a) Xây dựng hệ phương trình toán học động cơ DC servo RH-14 Các tham số cơ bản của động cơ
Ra= 2.7Ω, La =1.1mH, Kt= 5.76 Nm/A, Kb= 0.6 V/rpm, Bf = 0.15, J= 81.6e-3 Ta có:
(3.7)
(3.8)
Chuyển sang miền ảnh laplace
(3.9)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
(3.11)
Từ hệ phương trình trên ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc của động cơ như sau:
Hình 3.7 Cấu trúc động cơ DC servo
Thay các thông số vào ta được mô hình động cơ DC servo như sau
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Đặc tính quá độ tốc độ và dòng như sau
Hình 3.9 Đặc tính dòng phần ứng động cơ
Hình 3.10 Đặc tính tốc độ động cơ DC servo
b) Thiết kế bộ điều chỉnh vị trí cho động cơ DC servo
Để điều khiển vị trí động cơ DC servo thông thường ta dùng hệ thống ba vòng điều chỉnh, Tuy nhiên động cơ DC servo RH-14D 3002 là loại động cơ cỡ nhỏ nên có thể bỏ qua mạch vòng dòng.
Chu kỳ trích mẫu chon theo định lý Shamnon-Nyquist tần số lấy mẫu > 2 lần bandwith của hệ. Tuy nhiên trong thực thế rất khó đáp ứng được tần số như vậy - Ta chọn chu kỳ trích mẫu mạch tốc độ : Tw=0.001s
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.11 Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh
Để thuận lợi trong quá trình tổng hợp bộ điều khiển ta coi gần đúng bộ biến đổi công suất (PWM) là khâu quán tính bậc nhất với hằng số thời gian Tf = 1/f với f = 30000HZ là tần số băm xung. Hàm truyền bộ biến đổi công suất là :
(3.12)
Hàm truyền đạt của động cơ
(3.13)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ (3.14) (3.15) (3.16) (3.17)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.12 Hệ tọa độ cực và đáp ứng của hệ thống trên SISO design
Tổng hợp bộ điều khiển vị trí
Tiến trình tổng hợp bộ điều khiển vị trí Rφ tương tự các mạch vòng khác. Tuy nhiên với cấu trúc như trên thì hàm truyền bộ điều khiển vị trí sẽ không có thành phần PI mà chỉ là P hay PD. Bộ điêu khiển vị trí thường được tính theo điều kiện gia tốc hãm cực đại εhmax đối với quãng đường hãm cực đại Δφhmax sao cho thờigian hãm không vượt quá thời gian tmax. Tại thời điểm hãm, tương ứng với tín hiệu sai lệch tốc độ Δω đầu vào bộ điều chỉnh tốc độ bằng không. Để đơn giản ta coi bộ điều khiển vị trí là một khâu khuếch đại với hệ số k= 400 thời gian lấy mẫu T = 0,1s. Khi đó cấu trúc bộ điều khiển vị trí xây dựng trên DSP C2000 là
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3.2.2 Điều khiển realtime với DSP F2812
Từ các kết quả mô phỏng ở trên ta tiến hành xây dựng bộ điều khiển trên DSP. Bộ điều khiển là bộ điều khiển đã mô phỏng ở phần trước tuy nhiên mô hình động cơ và bộ biến đổi công suất không không còn nữa mà động cơ và bộ biến đổi bây giờ nằm phía ngoài. Bộ điều khiển không phải thực hiện trên matlab mà nằm trên DSP.Việc đo tốc độ và vị trí động cơ không phải được tính toán dựa trên mô hình nữa mà được đo từ encoder hoặc các kênh ADC do đó ta cần xây xựng một khối đo riêng để xác định tốc độ và vị trí hiện tại của encoder
Mô hình bộ điều khiển vị trí
Hình 3.14 Cấu trúc điều khiển realtime với DSP F2812
Trong đó các khối “transmit to host”, “setpoint to host” và “receive from host” là các khối làm nhiệm vụ giao tiếp với matlab thông qua cổng truyền thông
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
RTDX. Khối “Position control” và “speed control” là các bộ điều khiển vị trí và tốc độ. Khối “measure” có chức năng đo tốc độ và vị trí động cơ. Đầu vào khối này là giá trị đếm xung encoder của bộ counter, đầu ra là giá tốc độ quay (RPM) của động cơ và vị trí (mm) của bộ truyền động vít me. Khối “measure” được xây dựng như sau:
