bài tập lớn mô hình hóa à mô phỏng hệ thống cơ điện tử

bài tập lớn mô hình hóa à mô phỏng hệ thống cơ điện tử, gồm 3 chủ đề: điều khiển tốc độ động cơ kích từ song song, điều khiển vị trí động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu, điều khiển sự ổn định hệ thống treo xe bus

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

ĐỘNG CỦA THÂN XE GVHD: TS.Phan Đình Hiếu Thành viên nhóm:

• Nguyễn Đức Nghĩa 2020607229

• Nguyễn Văn Nghĩa 2020607769

• Nguyễn Thị Bích Ngọc 2020605704

Hà Nội, 2022

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 7

1.1 Động cơ điện một chiều kích từ song song 7

1.1.1 Khái niệm động cơ điện một chiều 7

1.1.2 Cấu tạo 7

1.1.3 Nguyên lý hoạt động 10

1.1.4 Động cơ điện một chiều kích từ song song 10

1.1.5 Ứng dụng 11

1.1.6 Hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều 12

1.2 Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu 12

1.2.1 Động cơ 1 chiều nam châm vĩnh cữu là gì? 12

1.2.2 Cấu tạo và phân loại động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu 12

1.2.3 Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cữu 13

1.2.4 Ưu, nhược điểm và ứng dụng của động cơ điện 1 chiều 14

1.2.5 Các ứng dụng của động cơ điện một chiều và bộ điều khiển động cơ 14

1.3 Hệ thống treo của xe ôtô 15

1.3.1 Hệ thống treo là gì? Cấu tạo của hệ thống treo trên ô tô 15

1.3.2 Chức năng của hệ thống treo 16

1.3.3 Các loại hệ thống treo phổ biến trên ô tô hiện nay 16

1.3.4 Ứng dụng về hệ thống treo của xe ôtô 18

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ HỆ THỐNG 19

2.1 Động cơ điện một chiều kích từ song song 19

2.2 Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu 20

2.3 Hệ thống treo của ô tô 21

2.3.1 Thiết lập vật lý 21

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH 24

3.1 Động cơ điện một chiều kích từ song song 24

3.1.1 Xây dựng biểu đồ bond 24

3.1.2 Xây dựng hệ thống điều khiển 27

3.2 Động cơ điện một chiều 28

3.2.1 Biểu đồ Bond Graph 31

3.2.2 Xây dựng bộ điều khiển 33

3.3 Hệ thống treo xe bus 35

3.3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph hệ thống treo xe bus 35

3.3.2 Hệ thống điều khiển xe bus 37

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG TRÊN PHẦN MỀM 20-SIM 39

4.1 Mô phỏng tốc độ động cơ điện một chiều 39

4.1.1 Mô phỏng 39

4.1.2 Bộ điều khiển tỷ lệ P 41

4.1.3 Bộ điều khiển PI 43

4.2 Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu 45

4.2.1 Xây dựng biểu đồ bond graph trên phần mềm 20sim 45

4.2.2 Bộ điều khiển tỉ lệ P 47

4.2.3 Bộ điều khiển PI 49

4.2.4 Bộ điều khiển PD 51

4.3 Hệ thống treo ô tô 55

4.3.1 Hệ thống treo xe bus khi chưa có bộ điều khiển: 55

4.3.2 Hệ thống treo xe bus khi có bộ điều khiển PD 57

TỔNG KẾT 60

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1.1: Động cơ điện một chiều 7

