LỜI MỞ 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 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 nhóm em xin sẽ làm rõ về hệ thống động cơ điện một chiều kích từ song song, hệ thống điều khiển hệ thống treo xe bus và hệ thống điều khiển con lắc ngược 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. 7 Downloaded by TOM TIT (tomboy1@gmail.com) lOMoARcPSD|39605280 BÀI 1: BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG Bài số 1: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển góc quay động cơ điện một chiều kích từ song song như hình 1. Và mạch động cơ điện một chiều như hình 2.
Trong đó: R là tín hiệu đặt tốc độ; 𝜃 là góc quay của động cơ; u là tín hiệu điều khiển động cơ. Các thông số của động cơ như sau: - Điện cảm phần ứng L: 17. 10−3 H - Điện trở phần ứng R: 0.6 Ω - Điện trở mạch kích từ: 0.4 Ω - Điện cảm kích từ L: 80. 10−3 H - Hệ số cản b = 6.6 10−3 Nms/rad - Momen quán tính J= 0.166 𝑁𝑚𝑠/𝑟𝑎𝑑 - Hệ số momen K= 1.53 Hình 1 Hình 2 Yêu cầu: 8 Downloaded by TOM TIT (tomboy1@gmail.com) lOMoARcPSD|39605280 - Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về động cơ một chiều kích từ song song và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều.
- Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả động cơ điện một chiều. - Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều. - Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng phần mềm 20-sim.1 Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều 1.1 Định nghĩa Động cơ điện 1 chiều DC (DC chính là từ viết tắt của từ tiếng Anh “Direct Current Motors”) tức là động cơ điều khiển bằng dòng điện có hướng được xác định. Hay nói dễ hiểu hơn thì đây chính là loại động cơ hoạt động bằng nguồn điện áp DC - nguồn điện áp 1 chiều.
Động cơ điện 1 chiều là loại động cơ đồng bộ, hoạt động bằng dòng điện 1 chiều. Tốc độ quay của 1 động cơ điện 1 chiều tỉ lệ thuận với nguồn điện áp đặt vào nó, và ngẫu lực quay cũng tỷ lệ thuận đối với dòng điện. Chính vì 2 đặc tính trên mà động cơ DC được coi là thành phần không thể thiếu trong các hệ thống máy móc kỹ thuật đòi hỏi mô men khởi động lớn. 9 Downloaded by TOM TIT (tomboy1@gmail.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều Gồm có các bộ phận như sau: Stator: Thông thường được tạo thành từ 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, có khi là nam châm điện.
Rotor: Chính là phần lõi có quấn các cuộn dây nhằm mục đích tạo thành nam châm điện. Chổi than (còn gọi là brushes): Có nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho bộ phận cổ góp. Cổ góp (còn gọi là commutator): Có nhiệm vụ tiếp xúc và chia điện đều cho các cuộn dây ở trên phần rotor. Số lượng các điểm tiếp xúc thông thường phải tương ứng với số cuộn có trên rotor.
Nguyên lí hoạt động của động cơ điện một chiều Stato củ động cơ điện 1 chiều thường là 1 hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, (có thể dùng nam châm điện), còn rotor có các cuộn dây quấn, chúng được nối với nguồn điện 1 chiều. Còn bộ phận chỉnh lưu sẽ có nhiệm vụ là làm đổi chiều dòng điện trong khi chuyển 10 Downloaded by TOM TIT (tomboy1@gmail.com) lOMoARcPSD|39605280 động quay của rotor là chuyển động liên tục. Thông thường bộ phận này bao gồm có 1 bộ cổ góp và 1 bộ chổi than được mắc tiếp xúc với cổ góp. Nếu trục quay của một động cơ điện 1 chiều được kéo bằng 1 lực từ bên ngoài, động cơ sẽ hoạt động tương tự như 1 chiếc máy phát điện 1 chiều để tạo ra một sức điện động cảm ứng có tên là Electromotive force (EMF).
