Thiết kế khâu điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp gán điểm cực cho động cơ DC servo 3002

LỜI MỞ ĐẦU Trong năm gần công 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 cơng nghiệp Hịa phát triển đó, ngày nhiều nhà sản xuất ứng dụng họ vi sử lý mạnh vào công nghiệp, việc điều khiển xử lý đữ liệu Những hạn chế kỹ thuật tương tự sụ trôi thông số, làm việc cố điịnh dài hạn, khó khăn việc thực chức điều khiển phức tạp thúc đẩy việc chuyển nhanh công nghệ số Ngoài 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 sơ 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 Bài tập lớn Mô “Điều khiển số” giúp em biết thêm nhiều kiến thức lẫn kinh nghiệm Dưới hướng dẫn thầy Nguyễn Văn Tiến em thực xong tập Do kiến thức cịn hạn chế nên tập cịn có nhiều sai xót, nên em mong nhận bổ xung thầy, cô bạn CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RH 14D-3002 1.1 Giới thiệu động DC Servo 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 vòng 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 ,cùng loại với loại động dùng mơ hình máy bay , ô tô • Cấu tạo động Servo DC: Hình 1.1 Cấu tạo động DC Servo Thơng thường cấu tạo động servo bao gồm phận rotor stator Động servo DC bao gồm hai phận số phận khác như: Động Bản mạch Dây dương nguồn Dây tín hiệu Dây âm nguồn Điện kế Đầu (bánh răng) Cơ cấu chấp hành; Vỏ 10 Chíp điều khiển • Ngun lý làm việc: Động servo DC hình thành hệ thống hồi tiếp vịng kín ngun lý hoạt động động mô tả sau: Bộ phận rotor động nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh stator động cuộn dây riêng biệt cấp nguồn theo trình tự thích hợp để quay rotor Khi chuyển động quay rotor phụ thuộc vào tần số pha, phần cực dòng điện chạy cuộn dây stator trường hợp dòng điện cấp tới cuộn dây chuẩn xác Mạch điều khiển động nối với tín hiệu Điều có nghĩa động vận hành vận tốc vị trí hồi tiếp mạch điều khiển Lúc có lý ngăn cản trình chuyển động quay động cơ, phận cấu hồi tiếp nhận thấy tín hiệu mạch điểu khiển phải tiếp tục điều chỉnh sai lệch cho động đến đạt điểm xác • Ưu nhược điểm động DC Servo: - Ưu điểm: Là hệ thống hồi tiếp vịng kín động servo DC dễ điều khiển, dễ sử dụng Bên cạnh động cịn giúp kiểm sốt tốc độ xác, đảm bảo trình vận hành ổn định Hiện giá thành động Servo DC rẻ so với loại động khác - Nhược điểm: Vì cấu tạo có phận chổi than nên điểm hạn chế lớn loại động dễ gây tiếng ồn, nhiệt độ cao vận hành quán tính cao giảm tốc độ Nếu sử dụng động DC servo không chổi than khiến động chạy êm vận hành tốt • Ứng dụng: 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 sản xuất robot chuyển động trơn tru định vị • • xác 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 tơ để trì tốc độ phương tiện Một số sản phẩm bật sử dụng động DC servo: Động Cơ DC Servo giảm tốc GA12 - N20 Encoder, động DC Servo JGB37-545 DC Geared Motor, động DC Servo Giảm Tốc Hành Tinh Planetary GP36, 1.2 Động DC Servo RH 14D-3002 