Lời nói đầuTrong những năm gần đây công nghệ thông tin có những bước nhảy vọt,đặc biệtlà sự ra đời của máy tính đã tạo cho xã hội một bước phát triển mới, nóảnh hưởngđến hầu hết các vấn
Trang 1Lời nói đầu
Trong những năm gần đây công nghệ thông tin có những bước nhảy vọt,đặc biệtlà sự ra đời của máy tính đã tạo cho xã hội một bước phát triển mới, nóảnh
hưởngđến hầu hết các vấn đề của xã hội và trong công nghiệp cũng vậy.Hòa cùng sự phát triển đó, ngày càng nhiều nhà sản xuất đã ứng dụng các họ vixử
lý
mạnh vào trong công nghiệp, trong việc điều khiển và xử lý dữ liệu.Những hạn chế của kỹ thuật tương tự như sự trôi thông số, sự làm việc cố địnhdài hạn, những khó khăn của việc thực hiện chức năng điều khiển phức tạp đãthúc đẩy việc chuyển nhanh công nghệ số Ngoài ra điều khiển số cho phép tiết kiện linh kiện phần cứng, cho phép tiêu chuẩn hóa Với cùng một bộ vi xử lý, một cấu trúc phần cứng có thể dùng cho nhiều ứng dụng khác nhau Tuy nhiên kỹ thuật
số cũng có những nhược điểm như xử lý các tín hiệu rời rạc…, đồng thời tín hiệu tương tự có những ưu điểm mà kỹ thuật số không có như tác động
nhanh và
liên tục Vì vậy xu hướng điều khiển hiện nay là phối hợp cả điều khiển số và điều khiển tương tự Để nắm vững những kiến thức đã học thì việc nghiên cứu
là
cần thiết đối với sinh viên Bài tập lớn Môn “Điều khiển số” đã giúp em biết thêm được rất nhiều về cả kiến thức lẫn kinh nghiệm Dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Văn Tiến em đã thực hiện xong bài tập “Thiết kế theo tiêu chuẩn tích phân số (IAE, ITAE, ISE, ITSE) kết hợp với Dead – Beat khâu điều chỉnh tốc độ động cơ DC Servo Harmonic RFS32-6018” Do kiến thức còn hạn chế nên bài tập còn có nhiều sai sót, nên em mong nhận được sự bổ sung của các thầy!
Trang 2CHƯƠNG 1: Khái quát về động cơ DC Servo Harmonic RFS 32-6018
1.1 Giới thiệu động cơ servo
Là động cơ cho phép điều khiển vô cấp tốc độ
Điều khiển động cơ DC (DC Motor) là một ứng dụng thuộc dạng cơ bản
nhất của điều khiển tự động vì DC Motor là cơ cấu chấp hành (actuator) được dùng nhiều nhất trong các hệ thống tự động (ví dụ robot) DC servo motor là động cơ DC có bộ điều khiển hồi tiếp.
Mặt khác, động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bất kỳ
lý
do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín
hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch
cho động cơ đạt được điểm chính xác.
Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong
nhiều máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các mô hình máy bay, ô tô.Ứng dụng mới nhất cho động cơ servo là dùng trong Robot, cùng loại với các động cơ dùng trong mô hình máy bay và ô tô Cấu tạo động
cơ
Servo:
Trang 3Hình 1.1: Cấu tạo động cơ servo.
