BTL MÔN MÔ PHỎNG VÀ MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ (ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ NAM CHÂM VĨNH CỬU)XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH3.1 Xây dựng biểu đồ Bond GraphCác bước xây dựng biểu đồ Bond Graph Phần điện:B1: Mỗi vị trí trong mạch điện mà điện thế khác nhau, thì đặt 0juctionsB2: Chèn mỗi phần tử mạch “single port” bằng kết nối nó với 1junctions bằngđường power bondB3: Gán chiều công suất tới tất cả các bond trong mô hìnhB4: Nếu các vị trí có thế đất đã được xác định, thì xóa bỏ 0juntions tại đó và tất cảcác bonds kết nối đến nóB5: Đơn giản hóa các bond graphs theo các nguyên tắc Phần cơ:B1: Với mỗi vận tốc khác nhau thiết lập 1junctionB2: Đưa vào các phần tử dung kháng và trở kháng tới power bonds và kết nối chúngtới 1junctions 1 sử dụng 0junctions. Phần tử quán tính được thêm vào 1juntions;B3: Gán chiều công suất tới các bondsB4: Loại bỏ tất cả 1junctions có vận tốc 0 và tất cả các bonds kết nối tới nó;B5: Đơn giản hóa bằng sử dụng các nguyên tức tối giản.Hình 31 Xác định các điểm có điện thế khác nhauHình 32 Đưa vào các phần tử trở kháng và cảm khángHình 33 Xóa bỏ 0Junction tại vị trí có thế đất và các bond kết nối đến nóHình 34 Đơn gản hóa bond graph theo các nguyên tắcTrong đó: Se: Điện áp đặt I(L) : Phần tử cảm kháng của cuộn cảm phần ứng R(R): Phần tử trở kháng của điện trở phần ứng GY (Gyrator Element) : Con quay hồi chuyển I(J) : Phần tử cảm kháng của momen quán tính R(b) : Phần tử trở kháng (ma sát)Biểu đồ Bond Graph có hai phía. Một bên là phần tử điện bao gồm điện áp đặtvào, điện trở phần ứng và điện cảm phần ứng. Bên còn lại chứa các thành phần quántính và ma sát quay.Ta có, mạch phần ứng của động cơ điện một chiều được đặt một điện áp V. Vìvậy, ta sẽ có phần tử nguồn e (sourse effort) – Se được kết nối với Bond Graph. Sauđó, Se chia sẻ cùng dòng (flow) tới hai thành phần L (Điện cảm phần ứng) và (Điệntrở phần ứng). Do đó, liên kết 1 (Junction 1) được dùng để kết nối hai thành phầntrên với nguồn e.Thêm vào đó, phần tử GY (Gyrator Element) được sử dụng như là một liên kếtgiữa một bên là phần tử điện và bên còn lại là phần tử cơ khí.
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÀI TẬP LỚN MƠN HỌC MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU Giáo viên hướng dẫn: TS Phan Đình Hiếu Sinh viên thực hiện: Trịnh Đình Văn - 2019601547 Nguyễn Quốc Việt - 2019601329 Vũ Đại Việt - 2019600738 Lớp ĐH CƠ ĐIỆN TỬ – K14 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU 1.1 Động chiều nam châm vĩnh cửu 1.2 Cấu tạo phân loại động điện chiều 1.2.1 Cấu tạo động điện chiều 1.2.2 Phân loại động điện chiều 1.3 Nguyên tắc hoạt động động điện chiều 1.4 Các phương pháp điều khiển động điện chiều 1.4.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng 1.4.2 Phương pháp thay đổi từ thông 1.4.