Trong bài báo cáo nhóm em xin sẽ làm rõ về hệ thống động cơ điện một chiều kích từ song song, hệ thống điều khiển hệ thống treo xe bus và hệ thống điều khiển con lắc ngược bằng cách phân
Tổng quan về hệ thống động cơ điện một chiều kích từ song song
Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều
Khái niệm: Động cơ điện 1 chiều DC (DC chính là từ viết tắt của từ tiếng Anh “Direct Current Motors”) tức là động cơ điều khiển bằng dòng điện có hướng được xác định Hay nói dễ hiểu hơn thì đây chính là loại động cơ hoạt động bằng nguồn điện áp DC - nguồn điện áp 1 chiều Động cơ điện một chiều Động cơ điện 1 chiều là loại động cơ đồng bộ, hoạt động bằng dòng điện 1 chiều
Tốc độ quay của 1 động cơ điện 1 chiều tỉ lệ thuận với nguồn điện áp đặt vào nó, và ngẫu lực quay cũng tỷ lệ thuận đối với dòng điện Chính vì 2 đặc tính trên mà động cơ DC được coi là thành phần không thể thiếu trong các hệ thống máy móc kỹ thuật đòi hỏi mô men khởi động lớn
Cấu tạo của động cơ điện một chiều:
Cấu tạo động cơ điện một chiều
Gồm có các bộ phận như sau:
Stator: Thông thường được tạo thành từ 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, có khi là nam châm điện
Rotor: Chính là phần lõi có quấn các cuộn dây nhằm mục đích tạo thành nam châm điện
Chổi than (còn gọi là brushes): Có nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho bộ phận cổ góp
Cổ góp là bộ phận tiếp xúc và chia điện đều cho các cuộn dây trên rôto Số lượng các điểm tiếp xúc trên cổ góp phải tương ứng với số cuộn dây trên rôto.
Nguyên lí hoạt động của động cơ điện một chiều:
Stato củ động cơ điện 1 chiều thường là 1 hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, (có thể dùng nam châm điện), còn rotor có các cuộn dây quấn, chúng được nối với nguồn điện 1 chiều Còn bộ phận chỉnh lưu sẽ có nhiệm vụ là làm đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là chuyển động liên tục Thông thường bộ phận này bao gồm có 1 bộ cổ góp và 1 bộ chổi than được mắc tiếp xúc với cổ góp
Nếu trục quay của một động cơ điện 1 chiều được kéo bằng 1 lực từ bên ngoài,
4 động cơ sẽ hoạt động tương tự như 1 chiếc máy phát điện 1 chiều để tạo ra một sức điện động cảm ứng có tên là Electromotive force (EMF) Trong quá trình vận hành bình thường, rotor sẽ quay và phát ra 1 điện áp (còn gọi là sức phản điện động) có tên là counter - EMF (CEMF) hoặc còn gọi là sức điện động đối kháng
Sức điện động này hoạt động tương tự như sức điện động được phát ra khi động cơ được sử dụng giống như 1 chiếc máy phát điện Khi đó, điện áp đặt trên động cơ đã bao gồm 2 thành phần đó là: sức phản điện động cùng với điện áp giáng tạo ra do điện trở ở bên trong của các cuộn dây phần ứng
- Dòng điện chạy qua động cơ lúc này sẽ được tính theo biểu thức sau:
𝑅 𝑝ℎ𝑎𝑛𝑢𝑛𝑔 - Công suất cơ mà động cơ đưa ra sẽ được tính bằng công thức:
Điều khiển hệ thống động cơ điện 1 chiều
Có rất nhiều phương pháp điều khiển động cơ điện 1 chiều mà bạn đọc có thể tham khảo dưới đây:
Điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều bằng cách sử dụng điện trở: Đây được xem là phương pháp đơn giản nhất giúp chúng ta có thể điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều Chỉ cần mắc nối tiếp điện trở vào phần ứng, độ dốc của đường đặc tính sẽ giảm, số vòng quay giảm và tốc độ sẽ chậm đi tương ứng
Điều chỉnh từ thông, còn gọi là điều chỉnh momen điện từ và sức điện động, là phương pháp kiểm soát vận tốc động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi từ thông Khi từ thông giảm, tốc độ quay động cơ sẽ tăng Tuy nhiên, phương pháp này ít được sử dụng vì khó thực hiện.
Điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều bằng cách điểu khiển điện áp phần ứng:
Chúng ta có thể lựa chọn điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ
Thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ hoặc chỉnh lưu điện áp cấp phần ứng là cách điều chỉnh tốc độ quay của động cơ Khi chỉnh điện áp phần ứng, tốc độ quay của động cơ sẽ tương ứng thay đổi.
Động cơ điện một chiều kích từ song song
Cấu tạo: Động cơ điện kích từ song song: cuộn dây kích từ được mắc song song với phần ứng
Mạch điện động cơ điện 1 chiều kích từ song song
Nguyên lý làm việc của động cơ điện kích từ song song:
Thông thường, chiều dòng điện vào động cơ là I, dòng điện phần ứng là Iư, dòng điện kích từ là Ikt thì sẽ được tính theo công thức: I = I ư + I kt Để mở máy, người ta thường dùng biến trở để mở máy (gọi là R mở ) Để điều chỉnh tốc độ của động cơ, người ta thường điều chỉnh Rđc để thay đổi dòng điện kích từ Ikt, đồng thời thay đổi cả từ thông Φ Phương pháp này hiện đang sử dụng rất rộng rãi, song cần chú ý một điều rằng, khi giảm từ thông Φ, có thể dòng điện trong phần ứng Iư sẽ tăng lên quá trị số cho phép Khi đó, cần có bộ phận bảo vệ để cắt điện kịp thời, không cho động cơ làm việc trong trường hợp từ thông giảm xuống quá nhiều
Ưu và nhược điểm của động cơ điện kích từ song song:
- Ưu điểm: Dễ điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh R đc
Theo biểu thức moment điện từ M = kM.Iư.Φ, khi từ thông sụt giảm quá mức (Φ giảm), dòng điện phần ứng Iư có thể tăng vượt quá giá trị cho phép, gây nguy hiểm cho động cơ Do đó, cần trang bị bộ phận bảo vệ để cắt điện và ngăn động cơ hoạt động khi từ thông giảm quá nhiều, đảm bảo an toàn cho hệ thống.