Hình 1.1.2: Cấu tạo stator máy điện một chiều 8

Hình 1.1.3: Nguyên lý hoạt động 10

Hình 1.1.4: Động cơ điện một chiều kích từ song song 11

Hình 1.2.1: Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu 13

Hình 1.2.2: Nguyên tắc hoạt động động cơ điện 1 chiều 13

Hình 1.3.1: Cấu tạo của hệ thống treo 15

Hình 1.3.2: Hệ thống treo phụ thuộc 17

Hình 1.3.3: Hệ thống treo độc lập 17

Hình 1.3.4: Hệ thống treo bán độc lập 18

Hình 1.3.5: Ứng dụng của hệ thống treo 18

Hình 2.1.1: Sơ đồ mạch điện động cơ điện một chiều kích từ song song 19

Hình 2.3.1: Mô hình vật lý của hệ thống treo 21

Hình 3.1.1: Sơ đồ mạch điện động cơ điện một chiều kích từ song song 24

Hình 3.1.2:Bước 1 xây dựng biểu đồ Bond Graph 24

Hình 3.1.3: Bước 2 xây dựng biểu đồ Bond Graph 25

Hình 3.1.4: Bước 3 xây dựng biểu đồ Bond Graph 25

Hình 3.1.5: Bước 4 xây dựng biểu đồ Bond Graph 26

Hình 3.1.6: Biểu đồ bond graph động cơ DC kích từ song song 26

Hình 3.1.7: Biểu đồ bond sử dụng bộ điều khiển P 27

Hình 3.2.1:động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu 28

Hình 3.2.2: Bước 1 xây dựng biểu đồ Bond Graph 28

Hình 3.2.3: Bước 2 xây dựng biểu đồ Bond Graph 29

Hình 3.2.4: Bước 3 xây dựng biểu đồ Bond Graph 29

Hình 3.2.5: Bước 4 xây dựng biểu đồ Bond Graph 29

Hình 3.2.6: Bước 5 xây dựng biểu đồ Bond Graph 30

Hình 3.2.7: Bước 6 xây dựng biểu đồ bond graph 30

Hình 3.2.8: Biểu đồ Bond Graph của động cơ DC nam châm vĩnh cửu 31

Hình 3.2.9: Chiều effort và flow trong hệ thống 32

Hình 3.2.10: Sơ đồ hệ thống điều khiển hồi tiếp( feedback control) 33

Hình 3.2.11: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí động cơ 34

Hình 3.2.12: Biểu đồ Bond Graph động cơ DC sử dụng bộ điều khiển PID 34

Hình 3.3.1: Mô hình vật lý hệ thống treo 35

Hình 3.3.2: Bước 1 xây dựng biểu đồ Bond Graph 35

Hình 3.3.3: Bước 2 xây dựng biểu đồ Bond Graph 36

Hình 3.3.4: Bước 3 xây dựng biểu đồ Bond Graph 36

Hình 3.3.5: Bước 4 xây dựng biểu đồ Bond Graph 36

Hình 3.3.6: Sơ đồ hệ thống điều khiển hồi tiếp( feedback control) 37

Hình 3.3.7: Sơ đồ khối hệ thống treo 38

Hình 3.3.8: Biểu đồ Bond Graph hệ xe bus sử dụng bộ điều khiển PD 38

Hình 4.1.1: Biểu đồ bond graph trên phần mềm 20sim 39

Hình 4.1.2 Thông số cài đặt cho biểu đồ trên 20-sim 40

Hình 4.1.3: Dòng điện phần ứng, dòng điện kích từ 40

Hình 4.1.4: Mô phỏng đáp ứng tốc độ động cơ 41

Hình 4.1.5: Biểu đồ bond graph hệ thống sử dụng bộ điều khiển P 42

Hình 4.1.6: Mô phỏng hệ thống điều khiển vận tốc động cơ khi Kp = 1 42

Hình 4.1.7: Mô phỏng hệ thống điều khiển vận tốc khi Kp = 10 43

Hình 4.1.8: Biểu đồ bond graph hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI 44

Hình 4.1.9: Đáp ứng hệ thống với KP=10, Ti=1 44

Hình 4.2.1: Biểu đồ bond graph trên phần mềm 20sim 45

Hình 4.2.2: Các thông số ban đầu của hệ thống 46

Hình 4.2.3: Đồ thị biểu diễn dòng điện phần ứng và vận tốc góc 46

Hình 4.2.4: Đồ thị biểu diễn vị trí góc quay và vận tốc góc của động cơ 47

Hình 4.2.5: Biểu đồ bond graph hệ thống sử dụng bộ điều khiển P 48

Hình 4.2.6: Đáp ứng hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển tỷ lệ 48

Hình 4.2.7: Sơ đồ bond graph hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI 50

Hình 4.2.8: Đáp ứng hệ thống với KP=1 và TI=1 50

Hình 4.2.9: Đáp ứng hệ thống với KP=0.15, TI=100 51

Hình 4.2.10: Sơ đồ bond graph hệ thống sử dụng bộ điều khiển PD 52

Hình 4.2.11: Thông số ban đầu của bộ điều khiển PD 52

Hình 4.2.12: Đáp ứng ban đầu với KP=1,TD=1 53

Hình 4.2.13: Đáp ứng hệ thống với KP=1.3, TD=0.9 54

Hình 4.3.1: Biểu đồ bond graph hệ xe bus khi chưa có bộ điều khiển 55

Hình 4.3.2: Bảng thông số hệ xe bus trên phần mềm 20sim 56

Hình 4.3.3: Đáp ứng đầu ra hệ xe bus 56

Hình 4.3.4: Sơ đồ hệ thống vòng kín 57

Hình 4.3.5: Sơ đồ bond graph hệ xe bus có bộ điều khiển PID 57

Hình 4.3.6: Đáp ứng hệ thống với Kp=100, Td=1s 58

Hình 4.3.7: Đáp ứng với Kp=1000, Td=5s 58

Hình 4.3.8: Độ giao động thân xe với Kp=5000,Td=5 59

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Động cơ điện một chiều kích từ song song

