Bài tập lớn môn họcmô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ điện tử

Bond graph khi thêm bộ nhiễu...67 Trang 7 CHƯƠNG 1TỔNG QUAN VÀ ỨNG DỤNG CỦA HỆTHỐNG1.1 Động cơ điện một chiều kích từ song song1.1.1 Giới thiệu tổng quanĐộng cơ điện một chiều là máy đi

Trang 1

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Giáo viên hướng dẫn: ThS Lê Ngọc Duy

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Khải An - 2021601568

Nguyễn Trường An - 2021601711

Lớp: 20231ME6057003

Nhóm: 1

Khóa: 16

Trang 2

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VÀ ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG 5

1.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG 5

1.1.1 Giới thiệu tổng quan 5

1.1.2 Ứng dụng động cơ điện 1 chiều kích từ song song 7

1.1.3 Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều 8

1.2 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU 11

1.2.2 Ứng dụng động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu 15

1.2.3 Hệ thống điều khiển tốc độ của động cơ 15

1.3 HỆ THỐNG TREO XE BUS 17

1.3.2 Ứng dụng hệ thống treo xe bus 20

1.3.3 Hệ thống điều khiển tốc độ của hệ cơ 20

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ 23

2.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG 23

2.1.1 Thông số hệ thống 23

2.1.2 Phân tích vật lý 24

Trang 3

2.4 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA HỆ CƠ 31

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH CHO HỆ THỐNG 35

3.1.1 Xây dựng biểu đồ Bond graph mô tả hệ thống 36

3.1.2 Xây dựng hệ thống điều khiển động cơ 38

3.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU 40 3.2.1 Xây dựng biểu đồ Bond graph 40

3.2.2 Xây dựng biểu đồ bond grap có hệ thống điều khiển 42

3.3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ thống 43

3.3.2 Xây dựng biểu đồ bond graph cho hệ thống có bộ điều khiển 45

3.4.1 Xây dựng biểu đồ bond graph cho hệ thống 46

3.4.2 Xây dựng biểu đồ bond graph cho hệ thống có bộ điều khiển 47

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 48

4.1.1 Khảo sát đáp ứng hệ thống khi chưa có bộ điều khiển 48

4.1.2 Khảo sát đáp ứng của hệ thống khi có bộ điều khiển 50

4.2.1 Hệ thống khi chưa có bộ điều khiển 56

4.3.1 Đáp ứng của hệ thống cơ khi chưa có bộ điều khiển 64

4.3.2 Đáp ứng của hệ thống cơ khi đã thêm bộ điều khiển 66

Trang 4

4.4.1 Hệ thống chưa có bộ điều khiển 69

4.4.2 Hệ thống khi đã thêm bộ điều khiển 70

KẾT LUẬN 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

Trang 5

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1.Động cơ điện một chiều 8

Hình 1.2.Cấu tạo động cơ điện một chiều 9

Hình 1.3.Sơ đồ động cơ điện một chiều kích từ song song 11

Hình 1.4.Cấu trúc chung của hệ thống vòng kín 12

Hình 1.5.Nam châm vĩnh cửu còn có các máy điện đồng bộ đặc biệt 15

Hình 1.6.Cấu tạo động cơ điện 1 chiều DC 16

Hình 1.7.Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện 1 chiều 17

Hình 1.8.Hệ thống giảm chấn của ô tô 21

Hình 1.9.Hình ảnh 3-D hệ thống treo ô tô 22

Hình 2.1.Mạch động cơ 1 chiều kích từ song song 26

Hình 2.2.Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu 29

Hình 2.3.Hệ thống treo xe buýt 31

Hình 2.4.Hệ thống điều khiển tốc độ hệ cơ 34

Hình 3.1.Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ song song 37

Hình 3.2.Biểu đồ bond graph mô tả động cơ điện 40

Hình 3.3.Sơ đồ điều khiển động cơ điện 1 chiều kích từ song song 40

Hình 3.4.Biểu đồ bond graph mô tả hệ thống điều khiển động cơ điện 41

Hình 3.5.Biểu đồ bond graph mô tả động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu 43

Hình 3.6.Biểu đồ bond graph mô tả điều khiển của động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu 44