6 + Có hệ thống cổ góp - chổi than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môi trường rung chấn, dễ cháy nổ
Phương pháp điều khiển động cơ kích từ song song: Để điều chỉnh tốc độ của động cơ, người ta thường điều chỉnh Rđc để thay đổi dòng điện kích từ Ikt, đồng thời thay đổi cả từ thông Φ Phương pháp này hiện đang sử dụng rất rộng rãi, song cần chú ý một điều rằng, khi giảm từ thông Φ, có thể dòng điện trong phần ứng Iư sẽ tăng lên quá trị số cho phép Khi đó, cần có bộ phận bảo vệ để cắt điện kịp thời, không cho động cơ làm việc trong trường hợp từ thông giảm xuống quá nhiều
Ứng dụng của động cơ kích từ song song:
Chúng được dùng nhiều trong các máy cắt kim loại, các máy công cụ Máy tiện- 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 Máy tiện doa lỗ.
Xây dựng phương trình động cơ điện một chiều bằng phương pháp vật lý
Phương trình mô tả động cơ điện một chiều
Mạch động cơ điện một chiều kích từ song song
Cấu trúc hệ thống điều khiển góc quay động cơ điện một chiều kích từ song song
+ R là tín hiệu đặt tốc độ + 𝜃 là góc quay của động cơ + u là tín hiệu điều khiển động cơ
Các thông số của động cơ:
+ Điện cảm phần ứng Lư: 17.5 10 −3 H + Điện trở phần ứng Rư: 0.5 Ω
+ Điện trở mạch kích từ Rkt: 0.4 Ω + Điện cảm kích từ Lkt: 60 10 −3 H + Hệ số cản b = 6.6 10 −3 Nms/rad + Momen quán tính J= 0.166 𝑁𝑚𝑠/𝑟𝑎𝑑 + Hệ số momen K= 1.53
+ Đầu vào (U): Điện áp nguồn + Đầu ra (𝜃): Góc quay động cơ
Phân tích vật lý
Phân tích sơ đồ mạch điện
Mạch mắc song song nên ta có:
Áp dụng định luật Kirchhoff 1 tại nút A ta có:
Áp dụng định luật Kirchhoff 2 với mạch điện trên ta được:
Với: + 𝑈(𝑡) = 𝑈ư(𝑡) là điện áp đầu vào (V)
+ 𝐿ư là giá trị điện cảm phần ứng (H)
+ 𝑅ư là giá trị điện trở phần ứng (Ω)
9 + 𝜃 là góc xoay động cơ
Laplace 2 vế phương trình (*) ta được:
Với: 𝑈(𝑡) = 𝑈 𝑘𝑡 (𝑡) là điện áp đầu vào (V)
𝐿 𝑘𝑡 là giá trị điện cảm phần kích từ (H)
𝑅 𝑘𝑡 là giá trị điện trở phần kích từ (Ω)
Laplace 2 vế của phương trình (5) ta được:
+ Phương trình chuyển động quay của động cơ:
𝐽Với: 𝐾 = 𝐾 𝑡 là hệ số cản
10 b là hệ số cản của động cơ (Nms/rad)
J là momen quán tính (Nms/rad)
Laplace 2 về phương trình (10) ta được:
Từ phương trình (9) và (12) ta có:
Xây dựng biểu đồ bondgraph
Xây dựng biểu đồ bondgraph mô phỏng động cơ điện một chiều
Bước 1: Đặt các Junction 0 tại các vị trí có điện thế khác nhau:
Bước 2: Chèn các phần tử của hệ thống bằng cách kết nối với các Junction 1 và đặt vào giữa các Junction 0 có liên quan:
Phần tử điện Phần cơ
Se: nguồn điện Iư: cuộn dây phần ứng
Rư: điện trở phần ứng
MGY: Chuyển đổi tốc độ momen xoắn
Rkt: điện trở phần cảm
Ikt: cuộn cảm phần cảm
Constant: tốc độ momen xoắn không đổi
Rkt: phần tử cản trở quay động cơ
II_DC: phần tử quán tính quay của động cơ
13 Bước 3: Liên kết các Junction 0 và Junction 1và gán chiều công suất tới tất cả các đường liên kết trong sơ đồ:
Bước 4: Các vị trí có thế đất đã được xác định thì xoá bỏ các Junction 0 và các đường liên kết với nó
14 Bước 5: Tối giản hoá sơ đồ:
+ Trong đồ thị bond graph, hệ số của MGY được tính bằng cách lấy tích số của hằng số tốc độ mô-men xoắn
+ Vận tốc quay ở phía cơ học chịu ảnh hưởng bởi dòng điện tạo ra do hiện tượng cảm ứng điện từ và hệ số momen của trục động cơ
+ Sử dụng khối multiplydivide để kết nối phần kích từ với phần tử biến đổi điện năng thành cơ năng nên ta có biểu đồ bondgraph cho cả hệ thống:
Xây dựng hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều
Từ yêu cầu của đề tài, ta tiến hành thiết lập bộ điều khiển hệ thống:
Các phần tử trong hệ thống:
Khối chức năng gồm: bộ điều khiển (controller) và mạch điện điều khiển (plant)
Bộ tổng: giúp tính số giữa tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi
Giá trị đặt: là giá trị mong muốn trong quá trình điều khiển
Giá trị phản hồi: là giá trị hiển thị sau khi thực hiện quá trình điều khiển
Để đáp ứng yêu cầu điều khiển động cơ 1 chiều kích từ song song, có các đầu vào gồm tín hiệu đặt V và điện áp, trong khi đầu ra là tốc độ của động cơ.
Trong các phương pháp điều khiển tốc độ quay của động cơ thì phương pháp sử dụng bộ điều khiển PID chính xác Khâu hiệu chỉnh PID là trường hợp riêng của khâu hiệu chỉnh sớm trễ pha, có thể xem PID là khâu PI mắc nối tiếp với khâu PD nên nó tối 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 phỏng bằng khối constant với giá trị góc tốc độ không đổi V%0 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
16 Biểu đồ bond graph mô tả hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều kích từ song song.
Mô phỏng và đánh giá trên phần mềm 20-Sim
Mô phỏng hệ thống trên phần mềm 20-Sim
Khảo sát hệ thống khi chưa có bộ điều khiển
Nhập thông số đề bài vào hệ thống: Nhập đầu vào cho hệ thống là 230 và đầu ra là 250
17 Nhận xét: Khi chưa có bộ điều khiển, tốc độ của động cơ là 260,9, thời gian đáp ứng hệ thống là 0.4s, độ vọt lố 10,9.
Khảo sát hệ thống khi thêm bộ điều khiển PD
Hệ thống khi thêm bộ điều khiển PD
Khi bổ sung bộ điều khiển PD với hệ số khuếch đại tỷ lệ Kp, độ vọt lố của hệ thống tăng lên đáng kể, gây ra tình trạng không ổn định Tuy nhiên, thời gian đáp ứng của hệ thống lại được cải thiện đáng kể, giảm từ 0,01s xuống còn 0,005s.
