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 kỹ 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 kích từ song song, nam châm vĩnh cửu và hệ thống treo xe bus 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. Xin chân thành cảm ơn!
TỔNG QUAN VÀ ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG
Đ ỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1.1 Giới thiệu chung Động cơ điện một chiều là máy điện được dùng để biến đổi năng lượng điện một chiều thành cơ năng Động cơ điện một chiều bao gồm: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập, song song, nối tiếp, hỗn hợp
Hình 1.1: Động cơ điện một chiều
1.1.2 Động cơ điện một chiều a) Phân loại động cơ điện một chiều
Căn cứ vào phương pháp kích từ, có thể chia động cơ điện một chiều thành những loại như sau:
− Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai nguồi riêng rẽ
− Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp với phần ứng
− Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song song với phần ứng
− Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp bao gồm 2 cuộn dây kích từ, 1 cuộn được mắc nối tiếp với phần ứng, 1 cuộn mắc song song với phần ứng
Hình 1.2: Cấu tạo động cơ điện một chiều b) Cấu tạo của động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và phần động Ngoài ra còn có bộ phận chổi than, cổ góp
+ Stator của motor DC: Là phần đứng yên, được chế tạo sử dụng từ 1 hay nhiều cặp nam châm 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
+ Chổi than (còn được gọi là brushes): Làm nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho bộ phận cổ góp
+ 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) c) Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều
− Khi cung cấp điện áp một chiều cho dây quấn phần ứng Dây dẫn có dòng điện nằm trong từ trường do phần cảm sinh ra sẽ chịu lực tác động làm roto quay, chiều của lực tác động xác định bằng quy tắc bàn tay trái
− Khi roto quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau Do có phiến góp nên chiều dòng điện vẫn giữ nguyên, làm cho chiều lực từ không thay đổi Khi quay các thanh dẫn chuyển động trong từ trường sẽ sinh ra suất điện động phần ứng, chiều của suất điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải d) Ưu nhược điểm và ứng dụng của động cơ điện một chiều
+ Ưu điểm nổi bật của động cơ điện 1 chiều là có moment mở máy lớn, do đó sẽ kéo được tải nặng khi khởi động
+ Khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt
+ Tiết kiệm điện năng, bền bỉ, tuổi thọ lớn
+ Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, đắt tiền nhưng hay hư hỏng trong quá trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sủa chữa cẩn thận, thường xuyên
+ Tia lửa điện phát sinh trên cổ góp và chổi than có thể sẽ gây nguy hiểm, nhất là trong điều kiện môi trường dễ cháy nổ
+ Giá thành đắt mà công suất không cao
+ Ứng dụng trong mọi lĩnh vực của cuộc sống: trong tivi, máy công nghiệp, trong đài
FM, ổ đĩa DC, máy in, 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, …
1.1.3 Động cơ điện 1 chiều kích từ song song Động cơ điện một chiều kích từ song song là động cơ điện một chiều được mắc bố trí sao cho nguồn một chiều cấp cho phần ứng và cấp cho kích từ song song với nhau Ta có phương trình cân bằng của động cơ kích từ song song
Hình 1.3: Sơ đồ động cơ điện một chiều kích từ song song a) Nguyên lý làm việc 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 = Iư + Ikt Để mở máy, người ta thường dùng biến trở để mở máy (gọi là Rmở) 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 b) Ứng dụng 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
