Tài liệu Kỹ thuật: Bài tập lớn mô hình hóa à mô phỏng hệ thống cơ điện tử

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Bài tập lớn mô hình hóa à mô phỏng hệ thống cơ điện tử, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Nguyễn Đức Nghĩa
• Người hướng dẫn: Ts. Phan Đình Hiếu
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Khí
• Đề tài: Xây Dựng Hệ Thống Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Kích Từ Song Song, Vị Trí Động Cơ Điện Một Chiều Nam Châm Vĩnh Cửu, Đặc Tính Dao Động Của Thân Xe
• Loại tài liệu: Bài Tập Lớn
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Bài Tập Lớn Mô Hình Hóa và Mô Phỏng Hệ Thống

Bài tập lớn mô hình hóa và mô phỏng hệ thống là một trong những công tác học tập quan trọng tại Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội, khoa Cơ Khí. Đây là dự án tổng hợp nhằm rèn luyện kỹ năng phân tích, mô phỏng các hệ thống cơ điện tử phức tạp. Bài tập này được thiết kế để giúp sinh viên áp dụng các kiến thức lý thuyết vào thực tiễn kỹ thuật, đặc biệt là trong lĩnh vực điều khiển tự động và mô phỏng hệ thống động. Thông qua bài tập, học viên sẽ nắm vững các phương pháp thiết lập phương trình toán học, xây dựng mô hình bond graph và thực hiện mô phỏng trên các phần mềm chuyên dụng như 20-SIM.

1.1. Đối Tượng Nghiên Cứu Chính

Bài tập lớn tập trung vào ba hệ thống chính: động cơ điện một chiều kích từ song song, động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu và hệ thống treo ô tô. Mỗi hệ thống được phân tích chi tiết từ cấu tạo, nguyên lý hoạt động đến ứng dụng thực tế. Sinh viên phải hiểu rõ hoạt động của từng hệ, xây dựng mô hình toán học chính xác.

1.2. Mục Đích và Ý Nghĩa

Mục tiêu chính của bài tập lớn mô phỏng hệ thống là nâng cao khả năng phân tích, thiết kế hệ thống điều khiển tự động. Sinh viên được trang bị kỹ năng sử dụng phần mềm mô phỏng và hiểu sâu về điều khiển tốc độ, vị trí, ổn định hệ thống. Đây là nền tảng quan trọng cho công việc kỹ sư trong tương lai.

II. Động Cơ Điện Một Chiều và Nguyên Lý Hoạt Động

Động cơ điện một chiều là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành cơ năng, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Có hai loại chính: động cơ kích từ song song và động cơ nam châm vĩnh cửu. Động cơ kích từ song song sử dụng cuộn từ để tạo từ trường, trong khi động cơ nam châm vĩnh cửu sử dụng nam châm thường trực làm từ trường. Cả hai đều hoạt động dựa trên nguyên lý lực Lorentz: khi dòng điện chạy qua dây dẫn trong từ trường, dây dẫn sẽ chịu lực và quay. Phương trình mô tả hệ thống động cơ bao gồm: phương trình mạch điện, phương trình moment quay, và phương trình chuyển động quay. Hiểu rõ các phương trình này là cơ sở để xây dựng mô hình toán học chính xác.

2.1. Động Cơ Điện Kích Từ Song Song

Động cơ kích từ song song có cuộn từ mắc song song với cuộn phần ứng. Ưu điểm là tốc độ tương đối ổn định, dễ điều khiển tốc độ bằng điều chỉnh điện áp phần ứng. Phương trình mô tả bao gồm phương trình mạch phần ứng và phương trình moment. Hệ thống này thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu điều khiển tốc độ chính xác.

2.2. Động Cơ Điện Nam Châm Vĩnh Cửu

Động cơ nam châm vĩnh cửu loại bỏ cuộn từ, giảm tổn hao năng lượng và kích thước. Từ trường được tạo bởi nam châm thường trực, nên hiệu suất cao hơn. Hệ thống điều khiển loại này cần điều chỉnh dòng điện phần ứng để kiểm soát vị trí và vận tốc. Ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điều khiển vị trí.

III. Xây Dựng Biểu Đồ Bond Graph và Mô Hình Toán Học

Biểu đồ bond graph là công cụ mạnh mẽ để mô hình hóa hệ thống đa miền (điện, cơ học, nhiệt). Phương pháp này biểu diễn sự tương tác năng lượng giữa các thành phần hệ thống thông qua các "bond" (liên kết). Mỗi bond mang hai biến: effort (lực, điện áp) và flow (vận tốc, dòng điện). Quá trình xây dựng biểu đồ bond graph bao gồm: (1) xác định các yếu tố năng lượng, (2) thiết lập các junction điểm (0-junction cho biến chung, 1-junction cho biến khác), (3) kết nối các thành phần. Sau đó, từ biểu đồ bond graph, có thể rút ra phương trình mô tả hệ thống. Ưu điểm của phương pháp này là hệ thống hóa, rõ ràng, dễ mở rộng cho hệ phức tạp.

