Bài tập lớn môn mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ Điện tử

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

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀNỘI

LỜI NÓI ĐẦU

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 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 hóa, 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 những 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 và đạt yêu cầu đề ra

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT

CHIỀU

1.1 Khái niệm

Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của Direct Current Motors) 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

1.2 Cấu tạo

-Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và phần động

Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều thường gồm những bộ phận chính như sau:

• Stator: là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện

• Rotor: phần lõi được quấn các cuộn dây để tạo thành nam châm điện

• Chổi than (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp

• Cổ góp (commutator): làm nhiệm vụ tiếp xúc và chia nhỏ nguồn điện cho các cuộn dây trên rotor Số lượng các điểm tiếp xúc sẽ tương ứng với số cuộn dây trên rotor

1.4 Nguyên tắc hoạt động

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

Nguyên tắc hoạt động động cơ điện 1 chiều:

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=(Vnguon-Vphandiendong)/Rphanung

• Công suất cơ mà động cơ đưa ra được sẽ tính bằng:

• P=I*Vphandiendong

1.5 Cấu tạo động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp (ĐMnt): nguồn một chiều cấp chung cho phần ứng nối tiếp với kích từ

Từ sơ đồ nguyên lý ta thấy dòng kích từ chính là dòng phần ứng, nên từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng phần ứng và phụ tải của động cơ Có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:

U =Uư +Uktnt +E = Iư.Rư +Ikt.Rkt+E

(Iư = Ikt =I và E=kφω)

=> U=I.(Rư + Rkt ) + kφω

1.6 Đặc tính cơ điện

Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có dạng đường hypebol và rất mềm Tuy nhiên, thực tế quan hệ là phi tuyến nên việc viết phương trình và vẽ các đặc tính cơ đông cơ điện một chiều kích từ nối tiếp là rất khó khăn Vì vậy các nhà chế tạo động cơ thường cho trước các đường cong thực nghiệm

Phương trình mô tả động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

𝑀𝑑𝑡 = 𝐾∅𝑘𝑡𝐼𝑢 suy ra 𝐼𝑢 = M𝑑𝑡

K∅𝑘𝑡 (1.4)

Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mô men cơ trên trục động cơ bằng mô men điện từ, ta kí hiệu là M:

Hay: 𝜔 = U𝑢

K∅𝑘𝑡 − R𝑢+R𝑘𝑡

(K∅𝑘𝑡)2𝑀 (1.5)

1.7 Các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều

Từ phương trình trên muốn thay đổi tốc độ quay của động cơ điện 1 chiều có 3 phương pháp:

Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng

Nguyên lý điều khiển: Trong phương pháp này người ta giữ 𝑈 = 𝑈đ𝑚, ∅ = ∅đ𝑚

và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng

Độ cứng của đường đặc tính cơ:

Phương pháp thay đổi từ thông ∅

Nguyên lý điều khiển: giả sử 𝑈 = 𝑈đ𝑚, 𝑅ư = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 Muốn thay đổi từ thông động

cơ ta thay đổi dòng điện kích từ, thay đổi dòng điện kích từ bằng cách nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ Bình thường

khi động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa (∅ = ∅𝑚𝑎𝑥) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc

độ định mức Nên khi giảm từ thông thì tốc độ không tải lý tưởng 𝜔0 = Uđ𝑚

K∅ tăng, còn độ cứng đặc tính cơ 𝛽 = (K∅𝑘𝑡 )2

R𝑢+R𝑡 giảm, ta thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên

Khi tăng tốc động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăng vượt quá mức giá trị cho phép nếu mô men không đổi Vì vậy muốn giữ cho dòng điện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì ta phải giảm M theo cùng tỉ lệ

Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng:

