Tài liệu điều khiển hệ truyền động servo phi tuyến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG SERVO PHI TUYẾN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA XNCN MÃ SỐ: PHẠM THỊ HỒNG HẠNH Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN LIỄN HÀ NỘI 2005 MỤC LỤC Nội dung Lời nói đầu Mục lục Chương 1 Tổng quan về hệ servo 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Một số hệ truyền động servo thông dụng 1.2.1 Hệ truyền động servo một chiều 1.2.2 Hệ truyền động servo không chổi than. 1.3 Tổng quan về hệ điều khiển chuyển động 1.3.1 Điều khiển vị trí 1..3.1.1 Hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính 1.3.1.2 Hệ điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian 1.3.1.3 Hệ điều chỉnh vị trí tối ưu với mạch vòng gia tốc không đổi 1.3.1.4 Hệ điều chỉnh vị trí làm việc trong chế độ bám 1.3.1.5 Nâng cao độ chính xác nhờ phương pháp điều khiển bù theo lượng điều khiển 1.3.1.6 Sai lệch của hệ thống truyền động bám khi có tác động của nhiễu loạn phụ tải 1.3.2 Điều khiển khử rung cơ học Chương 2 Khái quát lý thuyết điều khiển 2.1 Điều khiển vector 2.2 Bộ quan sát nhiễu loạn tương đương 2.2.1 Bộ quan sát nhiễu loạn tương đương 2.2.2 Loại trừ nhiễu loạn tương đương bằng cách chỉnh không 2.2.3 Điều khiển bền vững với nhiễu phụ tải 2.3 Bộ điều khiển trượt cải tiến 2.4 Bộ điều khiển cấu trúc thay đổi khâu PI với hệ số bù thay đổi, điều chỉnh tín hiệu đầu vào và khâu quan sát nhiêuc loạn tương đương. 2.5 Điều khiển thích nghi Chương 3 Thiết kế luật điều khiển vec tor cho hệ truyền động servo 3.1 Mô hình động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 3.2 Xây dựng phương pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC) cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Chương 4 Khảo sát DTC trên Matlab/Simulink 4.1 Khảo sát DTC trên Matlab/Simulink dùng khâu trễ 2 vị trí 4.2 Khảo sát DTC trên Matlab/Simulink dùng khâu trễ 3 vị trí 4.3 Khảo sát DTC trên Matlab/Simulink dùng khâu trễ 4 vị trí Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục Ch-¬ng 1: Tæng quan vÒ hÖ servo 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ SERVO 1.1. Giới thiệu chung Trong lĩnh vực tự động hoá xí nghiệp, các thiết bị như máy công cụ điều khiển số, rôbôt công nghiệp được sử dụng để tiết kiệm năng lượng và tăng công suất một cách tự động để chế tạo ra những sản phẩm chất lượng tốt. Ngày nay, những hệ thống điều khiển chuyển động đã có thay đổi đột phá từ cuộc phát triển mạnh mẽ trong ngành điện và điện tử được sử dụng bằng hệ thống truyền động servo. Các hệ điều khiển này thường sử dụng kỹ thuật số với các chương trình phần mềm linh hoạt, dễ dàng thay đổi cấu trúc hoặc luật điều khiển, vì vậy làm tăng độ tác động nhanh và độ chính xác của hệ điều khiển. Động cơ servo là một bộ phận cấu thành quan trọng của một cơ cấu truyền động. Hiện nay các động cơ servo rất gọn nhẹ, chắc chắn, dễ hoà hợp, có hiệu quả, điều khiển được, và gần như không phải bảo dưỡng. Việc bảo dưỡng động cơ servo rất đơn giản, đặc biệt là việc xác định vị trí trong các nhà máy không người vận hành, ở đó sử dụng lượng lớn các động cơ servo không chổi than (động cơ khích thích vĩnh cửu) là một trong những ứng dụng quan trọng. Những động cơ servo không chổi than có một số ưu điểm sau: + Có công suất và tốc độ cực đại cao. + Cấu trúc vững trắc. + Không gây ồn và ít phải bảo dưỡng. Động cơ servo không chổi than được phân thành các động có bước (ISM, IRM), động cơ một chiều không chổi than, động cơ kích thích vĩnh cửu (động cơ đồng bộ) và động cơ không đồng bộ. Những yếu tố chính điều khiển động cơ servo là vận tốc góc, dòng điện, điện áp, từ thông. Cảm biến nhiệt độ, và bộ biến đổi công suất bán dẫn (khuyếch đại công suất) bao gồm các IC số LuËn v¨n cao häc 2003-2005 Ph¹m ThÞ Hång H¹nh 2 Ch-¬ng 1: Tæng quan vÒ hÖ servo và tương tự dùng để điều khiển cơ cấu khởi động. Mức 1 Cs Nguồn Bộ biến đổi Bán dẫn Dòng điện ,điện áp tín hiệu cổng Mức 2 Bộ điều khiển Mức 3 Điện áp đc đk Cảm biến tốc độ và vị trí Phần phát tín hiệu Cảm biến bán dẫn IC Bộ khyếch đại Phần điều khiển DSP Hình 1.1: Cơ cấu truyền động của động cơ servo Trong việc đánh giá hệ thống truyền động động cơ trợ động, thì chúng ta nhấn mạnh đến tính năng điều khiển, tỷ lệ tốc độ, tốc độ của động cơ, phạm vi mômen ứng dụng và gia tốc. Những nhân tố quyết định tính năng điều khiển và tỷ lệ tốc độ chính là công suất tiêu thụ và độ chính xác của thiết bị đo ở cả trong chính động cơ và bộ biến đổi công suất. Các thiết bị đo phải tìm ra những vị trí quay cho bộ điều khiển vị trí và nhận biết tốc độ cho bộ điều khiển tốc độ . Trong các trường hợp điều khiển số tín hiệu tốc độ được tạo ra do việc xử lý tín hiệu vị trí, có thể sử dụng thiết bị Encoder và Resolver. Những bộ biến đổi công suất bán dẫn đã được sử dụng như là một phần chính của những kỹ thuật điện tử công suất. Những transitor lưỡng cực và transistor trường có khả năng điều khiển công suất lớn và có đặc tính đóng mở tốc độ cao đã được ứng dụng và ngày càng được cải tiến trên khắp thế giới. Những bộ phận có tính năng cao đó được sử dụng trong những bộ điều LuËn v¨n cao häc 2003-2005 Ph¹m ThÞ Hång H¹nh 3 Ch-¬ng 1: Tæng quan vÒ hÖ servo biến độ rộng xung PWM, và những bộ biến đổi tần số .Những bộ phận có tần số làm việc khoảng 1-30 kHz. Những kỹ thuật sản xuất IC kỹ thuật cao có thể tạo ra những IC số, IC lớn, LSIs và những máy vi tính đơn chíp để sử dụng là máy phát tín hiệu cổng. Những thiết bị này có thể cho chúng ta độ tin cậy và tính năng điều khiển tốt. Những kỹ thuật IC cũng có thể được ứng dụng trong việc thiết kế những thiết bị bán dẫn công suất/tốc độ cao. 1.2. Một số hệ truyền động servo thông dụng 1.2.1. Hệ truyền động servo một chiều Tín hiêu tốc độ đặt Bộ khuyếch Bộ khuyếch đại đại tốc độ dòng điện PWM Mạch so sánh diver driver Mach phát sóng răng cưa Phản hồi dòng điện diver diver DCM Phản hồi tốc độ Bộ lọc Hình 1.2 Hệ truyền động servo một chiều Đối với động cơ một chiều (ĐCMC) có thể điều khiển độc lập