Bài tập lớn môn học mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ điện tử1

Các thông Trang 3 - Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu và hệthống điều khiển động cơ điện một chiều.- Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để vi

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Khoa Cơ khí - -

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM

I Thông tin chung

2 Tên nhóm: Nhóm 14

3.Họ và tên thành viên: Nguyễn Văn Huy

Nguyễn Đức Khải

NỘI DUNG HỌC TẬP Bài số 1: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều nam châm vĩnh

cửu như hình 1 Và mạch phần ứng động cơ điện một chiều như hình 2 Trong đó: R là

số của động cơ như sau:

- Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu và hệthống điều khiển động cơ điện một chiều.

- Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả động cơ điện một

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 số của động

cơ như sau:

- Khối lượng thân xe: 2500kg

- Khối lượng bánh xe: 320kg

- Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả hệ treo

- Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ treo và hệ thống điều khiển hệ treo xe bus

- Mô phỏng và đánh giá các đặc tính giao động của thân xe sử dụng phần mềm 20-sim

Bài số 3

Cho cấu trúc hệ thống điều khiển con lắc như hình 1 và con lắc hình 2 Trong đó: Trong

khiển Các thông số của con lắc như sau:

- Khối lượng thân xe: 0.6kg

- Khối lượng con lắc: 0.1kg

- Chiều dài con lắc : 0.3m

- Moomen quán tính con lắc : 0.006kg*m2

- Hệ số ma sát của xe : 0.1N/m/s

Yêu cầu:

- Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về con lắc ngược

- Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả hệ con lắc

- Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả con lắc và hệ thống điều khiển hệ con lắc

- Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc nghiêng của con lắc sử dụng phần mềm 20-sim

Hình 1

Hình 2

KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS Phan Đình Hiếu ThS Lê Ngọc Duy

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bài số 1: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều nam châm vĩnh

cửu như hình 1 Và mạch phần ứng động cơ điện một chiều như hình 2 Trong đó: R là

số của động cơ như sau:

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, khoa học k礃̀ thuật phát triển ngày càng mạnh mẽ trong tất cả các lĩnhvực của đời sống và xản xuất Việc ứng dụng khoa học k礃̀ thuật vào các hoạt động sảnxuất đòi hỏi con người phải không ngừng học hỏi và nâng cao trình độ hiểu biết để kịpthời cập nhật những tiến bộ mới nhất của thế giới Chính vì vậy, phát triển ngành cơ điện

tử có ý nghĩa hết sức quan trọng vì các sản phẩm của ngành phục vụ trong tất cả cácngành khác trong nền kinh tế như: phục vụ trong lĩnh vực tự động hóa, k礃̀ thuật robot,chế tạo, điều khiển và cảm ứng, …

Trong đề tài đồ án môn “ Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống Cơ điện tử ” này, nhóm sinh viên chúng em xin trình bày một cách cụ thể về quá trình nghiên cứu tìm

hiểu và tính toán, thiết kế mô hình Thông qua đó có thể áp dụng nó vào các bài nghiên

cứu khoa học hay vào đồ án tốt nghiệp chuyên ngành khi ra trường

Để bài báo cáo được hoàn thiện hơn, nhóm chúng em hi vọng nhận được những

góp ý từ phía các thầy cô Qua đây, chúng em cũng xin được gửi lời cảm ơn đến các

thầy cô trong Khoa Cơ khí nói chung và thầy cô trong bộ môn Cơ điện tử nói riêng đã nhiệt tình hướng dẫn đồ án môn cho chúng em

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2023

1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu

a, Giới thiệu tổng quan.

Động cơ nam châm vĩnh cửu là gì? Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của Direct

Current) là động cơ được điều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói cách khác thì đây là loại động cơ chạy 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 từ bằng nam châm vĩnh cửu

b, Phân loại động cơ nam châm vĩnh cửu.