Khi tăng Kpp độ vọt lố của hệ thống tiếp tục tăng
19 Khi giảm Kp0 độ vọt lố của hệ thống giảm
Khi hiệu chỉnh giảm độ vọt lố của hệ thống, đầu ra ổn định của hệ thống sẽ xấp xỉ với giá trị tham chiếu mong muốn Trong ví dụ này, sau khi hiệu chỉnh giảm độ vọt lố, đầu ra ổn định của hệ thống là 249, gần với giá trị tham chiếu là 250 Điều này cho thấy hệ thống đạt được độ ổn định mong muốn và phản ứng chính xác với yêu cầu đầu vào.
Nhận xét: khi thêm bộ điều khiển PD vào hệ thống thì thời gian đáp ứng của hệ
20 thống giảm nhưng độ vọt lố của hệ thống tăng so với khi chưa có bộ điều khiển Khi tăng Kp thì độ vọt lố của hệ thống tăng, thời gian đáp ứng của hệ thống giảm Khi giảm Kp thì độ vọt lố của hệ thống giảm thời gian đáp ứng của hệ thống tăng.
Khảo sát hệ thống khi thêm bộ điều khiển PI
21 Khảo sát hệ thống với Kp=1, Ki
Khi thêm bộ điều khiển PI với KI thì không có độ vọt lố và không ổn định hệ thống Thời gian đáp ứng chậm
22 Khi tăng PI với KI sai số xác lập của hệ thống giảm Thời gian đáp ứng chậm
Giữ nguyên KI và KP
Nhận xét: Ta thấy khi tăng Ki thì sai số xác lập của hệ thống đã giảm và đáp ứng đầu ra của hệ thống ở mức 246,9 Có độ vọt lố nhẹ.
Khảo sát hệ thống với bộ điều khiển PID
23 Khi thêm bộ điều khiển PID và cho KpP, Ki=1, Kd=1 ta được đáp ứng của hệ thống Độ vọt lố của hệ thống tăng lên 309.829 và sau đó ổn định ở mức 249,852
24 Khi giảm Kp% độ vọt lố của hệ thống đã giảm
Khi tăng Kd và giữ nguyên Kp%, Ki=1
25 Giảm Kp, tăng Kd , Ki
Sau khi điều chỉnh thông số bộ điều khiển PID (giảm Kp, tăng Kd, thêm Ki), hệ thống có độ vọt lố giảm đáng kể so với khi chưa có bộ điều khiển (độ vọt lố ban đầu là 249,985) Thêm vào đó, thời gian đáp ứng của hệ thống cũng được rút ngắn, cho thấy hiệu quả điều khiển được cải thiện.
+ Khâu hiệu chỉnh PD làm nhanh đáp ứng hệ thống, tuy nhiên cũng làm cho hệ thống nhay với nhiễm tần số
+ Khâu hiệu chỉnh PI làm giảm sai số xác lập nhưng thời gian đáp ứng chậm
Khẩu hiệu PID là phương pháp điều khiển hiệu quả, giúp hệ thống đáp ứng nhanh hơn và cải thiện thời gian đáp ứng Nhờ khả năng đáp ứng chính xác các mục tiêu điều khiển, các hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID thường hoạt động ổn định và đáng tin cậy.
Tổng quan về động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu
Khái niệm
Động cơ BLDC hay còn gọi là động cơ nam châm vĩnh cửu, đặc trưng bởi dạng sóng hình thang của sức phản điện động (EMF) Chính EMF hình thang phân biệt động cơ BLDC với các động cơ khác Thay vì sử dụng chổi than và bộ góp để chuyển mạch dòng điện phần ứng như động cơ một chiều thông thường, động cơ BLDC tận dụng chuyển mạch điện tử để thực hiện nhiệm vụ này.
Do đó, các cuộn dây của phần ứng đặt trên stator giúp cho pm motor dễ dàng dẫn nhiệt từ các cuộn dây đi ra ngoài vỏ, cũng như sử dụng các phương pháp làm mát cưỡng bức khác nếu cần Vì vậy, động cơ BLDC có mật độ công suất lớn hơn hẳn so với động cơ 1 chiều truyền thống Động cơ 1 chiều nam châm vĩnh cửu không sử dụng chổi than BLDC từ lâu đã đƣợc sử dụng rộng rãi, đặc biệt là trong các hệ truyền động có công suất nhỏ (từ vài W đến vài chục W) như trong các ổ đĩa quang, động cơ nam châm vĩnh cửu máy giặt, quạt làm mát trong máy tính cá nhân, các thiết bị văn phòng (máy in, máy scan, ) Trong các ứng dụng đó, mạch điều khiển được chế tạo một cách đơn giản và có độ tin cậy cao hơn.
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: Động cơ nam châm vĩnh cửu có kích từ bằng điện với dải công suất lớn từ vài trăm 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 loại động 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
28 (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 cơ diezen,… giúp kéo trục Rotor để phát ra điện
- Động cơ điện đồng bộ: Thường được chế tạo theo kiểu cực lồi và kéo được các tải 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 lưới 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 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 cơ đồng bộ phản kháng,…
Cấu tạo và nguyên lý động cơ nam châm vĩnh cửu 28 1.4 Những ưu điểm của động cơ nam châm vĩnh cửu so với động cơ cảm ứng 30
Động cơ BLDC sử dụng để chuyển mạch điện tử thay cho kết cấu cổ góp chổi than để chuyển mạch cho dòng điện cấp vào trong các cuộn dây thuộc phần ứng Có thể gọi đây là cơ cấu chuyển đổi mạch tĩnh Để làm được điều đó thì phần ứng của động cơ cũng phải tĩnh Như vậy, về mặt kết cấu, chúng ta có thể thấy rằng động cơ BLDC và động cơ 1 chiều truyền thống có sự hoán đổi vị trí giữa 2 phần cảm và phần ứng: phần cảm chuyển lên trên rotor và phần ứng ở trên stator Động cơ đồng bộ 1 nam châm vĩnh cửu chính là sự kết hợp của động cơ xoay chiều đồng bộ được kích từ vĩnh cửu sử dụng bộ chuyển đổi chiều điện tử nhằm chuyển mạch theo vị trí rotor Việc xác định vị trí rotor được thực hiện thông qua các cảm biến vị trí Hầu hết các cảm biến vị trí rotor (còn gọi là cực từ) sử dụng cảm biến Hall, cũng
29 có 1 số động cơ sử dụng các cảm biến quang học
Mặc dù động cơ đồng bộ 3 pha được đánh giá cao về sự chính thống và hiệu suất, nhưng động cơ BLDC 2 pha cũng là một lựa chọn phổ biến do cấu trúc và mạch truyền động đơn giản.
