MÔ PHỎNG VỊ TRÍ VẬN TỐC CỦA HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ DC SERVO BẰNG MATLAB SIMULINK

Điều khiển tốc độ động cơ là bài toán mà được nhiều nhà khoa học quan tâm tới. Trong đó động cơ điện một chiều được ứng dụng rất phổ biến trong ngành công nghiệp cơ khí, các nhà máy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm và cánh tay robot. Nhiệm vụ của các nhà khoa học là làm thế nào và bằng phương pháp nào để đưa ra một phương pháp điều khiển tối ưu nhằm đáp ứng được nhu cầu của ngành công nghiệp hiện nay. Vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đại như là điều khiển thích nghi để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều là một vấn đề quan trọng và cấp thiết. Bài báo này giới thiệu về động cơ DC SERVO DCM50207 và các vấn đề nghiên cứu như: Mô hình toán học cảu động cơ, mô phỏng phản ứng vòng lặp mở của vận tốc và vị trí, sử dụng thuật toán PID để điều khiển vận tốc của động cơ, đề xuất và mô phỏng phương pháp điều khiển vị trí servo.

Bài báo nghiên cứu điều khiển động DC SERVO MƠ PHỎNG VỊ TRÍ VẬN TỐC CỦA HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ DC SERVO BẰNG MATLAB SIMULINK Tóm tắt: Điều khiển tốc độ động toán mà nhiều nhà khoa học quan tâm tới Trong động điện chiều ứng dụng phổ biến ngành cơng nghiệp khí, nhà máy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm cánh tay robot Nhiệm vụ nhà khoa học làm phương pháp để đưa phương pháp điều khiển tối ưu nhằm đáp ứng nhu cầu ngành công nghiệp Vì việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển đại điều khiển thích nghi để điều khiển tốc độ động điện chiều vấn đề quan trọng cấp thiết Bài báo giới thiệu động DC SERVO DCM50207 vấn đề nghiên cứu như: Mơ hình tốn học cảu động cơ, mơ phản ứng vịng lặp mở vận tốc vị trí, sử dụng thuật tốn PID để điều khiển vận tốc động cơ, đề xuất mơ phương pháp điều khiển vị trí servo GIỚI THIỆU I Động DC động bước vốn hệ hồi tiếp vòng hở - ta cấp điện để động quay chúng quay ta khơng biết, kể động bước động quay góc xác định tùy vào số xung nhận Việc thiết lập hệ thống điều khiển để xác định ngăn cản chuyển động quay động làm động không quay không dễ dàng 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 bầt kỳ 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 nhiếu máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển máy tính mơ hình máy bay xe Ứng dụng động servo robot, loại với động dùng mô hình máy bay xe Hệ truyền động servo hệ thống kiểm sốt dụng cụ khí phù hợp với biến đổi vị trí tốc độ mục tiêu giá trị Hệ servo không đơn giản phương pháp thay điều khiển vị trí tốc độ cấu học, thiết bị khí đơn giản, hệ thống servo cịn hệ thống điều khiển phương pháp điều khiển vị trí tốc độ Động servo thường thiết kế hệ thống có hồi tiếp vịng kín Hệ servo địi hỏi độ xác chất lượng động học cao trình truyền động Đặc điểm hệ truyền động servo: • • Hệ truyền động servo có phạm vi điều chỉnh tốc độ tuyến tính rộng từ đến 10000 Khả tải momen quay cao, khả gia tốc lơn • Cơng suất động tối đa lớn • Hệ thống servo có độ bền dẻo định để truyền lực tạo momen tần số cộng hưởng riêng lớn nên cần phải ngăn ngừa momen xoắn • • • • II Ke 0.08 N.m/A R 0.9 Ohm L 1.03x10-3 H Jm kg.m2 b 4.77x10-5 N.m Sr 2900 vịng/phút Bảng 1: Thơng số động -Ta chọn thông số tải sau: Hệ servo có đồng chuyển động, Tích hợp động điều khiển trực tiếp vào đối tượng truyền động JL 23.65 x 10-5 Kg.m2 KL 38 N.m/A DL 3.79 x 10-3 N.m 400.84 rad/s 0.02 Bảng 2: Thơng số tải Tích hợp khâu đo tốc độ quay vị trí vào động điều khiển nhằm tiết kiệm không gian hạ giá thành mô matlab, có được: Động servo động chiều DC, động bước, động xoay chiều pha dạng đặc biệt Tích hơp thiết bị điều