1.1.4 Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu a) Cấu tạo của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu
Hình 1.4: Cấu tạo động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu Động cơ điện 1 chiều được cấu tạo bởi Stator, Rotor, chổi than và cổ góp
- Stator: Là phần đứng yên, được chế tạo sử dụng từ 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu
- Rotor: Bao gồm các phần như: cốt lõi, cuộn dây cùng với bộ chuyển mạch Lõi gia cố của động cơ được làm bằng 1 lớp sơn cách điện và được cách li mỏng 1 lớp nữa bằng thép
- Chổi than: Làm nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho bộ phận cổ góp
- Cổ góp: Thực hiện nhiệm vụ tiếp xúc và chia điện đều cho các cuộn dây ở trên phần rotor (phần quay) b) Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu
Tương tự như nguyên lý làm việc chung của toàn bộ động cơ DC Đó là khi 1 sợi dây dẫn mang vào trong 1 từ trường thì 1 lực cơ học sẽ xuất hiện bởi dây dẫn và hướng của lực này cũng sẽ được điều chỉnh bởi quy tắc bàn tay trái của Fleming
Như trong 1 động cơ DC nam châm vĩnh cửu, động cơ có phần ứng được đặt bên trong từ trường của thanh nam châm vĩnh cửu Các armature khi đó sẽ quay 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
- B chính là cường độ từ trường, đơn vị tính là Tesla (weber/ m2),
- I là dòng điện chạy trong dây dẫn đó, được tính bằng Ampe (A),
- L là chiều dài của sợi dây dẫn, được tính bằng mét (m)
H Ệ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TREO XE BUS
1.2.1 Tổng quan a) Giới thiệu chung
Hệ thống treo trên ô tô 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 đoạn đường có nhiều ổ gà, gồ ghề thì hệ thống này sẽ loại bỏ đi những dao động thẳng đứng và hạn 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 1.6: Hệ thống giảm chấn xe ô tô b) Cấu tạo của hệ thống treo thông thường
Dựa theo cấu tạo chung của hệ thống treo đa số xe hiện nay thì hệ thống treo của xe gồm 3 bộ phận chính:
- Bộ phận đàn hồi là bộ phận quan trọng nhất (thường là các loại như : Nhíp, Lò xo, Thanh xoắn, Khí nén, Cao su), có tác dụng làm giảm tần số dao động của ô tô, đảm bảo độ êm dịu khi xe chuyển động qua những cung đường không bằng phẳng
- Bộ phận giảm chấn có nhiệm vụ loại dao động của bánh và thân ô tô, tăng độ bám đường cho bánh, giúp tránh không bị rung lắc mạnh
- Bộ phận dẫn hướng (thanh ổn định) có chức năng tiếp nhận, truyền lực và mô-men giữa bánh và khung xe Cũng căn cứ theo điều này, hệ thống treo thường được chia làm hai loại chính là treo độc lập và treo phụ thuộc Hai thuật ngữ này ám chỉ khả năng điều chỉnh các bánh xe đối nhau chuyển động độc lập
Hình 1.7: Hình ảnh 3-D hệ thống treo xe ô tô c) Yêu cầu đối với hệ thống
Hệ thống treo phải đảm bảo được các yêu cầu cơ bản sau đây:
- Đặc tính đàn hồi của hệ thống treo (đặc trưng bởi độ võng tĩnh ft và hành trình động fđ) phải đảm bảo cho xe có độ êm dịu cần thiết khi chạy trên đường tốt và không bị va đập liên tục lên các ụ hạn chế khi chạy trên đường xấu không bằng phẳng với tốc độ cho phép Khi xe quay vòng, tăng tốc hoặc phanh thì vỏ xe không bị nghiêng, ngửa hay chúc đầu
- Đặc tính động học, quyết định bởi bộ phận dần hướng, phải đảm bảo cho xe chuyển động ổn định và có tính điều khiển cao, cụ thể là:
+ Đảm bảo cho chiều rộng cơ sở và góc đặt các trụ quay đứng của bánh xe dẫn hướng không đổi hoặc thay đổi không đáng kể;
+ Đảm bảo sự tương ứng động học giữa các bánh xe và truyển động lái, để tránh gây ra hiện tượng tự quay vòng hoặc dao động các bánh xe dẫn hướng xung quanh trụ quay của nó
Giảm chấn phải có hệ sổ dập tắt dao động thích hợp để dập tắt dao động được hiệu quả và êm dịu
- Có khối lượng nhỏ, đặc biệt là các phần không được treo
- Kết cẩu đơn giản, dễ bố trí Làm việc bển vừng, tin cậy
