Đang tải... (xem toàn văn)
BÀI TẬP LỚN ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG Thiết kế xấp xỉ khâu điều chỉnh tốc độ động cơ DC Servo Harmonic RHS 17 6006 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 3 CHƯƠNG 1 Khái quát chung về động cơ DC Servo Harmonic RHS 17 6006 4.
BÀI TẬP LỚN ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG Thiết kế xấp xỉ khâu điều chỉnh tốc độ động DC Servo Harmonic RHS 17-6006 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Trong năm gần cơng nghệ thơng 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 sử lý đữ liệu Những hạn chế kỹ thuật tương tự trổi 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 số 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 Vì nhóm em giao đề tài tập lớn “Thiết kế xấp xỉ khâu điều chỉnh tốc độ động DC Servo Harmonic RHS 17-6006.” Qua tập lớn giúp chúng em biết thêm nhiều kiến thức lẫn kinh nghiệm Dưới hướng dẫn thầy … chúng em thực xong tập Do kiến thức cịn hạn chế nên tập cịn có nhiều sai xót, nên chúng em mong nhận bổ sung thầy CHƯƠNG 1: Khái quát chung động DC Servo Harmonic RHS 17-6006 1.1 Giới thiệu động DC Servo Harmonic RHS 17-6006 Hình 1.1: Động RHS 17-6006 thực tế 1.1.1 Tổng quan 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, tơ Ứng dụng cho động servo dùng Robot, loại với động dùng mơ hình máy bay ô tô 1.1.2 Cấu tạo động Servo Động Servo Motor có chổi than: loại động bao gồm phận là: stato, rotor, chổi than cuộn cảm lõi Động RHS 17-6006 động chiều hãng Harmonic Nhật sản xuất Đây động thiết kế nhỏ gọn, truyền động xác, momen lớn có sẵn encoder Hình 1.2: Cấu tạo động servo 1.1.3 Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động Servo DC dựa cấu tạo bốn thành phần Đó động DC, thiết bị cảm biến vị trí, cụm bánh mạch điều khiển Tốc độ động Servo DC dựa điện áp sử dụng Để điều khiển tốc độ động cơ, thường sử dụng chiết áp để tạo điện áp tương ứng Trong số mạch xung điều khiển sử dụng để tạo điện áp tham chiếu DC tương ứng với vị trí tốc độ mong muốn động Và áp dụng cho chuyển đổi điện áp độ rộng xung Độ dài xung định đến điện áp đặt khuếch đại Điều để tạo điện áp tương đương với tốc độ vị trí mong muốn Đối với điều khiển kỹ thuật số, PLC điều khiển chuyển động khác sử dụng để tạo xung theo chu kỳ nhiệm vụ nhằm mục đích xây dựng nên quy trình điều khiển xác Bảng 1: Thơng số động DC RHS 17-6006 Thông số Công suất đầu (sau hộp số) Điện áp định mức Dịng điện định mức Mơmen định mức TN Tốc độ định mức nN Mômen hãm liên tục Dịng đỉnh Mơmen cực đại đầu Tm Tốc độ cực đại Hằng số mômen (KT) Hằng số điện B.E.M.F ( ảnh hưởng tốc độ đến sđđ phần ứng )(Kb) Mơ men qn tính (J) Hằng số thời gian khí Độ dốc đặc tính Hệ số momen nhớt ( Bf) Tỷ số truyền Tải trọng hướng tâm Tải trọng hướng trục Công suất động Tốc độ định mức động Điện trở phần ứng Điện cảm phần ứng Dịng khởi động Dịng khơng tải Đơn vị W V A In-lb ĐC RHS17-6006 62 75 1.7 87 Nm rpm In-lb Nm A In-lb Nm rpm In-lb/A Nm/A v/rpm 9.8 60 100 11 4.3 300 34 80 85 9.6 1.0 In-lb –sec2 0.79 Kgm2 ms In-lb/rpm Nm/rpm In-lb/rpm Nm/rpm 1:R lb N lb N W rpm Ω mH A A 0.089 4.7 18 2.1 0.48 5,4*10-2 1:50 176 784 176 784 100 3000 4.8 2.3 0.36 0.7 1.1.4 Ứng dụng động DC Servo Harmonic RHS 