Phương pháp đặc tính cơ tổng quát: 𝜔 = U𝑢

của hệ thống, do đó có thể nối phương pháp điều chỉnh này là triệt để

Khi thay đổi 𝑈ư thì 𝜔0 thay đổi còn ∆𝜔 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡, vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau Nhưng muốn thay đổi 𝑈ư thì phải có bộ nguồn một chiều thay đổi được điện áp ra, thường dùng các bộ nguồn biến đổi như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển …

Nhận xét: Cả 3 phương pháp trên đều điểu chỉnh được tốc độ động cơ điện một chiều nhưng chỉ có phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp 𝑈ư đặt vào phần ứng của động cơ là tốt nhất và hay được

sử dụng nhất vì nó thu được đặc tính cơ có độ cứng không đổi, điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không bị tổn hao

CHƯƠNG 2: THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ

ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

2.1 Phương trình mô tả động cơ điện 1 chiều sử dụng phương pháp phân tích vật lý

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

Xây dựng phương trình không gian trạng thái:

Ta có thể chọn tốc độ quay và dòng điện là các biến trạng thái Điện áp là đầu vào, đầu ra là tốc độ quay

Từ phương trình (1) và (2) ta có:

𝜃̈ = −𝑏

𝐽 𝜃̇ + 𝐾

𝜃̇ = [1 2] [𝜃̇

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH MÔ

TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ thống động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Đối với hệ thống điện

Bước 1: Tại mỗi vị trí trong mạch điện có điện thế khác nhau, đặt các Junction

0

Bước 2: Chèn mỗi phần tử 1 cổng bằng cách kết nối với các Junction 1 bằng các đường kiên kết và chèn vào giữa các Junciton 0 có liên quan

Bước 3: Gán các công suất tới tất cả các đường liên kết trong sơ đồ

Bước 4: Nếu các vị trí có thế đất đã được xác định thì xoá bỏ các Junction 0 và các đường liên kết với nó

Bước 5: Tối giản hoá sơ đồ theo nguyên tắc

Đối với hệ thống cơ

Bước 1: Tại mỗi vị trí có vận tốc khác nhau đặt các Junction 1

Bước 2: Đưa các phần tử dung kháng, trở kháng theo chiều năng lượng kết nối với 1 sử dụng kết nối với 0

Bước 3: Gán chiều công suất cho tất cả các phần tử trong hệ thống

Bước 4: Loại bỏ tất cả cá kết nối với 1 có vận tốc bằng 0 và các kết nôi với nó Bước 5: Tối giản hóa sơ đồ theo nguyên tắc

Biểu đồ Bond mô phỏng trên 20-sim

Hình ảnh nhập số liệu vào 20-sim

Hình ảnh kết quả mô phỏng trên 20-sim

Mô phỏng đánh giá hệ thống khi có bộ điều khiển PID:

CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TREO

CỦA XE Ô TÔ

4.1 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 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

4.2 Công dụng, phân loại và các bộ phận chính của hệ thống treo 4.2.1 Công dụng

Hệ thống treo thực hiện các nhiệm vụ sau:

− Liên kết mềm giữa các bánh xe và thân xe, làm giảm tải trọng động thẳng đứng tác dụng lên thân xe và đảm bảo bánh xe lăn êm trên nền đường;

− Truyền lực từ bánh xe lên thân xe và ngược lại, để xe có thể chuyển động, đồng thời đảm bảo sự chuyển dịch hợp lý vị trí của bánh xe so với thùng xe

− Dập tắt nhanh các dao động của mặt đường tác động lên thân xe

chuyển vị so với thùng xe, bánh xe bên

kia sẽ chuyển vị phụ thuộc HTT phụ

thuộc chia thành: Loại đơn và loại cân

bằng

HTT độc lập có chuyển bị của các

chuyển vị của các bánh xe trên cùng 1

cầu là độc lập với thùng xe (khi một

bánh xe chuyển vị không xảy ra chuyển vị liên kết của bánh xe còn lại)