Hệ thống treo nói chung, gồm có ba bộ phận chính là: Bộ phận đàn hồi, Bộ phận dần hướng và Bộ phận giảm chấn Mỗi bộ phận đảm nhận một chức năng và nhiệm vụ riêng biệt
- Bộ phận đàn hồi: Dùng đề tiếp nhận và truyền các tải trọng thẳng đứng, làm giảm va đập và tải trọng động tác dụng lên khung vỏ và hệ thống chuyển động, đảm bảo độ êm dịu cần thiết cho ô tô máy kéo khi chuyển động
- 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 đối của bánh xe đối với khung vỏ
- Bộ phận giảm chấn: Cùng với ma sát trong hệ thống treo, có nhiệm vụ tạo lực cản, dập tắt các dao động của phần được treo và không được treo, biến cơ năng của dao động thành nhiệt năng tiêu tán ra môi trường xung quanh
PHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ
ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG
Hình 2.1: Mạch động cơ 1 chiều kích từ song song
R là tín hiệu đặt tốc độ; θ̇ là vận tốc góc của động cơ; u là tín hiệu điều khiển động cơ Các thông số của động cơ như sau:
- Điện trở mạch kích từ: 0.4 Ω
- Hệ số cản b = 6.6 10 −3 Nms/rad
- Momen quán tính J= 0.166 Nms/rad
Ta có mạch mắc song song nên:
U = U ư = U kt (2.1) Áp dụng định luật Kirchhoff 1 với nút A của mạch trên ta được: i = i kt + i ư ⇒ i ư = i − i kt (2.2) Áp dụng định luật Kirchoff 2 với mạch điện ta có:
Laplace hai vế (2-3) ta được:
Mà Eư = K.Φ.ω Laplace hóa ta được:
U kt = L kt di kt dt + R kt I kt (2.7)
⇒ U kt = L kt (di dt−di ư dt) + R kt (I − I ư ) (2.8) Laplace hai vế của (2-8):
(𝑠 L kt + R kt )+ I ư (s) (2.9) Thay (2-6) vào (2-9) ta được:
(s L kt + R kt )[(J s + B)(s L ư + R ư ) + (K) 2 ] Vậy ta có hàm truyền:
Đ ỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU
2.2.1 Phân tích mô hình hệ thống cơ điện một chiều
Hình 2.2: Mô hình động cơ điện một chiều
- Mô Men quán tính khối của rotor: J = 0.1 Nms 2 /rad
- Hệ số cản b = 6.6 10 −3 Nms/rad
- Tín hiệu vào là điện áp: V
- Tín hiệu ra là tốc độ: θ̇
Mô hình hóa hệ thống bằng hàm truyền:
- Áp dụng định luật II Niuton cho phần cơ ta có phương trình:
- Áp dụng định luật Kirchhoff cho phần điện ta có:
Từ phương trình (2.3) ta có:
Thế (2.5) vào (2.4) và biến đổi ta được:
Chúng ta đi đến hàm truyền vòng hở sau đây bằng cách loại bỏ I(s) giữa hai phương trình trên, trong đó tốc độ quay được coi là đầu ra và điện áp phần ứng được coi là đầu vào
Vì hàm bậc 3 suy giảm rất nhanh về dạng hàm bậc 2 nên ta có thể coi hàm truyền của hệ là
H Ệ THỐNG TREO XE BUS
Hình 2.3 Mô hình hệ thống treo xe bus
Các thông số của động cơ như sau:
- Khối lượng thân xe: 2500kg
- Khối lượng bánh xe: 320kg
- Hệ số cản hệ treo b1: 350Ns/m
- Hệ số cản hệ treo b2: 15020Ns/m
Trong đó: u là tín hiệu điều khiển hệ thống treo
2.3.2 Phương trình mô tả hệ thống
Tọa độ (x, y) được hướng như hình khi: x 1 = 0; x 2 = 0
Hệ đứng yên ở trạng thái cân bằng(tĩnh) (cho phép trọng lượng được phép bỏ qua)
Giả sử cả lò xo và giảm chấn đều tuyến tính
Hình 2.4: Phân tích lực hệ thống treo
Ta chọn chiều dương theo hướng x 1 và x 2 như hình vẽ (chiều tích cực)
Từ hình trên và định luật II Newton, chúng ta có được các phương trình chuyển động như sau:
Giả thiết các điều kiện ban đầu đều bằng không, những phương trình này đặc trưng cho trạng thái bánh xe bus bị xóc Do hiệu số x1-W rất khó để tính toán, độ biến dạng của lốp xe x2-W có thể bỏ qua, vì vậy chúng ta có thể dùng hiệu số x1-x2 thay thế cho đầu ra x1-
W Vậy ta có đầu ra của hệ thống là x1-x2 và hai đầu vào là U và W
Ta tìm hàm truyền G1(s) và G2(s) như sau:
Sử phép biến đổi Laplace các phương trình (a), (b) phía trên, ta được:
Biểu diễn hệ phương trình trên dưới dạng ma trận:
Giải phương trình ma trận ta được:
Khi chúng ta chỉ muốn xét đến đầu vào U(s), chúng ta đặt W(s)=0 Do đó chúng ta được hàm truyền sau:
Khi chúng ta chỉ muốn xét tới nhiễu đầu vào W(s), chúng ta đặt U(s)=0 Do đó chúng ta được hàm truyền sau:
XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH
Đ ỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG
3.1.1 Sơ đồ nối mạch của động cơ điện một chiều kích từ song song Động cơ điện 1 chiều kích từ song song có sơ đồ nối mạch như sau:
Hình 3.1: Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ song song
Hệ thống động cơ điện 1 chiều song song gồm các phần tử:
+ Điện trở mạch kích từ: 0.4 10 3 Ω
+ Hệ số cản b = 6.6 10 −3 Nms/rad
+ Momen quán tính J= 0.166 Nms/rad
+ Nguồn cấp cho mạch là nguồn U, nguồn này cấp cho động cơ hoạt động
3.1.2 Xây dựng biểu đồ Bond Graph cho hệ thống
− Mỗi vị trí trong mạch điện mà điện thế khác nhau thì đặt 1 “0-junction” (0- junction 1, 0-junction 2, 0-junction 3, 0-junction 4, 0-junction 5)
− Chèn mỗi phần tử mạch “single port” bằng cách kết nối nó với “1-junction” bằng đường bond
− Nguồn vào Se được nối với “0-junction” qua “1-junction”
Từ đó ta xây dựng được sơ đồ Bond Graph đầu tiên:
Hình 3.2: Xây dựng biểu đồ Bond Graph của hệ thống Đơn giản hóa sơ đồ Bond Graph:
Hình 3.3: Đơn gian hóa biểu đồ Bond Graph của hệ thống
Gắn quan hệ nhân quả :
+ Chỉ duy nhất một “Causal stroke” đi vào “0-junction” còn lại các “Causal stroke” khác đều đi ra
+ Chỉ duy nhất một “Causal stroke” đi ra “1-junction” còn lại các “Causal stroke” khác đều đi vào
Từ đó ta có biểu đồ Bond Graph của hệ thống như sau [3]:
Hình 3.4: Biểu đồ Bond Graph của hệ thống
Đ ỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU
3.2.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph
Hình 3.5: Biểu đồ Bond Graph của động cơ DC nam châm vĩnh cửu
- 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)
Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều
Biểu đồ Bond Graph có hai phía Một bên là phần tử điện bao gồm điện áp đặt vào, điện trở phần ứng và điện cảm phần ứng Bên còn lại chứa các thành phần quán tính và ma sát quay
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 sẻ cùng 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 một bên là phần tử điện và bên còn lại là phần tử cơ khí
Phần tử GY mô tả mối quan hệ giữa tốc độ góc của động cơ (ω M ) với suất điện động (V M ) (mechanical flow and electrical effort) và dòng điện (I M ) với mô men quay (T M ) (electrical flow and mechanical effort)
Bên phía cơ khí, do tải bên trong bao gồm quán tính và ma sát quay Do đó, hai thành phần này được liên kết với GY thông qua liên kết 1 (Junction 1)
Tiếp theo, ta xác định chiều của effort và flow trong hệ thống:
Hình 3.6: Chiều effort và flow trong hệ thống
- f1 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: 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
3.2.2 Xây dựng bộ điều khiển Điều khiển trạng thái của hệ thống rất quan trọng trong hệ thống thực tế Một hệ thống dù được thiết kế tốt như thế nào thì phản hồi (feedback) của nó hay đầu ra của hệ thống (output) không hoàn toàn chính xác với giá trị mong muốn Bên cạnh đó, nhiễu từ bên ngoài có thể ảnh hưởng đến hệ thống và trạng thái của nó dẫn đến kết quả là làm thay đổi giá trị mong muốn Vì vậy, cần xây dựng một hệ thống điều khiển để điều chỉnh trạng thái của hệ thống bằng cách thay đổi đầu vào (input) Bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất là bộ điều khiển phản hồi (feedback control), trong đó đáp ứng của hệ thống được theo dõi và so sánh với giá trị mong muốn, và sai số (error) trong phản hồi được sử dụng để thay đổi đầu vào để đạt được kết quả Đáp ứng của hệ thống được so sánh với điểm đặt (set point) để đạt được sai số Tín hiệu
