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
lOMoARcPSD|39474592 BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Khoa Cơ khí BÀI TẬP LỚN MÔN: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG Đề tài: Xây dựng hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu Giáo viên hƣớng dẫn : TS Phan Đình Hiếu Sinh viên thực hiện : 2019606565 1.Nguyễn Ngọc Đức 2020608585 2 Đặng Hoàng Hà 2019606828 3.Vũ Tùng Dƣơng Hà Nội - 2021 Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 MỤC LỤC CHƢƠNG 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 Ƣu điểm và nhƣợc 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 CHƢƠNG 2 : XÂY DỰNG PHƢƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG PHƢƠNG 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 phƣơng trình không gian trạng thái 13 2.2.1 Xây dựng hàm truyền 13 2.2.2 Xây dựng phƣơng trình không gian trạng thái 14 CHƢƠNG 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 CHƢƠNG 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 2 Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 DANH MỤC 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 bƣớc đƣợc 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 3 Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 Hình 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 4 Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 LỜI MỞ ĐẦU Trong quá trình sản xuất công nghiệp nhƣ hiện nay, các sản phẩm cơ điện tử từ chỗ là sản phẩm cơ khí, tự động hóa cứng đã đƣợc 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 đƣơng chức năng thực hiện chƣơng trình hóa Thế hệ các máy móc cồng kềnh đã đƣợc 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 Nhƣng 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 phƣơng 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 đƣợc trong quá trình học tập ở trƣờng sẽ đƣợc 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 trƣờng cùng với sự tìm tòi, nghiên cứu và hƣớng dẫn tận tình của Thầy Phạm Tiền Hùng cùng các Thầy/Cô thuộc Khoa Cơ Khí – Bộ Môn Cơ Điện Tử-Trƣờng 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 nhƣng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, mong các quý Thầy/Cô và các bạn thông cảm và rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp từ quý Thầy/Cô và các bạn Chúng em xin chân thành cảm ơn! 5 Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 CHƢƠNG 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 đƣợc biết đến là động cơ DC Đây là động cơ đƣợc điều khiển bằng dòng có hƣớng xác định trƣớc Nói một cách đơn giản và dễ hiểu hơn thì đây là động cơ chạy bằng nguồn điện áp DC Động cơ DC là động cơ 1 chiều và nguồn điện áp là nguồn 1 chiều Hình 1 1: Động cơ điện 1 chiều 1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều Động cơ điện 1 chiều có 4 phần chính: - Stator: Là phần đứng yên, đƣợc chế tạo sử dụng từ 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, có thể là nam châm điện - Rotor: Là phần quay đƣợc, nó chính là lõi đƣợc quấn các cuộn dây nhằm mục đích tạo thành nam châm điện - Chổi than (còn đƣợc gọi là brushes): Làm nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho bộ phận cổ góp 6 Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 - Cổ góp (còn đƣợc gọi là commutator): Thực hiện nhiệm vụ tiếp xúc và chia điện đều cho các cuộn dây ở trên phần rotor (phần quay) Hình 1 2: Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều DC 1.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện 1 chiều - Stato của động cơ điện 1 chiều thƣờng là 1 hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện, rotor gồm có các cuộn dây quấn và đƣợc kết nối với nguồn điện một chiều Một phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều chính là bộ phận chỉnh lƣu, bộ phận này làm nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong chuyển động quay của rotor là liên tục Thông thƣờng, bộ phận này sẽ có 2 thành phần: một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp Hình 1 3: Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện 1 chiều - Nếu trục của động cơ điện một chiều đƣợc kéo bằng 1 lực ngoài thì động cơ này sẽ hoạt động nhƣ một máy phát điện một chiều, và tạo ra một xuất điện 7 Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 động cảm ứng Electromotive force Khi vận hành ở chế độ bình thƣờng, rotor khi quay sẽ phát ra một điện áp đƣợc 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 tƣơng tự nhƣ sức điện động đƣợc phát ra khi động cơ sử dụng nhƣ một máy phát điện Nhƣ vậy điện áp đặt trên động cơ sẽ bao gồm 2 thành phần: sức phản điện động và điện áp giáng tạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phản ứng - Dòng điện chạy qua động cơ sẽ đƣợc tính theo công thức sau: - Công suất cơ mà động cơ đƣa ra đƣợc sẽ tính bằng: 1.2 Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu 1.2.1 Động cơ nam châm vĩnh cửu - Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu là động cơ điện một chiều đƣợc kích từ bằng nam châm vĩnh cửu - Một động cơ nam châm vĩnh cửu DC tƣơng tự nhƣ một động cơ thông thƣờng Động cơ kích từ song song đƣợc làm từ nam châm vĩnh cửu thay cho động cơ dây quấn cực từ nồi 8 Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 Hình 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 - Các nam châm vĩnh cửu của động cơ DC đƣợc gắn với trụ sắt stator có nhiệm vụ phản hồi chiều từ thông Rotor có các rãnh dây quấn phiến gót và chổi than giống nhƣ các máy điện DC thông thƣờng Hình 1 5: Động cơ DC và động cơ bƣớc đƣợc sử dụng làm thiết bị truyền động 9 Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 Hình 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 tƣơng tự nhƣ 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 trƣờng thì 1 lực cơ học sẽ xuất hiện bởi dây dẫn và hƣớng của lực này cũng sẽ đƣợc điều chỉnh bởi quy tắc bàn tay trái của Fleming - Nhƣ trong 1 động cơ DC nam châm vĩnh cửu, động cơ có phần ứng đƣợc đặt bên trong từ trƣờng của thanh nam châm vĩnh cửu Các armature khi đó sẽ quay theo hƣớng 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: + B chính là cƣờng độ từ trƣờng, đơn vị tính là Tesla (weber/ m2), + I là dòng điện chạy trong dây dẫn đó, đƣợc tính bằng Ampe (A), + L là chiều dài của sợi dây dẫn, đƣợc tính bằng mét (m) 10 Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com)