HTT độc lập có thể phân ra: hai đòn ngang, một đòn ngang, đòn dọc và đòn chéo

4.2.3 Các bộ phận chính của HTT

HTT gồm 3 bộ phận chính: Đàn hồi, dẫn hướng, giảm chấn

− Bộ phận đàn hồi có tác dụng làm êm dịu sự chuyển động của thân xe khi đi trên đường bằng cách biến đổi tần số dao động giữa hai phần của HTT thành tần

số dao động thích hợp, phù hợp với trạng thái sinh lý của con người

− Bộ phận dẫn hướng có nhiệm vụ:

+ Xác định quan hệ dịch chuyển tương đối của bánh xe so với thùng xe, cho phép dịch chuyển theo phương thẳng đứng và hạn chế các dịch chuyển khác không mong muốn của bánh xe;

+ Truyền lực và mô men từ bánh xe lên thùng xe hoặc khung xe

− Bộ phận giảm chấn dùng để dập tắt nhanh dao động của thân xe và bánh xe bằng cách chuyển năng lượng dao động (cơ năng) thành nhiệt năng (ma sát) và tỏa ra môi trường không khí Khả năng dập tắt dao động trong hệ thống treo được đảm nhiệm chính bởi giảm chấn, ngoài ra còn có sự tham gia của các thành phần

ma sát khác (ví dụ: ma sat giữa các lá nhíp, giữa bạc và chốt nhíp ) Những thành phần ma sát này được khống chế nhằm đảm bảo sự làm việc của HTT

Ngoài ra, HTT còn có các kết cấu khác như: thanh ổn định ngang, vấu giảm va đpạ và hạn chế hành trình

4.3 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

− 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

CHƯƠNG 5: THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ

HỆ THỐNG TREO

Hệ thống treo là bộ phận quan trọng trong thiết kế của xe Khi đi qua những đoạn đường "ổ gà" gồ ghề, hệ thống này loại bỏ những dao động thẳng đứng, hạn chế các ảnh hưởng cơ học đến khung và các chi tiết kim loại, tránh việc xe bị "chồm" lên quá nhiều, đồng thời đem lại sự thoải mái cho người ngồi trong xe Thiết kế

hệ thống treo ô tô là một vấn thú vị và đầy thử thách Khi hệ thống treo được thiết kế, chúng ta cần mô hình ¼ chiếc xe (một trong bốn bánh xe) được sử dụng

để đơn giản hóa vấn đề lên 1 hệ lò xo giảm chấn Sơ đồ của hệ thống này được thể hiện như sau:

Cho cấu trúc hệ thống điều khiển hệ thống treo xe bus và mô hình hệ thống treo

xe bus như hình TRÊN Trong đó: u là tín hiệu điều khiển hệ thống treo

Các thông số của động cơ như sau:

− Khối lượng thân xe: 1500kg

− Khối lượng bánh xe: 320kg

− Độ cứng hệ treo K1: 70000N/m

− Độ cứng lốp xe K2: 600000N/m

− Hệ số cản hệ treo b1: 350Ns/m

− Hệ số cản hệ treo b2: 15020Ns/m

Yêu cầu của hệ thống để được coi là ổn định:

− Hệ thống ổn định giao động trong khoảng 0 5(mm)

− Khoảng thời gian xác lập  0.5(s)

Phân tích hệ thống treo

Hệ đứng yên ở trạng thái cân bằng(tĩnh) (cho phép trọng lượng được phép bỏ qua)

Ta chọn chiều dương theo hướng x1 và x2 như hình vẽ:

Phân tích Body Mass khối lượng M1, giả sử Suspension Mass khối lượng M2

cố định

Với:

FS1 = k1.( 𝑥1 - 𝑥2); (2.1)

Fd1 = b1.(𝑥̇1 - 𝑥̇2); (2.2) Phương trình động lực học cho Body Mass theo định luật II Newton:

M1.𝑥̈1 = -Fd1 -FS1 + u (2.3)

<=> M1.𝑥̈1 = -b1 (𝑥̇1 - 𝑥̇2) - k1 ( 𝑥1 - 𝑥2) + u (2.4)