Trong đó :
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
1.2 Thông số động cơ DC Servo Harmonic RFS 32-6018
Động cơ DC Servo Harmonic là loại động cơ bước nhỏ, được sử dụng
trong công nghiệp, khả năng điều khiển chuyển động và momen xoắn với độ chính xác cao Động cơ có hộp số cho momen xoắn cao, độ cứng xoắn cao và hiệu suất cao Do đó mà nó được sử dụng trong các robot công nghiệp và tự động hóa
Trang 4Hình 1.2: Đặc tính tải của động cơ Thông số động cơ :
Trang 5Hằng số điện B.E.M.F (ảnh hưởng
của tốc độ đến sđđ phản ứng) (Kb)
Momen quán tính (J) In-Ib-sec 2 12.2
Hệ số momen nhớt (Bf) In-Ib/rpm 0.67
Nm/rpm 7.6*10 -2
Trang 6CHƯƠNG 2: Thiết kế khâu điều chỉnh kiểu deadbeat cho mạch vòng dòng điệnđộng cơ DC Servo Harmonic RHS RFS 32-6030
2.1 Thiết kế khâu điều chỉnh kiểu deadbeat cho mạch vòng dòng điện
Hình 1 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện
- Hàm tryền của bộ biến đổi :
FBD =
Ta có hàm truyền của đối tượng điều khiển :
Gi(s) = =
Trong đó : RA : điện trở phần ứng;
TA = = 2,2.10-4
Ti : chu kỳ trích mẩu
- Thay số ta có :
Gi(s) =
- Sử dụng lệnh c2d ta tìm được hàm truyền đạt trên miền ảnh Z của đối tượng
- >> % chuong trinh matlab
>> G= tf(0.1,[2.2e-7 1.22e-3 1])
G =
0.1
Trang 7
2.2e-07 s^2 + 0.00122 s + 1
Continuous-time transfer function
>> Ti = 0.22e-3% chu ki trich mau
Ti =
2.2000e-04
>> G = c2d(G,Ti,'ZOH')
G =
0.007489 z + 0.004994
z^2 - 1.17 z + 0.2952
Sample time: 0.00022 seconds
Discrete-time transfer function
>> G = filt([0 0.007489 0.004994],[1 -1.17 0.2952],0.22e-3)
G =
0.007489 z^-1 + 0.004994 z^-2
1 - 1.17 z^-1 + 0.2952 z^-2
Sample time: 0.00022 seconds
Discrete-time transfer function
Ta thu được hàm truyền của đối tượng như sau :
GI(z) = =
* Thiết kế bộ điều khiển theo phương pháp Dead – Beat với L(z -1 ) =l 0 + l 1 z -1
- Từ GI(z) ở trên ta có
B(z-1) = b0 + b1z-1+ b2z-2
Trang 8A(z-1) = a0 + a1z-1+ a2z-2
Với : b0 = 0 ; b1 = 0,007489 ; b2 = 0,004994
a0 = 1 ; a1 = -1,17 ; a2 = 0,2952
- Theo phương pháp Dead – Beat ta tìm được:
l0 = = 36,91 ; l1 = = 43,19
do đó : L(z-1) = 36,91 + 43,19z-1
- Từ đó ta xác định được bộ điều khiển :
GR(z-1) =
>> % chuong trinh matlab tim bo dieu khien
>> l0 = 36.91; l1=43.19;
>> L = filt([l0 l1],[1],0.22e-3)
L =
36.91 + 43.19 z^-1
Sample time: 0.00022 seconds
>> b0 = 0 ; b1 = 0.007489 ; b2 = 0.004994 ;
>> B = filt([b0 b1 b2],[1],0.22e-3)
B =
0.007489 z^-1 + 0.004994 z^-2
Sample time: 0.00022 seconds
>> a0 = 1 ; a1 =-1.17 ; a2 = 0.2952 ;
>> A = filt([a0 a1 a2],[1],0.22e-3)
A =
1 - 1.17 z^-1 + 0.2952 z^-2
Sample time: 0.00022 seconds
>> Gr = L*A/(1-L*B)% Ham truyen bo dieu khien
Trang 9Gr =
36.91 + 0.0053 z^-1 - 39.64 z^-2 + 12.75 z^-3
1 - 0.2764 z^-1 - 0.5078 z^-2 - 0.2157 z^-3
Sample time: 0.00022 seconds
Discrete-time transfer function
>> Gk = L*B% Ham truyen dat cua he kin khi co bo dieu khien
Gk =
0.2764 z^-1 + 0.5078 z^-2 + 0.2157 z^-3
Sample time: 0.00022 seconds
