Đề tài thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ động cơ dc servo harmonic rhs 14 6003

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP ==========o0o========== ĐỒ ÁN HỌC PHẦN ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG Mã: 13310 + 13310H Học kỳ: – Năm học: 2022 – 2023 Đề tài: Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ động DC servo Harmonic RHS 14-6003 SINH VIÊN MÃ LỚP NHIỆM VỤ SV TRƯƠNG VĂN THIỆU 84998 ĐTĐ60ĐH Nhóm trưởng QUÁN LƯƠNG TUẤN 85399 ĐTĐ60ĐH Thành viên MAI NGỌC HƯNG 83300 ĐTĐ60ĐH Thành viên ĐỖ VĂN TUẤN 85377 ĐTĐ60ĐH Thành viên Ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Chuyên ngành Điện tự động công nghiệp Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Văn Tiến HẢI PHÒNG – thMng 12/năm 2022 ĐỀ TÀI THIẾT KẾ XẤP XỈ LIÊN TỤC KHÂU ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS 14-6003 Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên Lời cảm ơn Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy … – giảng viên môn Điều khiển số ứng dụng Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam trang bị giúp chúng em kỹ kiến thức cần thiết để hoàn thành tập lớn môn học Tuy nhiên trình tìm hiểu làm đề tài này, kiến thức chuyên ngành chúng em hạn chế nên khơng tránh khỏi vài thiếu sót trình bày, đánh giá triển khai vấn đề Vì lí chúng em mong nhận góp ý, đánh giá thầy bạn để đề tài chúng em thêm hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG MỞ ĐẦU CHƯƠNG KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS 14-6003 1.1 Giới thiệu động DC servo Harmonic RHS 14-6003 1.2 Ứng dụng động DC servo Harmonic RHS14-6003 1.3 Mơ hình tốn học động DC servo Harmonic RHS14-6003 CHƯƠNG KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ SERVO HARMONIC RHS 14-6003 KHI CHƯA DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN 2.1 Khảo sát động học đối tượng miền thời gian liên tục 2.2 Khảo sát ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu T đến tính ổn định hệ thống 2.2.1 Tính tốn hàm truyền matlab .5 2.2.2 Mô ảnh hưởng chu kỳ mẫu CHƯƠNG XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS 14-6003 3.1 Thiết kế điều khiển PID miền thời gian liên tục 3.2 Thiết kế điều khiển số xấp xỉ liên tục .13 KẾT LUẬN 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 17 DANH MỤC HÌNH Hình 1 Động RHS 14-6003 thực tế Hình Cấu tạo động servo Hình Câu trúc động RHS 14 - 6003 Y Hình Các biến khai báo .5 Hình 2 Mơ hình mơ động RHS 14-6003 Hình Đồ thị dịng điện khơng có momen cản Hình Đồ thị biểu đạt tốc độ động Hình Đồ thị dịng điện có momen cản Hình Đồ thị tốc độ động có momen cản Hình Tính tốn hàm truyền Matlab (1) Hình Tính tốn hàm truyền Matlab (2) Hình Tính tốn hàm truyền Matlab (3) Hình 10 Ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu với T=0.01s Hình 11 Đáp ứng đầu với chu kỳ trích mẫu T=0.01s Hình 12 Ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu T=0.001s Hình 13 Đáp ứng đầu với chu kỳ trích mẫu T=0.001s .8 Hình Mơ hình mơ Matlab dùng BĐK PID 10 Hình Tính tốn điều khiển PID PID Tuner 10 Hình 3 Đáp ứng dịng điện khơng có Mc 11 Hình Đáp ứng tốc độ khơng có Mc 11 Hình Đáp ứng dịng điện có Mc 12 Hình Đáp ứng tốc độ có Mc 12 Hình Mơ hình mơ có điều khiển số 13 Hình Đáp ứng điện áp có điều khiển số 14 Hình Đáp ứng tốc độ có điều khiển số 14 MỞ ĐẦU Kỹ thuật vi xử lý ngày thâm nhập mạnh vào hệ thống thiết bị điều khiển Ta tìm thấy phần tử lớp, cấp cấu trúc hệ thống: Từ lớp kế cận hay trực tiếp với q trình cơng nghệ, lớp cấp Kỹ thuật góp phần làm thay đổi mặt trung tâm điều khiển, nơi theo dõi – xử lý tín hiệu – liệu thu thập được, thực nhiệm vụ điều khiển tối ưu hóa, vận hành phân tích q trình cơng nghệ Chính thâm nhập mạnh mẽ kỹ thuật tính số vào hệ thống tự động đặt yêu cầu cho phải hiểu rõ sâu phương pháp tích, mơ hình hóa, phân tích tổng hợp thiết kế hệ thống Trong năm gần đây, việc nghiên cứu lý thuyết điều khiển số thiết kế hệ thống thực phát triển mạnh mẽ trường đại học, viện nghiên cứu lớn giới Điều khiển số triển khai, nghiên cứu nhiều lĩnh vực như: điều khiển robot, điều khiển trình, lĩnh vực sản xuất công nghiệp, lĩnh vực hành không, quân sự, … Tại kì năm học Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, chúng em có hội tiếp xúc học tập học phần Điều khiển số Ứng dụng Để góp phần nắm rõ kiến thức học, nâng cao kiến thức thân chúng em giao cho đề tài tập lớn môn học “Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ động DC servo Harmonic RHS 14-6003” Để làm rõ đề tài chúng em chia đề tài thành phần nhiệm vụ để giải sau: Khái quát chung động DC servo Harmonic RHS 146003 Khảo sát động DC servo Harmonic RHS 14-6003 chưa dùng điều khiển Xây dựng điều khiển tốc độ động DC servo Harmonic RHS 14-6003 Sau vào giải vấn đề CHƯƠNG KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS 14-6003 1.1 Giới thiệu động DC servo Harmonic RHS 14-6003 Hình 1 Động RHS 14-6003 thực tế  Cấu tạo: Hình Cấu tạo động servo 1, Động 2, Bản mạch 3, Dây dương nguồn 6, Điện kế 7, Đầu (bánh răng) 8, Cơ cấu chấp hành 4, Dây tín hiệu 5, Dây âm nguồn 9, Vỏ 10, Chíp điều khiển Động RHS 14-6003 động chiều hãng Harmonic Nhật sản xuất Đây động thiết kế nhỏ gọn, truyền động xác, momen lớn có gắn sẵn encoder  Nguyên lý hoạt động: Động servo thiết kế để quay có giới hạn mà quay liên tục động DC hay động bước  Các tham số động cơ: + Kiểu chạy_ Liên tục + Kích thích_ Nam châm vĩnh cửu + Cách điện_ Lớp F + Điện trở cách điện_ 100M Ω + Nhiệt độ môi trường_ -10 ~ +40oC + Nhiệt độ lưu trữ_ -20 ~ +60 oC + Độ ẩm môi trường : 20 ~ 80 % ( không ngưng tụ ) + Độ rung_ 2.5g (5 ~ 400HZ) + Shock_ 30g (11ms) + Bơi trơn_ Dầu nhờn (SK-1A) + Đầu ra_ Mặt bích Bảng 1 Thông số động RHS 14-6003 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 Mơmen hãm liên tục Dịng đỉnh Mômen cực đại đầu Tm Tốc độ cực đại Hằng số mômen (KT) Đơn vị W V A In-lb ĐC RHS14-6003 34 75 1.0 48 Nm rpm In-lb Nm A In-lb Nm rpm In-lb/A Nm/A v/rpm 5.4 60 54 6.1 2.4 155 18 100 80 8.9 0.9 Hằng số điện B.E.M.F ( ảnh hưởng tốc độ đến sđđ phần ứng )(Kb) Mơ men qn tính (J) In-lb –sec2 Hằng số thời gian khí Kgm2 ms 0.41 0.45 6.7 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 In-lb/rpm Nm/rpm In-lb/rpm Nm/rpm 1:R lb N lb N W rpm Ω mH A A 6.2 0.71 0.2 2.3*10-2 1:50 88 392 88 392 50 3000 11.6 4.5 0.25 0.4 1.2 Ứng dụng động DC servo Harmonic RHS14-6003 Hiện có nhiều máy móc sử dụng động DC servo để hoạt động Với nhiều tính bật, hiệu suất cao, khả điều khiển xác vị trí, tốc độ, vận hành mạnh mẽ hoạt động ổn định thời gian dài, động DC servo phù hợp với ứng dụng từ bản, đa đến chuyên dụng, đại nhiều ngành công nghiệp khác 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 Một số ứng dụng phải kể đến là:  Ứng dụng điều khiển robot  Ứng dụng loại đồ chơi điều khiển radio  Ứng dụng sản xuất loại thiết bị điện tử đĩa DVD, máy nghe nhạc blue,…  Ứng dụng xe ô tô để trì tốc độ phương tiện  Ứng dụng máy in 1.3 Mơ hình toMn học động DC servo Harmonic RHS14-6003 Ta có: Chuyển sang Laplace ta có:  Với = ta có : Cấu trúc động sau: Hình Câu trúc động RHS 14 - 6003 CHƯƠNG KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ SERVO HARMONIC RHS 146003 KHI CHƯA DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN 2.1 Khảo sMt động học đối tượng miền thời gian liên tục Thông số động DC servo Harmonic RHS 14-6003: Ra = 11.6 (Ω) Kb = 0.9 (V/rpm) La = 4.5 (mH) Kt = 8.9 (Nm/A) J = 0.45 (kgm2 x 103) Bf = 2.3* 10-2 (Nm/rpm) a) Khai báo biến U = 75 (V) I = (A) ω = 3000 (rpm) Hình Đồ thị dịng điện có momen cản Nhìn hình ta thấy, trước có tác động momen cản giá trị dịng điện trường hợp (0 – 5s), có momen cản giá trị dịng điện tăng lên đạt tới giá trị xấp xỉ 1A Gía trị khảo sát dòng điện xấp xỉ giá trị mà nhà sản xuất đưa 1A Hình Đồ thị tốc độ động có momen cản Khi chưa có momen cản tốc độ động hiển thị giống trường hợp 1, từ giây thứ trở có thêm momen tải nên tốc độ động giảm đạt xấp xỉ giá trị 7000rpm Tuy nhiên tốc độ cao so với giá trị tốc độ mà nhà sản xuất đề 2.2 Khảo sMt ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu T đến tính ổn định hệ thống Ta thực khảo sát cửa sổ lập trình (Command Window) matlab 2.2.1 Tính toMn hàm truyền matlab Hình Tính tốn hàm truyền Matlab (1) Hình Tính tốn hàm truyền Matlab (2) 10 Hình Tính tốn hàm truyền Matlab (3) 2.2.2 Mơ ảnh hưởng chu kỳ mẫu - Với chu kỳ trích mẫu T= 0.01s Hình 10 Ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu với T=0.01s 11 Hình 11 Đáp ứng đầu với chu kỳ trích mẫu T=0.01s - Với chu kỳ T= 0.001s Hình 12 Ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu T=0.001s 12 Hình 13 Đáp ứng đầu với chu kỳ trích mẫu T=0.001s Nhận xét: với chu kỳ trích mẫu nhỏ đáp ứng đầu dao động ổn định 13 CHƯƠNG XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS 14-6003 3.1 Thiết kế điều khiển PID miền thời gian liên tục Luật PID miền thời gian mô tả: Với : hệ số tỷ lệ : số thời gian chậm sau : Hằng số thời gian vượt trước Xấp xỉ thành phần I theo phương pháp hình chữ nhật thành phần bậc D bậc 1: Vậy: Với: Hàm truyền biến đổi công suất: Chọn tần số băm sung 20KHz Mơ hình mơ Matlab: Hình Mơ hình mơ Matlab dùng BĐK PID Tính tốn thơng số cho điều khiển PI Matlab: 14 Hình Tính tốn điều khiển PID PID Tuner Kết mô phỏng:  Khi khơng có momen cản Mc 15 Hình 3 Đáp ứng dịng điện khơng có Mc Hình Đáp ứng tốc độ khơng có Mc  Khi có momen cản Mc: 16 Hình Đáp ứng dịng điện có Mc Hình Đáp ứng tốc độ có Mc Nhận xét: 17 - Thời gian đáp ứng nhanh 1s - Độ độ khoảng 10% - Tốc độ dòng điện gần với tốc độ dòng điện định mức 3.2 Thiết kế điều khiển số xấp xỉ liên tục Tính tốn tham số cho điều khiển PID số: Với T=0.01 Như ta thu điều khiển số: Mơ hình Matlab: Hình Mơ hình mơ có điều khiển số 18 Hình Đáp ứng điện áp có điều khiển số Hình Đáp ứng tốc độ có điều khiển số Nhận xét:    Thời gian xác lập nhanh 2s Độ độ khoảng 10% Dòng điện tốc độ gần với tốc độ dòng điện định mức So sánh chất lượng điều khiển: 19   Thời gian xác lập ĐKS nhanh chút so với ĐK PID Đáp ứng đầu ĐK tương đương 20 KẾT LUẬN Qua 13 tuần thực chúng em hoàn thành tập lớn môn học với yêu cầu đặt Thiết kế mô xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ động DC servo Harmonic RHS 146003 Matlab Simulink Trong thời gian thực chúng em dành nhiều thời gian tìm hiểu cách thiết kế xấp xỉ liên tục, cách tổng hợp nội dung cần trình bày đồng thời nắm cách mơ Simulink Dưới tìm hiểu trình làm tập lớn môn học này, chúng em nắm kiến thức học vận dụng vào thiết kế, mô Được giúp đỡ thầy giáo môn TS Trần Văn Tiến dẫn tận tình kiến thức cần thiết vấn đề quan trọng cần thực tập lớn mơn học Tuy nhiên kiến thức cịn hạn chế nên đề tài cịn nhiều thiếu sót, chúng em mong nhận góp ý thầy bạn 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Điều khiển số (Digital control) - Nguyễn Phùng Quang, giảng cho sinh viên đại học Bách Khao Hà Nội, 2007 [2] Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động - Ts Nguyễn Phùng Quang - Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2006 [3] Giáo trình Điều khiển số Ứng dụng - TS Nguyễn Khắc Khiêm, TS Phạm Tuấn Anh, Nhà xuất Hàng Hải,2018 22