, nên em mong nhận được sự bổ xung của các thầy, cô và
các bạn.


CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO
HARMONIC RH 14D-3002
1.1.

Giới thiệu động cơ DC 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 vịng
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 mơ
hình máy bay ơ tô.Ứng dụng mới nhất cho động cơ Servo là dùng trong robot
,cùng loại với các loại động cơ dùng trong mơ hình máy bay , ơ tơ.
• Cấu tạo của động cơ Servo DC:

Hình 1.1. Cấu tạo của động cơ DC Servo
Thông thường cấu tạo của 1 động cơ servo sẽ bao gồm 2 bộ phận rotor và
stator. Động cơ servo DC cũng bao gồm hai bộ phận chính trên và một số bộ
phận khác như:
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
•

Ngun lý làm việc:

Động cơ servo DC được hình thành bởi những hệ thống hồi tiếp vịng kín
chính vì vậy nguyên lý hoạt động của động cơ này được mô tả như sau:
Bộ phận rotor của động cơ là một nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh
và stator của động cơ được cuốn bởi các cuộn dây riêng biệt và được cấp nguồn
theo một trình tự thích hợp để quay rotor. Khi đó chuyển động quay của rotor
phụ thuộc vào tần số và pha, phần cực và dòng điện chạy trong cuộn dây stator
trong trường hợp dòng điện cấp tới các cuộn dây là chuẩn xác.
Mạch điều khiển của động cơ được nối với tín hiệu ra. Điều này có nghĩa
khi động cơ vận hành thì vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển.
Lúc này nếu có bất kỳ lý do nào ngăn cản quá trình chuyển động quay của động
cơ, bộ phận cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu và mạch điểu khiển sẽ phải tiếp
tục điều chỉnh sai lệch cho động cơ đến khi đạt điểm chính xác.
•

Ưu nhược điểm của động cơ DC Servo:

- Ưu điểm: Là hệ thống hồi tiếp vịng kín chính vì vậy động cơ servo DC
rất dễ điều khiển, dễ sử dụng. Bên cạnh đó động cơ cịn giúp kiểm sốt tốc độ
chính xác, đảm bảo quá trình vận hành được ổn định. Hiện nay giá thành của
động cơ Servo DC rẻ hơn so với các loại động cơ khác.


- Nhược điểm: Vì cấu tạo có bộ phận chổi than nên điểm hạn chế lớn nhất
của loại động cơ này chính là dễ gây ra tiếng ồn, nhiệt độ cao khi vận hành và
quán tính cao khi giảm tốc độ. Nếu sử dụng động cơ DC servo không chổi than

thì sẽ khiến động cơ chạy êm và vận hành tốt hơn.
•

Ứng dụng:

Có rất nhiều máy móc sử dụng động cơ DC servo để hoạt động. Cụ thể
động cơ DC servo có thể ứng dụng trong ngành điện - điện tử (ví dụ như lắp các
chip LSI trên bảng mạch). Tuy nhiên, hiện nay động cơ DC servo rất hạn chế
trong ứng dụng ngành điện - điện tử mà thay vào đó động cơ có ứng dụng chủ
yếu trong ngành sản xuất thực phẩm, đồ uống và ứng dụng trong ngành giấy,
may mặc, bao bì.
Ngồi ra động cơ DC servo cịn có một số ứng dụng khác như:
•

Ứng dụng trong sản xuất robot vì sự chuyển động trơn tru và định vị

•
•

chính xác.
Ứng dụng trong các loại đồ chơi điều khiển bằng radio.
Ứng dụng trong sản xuất các loại thiết bị điện tử như đĩa DVD, máy nghe

•

nhạc blue.
Ứng dụng trong xe ơ tơ để duy trì tốc độ của phương tiện.
Một số sản phẩm nổi bật sử dụng động cơ DC servo: Động Cơ DC Servo

giảm tốc GA12 - N20 Encoder, động cơ DC Servo JGB37-545 DC Geared

Motor, động cơ DC Servo Giảm Tốc Hành Tinh Planetary GP36,...
1.2.

