Trang 1 BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Khoa Cơ khí --- BÀI TẬP LỚN MƠN: MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG Đề tài: Xây dựng hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một ch
Trang 1Đề tài: Xây dựng 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 :
Trang 2M ỤC LỤC
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 5
1.1 Động cơ điện một chiều 6
1.1.1 Động cơ điện 1 chiều 6
1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều 6
1.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện 1 chiều 7
1.2 Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu 8
1.2.1 Động cơ nam châm vĩnh cửu 8
1.2.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu 9
1.2.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu 10
1.2.4 Ưu điểm và nhược điểm của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu 11 1.2.5 Ứng dụng của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu 11
CHƯƠNG 2 : XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ 12
2.1 Phân tích mô hình hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu 12
2.2 Mô hình hóa hệ thống bằng hàm truyền và phương trình không gian trạng thái 13
2.2.1 Xây dựng hàm truyền 13
2.2.2 Xây dựng phương trình không gian trạng thái 14
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 15
3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph 15
3.2 Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều 19
CHƯƠNG 4 : MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG PHẦN MỀM 20-SIM 22
4.1 Mô phỏng và đánh giá các đặc tính tốc độ của động cơ điện một chiều 22
4.2 Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều 26
4.2.1 Bộ điều khiển P 26
4.2.2 Bộ điều khiển PI 29
4.2.3 Bộ điều khiển PD 32
4.2.4 Bộ điều khiển PID 36
Trang 3DANH M ỤC HÌNH ẢNH
Hình 1 1: Động cơ điện 1 chiều 6
Hình 1 2: Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều DC 7
Hình 1 3: Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện 1 chiều 7
Hình 1 4: Động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu 9
Hình 1 5: Động cơ DC và động cơ bước được sử dụng làm thiết bị truyền động 9
Hình 1 6: Cấu tạo của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu 10
Hình 2 1: Cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều 12
Hình 2 2: Mạch phần ứng động cơ điện một chiều 12
Hình 3 1: Biểu đồ Bond Graph của hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều 18
Hình 3 2: Quan hệ nhân quả giữa các phần tử trong hệ thống 19
Hình 4 1: Thiết lập các thông số sử dụng trong mô phỏng 23
Hình 4 2: Dòng điện phần ứng và mômen đầu ra so với thời gian 24
Hình 4 3: Suất điện động và tốc độ quay so với thời gian 24
Hình 4 4: Phân bố tổng mômen giữa quán tính và các phần tử tắt dần 25
Hình 4 5: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển P 26 Hình 4 6: Thông số bộ điều khiển P 26
Hình 4 7: Thông số mô phỏng ban đầu của bộ điều khiển P 27
Hình 4 8: Đáp ứng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển P với hệ số Kp =1 27
Hình 4 9: Đáp ứng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển P với hệ số Kp =4 28
Hình 4 10: Đáp ứng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển P với hệ số Kp =10 28
Hình 4 11: Đáp ứng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển P với hệ số Kp =30 29
Hình 4 12: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển PI 30
Hình 4 13: Thông số bộ điều khiển PI 30
Hình 4 14: Thông số mô phỏng ban đầu của bộ điều khiển PI 31
Hình 4 15: Đáp ứng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI với hệ số Kp =1 31