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

trăm tới vài nghìn MW Cuộn kích từ được cuốn theo 1 cực ẩn hoặc cực lồi

động cơ đặc biệt: động cơ bước, hay còn gọi là step motor

 Theo kết cấu thì có thể chia thành:

(Thường có số cực là 2p = 2)

có số cực là 2p ≥ 4)

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

diezen…giúp kéo trục Rotor để phát ra điện

tải ít có yêu cầu điều chỉnh lại tốc độ hay khởi động lại

điện

Ngoài ra, động cơ nam châm vĩnh cửu còn có các máy điện đồng bộ đặc biệt như:máy đồng bộ tần số cao, máy biến đổi 1 phần ứng, các máy đồng bộ công suất nhỏthường 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 cơ đồng bộphản kháng…

c, Cấu tạo và nguyên lý động cơ nam châm vĩnh cửu.

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:

vĩnh cửu, có thể là nam châm điện

đích tạo thành nam châm điện

điện đều cho các cuộn dây ở trên phần rotor (phần quay)

Hình 1:Động cơ nam châm vĩnh cửu còn có các máy điện đồng bộ đặc biệt

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 cửu 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 phận chỉnh lưu, 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 bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp

Hình 3:Nguyên tắc hoặt động của động cơ điện 1 chiều Hình 2:Cấu tạo động cơ điện 1 chiều DC

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 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 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 được tính theo công thức sau:

I=(V Nguồn −V p an ℎ dien dong)

 Tuổi thọ cao do không có chuyển mạch cơ khí

 Không gây nhiễu khi hoạt động

 Dải tốc độ rộng Những ưu điểm và nhược điểm củ

 Nếu dùng các loại nam châm sắt từ thì dễ bị từ hóa, khả năng tích từ không cao, dễ bị khử từ và đặc tính từ của nam châm bị giảm khi tăng nhiệt độ.

Dưới đây là ưu và nhược điểm của động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu sử dụng chổi than và không sử dụng chổi than:

Động cơ chổi than Động cơ không chổi than

Ưu

điểm

- Hiệu suất ổn định 75-80%

- Cấu tạo đơn giản không cần bộ

điều khiển riêng biệt cho động cơ

như động cơ không chổi than

- Bật tắt đơn giản với một công tắc

- Chi phí ban đầu rẻ

Hiệu suất cao 85-90%, vận hành nhẹnhàng, êm ái dù ở vận tốc thấp hay cao

- Do được kích từ nam châm vĩnh cửunên giảm tổn hao đồng và sắt, đồngthời giảm hao tốn năng lượng

- Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thờigian ngắn

- Tiết kiệm được chi phí bảo trì, thaythế chổi than và vành trượt

- độ bền cao hơn

Nhược

điểm

- Độ bền động cơ thấp hơn

- Năng lượng thất thoát nhiều do sự

ma sát giữ chổi than và roto khiến

mài mòn cuộn dây

- Phải thay thế bàn chải (chổi than)

đã mòn sau một thời gian sử dụng

- Giá thành cao hơn, khó phổ biến trênnhiều sản phẩm

1.2 ứng dụng về động cơ 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 cách nhanh chóng, hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn đáng kể.

 Động cơ điện hiện đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi và thay thế dần cho những loại động cơ truyền thống Bởi lẽ, loại động cơ này không chỉ hoạt động bền bỉ, linh hoạt, có thể lắp đặt và vận hành cho nhiều loại máy móc, thiết bị khác nhau, mà còn tiết kiệm năng lượng tiêu thụ đáng kể Chính vì thế, ứng dụng của loại 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 đời sống: trong tivi, máy công nghiệp, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, đặc biệt trong công nghiệp giao thông vận tải, và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi lớn

Trong lĩnh vực công nghệ thông tin, loại động cơ này còn xuất hiện trong các máy

vi tính, cụ thể là được sử dụng trong các ổ cứng, ổ quang,

1.3 hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

2 PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

2.1 Phân tích vật lý mô hình hệ thống động cơ điện một chiều

 Hệ số Momen K= 0.3

 Tín hiệu vào: Điện áp V

 Tín hiệu ra: Xác định vị trí (θ)