hai thành phần dòng tạo từ thông (dòng mạch điện kích thích) và dòng tạo mômen quay (dòng mạch điện phần ứng). Do hai mạch điện ĐCMC hoàn toàn cách ly ta thu được các thuật toán điều chỉnh đơn giản và đòi hỏi ở vi xử lý một lượng thời gian tính không lớn. Tín hiệu phản hồi tốc độ được đo bằng máy phát tốc so sánh với tín hiệu đặt tạo ra tín hiệu sai lệch. Nếu mômen cản làm tốc độ quay giảm xuống thì giá trị sai lệch tăng lên, điện áp phần ứng tăng lên với LuËn v¨n cao häc 2003-2005 Ph¹m ThÞ Hång H¹nh Ch-¬ng 1: Tæng quan vÒ hÖ servo 4 dòng điện phần ứng rất lớn và gia tốc nhanh để đưa tốc độ trở về giá trị danh định. Hệ thống điều khiển trên cần có một sai lệch liên tục, tốc độ động cơ biến thiên ngay lập tức gây nên sự tăng giảm quá mức cuả dòng điện phần ứng là không thể chấp nhận được. Do đó cần phải giới hạn mức dòng điện. Mạch vòng phản hồi thứ hai để hạn chế dòng điện một cách tự động. Đầu vào của bộ khuyếch đại dòng điện là giá trị chênh lệch giữa đầu ra của bộ khuyếch đại tốc độ với tín hiệu phản hồi dòng điện được đo bằng cảm biến dòng một chiều hoặc nhờ máy biến dòng xoay chiều. Do đó tín hiệu phản hồi dòng điện (chính là dòng điện tải ) được hạn chế ở trị số lớn nhất cả bộ khuyếch đại tốc độ quyết định. Nếu dòng điện tải có xu hướng vượt quá giá trị này thì tín hiệu sai lệch của dòng điện giảm, đầu ra cuả bộ chỉnh lưu giảm, do đó dòng điện tải giảm đi. Trong bộ hạn chế dòng điện, phản hồi dòng điện phát hiện dòng điện lớn do đó làm giảm điện áp điều khiển và làm tăng góc mở ở các chu kỳ sau. Nếu biến thiên đầu vào lớn ở các chu kỳ đầu tiên góc mở gần bằng không thì dòng điện rất lớn. Nếu dòng điện quá tạo nên xung đột mômen trên trục động cơ và có nguy cơ tạo nên hư hỏng cơ học. Để tránh việc đưa thẳng những biến thiên đột ngột đến đầu vào của bộ khuyếch đại, sử dụng mạch phát sóng răng cưa để biến đổi biên thiên đầu vào thành một đường nghiêng đảm bảo góc mở thay đổi từ từ. 1.2.2. Hệ truyền động servo không chổi than Truyền động servo hiện đang được ứng dụng và phát triển trong lĩnh vực công nghiệp đòi hỏi khả năng lớn với sự phát triển ứng dụng công nghệ của bán dẫn lực. Sự phát triển của động cơ servo không chổi than đã và đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới. LuËn v¨n cao häc 2003-2005 Ph¹m ThÞ Hång H¹nh 5 Ch-¬ng 1: Tæng quan vÒ hÖ servo tốc độ đặt phát xung răng cưa khuếch tốc đại độ mạch PMW khuếch dòng đại điện driver U bộ sán so h driver bộ đổ biến DC-Sin i driver V bộ so sánh driver driver W bộ so sánh driver phản hồi dòng điện tạo sóngsin phản hồi tốc độ đo vị trí rotor SM RE đo tốc độ Hình 1.3: Hệ thống truyền động servo không chổi than Việc ứng dụng động cơ servo không chổi than rất tiện ích vì một số yếu tố sau: rẻ hơn so với động cơ dùng transitor công suất, thiết lập phương pháp điều khiển dòng của bộ biến đổi điều biến độ rộng xung, khai thác vật liệu nam châm vĩnh cửu, phát triển các trạng thái khác nhau của thiết bị đo có độ chính xác cao, sản suất ra các thành phần tạo