Đồ Án Chuyên Ngành ĐH Bách Khoa HN
ĐỀ BÀI ĐỒ ÁN
1. Tìm hiểu hệ truyền động servo
2. Cho thông số động cơ:
U
đm
=50V
I
dm
=8.66A
n=1200 rpm
Rs=0.57 Ω
L
sd
=8.7 mH
L
sq
=22.8 mH
J=0.0004 kg.m
2

ψ
pm
= 0.108 Wb
SV: Nguyễn Văn Trực_20102412
1
Yêu cầu :
 Mô hình hóa động cơ bằng phương pháp hàm truyền .
 Xây dựng cấu hình hệ điều khiển với 2 mạch vòng dòng điện, tốc độ
 Mô phỏng hệ điều khiển trong SIMULINK
Mục lục

SV: Nguyễn Văn Trực
Chương 1: Tìm hiểu hệ truyền động servo
1.1.Giới thiệu động cơ Servo.
Động cơ servo là những hệ 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 được
hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bất cứ lí do nào ngăn cản chuyển
động của động cơ , cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận được 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 tay cho tới các mô hình
máy bay và xe hơi. Ứng dụng mới nhất của động cơ là trong các Robot.
1.2. Đặc điểm hệ truyền động servo
• Dải công suất có giới hạn trên khoảng 30 kW. Vì hệ TĐ không cần
được thiết kế cho chế độ dài hạn.
• Hệ có phạm vi điều chỉnh tốc độ tuyến tính rất rộng từ 1 đến 10000.
• Khả năng quá tải momen quay cao (M
max
/M
b
=4…10)
• Khả năng gia tốc lớn (d
ω
/dt|
max
=M
max
/J
ges
), vốn được coi là đặc điểm

đó thì cuộn dây trong động cơ phải có điện cảm nhỏ nhằm loại bỏ khả năng
chống lại sự biến đổi dòng điện do mạch điều khiển yêu cầu.các động cơ
servo thuộc loại này được thiết kế giảm thiểu số cuộn dây trong mạch và có
khả năng thu hẹp các vòng từ khe hở không khí.
1.3.3. Mở rộng vùng điều khiển
Một số yêu cầu trong điều khiển cần điều khiển động cơ ở một dải tốc độ
lớn hơn định mức rất nhiều. Động cơ bình thường chỉ cho phép điện áp đặt
lên nó phải bằng điện áp chịu đựng của động cơ và thông thường không quá
lớn so với điện áp định mức.
Động cơ servo thuộc loại này có thiết kế đặc biệt nhằm gia tăng điện áp
chịu đựng hoặc khả năng bão hòa mạch từ trong động cơ. Như vậy động cơ
servo thuộc loại này phải được tăng cường cách điện và sử dụng sắt Ferrit
hoặc nam châm đất hiếm (care earth)
1.3.4. Khả năng ổn định tốc độ
Động cơ servo loại này thường được thiết kế sao cho vận tốc quay nó rất
ổn định. Thực tế cho thấy không có một mạch điện hoàn hảo, không có từ
trường hoàn hảo nên với một động cơ quay 1500 rpm thì không phải lúc nào
nó cũng quay với tốc độ này mà nó chỉ dao động quanh tốc độ này. Động cơ
servo khác với động cơ thường là ở chỗ ổn định tốc độ cao. Các động cơ loại
này thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi tốc độ chính xác
(robot). Nó được thiết kế sao cho có thể gia tăng được dòng từ trong mạch từ
lên khá cao và gia tăng từ tính của cực từ. Các rãnh rotor được thiết kế với
hính dáng đặc biệt và các cuộn dây rotor cũng được bố trí khá đặc biệt để có
thể đáp ứng yêu cầu này.
1.3.5. Tăng khả năng chịu đựng của động cơ
Một số động cơ servo được thiết kế sao cho có thể chịu đựng được các tín
hiệu điều khiển ở tần số rất cao và có khả năng chịu được những yêu cầu tăng
tốc bất ngờ từ bộ điều khiển. Những động cơ như thế này thường được cải
tiến về mặt phần cơ để có tuổi thọ cao và có thể chống lại được sư hao mòn
do ma sát trên ổ bi bạc đạn cung như trên chổi than( với DC motor).