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng 1.5 Ưu, nhược điểm động điện chiều nam châm vĩnh cửu 1.5.1 Ưu điểm động điện chiều 1.5.2 Nhược điểm động điện chiều 1.6 Các ứng dụng động điện chiều nam châm vĩnh cửu CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH MƠ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÍ 2.1 Phân tích mơ hình hệ thống động điện chiều 2.2 Mơ hình hóa hệ thống CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH 10 3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph 10 3.2 Xây dựng điều khiển 13 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 15 4.1 Đánh giá đặc tính góc quay động 15 4.2 Hệ thống điều khiển động điện chiều 16 4.2.1 Bộ điều khiển P 16 4.2.2 Bộ điều khiển PI 18 4.2.3 Bộ điều khiển PD 20 4.2.4 Bộ điều khiển PID 23 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU 1.1 Động chiều nam châm vĩnh cửu Động chiều DC (DC từ viết tắt Direct Current) động điều khiển dịng có hướng xác định hay nói cách khác loại động chạy nguồn điện áp DC - điện áp chiều Động điện chiều nam châm vĩnh cửu động điện chiều kích từ nam châm vĩnh cửu 1.2 Cấu tạo phân loại động điện chiều 1.2.1 Cấu tạo động điện chiều Cấu tạo động điện chiều thường gồm phận sau: - Stator: hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu nam châm điện - Rotor: phần lõi quấn cuộn dây để tạo thành nam châm điện • Chổi than (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc tiếp điện cho cổ góp - Cổ góp (Commutator): làm nhiệm vụ tiếp xúc chia nhỏ nguồn điện cho cuộn dây rotor Số lượng điểm tiếp xúc tương ứng với số cuộn dây rotor Hình 1-1 Cấu tạo động điện chiều 1.2.2 Phân loại động điện chiều - Động điện chiều phân loại theo kích từ thành loại: • Kích từ độc lập • Kích từ song song • Kích từ nối tiếp • Kích từ hỗn hợp - Động điện chiều phân loại theo kết cấu cực từ: • Động điện chiều cực từ nam châm điện • Động điện chiều cực từ nam châm vĩnh cửu 1.3 Nguyên tắc hoạt động động điện chiều Stato động điện chiều thường nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện, rotor gồm có cuộn dây quấn kết nối với nguồn điện chiều, phần quan trọng khác động điện chiều phận chỉnh lưu, phận làm nhiệm vụ đổi chiều dòng điện chuyển động quay rotor liên tục, thông thường, phận có thành phần: cổ góp chổi than tiếp xúc với cổ góp Hình 1-2 Nguyên tắc hoạt động động điện chiều Nếu trục động điện chiều kéo lực ngồi động hoạt động máy phát điện chiều, tạo xuất điện động cảm ứng Electromotive force Khi vận hành chế độ bình thường, rotor quay phát điện áp gọi sức phản điện động Counter-EMF sức điện động đối kháng, đối kháng lại với điện áp bên ngồi đặt vào động Sức điện động tương tự sức điện động phát động sử dụng máy phát điện Như điện áp đặt động bao gồm thành phần: sức phản điện động điện áp giáng tạo điện trở nội cuộn dây phản ứng 1.4 Các phương pháp điều khiển động điện chiều 1.4.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng Trong phương pháp người ta giữ 𝑈 = 𝑈đ𝑚 , = đ𝑚 nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng Độ cứng đường đặc tính cơ: 𝛥𝑀 (𝐾𝑘𝑡 )2 𝛽 = 𝛥𝜔 = 𝑅 𝑢 +𝑅𝑘𝑡 (1.3) Hình 1-3 Đặc tính động thay đổi điện trở phần ứng - Điện trở mạch phần ứng tăng, độ dốc đặc tính lớn, đặc tính mềm độ ổn định tốc độ kém, sai số tốc độ lớn - Phương pháp cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ phía giảm (do tăng thêm điện