Mô hình hóa hệ thống bằng hàm truyền và phương trình không gian trạng thái:

Xây dựng hàm truyền của hệ thống :

Áp dụng định luật Kirchhoff cho phần điện ta có:

Áp dụng định luật II Niuton cho phần cơ ta có phương trình:

Biến đổi Laplace:

2.2 Xây dựng phương trình không gian trạng thái:

K J

3 XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH

3.1 Xây dựng biểu đồ bond graph

Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiểnđộng cơ điện một chiều

Biểu đồ Bond Graph có hai phía Một bên là phần tử điện bao gồm điện áp đặt vào (V),điện trở phần ứng (R) và điện cảm phần ứng (L) Bên còn lại chứa các thành phần quántính (J) và hệ số cản (b)

Xây dựng biểu đồ Bond Graph của hệ thống bao gồm các bước:

Bước 1: Đặt 0-junctions vào các vị trí có điện áp khác nhau ở hệ thống điện và đạt

1-junction vào các vị trí có tốc độ trong hệ thống cơ:

Bước 2: Chèn mỗi phần tử mạch “single port” bằng kết nối nó với 1-junctions

bằng đường power bond ở hệ thống điện và 0-junction bằng đường power bond ở hệthống cơ:

Bước 3: Gán chiều công suất cho toàn bộ hệ thống:

Bước 4: Rút gọn các 0-Junction và 1-Junction

Hình 8: Sơ đồ Bond Graph ở bước 1

Hình 5:Sơ đồ BondGraph ở bước 2

Bước 5: Biểu diễn mỗi quan hệ nhân quả.

Ta có, mạch phần ứng của động cơ điện một chiều được đặt một điện áp V Vì vậy, ta sẽ

có phần tử nguồn e (sourse effort) – Se được kết nối với Bond Graph Sau đó, Se chia sẻcùng dòng (flow) tới hai thành phần L (Điện cảm phần ứng) và (Điện trở phần ứng) Do

đó, liên kết 1 (Junction 1) được dùng để kết nối hai thành phần trên với nguồn e

Thêm vào đó, phần tử GY (Gyrator Element) được sử dụng như là một liên kết giữa mộtbên là phần tử điện và bên còn lại là phần tử cơ khí

Phần tử GY mô tả mối quan hệ giữa góc của động cơ (θ M) với suất điện động (VM)(mechanical flow and electrical effort) và dòng điện (IM) với mô men quay (TM)(electrical flow and mechanical effort).

Bên phía cơ khí, do tải bên trong bao gồm quán tính và ma sát quay Do đó, hai thànhphần này được liên kết với GY thông qua liên kết 1 (Junction 1)

3.2 Hệ thống điều khiển.

Sử dụng bộ điều khiển PID để xử lý tín hiệu hệ thống

Trong các thuật toán điều khiển phản hồi, đầu ra thực tế được đưa trở lại hệ thống điềukhiển là phép đo sai số (sự khác nhau giữa đầu vào thực tế và đầu ra mong muốn) Cấutrúc của hệ thống điều khiển vị trí của động cơ điện nam châm vĩnh cửu được biễu diễnbằng biều đồ Bond Graph như sau:

Biểu đồ trên biểu diễn, tín hiệu về vị trí động cơ được tính toán thông qua khâu tích phân

từ tín hiệu tốc độ được xuất ra trước đó, Sau đó so sánh với giá trị đặt (Constant) Sự sailệch khi so sánh 2 giá trị đó dẽ được đưa vào bộ điều khiển PID PID xử lý và gửi lại tínhiệu điều khiển về Mse để điều khiển động cơ

Hình 7: Sơ đồ hệ thống và bộ điều khiển

Ưu điểm của bộ điều khiển PID so với các bộ điều khiển tích phân, vi phần, tỷ lệ… là cóthể giảm sai số xác lập đến giá trị tối thiểu nhất, han chế độ giao động, giảm thời gian xáclập và độ vọt lố bởi vì bộ điều khiển có thể thay đổi, lựa chọn được các thông số Kp, Ki,

Kd một cách hợp lý để đảm bảo chất lượng ổn định của hệ thống

4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH GÓC QUAY CỦA ĐỘNG

CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG PHẦN MỀM 20-SIM.