31 sai số được sử dụng trong thuật toán điều khiển để xác định được đầu vào hệ thống, đáp ứng sẽ được điều chỉnh để đạt được đầu ra mong muốn
Hình 3.7 Sơ đồ hệ thống điều khiển hồi tiếp (feedback control)
Trong tất cả thuật toán điều khiển phản hồi, đầu ra thực tế được đưa trở lại hệ thống điều khiển nên một phép đo sai số (sự khác nhau giữa đầu ra mong muốn và đầu ra thực tế) được tính toán, và phép đo sai số được sử dụng để thiết lập thay đổi đầu vào để giảm thiểu sai số Hơn 90% cách điểu khiển liên quan đến việc sử dụng bộ điểu khiển PID PID là viết tắt của proportional (tỷ lệ), integral (tích phân) và derivative (vi phân) Điều khiển PID thực hiện 3 quá trình điểu khiển khác nhau với hàm sai số (error function)
Cấu trúc của hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu được sử dụng và sơ đồ Bond Graph mô tả hệ thống điều khiển động cơ điện được thể hiện qua hình dưới đây:
Hình 3.8: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ động cơ
Hình 3.9: Biểu đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển
PID Theo sơ đồ trên, ta thấy tín hiệu tốc độ được đưa vào bộ tổng và được so sánh với giá trị mong muốn (Set_point) Sau đó, tín hiệu sai lệch được đưa vào bộ điều khiển PID Bộ điều khiển này xử lý và gửi tín hiệu điều khiển u tác động vào MSe (Modulated effort source) để điều khiển động cơ
H Ệ THỐNG TREO XE BUS
3.3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ thống treo xe bus
Bước 1: Đặt các 1-junction tại các vị trí có vận tốc khác nhau
- Bước 2: Đưa vào các phần tử lò xo, giảm chấn và kết nối chúng tới 1-junction sử dụng 0- junction Phần tử khối lượng được thêm vào 1-juntion
- Bước 3: Gán chiều công suất cho tất cả các phần tử trong hệ thống Kết nối nguồn Sf với
- Bước 4: Loại bỏ tất cả 1-junctions có vận tốc 0 và tất cả các bonds kết nối tới nó
(Ở đây ko có 1-junction nào có vận tốc 0 nên biểu đồ bond vẫn giữ nguyên)
Bước 5: Đơn giản hóa bằng sử dụng các nguyên tắc tối giản và thêm plusminus để xác định được X1-X2
Hình 3.10: Đơn giản hoá biểu đồ Bond Graph của hệ thống treo
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG
T ỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
Thuật toán điều khiển được sử dụng phổ biến nhất là bộ điểu khiển PID, viết tắt cho bộ điều khiển tỉ lệ, vi phân và tích phân Rõ ràng, ba thuật toán điều khiển đểg tạo ra bộ điệu khiển PID có những ưu điểm và nhược điểm riêng Những người thiết kế bộ điều khiển nỗ lực để tối ưu hóa những ưu điểm và giảm thiểu những nhược điểm Quá trình này được thực hiện trong thực tế bằng việc điều chỉnh ba tham số trong bộ điều khiển PID, đó là Kp, Ti và
Td Quá trình điều chỉnh các tham số này còn được gọi là hiệu chỉnh
Tín hiệu điều khiển trong trường hợp này có thể được viết như là tổng của ba thành phần: tỉ lệ, tích phân và vi phân Tín hiệu điều khiển trong trường hợp này được thể hiện như sau:
Dạng laplace của bộ điều khiển PID
P (Proportional): là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, giúp tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ với sai lệch đầu vào theo thời gian lấy mẫu
I (Integral): là tích phân của sai lệch theo thời gian lấy mẫu Điều khiển tích phân là phương pháp điều chỉnh để tạo ra các tín hiệu điều chỉnh sao cho độ sai lệch giảm về 0 Từ đó cho ta biết tổng sai số tức thời theo thời gian hay sai số tích lũy trong quá khứ Khi thời
36 gian càng nhỏ thể hiện tác động điều chỉnh tích phân càng mạnh, tương ứng với độ lệch càng nhỏ
D (Derivative): là vi phân của sai lệch Điều khiển vi phân tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho tỉ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào Thời gian càng lớn thì phạm vi điều chỉnh vi phân càng mạnh, tương ứng với bộ điều chỉnh đáp ứng với thay đổi đầu vào càng nhanh.