1.3.2 Nguyên lý hoạt động Động cơ BLDC hoạt động hầu hết dựa trên quá trình chuyển mạch của dòng điện Động cơ BLDC có 3 cảm biến Hall được đặt trên stator Trong khi các cực của nam châm ở trên rotor chuyển động đến vị trí của cảm biến Hall thì đầu ra của cảm biến này sẽ có mức logic cao hoặc thấp, điều này còn tùy thuộc vào đó là cực N hay S
Dựa vào tổ hợp các tín hiệu logic của 3 loại cảm biến để xác định trình tự và thời điểm diễn ra chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha trên bộ phận stator
Trong quá trình hoạt động, tại thời điểm này chỉ có 2 cuộn dây pha được cung cấp điện, còn cuộn dây thứ 3 sẽ không được cấp điện Cũng chính vì vậy, việc chuyển mạch của dòng điện từ cuộn dây này sang cuộn dây khác sẽ tạo ra các từ trường quay, đồng thời làm cho roto phải quay theo
Như vậy, thứ tự chuyển mạch của dòng điện giữa các cuộn dây pha sẽ phải căn cứ vào chiều quay của phần rotor Thời điểm chuyển mạch cho dòng điện từ pha này sang pha khác sẽ được xác định sao cho mô men của nó đạt giá trị lớn nhất và đập mạch mô men do trong quá trình chuyển mạch thì dòng điện là nhỏ nhất Để đạt được yêu cầu trên, chúng ta sẽ phải cấp điện cho cuộn dây vào đúng thời điểm sao cho dòng điện chuyển động trùng pha với sức điện động cảm ứng Và lúc này dòng 18 điện cũng được điều chỉnh lại để đạt được biên độ không đổi trong 1 góc khoảng cách có độ rộng là 120 độ điện Nếu không trùng pha với sức điện động thì lúc này dòng điện cũng sẽ có giá trị lớn, đồng thời cũng gây thêm tổn hao trên bộ phận stato làm giảm đi hiệu suất của động cơ
Do có mối liên hệ đặc biệt giữa sức điện động cảm ứng pha và vị trí của rotor nên việc xác định chính xác thời điểm cấp điện cho các cuộn dây pha trên phần stato còn có thể thực hiện được bằng phương pháp xác định vị trí của các rotor nhờ vào các con cảm biến vị trí
Điểm chuyển mạch của dòng điện xoay chiều là thời điểm 1 trong 3 tín hiệu cảm biến Hall thay đổi trạng thái logic Trong một chu kỳ điện, có 6 lần chuyển mạch logic của 3 cảm biến Hall Do đó, trình tự chuyển mạch này còn được gọi là trình tự chuyển mạch 6 bước của động cơ BLDC.
1.4 Những ưu điểm của động cơ nam châm vĩnh cửu so với động cơ cảm ứng Động cơ nam châm vĩnh cửu không cần sắp xếp cho kích thích trường Hơn nữa, chúng không có công suất đầu vào tiêu thụ để thực hiện kích thích làm tăng cường hiệu suất cho động cơ DC Động cơ BLDC không có cuộn dây trường, vì vậy không gian cho cuộn dây trường cũng sẽ được lưu lại làm giảm đi kích thước tổng thể của động cơ
Hơn nữa, động cơ BLDC cũng rẻ hơn và tiết kiệm hơn cho các ứng dụng xếp hạng KW phân số Trong trường hợp này, điều đáng lưu ý là động cơ DC có thể không được bù lại Do đó, cường độ của từ trường có thể bị suy yếu đi do phản ứng dị ứng gây tình trạng mài mờ
Ngoài ra, động cơ BLDC còn có 1 cơ hội nhận được các cực từ 1 cách bán khống vĩnh viễn (chỉ 1 phần) do dòng điện áp sinh ra quá nhiều trong quá trình khởi động, gây ra sự đảo ngược và tình trạng quá tải của động cơ
Một bất lợi lớn hơn nữa của động cơ cảm ứng là từ trường trong khoảng cách không khí được cố định và luôn đặt ra giới hạn khiến nó không thể được kiểm soát từ bên ngoài Do đó, việc kiểm soát tốc độ rất nhanh của động cơ DC khi ở trong loại động cơ này là cực kỳ khó
BLDC sử dụng chuyển mạch điện tử để thay thế cho việc chuyển mạch cơ Đồng thời, điện áp rơi trên các linh kiện điện tử cũng nhỏ hơn điện áp được điều khiển rơi trên chổi than
Do BLDC không có chổi than, cổ góp nên sẽ không phải bảo trì chổi than hay cổ góp Đồng thời, BLDC sẽ không có tia lửa điện khi vận hành, vì vậy cũng ít gây nhiễu hơn
Với động cơ BLDC, chỉ có các cuộn dây của phần ứng phát sinh nhiệt độ khi làm
31 việc Ngoài ra, các cuộn dây phần ứng cũng được bố trí ở stator cho phép tản nhiệt tốt hơn qua phần vỏ của động cơ Với động cơ 1 chiều thông thường, những tổn hao nhiệt xuất hiện ở cả phần dây quấn stator và rotor Ngoài ra, việc tỏa nhiệt của phần dây quấn rotor sẽ trở nên khó khăn hơn Động cơ BLDC sử dụng các nam châm vĩnh cửu được chế tạo bằng vật liệu tiên tiến, do đó sẽ không có tổn hao gì trên rotor
Mô men quán tính của rotor động cơ BLDC thường nhỏ hơn so với mô men quán tính của rotor động cơ 1 chiều thông thường.
