CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 6 1.1 Động cơ điện một chiều 1.1 Động cơ điện 1 chiều - Động cơ điện 1 chiều hay còn được biết đến là động cơ DC. Đây là động cơ đƣợc điều khiển bằng dòng có hướng xác định trước. Nói một cách đơn giản và dễ hiểu hơn thì đây là động cơ chạy bằng nguồn điện áp DC. Động cơ DC là động cơ 1 chiều và nguồn điện áp là nguồn 1 chiều.1:Động cơ điện 1 chiều 1.2 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều Động cơ điện 1 chiều có 4 phần chính: - Stator: 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.2:Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều DC 1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện 1 chiều - 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.3:Nguyên tắc hoạt động của 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 8 động cảm ứng Electromotive force.
Khi vận hành ở chế độ bình thƣờng, rotor khi quay sẽ phát ra một điện áp đƣợc 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 đƣợc phát ra khi động cơ sử dụng nhƣ 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: (𝑉𝑁g𝑢ồ𝑛 − 𝑉𝑝ℎ𝑎𝑛 𝑑𝑖𝑒𝑛 𝑑𝑜𝑛g) 𝐼= 𝑅𝑝ℎ𝑎𝑛 𝑢𝑛g - Công suất cơ mà động cơ ra được sẽ tính bằng: 𝑃 = 𝐼.2 Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu 1.1 Động cơ nam châm vĩnh cửu Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu là động cơ điện một chiều được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.
Một động cơ nam châm vĩnh cửu DC tương tự như một động cơ thông thường. Động cơ kích từ song song được làm từ nam châm vĩnh cửu thay cho động cơ dây quấn cực từ nồi. So với động cơ DC thông thường, động cơ PMDC loại bỏ cuộn dây kích từ bằng cách thay thế bằng nam châm vĩnh cửu. Điều này giúp đơn giản hóa cấu trúc, giảm tổn thất năng lượng và tăng hiệu suất hoạt động.4:Động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu 1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu - Các nam châm vĩnh cửu của động cơ DC đuợc gắn với trụ sắt stator có nhiệm vụ phản hồi chiều từ thông.
Rotor có các rãnh dây quấn phiến gót và chổi than giống như các máy điện DC thông thường.5:Động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu 10 Hình 1.6:Cấu tạo của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu 1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu - 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. 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 1 lực F = BIL (N). Trong đó: + B chính là cƣờng độ từ trường, đơn vị tính là Tesla (weber/ m2), + I là dòng điện chạy trong dây dẫn đó, đƣợc tính bằng Ampe (A), + L là chiều dài của sợi dây dẫn, đƣợc tính bằng mét (m).4 Ưu điểm và nhược điểm của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu *Ưu điểm - Không cần sắp xếp kích thích trường - Không có công suất đầu vào tiêu thụ để kích thích làm tăng hiệu suất động cơ DC. - Không có cuộn dây trường vì vậy không gian cho cuộn dây trường làm giảm kích thước tổng thể của động cơ. - Rẻ hơn và tiết kiệm cho các ứng dụng xếp hạng kW phân số.
*Nhược điểm - Trong trường hợp này, động cơ DC có thể không được bù lại do đó cường độ từ trường có thể bị suy yếu do phản ứng dị ứng phản ứng gây mài mờ. - Ngoài ra , động cơ DC nam châm vĩnh cửu còn có một cơ hội nhận được các cực từ một cách bán khống vĩnh viễn (một phần) do dòng điện áp quá nhiều trong quá trình khởi động, đảo ngược và tình trạng quá tải của động cơ. - Một bất lợi lớn khác của động cơ DC nam châm vĩnh cửu là, trường trong khoảng cách không khí là cố định và giới hạn và nó không thể được kiểm soát bên ngoài. Do đó, kiểm soát tốc độ rất nhanh của động cơ DC trong loại động cơ này rất khó.5 Ứng dụng của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu - Động cơ nam châm vĩnh cửu loại nhỏ thường được sử dụng trong xe gắn máy, ô tô quạt điều hòa không khí, cần gặt nước kính chắn gió, quạt và ăng ten sóng vô tuyến, nó cũng được sử dụng cho máy bơm điện nhiên liệu, và dụng cụ điện không dây.