• Độ phân giải đo vị trí trục động cơ tối đa 4.600.000 bước ứng với
0.0001
0
• Giới hạn dưới của tốc độ quay vẫn đảm bảo quay tròn đều 0.01 min
-1
• Khả năng lặp lại của chuyển động thẳng phía sau hộp số 0.1
µ
m
Xu hướng hiện tại là các hệ TĐ không cổ góp ít dùng bảo dưỡng, dử dụng
ĐC kích thích vĩnh cửu(PMSM) dưới dạng BL-DC( Brushless DC-motor)
hoặc động cơ XC3P-ĐB kích thích ngoài. Loại động cơ MC kích thích vĩnh
cửu chỉ còn ưu thế về giá trong các hệ TĐ với momen quay nhỏ( <1 Nm).
1.5. Phân loại
Động cơ servo được phân lại thành các ĐC DC, AC và động cơ bước.
 DC servo motor
• Động cơ servo DC có chổi than
• Động cơ servo DC không chổi than
 AC servo motor
• Động cơ servo đồng bộ
• Động cơ servo cảm ứng
 Stepping motor.
Nét đặc trưng của mỗi động cơ servo:
Động cơ
bước
Động cơ servo
DC
Servo AC
đồng bộ
Servo AC cảm
ứng

cao
Hoạt động hiệu
quả với mô hình
công suất trung
bình
Mạch điều khiển
phức tạp
Giá thành cao
Hình sau so sánh các giá trị đặc trưng về mômen quán tính và khối lượng của
một số động cơ (theo [7]):
Hình 1. 1 Đặc điểm của động cơ điều khiển phụ thuộc momen danh định
1.6 Tìm hiểu về cấu tạo, đặc điểm AC servo
Hình 1. 2 Cấu tạo AC servo
Điểm nối bật trong cấu tạo của động cơ servo là tích hợp sẵn cơ cấu
feedback bên trong động cơ. Động cơ servo được điều khiển bằng chu trình
vòng kín. Từ tín hiều hồi tiếp vị trí/tốc độ bộ điều khiển tác động để điều
khiển tốt động cơ. Vì vậy các sensor đo vị trí/ tốc độ được tích hợp trong
động cơ.
Hình 1. 3 Stator của AC servo
Hình 1. 4 Roto của AC servo
Hình 1. 5 Encoder trong AC servo
Encoder thường có 3 kênh A,B,Z. Trong hình trên ta có một cặp thu- phát pha
Z, mỗi khi động cơ quay được một vòng thì lỗ nhỏ xuất hiện tại vị trí cặp thu
phát, hồng ngoại từ nguồn xuyên qua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, một tín hiệu
xuất hiện trên cảm biến. Kênh A và B hoạt động như kênh Z nhưng trong một
vòng quay của rotor có N ( độ phân giải) xung xuất hiện trên kênh A (B).Tùy
theo chế độ điều khiển và độ chính xác cần điều khiển động cơ ta chọn động
cơ có độ phân giải N phù hợp. Bằng việc phối hợp 2 kênh A,B ta cũng xác
định được chiều quay của động cơ.
Chương 2: Mô hình hóa động cơ IPM

2.1.2. Nguyên lý hoạt động của ĐBNCVC
ĐBNCVC làm việc dựa trên sự tương tác giữa từ trường quay của cuộn
stator và từ trường của NCVC đặt trên roto tạo nên. Khi số đôi cực của từ
trường stator và rotor như nhau, vận tốc quay của các từ trường bằng nhau, thì
xuất hiện lực kéo điện từ giữa các cực từ của stator và rotor và hình thành
momen điện từ. ĐC khởi động dưới tác dụng của momen không đồng bộ hình
thành do sự tương tác giữa từ trường rotor và dòng điện trong dây quấn stator.
Khi đạt tới tốc độ gần đồng bộ ,nhờ tác dụng từ trường quay stator và cực từ
NCVC, rotor được kéo vào đồng bộ.
2.2. Mô hình hóa động cơ IPM
2.2.1.Hệ phương trình cơ bản của động cơ
Theo [5] do luôn tồn tại hướng xác định của từ thông rotor ( từ thông cực)
nên đối với ĐCĐB ta chỉ sử dụng phương thức mô tả toán học thu được trên
cơ sở các quan sát từ hệ tọa độ dq. Với ĐC ĐB thì ω
s
cũng chính là ω. Ta có