nên hình dạng chắc chắn. Theo cách này thì động cơ servo không có chổi than được trang bị với sự tinh xảo mềm dẻo của động cơ một chiều và cấu trúc vững chắc của động cơ xoay chiều. Ngoài ra nó còn được giải phóng hoàn toàn khỏi việc giảm công suất đầu ra do bộ chuyển mạch và sự phức tạp về duy trì bảo vệ. 1.3 Tổng quan về hệ điều khiển chuyển động LuËn v¨n cao häc 2003-2005 Ph¹m ThÞ Hång H¹nh 6 Ch-¬ng 1: Tæng quan vÒ hÖ servo Những hệ thống điều khiển chuyển động điện đã thay đổi đột phá trong thập kỷ qua từ cuộc phát triển mạnh mẽ trong ngành điện và vi điện tử được thực hiện bằng việc sử dụng hệ thống truyền dẫn động cơ servo kết hợp với sự phát triển ngành cơ điện tử có thể điều khiển tất cả vị trí, vận tốc, gia tốc, và lực của hệ thống. Sự phát triển của kỹ thuật này góp phần tạo ra năng suất cao trong dây chuyền sản xuất, và sản xuất ra sản phẩm có chất lượng cao. Điều khiển chuyển động tiên tiến đòi hỏi bộ xử lý tín hiệu tốc độ cao, hệ thống chuyển mạch bán dẫn chắc chắn, và các luật điều khiển hiện đại. 1.3.1 Điều khiển vị trí Hệ thống truyền động điều khiển vị trí thuộc loại hệ thống được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp như trong cơ cấu truyền động cho tay máy, người máy, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại… Trong hệ điều khiển vị trí đại lượng điều khiển có ý nghĩa quan trọng quyết định cấu trúc điều khiển hệ. Thông thường lượng điều khiển  w là một hàm của thời gian, có thể là một hàm nhảy cấp, hàm tuyến tính, hoặc tuyến tính từng đoạn theo thời gian, hàm parabol, hoặc hàm điều hoà. Tuỳ thuộc vào lượng điều khiển mà ta có hệ truyền động điều khiển vị trí cho cơ cấu chuyển dịch và hệ truyền động điều khiển vị trí theo chế độ bám 1.3.1.1. Hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính Hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính có bộ điều chỉnh vị trí R là tuyến tính: Giả sử các mạch vòng trong đã được tổng hợp theo phương pháp môdun tối ưu dạng chuẩn, hàm truyền đạt kín của mạch vòng tốc độ là: FK ( p) = K 1 + 2  p + 2 2 p 2 (1.1) Hàm truyền của sensor vị trí là khâu tích phân FS ( p) = ¦W + R LuËn v¨n cao häc 2003-2005 1 p K 1 + 2  p + 2 2 p 2 (1.2)  1 p   Ph¹m ThÞ Hång H¹nh 7 Ch-¬ng 1: Tæng quan vÒ hÖ servo Hình 1.4: Cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí 1.3.1.2 Điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian Nhiệm vụ của hệ là phải đảm bảo thời gian ngắn nhất khi chuyển trạng thái đầu sang trạng thái ổn định khác. Hệ thống điều chỉnh thực tế được mô tả bởi hệ phương trình vi phân cấp cao. Nhưng khi ta lập cấu trúc nhiều mạch vòng và tổng hợp theo phương pháp môdun tối ưu hoặc môdun đối xứng sao cho hàm truyền đạt của đối tượng điều chỉnh là hai khâu tích phân. Cấu trúc của hệ như sau: Phương trình đối với tốc độ và vị trí:  = C max t 1  = Cmax t 2 +  o 2 (1.3)  0 là vị trí ban đầu. Phương trình lượng đặt tốc độ ¦W = 2 Md J  Sign() (1.4) Ở đây Md = CMdientu là mô men hãm. Hàm truyền đạt của bộ điều chỉnh vị trí