trở) - Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng tổn hao công suất dạng nhiệt điện trở lớn 1.4.2 Phương pháp thay đổi từ thông Giả thiết U= Uđm, Rư = const Muốn thay đổi từ thông động ta thay đổi dịng điện kích từ, thay đổi dịng điện mạch kích từ cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ Rõ ràng phương pháp cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ, nghĩa giảm dịng điện kích từ (Ikt ≤ Iktđm) thay đổi phía giảm từ thơng Khi giảm từ thơng, đặc tính dốc có tốc độ khơng tải lớn Hình 1-4 Đặc tính động thay đổi từ thông Phương pháp điều chỉnh tốc độ thay đổi từ thơng có đặc điểm sau: - Từ thơng giảm tốc độ khơng tải lý tưởng đặc tính tăng, tốc độ động lớn - Độ cứng đặc tính giảm giảm từ thơng - Có thể điều chỉnh trơn dải điều chỉnh: D ~ 3:1 - Chỉ điều chỉnh thay đổi tốc độ phía tăng - Do độ dốc đặc tính tăng lên giảm từ thơng nên đặc tính cắt đó, với tải khơng lớn (M1) tốc độ tăng từ thơng giảm Cịn vùng tải lớn (M2) tốc độ tăng giảm tùy theo tải Thực tế, phương pháp sử dụng vùng tải không lớn so với định mức - Phương pháp kinh tế việc điều chỉnh tốc độ thực mạch kích từ với dịng kích từ (1÷10)% dòng định mức phần ứng Tổn hao điều chỉnh thấp 1.4.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng Từ thông động giữ không đổi Điện áp phần ứng cấp từ biến đổi Khi thay đổi điện áp cấp cho cuộn dây phần ứng, ta có họ đặc tính ứng với tốc độ khơng tải khác nhau, song song có độ cứng Điện áp U thay đổi phía giảm (U Hình 1-5 Đặc tính động thay đổi điện áp phần ứng Điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ độc lập biện pháp thay đổi điện áp phần ứng có đặc điểm sau: - Điện áp phần ứng giảm, tốc độ động nhỏ - Điều chỉnh trơn toàn dải điều chỉnh - Độ cứng đặc tính giữ khơng đổi toàn dải điều chỉnh - Độ sụt tốc tuyệt đối tồn dải điều chỉnh ứng với mơmen Độ sụt tốc tương đối lớn đặc tính thấp dải điều chỉnh Do vậy, sai số tốc độ tương đối (sai số tĩnh) đặc tính thấp khơng vượt sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh - Dải điều chỉnh phương pháp có thể: D ~ 10:1 - Chỉ điều chỉnh tốc độ phía giảm (vì thay đổi với Uư ≤ Uđm) - Phương pháp điều chỉnh cần nguồn để thay đổi trơn điện áp 1.5 Ưu, nhược điểm động điện chiều nam châm vĩnh cửu 1.5.1 Ưu điểm động điện chiều + Ưu điểm bật động điện chiều có moment mở máy lớn, kéo tải nặng khởi động + Khả điều chỉnh tốc độ tải tốt + Tiết kiệm điện + Bền bỉ, tuổi thọ lớn 1.5.2 Nhược điểm động điện chiều + Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, đắt tiền hay hư hỏng trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa cẩn thận, thường xuyên + Tia lửa điện phát sinh cổ góp chổi than gây nguy hiểm, điều kiện môi trường dễ cháy nổ + Giá thành đắt mà công suất không cao 1.6 Các ứng dụng động điện chiều nam châm vĩnh cửu Nhờ ứng dụng động điện mà việc lắp đặt, vận hành máy móc, hoạt động liên quan đến lĩnh vực khác thực cách nhanh chóng, hiệu tiết kiệm chi phí đáng kể Động điện ngày ứng dụng rộng rãi, phổ biến thay dần cho loại động truyền thống Bởi lẽ, loại động không hoạt động bền bỉ, linh hoạt, lắp đặt vận hành cho nhiều