Đang tải... (xem toàn văn)
Động Cơ Servo RHS17-6006 Mô hình toán và tổng hợp bộ điều khiển liên tục H14D - 3002
1. Tổng quan về động cơ DC Servo Harmonic RHS17-6006 • Cấu tạo của động cơ servo: Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiếu loại máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các mô hình máy bay và xe hơi. Hình ảnh bên ngoài của động cơ DC servo Các thành phần của động cơ DC servo Một động cơ DC servo tiêu biểu gồm có các thành phần chính sau: • Stator: được gắn liền với vỏ động cơ • Rotor: là thành phần tạo chuyển động quay • Chổi than và vành góp: giúp đưa điện vào Rotor • Encoder: hay còn gọi là bộ mã hóa vòng quay, phản hồi xung, đơn vị tính (xung/vòng) Ngoài ra, Dc servo còn có thể có thêm các thành phần sau: • Phanh điện từ: giúp hãm động cơ trong trường hợp cần thiết • Tachometer : là thành phần phản hổi tương tự, thực chất là một máy phát điện nhỏ, với điện áp phàn hổi được tính bằng (vol/vòng quay) • Động cơ SDC Servo Harmonic RHS 17-6006: Động cơ DC servo RHS17-6006 được sản xuất bởi hãng Harmonic. Động cơ này thuộc dòng RH Mini series là dòng động cơ được thiết kế nhỏ gọn, truyền động chính xác, mô men lớn và có gắn sẵn encoder. • Dữ liệu công nghệ: Công suất : dài hạn Kích thích: nam châm vĩnh cửu Cách điện: cấp B Điện áp cách điện: nguồn AC 500V, cho phép trong một phút Điện trở cách điện: 100MΩ hoặc lớn hơn Độ rung: từ 5 đến 400 Hz Shock : 11ms Nhiệt độ môi trường: 0 đến 40°C Độ ẩm môi trường: 20 đến 80% (không ngưng tụ) Bôi trơn: dầu nhờn Xây dựng theo kiểu hoàn toàn bọc kín • Các tham số cơ bản của động cơ: Thông số Đơn vị Động cơ RHS25-3012 Công suất đầu ra (sau hộp số) W 62 Điện áp định mức V 75 Dòng điện định mức A 1.7 Mômen định mức T N In-lb 87 Nm 9.8 Tốc độ định mức n N rpm 60 Mômen hãm liên tục In-lb 100 Nm 11 Dòng đỉnh A 4.3 Mômen cực đại đầu ra T m In-lb 300 Nm 34 Tốc độ cực đại rpm 80 Hằng số mômen (K T ) In-lb/A 85 Nm/A 9.6 Hằng số điện B.E.M.F ( ảnh hưởng của tốc độ đến sđđ phần ứng )(Kb) v/rpm 1.0 Mô men quán tính (J) In-bl –sec 2 0.79 Kgm 2 0.089 Hằng số thời gian cơ khí ms 4.7 Độ dốc đặc tính cơ In-lb/rpm 18 Nm/rpm 21 Hệ số momen nhớt ( Bf) In-lb/rpm 0.48 Nm/rpm 5.4e-2 • 2. Mô hình toán của động cơ DC Servo Harmonic H 14D-3002 Ra La EaUa J Rt Lt Ik Uk + - - + Các phương trình toán học động cơ DC servo RFS 20-6012 Các tham số cơ bản cảu động cơ: Ra = 4.8 (Ω) La = 2.3 (mH) K t = 9.6(Nm/A) K b = 1 (V/rpm) B f = 5.4*10 -2 (Nm/rpm) J = 0.089(Kgm 2 ) Ta có: * * A A A A A A A A A A A A B f B f LAPLACE m L B m L B m t A m t A A b A b di u i R L e dt U E I R L I s T B n T B N dn T T T J T T T JNs dt T K I T K i E K N e K n = + + − = + = = = + + ⇒ − = + = = = = 1/ 1 1 1 A A A A A A A M L m t A A b I R U E R L s T s N T T B Js T K I E K N = = − + + = ⇒ − + = = 1/RA 1+TAs Kt 1 B+JS N Kb UA EA IA Tm TL - - Từ đây ta xây dựng cấu trúc chung của các mạch vòng điều khiển dòng điện, tốc độ, vị trí như sau: 3. tổng hợp các bộ điều khiển trên miền liên tục a) Tổng hợp mạch vòng dòng điện trên miền liên tục: Bỏ qua sức điện động phần ứng của động cơ DC servo ta có mạch vòng dòng điện sau: Ta tiến hành biến đổi về dạng sau: Đặt K = Kbd*KI/RA Kbd =75/10 =7.5;KI =10/1.7 Đặt Ts = TI+Tv+Tdk( vì TI, Tv, Tdk << TA) S I = Kbd∗KI / RA (1+S Tdk)(1+ STv)(1+ STA)(1+STI ) Tiến hành tổng hợp theo tiêu chuẩn modul tối ưu: F = 1 1+2 τS +2 τ 2 S 2 ⇒ Ri = 1 S I ∗2 τS (1+ Sτ ) = 1+ S T A 2 K∗S T S = T A 2 K T S + 1 2 KT S ∗S Suy ra theo tiêu chuẩn modul tối ưu bộ điều khiển dòng là một khâu PI Từ đó suy ra F I = I p h I sp = 1 1+2 S∗T s +2 s 2 T s 2 ⇒ I A I sp = 1/K I 1+2 S T s +2 s 2 T s 2 b) Tổng hợp mạch vòng tốc độ trên miền liên tục Để tổng hợp mạch vòng tốc độ, đầu tiên ta bỏ qua thành phần bậc cao của mạch vòng dòng điện ta được F I = 1/ K I 1+2ST s . Ta có mô hình thu gọn của mạch vòng tốc độ như sau: Trong đó S N = K t K N K I ( 1+2T s S ) ( B f + JS ) ( 1+T N S ) = K t K N B f K I ( 1+2T s S ) ( 1+ J B f S ) ( 1+T N S ) Ta có ( 1+2 T s S ) ( 1+T N S ) =1+ ( 2 T s +T N ) S+ 2T N T s S 2 ≈1+(2T s +T N ) S Đặt T ω =T N +2 T S , K ω = K t K N B f K I Từ đó suy ra: S N = K ω (1+T ω S)(1+ J B f S) Áp dụng theo tiêu chuẩn modul tối ưu: F = 1 1+2 τS +2 τ 2 S 2 ⇒ R N = 1 S N ∗2τS (1+ τ S) = 1 K ω (1+T ω S)(1+ J B f S) ∗2τS (1 +τ S) =¿ ¿ 1 K ω ( 1+T ω S ) ( 1+ J B f S ) ∗2τS ( 1+τS ) Từ dữ liệu đầu bài J =0.089 , B f =5.4∗10 −2 Type equation here. T S =T I +T V +T ĐK =0,001+0,001+0,001 T ω =2 T S +T N =2∗0,003+0,001=0,007 ⇒ T ω < J B f . Nên ta chọn τ =T ω ⇒ R N = 1+ J B f S K ω (1+T ω S) ∗2T ω S (1+T ω S) = ¿ 1+ J B f S K ω ∗2T ω S = J 2 K ω T ω B f + 1 2 K ω T ω S suy ra theo tiêu chuẩn modul tối ưu bộ điều khiển tốc độ là một khâu PI. Từ đó suy ra F N = N ph N sp = 1 1+2ST ω +2T ω s 2 ⇒ N N sp = 1/ K N 1+2ST ω +2T ω s 2 c) Tổng hợp mạch vòng vị trí trên miền liên tục Để tổng hợp mạch vòng vị trí, ta bỏ qua thành phần bậc cao của mạch vòng tốc độ ta được