Hình 3.7.Biểu đồ bond graph mô tả hệ thống 46

Hình 3.8.Biểu đồ bond graph cho hệ thống có bộ điều khiển 47

Hình 3.9.Biểu đồ bond graph cho hệ thống 49

Hình 3.10.Biểu đồ bond graph cho hệ thống có bộ điều khiển 49

Hình 4.1 Thông số hệ thống 50

Hình 4.2.Đáp ứng với hệ thống không có bộ điều khiển 51

Trang 6

Hình 4.3.Đáp ứng khi Kp=100, Ki=100 và Kd=1 57

Hình 4.4.Sơ đồ Bond Graph hệ thống khi chưa có bộ điều khiển 58

Hình 4.5.Thông số hệ thống 58

Hình 4.6.Bond graph của hệ thống đã thêm bộ điều khiển 60

Hình 4.8.Đáp ứng hệ thống khi Kp=50, Ki=1 và Kd=0.1 65

Hình 4.9.Bond graph của hệ thống 66

Hình 4.10.Đáp ứng của hệ thống 66

Hình 4.11 Bond graph khi thêm bộ nhiễu 67

Hình 4.12.Bond graph của hệ thống sau khi thêm bộ điều khiển 68

Hình 4.13.Bảng thông số 69

Hình 4.14.Bond graph của hệ thống 72

Hình 4.16.Đáp ứng hệ thống 73

Hình 4.17.Bond graph hệ thống khi đã thêm bộ điều khiển 73

Hình 4.20.Bond graph khi có thêm bộ điều khiển 77

Hình 4.23.Đáp ứng hệ thống khi Kp=100, Ki=1 và Kd=1 80

Trang 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VÀ ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG

1.1 Động cơ điện một chiều kích từ song song

1.1.1 Giới thiệu tổng quan

Động cơ điện một chiều là máy điện được dùng để biến đổi năng lượng điện mộtchiều thành cơ năng Động cơ điện một chiều bao gồm: Động cơ điện một chiều kích

từ độc lập, song song, nối tiếp, hỗn hợp

Hình 1.1.Động cơ điện một chiều

Phân loại động cơ điện một chiều

a) Phân loại động cơ điện một chiều

Căn cứ vào phương pháp kích từ, có thể chia động cơ điện một chiều thànhnhững loại như sau:

− Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: phần ứng và phần kích từ được cungcấp từ hai nguồi riêng rẽ

− Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tiếpvới phần ứng

− Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc songsong với phần ứng

Trang 8

− Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp bao gồm 2 cuộn dây kích từ, 1 cuộnđược mắc nối tiếp với phần ứng, 1 cuộn mắc song song với phần ứng.

b) Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và phầnđộng Ngoài ra còn có bộ phận chổi than, cổ góp

+ Stator của motor DC: Là phần đứng yên, được chế tạo sử dụng từ 1 haynhiều cặp nam châm vĩnh cửu, có thể là nam châm điện

+ Rotor: Là phần quay được, nó chính là lõi được quấn các cuộn dây nhằmmục đích tạo thành nam châm điện

+ Chổi than (còn được gọi là brushes): Làm nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điệncho bộ phận cổ góp

+ Cổ góp (còn được gọi là commutator): Thực hiện nhiệm vụ tiếp xúc vàchia điện đều cho các cuộn dây ở trên phần rotor (phần quay)

c) Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

− Khi cung cấp điện áp một chiều cho dây quấn phần ứng Dây dẫn có dòng điệnnằm trong từ trường do phần cảm sinh ra sẽ chịu lực tác động làm roto quay, chiều của

Hình 1.2.Cấu tạo động cơ điện một chiều

Trang 9

− Khi roto quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau Do cóphiến góp nên chiều dòng điện vẫn giữ nguyên, làm cho chiều lực từ không thay đổi.Khi quay các thanh dẫn chuyển động trong từ trường sẽ sinh ra suất điện động phầnứng, chiều của suất điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải

d) Ưu nhược điểm và ứng dụng của động cơ điện một chiều

− Ưu điểm:

+ Ưu điểm nổi bật của động cơ điện 1 chiều là có moment mở máy lớn, do đó sẽkéo được tải nặng khi khởi động

+ Khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt

+ Tiết kiệm điện năng, bền bỉ, tuổi thọ lớn

bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi lớn, …

1.1.2 Ứng dụng động cơ điện 1 chiều kích từ song song

Động cơ điện một chiều kích từ song song là động cơ điện một chiều được mắc

bố trí sao cho nguồn một chiều cấp cho phần ứng và cấp cho kích từ song song vớinhau Ta có phương trình cân bằng của động cơ kích từ song song

Trang 10

{U =U kt =U ư

i =i kt +i ư

a) Nguyên lý làm việc động cơ điện kích từ song song

Thông thường, chiều dòng điện vào động cơ là I, dòng điện phần ứng là Iư, dòngđiện kích từ là Ikt thì sẽ được tính theo công thức: I = Iư + Ikt Để mở máy, người tathường dùng biến trở để mở máy (gọi là Rmở)

Để điều chỉnh tốc độ của động cơ, người ta thường điều chỉnh Rđc để thay đổidòng điện kích từ Ikt, đồng thời thay đổi cả từ thông Φ Phương pháp này hiện đang sửdụng rất rộng rãi, song cần chú ý một điều rằng, khi giảm từ thông Φ, có thể dòng điệntrong phần ứng Iư sẽ tăng lên quá trị số cho phép Khi đó, cần có bộ phận bảo vệ để cắtđiện kịp thời, không cho động cơ làm việc trong trường hợp từ thông giảm xuống quánhiều

b) Ứng dụng động cơ kích từ song song

Chúng được dùng nhiều trong các máy cắt kim loại, các máy công cụ Máy dao tiện (Máy tiện rơ-vôn-ve) Máy phay-dao phay-dao Endomiru Máy bào ngang-dao bào ngang Máy bào-dao bào Máy khoan lỗ-mũi khoan-mũi khoan làm trơn Máytiện doa lỗ …

tiện-1.1.3 Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

Trang 11

động cơ 1 chiều có thể bao gồm phương tiện thủ công hoặc tự động để khởi động vàdừng động cơ, chọn chuyển tiếp hoặc quay ngược, chọn và điều chỉnh tốc độ, điềuchỉnh hoặc giới hạn momen xoắn, bảo vệ chống quá tải và lỗi.