Ứng dụng
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, phổ biến 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,
Các phương pháp điều khiển động cơ điện 1 chiều
Trong phương pháp này người ta giữ 𝑈 = 𝑈 đ𝑚 ,𝜙 = 𝜙 đ𝑚 và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng
32 Độ cứng của đường đặc tính cơ:
𝑅 𝑢 + 𝑅 𝑘𝑡 Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phần ứng Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ càng mềm và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn
Phương pháp chỉ cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía giảm (do chỉ có thể tăng thêm điện trở)
Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng cho nên tổn hao công suất dưới dạng nhiệt trên điện trở càng lớn
1.6.2 Phương pháp thay đổi từ thông
Giả thiết 𝑈 = 𝑈 đ𝑚 , 𝑅 ư = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòng điện kích từ, thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ Rõ ràng phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ, nghĩa là chỉ có thể giảm dòng điện kích từ (Ikt ≤ Iktđm) do đó chỉ có thể thay đổi về phía giảm từ thông Khi giảm từ thông, đặc tính dốc hơn và có tốc độ không tải lớn hơn
33 Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi từ thông
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông có các đặc điểm sau:
- Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ càng tăng, tốc độ động cơ càng lớn
- Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông
- Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh: D ~ 3:1
- Chỉ có thể điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía tăng
Do độ dốc đặc tính cơ tăng khi giảm từ thông, các đặc tính sẽ cắt nhau Với tải nhỏ (M1), tốc độ tăng khi từ thông giảm Tuy nhiên, ở vùng tải lớn (M2), tốc độ có thể tăng hoặc giảm tùy thuộc vào tải Phương pháp này thường được sử dụng ở vùng tải không quá lớn so với định mức.
Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ là (1÷10)% dòng định mức của phần ứng Tổn hao điều chỉnh thấp
1.6.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng
Từ thông động cơ được giữ không đổi Điện áp phần ứng được cấp từ một bộ biến đổi Khi thay đổi điện áp cấp cho cuộn dây phần ứng, ta có các họ đặc tính cơ ứng với các tốc độ không tải khác nhau, song song và có cùng độ cứng Điện áp U chỉ có thể thay đổi về phía giảm (U)
34 Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp phần ứng Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng biện pháp thay đổi điện áp phần ứng có các đặc điểm sau:
- Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng nhỏ
- Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh
- Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh
- Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là như nhau Độ sụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh
Do vậy, sai số tốc độ tương đối (sai số tĩnh) của đặc tính cơ thấp nhất không vượt quá sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh
- Dải điều chỉnh của phương pháp này có thể: D ~ 10:1
- Chỉ có thể điều chỉnh tốc độ về phía giảm (vì chỉ có thể thay đổi với Uư
=> Phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn để có thể thay đổi trơn điện áp ra
Phương trình mô tả động cơ điện một chiều
Mô hình hóa hệ thống bằng phương pháp phân tích vật lý
Áp dụng định luật Kirchhoff cho mạch kín:
Mặt khác momen điện từ sinh ra: 𝑀 đ = 𝐾 𝑖(𝑡) Cân bằng momen trên trục động cơ:
𝐽 𝜃̈ + 𝑏 𝜃̇ = 𝐾 𝑖(𝑡) (2) Laplace (1) và (2), ta có hệ phương trình :
Vậy ta được hàm truyển của hệ thống:
Xây dựng biểu đồ Bond graph
Các bước xây dựng biểu đồ Bond Graph
B1: Mỗi vị trí trong mạch điện mà điện thế khác nhau, thì đặt 0-juctions
B2: Chèn mỗi phần tử mạch “single port” bằng kết nối nó với 1-junctions bằng đường power bond
B3: Gán chiều công suất tới tất cả các bond trong mô hình
B4: Nếu các vị trí có thế đất đã được xác định, thì xóa bỏ 0-juntions tại đó và tất cả các bonds kết nối đến nó
B5: Đơn giản hóa các bond graphs theo các nguyên tắc
B1: Với mỗi vận tốc khác nhau thiết lập 1-junction
B2: Đưa vào các phần tử dung kháng và trở kháng tới power bonds và kết nối chúng tới 1-junctions 1 sử dụng 0-junctions Phần tử quán tính được thêm vào 1- juntions
B3: Gán chiều công suất tới các bonds
B4: Loại bỏ tất cả 1-junctions có vận tốc 0 và tất cả các bonds kết nối tới nó
B5: Đơn giản hóa bằng sử dụng các nguyên tắc tối giản
Xác định các điểm có điện thế khác nhau Đưa vào các phần từ trở kháng và cảm kháng
Xóa bỏ 0-junction tại vị trí có thể đất và các bond kết nối đến nó Đơn giản hóa bond graph theo các nguyên tắc
I(L) : Phần tử cảm kháng của cuộn cảm phần ứng
R(R): Phần tử trở kháng của điện trở phần ứng
GY (Gyrator Element) : Con quay hồi chuyển
I(J) : Phần tử cảm kháng của momen quán tính
R(b) : Phần tử trở kháng (ma sát) Tiếp theo, ta xác định chiều của effort và flow trong hệ thống:
Chiều effort và flow trong h ệ thống
- f1 = f2 = f3 = f4 : Dòng điện phần ứng trong động cơ
- e2 : Điện áp trên cuộn cảm
