RFS32 - 3030
ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ Đề bài 38: Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh vị trí động cơ DC SERVO Hanrmonic RFS32-3030 Chương 1. Tổng quan về động cơ DC Servo Harmonic RFS32-3030 1 Cấu tạo của động cơ servo 2 Nguyên lý hoạt động 3 Các tham số cơ bản của động cơ Chương 2. Xây dựng mô hình điều khiển vị trí Động cơ Servo Harmonic RFS32- 3030 2.1. Xây dựng hệ phương trình tính toán động học động cơ Servo Harmonic RFS32-3030 2.2. Xây dựng bộ điều khiển vị trí đông cơ Servo Harmonic RFS32-3030 ĐIỀU KHIỂN SỐ Đề bài 38: Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh vị trí động cơ DC SERVO Hanrmonic RFS32-3030 Chương 1. Tổng quan về động cơ DC Servo Harmonic RFS32-3030 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). Điều khiển được DC Motor là ta đã có thể tự xây dựng được cho mình rất nhiều hệ thống tự động. 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. 1 Cấu tạo của động cơ servo: Hình 1.1: Cấu tạo động cơ servo 1, Động cơ ; 2, Bản mạch 7, Đầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp hành 3, dây dương nguồn ; 4, Dây tín hiệu 5, Dây âm nguồn ; 6, Điện thế kế 9, Vỏ ; 10, Chíp điều khiển 1.2. 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. Mặc dù ta có thể chỉnh động cơ servo quay liên tục được nhưng công dụng chính của động cơ servo là đạt được góc quay chính xác khoảng từ 90 o - 180 o . Điều khiển động cơ là điều khiển độ rộng xung (PWM), động cơ đòi hỏi tín hiệu từ 30 – 60 xung/s. Hai thông số chính của động cơ là momen xoắn và thời gian để trục động cơ quay một góc. + Momen xoắn của động cơ là tổng ngẫu lực mà nó sinh ra, các servo có momen xoắn rất cao nhờ vào hệ thống bánh răng giảm tốc. + Thời gian để trục động cơ quay một góc ( thường bằng 60 o ) là thời gian transitor. Các servo nhỏ thường quay khoảng 0,25s/60 o trong khi các servo lơn quay chậm hơn. Thời gian transitor càng nhanh thì servo hoạt động càng nhanh. Từ thời gian transitor ta có thể tính được vận tốc quay theo vòng/phút của trục động cơ. - 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. - Khi tốc độ động cơ bị lệch so với tốc độ đặt, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác. - Để lấy tín hiệu phản hồi về và điều khiển chính xác động cơ theo mong muốn, người ta đã tích hợp động cơ vói mooyj bộ encorder và một bộ điều khiển. - Encorder đo vận tốc tức thời của động cơ, chuyển thành tín hiệu điều khiển đưa về bộ điều khiển. - Bộ điều khiển nhận được tín hiệu từ encorder gửi về, lập tức phân tích, xử lý tín hiệu đó và tiến hành điều khiển động cơ theo một thuật toán cho trước. - Đối tượng điều khiển ở đây là động cơ Động cơ RFS32-3030 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. 1.3. 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 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 RFS32-3030 Công suất đầu ra (sau hộp số) W 308 Điện áp định mức V 85 Dòng điện định mức A 5.4 Mômen định mức T N In-lb 868 Nm 100 Tốc độ định mức n N rpm 30 Mômen hãm liên tục In-lb 1040 Nm 120 Dòng đỉnh A 14.4 Mômen cực đại đầu ra T m In-lb 2950 Nm 340 Tốc độ cực đại rpm 40 Hằng số mômen (K T ) In-lb/A 231 Nm/A 26.6 Hằng số điện B.E.M.F ( ảnh hưởng của tốc độ đến sđđ phần ứng )(Kb) v/rpm 2.74 Mô men quán tính (J) In-bl –sec 2 104 Kgm 2 12.0 Hằng số thời gian cơ khí ms 7.0 Độ dốc đặc tính cơ In-lb/rpm 1580 Nm/rpm 179 Hệ số momen nhớt ( Bf) In-lb/rpm 6.5 Nm/rpm 7.3*10^-2 Tỷ số truyền 1:R 100 Tải trọng hướng tâm lb 882 N RFS:4000 Tải trọng hướng trục lb 353 N RFS:1600 Công suất động cơ W 500 Tốc độ định mức động cơ rpm 3000 Điện trở phần ứng Ω 0.4 Điện cảm phần ứng mH 0.84 Dòng khởi động A 0.75 Dòng không tải A 1.6 Chương 2. Xây dựng mô hình điều khiển vị trí Động cơ Servo Harmonic RHS 17-6006 2.1. Xây dựng hệ phương trình tính toán động học động cơ Servo Harmonic RFS32-3030 Đối tượng điều khiển được mô tả bởi phương trình toán học sau : • Điện áp phần ứng : u A =e A +R A i A +L A dt di A • Sức từ động cảm ứng: e A =k e n. ψ • Tốc độ quay: )( 2 1 TM mm Jdt dn −= π • Momen quay: AMM ikm . ψ = • Hằng số động cơ: Me kk .2 π = • Hằng số thời gian phần ứng: T A = A A R L Tham số chính: -Ra=0.4 Ω -La=0.84mH -Kt=26.6 Nm/A -Kb=2.74 V/rpm -Bf=7.3*10^-2 -J=104 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 Laplace ta có . . 1 ( ) . . . a a a a a a dc c dc t a b a s J s n U e i i R L M M i M K e K ω − = + = − = = (2) Có ( )*1/ 1 . a a a a a a a a s U e R L i T R T − = => = + Thay vào (2) ta được hệ phương trình sau : ( )*1/ 1 . 1 ( ) . . . a a a a a dc c dc t a b a s J s n U e R i T M M i M K e K ω − = + = − = = Từ hệ phương trình trên,ta có cấu trúc của động cơ như sau : Hình 2.1: Cấu trúc động cơ DC servo Thay số vào hệ trên ta có (Mc=0) : Hình 2.2: Cấu trúc động cơ DC servo mô phỏng trên simulink Kết quả mô phỏng Hình 2.3: Đặc tính tốc độ động cơ DC servo RFS32-3030 Hình 2.4: Đặc tính dòng phần ứng động cơ DC servo RFS32-3030 2.2. Xây dựng bộ điều khiển vị trí đông cơ Servo Harmonic RFS32-3030 Hình 2.5: Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện. Ki: Hệ số phản hồi của sensor dòng. Chọn Ki = 1 Kcl: Hệ số khuếch đại bộ chỉnh lưu. Chọn Kcl = 15 Tdk: Hằng số thoi gian điều khiển Tiristor. Tdk = 0.01 Tv: Hằng số mở van Tiristor, Tv =0.01 Hàm truyền mạch vòng dòng: Si(s) = K cl . K i / R u ( T s . s+1 ) (T u . s+1) Ts = T dk + T v Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu module ta tìm được hàm truyền bộ điều khiển dòng: RI = 1+T u . s K cl . K i R u .2 .T s . s = T u . R u 2. K cl .K i .T s .(1+ 1 T u . s ) Và hàm truyền kín của mạch vòng dòng điện là: F I = 1/ K i 1+2. T s . s+ 2.T s 2 . s 2