b) Phương pháp điều khiển

Hệ thống thực hiện việc điều chỉnh các tốc độ theo yêu cầu công nghệ với 1chương trình đã được định sẵn

Một trong những vấn đề từng làm đau đầu tổ lập trình robot trong những năm qua

là robot chạy không ổn định, vừa mới lập trình chạy được khi chạy thêm một vòng nữathì lại bị lỗi, khi Pin đầy robot chạy tốt , pin yếu một chút thì lại chạy sai Việc dừngtại một vị trí chính xác nào đấy trên sân cũng rất quan trọng, tuy nhiên robot lại khi thìdừng chỗ này, lúc lại dừng dừng chỗ kia

Sau nhiều nghiên cứu một giải pháp đã được tìm ra, đó là bộ điều khiển động cơdùng giải thuật PID Kỹ thuật điều khiển PID tuy không phải là một kỹ thuật điềukhiển mới, nhưng lại là kỹ thuật phổ biến nhất chuyên dùng để điều khiển các hệ thốngtrong công nghiệp như hệ thống lò nhiệt, điều khiển tốc độ, vị trí, moment động cơ AC

và DC Một trong những lý do bộ điều khiển PID trở nên phổ biến như vậy là vì tínhđơn giản, dễ triển khai trên những vi xử lý nhỏ với hiệu năng tính toán hạn chế

Cấu trúc chung của hệ thống vòng kín như sau:

Trong mạch điều khiển này, vi điều khiển đóng vai trò quan trọng nhất Nó nhậntín hiệu điều khiển từ main board, tín hiệu hồi tiếp từ động cơ thông qua incrementalencoder để tính toán ra giá trị PWM cần thiết xuất ra cho bộ khuếch đại công suất điềukhiển động cơ đạt tốc độ/vị trí mong muốn Như đã nói ở trên, PID là thuật toán điềukhiển khá đơn giản, do đó, ta có thể sử dụng các vi điều khiển từ dòng 8bit (8051,

Hình 1.4.Cấu trúc chung của hệ thống vòng kín

Trang 12

AVR, PIC16, PIC18) đến những dòng cao cấp hơn như dòng 16bit (dsPIC, PIC24)hoặc 32bit (ARM, PIC 32bit, AVR 32bit).

Incremental encoder cũng là bộ phận không thể thiếu trong hệ thống, nó cung cấpthông tin về trạng thái hiện thời của hệ thống cho vi điều khiển Encoder có độ phângiải càng cao thì cho chất lượng điều khiển càng tốt tuy nhiên, encoder có độ phângiải cao thì cũng yêu cầu khả năng xử lý của vi điều khiển cao hơn

Khối công suất nhằm cung cấp điện áp chính xác điều khiển động cơ hoạt độngdựa trên việc xử lý, tính toán của vi điều khiển tùy theo công suất của động cơ cầnđiều khiển mà ta phải thiết khối này cho phù hợp

Ứng dụng của hệ điều khiển PID:

Trong các hệ thống điều khiển tự động, đặc biệt là các hệ thống nhằm ổn địnhchất lượng hệ thống thì người ta thường sử dụng tính năng ưu việt của module điềuchỉnh tỷ lệ - tích phân - vị phân (PID) Các bộ PID này thường được tích hợp săn trongcác thiết bị điều khiển (PLC hay một số thiết bị điều khiển phổ biến khác) Trong bàitoán thiết kế, vận hành hệ thống, sau khi đã tính toán được các thông số và lựa chọnđược bộ điều chỉnh cần thiết người ta thường chỉ phải chọn và thiết đặt các thông sốchính của bộ điều chỉnh ( P, I, D) trong các thiết bị điều chỉnh đề hệ thống thực hiệnchứ không phải làm một " bo mạch PID " kiểu như vi xử lý

Tuy nhiên, trong hầu hết các tài liệu, giáo trình về điều khiển tự động, người tathường đưa ra các bài toán như : Cho hệ thống, bắt mô hình hóa, phân tích và tìm rahàm truyền của hệ thống, khi đã có hàm truyền rồi ta phải thiết kế bộ điều chỉnh theoyêu cầu ( luật điều chỉnh, cấu trúc, các tham số )