(1)
sd sd sd p
sq sq sq
i L
i L
ψ ψ
ψ
= +



=


1
s
sd sd s sq sq
sd
s
sq sq s sq sd s p
sq
R
i u L i
T s
R
i u L i
T s
ω
ω ω ψ

= +

+



= − −

+


Trong đó: T
sd
=L

Ta nhận thấy rằng momen quay của động cơ ĐB bao gồm 2 thành phần: thành
phần chính với tích
p sq
i
ψ
và thành phần phản kháng do sự chênh lệch điện
cảm stator (L
sd
-L
sq
) gây ra. Từ đây ta có mô hình động cơ đồng bộ 3 pha kích
thích vĩnh cửu
Hình 2. 2 Mô hình động cơ đồng bộ xoay chiều 3 pha nam châm vĩnh cửu
2.2.2 Nhận xét
• Mô hình phi tuyến do ω thay đổi trong quá trình làm việc
• Có sự xen kênh giữa 2 thành phần i
sd
và i
sq
.
Chúng ta cần xây dựng bộ điều khiển để tách kênh khử sự tương tác giữa 2
dòng điện trên.
-
Chương 3: Thiết kế mạch vòng điều khiển động cơ IPM
3.1. Cấu trúc hệ TĐ
Hình 3. 1 Cấu trúc của hệ TĐĐXCBP điều khiển T
4
R trên hệ tọa độ dq
Nguyên lý điều khiển: khi điều khiển động cơ vùng dưới tốc độ cơ bản ta
duy trì dòng I

3.2.1.Mạch vòng điều khiển dòng điện
Ta sử dụng mô hình động cơ đã xây dựng ở trên và bỏ qua thành phần
ω.ψ
p
( coi như là nhiễu). Ta có đối tượng mạch vòng điều khiển dòng điện như
sau:
Hình 3.2. Đối tượng mạch vòng dòng điện động cơ ĐBNCVC
Đặt:
1 1
W ;W ;W ; W
1 1 1 1
s s i nl
sd sq i nl
sd sq i nl
R R K K
pT pT pT pT
= = = =
+ + + +

Với W
NL
,W
i
là tương ứng hàm truyền cảm biến đo dòng điện và bộ nghịch
lưu. Từ mô hình trên ta dễ dàng có được các công thức sau:
( . . ).W
( . . ).W
sd sd sq s sq sd
sq sq sd s sd sq
i u i L

ω
ω

= +

+



= − +

+

Với 2 đầu vào là u
dkd
và u
dkq
cùng hai đầu ra là U
isd
, U
isq
ta có ma trận
hàm truyền đối tượng điều khiển dòng là:
[ ]
2
W . .W .W
W .W
.
. .W .W W
1 W .W . . .

Trong đó I là ma trận đơn vị 2×2
Theo [3] bộ điều khiển được tính bằng công thức:
[ ] [ ]
( )
1
1
. .
R ch ch s
G F I F G
−
−
= −
Chọn
2. 0,002
si i
T T T
σ
= = =
nên:
2
1T
σ
<<

Ta tính được:
[ ]
11 12
21 22
.
1

 
+
 
−
 
 
= =
 
 
 
+
 
 
 
Từ đây ta có cấu trúc chi tiết mạch vòng điều chỉnh dòng:
Hình 3. 3 Mạch vòng điều khiển dòng điện động cơ ĐBNCVC
Với thành phần bộ điều khiển như sau:
11
1 1
. .(1 )
4. . . .
sd
i NL i sd
R L
T K K p T
= +

12
.
1

= +
Vậy ta có bộ điều khiển dòng điện:
11
61,7
0,94R
s
= +

21
0,94
R
s
=
12
2,47
R
s
=

22
61,7
2.47R
s
= +
Với bộ điều khiển trên , ta sẽ khử được sự tương tác giữa 2 thành phần d và q giúp điều khiển
chính xác hơn.
3.2.2 .Mạch vòng điều khiển tốc độ.
Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta coi toàn bộ mạch vòng dòng điện là
hàm theo chuẩn tối ưu module và coi thành phần (L
sd

= 2.T
i
=0.002. Theo chuẩn tối ưu module chọn hàm chuẩn:
2 2
1
1 2 2
ch
F
p p
σ σ
τ τ
=
+ +
Đăt K=2K
i
/(3p
c
.ψ
p
) Bộ điều khiển R
ω
là:
2 2
(1 2 2 ). .(1 ).
(1 ). 2 (1 )
ch si si
ch o c
F T p T p K T p Jp
R
F S p K p p

+ +
=
+
+ +
=
+
Chọn
2 0,003
s si
T T T
σ ω ω
τ
= = + =
.Ta có:
.
2,85
2
c s
J K
R
p K T
ω
ω ω
= =
Ta thấy bộ điều khiển tốc độ trở thành một khâu tỉ lệ đơn giản nên không
thể triệt tiêu được sai lệch tĩnh khi có nhiễu tải. Phương pháp tổng hợp chuẩn
tối ưu đối xứng sau có thể khắc phục được nhược điểm đó:
Chọn hàm chuẩn theo tối ưu đối xứng:
2 2 3 3
1 4

(1 2 )(1 )(1 4 ).
8. . (1 ).
[1 (2 ) ](1 4 )
8. . (1 ).
(1 4 ).
8. . .
si
c
si
c
c
Jp T p T p T p K
R
p K T p T p
J T T p T p K
R
p K T p T p
J T p K
R
p K T p
ω σ
ω
ω σ σ
ω σ
ω
ω σ σ
σ
ω
ω σ


4.1.1. Mạch điều khiển dòng điện.
Hình 4.1 Mạch vòng dòng điện mô phỏng bằng matlab_symulink
Với các giá trị đặt U
isd
*
= 0 (V) và U
isq
*
=4(V) tương ứng giá trị I
sd
=0 A và
I
sq
=8.66 A. Ta được kết quả mô phỏng như sau:
Hình 4.2. Kết quả mô phỏng dòng điện I
sd
Hình 4. 3 Kết quả mô phỏng dòng I
sq
Nhận xét, đánh giá kết quả mô phỏng dòng điện:
 Dòng điện bám sát giá trị đặt
 Không bị ảnh hưởng tác động lẫn nhau giữa 2 dòng i
sd
và i
sq
 Độ quá điều chỉnh khoảng 25%.
 Hệ số tắt dần khoảng 0.27
 Sai lệch tĩnh e
∞

→

sdd
=0 A; mômen cản
M
c
bằng momen định mức : M
c
=M
đm
=1,4 N.m. Ta có kết quả mô phỏng như
sau:
Hình 4.9. Kết quả dòng Isd
Hình 4.10. Kết quả dòng Isq
Hình 4.11 Kết quả mô phỏng tốc độ của động cơ xoay chiều đồng bộ NCVC
Nhận xét : mới đầu khi khởi động cơ, tốc độ động cơ tăng lên, lúc này dòng
điện I
sq
tăng lên với giá trị vượt qua giá trị danh định rất nhiều lần, để đảm
bảo động cơ vận hành an toàn, ta giới hạn dòng cho phép động cơ là 1,3. I
đm
.
Sau đó tốc độ bám sát theo giá trị đặt tốc độ còn dòng điện khi chưa có tải thì
dòng I
sq
về 0. Tại thời điểm 4s đóng tải với M
c
=M
đm
=1,4 Nm ta thấy dòng I
sq
dao động và về bằng giá trị định mức. Như vậy chất lượng điều khiển khá tốt,