là phi tuyến, thực hiện bằng phần tử căn bậc hai của sai lệch với hạn chế luợng đặt tốc độ và hàm dấu của sai lệch. Tuỳ theo sai lệch vị trí mà bộ điều chỉnh sẽ đưa ra lệnh hãm, mômen điện từ của động cơ được tính bằng: M dt = M maxsign(¦W − ) (1.5) Nếu như không có tác động nhiễu loạn thì M d = M dt = M max = J n = 2 Lúc đó:  W LuËn v¨n cao häc 2003-2005 2 M J − W M max  Sign( ) J R d dt (1.6) C  Md  Ph¹m1ThÞ Hång H¹nh pJ p t 8 Ch-¬ng 1: Tæng quan vÒ hÖ servo H1.5 Sơ đồ điều khiển vị trí tối ưu theo thời gian H1.5 Sơ đồ điều khiển vị trí tối ưu theo thời gian 1.3.1.3 Điều chỉnh vị trí tối ưu với mạch vòng điều chỉnh gia tốc không đổi Trong các phần trên chúng ta có yêu cầu là phải giữ gia tốc không đổi, điều này sẽ không thực hiện được nếu như ảng hưởng của mômen phụ tải lớn tác động lên quá trình quá độ không được bù. Do vậy người ta thường dùng thêm mạch vòng điều chỉnh gia tốc để giữ gia tốc không đổi. Sau khi tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện ta có thể thay gần đúng nó bằng khâu quán tính bậc 1 có hằng số thời gian  I . Vì vậy hàm truyền đạt của đối tượng điều chỉnh vòng gia tốc sẽ là: Mc U W + − U K RE p KI 1 + p I C p 1 + p f K 1 pJ  Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc của mạch vòng điều chỉnh gia tốc FS ( p ) = U  K 1 = KK I UI J (1 + p I )(1 + p f  ) (1.7) Áp dụng tiêu chuẩn môdun tối ưu ta có FR ( p ) = LuËn v¨n cao häc 2003-2005 K R 1 = p 2 pK S (1.8) Ph¹m ThÞ Hång H¹nh Ch-¬ng 1: Tæng quan vÒ hÖ servo Trong đó 9  =  I +  f  K S = (1.9) K K K I J 1.3.1.4. Hệ điều chỉnh vị trí làm việc trong chế độ bám Yêu cầu hệ truyền đồng điều khiển vị trí làm việc trong chế độ bám là: đảm bảo cơ cấu dịch chuyển bám theo đại lượng điều khiển với sai lệch không vượt quá giá trị cho phép. Thông thường trong chế độ bám, đại lượng điều khiển biến thiên theo hàm điều hoà hoặc theo luật này tuỳ ý không biết trước. Trong hệ truyền động này, ta phải quan tâm tới sai lệch   , nó quyết định tới độ chính xác của hệ thống. Có hai yếu tố chính ảnh hưởng tới độ chính xác của hệ. - Quan hệ giữa đại lượng điều khiển  w và cấu trúc hệ. - Ảnh hưởng nhiễu loạn lên đại lượng   . • Xét độ chính xác của hệ theo lượng điều khiển. Lượng điều khiển  w thường là hàm biến đổi theo thời gian có tốc độ không đổi hay giatốc không đổi hoặc là một hàm điều hoà. Nếu bộ phận điều chỉnh vị trí tổng hợp theo hàm chuẩn môđun đối xứng có hàm truyền là PI, thì hệ điều khiển có đặc tính vô sai cấp hai tức là hệ không có sai lệch khi lượng điều khiển có tốc độ không đổi. Khi lượng điều khiển  w có gia tốc không đổi, để hệ không có sai lệch cần có cấu trúc hệ là vi sai cấp ba. Điều này dẫn đến giảm độ dự trữ ổn định, do ở vùng tần số thấp của đặc tính tần số lôgarti có độ nghiêng -40db/dec và góc pha -2700 Thông thường xuất phát từ yêu cầu cụ thể của hệ truyền động vị trí trong chế độ bám mà ta tính toán tới giá trị của hệ số phẩm chất theo tốc độ và gia tốc tương ứng với sai lệch   khi lượng điều khiển  w biến thiên tuyến