Về thiết bị PID có rất nhiều cách chế tạo (trong thiết bị nào đó, PLC, ) Thực chất

là thực hiện 3 phép toán khuếch đại, tích phân, vi phân(tỉ lệ, trễ pha, sớm pha) theo 1

hệ số nào đó Cách mạch thực hiện 3 phép toán này cũng có rất nhiều cách Ví dụ nhưngười ta chế tạo bằng các thuật toán OA, thì người ta làm một cái bo mạch gồm IC(OA, R, C, biến trở ) rồi đóng hộp, tùy vào nhà thiết kế dùng biến trở hay một sốmạch biến đổi và hiển thị để điều chỉnh các thông số PID

Ngoài ra ,bây giờ hệ thống điều khiển số phát triển rất mạnh Ta có bộ điều khiểnPID số, người ta thường dùng phương pháp lập trình để thực hiện các hàm chức năng

Trang 13

Còn về PID trong PLC , nó chính là bộ điều khiển số, tốc độ xử lý của modulPID phụ thuộc vào CPU ta sử dụng modul mềm PID chỉ thích hợp cho những hệ thông

có số vòng điều khiển ít

1.2 Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu

Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của Direct Current) là động cơ đượcđiều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói cách khác thì đây là loại động cơchạy bằng nguồn điện áp DC - điện áp 1 chiều

Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu là động cơ điện 1 chiều được kích từbằng nam châm vĩnh cửu

Phân loại động cơ nam châm vĩnh cửu

Trong thực tế, động cơ nam châm vĩnh cửu được chia thành 2 loại chủ yếu dướiđây:

• Động cơ nam châm vĩnh cửu có kích từ bằng điện với dải công suất lớn từ vàitrăm tới vài nghìn MW Cuộn kích từ được cuốn theo 1 cực ẩn hoặc cực lồi

• Động cơ nam châm vĩnh cửu với dải công suất nhỏ Hiện nay còn có 1 loạiđộng cơ đặc biệt: động cơ bước, hay còn gọi là step motor

− Theo kết cấu thì có thể chia thành:

• Máy điện đồng bộ cực ẩn: Thích hợp với những chiếc máy điện có tốc độ cao(Thường có số cực là 2p = 2)

• Máy điện đồng bộ có cực lồi: Thích hợp với những máy có tốc độ thấp (Thường

có số cực là 2p ≥ 4)

− Theo chức năng, máy điện đồng bộ lại được chia thành:

• Máy phát điện đồng bộ: Sử dụng tua bin nước, tua bin hơi hoặc là động cơdiezen…giúp kéo trục Rotor để phát ra điện

• Động cơ điện đồng bộ: Thường được chế tạo theo kiểu cực lồi và kéo được cáctải ít có yêu cầu điều chỉnh lại tốc độ hay khởi động lại

• Máy bù đồng bộ: Được dùng chủ yếu để cải thiện hệ số Cosφ bên trong lướiđiện Ngoài ra, động cơ nam châm vĩnh cửu còn có các máy điện đồng bộ đặc biệtnhư: máy đồng bộ tần số cao, máy biến đổi 1 phần ứng, các máy đồng bộ công suất

Trang 14

nhỏ thường dùng trong các thiết bị tự động, các thiết bị điều khiển, chẳng hạn như:Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, động cơ đồng bộ từ trễ, động cơ bước, động cơđồng bộ phản kháng…

– Cấu tạo của động cơ nam châm vĩnh cửu

Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều thường gồm những bộ phận chính như sau:

• Stator: Là phần đứng yên, được chế tạo sử dụng từ 1 hay nhiều cặp nam châmvĩnh cửu, có thể là nam châm điện

• Rotor: Là phần quay được, nó chính là lõi được quấn các cuộn dây nhằm mụcđích tạo thành nam châm điện

• Chổi than (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp

• Cổ góp (còn được gọi là commutator): Thực hiện nhiệm vụ tiếp xúc và chiađiện đều cho các cuộn dây ở trên phần rotor (phần quay)

Hình 1.5.Nam châm vĩnh cửu còn có các máy điện đồng bộ đặc biệt

Trang 15

Hình 1.6.Cấu tạo động cơ điện 1 chiều DC

Căn cứ vào phương pháp kích từ, có thể chia động cơ điện 1 chiều thành nhữngloại chính:

• Động cơ điện 1 chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu

• Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

• Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp

• Động cơ điện 1 chiều kích từ song song

• Động cơ điện 1 chiều kích từ hỗn hợp bao gồm 2 cuộn dây kích từ, 1 cuộn đượcmắc nối tiếp với phần ứng, 1 cuộn được mắc song song với phần ứng

- Nguyên lí hoạt động của động cơ nam châm vĩnh cửu

Stato của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửuhay nam châm điện, rotor gồm có các cuộn dây quấn và được kết nối với nguồn điệnmột chiều một phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều chính là bộ phận chỉnhlưu, bộ phận này làm nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong chuyển động quay của rotor

là liên tục thông thường, bộ phận này sẽ có 2 thành phần: một bộ cổ góp và một bộchổi than tiếp xúc với cổ góp