- Các ngành công nghiệp cũng sử dụng hàng triệu động cơ trong các sản phầm như: máy trộn thức ăn, máy nghiền đá, máy hút bụi cầm tay và đánh bóng giày, và cũng có trong các công cụ cầm tay như khoan, cưa. 12 CHƯƠNG 2 : XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG PHUƠNG PHÁP VẬT LÝ 2.1 Phân tích mô hình hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu Hình 2.1:Cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều Hình 2. 1: Cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều Hình 2.2:Mạch phần ứng động cơ điện một chiều - Các thông số của động cơ như sau : + Điện cảm phần ứng L: 1. 10−3 H + Điện trở phần ứng R: 0.7 Ω + Hệ số cản b = 6.10−3Nms/rad + Momen quán tính J= 0.1 𝑁𝑚𝑠2/𝑟𝑎𝑑 + Hệ số momen K= 0.3 +Tín hiệu vào là điện áp: v +Tín hiệu ra là góc quay: 13 2.1 Xây dựng hàm truyền Áp dụng định luật II Niuton cho phần cơ ta có phương trình: Theo định luật II Niuton cho phần cơ ta có phương trình: J.2) + T: momen của rotor (Nm) + i : dòng điện phần ứng (A) Từ phương trình (2.3) *) Áp dụng định luật Kirchhoff cho phần điện ta có: 𝑑𝑖 L.4) 𝑑𝑡 Trong đó: E là điện cảm ứng: E = K.5) V là điện áp phần ứng Từ phương trình (2.6) 𝑑𝑡 Biến đổi Laplace (2.8) Từ phương trình (2.8) và biến đổi ta được: θ 𝐾 = (2.𝑠+𝑅)+𝐾 2 Vậy hàm truyền của hệ là: θ 𝐾 H(s) = == (2.11) 𝑉 𝐿𝐽𝑠 3 +(𝑏𝐽+𝐽𝑅)𝑠 2 +(𝑏𝑅+𝐾2 )𝑠 14 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph a b c d - Các bước xây dựng biểu đồ Bond Graph ➢ Đối với phần điện 1.
Mỗi vị trí trong mạch điện mà điện thế khác nhau, thì đặt 0-juctions 2. Chèn mỗi phần tử mạch “single port” bằng kết nối nó với 1-junctions bằng đường power bond 15 3. Gán chiều công suất tới tất cả các bond trong mô hình 4. Tại vị trí d nối đất nên ta xóa bỏ 0-juntions tại đó và tất cả các bonds kết nối đến nó 16 5.
Đơn giản hóa các bond graphs theo các nguyên tắc ➢ Đối với phần cơ 1. Với mỗi vận tốc khác nhau thiết lập 1-junction 2. 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 17 3. Gán chiều công suất tới các bonds 4.
Đơn giản hóa bằng sử dụng các nguyên thức tối giản ➢ Vì hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều bao gồm cả hệ thống cơ và hệ thống điện. Vì vậy ta sử dụng con quay chuyển hồi GY(Gyrator Element) để liên kết 2 hệ thống này với nhau ta được: Hình 3.1:Biểu đồ Bond Graph của hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều 18 - Quan hệ nhân quả giữa các phần tử trong hệ thống Hình 3.2:Quan hệ nhân quả giữa các phần tử trong hệ thống 3.2 Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều - Bộ điều khiển P 19 - Bộ điều khiển PI - Bộ điều khiển PID 20 CHƯƠNG 4 : MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH VỊ TRÍ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG PHẦN MỀM 20-SIM 4.1 Mô phỏng và đánh giá đặc tính vị trí của động cơ điện một chiều - Ta có mômen xoắn : 𝑇 = 𝐾 𝑡. 𝐼 - Trong đó : T là momen xoắn 𝐾𝑡 là hằng số phụ thuộc vào cấu tạo động cơ I là dòng điện phần ứng - Suất điện động phần ứng: 𝐸 = 𝐾𝑒. 𝜔 - Trong đó: E là suất điện động phần ứng 𝐾𝑒 là hằng số phụ thuộc vào cấu tạo động cơ.
𝐾𝑒 = 𝐾𝑡 𝜔 là tốc độ góc của động cơ - Dòng điện phần ứng: 𝑉−𝐸 𝐼= 𝑅 - 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. 21 - Thiết lập thông số ban đầu được sử dụng trong mô phỏng: Hình 4.1:Thiết lập các thông số sử dụng trong mô phỏng 22 Hình 4.