LuËn v¨n cao häc 2003-2005 Ph¹m ThÞ Hång H¹nh Ch-¬ng 1: Tæng quan vÒ hÖ servo 10 tính. Nếu cấp vô sai của hệ là bậc 1 thì hàm truyền hệ hở có thể viết dưới dạng tổng quát. W( p) = 1 bmpm + ... + b1p + 1 a1p a n pn−1 + a n−1 p + 1 a1 a1 (1.10) 1 tương ứng với đặc tính tần số a1 Hệ số phẩm chất theo tốc độ là D = logarit có độ lệch - 20ab/dec ở tần số bằng D Nếu hệ là vô sai cấp 2, ta có: 1 bmpm + ... + b1p + 1 W( p) = a 2p2 a n pn−2 + a n−1 pn−3 + ... + a 3 p + 1 a2 a2 a2 Hệ số phẩm chất theo gia tốc D  = (1.11) 1 tương ứng với đặc tính tần số a2 logarit có độ lệch là -40db/dec ở tần số bằng D Khi đại lượng điều khiển là hàm điều hoà  w =  wm sin max t ở hệ tuyến tính có thể dễ dàng xác định sai lệch   dựa trên đặc tính tần số logarit hệ hở, ta có: 20lg 1 1 + W ( j) =  20lg max wm m (1.12) Ở đây   m là biên độ sai lệch, nó cũng biến thiên theo hàm điều hoà có tần số max .Hệ truyền động bám được xây dựng sao cho tần số cắt của đặc tính tần số logarit lớn hơn tần số cực đại của đại lượng điều khiển. Như vậy biểu thức (1.12) có thể viết gần đúng là: LuËn v¨n cao häc 2003-2005 Ph¹m ThÞ Hång H¹nh Ch-¬ng 1: Tæng quan vÒ hÖ servo 20lg 11 1 1 + W ( j) =  20lg max wm m (1.13) Điều này cho thấy rằng muốn giảm sai lệch của hệ, khi cho trước lượng điều khiển thì cần phải tăng biên độ của đặc tính tần số logarit hệ hở ở tần số  = max . Kết luận này cho phép ta xây dựng đặc tính tần số logarit mong muốn nhằm đảm bảo độ chính xác của hệ theo lượng điều khiển. Từ lý luận ở trên ta thấy rằng: muốn nâng cao độ chính xác của hệ có thể thực hiện bằng cách tăng hệ số phẩm chất hoặc tăng cấp vô sai của hệ. Điều này dẫn đến làm giảm độ dự trữ ổn định của hệ, tức là làm giảm vùng biến đổi của lượng điều khiển.Như vậy hệ buộc phải làm việc ở vùng tuyến tính tức là làm tăng ảnh hưởng của nhiễu loạn lúc đó phải chỉnh định lại tham số của bộ điều chỉnh tốc độ và vị trí. Để khắc phục khó khăn trên người ta thường dùng phương pháp điều khiển bù. • Nâng cao độ chính xác hệ nhờ phương pháp điều khiển bù theo lượng điều khiển. Sơ đồ cấu trúc hệ dùng điều khiển bù được trình bày trên hình 1.7. Trong đó ta bố trí thêm Wb là hàm truyền khâu bù. Tín hiệu bù được đưa vào W''(p). Hàm truyền W'(p) được xác định. W( p) W'(p) = W( p) = W'' ( p) Ở đây W(p) là hàm truyền hệ thống hở. Ta có :  = W''( p)  W'( p) ( w − ) + Wb( p)w  (1.14) Hàm truyền kín của hệ: WK( p) = W( p)  Wb( p)   = 1 +  w 1 + W( p)  W( p)  (1.15) Hàm truyền sai lệch của hệ: LuËn v¨n cao häc 2003-2005 Ph¹m ThÞ Hång H¹nh Ch-¬ng 1: Tæng quan vÒ hÖ servo W( p) = Nếu ta chọn Wb(p) = 12  1 − W'' ( p ) Wb( p) = w 1 + W( p) (1.16) 1 W''( p) Thì ta có sai lệch   = 0 với mọi giá trị của  w Wb(p)   W’(p) W -  + '' ( p) ¦W + Hình 1. 