Hình 1.2 Động DC Servo RH-14D 3002 Đối tượng điều khiển động DC Servo RH-14D 3002 hãng Harmonic Động thuộc dòng rhmini series dòng động thiết kế nhỏ gọn, truyền động xác , mơ men lớn có gắn sẵn encoder Thơng số kỹ thuật động DC Servo RH 14D-3002: + Kiểu chạy: Liên tục + Kích thích: Nam châm vĩnh cửu + Cách điện: Lớp B + Điện áp cách điện: 500 V, phút + Điện trở cách điện: 100 MΩ + Độ rung: 2,5 g( … 400Hz) + Shock: < 30 g( 11ms) + Chế tạo: Hồn tồn khép kín + Bôi trơn: Mỡ( SK2) + Nhiệt độ môi trường: 40 + Độ ẩm môi trường: 20 80%( không ngưng tụ) Bảng 1.1 Thông số động DC Servo RH 14D-3002 Thông số Công suất đầu Điện áp định mức Dòng điện định mức Momen định mức Tn Momen hãm liên tục Dòng đỉnh Momen cực đại đầu Tốc độ cực đại Động RH-14D 3002 18,5 24 1,8 52 5,9 69 7,8 4,1 Đơn vị W V A In-Ib Nm In-Ib Nm A 174 20 50 In-Ib Nm rpm Hằng số momen 51 5,76 In-Ib/A Nm/A Hằng số B.E.M.F ( ảnh hưởng tốc độ đến tốc độ phần ứng Kb) Momen quán tính 0,6 V/rpm 0,72 81,6 In-lb –sec2 Kgm2 Hằng số thời gian khí Độ dốc đặc tính 7,0 msec 11 In-Ib/rpm 1,2 Nm/rpm Hệ số momen nhớt 1,3 In-Ib/rpm Tỉ số truyền 1,5.10-1 100 Nm/rpm 1:R 88 392 88 392 30 3000 lb N lb N W rpm 2,7 1,1 0,43 0,91 Ω mH A A 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 1.3 Mơ hình đối tượng miền liên tục Các tham số xây dựng mơ hình động cơ: Điện trở phần ứng: Ru = 2,7 Ω Điện cảm phần ứng: Lu = 1,1 Mh Hằng số momen: KT = 5,76 Nm/A ( Cứ 1A sinh 5,76 Nm) Momen quán tính: J = 81,6.10-3 (kg/m2) Hệ số ma sát: = 1,5.10-1 (Nm/rpm) Hằng số điện áp: Kb = 0,6 (V/rpm) ( vòng/ phút sản sinh 0,6V) Các phương trình: Chuyển sang Laplace ta được:  Hình 1.3 Mơ hình động matlab Kết mô động cơ: + Khi chưa có tải điện áp đặt 24V: Đặc tính tốc độ động cơ: Hình 1.4 Đặc tính tốc độ động khơng tải Đặc tính dịng điện động cơ: Hình 1.5 Đặc tính dịng điện động không tải Nhận xét: Khi không tải, tốc độ động 3000 v/p dịng điện khơng tải ban đầu tăng mạnh ổn định sau xấp xỉ 1A, với thông số kỹ thuật động + Khi có tải Mc=9 N/m điện áp đặt 24V: Đặc tính tốc độ động cơ: Hình 1.6 Đặc tính tốc độ động tải Mc=9 Đặc tính dịng điện động cơ: Hình 1.7 Đặc tính dịng điện động tải Mc=9 Nhận xét: Khi có tải động đạt tốc độ định mức, dòng điện ban đầu tăng mạnh giảm mạnh có tải sau ổn định 1.4 Mơ hình đối tượng miền z Để chuyển mơ hình đối tượng sang miền z, ta làm nhập tham số matlab workspace: Thông số động cơ: Khai báo biến s Khai báo G1: Khai báo G2: Khai báo G3: Tính G0 = G1.G2.G3 Khai báo Gph: Tính Gk = feedback ( G0,Gph ) Tính Gkt = Gk.Kg Tính Gz Khi bước thời gian làm hàm bước nhảy • Khảo sát đáp ứng đầu đối tượng gõ lệnh: step(Gz) Hình 1.8 Đáp ứng đầu đối tượng đầu vào hàm nhảy đơn vị Nhận xét: đáp ứng đầu đối tượng đến 150 hàm step(Gz) đầu vào 1V • Khảo sát đối tượng khí gõ lệnh: Step(24*Gz) Hình 1.9 Đáp ứng đầu đối tượng khảo sát step(24*Gz) Nhận xét: Đáp ứng đầu gần với thông số động CHƯƠNG XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS14-3002 