Trang 16

Hình 1.7.Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện 1 chiều

Nếu trục của động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài thì động cơ này

sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một xuất điện động cảm ứngElectromotive force Khi vận hành ở chế độ bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra mộtđiện áp được gọi là sức phản điện động counter-EMF hoặc sức điện động đối kháng, vì

nó đối kháng lại với điện áp bên ngoài đặt vào động cơ Sức điện động này sẽ tương tựnhư sức điện động được phát ra khi động cơ sử dụng như một máy phát điện Như vậyđiện áp đặt trên động cơ sẽ bao gồm 2 thành phần: sức phản điện động và điện ápgiáng tạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phản ứng Dòng điện chạy qua động cơ

sẽ được tính theo công thức sau:

Trang 17

− Mô men điều khiển được ở vị trí bằng không

1.2.2 Ứng dụng động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu

Nhờ những ứng dụng của động cơ điện mà việc lắp đặt, vận hành máy móc,…cũng như các hoạt động liên quan đến các lĩnh vực khác nhau được thực hiện một cáchnhanh chóng, hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn đáng kể

Động cơ điện hiện đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi, phổ biến và thay thếdần cho những loại động cơ truyền thống Bởi lẽ, loại động cơ này không chỉ hoạtđộng bền bỉ, linh hoạt, có thể lắp đặt và vận hành cho nhiều loại máy móc, thiết bịkhác nhau, mà còn tiết kiệm năng lượng tiêu thụ đáng kể Chính vì thế, ứng dụng củaloại động cơ này cũng trở nên đa dạng và phổ biến hơn cả

Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều cũng rất đa dạng trong mọi lĩnh vực của đờisống: trong tivi, máy công nghiệp, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, đặc biệttrong công nghiệp giao thông vận tải, và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liêntục trong phạm vi lớn

Trong lĩnh vực công nghệ thông tin, loại động cơ này còn xuất hiện trong cácmáy vi tính, cụ thể là được sử dụng trong các ổ cứng, ổ quang,

1.2.3 Hệ thống điều khiển tốc độ của động cơ

Trang 18

là robot chạy không ổn định, vừa mới lập trình chạy được khi chạy thêm một vòng nữathì lại bị lỗi, khi Pin đầy robot chạy tốt , pin yếu một chút thì lại chạy sai Việc dừngtại một vị trí chính xác nào đấy trên sân cũng rất quan trọng, tuy nhiên robot lại khi thìdừng chỗ này, lúc lại dừng dừng chỗ kia.

Sau nhiều nghiên cứu một giải pháp đã được tìm ra, đó là bộ điều khiển động cơdùng giải thuật PID Kỹ thuật điều khiển PID tuy không phải là một kỹ thuật điềukhiển mới, nhưng lại là kỹ thuật phổ biến nhất chuyên dùng để điều khiển các hệ thốngtrong công nghiệp như hệ thống lò nhiệt, điều khiển tốc độ, vị trí, moment động cơ AC

Trong mạch điều khiển này, vi điều khiển đóng vai trò quan trọng nhất Nó nhậntín hiệu điều khiển từ main board, tín hiệu hồi tiếp từ động cơ thông qua incrementalencoder để tính toán ra giá trị PWM cần thiết xuất ra cho bộ khuếch đại công suất điềukhiển động cơ đạt tốc độ/vị trí mong muốn Như đã nói ở trên, PID là thuật toán điềukhiển khá đơn giản, do đó, ta có thể sử dụng các vi điều khiển từ dòng 8bit (8051,AVR, PIC16, PIC18) đến những dòng cao cấp hơn như dòng 16bit (dsPIC, PIC24)hoặc 32bit (ARM, PIC 32bit, AVR 32bit)

Trang 19

Trong các hệ thống điều khiển tự động, đặc biệt là các hệ thống nhằm ổn địnhchất lượng hệ thống thì người ta thường sử dụng tính năng ưu việt của module điềuchỉnh tỷ lệ - tích phân - vị phân (PID) Các bộ PID này thường được tích hợp săn trongcác thiết bị điều khiển (PLC hay một số thiết bị điều khiển phổ biến khác) Trong bàitoán thiết kế, vận hành hệ thống, sau khi đã tính toán được các thông số và lựa chọnđược bộ điều chỉnh cần thiết người ta thường chỉ phải chọn và thiết đặt các thông sốchính của bộ điều chỉnh ( P, I, D) trong các thiết bị điều chỉnh đề hệ thống thực hiệnchứ không phải làm một " bo mạch PID " kiểu như vi xử lý

Ngoài ra ,bây giờ hệ thống điều khiển số phát triển rất mạnh Ta có bộ điều khiểnPID số, người ta thường dùng phương pháp lập trình để thực hiện các hàm chức năngcủa hệ điều chỉnh

Còn về PID trong PLC , nó chính là bộ điều khiển số, tốc độ xử lý của modul PID phụ thuộc vào CPU ta sử dụng modul mềm PID chỉ thích hợp cho những hệ thông có số vòng điều khiển ít

1.3 Hệ thống treo xe bus

a) Giới thiệu chung

Hệ thống treo trên ô tô là gì?

