TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
HỌC PHẦN: ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG
Đề tài: Thiết kế xấp xỉ khâu điều chỉnh tốc độ động cơ DC Servo
Harmonic RHS 14-6003
SINH VIÊN

MSV

HẢI PHÒNG 12/2022

LỚP


CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC
RHS14-6003..........................................................................................................3
1.1 Giới thiệu động cơ DC servo Harmonic RHS14-6003................................3
1.2 Thông số của động cơ DC servo Harmonic RHS14-6003...........................4
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC SERVO
HARMONIC RHS14-6003...................................................................................6
2.1. Mô tả đối tượng điều khiển............................................................................6
2.2. Khảo sát đặc tính động học của động cơ trên miền thời gian thực................6
2.2.1 Mô hình mơ phỏng trên Simulink..........................................................6
2.2.1 Kết quả mơ phỏng..................................................................................7
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN XẤP XỈ LIÊN TỤC.....................10
3.1. Phương pháp thiết kế xấp xỉ liên tục............................................................10
3.2. Thiết kế bộ điều khiển..................................................................................10
3.2.1. Thiết kế bộ điều khiển PID trên miền liên tục....................................10

3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển số xấp xỉ liên tục............................................14
3.3. Mô phỏng.....................................................................................................15

2


CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO
HARMONIC RHS14-6003
1.1 Giới thiệu động cơ DC servo Harmonic RHS14-6003
Harmonic Driver Servo Actuators là sự kết hợp của các động cơ servo nhỏ gọn
năng động, bánh răng chính xác và vịng bi đầu ra có khả năng chịu tải cao.
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 khơng phải quay liên tục
như động cơ DC hay động cơ bước.

Hình 1.1: Động cơ RHS 14-6003 trong thực tế
* Cấu tạo của động cơ servo:

3


Hình 1.2: Cấu tạo động cơ servo DC

1.2 Thơng số của động cơ DC servo Harmonic RHS14-6003
Thông số
Công suất đầu ra (sau hộp số)
Điện áp định mức

Dịng điện định mức
Mơmen định mức TN

Đơn vị
W
V
A
In-lb

ĐC RHS14-6003
34
75
1.0
48

Nm
Tốc độ định mức nN
rpm
Mômen hãm liên tục
In-lb
Nm
Dịng đỉnh
A
Mơmen cực đại đầu ra Tm
In-lb
Nm
Tốc độ cực đại
rpm
Hằng số mômen (KT)
In-lb/A

Nm/A
Hằng số điện B.E.M.F ( ảnh hưởng v/rpm

5.4
60
54
6.1
2.4
155
18
100
80
8.9
0.9

của tốc độ đến sđđ phần ứng )(Kb)
Mô men quán tính (J)

In-lb –sec2

0.41

Kgm2
ms
In-lb/rpm
Nm/rpm

0.45
6.7
6.2

0.71

Hằng số thời gian cơ khí
Độ dốc đặc tính cơ

4


Hệ số momen nhớt ( Bf)
Tỷ số truyền
Tải trọng hướng tâm
Tải trọng hướng trục
Công suất động cơ
Tốc độ định mức động cơ
Điện trở phần ứng
Điện cảm phần ứng
Dòng khởi động
Dòng không tải

In-lb/rpm
Nm/rpm
1:R
lb
N
lb
N
W
rpm
Ω
mH

A
A

0.2
2.3*10-2
1:50
88
392
88
392
50
3000
11.6
4.5
0.25
0.4

CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC SERVO
HARMONIC RHS14-6003
2.1. Mô tả đối tượng điều khiển

5


Hình 1.3: Cấu trúc động cơ RHS 14_6003
Rư = 11.6  , , Lư = 4.5 Mh , Kt = 8.9 Nm/A

, Kb = 0.9 V/rpm

J = 0.45

Bf = 0.023
Mc = 5.4
2.2. Khảo sát đặc tính động học của động cơ trên miền thời gian thực
2.2.1 Mơ hình mơ phỏng trên Simulink

2.2.1 Kết quả mơ phỏng
- Khi khơng có mơmen cản:

6


Hình 2.2:Đáp ứng dịng điện khi khơng có momen cản

Hình

2.3:Đáp

. Khi có momen cản

7


Hình 2.4: Đáp ứng dịng điện khi có momen cản

Hình 2.5:
tốc độ

Đáp ứng
khi có momen cản


Nhận xét:
- Với việc chọn thời gian q độ là 4s
+ Khi khơng có momen cản dòng điện của động cơ ở mức 0.3A thấp hơn khá
nhiều so với dòng điện định mức của động cơ là 1A, tốc độ của động cơ khi
không tải cao hơn tốc độ định mức của động cơ
+ khi động cơ hoạt động có tải , dịng điện của động cơ tăng gần sát với dòng
điện định mức của động cơ . Tốc độ của động cơ giảm xuống gần sát với tốc
độ định mức của động cơ, tuy nhiên vẫn còn khá cao.

