Báo cáo BT môn Hệ Thống Truyền Động Servo Cơ Điện Tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - - BÁO CÁO BÀI TẬP MÔN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG SERVO GVHD: ThS Võ Lâm Chương SVTH: Nhóm 18 MSSV: Tạ Vũ Long 18146333 Lê Hồng Sơn 18146364 Nguyễn Văn Thọ 18146382 Lớp thứ 7, tiết 1-3 TP Hồ Chí Minh, 11/2022 Câu 1: Simulate position control of a single axis servo system at different speed levels Theo thông số dự datasheet, với động M4-4204-A, ta có thơng số sau • Ke = Back EMF Const (V/Krpm) = 71 = 71.10-3 (V/rpm) • Kt = Torque Const (Nm/A) = 0.68 • Jm = Inertia (kg.m2) = 0.011 • Jt = Inertia (kg.cm2) = 0.64 • TF = Static Friction (Nm) = 0.47 • Barke Open Voltage 24VDC • Chọn KL = 58 High speed: Sử dụng hàm truyền bậc − Sơ đồ kết nối phần tử − Giải thích sơ đồ: Hàm ramp cấp xung tín hiệu điều khiển vị trí để động servo hoạt động xung cấp tăng đến vô nên phải dùng thêm hàm Staturation để làm cho xung cấp có giá trị định Trong truyền động có hộp số mô nên bỏ qua hộp số Trang | • Với NL = o Chương trình điều khiển Jm = 0.011; Ng = 1; psi = 0.002; NL = 3; JL = Jm*(Ng^2)*NL; KL = 58; wL = sqrt(KL/JL); DL = 2*psi*sqrt(KL*JL); cp = 0.24; cv = 0.82; Kp = cp*wL; Kv = cv*wL; Kvg = Kv*(Jm + JL/Ng^2); sim('highspeed') plot(yout.Time,yout.Data) grid on o Kết mô Đường màu vàng đáp ứng vị trí động so với đường màu xanh vị trí cài đặt trước Trang | Middle speed: Sử dụng hàm truyền bậc − Sơ đồ kết nối phần tử − Giải thích sơ đồ: Hàm ramp cấp xung tín hiệu điều khiển vị trí để động servo hoạt động xung cấp tăng đến vô nên phải dùng thêm hàm Staturation để làm cho xung cấp có giá trị định Trong truyền động có hộp số mơ nên bỏ qua hộp số • Với NL = o Chương trình điều khiển Jm = 0.011; Ng = 1; NL = 3; JL = Jm*(Ng^2)*NL; KL = 58; wL = sqrt(KL/JL); cp2 = 0.24; cv2 = 0.96; Kp2 = cp2*wL; Kv2 = cv2*wL; sim('middlespeed') plot(yout.Time,yout.Data) grid on Trang | o Kết mô Đường màu vàng đáp ứng vị trí động so với đường màu xanh vị trí cài đặt trước Đường màu xanh đáp ứng vị trí động so với đường màu đỏ vị trí cài đặt trước Trang | 10 Đường màu xanh đáp ứng vị trí động so với đường màu đỏ vị trí cài đặt trước Đáp ứng vận tốc động DC Servo Trang | • Với NL = 10 o Chương trình điều khiển Jm = 0.011; Ng = 1; psi = 0.002; NL = 10; JL = Jm*(Ng^2)*NL; KL = 58; wL = sqrt(KL/JL); DL = 2*psi*sqrt(KL*JL); cp = 0.24; cv = 0.82; Kp = cp*wL; Kv = cv*wL; Kvg = Kv*(Jm + JL/Ng^2); sim('highspeed') plot(yout.Time,yout.Data) grid on o Kết mô Đường màu vàng đáp ứng vị trí động so với đường màu xanh vị trí cài đặt trước Trang | Đường màu xanh đáp ứng vị trí động so với đường màu đỏ vị trí cài đặt trước Đáp ứng vận tốc động DC Servo Trang | Middle speed: Sử dụng hàm truyền bậc − Sơ đồ kết nối phần tử − Giải thích sơ đồ: Hàm ramp cấp xung tín hiệu điều khiển vị trí để động servo hoạt động xung cấp tăng đến vô nên phải dùng thêm hàm Staturation để làm cho xung cấp có giá