Trang 20

Có thể nói hệ thống treo ô tô là một trong những nhân tố làm giảm chấn chỉnhtrên ô tô, giúp chiếc xe di chuyển êm ái và ít bị xóc nảy hơn Nếu như chiếc xe đi trênnhững đoạn đường có nhiều ổ gà, gồ ghề thì hệ thống này sẽ loại bỏ đi những daođộng thẳng đứng và hạn chế các ảnh hưởng cơ học đến phần khung, các chi tiết kimloại tránh cho việc chiếc xe bị nảy lên quá nhiều từ đó mang lại sự thoải mái cho người

ngồi trong xe

b) Cấu tạo của hệ thống treo thông thường

Dựa theo cấu tạo chung của hệ thống treo đa số xe hiện nay thì hệ thống treo của

xe gồm 3 bộ phận chính:

- Bộ phận đàn hồi là bộ phận quan trọng nhất (thường là các loại như : Nhíp, Lò

xo, Thanh xoắn, Khí nén, Cao su), có tác dụng làm giảm tần số dao động của ô tô, đảmbảo độ êm dịu khi xe chuyển động qua những cung đường không bằng phẳng

- Bộ phận giảm chấn có nhiệm vụ loại dao động của bánh và thân ô tô, tăng độbám đường cho bánh, giúp tránh không bị rung lắc mạnh

- Bộ phận dẫn hướng (thanh ổn định) có chức năng tiếp nhận, truyền lực và men giữa bánh và khung xe Cũng căn cứ theo điều này, hệ thống treo thường đượcchia làm hai loại chính là treo độc lập và treo phụ thuộc Hai thuật ngữ này ám chỉ khảnăng điều chỉnh các bánh xe đối nhau chuyển động độc lập

mô-Hình 1.8.Hệ thống giảm chấn của ô tô

Trang 21

Hình 1.9.Hình ảnh 3-D hệ thống treo ô tô

c) Yêu cầu đối với hệ thống

Hệ thống treo phải đảm bảo được các yêu cầu cơ bản sau đây:

- Đặc tính đàn hồi của hệ thống treo (đặc trưng bởi độ võng tĩnh ft và hành trìnhđộng fđ) phải đảm bảo cho xe có độ êm dịu cần thiết khi chạy trên đường tốt và không

bị va đập liên tục lên các ụ hạn chế khi chạy trên đường xấu không bằng phẳng với tốc

độ cho phép Khi xe quay vòng, tăng tốc hoặc phanh thì vỏ xe không bị nghiêng, ngửahay chúc đầu

- Đặc tính động học, quyết định bởi bộ phận dần hướng, phải đảm bảo cho xechuyển động ổn định và có tính điều khiển cao, cụ thể là:

+ Đảm bảo cho chiều rộng cơ sở và góc đặt các trụ quay đứng của bánh xedẫn hướng không đổi hoặc thay đổi không đáng kể;

+ Đảm bảo sự tương ứng động học giữa các bánh xe và truyển động lái, đểtránh gây ra hiện tượng tự quay vòng hoặc dao động các bánh xe dẫn hướng xungquanh trụ quay của nó

Giảm chấn phải có hệ sổ dập tắt dao động thích hợp để dập tắt dao động đượchiệu quả và êm dịu

Trang 22

- Có khối lượng nhỏ, đặc biệt là các phần không được treo

- Kết cẩu đơn giản, dễ bố trí Làm việc bển vừng, tin cậy

1.3.2 Ứng dụng hệ thống treo xe bus

Hệ thống treo nói chung, gồm có ba bộ phận chính là: Bộ phận đàn hồi, Bộ phậndần hướng và Bộ phận giảm chấn Mỗi bộ phận đảm nhận một chức năng và nhiệm vụriêng biệt

- Bộ phận đàn hồi: Dùng đề tiếp nhận và truyền các tải trọng thẳng đứng, làmgiảm va đập và tải trọng động tác dụng lên khung vỏ và hệ thống chuyển động, đảmbảo độ êm dịu cần thiết cho ô tô máy kéo khi chuyển động

- Bộ phận dẫn hướng: Dùng để tiếp nhận và truyền lẻn khung các lực dọc, ngangcũng như các mômen phản lực và mômen phanh tác dụng lên bánh xe Động học của

bộ phận dẫn hướng xác định đặc tính dịch chuyển tương đối của bánh xe đối vớikhung vỏ

- Bộ phận giảm chấn: Cùng với ma sát trong hệ thống treo, có nhiệm vụ tạo lựccản, dập tắt các dao động của phần được treo và không được treo, biến cơ năng củadao động thành nhiệt năng tiêu tán ra môi trường xung quanh