Hình 4 16: Đáp ứng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI với hệ số Kp =10 32
Hình 4 17: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển PD 33
Hình 4 18: Thông số bộ điều khiển PD 33
Hình 4 19: Thông số mô phỏng ban đầu của bộ điều khiển PD 34
Hình 4 20: Đáp ứng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển PD với hệ số Kp =1 34
Hình 4 21: Đáp ứng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển PD với hệ số Kp =10 35
Hình 4 22: Đáp ứng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển PD với hệ số Kp =30 35
Trang 4Hình 4 23: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển
PID 36
Hình 4 24: Thông số của bộ điều khiển PID 37
Hình 4 25: Thông số mô phỏng ban đầu của bộ điều khiển PID 37
Hình 4 26: Đáp ứng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID với hệ số Kp =1 38
Hình 4 27: Đáp ứng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID với hệ số Kp =10 39
Trang 5L ỜI MỞ ĐẦU
Trong quá trình sản xuất công nghiệp như hiện nay, các sản phẩm cơ điện tử từ chỗ là sản phẩm cơ khí, tự động hóa cứng đã được cải tiến, thiết kế mới thành các sản phẩm tích hợp Các mạch điện tử đã thay thế một phần chức năng của hệ cơ khí làm cho các bộ phận cơ khí nhỏ gọn và đơn giản hơn, đồng thời đảm đương chức năng thực hiện chương trình hóa Thế hệ các máy móc cồng kềnh đã được thay thế bằng thiết bị nhỏ gọn, tin cậy hơn nhờ các thành tựu mới trong lĩnh vực điện- điện tử và từ
đó tác động trở lại quá trình thiết kế và chế tạo các bộ phận cơ khí
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ về điều khiển, tự động hoá, điện tử và k thuật máy tính cùng với những ứng dụng rộng rãi vào việc thiết kế và chế tạo sản phẩm, khái niệm Cơ điện tử tiếp tục phát triển sau này và có nhiều các định nghĩa khác nhau Nhưng chung quy lại hệ thống cơ điện tử là để sản phẩm có thể hoạt động một cách dễ dàng, thuận lợi với yêu cầu của hệ thống đề ra
Trong bài báo cáo này sẽ làm rõ về hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu bằng cách phân tích vật lí hệ thống đem ra phương trình mô tả hệ thống, biểu đồ Bond Graph và xây dựng mô hình hóa hệ thống mô phỏng, đánh giá trên phần mềm 20-sim
Những kiến thức, năng lực đạt được trong quá trình học tập ở trường sẽ được đánh giá qua bài báo cáo với đợt bảo vệ đồ án cuối kỳ Vì vậy, nhóm đã cố gắng tận dụng những kiến thức đã học ở trường cùng với sự tìm tòi, nghiên cứu và hướng dẫn tận tình của Thầy Phạm Tiền Hùng cùng các Thầy/Cô thuộc Khoa Cơ Khí – Bộ Môn
Cơ Điện Tử-Trường ĐHCNHN để có thể hoàn thành tốt đồ án này
Mặc dù, trong quá trình thực hiện đồ án nhóm em đã cố gắng hoàn thành nhiệm
vụ đề tài đặt ra nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, mong các quý Thầy/Cô và các bạn thông cảm và rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ quý Thầy/Cô và các bạn
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Trang 6C HƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
1.1 Động cơ điện một chiều
1.1.1 Động cơ điện 1 chiều
- Động cơ điện 1 chiều hay còn được biết đến là động cơ DC Đây là động cơ được điều khiển bằng dòng có hướng xác định trước Nói một cách đơn giản và
1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều
Động cơ điện 1 chiều có 4 phần chính:
vĩnh cửu, có thể là nam châm điện
- Rotor: Là phần quay được, nó chính là lõi được quấn các cuộn dây nhằm mục đích tạo thành nam châm điện
Trang 7- Cổ góp (còn được gọi là commutator): Thực hiện nhiệm vụ tiếp xúc và chia điện đều cho các cuộn dây ở trên phần rotor (phần quay)