17-6006 - 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 điều khiển Robot Hệ thống máy CNC Ứng dụng máy trang Hệ thống dao cắt bay, cắt quay Hệ thống máy cắt túi nilon Hệ thống máy đóng gói Ứng dụng máy in CHƯƠNG Xây dựng điều khiển động DC servo Harmonic RHS17-6006 2.1 Mô tả đối tượng điều khiển * Các tham số động sau: Rư = 4.8 (Ω); Lư = 2.3 (mH) Kt = 9.6 (Nm/A) ; Kb = 1.0 (V/rpm) J = 0.089 (Kg.m2) ; Bf = 0.054 (Nm/rpm) I = 1.7 (A); Mc = 9.8 (Nm); ω = 3000 (rpm) * Sơ đồ cấu trúc động sau: Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc động RHS 17-6006 2.2 Khảo sát động học đối tượng miền thời gian liên tục 2.2.1 Khái báo biến Hình 2.2: Khai báo biến 2.2.2 Khảo sát động học - Ta thực khảo sát động học miền thời gian thực Simulink: Hình 2.3: Sơ đồ mạch vịng * Trường hợp 1: Khi khơng có momen cản ta thu kết đồ thị dòng điện tốc độ sau: Hình 2.4: Đồ thị dịng điện khơng có momen cản * Nhận xét: - Ta thấy ban đầu khởi động dòng điện tăng nhanh lên xấp xỉ 13A sau khoảng 0,3s xống 0,7s vào ổn định xấp xỉ 0.5A - Dòng khởi động lớn ban đầu tốc độ chưa đạt ngưỡng định mức, phản hồi nhỏ giá trị đặt đưa vào phần ứng lớn Và tốc độ tăng lên giá trị phản hồi tăng lên khiến giá trị đặt giảm dần - Trị số dịng điện trạng thái ổn định (0.5A < 1.7A) chưa có momen cản Hình 2.5: Đồ thị biểu thị tốc độ động khơng có momen cản - Ta thấy tốc độ khởi động tăng dần vào xác lập sau khoảng 0.3s 5800 vòng tương ứng với thời gian dòng khởi động vào ổn định - Trị số tốc độ vào trạng thái xác lập nhỏ nhiều so với tốc độ nhà sản xuất đưa (5800rpm>3000rpm) * Trường hợp 2: Khi momen cản Mc = 9.8 (giá trị khảo sát) Hình 2.6: Đồ thị dịng điện có momen cản - Ta thấy trước có tác động momen cản (0s – 1s) đồ thị dòng điện giống trường hợp 1, sau có tác động momen cản (1s - ∞) trị số dịng điện tăng lên vào xác lập 1.5A - Khi đưa momen cản theo trị số khảo sát vào ta thấy gần đạt tới trị số xác lập dòng điện 1.5A ≈ 1.7A mà nhà sản xuất đưa Hình 2.7: Đồ thị tốc độ có momen cản - Ta thấy có tác động momen cản tốc độ giảm dần vào xác lập với trị số xấp xỉ 5500rpm - Vì thông số lấy giá trị xấp xỉ nên tốc độ động mơ có chênh lệch với trị số nhà sản xuất đưa - Vì phải chịu kéo tải nên tốc độ giảm so với khởi động (0s – 1s) => Như ta kết luận miền thời gian liên tục thơng số động tra tài liệu không sát với thực tế 2.3 Khảo sát ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu T đến tính ổn định hệ thống Ta thực khảo sát cửa sổ lập trình (Command Window) Matlab s=tf(‘s’) G1=1/R/(L*s+1) G2=1/(J*s+B*f) G0=G1*Kt*G2 Gk=feedback(G0,ke) Gz=c2d(Gk,0.01,’zoh’) 2.3.1 Khảo sát với chu kì trích mẫu T = 0.01 đến tính ổn định hệ thống T=0.01 Gz=c2d(Gk,0.01,’zoh’) Step(75*Gz) Hình 2.8: Đồ thị đặc tính tốc độ miền Z với T = 0.01s - Ta thấy miền z (miền rời rạc) đồ thị có dạng tổng quan giống miền thời gian liên tục xác lập 74rpm - Tuy giống đặc tính so với miền liên tục ảnh hưởng chu kì trích mẫu nên dạng đường cong có dạng bậc thang 2.3.2 Khảo sát với chu kì trích mẫu T = 0.001 đến tính ổn định hệ thống T=0.001 Gz=c2d(Gs,0.001,’zoh’) Step(75*Gz) Hình 2.9: Đồ thị đặc tính tốc độ T = 0.001s - Tốc độ động tăng dần mà xác lập 74rpm - Ta thấy giảm chu kì trích mẫu dạng đường cong mịn nhiều