Nhưng chung quy lại hệ thống cơ điện tử là để sảnphẩm 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 t
TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU
Đ ỘNG CƠ 1 CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU LÀ GÌ ?
Động cơ một chiều DC (Direct Current) là loại động cơ hoạt động bằng nguồn điện áp một chiều, với dòng điện có hướng xác định Đặc biệt, động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu sử dụng nam châm vĩnh cửu để kích từ, mang lại hiệu suất cao và độ bền vượt trội.
C ẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU
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) có chức năng tiếp xúc và phân phối nguồn điện cho các cuộn dây trên rotor, với số lượng điểm tiếp xúc tương ứng với số cuộn dây trên rotor.
Hình 1.1: Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều
N GUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU
Động cơ điện một chiều thường bao gồm một hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện, trong khi rotor được cấu tạo từ các cuộn dây quấn và kết nối với nguồn điện một chiều Một phần quan trọng của động cơ này là bộ phận chỉnh lưu, có chức năng chuyển đổi chiều dòng điện để đảm bảo chuyển động quay của rotor diễn ra liên tục Bộ phận chỉnh lưu thường bao gồm hai thành phần chính: một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp.
Hình 1.2: Nguyên tắc hoạt động động cơ điện 1 chiều
Khi trục của động cơ điện một chiều bị kéo bởi một lực bên ngoài, động cơ sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều và tạo ra một xuất điện động cảm ứng Trong chế độ vận hành bình thường, rotor quay sẽ phát ra một điện áp gọi là sức phản điện động (counter-EMF), đối kháng với điện áp bên ngoài Sức điện động này tương tự như khi động cơ hoạt động như một máy phát điện Do đó, điện áp đặt lên động cơ bao gồm hai thành phần: sức phản điện động và điện áp do điện trở nội của các cuộn dây phản ứng tạo ra Dòng điện chạy qua động cơ có thể được tính theo công thức nhất định.
Công suất cơ mà động cơ đưa ra được sẽ tính bằng:
Ư U , NHƯỢC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU
Ưu điểm của động cơ điện 1 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.
Bền bỉ, tuổi thọ lớn.
Nhược điểm của động cơ điện 1 chiều
Bộ phận cổ góp có cấu trúc phức tạp và giá thành cao, nhưng thường xuyên gặp phải hư hỏng trong quá trình hoạt động Do đó, việc bảo dưỡng và sửa chữa bộ phận này cần được thực hiện một cách cẩn thận và thường xuyên để đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
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.
C ÁC ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Động cơ điện đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi và thay thế các loại động cơ truyền thống nhờ vào khả năng lắp đặt, vận hành máy móc nhanh chóng, hiệu quả và tiết kiệm chi phí Loại động cơ này không chỉ hoạt động bền bỉ và linh hoạt mà còn tiết kiệm năng lượng tiêu thụ Ứng dụng của động cơ điện một chiều rất đa dạng, bao gồm trong tivi, máy công nghiệp, đài FM, ổ đĩa DC, máy in-photocopy, và đặc biệt là trong ngành giao thông vận tải cũng như các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục.
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,
XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÍ
P HÂN TÍCH MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Hình 2.3: Mô hình động cơ điện một chiều
- Mô Men quán tính khối của rotor: J = 0.1 Nms rad 2 /
- Hệ số cản b = 6.610 −3 Nms/rad
- Tín hiệu vào là điện áp: V
- Tín hiệu ra là tốc độ: θ ˙
Mô hình hóa hệ thống bằng hàm truyền và phương trình không gian trạng thái:
- 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 (3) ta có:
I(s) = s (J s+b K ) θ(s) (5) Thế (5) vào (4) và biến đổi ta được:
Hàm truyền vòng hở được xác định qua công thức V(s)= K s ((J s b+ ).(L s R+ )+K 2 ), trong đó I(s) được loại bỏ giữa hai phương trình Tốc độ quay được xem là đầu ra, trong khi 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
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: θ¨ = - b J θ ˙ + K J I (8) di dt = - K
Vậy ta có phương trình không gian trạng thái d dt [ ˙ θ i ] = [ −K −b J L −R K J L ] [ θ ˙ i ] + [ 0 1 L ] v (10) y = [1 0][ ˙ θ i ]
XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH
X ÂY DỰNG BIỂU ĐỒ B OND G RAPH
- I : Phần tử cảm kháng của cuộn cảm phần ứng(L)
- R : Phần tử trở kháng của điện trở phần ứng (R)
- GY (Gyrator Element) : Con quay hồi chuyển
- I : Phần tử cảm kháng của momen quán tính(J)
- R : Phần tử trở kháng (ma sát)(b)
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 bao gồm hai phần chính: một bên là các thành phần điện như điện áp, điện trở phần ứng và điện cảm phần ứng, trong khi bên còn lại chứa các yếu tố quán tính và ma sát quay.
Hình 3.4: Biểu đồ Bond Graph của động cơ DC nam châm vĩnh cửu
Mạch phần ứng của động cơ điện một chiều được kết nối với một điện áp V, tạo ra phần tử nguồn e (source effort) – Se trong Bond Graph Phần tử Se này chia sẻ dòng (flow) với hai thành phần chính là L (Điện cảm phần ứng) và R (Điện trở phần ứng) Kết nối giữa hai thành phần này với nguồn e được thực hiện thông qua liên kết 1 (Junction 1).