loại máy móc, thiết bị khác nhau, mà cịn tiết kiệm lượng tiêu thụ đáng kể Chính thế, ứng dụng loại động trở nên đa dạng phổ biến Ứng dụng động điện chiều đa dạng lĩnh vực đời sống: tivi, máy công nghiệp, đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, đặc biệt công nghiệp giao thông vận tải, thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục phạm vi lớn Trong lĩnh vực cơng nghệ thơng tin, loại động cịn xuất máy vi tính, cụ thể sử dụng ổ cứng, ổ quang, CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH MƠ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÍ 2.1 Phân tích mơ hình hệ thống động điện chiều Hình 2-1 Mơ hình động điện chiều - Điện cảm phần ứng L: 10−3 H - Điện trở phần ứng R: 0.8 Ω - Hệ số cản b = 6.6 10−3 Nms/rad - Momen quán tính J= 0.1 𝑁𝑚𝑠 /𝑟𝑎𝑑 - Hệ số momen K= 0.3 - Tín hiệu vào điện áp: V - Tín hiệu góc quay : 2.2 Mơ hình hóa hệ thống Mơ hình hóa hệ thống hàm truyền phương trình khơng gian trạng thái * Áp dụng định luật II Niuton cho phần ta có phương trình: J.𝜃̈ + b.𝜃̇ = T Trong : T = K.i(t) - T : moment rotor (Nm) - i : dòng điện phần ứng (A) Từ phương trình (2.1) (2.2) ta có : (2.1) (2.2) Hình 3-2 Đưa vào phần tử trở kháng cảm kháng Hình 3-3 Xóa bỏ 0-Junction vị trí đất bond kết nối đến Hình 3-4 Đơn gản hóa bond graph theo nguyên tắc Trong đó: - Se: Điện áp đặt - I(L) : Phần tử cảm kháng cuộn cảm phần ứng - R(R): Phần tử trở kháng điện trở phần ứng - GY (Gyrator Element) : Con quay hồi chuyển - I(J) : Phần tử cảm kháng momen quán tính - R(b) : Phần tử trở kháng (ma sát) Biểu đồ Bond Graph có hai phía Một bên phần tử điện bao gồm điện áp đặt vào, điện trở phần ứng điện cảm phần ứng Bên lại chứa thành phần quán tính ma sát quay Ta có, mạch phần ứng động điện chiều đặt điện áp V Vì vậy, ta có phần tử nguồn e (sourse effort) – Se kết nối với Bond Graph Sau đó, Se chia sẻ dòng (flow) tới hai thành phần L (Điện cảm phần ứng) (Điện trở phần ứng) Do đó, liên kết (Junction 1) dùng để kết nối hai thành phần với nguồn e Thêm vào đó, phần tử GY (Gyrator Element) sử dụng liên kết bên phần tử điện bên cịn lại phần tử khí Phần tử GY mô tả mối quan hệ tốc độ góc động (𝜔M) với suất điện động (VM) (mechanical flow and electrical effort) dòng điện (IM) với mô men quay (TM) (electrical flow and mechanical effort) Bên phía khí, tải bên bao gồm qn tính ma sát quay Do đó, hai thành phần liên kết với GY thông qua liên kết (Junction 1) Hình 3-5 Quan hệ nhân chiều cơng suất hệ thống Trong đó: - f1=f2=f3=f4 : Dòng điện phần ứng động - e1 : Điện áp đặt - e2 : Điện áp cuộn cảm - e3 : Điện áp điện trở - e4 : Suất điện động động - f5=f6=f7: Tốc độ góc động - e5 : Momen quay trục động - e6 : Momen quán tính động - e7 : Momen cản ma sát 3.2 Xây dựng điều khiển Điều khiển trạng thái hệ thống quan trọng hệ thống thực tế Một hệ thống dù thiết kế tốt phản hồi (feedback) hay đầu hệ thống (output) khơng hồn tồn xác với giá trị mong muốn Bên cạnh đó, nhiễu từ bên ngồi ảnh hưởng đến hệ thống trạng thái dẫn đến kết làm thay đổi giá trị mong muốn Vì vậy, cần xây dựng hệ thống điều khiển để điều chỉnh trạng thái hệ thống cách