Đồ án môn học điều khiển tốc độ và vị trí động cơ dc

Yêu c\u điều khiển tốc độ và v椃⌀ trí của động cơ là một yêu c\u quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn đ椃⌀nh và chính xác của các hệ thống trong thực tế.. Quá trình tìm hiểu đề tài thong qua

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ DC

SVTH: NGUYỄN ANH KHANG MSSV: 20145532

Khóa: 2020 – 2024

Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ GVHD: THS NGUYỄN TRUNG HIẾU

Tp Hồ Chí Minh, tháng _ năm 2023

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ DC

SVTH: NGUYỄN ANH KHANG MSSV: 20145532

Khóa: 2020 – 2024

Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ GVHD: THS NGUYỄN TRUNG HIẾU

Tp Hồ Chí Minh, tháng _ năm 2023

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Giảng viên hướng dẫn: Th.s Nguyễn Trung Hiếu ĐT: Ngày nhận đề tài: Ngày nộp đề tài: 1 Tên đề tài:

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ DC 2 Các số liệu, tài liệu ban đ\u: 3 Nội dung thực hiện đề tài: 4 Sản phẩm: TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc *******

PHIẾU NHÂKN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên Sinh viên: MSSV:…

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi gõ họ tên) CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc *******

PHIẾU NHÂKN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên Sinh viên: MSSV: .

Giáo viên phản biện (Ký & ghi gõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Nhóm em xin gửi lòng biết ơn chân thành đến th\y Nguyễn Trung Hiếu- người đã đồng hành cùng nhóm em trong môn học hệ thống điều khiển tự động ô tô, đồng thời cũng là người trực tiếp hướng dẫn nhóm em thực hiện đề tài nghiên cứu cho môn học này.

Đồng thời, nhóm em cũng gửi lời cảm ơn đến các bạn sinh viên khoa công nghệ kỹ thuật ô tô- những người đã đóng góp ý kiến, chia sẽ kinh nghiệm khi nhóm em thực hiện đề tài nghiên cứu này.

Mặc dù đã cố gắng hết mình nhưng vì kiến thức và thời gian nghiên cứu có hạn nên đề tài của nhóm em khó tránh khỏi những sai sót Rất mong quý th\y cô sẽ góp ý cho đề tài để nhóm em có thể rút kinh nghiệm và hoàn thiện hơn.

TÓM TẮT 1 Lý do dề tài

Hiện nay, động cơ DC được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như điện tử, ô tô, hàng không Yêu c\u điều khiển tốc độ và v椃⌀ trí của động cơ là một yêu c\u quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn đ椃⌀nh và chính xác của các hệ thống trong thực tế Đó là chính là lý do nhóm chúng toi quyết đ椃⌀nh làm đề tài “Điều khiển tốc độ và v椃⌀ trí của động cơ DC”.

2 Các vấn đề nghiên cứu

- Cơ sở lý thuyết: khái niệm động cơ DC, nguồn gốc động cơ DC, đặc điểm động cơ DC, quá trình phát triển, lĩnh vực ứng dụng và khả năng vận hành đáp ứng cho th椃⌀ trường của động cơ DC

- Thực nghiệm: phương pháp thực hiện, mô phỏng động cơ DC bmng Matlab, chế tạp mô hình thực tế, viết chương trình

- Mục tiêu và dự kiến: giới hạn và phạm vi đề tài, dự kiến kết quả, bảng phân công nhiệm vụ, tài liệu tham khảo

3 Quá trình thực hiện và kết quả nghiên cứu:

Sau quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài, nhóm đã giải quyết các mắc đã đề ra ban đ\u, giải quyết từng bước và đặt ra những vấn đề mới giúp cho bài đồ án mang tính logic và hoàn thiện hơn Quá trình tìm hiểu đề tài thong qua các tài liệu trong nước và ngoài nước, tiếp xúc với các anh ch椃⌀ có kinh nghiệm giúp nhóm có được nhiều kiến thức bổ ích và hữu hiệ trong thời gian làm đồ án.