Giải sử điện áp đầu vào là 24V

a, Bộ điều khiển PID

- Đặc tính vận tốc trước khi có bộ điều khiển tốc độ

Hình 9: Đặc tính vận tốc khi chưa có bộ điều khiển tốc độ

- Đặc tính vận tốc sau khi thêm bộ điều khiển PID

Hình 10: Đặc tính vận tốc khi Kp=1; Kd=1; Ki=1.

Bài số 2

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 số của động

cơ như sau:

- Khối lượng thân xe: 2500kg

- Khối lượng bánh xe: 320kg

- Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về hệ thống treo của xe ôtô

- Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả hệ treo

- Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ treo và hệ thống điều khiển hệ treo xe bus

- Mô phỏng và đánh giá các đặc tính giao động của thân xe sử dụng phần mềm 20-sim

Hình 1

Hình 2

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

Hệ thống treo

toàn cho người dùng trên xe Bộ phận quan trọng này ngày nay cũng được các nhà sản xuất ô tô chú trọng và tạo ra những công nghệ mới phục vụ tốt nhất cho khách hàng có thể kể đến như hệ thống treo khí nén điện tử, hệ thống treo độc lập đa liên kết, Tuy nhiên, không phải ai cũng biết được hoạt động của nó như thế nào? Và bài viết dưới đây

sẽ giúp bạn hiểu thêm về công dụng cũng như các bộ phận cấu thành hệ thống treo

Hệ thống treo trên ô tô thực chất là gì?

Có thể nói hệ thống treo ô tô là một trong những nhân tố làm giảm chấn chỉnh trên ô tô,giúp chiếc xe di chuyển êm ái và ít bị xóc nảy hơn Nếu như chiếc xe đi trên những đoạnđường có nhiều ổ gà, gồ ghề thì hệ thống này sẽ loại bỏ đi những dao động thẳng đứng vàhạn chế các ảnh hưởng cơ học đến phần khung, các chi tiết kim loại tránh cho việc chiếc

xe bị nảy lên quá nhiều từ đó mang lại sự thoải mái cho người ngồi trong xe

Hình 1.13 Hệ thống giảm chấn xe ô tô

Hệ thống treo trên xe ô tô được gắn với cầu trước và cầu sau thuộc một bộ phận ở khunggầm cạnh các hệ thống như:

 Hệ thống khung (Frame): Làm nhiệm vụ đỡ trọng lượng của thân xe, hệthống khung này sau đó lại được đỡ bởi hệ thống treo.

 Hệ thống bánh lái (steering system) chuyển tải thao tác của người lái ở vôlăng xuống 2 bánh điều hướng phía trước

 Hệ thống bánh xe: giúp liên kết cơ khó nối bánh xe với khung gầm của xe

Công dụng và yêu cầu của hệ thống treo trên ô tô

 Bộ phận dẫn hướng: Dùng để tiếp nhận và truyền lẻn khung các lực dọc,ngang cũng 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 đốicủa bánh xe đối với khung 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 cơnăng của dao động thành nhiệt năng tiêu tán ra môi trường xung quanh.Ngoài ra, trong hệ thống treo của các ô tô du lịch, ô tô khách và một số ô tô vận tải, còn

có thêm một bộ phận phụ nữa là bộ phận ổn định ngang Bộ phận này có nhiệm vụ giảm

độ nghiêng và các dao động góc ngang của thùng xe

b, Yêu cầu

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

đường tốt và không bị va đập liên tục lên các ụ hạn chế khi chạy trên đường