Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh vị trí động cơ DC SERVO RFS 20 - 6012

Bài tập lớn điều khiển số 1. Tổng quan về động cơ DC Servo RFS 20-6012 * Cấu tạo của động cơ servo: Hình 1: Cấu tạo động cơ servo 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 * Nguyên lý hoạt động: - Động cơ servo được thiết kế để quay có giới hạn mà không phải quay liên tục như động cơ DC hay động cơ bước Đối tượng điều khiển ở đây là động cơ Động cơ RFS 20-6012 của hãng Harmonic. Động cơ này thuộc dòng RFS - series (Sizes 20) là dòng động cơ được thiết kế nhỏ gọn, truyền động chính xác, mô men lớn và có gắn sẵn encoder. * Các tham số cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1. Kiểu chạy : Liên tục Kích thích : Nam châm vĩnh cửu Cách điện : lớp F 1 Bài tập lớn điều khiển số Điện trở cách điện : 100M Ω Nhiệt độ môi trường : -10 ~ +40 o C Nhiệt độ lưu trữ: -20 ~ +60 o C Độ ẩm môi trường : 20 ~ 80 % ( không ngưng tụ ) Độ rung : 2.5g (5 ~ 400HZ) Shock : 30g (11ms) Bôi trơn : Dầu nhờn (SK-1A) Đầu ra : Mặt bích Bảng 1: Thông số động cơ Thông số Đơn vị Động cơ RFS 20- 6012 Công suất đầu ra (sau hộp số) W 123 Điện áp định mức V 75 Dòng điện định mức A 2.9 Mômen định mức T N In-lb 174 Nm 20 Tốc độ định mức n N rpm 60 Mômen hãm liên tục In-lb 208 Nm 24 Dòng đỉnh A 6.4 Mômen cực đại đầu ra T m In-lb 495 Nm 57 Tốc độ cực đại rpm 80 Hằng số mômen (K T ) In-lb/A 91 Nm/A 10.5 Hằng số điện B.E.M.F ( ảnh hưởng của tốc độ đến sđđ phần ứng )(Kb) v/rpm 1.08 Mô men quán tính (J) In-bl –sec 2 4.1 Kgm 2 0.47 Hằng số thời gian cơ khí ms 5.1 Độ dốc đặc tính cơ In-lb/rpm 82 Nm/rpm 9.3 Hệ số momen nhớt ( Bf) In-lb/rpm 0.76 Nm/rpm 8.6e-2 Tỷ số truyền 1:R 50 2 Bài tập lớn điều khiển số Tải trọng hướng tâm lb 441 N RFS:2000 Tải trọng hướng trục lb 198 N RFS:900 Công suất động cơ W 200 Tốc độ định mức động cơ rpm 3000 Điện trở phần ứng Ω 1.2 Điện cảm phần ứng mH 1.1 Dòng khởi động A 0.5 Dòng không tải A 1.0 2. Mô hình toán của động cơ DC Servo RFS 20-6012 Các phương trình toán học động cơ DC servo RFS 20-6012 Các tham số cơ bản cảu động cơ: Ra = 1.2 Ω La = 1.1 mH Kt = 10.5 Nm/A Kb = 1.08 V/rpm Bf = 8.6e-2 J = 0.47 Ta có: 1 ( ) A A A A A A dc c dc t A A b di u e i R L dt d M M dt J M K i e K n ω  − = +    = −   =   =  Chuyển sang miền ảnh laplace: 1 ( ) A A A A A A dc c dc t A A b u e i R L i s s M M J M K i e K n ω − = +    = −    =  =   3 Bài tập lớn điều khiển số ( ) 1 1 ( ) A A A A A dc c dc t A A b i u e R L s M M Js M K i e K n ω  = −  +   = − ⇔   =   =  Thay A A A L T R = ta có hệ phương trình sau: ( ) 1/ 1 1 ( ) A A A A A dc c dc t A A b R i u e T s M M Js M K i e K n ω  = −  +   = − ⇔   =   =  Từ hệ phương trình trên ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc của động cơ như sau: Hình 1: Cấu trúc động cơ DC servo Thay các thông số của động cơ vào ta được mô hình động cơ DC servo trên simulink sau: 4 Bài tập lớn điều khiển số Hình 2: Cấu trúc động cơ DC servo RFS 20-6012 Đặc tính quá độ tốc độ và dòng của động cơ: Hình 3: Đặc tính dòng phần ứng động cơ DC servo RFS 20-6012 5 Bài tập lớn điều khiển số Hình 4: Đặc tính tốc độ động cơ DC servo RFS 20-6012 3. Các phương pháp thiết kế xấp xỉ liên tục Ta chọn bộ điều khiển có dạng PI, luật điều khiển được mô tả bởi công thức: ( ) 1 0 1 ( ) ( ) R c u t K e t e d T τ τ   = +     ∫ K R : Hệ số tỉ lệ T c : Hằng số thời gian chậm sau Để thiết kế trên miền thời gian xấp xỉ liên tục ta xấp xỉ thành phần I theo các phương pháp sau: * Sử dụng phương pháp hình chữ nhật: xấp xỉ thành phần I ( ) 1 1 k I i i I T u k e T − = ≈ ∑ ( ) 1 1 1 1 k I i i I T u k e T − − = ⇒ − ≈ ∑ ( / ) I C R T T K = 6 Bài tập lớn điều khiển số Trừ vế với vế và chuyển vế đổi dấu ta có: ( ) ( ) 1 1 I I i I T u k u k e T − ⇒ ≈ − + ( ) 1 1 ( ) ( ) I T U z z U z z E z T − − ⇒ = + ( ) 1 1 ( ) 1 I U z T z E z T z − − ⇒ = − ( ) 1 1 1 1 R I T z R z K T z ω − − − ⇒ = + − * Sử dụng phương pháp hình thang: ( ) ( ) 1 1 1 2 k I i i i I T u k e e T − =   ≈ +     ∑ ( ) ( ) 1 1 1 1 1 2 k I i i i I T u k e e T − − =   ⇒ − ≈ +     ∑ ( / ) I C R T T K = ( ) ( ) ( ) 1 1 1 2 I I i i I T u k u k e e T − ⇒ ≈ − + + ( ) ( ) ( ) 1 1 1 2 k k I T u k u k e e T − ⇒ ≈ − + + ( ) ( ) 1 1 1 ( ) ( ) ( ) 2 I T U z z U z E z z E z T − − ⇒ = + + ( ) 1 1 1 ( ) 2 1 I U z T z E z T z − − + ⇒ = − ( ) 1 1 1 1 2 1 R I T z R z K T z ω − − − + ⇒ = + − 7 Bài tập lớn điều khiển số 4. Tổng hợp bộ điều khiển 4.1. Thiết kế bộ điều khiển trên miền thời gian liên tục Để điều khiển tốc độ động cơ DC servo thông thường ta dùng hệ thống hai vòng điều chỉnh. Tuy nhiên động cơ DC servo RFS 20-6012 là loại động cơ cỡ nhỏ nên có thể bỏ qua mạch vòng dòng. Hình 5: Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ Xây dựng vòng điều khiển tốc độ: ta chọn bộ điều khiển dạng PI 1 ( ) R Ts R s K Ts ω + = Ta có hàm truyền hệ hở: ( ) 2 0.000517 0.5641 0.10 10.5 32 ho s s s G + + = Hàm truyền hệ kín: ( ) 2 0.000517 0. 10. 