Phân tích Suspension Mass khối lượng M2, giả sử Body Mass khối lượng M1

cố định:

Với:

FS2 = k2 ( 𝑥2 - 𝑤) (2.5) Fd2 = b2 (𝑥̇2 - 𝑤̇) (2.6) Phương trình động lực học cho Suspension Mass theo định luật II Newton:

M2.𝑥̈2 = Fd1 + FS1 - Fd2 - FS2 (2.7)

<=> M2.𝑥̈2= b1.(𝑥̇1 - 𝑥̇2) + k1.( 𝑥1 - 𝑥2) + b2.(𝑤̇- 𝑥̇2) + k2.(𝑤 - 𝑥2) (2.8) Phương trình hàm truyền của hệ thống:

A [x1(s)

x2(s)] = [

𝑢(s)(b2 s + k2)𝑤(𝑠)] (2.16)

=> [x1(s)

x2(s)]= A-1 [

𝑢(s)(b2 s + k2)𝑤(𝑠)] (2.17)

Ta có:

w(s)]

(2.21) Khi chúng ta chỉ muốn xem xét đầu vào điều khiển u(s), chúng ta đặt w(s) = 0

Do đó, chúng ta có được hàm truyền G1 (s) như sau:

Khi chúng ta chỉ muốn xem xét các đầu vào nhiễu w(s), chúng ta đặt u(s) = 0

Do đó, chúng ta có được hàm truyền G2 (s) như sau:

b1.s+ k1 b2.s+ k2.(1 +

M2 M1)

(2.25)

CHƯƠNG 6: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH MÔ

TẢ HỆ TREO VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HỆ TREO

XE BUS

6.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph

Biểu đồ Bond mô phỏng trên 20-sim

6.2 Thiết kế hệ thống điều khiển

Kiểm soát trạng thái của hệ thống là một điều cần thiết quan trọng đối với các

hệ thống thực tế Bất kể hệ thống được thiết kế tốt như thế nào, phản hồi của nó (system output) không phải lúc nào cũng chính xác như mong muốn hoặc mong đợi Ngoài ra, nhiễu động bên ngoài có thể ảnh hưởng đến hệ thống; và trạng thái của nó,vì vậy có thể thay đổi so với những gì mong muốn Do đó, cần phải kiểm soát hệ thống sẽ điều chỉnh trạng thái của hệ thống bằng cách thay đổi đầu vào để sản lượng mong muốn đạt được Có một số kỹ thuật điều khiển đơn giản,

chẳng hạn như điều khiển “bang-bang” (ON / OFF), được sử dụng hạn chế Công nghệ nổi tiếng và hữu ích nhất là kiểm soát phản hồi, nơi phản hồi của hệ thống được giám sát và so sánh với phản hồi dự kiến, và lỗi trong phản hồi được sử dụng để thay đổi đầu vào để đạt được kết quả mong muốn đáp ứng của hệ thống

là bị trừ khỏi điểm đặt để có được sai số Tín hiệu lỗi được sử dụng trong một thuật toán điều khiển để xác định đầu vào hệ thống được đưa vào và kết quả là phản hồi được điều chỉnh để đạt được đầu ra

Hình minh họa hệ thống điều khiển hồi tiếp

Cho thấy một sơ đồ của điều khiển phản hồi và chuyển tiếp hệ thống Các nhà thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng một số thước đo khác nhau về hiệu suất của

hệ thống Các phương pháp này bao gồm:

Tính ổn định: Tình trạng rối loạn ban đầu sẽ nhanh chóng chết đi

Tốc độ: Hệ thống cần phản ứng nhanh chóng

Độ nhạy: Độ nhạy của hệ thống đối với tiếng ồn phải thấp và để kiểm soát đầu vào phải cao

Độ chính xác: Sai số phải thấp

Khớp nối động: Giảm khớp nối giữa các biến hệ thống

Hình minh họa hệ thống điều khiển