trị định Trong truyền động có hộp số mơ nên bỏ qua hộp số • Với NL = o Chương trình điều khiển Jm = 0.011; Ng = 1; NL = 3; JL = Jm*(Ng^2)*NL; KL = 58; wL = sqrt(KL/JL); cp2 = 0.24; cv2 = 0.96; Kp2 = cp2*wL; Kv2 = cv2*wL; sim('middlespeed') plot(yout.Time,yout.Data) grid on Trang | o Kết mô Đường màu vàng đáp ứng vị trí động so với đường màu xanh vị trí cài đặt trước Đường màu xanh đáp ứng vị trí động so với đường màu đỏ vị trí cài đặt trước Trang | 10 o Kết mô Đường màu vàng đáp ứng vị trí động so với đường màu xanh vị trí cài đặt trước Đường màu xanh đáp ứng vị trí động so với đường màu đỏ vị trí cài đặt trước Trang | 12 Đáp ứng vận tốc động DC Servo • Với NL = 10 o Chương trình điều khiển Jm = 0.011; Ng = 1; NL = 10; JL = Jm*(Ng^2)*NL; KL = 58; wL = sqrt(KL/JL); cp2 = 0.24; cv2 = 0.96; Kp2 = cp2*wL; Kv2 = cv2*wL; sim('middlespeed') plot(yout.Time,yout.Data) grid on Trang | 13 o Kết mô Đường màu vàng đáp ứng vị trí động so với đường màu xanh vị trí cài đặt trước Đường màu xanh đáp ứng vị trí động so với đường màu đỏ vị trí cài đặt trước Trang | 14 Đáp ứng vận tốc động DC Servo Low speed: Sử dụng hàm truyền bậc − Sơ đồ kết nối phần tử − Giải thích sơ đồ: Hàm ramp cấp xung tín hiệu điều khiển vị trí để động servo hoạt động xung cấp tăng đến vô nên phải dùng thêm hàm Staturation để làm cho xung cấp có giá trị định Trong truyền động có hộp số mơ nên bỏ qua hộp số Trang | 15 • Với NL = o Chương trình điều khiển Jm = 0.011; NL = 3; Ng = 1; JL = Jm*(Ng^2)*NL; KL = 58; wL = sqrt(KL/JL); cp1 = 0.24; Kp1 = cp1*wL; sim('lowspeed') plot(yout.Time,yout.Data) grid on o Kết mơ Đường màu vàng đáp ứng vị trí động so với đường màu xanh vị trí cài đặt trước Trang | 16 Đường màu xanh đáp ứng vị trí động so với đường màu đỏ vị trí cài đặt trước Đáp ứng vận tốc động DC Servo Trang | 17 • Tính tốn thơng số K = Kt / (R * b) = 0.68 / (0.285 * 0.14) = 17.043 Tau1 = L / R = 1.37x10-3 / 0.285 = 0.0048 Tau2 = Jm / b = 0.011 / 0.14 = 0.0786 Thông số Kp: Kp = (tau1 + tau2) / (k * tauc) = (0.0048 + 0.0786) / (17.043 * 0.002) = 2.4468 Thông số Taud: Taud = (tau1 * tau2) * (tau1 + tau2) = (0.0048 * 0.0786) * (0.0048 + 0.0786) = 0.004524 Thông số Kd: Kd = Kp * taud = 2.4468 * 0.004524 = 0.01107 Thông số Kb: Kb = / (tau1 + tau2) = / (0.0048 + 0.0786) = 11.9904 Thông số Ki: Ki = Kp / (tau1 + tau2) = 2.4468 / (0.0048 + 0.0786) = 2933813 • Chương trình điều khiển ▪ Chương trình global Kp Kd Ts Ki Kb alpha ek_p e_sat yi_p yd_fp L = 1.37*(10^(-3)); R = 0.285; Jm = 0.011; Kt = 0.68; b = 0.14; Ke = 71*(10^(-3)); Ts = 0.01; alpha = 0.01; ek_p = 0; e_sat = 0; yi_p = 0; yd_fp = 0; k = Kt/(R*b); tau1 = L/R; Trang | 23 Đường màu xanh đáp ứng vị trí động so với đường màu đỏ vị trí cài đặt trước Đáp ứng vận tốc động DC Servo Trang | 19 • Nhận xét − Ở đây, động M4-4204-A với thông số kèm, với việc sử dụng điều khiển PID Anti-windup đáp ứng tốt vận tốc định trước 24 rad/s, bám sát theo tín hiệu ngõ vào