1.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện 1 chiều
hay nam châm điện, rotor gồm có các cuộn dây quấn và được kết nối với nguồn điện một chiều Một phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều chính là bộ
động quay của rotor là liên tục Thông thường, bộ phận này sẽ có 2 thành phần:
Trang 8động cảm ứng Electromotive force Khi vận hành ở chế độ bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một điện 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 tự như sức điện động được phát ra khi động cơ sử dụng như một máy phát điện Như vậy điện áp đặt trên động cơ sẽ
1.2 Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu
1.2.1 Động cơ nam châm vĩnh cửu
Động cơ kích từ song song được làm từ nam châm vĩnh cửu thay cho động cơ dây quấn cực từ nồi
Trang 9Hình 1 4: Động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu
1.2.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu
Trang 10Hình 1 6: Cấu tạo của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu
1.2.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu
- Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu cũng tương tự như nguyên lý hoạt động chung của toàn bộ động cơ điện một chiều
Đó là khi 1 sợi dây dẫn mang vào trong 1 từ trường thì 1 lực cơ học sẽ xuất hiện
theo hướng của momen lực tạo ra Ở đây, mỗi sợi dây dẫn của bộ phận chịu lực cũng sẽ tác động đến lực cơ 1 lực F = BIL (N) Trong đó:
Trang 111.2.4 Ưu điểm và nhược điểm của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu
DC
cực từ một cách bán khống vĩnh viễn (một phần) do dòng điện áp quá nhiều
cơ này rất khó
1.2.5 Ứng dụng của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu
- Động cơ nam châm vĩnh cửu loại nhỏ thường được sử dụng trong xe găn máy,
không dây
như: máy trộn thức ăn, máy nghiền đá, máy hút bụi cầm tay và đánh bóng giày,
và cũng có trong các công cụ cầm tay như khoan, cưa saber
Trang 12CHƯƠNG 2 : XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN
M ỘT CHIỀU SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ
2.1 Phân tích mô hình h ệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu
Hình 2 1: Cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều
- Các thông s ố của động cơ như sau :
Trang 132.2 Mô hình hóa h ệ thống bằng hàm truyền và phương trình không gian trạng thái
Trang 142.2.2 Xây dựng phương trình không gian trạng thái
Các phương trình vi phân từ trên cũng có thể được biểu diễn dưới dạng không gian trạng thái bằng cách chọn vị trí động cơ, tốc độ động cơ và dòng điện phần ứng làm các biến trạng thái Một lần nữa điện áp phần ứng được coi là đầu vào và vị trí quay được chọn làm đầu ra
Trang 15CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ
ĐIỆN MỘT CHIỀU
3.1 Xây d ựng biểu đồ Bond Graph
Đối với phần điện
1 Mỗi vị trí trong mạch điện mà điện thế khác nhau, thì đặt 0-juctions
2.Chèn mỗi phần tử mạch “single port” bằng kết nối nó với 1-junctions bằng đường power bond
a b c
d
Trang 163 Gán chiều công suất tới tất cả các bond trong mô hình
Trang 175 Đơn giản hóa các bond graphs theo các nguyên tắc
Trang 183 Gán chiều công suất tới các bonds
Element) để liên kết 2 hệ thống này với nhau ta đƣợc:
Trang 19- Quan hệ nhân quả giữa các phần tử trong hệ thống
3.2 H ệ thống điều khiển động cơ điện một chiều
Trang 20- Bộ điều khiển PI
Trang 21- Bộ điều khiển PID
Trang 22CHƯƠNG 4 : MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH VỊ TRÍ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG
CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG PHẦN MỀM 20-SIM