Động cơ DC Servo RH 14D-3002

Hình 1.2. Động cơ DC Servo RH-14D 3002


Đối tượng điều khiển ở đây là động cơ DC Servo RH-14D 3002 của hãng
Harmonic. Động cơ này thuộc dòng rhmini series là một dòng động cơ
được thiết kế nhỏ gọn, truyền động chính xác , mơ men lớn và có gắn sẵn
encoder.
Thơng số kỹ thuật của động cơ DC Servo RH 14D-3002:
+ Kiểu chạy: Liên tục.
+ Kích thích: Nam châm vĩnh cửu.
+ Cách điện: Lớp B.
+ Điện áp cách điện: 500 V, một phút.
+ Điện trở cách điện: 100 MΩ.
+ Độ rung: 2,5 g( 5 … 400Hz).
+ Shock: < 30 g( 11ms).
+ Chế tạo: Hồn tồn khép kín.
+ Bơi trơn: Mỡ( SK2).
+ Nhiệt độ môi trường: 0 40
+ Độ ẩm môi trường: 20 80%( không ngưng tụ).
Bảng 1.1. Thông số của động cơ DC Servo RH 14D-3002
Thông số
Công suất đầu ra
Điện áp định mức
Dòng điện định mức
Momen định mức Tn

Momen hãm liên tục
Dòng đỉnh
Momen cực đại đầu ra
Tốc độ cực đại

Động cơ RH-14D 3002
18,5
24
1,8
52
5,9
69
7,8
4,1

Đơn vị
W
V
A
In-Ib
Nm
In-Ib
Nm
A

174
20
50

In-Ib

Nm
rpm

Hằng số momen

51
5,76

In-Ib/A
Nm/A

Hằng số B.E.M.F ( ảnh
hưởng của tốc độ đến
tốc độ phần ứng Kb)
Momen quán tính

0,6

V/rpm

0,72
81,6

In-lb –sec2
Kgm2


Hằng số thời gian cơ
khí
Độ dốc đặc tính cơ

7,0

msec

11

In-Ib/rpm

1,2

Nm/rpm

Hệ số momen nhớt

1,3

In-Ib/rpm

Tỉ số truyền

1,5.10-1
100

Nm/rpm
1:R

88
392
88

392
30
3000

lb
N
lb
N
W
rpm

2,7
1,1
0,43
0,91

Ω
mH
A
A

Tải trọng hướng tâm
Tải trọng hướng trục
Công suất động cơ
Tốc độ định mức động
cơ
Điện trở phần ứng
Điện cảm phần ứng
Dịng khởi động
Dịng khơng tải

1.3.

Mơ hình đối tượng trên miền liên tục
Các tham số xây dựng mơ hình động cơ:
Điện trở phần ứng: Ru = 2,7 Ω
Điện cảm phần ứng: Lu = 1,1 Mh
Hằng số momen: KT = 5,76 Nm/A ( Cứ 1A sinh ra 5,76 Nm)
Momen quán tính: J = 81,6.10-3 (kg/m2)
Hệ số ma sát: = 1,5.10-1 (Nm/rpm)
Hằng số điện áp: Kb = 0,6 (V/rpm) ( 1 vịng/ phút sản sinh 0,6V)
Các phương trình:

Chuyển sang Laplace ta được:




Hình 1.3. Mơ hình động cơ trên matlab
Kết quả mơ phỏng động cơ:
+ Khi chưa có tải và điện áp đặt là 24V:
Đặc tính tốc độ động cơ:

Hình 1.4. Đặc tính tốc độ động cơ khi khơng tải
Đặc tính dịng điện động cơ:


Hình 1.5. Đặc tính dịng điện động cơ khi khơng tải
Nhận xét: Khi không tải, tốc độ động cơ là 3000 v/p và dịng điện khơng
tải ban đầu tăng mạnh nhưng ổn định sau đó xấp xỉ 1A, đúng với thơng số kỹ
thuật của động cơ

+ Khi có tải Mc=9 N/m và điện áp đặt là 24V:
Đặc tính tốc độ động cơ:

Hình 1.6. Đặc tính tốc độ động cơ khi tải Mc=9
Đặc tính dịng điện động cơ:


Hình 1.7. Đặc tính dịng điện động cơ khi tải Mc=9
Nhận xét: Khi có tải động cơ khơng thể đạt tốc độ định mức, còn dòng
điện ban đầu tăng mạnh rồi giảm mạnh khi có tải sau đó mới ổn định.
1.4.