khiển biến tần, PLC, Tích hợp khâu đo tốc độ quay đo vị trí động cơ, dải công suất giới hạn khoảng 30kw Hình 1: Sơ đồ khối mơ hệ hở CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC CƠNG THỨC TÍNH -Từ thơng số có, ta tiến hành động -Với đầu vận tốc vị trí, -Dựa vào bảng Datasheet động out tín hiệu đầu vận tốc, DC SERVO DCM50207 ta có out tín hiệu đầu vị trí thơng số sau: Km 0.08 N.m/A Hình 4: Kết mơ vị trí Hình 2: Khối mơ động vịng hở động DC servo -Khối với wout tín hiệu đầu vận tốc, oout tín hiệu đầu vị trí -Từ khối mơ ta thu kết tín hiệu đầu sau: Hình 3: Kết mơ vận tốc vịng hở động III XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID, ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC PID tạo thành từ cụm từ tiếng Anh đầy đủ Proportional Integral Derivative Đây chế phản hồi vòng điều khiển hệ thống điều khiển công nghiệp mà sử dụng rộng rãi Bộ điều khiển đưa vào sử dụng nhiều hệ thống điều khiển vịng kín hay hệ thống có tín hiệu phản hồi Bộ điều khiển PID giúp máy cơng nghệ tính tốn giá trị sai số hiệu số giá trị đo thông số biển đối giá trị đặt theo mong muốn người thiết kế, người dùng Thông qua điều chỉnh giá trị điều khiển đầu mà mà nhờ hệ thống điều khiển thực giảm tối đa sai số, cho hoạt động xác đạt hiệu cao Để đạt kết tốt nhất, thông số PID cần sử dụng điều chỉnh theo tính chất hệ thống gắn vào Trong trường hợp điều khiển giống nhau, cần tính tốn đẻ đặc thù hệ thống để thông số PID chuẩn xác hiệu cao làm việc P Proportional - Để đến phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, thơng qua tạo tín hiệu thơng báo điều chỉnh tỷ lệ so với sai lệch đầu vào theo thời gian tiến hành lấy mẫu I Integral - Hiểu đơn giản mang ý nghĩa phân tích sai lệch theo thời gian lấy mẫu Để tạo tín hiệu điều chỉnh cho độ sai lệch giảm mức cần sử dụng phương pháp điều khiển tích phân Từ mà người dùng dễ dàng biết tổng sai số tức thời tính theo thời gian sai số tích lũy khứ Điều chỉnh phân tích mạnh thời gian tác động thể nhỏ, tương ứng với độ lệch nhỏ theo D Derivative - Có nghĩa vi phân sai lệch Điều khiển vi phân có nhiệm vụ việc tạo tín hiệu điều chỉnh tỷ lệ phù hợp với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào Vấn đề vi phạm điều chỉnh vi phân mạnh thời gian lớn tương ứng với điều chỉnh để đáp ứng cho thay đổi đầu vào nhanh Có nhiều phương pháp xây dựng điều khiển PID : dung biểu đồ BODE, phương pháp giải tích hay dùng phương pháp QDNS cách hay Hình: Mơ hình thuật tốn PID Để tăng tốc độ tác động quy luật PI, tác động điều khiển tính theo cơng thức: U(t) =Kp.e+Ki.ʃe.dt+Kd =Kp (e+ ʃe.dt+Td .) Trong đó: Kp hệ số khuếch đại Ti = số thời gian tích phân Td = số thời gian vi phân Hàm truyền tỉ lệ- vi tích phân có dạng: Wp = Kp (1 + + Td.p ) Hàm truyền tần số khâu PID: W.j.ω = Kp.(1+j (Td ω - ) Với: K = V/U (U = 30.3 volt) Kp = tau/(K*tauc) Ki = Kp/tau Hình: Kết mơ có dùng PID Kd = Kb = 1/tau; K 10.0226 Tau 0.00677 Tauc 0.02 Kp 0.03377 Ki 4.988 kd Kb 147.71 Bảng số liệu Hình: Kết mô không dùng PID Động hoạt động ổn định với tốc độ 303.687 rad/s từ đến 4s, từ 4s đến 6s động chịu tải khiến tốc độ giảm xuống 240 rad/s, sau xuất hiện tượng vọt lố khoảng gần 2s Từ giây thứ trở động đảo chiều Động hoạt động ổn định với tốc độ 303.687 rad/s từ đến 4s, từ 4s đến 6s động chịu tải khiến tốc độ giảm xuống 240 rad/s, sau không chịu tải, động hoạt động ổn đinh với tốc độ ban đầu 2s Từ giây thứ trở động đảo chiều IV XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ CHO ĐỘNG CƠ Để điều khiển vị trí động DC Servo có nhiều phương pháp tùy nhiên viêc lựa chọn phương pháp điều khiển có độ xác đơn giản ưu tiên hàng đầu Sau nhiều nghiên cứu giải pháp tìm ra, điều khiển động dùng giải