8


CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN XẤP XỈ LIÊN TỤC
3.1. Phương pháp thiết kế xấp xỉ liên tục
- Luật PID trên miền thời gian được mô tả:
1

[

de (t)
1
U ( t )=K R e ( t )+ ∫ e ( t ) dt +Tv
Tc 0
dt

]

KR: Hệ số tỉ lệ
Tc: Hằng số thời gian chậm sau
Tv: Hằng số thười gian vượt mức

- Xấp xỉ thành phần I theo phương pháp hình chữ nhật và thành phần D bậc 1:

[
[

uk =K R ek +

k

T
T
e i−1+ V (e k −e k−1)
∑
T C i=1
T

]

T

T
V
=> uk =uk−1 + K R ek −e k−1+ T e i−1+ T ( e k −2 e k−1 −e k−2)
C

Vậy:
−1
−2
U ( z ) r 0+ r 1 z +r 2 z
G R ( z )=

=
E(z)
1−z−1

Với:

(

r 0 =K R 1+

2 TV T
TV
T
; r 1=−K R 1+ T − T ; r 2=K R V
T
T
C

)

(

3.2. Thiết kế bộ điều khiển
3.2.1. Thiết kế bộ điều khiển PID trên miền liên tục

- Mơ hình mô phỏng trên matlab
9

)


]


Hình 3.1: Mơ phỏng mơ hình trên Matlab dùng BĐK PID
-Tính tốn thơng số cho bộ điều khiển PID bằng Matlab

Hình 3.2: Tính tốn BĐK bằng PID tuner
Kết quả mơ phỏng
10


+ Khi khơng có momen cản Mc

Hình 3.1 Đáp ứng dịng điện khi khơng có momen cản

Hình 3.2 Đáp ứng tốc độ khi khơng có momen cản

11


+ Khi có momen cản

Hình

3.5: Đáp
dịng
khi có
momen

ứng

điện
cản

Hình 3.6: Đáp ứng tốc độ khi có momen cản

-Nhận xét
- với phương pháp thiết kế bộ điều khiển xấp xỉ liên tục ( PID tương tự) cùng
với thời gian quá độ là 4s
+ Khi khơng có momen cản dịng điện ở mức 0.2A khá thấp so với dòng điện
định mức là 1A . tốc độ động cơ chạy sát so với tốc độ định múc động cơ là
3000 vòng/phút

12


+ Khi có momem cản dịng điện dao động ổn định khoảng 0.8A gần sát so dòng
điện định mức động cơ. Tốc độ dao động nhẹ và ổn định ở mức 3000 vòng/phút
3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển số xấp xỉ liên tục
Từ thông số từ bộ điều khiển PID ta có:
P=K R =560,5494
I=

KR
=1754,936 → T c =0.322
Tc

D=K R . T v =−12,6365 →T v =−0.0225

Chọn T = 0.01 (s)
Ta được các thông số của bộ điều khiển số xấp xỉ liên tục:


(

r 0 =K R 1+

(

TV
=¿-703.1
T

r 1=−K R 1+

r 2=K R

)

2 TV T
−
=¿19843e +0.3
T
TC

)

TV
=−1.2636e+0,3
T

Thay r 0 , r 1 ,r 2 ta được bộ điều khiển số:

G R ( z )=

−1
−2
U ( z ) r 0+ r 1 z +r 2 z
=
E(z)
1−z−1

13


Hình 3.7 nhập
3.3. Mơ phỏng

tham số trên matlap

Hình 3.8: Cấu trúc mô phỏng PID số
Kết quả mô phỏng:

14


+ Khi khơng có momen cản

Hình
ứng
điện

3.9 Đáp

dịng
khi
khơng
momen

có
cản

15


Hình 3.10: Đáp ứng tốc độ khi khơng có momen cản
+ Khi có momen cản

Hình
3.11
Đáp
ứng
dịng
điện
khi có

momen cản

16


Hình 3.11 Đáp ứng tốc độ khi có momen cản

-Nhận xét:

- với phương pháp thiết kế bộ điều khiển xấp xỉ liên tục ( PID số) cùng với thời
gian quá độ là 4s
+ Khi khơng có momen cản dịng điện ở mức 0.2A khá thấp so với dòng điện
định mức là 1A . tốc độ động cơ chạy sát so với tốc độ định múc động cơ là
3000 vòng/phút
+ Khi có momem cản dịng điện dao động ổn định khoảng 0.8A gần sát so dòng
điện định mức động cơ. Tốc độ dao động nhẹ và ổn định ở mức 3000 vòng/phút
đúng với tốc dộ định mức động cơ

17