RHS 14 - 6003
ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ BÀI TẬP LỚN MÔN ĐIỀU KHIỂN SỐ Đề 11: Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ động cơ DC servo Harmonic RHS 14-6003. Chương 1. Khái quát chung về động cơ DC servo Harmonic RHS 14-6003 1.1. Giới thiệu động cơ DC servo Harmonic RHS 14-6003 1.1. Mô hình toán của động cơ DC servo Harmonic RHS 14-6003 Chương 2. Xây dựng bộ điều khiển động cơ DC servo Harmonic RHS 14-6003 2.1. Khảo sát đặc tính động học của động cơ trên miền thời gian thực 2.2. Xây dựng bộ điều khiển số cho động cơ DC servo Harmonic RHS 14-6003 Chương 3. Mô phỏng hệ thống trên Matlab-Simulink 3.1. Sơ đồ mô phỏng 3.2. Kết quả mô phỏng 3.3. Nhận xét và kết luận Hải phòng ngày 12/4/2013 GVHD SVTH PHẠM TUẤN ANH NGUYỄN ĐÌNH TIẾN 1 Chương 1. Khái quát chung về động cơ DC servo Harmonic RHS14-6003 1.1. Giới thiệu động cơ DC servo Harmonic RHS14-6003 Hình 1.1: Động cơ RHS 14-6003 trong thực tế * Cấu tạo của động cơ servo: Hình 1.2: 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 2 Động cơ RHS 14-6003 là động cơ một chiều do hãng Harmonic của Nhật sản xuất. Đây là động cơ được thiết kế nhỏ gọn, truyền động chính xác, momen lớn và có gắn sẵn encoder. * 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. * Các tham số cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1.1 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 1.1: Thông số động cơ RHS 14-6003 Thông số Đơn vị ĐC RHS14-6003 Công suất đầu ra (sau hộp số) W 34 Điện áp định mức V 75 Dòng điện định mức A 1.0 Mômen định mức T N In-lb 48 Nm 5.4 Tốc độ định mức n N rpm 60 Mômen hãm liên tục In-lb 54 Nm 6.1 Dòng đỉnh A 2.4 Mômen cực đại đầu ra T m In-lb 155 Nm 18 Tốc độ cực đại rpm 100 3 Hằng số mômen (K T ) In-lb/A 80 Nm/A 8.9 Hằng số điện B.E.M.F ( ảnh hưởng của tốc độ đến sđđ phần ứng )(Kb) v/rpm 0.9 Mô men quán tính (J) In-lb –sec 2 0.41 Kgm 2 0.45 Hằng số thời gian cơ khí ms 6.7 Độ dốc đặc tính cơ In-lb/rpm 6.2 Nm/rpm 0.71 Hệ số momen nhớt ( Bf) In-lb/rpm 0.2 Nm/rpm 2.3*10 -2 Tỷ số truyền 1:R 1:50 Tải trọng hướng tâm lb 88 N 392 Tải trọng hướng trục lb 88 N 392 Công suất động cơ W 50 Tốc độ định mức động cơ rpm 3000 Điện trở phần ứng Ω 11.6 Điện cảm phần ứng mH 4.5 Dòng khởi động A 0.25 Dòng không tải A 0.4 1.2. Mô hình toán của động cơ DC servo Harmonic RHS14-6003 Các tham số cơ bản của động cơ như sau: Ra = 11.6 Ω; La = 4.5 mH Kt = 8.9 Nm/A ; Kb = 0.9 V/rpm Bf = 2.3*10 -2 J = 0.45 Ta có : u a - e a = i a . R a + L a . d i a dt d ω dt = 1 J ( M đc - M c ¿ M đc = Kt. i a 4 e a = Kb.n Chuyển sang Laplace ta được: U a - E a = I a . R a + L a . I a .s U a - E a = I a . R a + L a . I a .s s. = 1 J ( M đc - M c ) = 1 J.s ( M đc - M c ) M đc = K t . I a M đc = K t . I a E a = K b .n E a = K b .n Với T a = L a R a ta có: I a = 1 R a 1+T a . s ( U a - E a ) = 1 J.s ( M đc - M c ) M đc = K t . I a 5 E a = K b .n Cấu trúc động cơ như sau: Hình 1.3: Cấu trúc động cơ RHS 14-6003 6 Chương 2. Xây dựng bộ điều khiển động cơ DC servo Harmonic RHS14-6003 2.1. Khảo sát đặc tính động học của động cơ trên miền thời gian thực Mô hình mô phỏng trên Simulink: Hình 2.1: Mô hình mô phỏng động cơ RHS 14-6003 Với T=20s: Đặc tính quá độ tốc độ và dòng của động cơ khi không tải: Hình 2.1: Đặc tính dòng phần ứng động cơ DC servo harmonic RHS 14-6003 7 Hình 2.2: Đặc tính tốc độ động cơ DC servo harmonic RHS 14-6003 Đặc tính quá độ tốc độ và dòng của động cơ khi có tải: Hình 2.3: Đặc tính dòng phần ứng động cơ DC servo harmonic RHS 14-6003 Hình 2.4: Đặc tính tốc độ động cơ DC servo harmonic RHS 14-6003 2.2 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 8 ( ) 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 = 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 − ⇒ ≈ − + + 9 ( ) ( ) 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 − − − + ⇒ = + − 10 . bộ điều khiển 3.1.1Thiết 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. 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