7: Cấu trúc hệ điều khiển bù theo lượng điều khiển. Ta xét trong hệ truyền động điều khiển vị trí tiristo động cơ một chiều, hàm truyền W'(p) tương ứngvới bộ điều chỉnh vị trí R  , hàm truyền W''(p) tương ứng với mạch vòng kín điều chỉnh tốc độ nối tiếp với khâu tích phân . W''( p) = WK( p) 1 p (1.17) Do vậy hàm truyền khâu bù tương ứng sẽ là: Wb( p) = p (1.18) WK( p) Giả thiết mạch vòng dòng điện được tổng hợp theo tiêu chuẩn môđun tối ưu gần đúng WKI(p) = 1. Hàm truyền bộ điều chỉnh tốc độ là P: WR ( p ) = K R  WK ' ( p)  1 Tc p +1 K R (1.19) Hàm truyền khâu bù được tính: LuËn v¨n cao häc 2003-2005 Ph¹m ThÞ Hång H¹nh 13 Ch-¬ng 1: Tæng quan vÒ hÖ servo Wb( p) = Tc 2 p +p KR (1.20) Điều kiện để thực hiện hàm bù Wb(p) theo (1.20) cần có: mạch vòng dòng điện tác động nhanh, thì tín hiệu Tcp2w tác động tới mạch vòng tốc độ áo cho  = w = pw lúc đó điện áp đầu ra của bộ điều chỉnh tốc độ bằng không và điện áp đầu ra bộ điều chỉnh vị trí cũng bằng không tức là  =  x. Trong thực tế không thực hiện được điều kiện bất biến vòng do mạch vòng dòng điện được tổng hợp theo môđun tối ưu có dạng. WKI( p) = 1 22p2 + 2p + 1 Bộ điều chỉnh tốc độ và vị trí được chỉnh theo tiêu chuẩn môđun đối xứng (OM). Ta có hàm truyền hở của mạch vòng tốc độ là: W( p) = 1 4p 22p2 + 2p + 1 ( ) (1.21) Hàm truyền kín của nó là: WK( p) = 1 4p 22p2 + 2p + 1 + 1 ( ) (1.22) Như vậy hàm truyền đối với sai lệch sẽ là: 64 3 p 3 (  p + 1)  = w 8  p 4  p(2 2 p 2 + 2  p + 1) + 1 + 1   (1.23) Lúc đó hàm bù hợp lý là Wb( p) =  1 p (1.24) Và hàm truyền đối với sai lệch được tính:  = 64 3 p 4 + 32 2 p 2 + 8  (1 −  1) p   8  p 4  p(2 2 p 2 + 2  p + 1) + 1 + 1 LuËn v¨n cao häc 2003-2005 w (1.25) Ph¹m ThÞ Hång H¹nh Ch-¬ng 1: Tæng quan vÒ hÖ servo 14 Với hàm truyền bù (1.24) cho phép loại trừ được sai lệch tốc độ tức là đảm bảo hệ có vi sai cấp 2 đối với lượng điều khiển, đồng thời hệ tác động nhanh và có lượng điều chỉnh nhỏ, nâng cao độ chính xác của hệ. 1.3.1.5. Sai lệch của hệ hệ thống truyền động bám khi có tác động của nhiễu loạn phụ tải. Trong 1.3.1.4 chúng ta nghiên cứu hệ truyền động bám với giả thiết nhiễu loạn phụ tải Mc = 0. Tuy vậy sai lệch hệ thống bị ảnh hưởng của phụ tải tác động. Phụ tải của truyền động bám thường là phụ tải phản kháng không đổi hay biến đổi theo thời gian, thí dụ trong truyền động ăn dao, M c thay đổi khi chế độ cắt thay đổi, trong truyền động quay anten rađa mômen phụ tải thay đổi theo tác động của gió v. v…Trong phần này ta nghiên cứu ảnh hưởng của tác động nhiễu loạn phụ tải tới độ chính xác của hệ và phương pháp khắc phục. Nếu hệ có ba mạch vòng điều chỉnh dòng điện, tốc độ và vị trí. Nếu Mc  0 thì hàm truyền theo nhiễu loạn có dạng:  Mc =- 1 (1.26) T c p2 1 + Ww( p)  1 + Wo( p )     Trong đó Ww( p) - hàm tryền hở mạch vòng tốc độ Wo( p ) - hàm truyền hở của hệ Giả thiết hệ được tổng hợp theo tiêu chuẩn môđun tối ưu có vô sai cấp 1 đối với đại lượng điều khiển, bộ điều chỉnh tốc độ Rw có hàm điều chỉnh P. Hệ có sai lệch tĩnh với lượng nhiễu loạn, giá trị của nó là:  2 sl  = 32 TC MC (1.27) Sai lệch tĩnh của hệ có thể loại trừ nếu bộ điều chỉnh tốc độ chỉnh theo môđun đối xứng có hàm truyền động là PI với KRW = 16T  l LuËn v¨n cao häc 2003-2005 Ph¹m ThÞ Hång H¹nh 15 Ch-¬ng 1: Tæng quan vÒ hÖ servo Khi đó