- e3 : Điện áp trên điện trở
- e4 : Suất điện động trong động cơ
- f5 = f6 = f7 : Tốc độ góc của động cơ
- e5 : Momen quay của trục động cơ
- e6 : Momen quán tính của động cơ
- e7 : Momen cản của ma sát
Mô phỏng hệ thống và bộ điều khiển
Mô phỏng hệ thống
- Dựa trên các thông số đề bài đưa ra: Điện cảm phần ứng L: 1 10 −3 H Điện trở phần ứng R: 0.8 Ω Hệ số cản b = 8.6 10 −3 Nms/rad Momen quán tính J= 0.1 𝑁𝑚𝑠 2 /𝑟𝑎𝑑 Hệ số momen K= 0.3
Tín hiệu vào: điện áp V Tín hiệu ra: góc quay 𝜃 của động cơ
- Mô phỏng với điện áp vào V = 10V Đồ thị mô phỏng đặc tính góc quay
Nhận xét: Khi khởi động, góc quay tăng nhanh, hệ thống mất ổn định
Mô phỏng bộ điều khiển
Sơ đồ Bond Graph hệ thông với bộ điều khiển P
Thiết lập thông số ban đầu Kp=5 Đáp ứng hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển P và thông số Kp=5
Nhận xét ảnh hưởng của khâu tỉ lệ P đến đặc tính của hệ thống:
- Tăng Kp càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ (luôn tồn tại sai số xác lập)
- Tuy nhiên độ vọt lố cao, hệ thống kém ổn định
Sơ đồ Bond Graph hệ thống với bộ điều khiển PI
Thiết lập thông số ban đầu với Kp=Ki=1 cho bộ điều khiển PI Đáp ứng hệ thống với thông số bộ điều khiển PI đặt ra ban đầu
Nhận thấy đáp ứng có độ vọt lố cao, thời gian quá độ và sai số xác lập lớn
44 Tiến hành khảo sát giảm Kp=0.6 và tăng Ki=5 Đáp ứng hệ thống khi tăng Kp và Ki
Nhận xét ảnh hưởng của PI đến đặc tính của hệ thống:
- Làm chậm đáp ứng quá độ
- Triệt tiêu sai số xác lập của hệ thống
Sơ đồ Bond Graph hệ thống với bộ điều khiển PD
Thiết lập thông số ban đầu với Kp=Kd=1 cho bộ điều khiển PD
T Đáp ứng hệ thống với thông số bộ điều khiển PD đặt ra ban đầu
Nhận xét ảnh hướng PD đến đặc tính hệ thống:
- Làm nhanh đáp ứng quá độ hệ thống
- Làm hệ thống nhạy với nhiễu tần số cao
Sơ đồ Bond Graph hệ thống với bộ điều khiển PID Đặt giá trị góc quay mong muốn là 100 và các tham số ban đầu của bộ điều khiển PID là: Kp = 1, Ki = 1, Kd = 1, ta có đồ thị sau: Đáp ứng hệ thống với Kp = 1, Ki = 1, Kd = 1
- Thời gian quá độ lớn
- Chưa triệt tiêu sai số xác lập
Giải pháp: tăng Kp và Kd Chọn Kp , Kd=5 Đáp ứng hệ thống với Kp và Kd=5
Nhận xét đáp ứng của hệ thống:
- Thời gian quá độ khoảng 1.2s
- Sai số xác lập được cải thiện tuy nhiên chưa đáp ứng được với mục tiêu điều khiển đề ra
Tiến hành tăng Ki, chọn Ki= 3 Ta có đáp ứng hệ thống như sau:
49 Đáp ứng hệ thống khi Kp , Kd=5, Ki=3
Nhận xét: Khi tăng Ki hệ thống có sai số xác lập càng lớn
Tiến hành giảm Ki=0.2, giữ nguyên Kp , Kd=5:
- Thời gian đáp ứng khoảng 1.3s
- Sai số xác lập được loại bỏ
Tổng quan và các ứng dụng về hệ thống treo của xe ôtô
Giới thiệu về hệ thống treo
Hệ thống treo của xe bus cũng như ô tô nói chung, là hệ thống liên kết đàn hồi các cầu xe (cầu chủ động và bị động) với khung và thân xe Hệ thống treo thường bao gồm ba phần cơ bản: cơ cấu liên kết đàn hồi khung vỏ xe với các cầu xe, đảm bảo khi xe chuyển động cầu xe không va chạm với khung vỏ; cơ cấu truyền lực bao gồm các chốt, trục, thanh đòn, dầm cầu…
Hệ thống treo xe bus
Hệ thống treo đảm bảo độ êm dịu cần thiết khi xe chạy với tốc độ cao, đảm bảo các bánh luôn tiếp xúc với mặt đường, nhất là khi hai bánh dẫn hướng của cầu trước Chính trên cơ sở này hệ thống treo được phân ra làm hai loại: hệ thống treo độc lập và hệ thống treo phụ thuộc.
Công dụng, yêu cầu và phân loại hệ thống treo
Hệ thống treo là một tổ hợp các cơ cấu thực hiện liên kết các bánh xe với khung xe để đảm bảo độ êm dịu và an toàn chuyển động trên cơ sở tạo ra các dao động của thân xe và bánh xe theo ý muốn, giảm các tải trọng va đập cho xe khi chuyển động trên địa hình không bằng phẳng Ngoài ra hệ thống treo còn dùng để truyền các lực và mô men tác động giữa bánh xe và khung xe (vỏ xe)
Bộ phận giảm chấn hấp thụ năng lượng dao động của thân xe và bánh xe bằng cách chuyển đổi năng lượng cơ thành năng lượng nhiệt.
Phần tử hướng đóng vai trò quan trọng trong truyền lực ngang, lực dọc và mô men từ mặt đường lên khung xe Đặc tính chuyển động của bánh xe đối với khung do động học của phần tử hướng quyết định Đặc tính này ảnh hưởng trực tiếp đến sự ổn định và khả năng quay vòng của ô tô.
Yêu cầu của hệ thống treo:
Đảm bảo độ êm dịu cần thiết khi xe chuyển động
Độ êm dịu chuyển động của ô tô được đánh giá qua giá trị cho phép của các thông số như tần số dao động riêng, biên độ dao động lớn nhất, gia tốc dao động lớn nhất…
Sự thay đổi quĩ đạo lăn của các bánh xe không đáng kể để đảm bảo độ êm dịu chuyển động thẳng và tính năng thông qua của ô tô
Có rất nhiều cách phân loại hệ thống treo trên ô tô Dựa vào những căn cứ khác nhau ta có thể phân loại hệ thống treo trên ô tô thành các loại cơ bản sau:
Dựa theo loại của bộ phận đàn hồi ta có thể chia ra:
Bộ phận đàn hồi bằng kim loại: nhíp lá, lò xo, thanh xoắn
Bộ phận đàn hồi bằng khí nén: loại bọc bằng cao su – sợi, màng hoặc loại ống
Dựa vào bộ phận dẫn hướng ta chia thành:
Hệ thống treo phụ thuộc với cầu liền (loại riêng và loại thăng bằng)
Loại độc lập (một đòn, hai đòn ).