thuật PID Phương pháp điều khiển PID phương pháp điều khiển mới, lại phương pháp phổ biến chuyên dùng để điều khiển hệ thống công nghiệp hệ thống lị nhiệt, điều khiển tốc độ, vị trí, moment động AC DC Thiết kế PID sử dụng ZieglerNichols Vì đáp ứng hệ thống servo cần nhanh, nên ta sử dụng phương pháp Và lí nữa, hàm truyền hệ thống sau áp dụng PID khó khăn tìm, nên ta sử dụng phương pháp thực nghiệm Xác định giới hạn làm việc hệ thống: Hình 11: Đáp ứng hệ thống K=18600 Hình 9: Mơ hình tốn để xác định giới hạn làm việc hệ thống Tiếp theo ta ước lượng chu kì Tgh hệ thống : Ta giả sử vị trí khối điều khiển vị trí giá trị K thay đổi Hệ thống ổn định bắt đầu có đáp ứng dao động hịa với chu kì Tgh K tiến đến giá trị giới hạn Ở ta dễ dàng xác định K giới hạn 18700 Hình 12: Ước lượng chu kì Tgh hệ thống Tiếp theo ta sử dụng bảng ZieglerNichols để xác định thông số PID Hình 10: Đáp ứng hệ thống ổn định dao động với Tgh Đây đáp ứng hệ thống K=18600, hệ thống chưa ổn định Hình 13: Đáp ứng nấc hệ kín K=Kgh Kp = 0.6*Kgh = 0.6*18700 = 11220 TI = 0.5*Tgh = 7.1*10-3 TD = 0.125*Tgh =1.775*10-3 Ki =Kp*TI = 1580281 Kd =Kp*TD = 19.9155 Tiếp theo, thực nghiệm, ta chỉnh định lại thơng số điều khiển PID: Hình 15: Đáp ứng hệ thống chưa áp dụng điều khiển PID Hệ thống bám sát tín hiệu nhiên tồn sai số Đáp ứng hệ thống sau áp dụng PID : Cuối ta thông số PID sau : Kp = 15000; Ki = 381000; Kd = 14 Ta có mơ hình tốn PID điều khiển vị trí: Hình 16: Đáp ứng hệ thống sau áp dụng PID Ta nhận thấy đáp ứng hệ thống tốt cải thiện nhiều, không tồn độ vọt lố V KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Hình 14: Mơ hình tốn PID điều khiển vị trí Đây hệ thống chưa áp dụng điều khiển PID : Ở phần I ta thấy đông DC SERVO hoạt đông ổn định với hệ số giảm chấn 0.02 suốt q trình khảo sát khơng xuất vọt lố, thời gian đáp ứng nằm khoảng cho phép Ở phần II ta thấy độ hiệu PID, nhờ sau ngừng tác động tải đơng quay lại tốc độ ổn định lúc đầu với thời gian đáp ứng gần Ở phần III ta thấy nhận tín hiệu điều khiển , động 2s để đáp ứng, có xuất vọt lố nhỏ, sau động hoạt động ổn định Ở phần IV ta nhận thấy đáp ứng hệ thống tốt cải thiện nhiều, không tồn độ vọt lố sử dụng điều khiền PID VI KẾT LUẬN Bài báo giải vấn đề đặt động DC Servo DCM50207 Phương pháp dùng thuật toán PID để điều khiển vận tốc động kết hợp với lọc thông thấp anti – windup Điều khiển vị trí DC Servo phương pháp dùng điều khiển PID, qua biết cách điều chỉnh giá trị KP, KI, KD để động hoạt động ổn định Qua kết qua mô thực nghiệm cho thấy nhiễu tác động lớn trình điều khiển vận tốc khơng đáp ứng tốt, nhiễu tác động mức thấp khơng có nhiễu nhờ vào PID kết hợp lọc thơng thấp Anti-Windup nên đáp ứng vận tốc tốt Về điều khiển vị trí nhờ sử dụng điều khiển PID điều chỉnh giá trị KP, KI, KD mà đáp ứng hệ thống tốt hơn, không tồn độ vọt lố Trong đó: ξL :Hệ số tắt dần Km: Hằng số moment xoắn (N.m/A) b: hệ số ma sát nhớt động cơ(N.m) DL : hệ số ma sát nhớt tải (N.m) Sr: Tốc độ vòng quay động cơ(v/p) Jm: moment quán tính động cơ(Kg.m2) JL: moment quán tính tải (Kg.m2) ... đo tốc độ quay đo vị trí động cơ, dải cơng suất giới hạn khoảng 30kw Hình 1: Sơ đồ khối mô hệ hở CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC CƠNG THỨC TÍNH -Từ thơng số có, ta tiến hành động -Với đầu vận tốc vị trí, ... bảng Datasheet động out tín hiệu đầu vận tốc, DC SERVO DCM50207 ta có out tín hiệu đầu vị trí thơng số sau: Km 0.08 N.m/A Hình 4: Kết mơ vị trí Hình 2: Khối mơ động vịng hở động DC servo -Khối với.. .động Đặc điểm hệ truyền động servo: • • Hệ truyền động servo có phạm vi điều chỉnh tốc độ tuyến tính rộng từ đến 10000 Khả tải momen quay cao, khả gia tốc lơn • Cơng suất động tối đa lớn • Hệ