4.1 Mô ph ỏng và đánh giá đặc tính vị trí của động cơ điện một chiều
- Trong đó : T là momen xoắn
quán tính đầu ra
- Biểu diễn đồ thị liên kết của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu:
Trang 23- Thiết lập thông số ban đầu đƣợc sử dụng trong mô phỏng:
Trang 24Hình 4 2: Dòng điện phần ứng và mômen đầu ra so với thời gian
- Tại thời điểm ban đầu suất điện động phần ứng rất nhỏ, vì vậy dòng điện phần ứng
và mômen cao Khi động cơ chuyển động càng nhanh thì dòng điện và mômen càng giảm
Trang 25Hình 4 4: Phân bố tổng mômen giữa quán tính và các phần tử tắt dần
momen đƣợc dùng để gia tốc quán tính, nhƣng một khi nó đạt đến tốc độ ổn định momen cần thiết chỉ là phần để vƣợt qua ma sát
Trang 264.2 H ệ thống điều khiển động cơ điện một chiều
4.2.1 Bộ điều khiển P
- Bộ điều khiển P hay còn gọi là bộ điều khiển tỷ lệ tín hiệu điều khiển đƣợc thể hiện:
Hình 4 5: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển vị trí động cơ sử dụng bộ
điều khiển P
Trang 27- Thiết lập thông số ban đầu sử dụng trong mô phỏng:
Trang 28- Biểu đồ thể hiện một trong nhưng nhược điểm khi sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ
Có một sai số xác lập vẫn được duy trì khi hệ thống ổn định Ta tiếp tục tăng
đây:
Hình 4 9: Đáp ứng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển P với hệ số Kp =4
đổi và được thể hiện trong hình dưới đây:
Trang 29- Từ biểu đồ trên ta thấy sai lệch của hệ thống đã được giảm nhưng đáp ứng của
hệ thống có chút dao động, xuất hiện độ vọt lố.Ta tiếp tục tặng Kp Khi Kp = 30 đáp ứng của hệ thống thay đổi và được thể hiện trong hình dưới đây:
Hình 4 11: Đáp ứng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển P với hệ số Kp =30
4.2.2 Bộ điều khiển PI
- Bộ điều khiển PI biểu trưng cho bộ điều khiển tích phân tỉ lệ Tín hiệu điều khiển có thể viết dưới dạng:
- Có thể thấy, tín hiệu điều khiển không những phụ thuộc sai lệch thực tế mà còn vào
số sai lệch được tích lũy theo thời gian Hai thông số trong thuật toán điều khiển đã được điều chỉnh để hiệu chỉnh tín hiệu điều chỉnh: Kp và Ti Trong khi, Kp là hằng số
tỉ lệ giống như phần trước, Ti là hằng số tích phân Đặc trưng của bộ điều khiển tích
Trang 30phân là có thể loại bỏ được sai lệch Tuy nhiên, đáp ứng chậm và thiếu ổn định Nhìn chung, nó bổ sung cho bộ điều khiển P khá tốt và thường được sử dụng kết hợp với bộ điều khiển P
- Sơ đồ Bond Graph:
Trang 31Hình 4 14: Thông số mô phỏng ban đầu của bộ điều khiển PI
=10
Trang 32đáp ứng sẽ thay đổi và được thể hiện trong hình dưới đây:
4.2.3 Bộ điều khiển PD
Hai thông số ảnh hưởng tới bộ điều khiển là Kp và Td Trong đó, thông số Td là
Trang 33- Sơ đồ Bond Graph:
- Thông số bộ điều khiển PD:
Trang 34Hình 4 19: Thông số mô phỏng ban đầu của bộ điều khiển PD
Trang 35- Với Kp = 10:
- Với Kp = 30
Trang 364.2.4 Bộ điều khiển PID
điểm Quá trình này đƣợc thực hiện trong thực tế bằng cách điều chỉnh ba tham
này đƣợc biểu diễn là:
Trang 37- Thông số của bộ điều khiển PID:
Hình 4 25: Thông số mô phỏng ban đầu của bộ điều khiển PID
Trang 38- Khi Kp = 1 , Td=1 ,Ti=1
-Khi Kp=1 , Td=0.1 , Ti=1
Trang 39- Với Kp = 10 ,Td=1,Ti=1
Hình 4 27: Đáp ứng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID với hệ số Kp =10
ổn định
K ẾT LUẬN
hơn về phương pháp điều khiển điều khiển, biết sử dụng cơ bản phần mềm sim Cũng cố lại kiển thức môn lí thuyết điều khiển và cơ cấu chấp hành và điều
này
Trang 40TÀI LI ỆU THAM KHẢO
Lý thuyết điều khiển tự động – Phan Xuân Minh – Nxb Giáo dục Giáo trình đo lường và cảm biến – Hà Văn Phương – Nxb KH&KT