Discrete-time transfer function
>> step(Gk)% hàm mô phỏng dac tính cua hệ kín khi có bộ điều khiển
Kết quả mô phỏng :
Hình 2 Kết quả mô phỏng đặc tính của hệ
Nhận xét :
Ta thấy bộ điều khiển Dead – Beat đầu ra đạt giá trị xác lập sau 3 chu kỳ trích mẩu
Trang 102.2 Tối ưu modul số cho mạch vòng tốc độ :
* Ta có sơ đồ khối cấu trúc mạch vòng tốc độ như hình 2.3 sau :
Hình 3 Sơ đồ khối hệ điều chỉnh PI
Trong đó :
Ki : hệ số phản hồi dòng điện;
: Hằng số thời gian máy phát tốc;
: Hệ số phản hồi máy phát tốc;
Tư = Lư/ Rư : Hằng số thời gian của động cơ;
Ti : Hằng số thời gian của cảm biến sensor dòng điện;
TV : Hệ số thời gian van;
Tsi = Ti + Tv + Tđk Tư
Tc : Hằng số thời gian cơ học Tc = Rư.j/(K)2
Ta có sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ thu gọn như hình 4 :
Trang 11Hình 4 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ
Trong đó :
S0 (p) = (2.1)
Đặt = 2 + rất nhỏ Ta có :
S0 (p) = ( 2 2 )
Xác định hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ :
* Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu moodul :
F(p)= ( 2 3 )
R(p) = (2.4 )
R(p) = (2.5 )
chọn =
Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn modul tối ưu: R(p) = ( 2.6 )
R( p) là khâu tỷ lệ ( P )
Hàm truyền của mạch vòng tốc độ là :
= ( 2.7 )
Với : 2 =
* áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng :
Trang 12mạch vòng tốc độ hàm truyền bộ điều chỉnh có dạng :
R(p) = ( 2.8 )
F (p) = ( 2.9 )
F(p) = = (2.10 )
Chọn = TS ta được :
T0 = 4TS
K = = 2.TS ( 2.11 )
Thay vào ( 2.8 ) ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng là :
R(p) = ( 2.12 ) R(p) là khâu tích phân –tỷ lệ ( PI )
Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng tiêu chuẩn modul tối ưu ta có : = ( 2.13 )
Kết quả tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng tiêu chuẩn modul tối ưu đối xứng ta có :
= ( 2.14 )
Ta có biểu thức momen quán tính trên trục động cơ là :
J = ( 2.15 )
Thế j ở ( 2.15 ) vòa ( 2.12 ) hàm truyền bộ điều chỉnh tốc độ R thiết kế theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng ta được :
R(p) = ( 1 + ) (2.16 )
* Tính toán các thông số mô phỏng :
Trang 13= = = 314 ( rad/s )
Cu = = = 0.024
R(p) = ( 1 + )
= 2 +
Tsi = Tv + Ti + Tđk
Hằng số thời gian bộ chỉnh lưu : Tv = 0.0002 s
Tđk : Hằng số thời gian mạch điều khiển bộ chỉnh lưu Tđk = 0.002 s
Tω = 0.006 là hằng số thời gian của máy phát tốc
Tsi = 0,00022 + 0,00022 + 0,002 = 0,0024 s
= 2 + = 0,0024 2 + 0,006 = 0,0108
= = 187,18
1 + =
- Hàm truyền của máy biến dòng :
FMOI = =
- Sơ đồ mô phỏng trên matlab-simulink
Hình 5 Sơ đồ cấu trúc mô phỏng
Trang 14Hình 6 Kết quả mô phỏng
Kết luận :
- Sau một khoảng thời gian tốc độ động cơ đạt giá trị ổn định , đạt với giá trị mong muốn
Tài liệu tham khảo
Bài giảng điều khiển số(Đại học bách khoa Hà Nội) – Nguyễn Phùng Quang Matlab & simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động – Nguyễn Phùng Quang