Những điều mà nhóm làm được trong đề tài: - Xác đ椃⌀nh rõ vấn đề và mục tiêu được đề ra

- Hiểu được cấu tạo, chức năng và nguyên lý hoạt động của động cơ DC - Vẽ và hiểu được sơ đồ thay thế của mạch và cách viết chương trình - Nhận biết được mối quan hệ giữa các thành ph\n trên miền Laplace

- Giúp nhóm có cái hìn tổng quan hơn về điều khiển tốc độ và v椃⌀ trí của động cơ DC - Hoàn thành những mục tiêu đã đề ra trong việc thực hiện đồ án môn học

4 Định hướng phát triển đề tài

Nhờ vào việc tìm hiểu đề tài về điều khiển về tốc độ và v椃⌀ trí của động cơ DC, nhóm có thể hiểu rõ hơn về lĩnh vực này , tạo tiền đề đề nhóm phát triển và ứng dụng vào thực tiễn, tạo ra nhiều sản phẩm nhờ vào ứng dụng của động cơ DC.

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DC: Direct Current

PID: Proportional-Integral-Derivative

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

Hiện nay, động cơ DC được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như điện tử, ô tô, hàng không Yêu c\u điều khiển tốc độ và v椃⌀ trí của động cơ là một yêu c\u quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn đ椃⌀nh và chính xác của các hệ thống trong thực tế.

Vì vậy, nhóm chúng tôi quyết đ椃⌀nh nghiên cứu và thiết kế một mô hình điều khiển tốc độ và v椃⌀ trí động cơ DC sử dụng kiến thức về lĩnh vực điều khiển tự động Nghiên cứu này sẽ giúp chúng tôi tăng sự hiểu biết về động cơ DC và phương pháp điều khiển tốc độ và v椃⌀ trí của nó, từ đó đưa ra giải pháp thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển tốc độ và v椃⌀ trí động cơ DC trong các ứng dụng thực tế.

Đồng thời, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển tốc độ và v椃⌀ trí động cơ DC cũng đáp ứng nhu c\u của các ngành công nghiệp và sản xuất, đặc biệt là trong thời đại công nghiệp khi động cơ DC được sử dụng rộng rãi trong các thiết b椃⌀ tự động hóa và robot Vì vậy, nhóm chúng tôi nhận thấy đề tài này đáp ứng nhu c\u nghiên cứu và phát triển trong tương lai và có ý nghĩa thực tiễn rất lớn.

Hình 1 1 Minh họa các ứng dụng của DC motor trên ô tô

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở lý thuyết

Động cơ DC (Direct Current) là một loại động cơ điện từ được phát triển vào giữa thế kỷ 19 Động cơ này hoạt động dựa trên nguyên lý tương tác giữa các từ trường với dòng điện đi qua chúng.

Hình 2 1 Minh họa cấu tạo động cơ DC hiện đại

Công nghệ đ\u tiên cho động cơ DC được phát triển bởi Michael Faraday vào năm 1821 Ông phát hiện ra rmng khi một dòng điện đi qua một cuộn dây dẫn được đặt trong một từ trường, nó sẽ tương tác với từ trường này để tạo ra một mô men quanh trục cuộn dây Sau đó, William Sturgeon, một nhà vật lý người Anh, đã phát triển một thiết b椃⌀ gọi là "động cơ điện", làm việc dựa trên nguyên lý tương tự của Faraday Đặt nền móng cho sự ra đời của động cơ DC sau này.

Hình 2 2 Chân dung Michael Faraday(bên trái ) và William Sturgeon( bên phải)

-Theo sự tìm hiểu của nhóm chúng tôi, đề tài nghiên cứu điều khiển v椃⌀ trí, tốc độ motor DC đã được thực hiện bởi rất nhiều nhà nghiên cứu, những người đam mê khoa học-công nghệ khắp thế giới Điều này chứng tỏ rmng, đây là một đề tài không mới mẻ và đã có rất nhiều kiến thức tích lũy và kinh nghiệm gặt hái được trong quá trình thực hiện Đây sẽ là nguồn tư liệu quý giá hỗ trợ nhóm chúng tôi trong quá trình nghiên cứu -Về mặt tổng quan , đề tài này là một lĩnh vực rộng và phức tạp, đã được nghiên cứu từ rất lâu Nhiều nhà khoa học và kỹ sư đã đóng góp ý tưởng và công nghệ để phát triển các phương pháp điều khiển v椃⌀ trí, vận tốc động cơ DC.

-Một số nhà khoa học và kỹ sư nổi tiếng trong lĩnh vực này bao gồm: Benjamin Franklin goodrich, Thomas Davenport, Nikola Tesla, Thomas Edison, và Charles Proteus Steinmetz Ngoài ra, còn có nhiều nhà khoa học và kỹ sư khác trên khắp thế giới đã có những đóng góp quan trọng trong lĩnh vực này

Các phương pháp điều khiển tốc độ, v椃⌀ trí động cơ DC đã được phát triển từ thế kỷ 19 đến nay.