ngày giống dạng đặc tính miền liên tục ta tiếp tục giảm T => Ta kết luận thông số tài liệu động tạm ổn, sử dụng để thiết kế điều khiển CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS 17-6006 3.1 Tiêu chuẩn thiết kế kết mô miền thời gian liên tục miền thời gian gián đoạn * Sử dụng cơng cụ Tune MATLAB-SIMULINK: Hình 3.1: Giao diện Tune Hình 3.2: Sơ đồ mạch vịng thêm PID Sau dùng Tune bọn em PID có thơng số sau: P: 0.4381 I: 19.11 Hình 3.3: Cài đặt thông số PID Chọn Gbd(s) = Chọn fbd = 20000hz T= = = 0.00005 Kbd = = 0.042 Gbd(s) = * Thực mơ phỏng: 3.1.1 Dịng điện Hình 3.4: Mơ dịng điện có PID liên tục - Trong khoảng 0-1s: Dòng điện tăng cao lên 4,5 A - Sau 1s: Có xuất Mc dịng điện lên tới 1.3A vào ổn định 1.1A * Nhận xét: Có tác động điều khiển mà dòng điện đáp ứng giá trị xác lập nhanh nhiều 3.1.2 Tốc độ Hình 3.5: Mơ tốc độ có PID liên tục - Từ 0-1s: Tốc độ tăng lên gần 1300 rpm giảm giá trị đặt 1200 rpm 0.1s - Sau 1s: Có xuất Mc tốc độ giảm xuống 1100rpm lại nhanh chóng tăng giá trị đặt 1200rpm 0.1s * Nhận xét: Bộ điều khiển tác động điều khiển tốc độ động trì giá trị đặt 1200rpm, có momen cản tốc độ nhanh chóng trở tốc độ đặt 3.2 Các phương pháp thiết kế xấp xỉ liên tục, thiết kế miền thời gian gián đoạn kết mô miền thời gian gián đoạn * Tính tốn tham số điều khiển PID số: Kr = P = 0.4381 Tc = = = = 0.023 Tv = = = T = 0.01 r0 = Kr * (1+) = 0.4381 r1 = -Kr*(1 + - ) = -0.2476 * Như ta thu điều khiển số: Gr(z) = = = * Mơ Matlab: Hình 3.6: Sơ đồ mạch vịng có điều khiển số 3.2.1 Dịng điện Hình 3.7: Mơ dịng điện có điều khiển số - Trong khoảng 0-1s: Dòng điện tăng cao lên 4.4A - Sau 1s: Có xuất Mc=9.8Nm dịng điện lên tới 1.5A vào ổn định 1.1A 3.2.2 Tốc độ Hình 3.8: Mơ tốc độ có điều khiển số - Trong khoảng 0-1s: Tốc độ tăng lên đến 1450rpm - Sau 1s: Có xuất Mc=9.8Nm tốc độ giảm dần lại nhanh chóng giá trị đặt 1200rpm 0.1s KẾT LUẬN Qua tập lớn giúp chúng em hiểu rõ cấu tạo động Servo DC dòng khác nhau, đặc biệt dòng RHS-17-6006 cách thiết kế điều khiển tốc độ Matlab mô Nhờ hướng dẫn thầy bọn em có kết định như: - Các kết mô cho thấy đáp ứng điều khiển miền liên tục đáp ứng điều khiển số xấp xỉ liên tục - Khẳng định thuật toán cách thức xây dựng điều khiển số xấp xỉ liên tục hồn tồn xác * Nhận xét: Các kết mô cho cho thấy thông số nhà sản xuất đưa tương đối ổn, có sai lệch khơng đáng kể, điều khẳng định thuật tốn cách thức xây dựng điều khiển số hoàn tồn đắn xác Kết cho thấy việc chọn chu kì trích mẫu có ảnh hưởng lớn đến chất lượng điều khiển hệ thống Chu kì trích mẫu khác cho đáp ứng khác Chu kì trích mẫu nhỏ cho phép ta thiết kế điều khiển có chất lượng cao ... chung động DC Servo Harmonic RHS 17- 6006 1.1 Giới thiệu động DC Servo Harmonic RHS 17- 6006 Hình 1.1: Động RHS 17- 6006 thực tế 1.1.1 Tổng quan Điều khiển động DC (DC Motor) ứng dụng thuộc dạng điều. .. 0.48 5,4*10-2 1:50 176 784 176 784 100 3000 4.8 2.3 0.36 0.7 1.1.4 Ứng dụng động DC Servo Harmonic RHS 17- 6006 - Có nhiều máy móc sử dụng động DC servo để hoạt động Cụ thể động DC servo ứng dụng... luận thông số tài liệu động tạm ổn, sử dụng để thiết kế điều khiển CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS 17- 6006 3.1 Tiêu chuẩn thiết kế kết mô miền thời gian liên