Thiết kế điều khiển bù kết hợp với gán điểm cực khâu điều chỉnh tốc độ động cơ DC Servo Harmonic RH 14D-3002

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN: ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN HỌC PHẦN ĐIỀU KHIỂN SỐ MÃ HỌC PHẦN: 13310 Tên đề tài: Thiết kế điều khiển bù kết hợp với gán điểm cực khâu điều chỉnh tốc độ động DC Servo Harmonic RH 14D-3002 Số: 51 Giáo viên hướng dẫn : NGUYỄN VĂN TIẾN Nhóm sinh viên : CAO LÝ ĐỨC - 77679 TRẦN QUỐC TRUNG - 75767 ĐẶNG QUANG TÙNG - 80279 PHẠM VĂN LONG – 75188 TRẦN NGỌC TÂN - 76482 Lớp : N02 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .2 CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RH 14D-3002 1.1 Giới thiệu động DC Servo .3 1.2 Động DC Servo RH 14D-3002 .5 1.3 Mơ hình đối tượng miền liên tục 1.4 Mơ hình đối tượng miền z 10 CHƯƠNG XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RH 14D3012 16 2.1 Xây dựng đội tượng điều khiển 16 2.2 Xây dựng điều khiển số cho động DC servo Harmonic RH 14D-3012 .18 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB 19 3.1 Sơ đồ mô 20 3.2 Nhận xét kết luận .22 LỜI MỞ ĐẦU Trong năm gần công nghệ thông tin có bước nhảy vọt, đặc biệt đời máy tính tạo cho xã hội bước phát triển mới, ảnh hưởng đến hầu hết vấn đề xã hội công nghiệp Hịa phát triển đó, ngày nhiều nhà sản xuất ứng dụng họ vi sử lý mạnh vào công nghiệp, việc điều khiển xử lý đữ liệu Những hạn chế kỹ thuật tương tự trôi thông số, làm việc cố định dài hạn, khó khăn việc thực chức điều khiển phức tạp thúc đẩy việc chuyển nhanh cơng nghệ số Ngồi điều khiển số cho phép tiết kiện linh kiện phần cứng, cho phép tiêu chuẩn hóa Với vi sử lý, cấu trúc phần cứng dùng cho nhiều ứng dụng khác Tuy nhiên kỹ thuật sơ có nhược điểm sử lý tín hiệu rời rạc…, đồng thời tín hiệu tương tự có ưu điểm mà kỹ thuật số khơng có tác động nhanh liên tục Vì xu hướng điều khiển phối hợp điều khiển số điều khiển tương tự Để vững kiến thức học việc nghiên cứu cần thiết sinh viên Bài tập lớn Mô “Điều khiển số” giúp em biết thêm nhiều kiến thức lẫn kinh nghiệm Dưới hướng dẫn thầy Nguyễn Văn Tiến em thực xong tập Do kiến thức hạn chế nên tập cịn có nhiều sai xót, nên em mong nhận bổ xung thầy, cô bạn CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RH 14D-3002 1.1 Giới thiệu động DC Servo Điều khiển động DC (DC Motor) ứng dụng thuộc dạng điều khiển tự động DC Motor cấu chấp hành (actuator) dùng nhiều hệ thống tự động (ví dụ robot) Điều khiển DC Motor ta tự xây dựng cho nhiều hệ thống tự động DC servo motor động DC có điều khiển hồi tiếp Mặt khác, động servo thiết kế cho hệ thống hồi tiếp vịng kín Tín hiệu động nối với mạch điều khiển Khi động quay, vận tốc vị trí hồi tiếp mạch điều khiển Nếu có lý ngăn cản chuyển động quay động cơ, cấu hồi tiếp nhận thấy tín hiệu chưa đạt vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động đạt điểm xác Động servo có nhiều kiểu dáng kích thước, sử dụng nhiều máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển máy tính mơ hình máy bay ô tô.