2.1 Tìm điều khiển số phương pháp gán điểm cực Hình 2.1 Cấu trúc điều khiển số Trong đó: GR(z) = GS(z) = Tìm phương trình đặc tính: N(z) = P(z-1).A(z-1) + R(z-1).B(z-1) Gán điểm cực cho phương trình đặc tính: P(z-1).A(z-1) + R(z-1).B(z-1) = (z-z1)(z-z2)…(z-zn) (z1, z2,…, zn điểm cực cần gán) Đồng hệ số phương trình => R(z-1) P(z-1) Hình 2.2 Qũy đạo điểm cực miền z Sử dụng lệnh Rltool(G(z)) để gán điểm cực 2.2 Xây dựng mạch vòng điều khiển tốc độ Để thuận lợi trình tổng hợp điều khiển ta coi gần biến đổi công suất (PWM) khâu quán tính bậc với số thời gian Tf= 1/f với f=30000Hz tần số băm xung Hàm truyền biến đổi công suất là: Gbd(s) = Khi mạch vịng tốc độ có cấu trúc sau: Hình 2.3 Cấu trúc mạch vịng điều khiển tốc độ động Ta tiến hành tìm hàm truyền mạch vịng bao gồm hàm truyền biến đổi hàm truyền phản hồi: Sau tính hàm truyền kín hệ liên tục Gk3 cuả mạch vịng, sau chuyển sang hệ rời rạc lệnh Gz=C2d(Gk3,0.01.,’zoh’) Sau đó, ta gõ lệnh rltool(Gz) để lựa chọn điểm cực phù hợp phù hợp cho đối tượng sao, sau xuất điều khiển PID số Gw(z) = Hình 2.4 Mạch vịng điều khiển tốc độ động điều khiển số Đặc tính động cơ: Đặc tính Hình 2.5 Đặc tính tốc độ động Hình 2.6 Đặc tính dịng điện động Nhận xét: Khi có điều khiển động bị sụt tốc khoảng nhỏ 0.5s sau tăng lên giá trị tốc độ đặt Chương 3: Thực thi điều khiển số vi điều khiển atmega16 3.1 Thực thi điều khiển số Bộ điều khiển tổng hợp R(z)= Áp dụng cấu trúc trực tiếp dạng tắt: rk = ek + rk-1 uk = 0.01rk – 0.05rk-2 Cấu trúc thực thi đks theo dạng tắt: Hình 4.1 Bộ điều khiển số theo dạng tắt 3.2 Thuật tốn Thuật tốn chương trình Bắt đầu Khởi tạo ADC Khơi tạo I/O Khơi tạo Timer ngắt sau 10ms Khai báo biến sk,yk,ek,rk,rk-1,M1,M2 Chờ ngắt Thuật toán ngắt timer: Tính Sk, yk 3.3 Cấu trúc điều khiển chương trình ek = sk - yk 8MHZ C1 R1 C2 5k 10uF U? 10uF CRYSTAL 13 12 RV? 50% 40 39 38 37 36 35 34 33 1k Yk RESET XTAL1 XTAL2 PA0/ADC0 PA1/ADC1 PA2/ADC2 PA3/ADC3 PA4/ADC4 PA5/ADC5 PA6/ADC6 PA7/ADC7 PB0/T0/XCK PB1/T1 PB2/AIN0/INT2 PB3/AIN1/OC0 PB4/SS PB5/MOSI PB6/MISO PB7/SCK U? PC0/SCL PC1/SDA PC2/TCK PC3/TMS PC4/TDO PC5/TDI PC6/TOSC1 PC7/TOSC2 22 23 24 25 26 27 28 29 10 11 12 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 rk = ek + M1 uk = rk + M2 PD0/RXD PD1/TXD PD2/INT0 PD3/INT1 PD4/OC1B PD5/OC1A PD6/ICP1 PD7/OC2 14 15 16 17 18 19 20 21 VREF+ VREFIOUT COMP VEE 14 15 32 30 Chương trình vi điều khiển M1 = rk-1 #include #include M2 =here -0.05rk-1 // Declare your global variables char sk=0, yk=0, rk=0, rk-1=0, M1=0, M2=0; // Timer1 overflow interrupt service routine PORTC=uk interrupt [TIM1_OVF] void timer1_ovf_isr(void) // Reinitialize Timer1 value Quay lại chương trình TCNT1L=0xD8F0 & 0xff; sk=read_adc(0); yk=read_adc(1); ek=sk-yk; U? 16 ATMEGA16 TCNT1H=0xD8F0 >> 8; 5k 5k C3 DAC0808 { R4 rk-1 = rk AREF AVCC R2 1nF -15k OP1P rk=ek+M1; uk=rk+M2; rk-1=rk; M1=rk-1; M2=-0.05*rk-1; if(uk>255) {uk=255;}; else if(uk