Đ ỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG
4.2.1 Mô phỏng và đánh giá hệ thống khi chưa có bộ điều khiển
1 Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm 20-sim
Sau khi đã xây dựng được biểu đồ Bond Graph cho hệ thống, ta sẽ tiến hành mô phỏng trên 20-sim Biểu đồ Bond được xây dựng trong 20-sim như hình sau:
Hình 4.1: Biểu đồ Bond Graph được mô phỏng trong 20-sim Thiết lập các thông số cho hệ thống
Hình 4.2: Thiết lập tham số cho hệ thống
2 Đánh giá hệ thống khi chưa có bộ điều khiển
Giả sử động cơ mang tải Mt= -10 N.m và điện áp cấp cho phần kích từ và phần ứng là 240V DC
Khi chưa có bộ điều khiển, dòng điện qua mạch phần ứng Iư và mạch kích từ Ikt như sau:
Hình 4.3: Đồ thị biểu diễn dòng điện mạch phần ứng và mạch kích từ
Theo tính chất của động cơ điện một chiều kích từ song song, suất điện động phần ứng được mô tả như sau: Eư = K.Φ.ω Do đó suất điện động phần ứng tỷ lệ thuận với tốc độ quay của động cơ [3] Mô phỏng dưới đây thể hiện mối quan hệ giữa momen đầu ra và vận tốc góc của động cơ:
Hình 4.4: Đồ thị biểu diễn momen đầu ra và vận tốc góc của động cơ
Nhận xét: Tại thời điểm ban đầu suất điện động phần ứng rất nhỏ, vì vậy dòng điện phần ứng và momen cao Khi tốc độ quay của động cơ càng tăng thì dòng điện phần ứng và momen đầu ra càng giảm
4.2.2 Khảo sát đáp ứng của hệ thống khi có bộ điều khiển
• Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống: a Xây dựng bộ điều khiển PID
Biểu đồ Bond Graph cho hệ thống được xây dựng như sau:
Hình 4.5: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển tốc độ sử dụng bộ điều khiển PID b Đánh giá chất lượng điều khiển
Qua việc đánh giá chất lượng điều khiển của ba bộ điều khiển tỉ lệ, tích phân và vi phân ta rút ra được ảnh hưởng của các khâu hiệu chỉnh đối với hệ thống như sau [5]:
- Ảnh hưởng của khâu tỉ lệ P đến đặc tính của hệ thống
+ Tín hiệu đầu ra trùng pha với tín hiệu đầu vào
+ Hệ số Kp càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ (luôn tồn tại sai số xác lập)
+ Tuy nhiên nếu hệ số tỉ lệ càng lớn sẽ làm độ vọt lố càng cao, hệ thống càng kém ổn định
- Ảnh hưởng của khâu tỉ lệ PI đến đặc tính của hệ thống
+ Khâu hiệu chỉnh PI làm chậm đáp ứng quá độ
+ Triệt tiêu sai số xác lập của hệ thống
- Ảnh hưởng của khâu tỉ lệ PD đến đặc tính của hệ thống
+ Khâu hiệu chỉnh PD làm giảm độ vọt lố
+ Làm nhanh đáp ứng quá độ của hệ thống
+ Tuy nhiên cũng làm cho hệ thống rất nhạy với nhiễu tần số cao c Lựa chọn thông số bộ điều khiển PID phù hợp:
Ta đặt khối constant có giá trị V = 200 rad/s
Với Kp=1; Ti=1; Td=1, ta có đáp ứng hệ thống như sau:
Hình 4.6: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ PID với Kp=1, Ti =1s, Td=1s
Nhận xét: Tốc độ đầu ra của hệ thống là 199,749 rad/s Đáp ứng đầu ra không có độ vọt lố, có thời gian xác lập lâu và sai số xác lập nhỏ
Qua quá trình điều chỉnh các thông số, nhóm em quyết định chọn bộ tham số PID: Kp
Hình 4.7: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ PID với Kp, Ti 0ms, Tds
+ Sai số xác lập được cải thiện Tốc độ đầu ra của hệ thống là 199,941 rad/s
+ Thời gian quá độ giảm đáng kể
+ Độ vọt lố cực kì nhỏ.