Ứng dụng cho động Servo dùng robot ,cùng loại với loại động dùng mơ hình máy bay , tơ  Cấu tạo động Servo DC: Hình 1.1 Cấu tạo động DC Servo Thông thường cấu tạo động servo bao gồm phận rotor stator Động servo DC bao gồm hai phận số phận khác như: Động Bản mạch Dây dương nguồn Dây tín hiệu Dây âm nguồn Điện kế Đầu (bánh răng) Cơ cấu chấp hành; Vỏ 10 Chíp điều khiển  Nguyên lý làm việc: Động servo DC hình thành hệ thống hồi tiếp vịng kín ngun lý hoạt động động mô tả sau: Bộ phận rotor động nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh stator động cuộn dây riêng biệt cấp nguồn theo trình tự thích hợp để quay rotor Khi chuyển động quay rotor phụ thuộc vào tần số pha, phần cực dòng điện chạy cuộn dây stator trường hợp dòng điện cấp tới cuộn dây chuẩn xác.  Mạch điều khiển động nối với tín hiệu Điều có nghĩa động vận hành vận tốc vị trí hồi tiếp mạch điều khiển Lúc có lý ngăn cản trình chuyển động quay động cơ, phận cấu hồi tiếp nhận thấy tín hiệu mạch điểu khiển phải tiếp tục điều chỉnh sai lệch cho động đến đạt điểm xác  Ưu nhược điểm động DC Servo: - Ưu điểm: Là hệ thống hồi tiếp vòng kín động servo DC dễ điều khiển, dễ sử dụng Bên cạnh động cịn giúp kiểm sốt tốc độ xác, đảm bảo trình vận hành ổn định Hiện giá thành động Servo DC rẻ so với loại động khác.  - Nhược điểm: Vì cấu tạo có phận chổi than nên điểm hạn chế lớn loại động dễ gây tiếng ồn, nhiệt độ cao vận hành quán tính cao giảm tốc độ Nếu sử dụng động DC servo khơng chổi than khiến động chạy êm vận hành tốt  Ứng dụng: Có nhiều máy móc sử dụng động DC servo để hoạt động Cụ thể động DC servo ứng dụng ngành điện - điện tử (ví dụ lắp chip LSI bảng mạch) Tuy nhiên, động DC servo hạn chế ứng dụng ngành điện - điện tử mà thay vào động có ứng dụng chủ yếu ngành sản xuất thực phẩm, đồ uống ứng dụng ngành giấy, may mặc, bao bì.  Ngồi động DC servo cịn có số ứng dụng khác như:   Ứng dụng sản xuất robot chuyển động trơn tru định vị xác  Ứng dụng loại đồ chơi điều khiển radio  Ứng dụng sản xuất các loại thiết bị điện tử đĩa DVD, máy nghe nhạc blue  Ứng dụng xe ô tô để trì tốc độ phương tiện Một số sản phẩm bật sử dụng động DC servo: Động Cơ DC Servo giảm tốc GA12 - N20 Encoder, động DC Servo JGB37-545 DC Geared Motor, động DC Servo Giảm Tốc Hành Tinh Planetary GP36, 1.2 Động DC Servo RH 14D-3002 Hình 1.2 Động DC Servo RH-14D 3002 Đối tượng điều khiển động cơ DC Servo RH-14D 3002 hãng Harmonic Động thuộc dòng rhmini series dòng động được thiết kế nhỏ gọn, truyền động xác , mơ men lớn có gắn sẵn encoder Thơng số kỹ thuật động 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, phút + Điện trở cách điện: 100 MΩ + Độ rung: 2,5 g( … 400Hz) + Shock: < 30 g( 11ms) + Chế tạo: Hồn tồn khép kín + Bôi trơn: Mỡ( SK2) + Nhiệt độ môi trường: 40° + Độ ẩm môi trường: 20 80%( không ngưng tụ) Bảng 1.1 Thông số động DC Servo RH 14D-3002 Thông số Công suất đầu Điện áp định mức Dòng điện định mức Momen định mức Tn Momen hãm liên tục Dòng đỉnh Momen cực đại đầu Tốc độ cực đại Động 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 tốc độ đến tốc độ phần ứng Kb) Momen quán tính 0,6 V/rpm 0,72 In-lb –sec2 81,6 Kgm2 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 lb 392 N 88 lb 392 N 30 W 3000 rpm 2,7 Ω Điện cảm phần ứng 1,1 mH Dòng khởi động 0,43 A Dòng khơng tải 0,91 A Hằng số thời gian khí Độ dốc đặc tính Tải trọng hướng tâm Tải trọng hướng trục Công suất động Tốc độ định mức động Điện trở phần ứng 1.3 Mơ hình đối tượng 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 5,76 Nm) Momen quán tính: J = 81,6.10-3 (kg/m2) Hệ số ma sát: β f = 1,5.10-1 (Nm/rpm) Hằng số điện áp: Kb = 0,6 (V/rpm) ( vịng/ phút sản sinh 0,6V) Các phương trình: { uu−e u=iu Ru + Lu d iu dt dω = ( M −M c ) dt J đc M đc =K T iu e u=K b n Chuyển sang Laplace