1.3.3 Hệ thống điều khiển tốc độ của hệ cơ

là robot chạy không ổn định, vừa mới lập trình chạy được khi chạy thêm một vòng nữathì lại bị lỗi, khi Pin đầy robot chạy tốt , pin yếu một chút thì lại chạy sai Việc dừngtại một vị trí chính xác nào đấy trên sân cũng rất quan trọng, tuy nhiên robot lại khi thìdừng chỗ này, lúc lại dừng dừng chỗ kia

Sau nhiều nghiên cứu một giải pháp đã được tìm ra, đó là bộ điều khiển động cơdùng giải thuật PID Kỹ thuật điều khiển PID tuy không phải là một kỹ thuật điềukhiển mới, nhưng lại là kỹ thuật phổ biến nhất chuyên dùng để điều khiển các hệ thống

Trang 23

trong công nghiệp như hệ thống lò nhiệt, điều khiển tốc độ, vị trí, moment động cơ AC

Trong mạch điều khiển này, vi điều khiển đóng vai trò quan trọng nhất Nó nhậntín hiệu điều khiển từ main board, tín hiệu hồi tiếp từ động cơ thông qua incrementalencoder để tính toán ra giá trị PWM cần thiết xuất ra cho bộ khuếch đại công suất điềukhiển động cơ đạt tốc độ/vị trí mong muốn Như đã nói ở trên, PID là thuật toán điềukhiển khá đơn giản, do đó, ta có thể sử dụng các vi điều khiển từ dòng 8bit (8051,AVR, PIC16, PIC18) đến những dòng cao cấp hơn như dòng 16bit (dsPIC, PIC24)hoặc 32bit (ARM, PIC 32bit, AVR 32bit)

Trong các hệ thống điều khiển tự động, đặc biệt là các hệ thống nhằm ổn địnhchất lượng hệ thống thì người ta thường sử dụng tính năng ưu việt của module điềuchỉnh tỷ lệ - tích phân - vị phân (PID) Các bộ PID này thường được tích hợp săn trongcác thiết bị điều khiển (PLC hay một số thiết bị điều khiển phổ biến khác) Trong bàitoán thiết kế, vận hành hệ thống, sau khi đã tính toán được các thông số và lựa chọnđược bộ điều chỉnh cần thiết người ta thường chỉ phải chọn và thiết đặt các thông số

Trang 24

chính của bộ điều chỉnh ( P, I, D) trong các thiết bị điều chỉnh đề hệ thống thực hiệnchứ không phải làm một " bo mạch PID " kiểu như vi xử lý.

Ngoài ra ,bây giờ hệ thống điều khiển số phát triển rất mạnh Ta có bộ điều khiểnPID số, người ta thường dùng phương pháp lập trình để thực hiện các hàm chức năngcủa hệ điều chỉnh

Còn về PID trong PLC , nó chính là bộ điều khiển số, tốc độ xử lý của modulPID phụ thuộc vào CPU ta sử dụng modul mềm PID chỉ thích hợp cho những hệ thông

có số vòng điều khiển ít

Trang 27

Phương trình cân bằng Momen của động cơ:

Trang 28

2.2 Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu

2.2.1 Thông số hệ thống

Cho cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều nam châm vĩnhcửu như hình 1 Và mạch phần ứng động cơ điện một chiều như hình 2 Trong đó: R làtín hiệu đặt tốc độ; θ là góc quay của động cơ; u là tín hiệu điều khiển động cơ Cácthông số của động cơ như sau:

Từ phương trình (3) ta có:

I(s) = s (J s+b) θ(s)

K

Trang 29

Vì hàm bậc 3 suy giảm rất nhanh về dạng hàm bậc 2 nên ta có thể coi hàmtruyền của hệ là

G(s)= ˙θ(s)

V (s)=

K

(J s +b).(L s +R)+K2

Xây dựng phương trình không gian trạng thái:

Ta có thể chọn tốc độ quay và dòng điện là các biến trạng thái Điện áp là đầuvào, đầu ra là tốc độ quay

Trang 30

2.3 Hệ thống treo xe bus

2.3.1 Thông số hệ thống

Cho cấu trúc hệ thống điều khiển hệ thống treo xe bus và mô hình hệ thống treo

xe bus như hình 1 và 2 Trong đó: u là tín hiệu điều khiển hệ thống treo Các thông sốcủa động cơ như sau:

- Khối lượng thân xe: 2500kg

- Khối lượng bánh xe: 320kg

Tọa độ (x, y) được hướng như hình khi: x1=0 ; x2 =0

Hệ đứng yên ở trạng thái cân bằng(tĩnh) (cho phép trọng lượng được phép bỏ qua).Giả sử cả lò xo và giảm chấn đều tuyến tính

Hình 2.12.Hệ thống treo xe buýt

Trang 31

Ta chọn chiều dương theo hướng x1và x2 như hình vẽ (chiều tích cực).