Một số hệ thống treo thông dụng
1.3.1 Hệ thống treo phụ thuộc Đặc trưng của hệ thống treo phụ thuộc là các bánh xe lắp trên một dầm cầu cứng
Trong trường hợp cầu xe là bị động thì dầm đó là một thanh thép định hình, còn trường hợp
52 là cầu chủ động thì dầm là phần vỏ cầu trong đó có một phần của hệ thống truyền lực
Trong quá trình chuyển động vết bánh xe được cố định do vậy không xảy ra hiện tượng mòn lốp nhanh như hệ thống treo độc lập
Khi chịu lực bên (lực li tâm, lực gió bên, đường nghiêng) 2 bánh xe liên kết cứng bởi vậy hạn chế hiện tượng trượt bên bánh xe
Khối lượng phần liên kết bánh xe (phần không được treo) lớn, đặc biệt là ở cầu chủ động
Khoảng không gian phía dưới sàn xe phải lớn để đảm bảo cho dầm cầu có thể thay đổi vị trí, do vậy chỉ có thể lựa chọn là chiều cao trọng tâm lớn hoặc là giảm bớt thể tích chứa hàng hoá sau xe
Hệ thống treo phụ thuộc thường được đặt ở trục cầu sau của xe ô tô
1.3.2 Hệ thống treo độc lập Đặc điểm của hệ thống treo này là:
Hai bánh xe không lắp trên một dầm cứng mà lắp trên hai loại cầu rời, sự dịch chuyển của hai bánh xe không phụ thuộc vào nhau (nếu coi như thùng xe đứng yên)
Mỗi bánh xe được liên kết bởi cách như vậy sẽ làm cho phần khối lượng
53 không được treo nhỏ, như vậy mô men quán tính nhỏ do đó chuyển động của xe êm dịu
Hệ thống treo độc lập thường ở trục cầu trước của xe ô tô
1.3.3 Hệ thống treo đa liên kết
Về bản chất, treo đa liên kết thuộc loại độc lập Cải tiến từ “đàn anh” đòn chữ
A đôi, treo đa liên kết sử dụng ít nhất 3 cần bên và một cần dọc Những loại cần này không nhất thiết phải dài bằng nhau và có thể xoay theo một góc khác từ hướng ban đầu
Hệ thống treo đa liên kết
Mỗi cần đều có một khớp nối cầu hoặc ống lót cao su ở cuối, nhờ đó chúng luôn ở trạng thái căng, nén và không bị bẻ cong
1.3.4 Hệ thống treo khí nén
Ngoài các hệ treo đã kể trên thì trong hệ thống treo còn hệ thống treo khí nén Trong bình chứa không khí nén dưới áp suất từ (0,5 – 0,8 MN/M2)
54 Khi bình chứa co lại thì có thể tích ở bên trong của bình giảm, áp suất không khí và độ cứng của hệ thống treo tăng
Hệ thống treo khí nén
Một số ứng dụng về hệ thống treo
- Hệ thống treo khí nén chủ động Magic Body Control được áp dụng vào xe của Mercedes: Sử dụng các camera để theo dõi và phân tích địa hình qua đó điều chỉnh trước hệ thống treo khí nén nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và tính ổn định của xe lên mức tối đa Ứng dụng hệ thống treo trong thực tế
- Hệ thống treo khí nén chủ động sử dụng trí tuệ nhân tạo Audi AI Suspension System của Audi cũng sử dụng các camera để theo dõi và phân tích dự đoán trước địa hình để điều chỉnh hệ thống treo.
Phương trình mô tả hệ treo
Khối lượng thân xe: 2500 kg Khối lượng bánh xe: 520 kg Độ cứng hệ treo K1: 80000 N/m Độ cứng lốp xe K 2 : 500000 N/m Hệ số cản hệ treo b1: 350 Ns/m Hệ số cản hệ treo b2: 15020 Ns/m 𝑋 1 − 𝑋2: Khoảng cách giữa thân xe và vật treo 𝑋 2 − 𝑊: Khoảng cách giữa vật treo và mặt đường
Vì khoảng cách (𝑋1 - 𝑊) rất khó đo lường và độ biến dạng của vật treo (lốp) so với mặt đường (𝑋2 - 𝑊) không đáng kể, khoảng cách (𝑋1 - 𝑋2) sẽ được sử dụng thay cho (𝑋1 - 𝑊) để làm tín hiệu đầu ra trong bài toán điều khiển
Phân tích Body Mass khối lượng M1, giả sử Suspension Mass khối lượng M2 cố định
Vật Body Mass chịu tác dụng của các lực: 𝐹𝑘 1 , 𝐹𝑏 1 như hình Chọn chiều dương cùng chiều X1
Trong đó: 𝐹𝑘 1 = 𝑘 1 (𝑋 1 − 𝑋2) là lực của lò xo k1
𝐹𝑏1 = 𝑏1(𝑋̇ 1 − 𝑋̇ 2 ) là lực của giảm chấn b1 Theo định luật II newton: Σ𝐹 = 𝑚𝑎
Phân tích Suspension System khối lượng M2, giả sử Body Mass khối lượng M1 cố định
- Vật Suspension System chịu tác dụng của các lực: 𝐹𝑘1, 𝐹𝑏1, 𝐹𝑘2, 𝐹𝑏2
57 - Chọn chiều dương cùng chiều X2
Trong đó: 𝐹𝑘1 = 𝑘1(𝑋1 − 𝑋2) là lực của lò xo k1
𝐹𝑏1 = 𝑏1(𝑋̇1 − 𝑋̇2) là lực của giảm chấn b1 𝐹𝑘2 = 𝑘2(𝑋2 − 𝑊) là lực của lò xo k2
𝐹𝑏2 = 𝑏2(𝑋̇2 − 𝑊̇ ) là lực của giảm chấn b2 Theo định luật II newton: Σ𝐹 = 𝑚𝑎
{ 𝑋 1 (𝑠)(𝑀 1 𝑠 2 + 𝑘 1 + 𝑏 1 𝑠) − 𝑋 2 (𝑠)(𝑘 1 + 𝑏 1 𝑠) = 0 𝑋 2 (𝑠)(𝑀 2 𝑠 2 + 𝑏 1 𝑠 + 𝑏 2 𝑠 + 𝑘 2 + 𝑘 1 ) − 𝑋 1 (𝑠)(𝑏 1 𝑠 + 𝑘 1 ) = 𝑊(𝑠)(𝑏 2 𝑠 + 𝑘 2 ) (4) Biến đổi (4) về dạng ma trận :
Tính cách phần bù đại số:
Ta tìm được ma trận phụ hợp:
Ta tìm được ma trận 𝐴 −1
Tín hiệu đến đầu vào là W(s), đầu ra là 𝑋 1 (𝑠) − 𝑋 2 (𝑠) ta được hàm truyền G(s) như sau:
Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ treo và hệ thống điều khiển hệ treo
Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ treo trên ứng dụng 20-SIM
Bước 1: Đặt 1 – Junction tại các điểm vận tốc khác nhau Trong bài này ta có 3 điểm vận tốc khác nhau là X1, X2 và W
Bước 2: Chèn 0 – Junction vào giữa các phần tử 1 – Junction Đưa các phần tử dung kháng và trở kháng vào, phần tử quán tính được thêm vào 1 – Junction
Bước 3: Gán chiều công suất tới các bond
61 Bước 4: Xác định quan hệ nhân quả
Xây dựng hệ thống điều khiển cho hệ treo xe bus
Bộ điều khiển PID bao gồm sự kết hợp của các điều khiển tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D) Hệ thống này cho phép điều chỉnh lỗi ở mức thấp nhất, tăng tốc độ đáp ứng, giảm độ lệch và hạn chế dao động.