-Vào thập niên 1830, một kỹ sư Mỹ tên là Thomas Davenport đã phát minh ra động cơ điện đ\u tiên sử dụng nam châm và dây dẫn để tạo ra chuyển động Tuy nhiên, không có phương pháp điều khiển tốc độ hoặc v椃⌀ trí cho động cơ này.

-Vào năm 1880, Benjamin Franklin Goodrich đã phát triển một hệ thống điều khiển tự động sử dụng một bộ điều khiển vòng kín cho các ứng dụng công nghiệp Hệ thống này đã được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ DC.

-Sau đó, vào những năm 1890, Nikola Tesla đã phát triển một hệ thống điều khiển động cơ DC sử dụng một phương pháp gọi là điều khiển t\n số Phương pháp này cho phép điều chỉnh t\n số của dòng điện điều khiển để kiểm soát tốc độ động cơ.

Trong những năm 1920 và 1930, Charles Proteus Steinmetz đã đưa ra một số công thức toán học để mô hình hóa các tín hiệu điện và điều khiển tốc độ động cơ DC.

-Trong thế kỷ 20, các phương pháp điều khiển tốc độ và v椃⌀ trí động cơ DC đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp và các thiết b椃⌀ điện tử Các phương pháp điều khiển này đã được tích hợp vào các hệ thống tự động hóa và robot trong nhiều ngành công nghiệp.

-Đây là một đề tài có bề dày l椃⌀ch sử rất lớn, chiếm được mối quan tâm của giới khoa học trong khoảng thời gian rất dài, thêm vào đó số l\n đề tài này được đưa ra nghiên cứu tính cả trong và ngoài nước là rất đáng kể Ta thấy được rmng, thực sự đây không phải một đề tài có tính mới mẻ giữa thời đại công nghệ 4.0, song đây vẫn là một đề tài đáng chú ý để thực hiện vì sự cơ bản và c\n thiết của nó trong bất kỳ hệ thống nào từ đơn sơ như chiếc máy quạt đến phức tạp như những cỗ máy điêu khắc, in ấn 3D hay cao cấp như các hệ thống trong ô tô, tên lửa, tàu vũ trụ.

2.2 Mục tiêu đề tài

- Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động và đặc tính của DC motor.

- Tìm hiểu thuật toán và cách thức mô phỏng motor DC bmng ph\n mềm Matlab/Simulink.

- Tìm hiểu về các phương pháp điều khiển tốc độ và v椃⌀ trí motor DC, các hệ thống c\n thiết để điều khiển motor.

- Chế tạo mô hình thực nghiệm điều khiển v椃⌀ trí và vận tốc quay của DC motor

2.3 Mục đích

- Mô phỏng được motor DC và phương pháp điều khiển bmng ph\n mềm - Tìm ra phương pháp điều khiển tối ưu cho hệ thống.

- Kiểm tra sự hoạt động của thuật toán điều khiển.

- Đánh giá tính hiệu quả và ổn đ椃⌀nh trong quá trình hoạt động của mô hình - Đưa kết luận về khả năng vận hành, mức độ hiệu quả của mô hình thực tế trong việc điều khiển tốc độ và v椃⌀ trí motor DC

CHƯƠNG 3

THỰC NGHIỆM 3.1 Phương pháp thực hiện

3.1.1 Mô phỏng động cơ DC bằng Matlab

3.1.1.1 Sơ lược nguyên lý hoạt động của động cơ điện

Động cơ 1 chiều (DC - Direct Current Motors) là động cơ điện sử dụng nguồn điện áp DC - dòng điện 1 chiều để biến thành cơ năng, vận hành các kết cấu cơ học Động cơ 1 chiều được ra đời từ những năm 1830-1840, có tuổi đời lâu nhất trong lĩnh vực kỹ thuật Trước đấy, động cơ 1 chiều chủ yếu được cung cấp năng lượng từ Pin [1].

Hình 3 1 Cấu tạo của DC motor [2]

Cấu tạo động cơ 1 chiều đơn giản với các bộ phận sau:

Stato: Ph\n đứng yên với 1 hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu.