Từ hình trên và định luật II Newton, chúng ta có được các phương trình chuyểnđộng như sau:

M2 ¨x2=b1( ˙x1− ˙x2)+k1(x1−x2)+b2( ˙w− ˙x2)+k2(w −x2)−U (b)Giả thiết các điều kiện ban đầu đều bằng không, những phương trình này đặctrưng cho trạng thái bánh xe bus bị xóc Do hiệu số x1-W rất khó để tính toán, độ biến

dạng của lốp xe x2-W có thể bỏ qua, vì vậy chúng ta có thể dùng hiệu số x1-x2 thay thếcho đầu ra x1-W Vậy ta có đầu ra của hệ thống là x1-x2 và hai đầu vào là U và W

Ta tìm hàm truyền G1(s) và G2(s) như sau:

Sử phép biến đổi Laplace các phương trình (a), (b) phía trên, ta được:

Trang 32

Khi chúng ta chỉ muốn xét đến đầu vào U(s), chúng ta đặt W(s)=0 Do đó chúng

ta được hàm truyền sau:

Trang 33

2.4 Hệ thống điều khiển tốc độ của hệ cơ

Trang 36

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH CHO HỆ

THỐNG

3.1 Động cơ điện một chiều kích từ song song

Xây dựng biểu đồ born graph và hệ thống điều khiển

Hệ thống động cơ điện 1 chiều song song gồm các phần tử:

Nguồn cấp cho mạch là nguồn U, nguồn này cấp cho động cơ hoạt động

 Đối với hệ thống điện

Bước 1: Tại mỗi vị trí trong mạch điện có điện thế khác nhau,đặt các

Junction 0 Bước 2: Chèn mỗi phần tử 1 cổng bằng cách kết nối với các

Junction 1 bằng các đường kiên kết và chèn vào giữa các Junciton 0 có

liên quan

Hình 3.14.Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ song song

Trang 37

Bước 3: Gán các công suất tới tất cả các đường liên kết trong sơ đồ.

Bước 4: Nếu các vị trí có thế đất đã được xác định thì xoá bỏ các Junction 0, rút gọn và các đường liên kết với nó

 Đối với hệ thống cơ

Bước 1: Tại mỗi vị trí có vận tốc khác nhau đặt các Junction 1

Bước 2: Đưa các phần tử dung kháng, trở kháng theo chiều năng lượng

kết nối với 1 sử dụng kết nối với 0

Bước 3: Gán chiều công suất cho tất cả các phần tử trong hệ thống

Bước 4: Rút gọn và loại bỏ tất cả cá kết nối với 1 có vận tốc bằng 0 và

các kết nối với nó

3.1.1 Xây dựng biểu đồ Bond graph mô tả hệ thống

Bước 1: Đặt các Junction 0 tại các vị trí có điện thế khác nhau

Trang 38

Bước 2: Thêm các phần tử hệ thống

Bước 3: Liên kết các Junction 0 và Junction 1và gán chiều công suất tới tất cả cácđường liên kết trong sơ đồ

Trang 39

Bước 4: Các vị trí có thế đất đã được xác định thì xoá bỏ các Junction 0, rút gọn và cácđường liên kết với nó.

3.1.2 Xây dựng hệ thống điều khiển động cơ

Theo yêu cầu, Hệ thống điều khiển động cơ 1 chiều kích từ song song với tín hiệuđặt là V, tín hiệu vào của mạch điện động cơ là điện áp và tín hiệu đầu ra của hệ thống

là tốc độ của động cơ

Trong các phương pháp điều khiển tốc độ quay của động cơ thì phương pháp sửdụng bộ điều khiển PID chính xác Khâu hiệu chỉnh PID là trường hợp riêng của khâuhiệu chỉnh sớm trễ pha, có thể xem PID là khâu PI mắc nối tiếp với khâu PD nên nótối ưu và mang những ưu điểm của cả khâu PI và PD

Khâu hiệu chỉnh PID cải thiện đáp ứng quá độ và sai số xác lập

Theo đó, tín hiệu đặt V là tốc độ quay mong muốn của hệ thống sẽ được mô phỏngbằng khối constant với giá trị góc tốc độ không đổi V=250 rad/s Tín hiệu phản hồi về

từ động cơ là tốc độ quay thực tế, khi đó lỗi sẽ đưa vào khâu hiệu chỉnh PID để đạt sai

số nhỏ nhất

Hình 3.15.Biểu đồ bond graph mô tả động cơ điện

Trang 40

Biểu đồ bond graph mô tả hệ thống điều khiển động cơ điện

Hình 3.17.Biểu đồ bond graph mô tả hệ thống điều khiển động cơ điện

3.2 Hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu

3.2.1 Xây dựng biểu đồ Bond graph

Bước 1: Đưa vào các phần tử trở kháng và cảm kháng

Tiêu đề	Bài Tập Lớn Môn Học Mô Hình Hóa Và Mô Phỏng Hệ Thống Cơ Điện Tử
Tác giả	Nguyễn Khải An, Nguyễn Trường An
Người hướng dẫn	ThS. Lê Ngọc Duy
Trường học	Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Chuyên ngành	Cơ Khí
Thể loại	bài tập lớn
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	82
Dung lượng	2,9 MB