Mơ hình đối tượng trên miền z

Để chuyển mơ hình đối tượng sang miền z, ta làm nhập tham số trên
matlab workspace:
Thông số động cơ:


Khai báo biến s

Khai báo G1:

Khai báo G2:

Khai báo G3:


Tính G0 = G1.G2.G3

Khai báo Gph:

Tính Gk = feedback ( G0,Gph )

Tính Gkt = Gk.Kg


Tính Gz

Khi bước thời gian làm hàm bước nhảy

•

Khảo sát đáp ứng đầu ra đối tượng gõ lệnh: step(Gz)

Hình 1.8. Đáp ứng đầu ra của đối tượng khi đầu vào là hàm nhảy đơn vị
Nhận xét: đáp ứng đầu ra đối tượng chỉ đến 150 vì hàm step(Gz) đầu vào
1V
•

Khảo sát đối tượng khí gõ lệnh: Step(24*Gz)


Hình 1.9. Đáp ứng đầu ra đối tượng khi khảo sát bằng step(24*Gz)
Nhận xét: Đáp ứng đầu ra gần đúng với thông số của động cơ.


CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC SERVO
HARMONIC RHS14-3002
2.1. Tìm bộ điều khiển số bằng phương pháp gán điểm cực

Hình 2.1. Cấu trúc bộ điều khiển số
Trong đó:
GR(z) =
GS(z) =
Tìm phương trình đặc tính:
N(z) = P(z-1).A(z-1) + R(z-1).B(z-1)
Gán điểm cực cho phương trình đặc tính:
P(z-1).A(z-1) + R(z-1).B(z-1) = (z-z1)(z-z2)…(z-zn)
(z1, z2,…, zn là các điểm cực cần gán)
Đồng nhất hệ số phương trình trên
=> R(z-1) và P(z-1)


Hình 2.2. Qũy đạo điểm cực trên miền z
Sử dụng lệnh Rltool(G(z)) để gán điểm cực.
2.2. Xây dựng mạch vòng điều khiển tốc độ
Để thuận lợi trong quá trình tổng hợp bộ điều khiển ta coi gần đúng bộ
biến đổi cơng suất (PWM) là khâu qn tính bậc nhất với hằng số thời gian Tf=
1/f với f=30000Hz là tần số băm xung. Hàm truyền bộ biến đổi công suất là:
Gbd(s) =
Khi đó mạch vịng tốc độ có cấu trúc như sau:

Hình 2.3. Cấu trúc mạch vịng điều khiển tốc độ động cơ


Ta tiến hành tìm hàm truyền mạch vịng bao gồm cả hàm truyền bộ biến
đổi và hàm truyền phản hồi:

Sau khi tính hàm truyền kín hệ liên tục Gk3 cuả mạch vịng, sau đó

chuyển sang hệ rời rạc bằng lệnh Gz=C2d(Gk3,0.01.,’zoh’).
Sau đó, ta gõ lệnh rltool(Gz) để lựa chọn điểm cực phù hợp phù hợp cho
đối tượng sao, sau đó xuất ra bộ điều khiển PID số.
Gw(z) =

Hình 2.4. Mạch vòng điều khiển tốc độ động cơ của bộ điều khiển số


Đặc tính động cơ:
Đặc tính

Hình 2.5. Đặc tính tốc độ của động cơ

Hình 2.6. Đặc tính dịng điện của động cơ
Nhận xét: 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.


Chương 3: Thực thi bộ điều khiển số trên vi điều khiển
atmega16
3.1. 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

3.2. Thuật tốn


Thuật tốn 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


Thuật tốn ngắt timer:
Tính Sk, yk


3.3. Cấu trúc bộ điều khiển và chương trình
ek = sk - yk
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

22
23
24
25
26
27
28
29

5
6
7
8
9
10
11
12

A1
A2
A3

A4
A5
A6
A7
A8

rk = ek + M1
uk = rk + M2
PD0/RXD
PD1/TXD
PD2/INT0
PD3/INT1
PD4/OC1B
PD5/OC1A
PD6/ICP1
PD7/OC2

14
15
16
17
18
19
20
21

VREF+
VREFIOUT
COMP
VEE

14
15

32
30

Chương trình trên vi điều khiển
M1 = rk-1
#include <mega16.h>
#include <delay.h>
M2 =here
-0.05rk-1
// Declare your global variables
char sk=0, yk=0, rk=0, rk-1=0, M1=0, M2=0;
// Timer1 overflow interrupt service routine
PORTC=uk
interrupt [TIM1_OVF] void timer1_ovf_isr(void)

// Reinitialize Timer1 value
Quay lại chương trình
TCNT1L=0xD8F0 & 0xff;
sk=read_adc(0);
yk=read_adc(1);
ek=sk-yk;

chính

U?

16
3

ATMEGA16

TCNT1H=0xD8F0 >> 8;

5k
5k

C3

DAC0808

{

R4

4

rk-1 = rk
AREF
AVCC

R2

1nF

-15k

OP1P


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;
}


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