thay đổi đầu vào (input) Bộ điều khiển sử dụng nhiều điều khiển phản hồi (feedback control), đáp ứng hệ thống theo dõi so sánh với giá trị mong muốn, sai số (error) phản hồi sử dụng để thay đổi đầu vào để đạt kết Đáp ứng hệ thống so sánh với điểm đặt (set point) để đạt sai số Tín hiệu sai số sử dụng thuật toán điều khiển để xác định đầu vào hệ thống, đáp ứng điều chỉnh để đạt đầu mong muốn Hình 3-6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ động Trong tất thuật toán điều khiển phản hồi, đầu thực tế đưa trở lại hệ thống điều khiển nên phép đo sai số (sự khác đầu mong muốn đầu thực tế) tính tốn, phép đo sai số sử dụng để thiết lập thay đổi đầu vào để giảm thiểu sai số Hơn 90% cách điểu khiển liên quan đến việc sử dụng điểu khiển PID PID viết tắt proportional (tỷ lệ), integral (tích phân) derivative (vi phân) Điều khiển PID thực trình điểu khiển khác với hàm sai số ( error function) CHƯƠNG 4: 4.1 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ Đánh giá đặc tính góc quay động Hình 4-1 Sơ đồ Bond Graph hệ thống Hình 4-2 Thiết lập thông số với điện áp đầu vào 12V Đặc tính góc quay với điện áp đầu vào V = 12V Hình 4-3 Đặc tính góc quay động Nhận xét: khởi động góc quay động tăng chậm, sau thời gian 0.5 s góc quay tăng đặc tính góc quay gần đường thẳng 4.2 Hệ thống điều khiển động điện chiều 4.2.1 Bộ điều khiển P Hình 4-4 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động sử dụng điều khiển P Hình 4-5 Thiết lập thơng số ban đầu với Kp = Hình 4-6 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển P với thông số ban đầu Sử dụng điều khiển tỉ lệ với thông số ban đầu Ta thấy sai số xác lập nhỏ, thời gian lên nhỏ (t khâu tích phân khơng ảnh hưởng nhiều đến hệ thống 4.2.3 Bộ điều khiển PD Hình 4-12 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động sử dụng điều khiển PD Hình 4-13 Thiết lập thông số ban đầu cho điều khiển PD Hình 4-14 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PD với thông số ban đầu Bộ điều khiển PD với thơng số ban đầu Kp=Kd=1: khơng có độ vọt lố thời gian xác lập lớn - Giảm hệ số Kd = 0.85 Hình 4-15 Thiết lập thông số cho điều khiển với Kd = 0.85 Hình 4-16 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PD với KD=0.85 Giảm hệ số Kd=0.85 thời gian xác lập giảm xuống t 1s 4.2.4 Bộ điều khiển PID Hình 4-17 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động sử dụng điều khiển PID Hình 4-18 Thiết lập thơng số ban đầu cho điều khiển PID Hình 4-19 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PID với thông số ban đầu Với thông số ban đầu Kp = Ki = Kd = đáp ứng hệ thống có độ vọt lố lớn, thời gian độ lớn t > 3s Hình 4-20 Thiết lập thông số cho điều khiển PID với Kp = 1, Ki = 100, Kd = 0.85 Hình 4-21 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PID Nhận xét: Thông số điều khiển PID lựa chọn dựa phương pháp tay Các thông số điều khiển là: Thông số PID điều khiển Kp Ki 100 Kd 0.85 Qua biểu đồ nhận thấy có điều khiển vị trí động đáp ứng nhanh hơn, vị trí mong muốn (rad) đáp ứng nhanh gọn ổn định, độ vọt lố thời gian đáp ứng nằm giới hạn cho phép (độ vọt lố POT