không vọt lố, thời gian xác lập nhỏ Với nhiễu tác động động nhanh chóng ổn định lại vận tốc mong muốn hay trạng thái xác lập Trang | 26 Đường màu xanh đáp ứng vị trí động so với đường màu đỏ vị trí cài đặt trước Đáp ứng vận tốc động DC Servo NHẬN XÉT: Thời gian đáp ứng hệ high speed nhanh hệ middle speed nhanh low speed Đáp ứng vận tốc hệ high speed middle speed ổn định, xác lập nhanh chóng, dao động bé Cịn low speed khơng có vịng điều khiển vận tốc nên vận tốc bị dao động đáp ứng chậm Nhưng đáp ứng vận tốc vị trí hệ bám sát tín hiệu cài đặt đầu vào đảm bảo chạy Trang | 21 Câu 2: Write the PID algorithm using m-file of Matlab to simulate to velocity control of the motor The algorithm has to include the derivative filter for Dterm and anti-windup for I-term Illustrate the effect of anti-windup in your results Với động M4-4204, ta có thơng số sau: • Ke = Back EMF Const (V/Krpm) = 71 = 71.10-3 (V/rpm) • Kt = Torque Const (Nm/A) = 0.68 • Jm = Inertia (kg.m2) = 0.011 • Jt = Inertia (kg.cm2) = 0.64 • TF = Static Friction (Nm) = 0.47 • Barke Open Voltage 24VDC • Chọn KL = 58 • R = Resistance (Ohm) = 0.285 • L = Inductance (mH) = 1.37x10-3 • Thời gian lấy mẫu: Ts = 0.01 (s) Vì datasheet cho dịng M4-4204 khơng có Te mà b = Jt/Te Nên ta khơng thể tính thơng số b Ở đây, nhóm em cho giá trị b = Viscous Damping (Nm/Krpm) = 0.14 Góc Alpha = 0.01 rad Trang | 22 • Tính tốn thơng số K = Kt / (R * b) = 0.68 / (0.285 * 0.14) = 17.043 Tau1 = L / R = 1.37x10-3 / 0.285 = 0.0048 Tau2 = Jm / b = 0.011 / 0.14 = 0.0786 Thông số Kp: Kp = (tau1 + tau2) / (k * tauc) = (0.0048 + 0.0786) / (17.043 * 0.002) = 2.4468 Thông số Taud: Taud = (tau1 * tau2) * (tau1 + tau2) = (0.0048 * 0.0786) * (0.0048 + 0.0786) = 0.004524 Thông số Kd: Kd = Kp * taud = 2.4468 * 0.004524 = 0.01107 Thông số Kb: Kb = / (tau1 + tau2) = / (0.0048 + 0.0786) = 11.9904 Thông số Ki: Ki = Kp / (tau1 + tau2) = 2.4468 / (0.0048 + 0.0786) = 2933813 • Chương trình điều khiển ▪ Chương trình global Kp Kd Ts Ki Kb alpha ek_p e_sat yi_p yd_fp L = 1.37*(10^(-3)); R = 0.285; Jm = 0.011; Kt = 0.68; b = 0.14; Ke = 71*(10^(-3)); Ts = 0.01; alpha = 0.01; ek_p = 0; e_sat = 0; yi_p = 0; yd_fp = 0; k = Kt/(R*b); tau1 = L/R; Trang | 23 tau2 = Jm/b; tau = tau1 + tau2; tauc = 0.002; Kp = tau/(k*tauc); taud = (tau1*tau2)/tau; Kd = Kp*taud; Kb = 1/tau; Ki = Kp/tau; sim('pidsimu'); plot(yout.Time,yout.Data); grid on ▪ Chương trình hàm PID function y = pidfunction(u) global Kp Kd Ts Ki Kb alpha ek_p e_sat yi_p yd_fp w_d = 24; %dien ap vao ngo constant w_f = 32.495; %dien ap hoi tiep tu ngo ek = w_d - w_f; %sai so xac lap %ham truyen khau d yp = Kp*ek; %loc thong thap yd = Kd*(ek - ek_p)/Ts; yd_f = (1 - alpha)*yd_fp + alpha*yd; %anti windup khau i ek_reset = Ki*ek + Kb*e_sat; yi = yi_p + Ts*ek_reset; %tong cac khau pid yk = yp + yi + yd_f; %gan luu lai gia tri ek_p = ek; yi_p = yi; yd_fp = yd_f; if (yk > 24) e_sat = 24 - yk; yk = 24 elseif (yk