Đ ỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU
4.3.1 Mô phỏng và đánh giá các đặc tính tốc độ của động cơ điện một chiều
Theo tính chất của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu, ta có momen quay được và suất điện động phần ứng được mô tả như sau:
- T: Momen quay của động cơ
- Kt, Ke: hằng số phụ thuộc vào cấu tạo động cơ Kt, Ke cùng giá trị nhưng khác đơn vị
- E: suất điện động phần ứng
- ω: tốc độ góc của động cơ
Theo công thức ta thấy momen quay tỉ lệ thuận với dòng điện phần ứng Mô phỏng dưới đây đã thể hiện mối quan hệ giữa dòng điện phần ứng và momen quán tính đầu ra
Tương tự, ta có suất điện động phần ứng cùng tỉ lệ thuận với tốc độ quay
Hình 4.8 Dòng điện phần ứng và momen đầu ra so với thời gian
Hình 4.9: Suất điện động và vận tốc góc so với thời gian
Tại thời điểm ban đầu suất điện động (emf) phần ứng rất nhỏ, vì vậy dòng điện phần ứng và momen cao Khi động cơ chuyển động càng nhanh thì dòng điện và momen càng giảm
Hình 4.10 Sự phân bố tổng momen quay giữa phần tử quán tính và phần tử ma sát
Biểu đồ thể hiện tổng momen quán tính đầu ra, phần momen được sử dụng để làm quay tải Phần còn lại đực sử dụng để vượt qua ma sát Ban đầu hầu hết momen được dùng để gia tốc quán tính, nhưng một khi nó đạt đến tốc độ ổn định momen cần thiết chỉ là phần để vượt qua ma sát
4.3.2 Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều
Hình 4.11: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển
Những thông số khác nhau được sử dụng trong mô hình hóa được trình bày sau đây:
Hình 4.12: Thông số mô phỏng ban đầu bộ điều khiển PID Đáp ứng chúng ta nhận được từ quá trình mô phỏng sử dụng các tham số được trình
Hình 4.13: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID với thông số ban đầu Tăng Kp đồ thị thay đổi và được thể hiện qua hình sau:
Hình 4.14: Thay đổi Kp Đây không phải đầu ra mong muốn Đầu ra có thể được hiệu chỉnh bằng việc điều chỉnh tất cả các biến của hệ thống Với Kp Ti=1 và Td=0.001, đáp ứng có được được thể hiện qua hình:
Hình 4.15: Đáp ứng của hệ thống đạt được khi các tham số được hiệu chỉnh
Sau khi sử dụng bộ điều khiển PID, ta đã đạt được tốc độ quay mong muốn với thời gian xác lập ngắn và hệ thống ổn định
47 Hình 4.16: Đáp ứng của momen và dòng điện phần ứng khi có bộ điều khiển
H Ệ THỐNG TREO XE BUS
4.4.1 Khảo sát đáp ứng hệ thống khi chưa có bộ điều khiển Đầu tiên, khi chưa có bộ điều khiển
Nhận xét: hệ thống mất ổn định
4.4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển
Cuối cùng em quyết định sử dụng bộ điều khiển PID vì bộ điều khiển PID có khả năng làm giảm độ vọt lố và làm nhanh đáp ứng của hệ thống Ban đầu cho đầu vào Kp, TauD, TauI ngẫu nhiên lần lượt là 10000,1,100
50 Nhận xét: hệ thống đã ổn định nhưng độ vọt lố lớn
Tiếp đến, điều chỉnh lại KpP00, Ti0, Td=1
Nhận xét: Có thể thấy rằng, độ vọt lố đã đạt mức cho phép, thời gian lắng nhỏ hơn 5s
Cuối cùng, để tối ưu hơn nên ta điều chỉnh với KpP00, TiP, Td=1
Nhận xét: Có thể thấy rằng, độ vọt lố đã ở mức cho phép, thời gian lắng nhỏ hơn 5s Thời gian xác lập đã đạt yêu cầu