Phần tử GY (Gyrator Element) đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối giữa phần tử điện và phần tử cơ khí, tạo ra sự liên kết hiệu quả giữa hai lĩnh vực này.
Phần tử GY thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ góc của động cơ (ω M) và suất điện động (V), cùng với dòng điện (I)
(TM) (electrical flow and mechanical effort).
Trong lĩnh vực cơ khí, tải bên trong bao gồm hai thành phần chính là quán tính và ma sát quay Hai yếu tố này được kết nối với GY thông qua liên kết 1 (Junction 1).
Tiếp theo, ta xác định chiều của effort và flow trong hệ thống:
Hình 3.5: 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
X ÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN
Điều khiển trạng thái của hệ thống là yếu tố quan trọng trong các hệ thống thực tế, vì phản hồi và đầu ra không hoàn toàn chính xác với giá trị mong muốn Nhiễu từ bên ngoài có thể làm thay đổi giá trị này, do đó cần thiết phải xây dựng một hệ thống điều khiển để điều chỉnh trạng thái bằng cách thay đổi đầu vào Bộ điều khiển phản hồi là phương pháp phổ biến, trong đó đáp ứng của hệ thống được theo dõi và so sánh với giá trị mong muốn Sai số trong phản hồi được sử dụng để điều chỉnh đầu vào, nhằm đạt được kết quả tối ưu Tín hiệu sai số đóng vai trò quan trọng trong thuật toán điều khiển để xác định đầu vào hệ thống, từ đó điều chỉnh đáp ứng để đạt được đầu ra như mong đợi.
Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống điều khiển hồi tiếp( feedback control)
Trong các thuật toán điều khiển phản hồi, đầu ra thực tế được đưa trở lại hệ thống để tính toán sai số giữa đầu ra mong muốn và đầu ra thực tế Sai số này được sử dụng để điều chỉnh đầu vào nhằm giảm thiểu sai số Hơn 90% các phương pháp điều khiển hiện nay sử dụng bộ điều khiển PID, viết tắt của proportional (tỷ lệ), integral (tích phân) và derivative (vi phân) Bộ điều khiển PID thực hiện ba quá trình điều khiển khác nhau dựa trên hàm sai số.
Hệ thống điều khiển tốc độ cho động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu được cấu trúc rõ ràng, và sơ đồ Bond Graph mô tả cách thức hoạt động của hệ thống này.
Hình 3.7: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ động cơ.
Hình 3.8: Biểu đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển
Theo sơ đồ, tín hiệu tốc độ được đưa vào bộ tổng để so sánh với giá trị mong muốn (Set_point) Tín hiệu sai lệch sau đó được truyền vào bộ điều khiển PID, nơi nó được xử lý và gửi tín hiệu điều khiển u đến MSe (Modulated effort source) nhằm điều khiển động cơ.
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG TRÊN PHẦN MỀM 20-SIM 17
M Ô PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 17
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 cŽng giá trị nhưng khác đơn vị
- E: suất điện động phần ứng
- ω : tốc độ góc của động cơ
Theo công thức, momen quay tỷ lệ thuận với dòng điện phần ứng Mô phỏng dưới đây minh họa mối quan hệ giữa dòng điện phần ứng và momen quán tính đầu ra.
Tương tự, ta có suất điện động phần ứng cŽng tỉ lệ thuận với tốc độ quay
Hình 4.9 Dòng điện phần ứng và momen đầu ra so với thời gian
Hình 4.10: Suất điện động và vận tốc góc so với thời gian
Khi động cơ khởi động, suất điện động (emf) của phần ứng rất thấp, dẫn đến dòng điện và mô men xoắn cao Tuy nhiên, khi động cơ tăng tốc, dòng điện và mô men xoắn sẽ giảm dần.
Biểu đồ trong Hình 4.11 cho thấy sự phân bố tổng momen quay giữa phần tử quán tính và phần tử ma sát Tổng momen quán tính đầu ra được chia thành hai phần: một phần dùng để quay tải và phần còn lại để vượt qua ma sát Ban đầu, hầu hết momen được sử dụng để gia tốc quán tính, nhưng khi đạt đến tốc độ ổn định, momen cần thiết chỉ còn lại để khắc phục ma sát.
H Ệ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Nếu chúng ta sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ, tín hiệu điều khiển được thể hiện:
Trong đó: error = (đầu ra mong muốn – đầu ra thực tế)
Biểu đồ Bond Graph được thể hiện như sau:
Hình 4.12: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển P.
Hình dưới đây trình bày các thông số ban đầu trong mô phỏng, với tốc độ góc mong muốn (set_point) được thiết lập là 10 và giá trị K được đặt là 1.
Hình 4.13: Thông số mô phỏng ban đầu bộ điều khiển P.