F N = 1/ K N 1+2ST ω . Mô hình động cơ còn lại: Ta có mô hình thu gọn của mạch vòng vị trí như sau: Trong đó: S φ = 1 K N (1+2 T ω S )S Tổng hợp theo tiêu chuẩn modul tối ưu: F= 1 1+2τS+2 τ 2 S 2 ⇒ R φ = 1 S φ ∗2τ S (1+τS ) = 1 1 K N (1+2T ω S)S ∗2τS( 1+τS ) = ¿ Chọn τ =2 T ω ⇒ R φ = 1 1 K N (1+2T ω S) S ∗2∗2T ω S (1+2T ω S) = K N 4T ω Suy ra theo tiêu chuẩn modul tối ưu bộ điều khiển vị trí là một khâu P Tổng hợp theo tiêu chuẩn modul tối ưu đối xứng: F = 1+4τS 1+4τS+8 τ 2 S 2 +8 τ 3 S 3 ⇒ R φ = 1+ 4τS 1 K N (1+2T ω S) S ∗8τ 2 S 2 ( 1+ τS ) , Ta chọn τ =2 T ω ⇒ R φ =¿ ¿ 1+4∗2T ω S 1 K N (1+ 2 T ω S)S ∗8 (2 T ω ) 2 S 2 ( 1+ 2 T ω S ) = K N (1+ 8T ω S) 32 T ω 2 S = K N 4 T ω + K N 32 T ω 2 S Suy ra theo tiêu chuẩn modul tối ưu đối xứng, bộ điều khiển vị trí là một khâu PI. 4. Tổng hợp các bộ điều khiển trên miền gián đoạn a) Tổng hợp khâu điều chỉnh dòng điện theo Dead – Beat Hàm truyền đối tượng sau khi thu gọn: Trong đó K= K bd K I RA =9.1911 Đặt Ts = TI+Tv+Tdk = 0.003 ( vì TI, Tv, Tdk << TA) Suy ra hàm truyền của đối tượng: G i ( s ) = 9.1911 (1+0.003 S)(1+4.791667 e−004S) =¿ G i ( s ) = 9.1911 0.0000014375 S 2 +0.00347916 S +1 =¿ Chuyển sang miền Z (với chu kì trích mẫu T=0.1s) [ 9.1911 ] ,[0.0000014375 0.00347916 1] ≫G I1 =tf ¿ ≫G I2 =c2d(G I1 ,0.1, ' zoh ') Transfer function: 9.191 z + 5.832e-015 -------------------- z^2 - 3.338e-015 z Sampling time: 0.1 Transfer function: 9.191 z ^-1+ 5.832e-015z^-1 -------------------- 1 - 3.338ez^-1-015 z^-2 Sampling time: 0.1 Ta chọn khâu điều chỉnh dòng điện theo kiểu Dead – Beat với ( ) 1 0 L z l − = G I2 ( z ) = B(z −1 ) A(z −1 ) , l 0 = 1 ∑ b i = 1 9.191+5.832e−014 =0.100816 Và khâu điều chỉnh dòng điện có dạng: G RI ( z ) = l 0 A( z −1 ) 1−l 0 B(z −1 ) = 0.100816−0.33652 Z −1 1− z −1 −1−5.8796 e−16 . Z −2 b) Tổng hợp khâu điều chỉnh tốc độ theo Dead – Beat: Hàm truyền đối tượng sau khi thu gọn: Từ những tính toán trên mạch vòng tốc độ trên miền liên tục ta có hàm truyền thu gọn như sau: S N = K ω (1+T ω S)(1+ J B f S) Trong đó T ω =T N +2T S =0.007 , K ω = K t K N B f K I =0.10074 , J B f =1.6482 Suy ra S N = 0.10074 (1+0.007 S )(1+1.6482 S) . modul tối ưu đối xứng, bộ điều khiển vị trí là một khâu PI. 4. Tổng hợp các bộ điều khiển trên miền gián đoạn a) Tổng hợp khâu điều chỉnh dòng điện theo. xây dựng cấu trúc chung của các mạch vòng điều khiển dòng điện, tốc độ, vị trí như sau: 3. tổng hợp các bộ điều khiển trên miền liên tục a) Tổng hợp mạch