5641 1 44 5 1. kin G s s s + = + ( ) 20309.4778 (s+1070) (s+20.68) kin G s ⇒ = ( ) 0.9178 (9.3458e-004s+1) (0.0484s+1) kin G s ⇒ = Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có: 8 Bài tập lớn điều khiển số 2 2 1 ( ) 1 2 2 MC F s s s δ δ τ τ = + + Ta có: ( ) ( ) ( ) ( ) 1 ( ) kin MC kin R s G s F s R s G s ω ω = + ( ) 1 1 ( ) ( ) 1 kin MC R s G s F s ω − ⇒ =   −   ( ) ( ) 1 1 1 ( ) 2 (1 ) ( ) 1 kin kin MC R s G s s s G s F s ω δ δ τ τ − ⇒ = = +   −   Bộ điều khiển PI có dạng: 1 ( ) R Ts R s K Ts ω + = Với: 0.0484 28.4706 2*0.9178*9.3458e-004 R K = = 0.0484T = 1 0.0484 1 0.0484 ( ) 28.4706 0.0484 0.0017 s s R s s s ω + + ⇒ = = 1 ( ) 28.4706 0.0017 R s s ω ⇒ = + 4.2. Thiết kế bộ điều khiển trên miền thời gian gián đoạn Ta có bộ điều khiển PI trên miền thời gian lien tục có dạng: 1 ( ) 28.4706 0.0017 R s s ω = + Với: 28.4706; 0.0017 R C K T = = 9 Bài tập lớn điều khiển số Ta chọn thời gian T = 0.1s * Áp dụng phương pháp hình chữ nhật ta có: ( ) 1 1 1 1 R I T z R z K T z ω − − − = + − -5 0.0017 5.9711e 28.4706 C I R T T K = = = ( ) 1 1 -5 1 1 3 1 0.1 28.4706 5.9711e 1 28.4706 1.6747e 1 z R z z z z ω − − − − − ⇒ = + − = + − * Áp dụng phương pháp hình thang ta có: ( ) 1 1 1 1 2 1 R I T z R z K T z ω − − − + = + − -5 0.0017 5.9711e 28.4706 C I R T T K = = = ( ) 1 1 1 1 28.4706 837.35 1 z R z z ω − − − + = + − 5. Kết quả mô phỏng 5.1 Kết quả mô phỏng trên miền thời gian liên tục Ta có mô hình mạch vòng tốc độ trên miền thời gian liên tục: 10 [...]...Bài tập lớn điều khiển số Hình 6: Mô hình mạch vòng tốc độ với bộ điều khiển PI Hình 7: Đáp ứng tốc độ động cơ DC servo RFS 2 0- 6012 khi có bộ điều khiển tốc độ 5.2 Kết quả mô phỏng trên miền thời gian gián đoạn Kết luận 11 Bài tập lớn điều khiển số Tài liệu tham khảo 12 Bài tập lớn điều khiển số [1] GS.TS Nguyễn Phùng Quang Điều khiển số (Digital Control System) – Đại học Bách khoa Hà Nội – 200 7 [2] Phạm... Quang Điều khiển số (Digital Control System) – Đại học Bách khoa Hà Nội – 200 7 [2] Phạm Văn Khánh Đồ án tốt nghiệp ĐTĐ47 – 201 0 [3] Harmonic drive actuator – Precision Gearing & Motion Control DC Servo System – RHS & RFS Series [4] http://www.wattpad.com/900591-dong-co -servo ngày 25/4 /201 2 23h:30 13 . dòng phần ứng động cơ DC servo RFS 20-6012 5 Bài tập lớn điều khiển số Hình 4: Đặc tính tốc độ động cơ DC servo RFS 20-6012 3. Các phương pháp thiết kế xấp xỉ liên tục Ta chọn bộ điều khiển có. hay động cơ bước Đối tượng điều khiển ở đây là động cơ Động cơ RFS 20-6012 của hãng Harmonic. Động cơ này thuộc dòng RFS - series (Sizes 20) là dòng động cơ được thiết kế nhỏ gọn, truyền động. số của động cơ vào ta được mô hình động cơ DC servo trên simulink sau: 4 Bài tập lớn điều khiển số Hình 2: Cấu trúc động cơ DC servo RFS 20-6012 Đặc tính quá độ tốc độ và dòng của động cơ: Hình