Rotor: Ph\n lõi chuyển động quay được làm từ các cuộn dây, quấn tạo thành nam châm điện.

Chổi than (brushes): Ph\n tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp.

Cổ góp (commutator): Bộ phận làm nhiệm vụ tiếp xúc và chia nhỏ nguồn điện cho các cuộn dây trên rotor Mỗi 1 điểm tiếp xúc sẽ tương ứng với 1 cuộn dây trên rotor

Một bộ ph\n khác cũng khá quang trọng là bộ phận chỉnh lưu, nhiệm vụ chính của nó là biến đổi dòng điện trong khi rotor quay liên tục.

Nguyên lý hoạt động của động cơ 1 chiều có thể hiểu đơn giản như sau:

Stato của động cơ DC sẽ là 1 hoặc nhiều cặp nam châm đứng yên, trong khi rotor là cuộn dây được nối với nguồn điện 1 chiều Rotor khi được cấp điện sẽ

tạo ra từ tường tương tác với từ trường của nam châm vĩnh cửu (stato), đồng thời tạo ra momen quay

Lúc này, hướng chuyển động của rotor sẽ được xác đ椃⌀nh bmng quy tắc bàn tay trái Tại đó, quy tắc bàn tay trái: Ngón tay cái, ngón trỏ và ngón giữa sẽ biểu hiện trục quay của các đại lượng vật lý, l\n lượt là: lực tác dụng bởi vật dẫn dòng điện, chiều dòng điện.

Khi dòng điện chạy trong rotor, ph\n ứng đặt trên rotor và cổ góp đứng yên sẽ chuyển dòng điện từ cuộn dây này sang cuộn dây kia Động cơ DC sẽ hoạt động với tốc độ cố đ椃⌀nh khi dòng điện cố đ椃⌀nh, đồng thời không có hiện tượng trượt

Hình 3 2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều [4]

3.1.1.2 Các phương trình nguyên lý

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện kích từ độc lập [3]

Hình 3 3 Sơ đồ thay thế của mạch phần ứng động cơ điện kích từ độc lập [3]

Khi roto quay, ta thiết lập được các phương trình điện-cơ như sau Phương trình điện áp của mạch ph\n ứng [3]:

(1) Trong đó:

- là điện áp đưa vào mạch ph\n ứng - là dòng điện chạy trong mạch ph\n ứng - suất điện động cảm ứng khi roto quay - là điện trở của cuộn dây trong mạch ph\n ứng - là từ thông trong mạch roto - là hệ số cấu tạo của mạch roto

Phương trình mô-men điện từ [3]:

(3) - Với là hệ số cấu tạo

Phương trình mô tả quan hệ điện-cơ [3]:

(4) Trong đó:

- là mô men cản do tải đặt lên trục động cơ - là hmng số mô men quán tính

Chuyển phương trình điện áp của mạch ph\n ứng từ miền thời gian sang miền 3.1.1.3 Tiến hành thực hiện mô phỏng trên Matlab/Simulink

Xây dựng mối quan hệ giữa các thành ph\n dựa trên sơ đồ khối trên miền Laplace.

Hình 3 4 Mối quan hệ giữa các thành phần trên miền Laplace [3]

Tiến hành mô phỏng trên Matlab gồm có: - Khối Transfer Fcn

- Đ\u vào (khối Constant): Điện áp ph\n ứng của động cơ - Khối Step: Mô phỏng mô-men tải.

- Khối Gain, Sum.

- Khối Scope: Hiển th椃⌀ đ\u ra.

Hình 3 5 Sơ đồ khối mô phỏng động cơ trên Matlab/Simulink

Tiếp đến tạo file Matlab để truyền các giá tr椃⌀ tham số nhmm mục đích sử dụng cho quá trình mô phỏng.

Hình 3 6 File truyền tham số đầu vào

3.1.1.4 Đánh giá mô hình xây dựng

Kiểm nghiệm tính tính ổn đ椃⌀nh của module đã xây dựng bmng việc truyền các thông số cho mô hình chạy thử.