Hình 3.15 Khâu đo lường (a.cấu trúc, b. khối QEP clock)
Nguyên lý hoạt động: Số xung đếm được của bộ counter có giá trị từ 0 - 65535 khi tràn bộ đếm lại quay trở về 0. Xung đếm này được đưa vào khối QEP clock, Khối QEP clock làm nhiệm vụ tính toán số xung đếm và chiều quay trong một chu kỳ lấy mẫu (0,001s). Nếu chiều thuận thì đầu ra delta clock mang giá trị dương, và chiều ngược thì mang giá trị âm và trị tuyệt đối của nó là số xung đếm trong một chu kỳ. Giá trị delta clock này được đưa qua hai khối riêng biệt để xác định vị trí và tốc độ động cơ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3.2.3 Kết quả thực nghiệm
Trƣờng hợp khi tín hiệu đặt vị trí là 100mm từ vị trí gốc (0 mm)
Đáp ứng tốc độ khi mô phỏng
Hình 3.16 Đáp ứng tốc độ khi mô phỏng với giá trị đặt ví trí là 100mm
Tốc độ đo được khi chạy thực
Hình 3.17 Đáp ứng tốc độ khi mô phỏng với giá trị đặt ví trí là 100m
Đáp ứng vị trí khi mô phỏng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Đáp ứng vị trí khi chạy thực
Hình 3.19 Đáp ứng vị trí khi chạy thực với giá trị đặt ví trí là 100mm
Ghi chú: Các khối Scope khi chạy mô phỏng có đơn vị các trục là đơn vị chuẩn, Vì thời gian (Time) có đơn vị là giây (s), Tốc độ (Speed) là vòng/phút (RPM), vị trí (Position) là mm. Còn khi chạy thực do đây là vector scope nên các đơn vị trục tung phụ thuộc vào tốc độ Frame.
Nhận xét :
- Hệ thống không có sai lệch tĩnh. Đáp ứng vị trí bám sát với tín hiệu đặt là 100 mm - Thời gian tăng tốc đến 3000(V/p) là 0,7s và giảm tốc là 3,5s
- Thời gian đáp ứng vị trí 100mm là 22s - Không có quá điều chỉnh
- Đáp ứng vị trí và tốc độ khi thực nghiệm và mô phỏng là hoàn toàn giống nhau
Trƣờng hợp khi tín hiệu đặt vị trí là -100mm từ vị trí gốc (0 mm)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.20 Đáp ứng tốc độ khi mô phỏng với giá trị đặt ví trí là -100mm
Tốc độ đo được khi chạy thực
Hình 3.21 Đáp ứng tốc độ khi chạy thực với giá trị đặt ví trí là - 100mm
Đáp ứng vị trí khi mô phỏng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Đáp ứng vị trí khi chạy thực
Hình 3.23 Đáp ứng vị trí khi chạy thực với giá trị đặt ví trí là -100mm
Trƣờng hợp khi tín hiệu đạt là hàm nhẩy bậc
Đáp ứng vị trí khi mô phỏng
Hình 3.24 Đáp ứng vị trí khi mô phỏng với giá trị đặt là tín hiệu nhẩy bậc
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.25 Đáp ứng vị trí khi chạy thực với giá trị đặt là tín hiệu nhẩy bậc
Các lần chạy thử nghiệm và mô phỏng đều thực hiện với chu kỳ lấy mẫu ở mạch vòng tốc độ là 0,001s và mạch vòng vị trí là 0,1s. Thời gian lấy mẫu nhỏ hơn thì có thể hệ thống sẽ đáp ứng nhanh hơn tuy nhiên sẽ gây sai số nhiều trong đo lường làm cho kết quả đáp ứng có thể không chính xác. Mạch vòng vị trí là khâu P với hệ số Kp= 400 và mạch vòng tốc độ là khâu PI với Kp=0,05 và Ki=0,0.
Kết quả thực nghiệm đã có kết quả khá chính xác so với mô phỏng, tuy nhiên khi thực hiện chúng ta còn phải quan tâm đến năng lực tính toán và các phép toán xử lý số học trên vi xử lý vì điều này trên matlab và các hệ vi xử lý độc lập thông thường có sự sai khác. Đôi khi sự bất cẩn trong việc thực hiện các bộ điều khiển số có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ thống (ví dụ như hiện tượng tràn dữ liệu hay khi thực hiện các phép toán có thể làm đáp ứng bị ngược lại so với mong muốn).
Như vậy, khi so sánh kết quả của các lần chạy thử nghiệm ta có thể dễ dàng thấy được là đặc tính mô phỏng gần như trùng khít hoàn toàn với đặc tính điều khiển thực. Do đó các bộ điều khiển đã được thiết kế đã đáp ứng được các chỉ tiêu kỹ thuật theo yêu cầu đặt ra.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/