3.1. Các Bước Xây Dựng Bond Graph

Bước 1: Xác định các yếu tố năng lượng trong hệ (điện cảm, điện trở, khối lượng, độ cứng). Bước 2: Vẽ sơ đồ kết nối biểu diễn mối quan hệ năng lượng. Bước 3: Thiết lập các junction và xác định chiều dòng công suất. Bước 4: Gán các số nhận dạng và xác định variables của từng bond.

3.2. Ứng Dụng Trong Hệ Thống Treo Ô Tô

Hệ thống treo ô tô là hệ cơ-điện phức tạp với bộ điều khiển. Biểu đồ bond graph giúp mô hình hóa sự tương tác giữa độ cứng lò xo, hệ số giảm xóc, khối lượng xe và bộ điều khiển chủ động. Phương pháp này cho phép xác định đặc tính dao động của thân xe, thiết kế bộ điều khiển PD để giảm dao động.

IV. Mô Phỏng Hệ Thống Trên Phần Mềm 20 SIM

Phần mềm 20-SIM là công cụ mô phỏng chuyên dụng dựa trên biểu đồ bond graph, cho phép mô phỏng động lực học của hệ thống phức tạp. Quá trình mô phỏng bao gồm: (1) nhập biểu đồ bond graph vào phần mềm, (2) cài đặt các thông số hệ thống (điện trở, khối lượng, hệ số giảm xóc), (3) thiết lập bộ điều khiển (P, PI, PD), (4) chạy mô phỏng và phân tích kết quả. Các bộ điều khiển khác nhau cho kết quả khác nhau: bộ P tăng tốc độ đáp ứng nhưng tạo sai lệch tĩnh, bộ PI loại bỏ sai lệch tĩnh, bộ PD cải thiện độ ổn định. Thông qua mô phỏng, sinh viên học được cách tối ưu hóa tham số bộ điều khiển để đạt hiệu suất tốt nhất.

4.1. Mô Phỏng Động Cơ Điện Một Chiều

Mô phỏng tốc độ động cơ sử dụng bộ điều khiển P: tăng Kp làm tăng đáp ứng nhưng gây overshot. Với bộ điều khiển PI (Kp=10, Ti=1), hệ thống đạt ổn định nhanh hơn và không có sai lệch tĩnh. Mô phỏng vị trí góc quay của động cơ nam châm vĩnh cửu với các bộ điều khiển P, PI, PD cho thấy PD tốt nhất về giảm dao động.

4.2. Mô Phỏng Hệ Thống Treo Xe Bus

Hệ thống treo xe bus khi chưa có bộ điều khiển có dao động lớn. Khi áp dụng bộ điều khiển PD, dao động giảm đáng kể, tốc độ hội tụ về ổn định. Kết quả mô phỏng cho thấy tầm quan trọng của bộ điều khiển chủ động trong cải thiện chất lượng hành trình xe.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Động cơ điện một chiều kích từ song song 1. Khái niệm động cơ điện một chiều Động cơ điện 1 chiều DC (DC là chữ viết tắt của cụm từ “Direct Current Motors” trong tiếng Anh) là một loại động cơ điều khiển bằng dòng điện có hướng được xác định. Hay theo cách nói về bản chất thì đây chính là loại động cơ hoạt động bằng nguồn điện áp DC điện áp 1 chiều.1: Động cơ điện một chiều Động cơ điện 1 chiều là chính loại động cơ đồng bộ, hoạt động bằng cách sử dụng dòng điện 1 chiều.

Ở loại động cơ 1 chiều, tốc độ quay của động cơ điện1 chiều tỷ lệ thuận với nguồn điện áp đặt vào nó, và ngẫu lực quay cũng luôn tỷ lệ thuận đối với dòng điện. Dựa vào các đặc tính trên mà động cơ DC được xem như là thành phần không thể thiếu trong chế tạo máy móc kỹ thuật đòi hỏi mô men khởi động lớn. Cấu tạo Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: - Phần tĩnh (Stator). 7 ❖ Phần tĩnh (stator): Hình 1.2: Cấu tạo stator máy điện một chiều Phần tĩnh còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường nó gồm: - Dây quấn kích thích: Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ được kích từ bằng nam châm điện), mạch từ được làm băng sắt từ (thép đúc, thép đặc).

Dây quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từ, các cuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp với nhau. - Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối.

Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối, tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau. - Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính.

Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông. - Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ 8 máy. Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại, trong máy điện lớn thường dùng thép đúc.

Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy. ❖ Các bộ phận khác: - Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang.

- Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp. ❖ Phần động (rotor): Bao gồm những bộ phận chính sau: - Phần sinh ra sức điện động gồm có: Mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ (lá thép kĩ thuật) xếp lại với nhau. Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng.