ta được: { { U u−Eu =I u Ru + I u T u s sω= ( M đc −M c ) J M đc =K T I u E u=K b n 1/ Ru (U −Eu ) Lu/ Ru s +1 u ω= ( M đc −M c ) Js M đc=K T I u Eu =K b n I u=  Hình 1.3 Mơ hình động matlab Kết mơ động cơ: + Khi chưa có tải điện áp đặt 24V: Đặc tính tốc độ động cơ: Hình 1.4 Đặc tính tốc độ động khơng tải Đặc tính dịng điện động cơ: Hình 1.5 Đặc tính dịng điện động khơng tải Nhận xét: Khi không tải, tốc độ động 3000 v/p dịng điện khơng tải ban đầu tăng mạnh ổn định sau xấp xỉ 1A, với thông số kỹ thuật động + Khi có tải Mc=9 N/m điện áp đặt 24V: Đặc tính tốc độ động cơ: Hình 1.6 Đặc tính tốc độ động tải Mc=9 Đặc tính dịng điện động cơ: Hình 1.7 Đặc tính dịng điện động tải Mc=9 Nhận xét: Khi có tải động khơng thể đạt tốc độ định mức, cịn dòng điện ban đầu tăng mạnh giảm mạnh có tải sau ổn định 1.4 Mơ hình đối tượng miền z Để chuyển mơ hình đối tượng sang miền z, ta làm nhập tham số 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 đối tượng gõ lệnh: step(Gz) Hình 1.8 Đáp ứng đầu đối tượng đầu vào hàm nhảy đơn vị Nhận xét: đáp ứng đầu đối tượng đến 150 hàm step(Gz) đầu vào 1V  Khảo sát đối tượng khí gõ lệnh: Step(24*Gz) Hình 1.9 Đáp ứng đầu đối tượng khảo sát step(24*Gz) Nhận xét: Đáp ứng đầu gần với thông số động CHƯƠNG XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RH 14D-3002 2.1 Xây dựng đội tượng điều khiển Mơ hình mơ Simulink: Hình Mơ hình tốn đối tượng cần tổng hợp BĐK Để tổng hợp điều khiển theo phương pháp gán điểm cực khảo sát tốc độ nhập tham số matlab workspace sau: s=tf('s') G3 = 1/(J*s+Bf) G1=1/(Lu*s+Ru) G2=Kt Gph=Kb Gh=G1*G2*G3 Gs=feedback(Gh,Gph) Gz=c2d(Gs,0.01,'zoh') Gz1= Gz*Kg step(Gz*75) bbd= 0.0092/( 0.002431*s +1) Gs2=Gs*bbd Gz2=c2d(Gs2,0.01,’zoh’) Gz3=Gz2*100 Rltool(Gz3) Hs=1/(1+0.01*s) Hz=c2d(Hs,0.01,'zoh') Để tổng hợp điều khiển theo phương pháp gán điểm cực khảo sát dòng điện nhập tham số matlab workspace sau: s=tf('s') G3 = 1/(J*s+Bf) G1=1/(Lu*s+Ru) G2=Kt Gph=Kb Gh=G1 Gk= G2*G3*Gph Gis= feedback(Gh,Gk) Giz=c2d(Gis,0.001,’zoh’) Step(75*Giz) 2.2 Xây dựng điều khiển số cho động DC servo Harmonic RH 14D3002 Sau chạy mfile ta được: Hình 2.2 cấu trúc điều khiển Hình 2.3 Vị trí gán điểm cực Với điều kiện động đạt trạng thái xác lập 0.5s ta tìm điều khiển sau: Hình 2.4 thời gian đáp ứng tốc độ 0.11836 Giá trị điều khiển : GR(z) = z−1 CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG TRÊN MATLAB 3.1 Sơ đồ mơ a Sơ đồ mơ động chưa có điều khiển Hình Mơ hình động simulink b Mơ hình điều khiển tốc độ động servo Hình Mơ hình điều khiển số điều khiển tốc độ động servo Đặc tính động khơng tải với tốc độ đặt 2000 vịng: Đặc tính tốc độ: Hình 3 Đặc tính tốc độ động có BĐK Đặc tính dịng điện phần ứng: Hình Đặc tính dịng phần ứng khơng tải có điều khiển Đặc tính động có điều khiển Mc=31N/m Hình Đặc tính tốc độ động có tải 4s Đặc tính dịng phần ứng có tải Mc=31N/m Hình Đặc tính dịng phần ứng động có tải 4s 3.2 Nhận xét kết luận So sánh kết chưa có bdk mà có tải động đặt 3500vong/p bị kéo xuống cịn 3400v/p mà có bdk đặt giá trị 2000v/p tải kéo tốc độ xuống 0.4s đầu sau lại hồi phục 2000v/p đưa tải vào sau 4s tốc độ giảm xuống lúc điều khiển điều chỉnh giá trị tốc độ với giá trị đặt Đặc tính dịng điện phần ứng tương tự có bdk giá trị dịng điện sau 2s đặt giá trị xác lập xấp xỉ 2A gần so với datasheet đưa Giá trị Iqd=2,5Idm Tài liệu tham khảo [1] Sách điều khiển số; Nhà xuất Hàng Hải