hàm truyền hở của hệ là vô sai cấp 2. WO( P ) = 16  l + 1 128 2 l ( (1.28) ) p 4  l p 2 + 2  l p + 1 + 1 2 2 Ta thấy rằng nếu sai lệch động khi tác động của nhiễu loạn giảm thì sẽ nâng cao độ tác động nhanh của hệ. Tuy vậy độ tác động nhanh sẽ bị hạn chế bởi giá trị của các hằng số thời gian nhỏ ( 1.28) là   l ). Mặt khác theo (1.28) hệ vô sai với tác động phụ tải khi phụ tải biến thiên nhảy cấp. Thực tế phụ tải biến đổi là hàm không xác định được trứơc. Vì vậy biện pháp người ta thường sử dụng để khắc phục ảnh hưởng của nhiễu loạn phụ tải là dùng cấu trúc bất biến đổi với nhiễu loạn phụ tải. Trên hình 1.8 là một trong cấu trúc được sử dụng. iu + U W K R - ¦ W KI M c −  1 Tp U  ¦ W1 W2 + - WƯ UMc ¦ Wb K Tf p +1 Hình 1.8: Cấu trúc hệ điều khiển bù theo lượng nhiễu Trong sơ đồ cấu trúc, ngoài các khối chức năng truyền thống, ta còn khâu đo tín hiệu uMC ~ MC bằng hai khâu W1(p) và W2(p): LuËn v¨n cao häc 2003-2005 Ph¹m ThÞ Hång H¹nh 16 Ch-¬ng 1: Tæng quan vÒ hÖ servo u Mc = W1( p) .Iu − W2( p) . ( 1 I u − OM c Tcp ) (1.29) Hàm truyền bù Wb (p) = 1 K R.WKI( p) (1.30) Nếu hàm truyền kín mạch vòng dòng diện (theo môđun tối ưu) thì (1.30) có dạng: Wb( p) = 4I 2 2 1 2 Ip + 2p + 1  Tc KR ( ) (1.31) Tuy vậy theo cấu trúc (hình 1.8) ta có: ( p ) Mc( p ) =− 1 − WKI .Wb .W1 1 1 + W ( p ) Tcp (1.32) Trong đó W ( p ) = K R .WKI Tc p ( Tt p + 1) (1.33) Để đảm bảo uMc − Mc thì Tc p ( Tt p + 1) ( p+1 ) (1.34) 1 (Tt p + 1) ( p + 1) (1.35) W1( p) = W2( p ) =  - hằng số thời gian nhỏ, đặc trưng cho sự chậm trễ khi vi phân;  f - hằng số thời gian lọc mạch đo tốc độ Theo (1.32) muốn bù hoàn toàn ta có Wb( p ) = 1 WKI .W1 (1.36) Kết hợp (1.36) và (1.34) ta có LuËn v¨n cao häc 2003-2005 Ph¹m ThÞ Hång H¹nh 17 Ch-¬ng 1: Tæng quan vÒ hÖ servo Wb( p ) = 1 ( Tf p + 1) ( p +1 ) Tcp 2 2 i p2 + 2  p + 1 (1.37) Chú ý trong các biểu thức toán học trên ta điều dùng đơn vị tương đối nên cần phải tính giá trị hệ số do lường ở đại lượng thực cụ thể ở W1 có K1 và W2 K2. K1 = UMc Iu (1.38) Trong đó uMc là đại lượng điện áp cơ bản của cơ cấu đo dòng diện (mômen) UMc = K1.Iưđm = K2 = KI .Mdm K UMc K1.Idm = dm K.dm (1.39) 1.3.2. Điều khiển khử rung cơ học Hệ thống sản xuất tích hợp máy tính hiện đại đòi hỏi sự chuyển động nhanh trong những hệ thống cơ học. Vì vậy, những hệ thống cơ học được thiết kế để trọng lượng nhỏ. Do đó, những bộ phận cơ khí đặc biệt bộ truyền động bánh răng, và cơ cấu truyền mô men phải có tính mềm ...Những bộ phận cơ khí cứng tạo ra những quán tính lớn. Một số những vấn đề rung do tính mềm và quán tính tăng khi hệ thống vận hành tốc độ cao sau được nghiên cứu: • Tần số rung tự nhiên thay đổi do sự thay đổi tải . • Tần số đa rung được quan sát do sự tương tác giữa máy móc. Vì thế, những phương pháp sau được tạo ra để triệt rung: • Phương pháp cơ học Máy chống rung cơ khí được sử dụng để thu sự rungtuy nhiên, phương pháp này không bền vững. Điều ảnh hưởng tới sự thay đổi tham số và không kinh tế. LuËn v¨n cao häc 2003-2005 Ph¹m ThÞ Hång H¹nh