- Cuộn dây phần ứng: Gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một quy luật nhất định. Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với các phiến đồng gọi là phiến góp, các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách điện với trục gọi là cổ góp hay vành góp - Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào. - Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện - Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn.

Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Nguyên lý hoạt động Động cơ điện một chiều là một máy điện biến đổi năng lượng điện của dòng một chiều thành cơ năng. Trong quá trình biến đổi đó, một phần năng lượng của dòng xoay chiều bị tiêu tán do các tổn thất trong mạch phần ứng và mạch kích từ, phần còn lại năng lượng được biến thành cơ năng trên trục động cơ.3: Nguyên lý hoạt động Khi có dòng điện một chiều chạy vào dây quấn kích thích và dây quấn phần ứng sẽ sinh ra từ trường ở phần tĩnh. Từ trường này có tác dụng tương hổ lên dòng điện trên dây quấn phần ứng tạo ra mômen tác dụng lên roto làm cho roto quay.

Nhờ có vành đổi chiều nên dòng điện xoay chiều được chỉnh lưu thành dòngmột chiều đưa vào dây quấn phần ứng. Điều này làm cho lực từ tác dụng lên thanh dẫn dây quấn phần ứng không bị đổi chiều và làm động cơ quay theo một hướng. Công suất ứng với mômen điện từ đưa ra đối với động cơ gọi là công suất điện từ và bằng: Pdt = M .1) Trong đó: M : là mômen điện từ. Iư : Dòng điện phần ứng.

Eư : Suất điện động phần ứng. ω : Tốc độ góc phần ứng. Động cơ điện một chiều kích từ song song Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng , lúc này động cơ được gọi động cơ kích từ song song .4: Động cơ điện một chiều kích từ song song Để mở máy ta có thể dùng biến trở mở máy, hay dùng phương pháp hạ điện áp đặt vào phần ứng. Để điều chỉnh tốc độ, thường dùng điện trở điều chỉnh thayđổi dòng kích từ do đó thay đổi được từ thông Φ.

Phương pháp này được sử dụngrất rộng rãi, nhưng cần chú ý là khi giảm từ thông Φ có thể dòng điện Iư tăng quá giá trị cho phép, do đó cần có bộ bảo vệ không cho động cơ làm việc khi từ thông giảm nhiều. Phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng ở chế độ xác lập như sau: Uư = E + (Rư + Rf).2) Trong đó: Uư :Điện áp phần ứng ( V ). E : Suất điện động phần ứng ( V ). Rf : Điện trở phụ trong mạch phần ứng ( Ω ).

Rư :Điện trở của phần ứng (Ω ). Với Rư = rư + rcf + rcb + rtx. Trong đó : rư : Điện trở dây phần ứng (Ω). rcf : Điện trở cực từ phụ (Ω).

rcb : Điện trở cuộn bù (Ω). rtx : Điện trở tiếp xúc của chổi điện (Ω). Ứng dụng Ngày nay, ứng dụng của động cơ điện 1 chiều rất đa dạng và đôi khi không thể thay thế bởi nguyên lý đặc biệt chỉ có ở động cơ điện 1 chiều. Nó được có mặt trong mọi lĩnh vực sản xuất công nghiệp và đời sống: dùng trong đài FM, ổ đĩa DC, trong tivi, máy công nghiệp, các loại máy in, máy photo,.

11 Ngoài ra, động cơ điện 1 chiều được sử dụng thông dụng trong ngành công nghiệp giao thông vận tải, trong các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay thường xuyên, liên tục trong một phạm vi lớn. Hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều Tốc độ của động cơ điện một chiều có thể được điều khiển bằng nhiều cách như: điều khiển các điểm chia điện áp của bình ắc quy, điều khiển bộ cấp nguồn thay đổi được, dùng điện trở hoặc mạch điện tử. Trong phạm vi bài nghiên cứu tốc độ của động cơ được điều chỉnh bằng cách sử dụng biến trở. Điều chỉnh tốc độ dùng biến trở để thay đổi 𝐼𝑘𝑡, do đó thay đổi từ thông .

Phương pháp này sử dụng rất rộng rãi, song cần chú ý khi giảm từ thông , có thể dòng điện phần ứng Iư tăng quá trị số cho phép, vì thế cần có bộ phận bảo vệ, cắt động cơ khỏi lưới điện khi từ thông giảm quá nhiều. Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu 1. Động cơ 1 chiều nam châm vĩnh cữu là gì? Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của Direct Current) 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. Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu là động cơ điện 1 chiều được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.

Cấu tạo và phân loại động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu ❖ 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 - Rotor: phần lõi được quấn các cuộn dây quấn được kết nối với nguồn một chiều. - 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: Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu 1. Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cữu Stato của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, 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.2: Nguyên tắc hoạt động động cơ điện 1 chiều Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu cũng tương tự như nguyên lý hoạt động chung của toàn bộ động cơ điện một chiều.