Trong quá trình vận hành bình thường, rotor sẽ quay và phát ra 1 điện áp (còn gọi là sức phản điện động) có tên là counter - EMF (CEMF) hoặc còn gọi là sức điện động đối kháng. Sức điện động này hoạt động tương tự như sức điện động được phát ra khi động cơ được sử dụng giống như 1 chiếc máy phát điện. Khi đó, điện áp đặt trên động cơ đã bao gồm 2 thành phần đó là: sức phản điện động cùng với điện áp giáng tạo ra do điện trở ở bên trong của các cuộn dây phần ứng. Dòng điện chạy qua động cơ lúc này sẽ được tính theo biểu thức sau: I = (Vnguon − Vphandiendong ) Rphanung Công suất cơ mà động cơ đưa ra sẽ được tính bằng công thức: P = I .3 Động cơ điện một chiều 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.
11 Downloaded by TOM TIT (tomboy1@gmail.4 Ưu, nhược điểm của động cơ điện một chiều Ưu điểm của động cơ điện một chiều: • Có momem 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.
Nhược điểm của động cơ điện một chiều: • Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, hay hư hỏng trong quá trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa 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.2 Các ứng dụng của động cơ điện một chiều Động cơ điện hiện đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi, phổ biến và thay thế dân cho những loại động cơ truyền thống. Bởi lẽ, loại động cơ này không chỉ hoạt động bền bỉ, linh hoạt, có thể lắp đặt và vận hành cho nhiều loại máy móc, thiết bị khác nhau, mà còn 12 Downloaded by TOM TIT (tomboy1@gmail.com) lOMoARcPSD|39605280 tiết kiệm năng lượng tiêu thụ đáng kể.
Chính vì thế, ứng dụng của loại động cơ này cũng trở nên đa dạng và phổ biến hơn cả. Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều cũng rất đa dạng trong mọi lĩnh vực của đời sống: trong tivi, máy công nghiệp, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, 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. Điều khiển hệ thống động cơ điện 1 chiều Có rất nhiều phương pháp điều khiển động cơ điện 1 chiều mà bạn đọc có thể tham khảo dưới đây: • Điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều bằng cách sử dụng điện trở: • Đây được xem là phương pháp đơn giản nhất giúp chúng ta có thể điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều. Chỉ cần mắc nối tiếp điện trở vào phần ứng, độ dốc của đường đặc tính sẽ giảm, số vòng quay giảm và tốc độ sẽ chậm đi tương ứng.
• Điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều bằng cách điểu khiển từ thông: • Điều chỉnh từ thông hay còn được gọi là điều chỉnh momen điện từ và sức điện động của động cơ. Khi từ thông giảm thì tốc độ quay của động cơ sẽ tăng lên. Tuy nhiên, trên thực tế, phương pháp này ít được sử dụng vì khá khó để thực hiện Điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều bằng cách điểu khiển điện áp phần ứng: Chúng ta có thể lựa chọn điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ hoặc điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ. Khi thay đổi điện áp của phần ứng thì tốc độ quay của động cơ cũng thay đổi tương ứng.3 Xây dụng phương trình mô tả động cơ điện một chiều bằng phương pháp vật lý 1.1 Phân tích mô hình hệ thống động cơ điện một chiều 13 Downloaded by TOM TIT (tomboy1@gmail.com) lOMoARcPSD|39605280 Khái quát hệ thống: • R: tín hiệu đặt góc quay • α: góc quay của động cơ • u: tín hiệu điều khiển động cơ • controller: bộ điều khiển • plant: hàm truyền Các thông số của động cơ: • Điện cảm phần ứng Lư: 17.
H (Armature inductance) • Điện trở phần ứng Rư: 0.6 (Armature resistance) • Điện trở mạch kích từ Rkt: 400 (Field resistance) • Điện cảm kích từ Lkt: 80. H (Field inductance) • Hệ số cản b = 6.6 Nms/rad • Momen quán tính J= 0.166 • Hệ số momen K = 1.53 • Đầu vào (V): Điện áp nguồn (Supply voltage) • Đầu ra ( ): góc quay 14 Downloaded by TOM TIT (tomboy1@gmail.