Bộ điều khiển PID là phương pháp điều khiển một quá trình liên tục bằng cách tính toán và áp dụng ba loại tác động: tỉ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D) Tác động tỉ lệ liên quan đến sai số hiện tại, tác động tích phân liên quan đến sai số tích lũy theo thời gian, còn tác động vi phân liên quan đến tốc độ thay đổi của sai số Tổ hợp của ba tác động này tạo nên một phản hồi điều khiển giúp giảm thiểu sai số và đạt được hiệu suất mong muốn trong hệ thống điều khiển.
2.2.2 Thiết kế bộ điều khiển PID trong 20-SIM Để thiết kế bộ điều khiển PID trong 20-SIM ta sử dụng các khối: Gain, PlusMinus, Integrate, Differentiate
63 Với input là sai số và output là tín hiệu điều khiển
Sau khi thiết kế xong bộ điều khiển PID ta thêm vào hệ thống treo xe bus
Mô phỏng và đánh giá các đặc tính giao động của thân xe sử dụng phần mềm 20-
Mô phỏng khi chưa có bộ điều khiển
Ta thực hiện khảo sát X1 khi chưa có bộ điều khiển với các thông số mà đề bài cho và tín hiệu W là hàm sine:
Khối lượng thân xe: 2500kg
Khối lượng bánh xe: 520kg
Hệ số cản hệ treo b1: 350Ns/m
Hệ số cản hệ treo b2: 15020Ns/m Nhập thông số vào 20-SIM
65 Ta thu được đáp ứng hệ thống sau:
Nhận xét: Hệ thống đang mất cân bằng
3.1.1 Khảo sát hệ thống với bộ điều khiển P
Nhận xét: Sai số của đáp ứng giảm nhưng không đáng kể
3.1.2 Khảo sát hệ thống với bộ điều khiển PI
Nhận xét: Sai số của đáp ứng giảm khá nhiều nhưng hệ thống vẫn mất ổn định
3.1.3 Khảo sát hệ thống với bộ điều khiển PD
67 Khảo sát hệ thống với bộ điều khiển PID
Sử dụng phương pháp phân tích vật lí để thiết lập phương trình mô tả hệ treo 68 Đề yêu cầu bài toán
Dùng phương pháp Newton để lập phương trình mô tả hệ cơ
Mô phỏng và đánh giá đặc tính hệ thống điều khiển tốc độ hệ cơ bằng phần mềm 20-sim
Các bước xây dựng biểu đồ Bond Graphs
B1: Với mỗi vận tốc khác nhau thiết lập 1-junction (các 1-junctions có thể là vận tốc tuyệt đối hay vận tốc tương đối)
B2: Chèn 1-port lực (mô men cho chuyển động quay) tạo ra các phần tử giữa các cặp 1- Junction bằng cách sử dụng 0-Junction Đưa vào các phần tử dung kháng và trở kháng tới power bonds và kết nối chúng tới 1-junctions 1 sử dụng 0-junctions Phần tử quán tính được thêm vào 1-juntions
72 B3: Gán chiều công suất tới các bonds;
B4: Loại bỏ tất cả 1-junctions có vận tốc 0 và tất cả các bonds kết nối tới nó;
B5: Đơn giản hóa bằng sử dụng các nguyên tức tối giản
Mô phỏng và đánh giá hệ thống hở
-Thông số của hệ thống hở
Thông số cơ bản của hệ thống hở Đặc tính dao động của vật M2 Đồ thị mô tả vận tốc của vật M2 khi hệ thống hở
Theo hình trên ta có thể thấy vận tốc của vật M2 liên tục tăng lên theo thời gian
74 Vì vậy chúng ta cần thêm bộ điều khiển PID để vận tốc đạt được độ ổn định mà đề bài đặt ra là 10m/s.
Mô phỏng và đánh giá hệ thống kín gồm hệ cơ và bộ điều khiển PID
Mô phỏng hệ thống kín được điều khiển bởi bộ điều khiển PID trên phần mềm 20-Sim
Các thông số ban đầu
Thông số ban đầu của hệ thống kín
75 Với thông số như trên vận tốc của vật M2 được biểu diễn như sau: Đồ thị biểu diễn tốc độ của vật M2 khi được điều khiển bởi PID so với vận tốc đặt ra
(Với hệ số Kp=1, Kd=1, Ki=1)
Dựa vào đồ thị hình trên, ta thấy độ vọt lố vẫn còn rất cao, tốc độ của vật M2 dao động mạnh xung quanh vận tốc mà đề bài đặt ra là 10m/s
- Khi ta chọn Kp=5, các thông số khác giữ nguyên Đồ thị biểu diễn tốc độ của M2 khi được điều khiển bởi bộ điều khiển PID so với vận tốc đặt ra
Dựa vào đồ thị ta có thể thấy khi tăng Kp thì độ vọt lố càng lớn, sai số xác lập rất cao, hệ thống càng kém ổn định.
76 Với Kp=5, Kd=3, Ki=2 Đồ thị biểu diễn tốc độ của M2 khi được điều khiển bởi PID so với vẫn tốc đặt ra
Với mọi trường hợp trên ta có thể thấy vận tốc vật M2 luôn dao động quanh vị trí xác lập do sự dao động của lò xo là liên tục Vì vậy mặc dù các thống số điều khiển được thay đổi thì hệ thống cũng không thế ổn định được, điều này đòi hỏi hệ thống cần có giản chấn cùng với lò xo để hệ thống có thể ổn định và kiểm xoát được Sau đây là mô hình mô phỏng hệ thống khi cho thêm giảm chấn trên phần mềm 20-Sim.