Hình 4.14 minh họa đáp ứng của hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển P với thông số ban đầu Biểu đồ cho thấy một trong những nhược điểm của bộ điều khiển tỉ lệ là tồn tại sai số xác lập ngay cả khi hệ thống đã ổn định Khi ta tiếp tục tăng hệ số K, tình trạng này vẫn không được cải thiện.
KP đáp ứng sẽ thay đổi và được thể hiện trong hình dưới đây:
Hệ thống đã cải thiện đáng kể khi sử dụng bộ điều khiển P, tuy nhiên vẫn tồn tại sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị thực tế Khi tiếp tục tăng giá trị K lên 100, đồ thị phản ánh sự thay đổi này.
Hình 4.16 Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển P khi thay KP0.
Hệ thống đã giảm sai lệch, tuy nhiên, sự đáp ứng của nó vẫn có chút dao động và xuất hiện hiện tượng vọt lố Do đó, cần tiếp tục tăng KP00 để cải thiện hiệu suất.
Hình 4.17: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển P khi thay KP00.
Hệ thống tiếp tục giảm sai lệch, nhưng độ vọt lố tăng và xuất hiện dao động Bộ điều khiển P có ưu điểm trong việc giảm sai số xác lập, nhưng vẫn cần xem xét các yếu tố khác.
KP quá lớp có thể làm hệ thống mất ổn định và khi cân bằng vẫn còn tồn tại sai số
Hình 4.18: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển PI
Bộ điều khiển PI biểu trưng cho bộ điều khiển tích phân tỉ lệ Tín hiệu điều khiển có thể viết dưới dạng:
Tín hiệu điều khiển phụ thuộc vào sai lệch thực tế và sai lệch tích lũy theo thời gian Hai thông số trong thuật toán điều khiển, Kp (hằng số tỉ lệ) và Ti (hằng số tích phân), đã được điều chỉnh để hiệu chỉnh tín hiệu Bộ điều khiển tích phân có khả năng loại bỏ sai lệch, nhưng thường gặp vấn đề về đáp ứng chậm và thiếu ổn định Do đó, nó thường được kết hợp với bộ điều khiển P để cải thiện hiệu suất.
Thông số được sử dụng cho mô phỏng ban đầu được thể hiện trong hình dưới đây:
Hình 4.19 Thông số mô phỏng ban đầu bộ điều khiển PI.
Kết quả mô phỏng cho thấy đồ thị phản ánh hiệu suất vượt trội so với bộ điều khiển tỉ lệ Khi giá trị Kp được tăng lên 10, đáp ứng của đồ thị gia tăng mạnh mẽ và đạt được giá trị mong muốn.
Hình 4.20: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI với thông số ban đầu.
Bộ điều khiển PI đã hiệu quả trong việc loại bỏ sai số xác lập, tuy nhiên, thời gian xác lập vẫn còn chậm.
Bộ điều khiển PD, viết tắt của vi phân và tỉ lệ, là một loại bộ điều khiển phản hồi Trong bộ điều khiển này, tín hiệu điều khiển được biểu diễn theo một công thức cụ thể.
Tín hiệu điều khiển phụ thuộc vào sai lệch và vi phân sai lệch, với hai thông số chính là Kp và Td Thông số Td được xác định là hằng số vi phân, giúp bộ điều khiển tích phân phản ứng nhanh chóng và cải thiện độ ổn định Tuy nhiên, bộ điều khiển này cũng có nguy cơ khuếch đại tín hiệu nhiễu.
Dưới đây, là biểu đồ Bond Graph mô tả các thành phần được sử dụng:
Hình 4.22 minh họa sơ đồ Bond Graph cho hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển PD Các thông số ban đầu được trình bày trong hình dưới đây.
Hình 4.23: Thông số mô phỏng ban đầu bộ điều khiển PD.
Bằng cách tăng hệ số Kp lên 10 và sau đó lên 100, chúng ta có thể cải thiện đáng kể tốc độ của quá trình Đồ thị dưới đây minh họa tác động của việc thay đổi Kp đến hiệu suất.
Hình 4.24: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PD với thông số ban đầu
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PD với KD đã giảm sai số xác lập và cải thiện tốc độ điều khiển mà không gặp phải dao động.
Bộ điều khiển PID, viết tắt cho tỉ lệ, vi phân và tích phân, là thuật toán điều khiển phổ biến nhất hiện nay Mỗi thành phần của bộ điều khiển PID có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và các nhà thiết kế luôn nỗ lực tối ưu hóa các ưu điểm trong khi giảm thiểu nhược điểm Để đạt được điều này, họ thực hiện việc điều chỉnh ba tham số chính của bộ điều khiển PID: Kp, Ti và Td, quá trình này được gọi là hiệu chỉnh.
Tín hiệu điều khiển trong trường hợp này có thể được biểu diễn dưới dạng tổng của ba thành phần chính: tỉ lệ, tích phân và vi phân Cách thể hiện tín hiệu điều khiển này giúp phân tích và điều chỉnh hiệu quả hơn trong các hệ thống điều khiển.
Hình 4.26: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển PID
Những thông số khác nhau được sử dụng trong mô hình hóa được trình bày sau đây:
Hình 4.27: 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 4.28: 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:
