TỎNG QUAN,SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LÝ ĐỂ VIẾT PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ,MHH BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG 20SIM VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP, ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU, CON LẮC NGƯỢC
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - - BÀI TẬP LỚN MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Sinh viên thực hiện: Nguyễn Anh Đức 2020602514 Nguyễn Đình Đức 2020602463 Đinh Hồng Dương 2020601674 GVHD: TS Phan Đình Hiếu Hà Nội – Năm 2022 MỤC LỤC MỤC LỤC .1 DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP, ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU, CON LẮC NGƯỢC 1.1 Tổng quan động điện chiều kích từ nối tiếp .6 1.1.1 Cấu tạo phân loại động điện chiều .6 1.1.1.1 Cấu tạo động điện chiều .6 1.1.1.2 Phân loại động điện chiều 1.1.2 Nguyên tắc hoạt động động điện chiều 1.1.3 Các phương pháp điều khiển động điện chiều .8 1.1.3.3 Điều chỉnh tốc độ dùng thêm Rp 1.1.3.4 Phương pháp thay đổi từ thông 1.1.3.5 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng 10 1.1.4 Ưu, nhược điểm động điện chiều kích từ nối tiếp 12 1.1.4.1 Ưu điểm động điện chiều kích từ nối tiếp 12 1.1.4.2 Nhược điểm động điện chiều kich nối tiếp 12 1.1.5 Các ứng dụng động điện chiều kích từ nối tiếp 12 1.2 Tổng quan điều khiển tốc độ hệ 13 1.2.1 Giới thiệu điều khiển tốc độ 13 1.2.2 Giới thiệu điều khiển tốc độ động pha 14 1.2.3 Ứng dụng điều khiển PID 15 1.3 Tổng quan lắc ngược 17 1.3.1 Con lắc ngược gì? 17 1.3.2 Ứng dụng lắc ngược 18 1.3.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 19 CHƯƠNG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LÝ ĐỂ VIẾT PHƯƠNG TRÌNH MƠ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP, TỐC ĐỘ HỆ CƠ VÀ CON LẮC NGƯỢC 20 2.1 Phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả động điện chiều kích từ nối tiếp 20 2.1.1 Phân tích mơ hình hệ thống động điện chiều kích từ nối tiếp .20 2.1.2 Phương trình mơ tả động điện chiều 21 2.2 Phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả tốc độ hệ 22 2.3 Phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả hệ lắc 24 CHƯƠNG XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP, TỐC ĐỘ HỆ CƠ VÀ HỆ CON LẮC NGƯỢC 28 3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Grap điều khiển động điện chiều kích từ nối tiếp 28 3.1.1 Hàm truyền, phương trình trạng thái sơ đồ khối hệ thống 28 3.1.1.1 Xây dựng hàm truyền phương trình trạng thái .28 3.1.1.2 Sơ đồ khối hệ thống 30 3.1.1.3 Sơ đồ bond graph 31 3.1.2 Xây dựng điều khiển hệ thống 34 3.2 Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều .35 3.2.1 Xây dựng biểu đồ hệ thống hở hệ .35 3.2.2 Xây dựng hệ thống kín gồm hệ điều khiển PID .37 3.3 Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ lắc ngược .37 3.3.1 Xây dựng Bond Graph cho lắc 37 3.3.2 Xây dựng Bond Graph cho động .40 3.3.3 Thiết lập Bond graph cho xe lắc 43 CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP, TỐC ĐỘ HỆ CƠ VÀ HỆ CON LẮC NGƯỢC 48 4.1 Mô đánh giá động điện chiều kích từ nối tiếp .48 4.1.1 Q trình mơ phần mềm 20-Sim 48 4.1.2 Q trình mơ hệ thống động DC kích từ nối tiếp 49 4.2 Mơ đánh giá đặc tính tốc độ hệ hệ thống điều khiển tốc độ hệ 56 4.2.1 Mô đánh giá hệ thống hở hệ 56 4.2.2 Mô đánh giá hệ kín gồm hệ điều khiển PID 57 4.2.3 Mô đánh giá hệ thống ổn định với giảm chấn 59 4.3 MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH 60 4.3.1 Phản hồi vòng hở hệ thống 60 4.3.2 Xác định tham số điều khiển cho hệ thống 61 KẾT LUẬN .64 DANH MỤC THAM KHẢO 64 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1: Cấu tạo động điện chiều DC Hình 1-2: Nguyên tắc hoạt động động điện chiều .7 Hình 1-3: Bộ điều khiển tốc độ 13 Hình 1-4: Một số ứng dụng điều chỉnh tốc độ hệ .16 Hình 1-5 Ứng dụng nghiên cứu đại học 18 Hình 1-6 Xe bánh tự cân 18 Hình 3-1 Mạch động điện chiều 31 Hình 3-2 Biểu đồ phần tử khí 32 Hình 3-3 Kết nối phần điện phần khí 33 Hình 3-4 Mô ảnh hưởng hệ số Momen với trục động 33 Hình 3-5 Biểu đồ bondgraph cho hệ thống điều khiển động điện chiều .34 Hình 3-6: Sơ đồ Bond Graph hệ hở rút gọn thêm flow 36 Hình 3-7: Sơ đồ BG hệ kín với điều khiển PID 37 Hình 3-8: Sơ đồ Bond Graph hệ hở lắc 38 Hình 3-9: Biểu đồ Bond Graph gán nhân lắc 39 Hình 3-10: Sơ đồ động 40 Hình 3-11 Bond graph rút gọn gán effort, flow 42 Hình 3-12 Các vị trí vận tốc xe 44 Hình 3-13 Trọng tâm điểm gắn .44 Hình 3-14 Bond graph cho xe lắc 46 Hình 3-15 Bond graph rút gọn thêm effort, flow 46 Hình 4-1 Biểu đồ bond graphs hệ hở động chiều kích từ nối tiếp 50 Hình 4-2 Vận tốc động kích từ nối tiếp 51 Hình 4-3 Biểu đồ bond graphs kết hợp điều khiển PI 51 Hình 4-4 Đặc tính vận tốc kp=1;ki=1 52 Hình 4-5 Đặc tính vận tốc kp 2;ki=2.5 52 Hình 4-6 Biểu đồ bond graphs kết hợp điều khiển PD 53 Hình 4-7 Đặc tính vận tốc kp=1;ki=1 53 Hình 4-8 Đặc tính vận tốc kp=2.9;kd=30 .54 Hình 4-9 Với tham số kp=1, ki=1, kd=1 54 Hình 4-10 Đặc tính vận tốc kp=1;ki=1,kd=200 55 Hình 4-11 Thơng số cài đặt hệ thống điều khiển động điện chiều 55 Hình 4-12: Đặc tính tốc độ V2 hệ hở 56 Hình 4-13: Mơ hệ kín với điều khiển PID 57 Hình 4-14: Mơ hệ với giảm chấn 59 Hình 4-15: Đồ thị biển diễn tốc độ M2 điều khiển PID so với vận tốc đặt với Kp=10 có thêm giảm chấn 59 Hình 4-16: Hệ thống vịng hở lắc ngược .60 Hình 4-17 Hệ kín với điều khiển PID lắc ngược 62 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tác động điều khiển KP, KI, KD .15 Bảng 4.1 Thông số cần nhập vào sơ đồ 49 Bảng 4.2 Tác động khâu PID 61 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP, ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU, CON LẮC NGƯỢC 1.1 Tổng quan động điện chiều kích từ nối tiếp 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 kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ mắc nối tiếp với phần ứng 1.1.1 Cấu tạo phân loại động điện chiều 1.1.1.1 Cấu tạo động điện chiều Động điện chiều cấu tạo Stator, Rotor, chổi than cổ góp - Stator motor DC: Là phần đứng yên, chế tạo sử dụng từ hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, nam châm điện - Rotor: Là phần quay được, lõi quấn cuộn dây nhằm mục đích tạo thành nam châm điện - Chổi than (còn gọi brushes): Làm nhiệm vụ tiếp xúc tiếp điện cho phận cổ góp - Cổ góp (cịn gọi commutator): Thực nhiệm vụ tiếp xúc chia điện cho cuộn dây phần rotor (phần quay) Hình 1-1: Cấu tạo động điện chiều DC 1.1.1.2 Phân loại động điện chiều Khi xem xét động điện chiều máy phát điện chiều người ta phân loại theo cách kích từ động Theo ta có loại động điện chiều thường sử dụng: Động điện chiều phân loại theo kích từ thành loại - Động điện chiều kích từ độc lập: Phần ứng phần kích từ cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ - Động điện chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ mắc song song với phần ứng - Động điện chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ mắc nối tếp với phần ứng - Động điện chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có cuộn dây kích từ, cuộn mắc song song với phần ứng cuộn mắc nối tiếp với phần ứng Động điện chiều phân loại theo kết cấu cực từ - Động điện chiều cục từ nam chạm điện - Động điện chiều cực từ nam cham vĩnh cửu 1.1.2 Nguyên tắc hoạt động động điện chiều Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh lõi sắt non, cạnh phía bên cực dương bị tác động lực hướng lên, cạnh đối diện lại bị tác động lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái Fleming Các lực gây tác động quay lên cuộn dây, làm cho rotor quay Nếu trục động điện chiều kéo lực Động hoạt động máy phát điện chiều Và tạo sức điện động cảm ứng Electromotive force bìnhđộng thường, rotor quay phát Hình 1-2:(EMF) NguyênKhi tắc vận hoạt hành động điện mộtkhi chiều điện áp gọi sức phản điện động counter-EMF (CEMF) Hoặc sức điện động đối kháng, đối kháng lại điện áp bên ngồi đặt vào động Sức điện động tương tự sức điện động phát động sử dụng máy phát điện Như lúc ta nối điện trở tải vào đầu động Và kéo trục động ngẫu lực bên ngoài) Như điện áp đặt động bao gồm thành phần Sức phản điện động, điện áp giáng tạo điện trở nội cuộn dây phần ứng Dòng điện chạy qua động tính theo biểu thức sau: I = (V nguồn − V phandiendong ) / Rphanung Công suất mà động đưa được, tính bằng: P = I * V PhanDienDong 1.1.3 Các phương pháp điều khiển động điện chiều Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động điện chiều có nhiều ưu việt so với loại động khác, có khả thay đổi tốc độ cách dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao dải điều chỉnh tốc độ rộng