Các thông số truyền cho mô hình bao gồm:

Hình 3 7 Bộ số thử nghiệm

Sau khi chạy mô phỏng ta được các đặc tính, với thời thời gian đóng tải là sau 0.25s, ta thu được biểu đồ biểu th椃⌀ mối quan hệ giữa các đặc tính như sau:

- Đồ th椃⌀ thứ nhất: Đáp ứng tốc độ quay (v/p)

- Đồ th椃⌀ thứ hai: Đáp ứng v椃⌀ trí trục motor ( đơn v椃⌀: độ) - Đồ th椃⌀ thứ ba: Dòng điện ph\n ứng (mA)

- Đồ th椃⌀ thứ tư: Mô men điện từ động cơ (N.m)

Hình 3 8 Kết quả mô phỏng bộ phận số thử nghiệm

Nhận xét:

- Tại thời điểm ban đ\u khi mới cấp điện: Tốc độ động cơ có giá tr椃⌀ băng 0, dòng điện khởi động tương đối lớn.

- Tại thời điểm tốc độ động cơ tăng d\n đến lúc ổn đ椃⌀nh: Giá tr椃⌀ của dòng điện giảm d\n và khi tốc độ động cơ đạt đến giá tr椃⌀ ổn đ椃⌀nh thì dòng tương đối nhỏ.

- Tại thời điểm đống tải (0.25s), mô men tải tăng lên, tốc độ động cơ giảm xuống, dòng điện tăng lên Khi đó, ta cũng nhận thấy đồng thời sự tăng d\n đều của v椃⌀ trí sẽ gãy khúc khi đặt mô men tải vào Điều này dễ lý giải là vì vận tốc là đạo hàm của v椃⌀ trí, mà vận tốc giảm thì đạo hàm của nó cũng sẽ giảm.

- Mô men điện từ động cơ biến thiên theo dòng điện

Như vậy về mặt bản chất vật lý như lý thuyết đã học, ta nhận thấy kết quả xây dựng là hợp lý

3.2 Chế tạo mô hình thực tế

Ý tưởng ban đ\u:dựa trên lý thuyết về điều khiển tự động để tạo ra bộ điều khiển hồi tiếp vòng kín cho motor DC, phản hồi v椃⌀ trí và tốc độ của trục motor về bộ xử lý Dùng thuật toán PID để điều khiển đ\u ra motor.

- Sử dụng bộ mã hóa Encoder để thu thập dữ liệu bmng cách đếm xung (c\n thêm code để xử lý dữ liệu và cho ra thông tin có ý nghĩa) Có thể sử dụng motor có tích hợp sẵn encoder.

- Đo đạc kích thước thực tế của motor ( đường kính thân, kích thước lỗ vít, khoảng cách các lỗ vít, cơ cấu lắp ghép các chi tiết…).

- Dựa trên kích thước đã đo, vẽ khung đỡ cho mô hình 3D bmng ph\n mềm AutoCAD.

- In3D các chi tiết bản vẽ, lắp ghép thành khối mô hình hoàn chỉnh.

- Nghiên cứu Sử dụng thuật toán PID để điều khiển hồi tiếp 2 thông số là v椃⌀ trí, tốc độ của motor DC.

+ Điều khiển PID gồm có 3 yếu tố: Proportional (tỉ lệ) – Integral (tích phân) – Differential (vi phân).

+ Bộ tỷ lệ có chức năng thu hẹp khoảng cách giữa giá tr椃⌀ thực tế và giá tr椃⌀ điểm đặt mong muốn bmng cách nhân 1 hệ số Kp với sai lệch e(t), bộ tỷ lệ hoạt động dựa trên giá tr椃⌀ sai lệch ngay ở hiện tại Chúng ta có thể thay đổi hệ số Kp để tùy chỉnh mức độ làm việc của bộ tỷ lệ.

+ Bộ tích phân sẽ lấy tổng độ sai lệch e(t) từ khi hệ thống bắt đ\u làm việc tức là dựa trên tổng giá tr椃⌀ trong quá khứ của sai lệch e(t) nhân cho hệ số K tùy chỉnh, thiết lập Kii

sẽ tác động lên mức độ làm việc của bộ tích phân.

+ Bộ vi phân sẽ lấy vi phân độ sai lệch e(t) tức xu hướng thay đổi của e(t) trong tương lai g\n để dự đoán hướng thay đổi e(t), từ đó đưa ra giá tr椃⌀ điều khiển tốt hơn Thay đổi hệ số Kd sẽ thay đổi mức độ làm việc của bộ vi phân.

- Sử dụng nền tảng vi điều khiển Arduino làm bộ điều khiển, sử dụng mạch c\u H để điều khiền đảo chiều motor Điều khiển motor bmng phương pháp PWM với nguồn PWM từ vi điều khiển.