1.1.1 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

Hình 1.1.1: 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 điện 1 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

1.1.2 Cấu tạo

Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính:

-

❖ Phần tĩnh (stator):

Hình 1.1.2: 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

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

1.1.3 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

Hình 1.1.3: 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 dòng một 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

1.1.4 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

Hình 1.1.4: 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 thay đổi dòng kích từ do đó thay đổi được từ thông Φ Phương pháp này được sử dụng rất 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:

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

1.1.6 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

1.2 Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu

1.2.1 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

1.2.2 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:

-

-

dây trên rotor Số lượng các điểm tiếp xúc sẽ tương ứng với số cuộn dây trên rotor

Hình 1.2.1: Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu

1.2.3 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

Hình 1.2.2: 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.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 cường độ từ trường, đơn vị tính là Tesla (weber/ m2),

+ I là dòng điện chạy trong dây dẫn đó, được tính bằng Ampe (A),

+ L là chiều dài của sợi dây dẫn, được tính bằng mét (m)

1.2.4 Ưu, nhược điểm và ứng dụng của động cơ điện 1 chiều

❖ Ưu điểm của động cơ điện 1 chiều:

được tải nặng khi khởi động

-

-

-

❖

-

-

-

1.2.5 Các ứng dụng của động cơ điện một chiều và bộ điều khiển động cơ

Động cơ nam châm vĩnh cửu loại nhỏ thường được sử dụng trong xe găn 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, 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 vì chúng đơn giản, dễ áp dụng, độ tin cậy và chi phí hiệu quả Điều khiển vị trí của động cơ DC là rất quan trọng trong các ứng dụng cho

hệ thống điều khiển chính xác, ví dụ như ứng dụng để điều khiển vị trí cánh tay robot

Mục đích của một bộ điều khiển vị trí động cơ là lấy tín hiệu đại diện cho góc yêu cầu và để lái một động cơ ở vị trí đó Bộ vi điều khiển có thể cung cấp khả năng điều khiển dễ dàng động cơ DC Có nhiều ứng dụng của ổ đĩa động cơ DC sử dụng điện tử công suất để kiểm soát điện áp và do đó tốc độ hoặc vị trí của động cơ

Bộ điều khiển PID là một vòng điều khiển chung cơ chế phản hồi được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp Một bộ điều khiển PID cố gắng sửa lỗi giữa giá trị đo được biến quy trình và điểm đặt mong muốn bằng cách tính toán

và sau đó đưa ra một hành động khắc phục có thể điều chỉnh quá trình cho phù hợp Vì vậy, bằng cách tích hợp bộ điều khiển PID vào DC động cơ có thể sửa lỗi do động cơ

DC gây ra và điều khiển tốc độ hoặc vị trí của động cơ đến điểm mong muốn

1.3 Hệ thống treo của xe ôtô

Hệ thống treo là bộ phận quan trọng kết nối vỏ khung ô tô với các cầu xe, giúp ô

tô chuyển động êm ái và ổn định trên các dạng địa hình

1.3.1 Hệ thống treo là gì? Cấu tạo của hệ thống treo trên ô tô

Hệ thống treo là bộ phận đặt phía trên cầu trước và cầu sau của xe, kết nối vỏ khung ô

tô với các cầu, nhờ đó xe có thể vận hành êm ái và ổn định Ngoài ra, chúng còn đóng vai trò quan trọng trong việc truyền lực và mô-men từ bánh xe lên đến khung hoặc vỏ

xe Điều này giúp bánh xe đảm bảo hoạt động đúng quy trình

Hình 1.3.1: Cấu tạo của hệ thống treo

Hệ thống treo có cấu tạo gồm 3 bộ phận khác nhau Mỗi bộ phận lại đảm nhận một nhiệm vụ riêng biệt, cụ thể như sau:

-

-

ma sát Chúng đóng vai trò trong việc hạn chế dao động của bánh xe và thân xe Nhờ đó, đảm bảo độ bám đường tốt hơn

động học của xe, hướng bánh xe chỉ di chuyển theo phương thẳng đứng Ngoài ra, chúng còn giữ vai trò tiếp nhận, truyền lực và mô-men từ bánh xe lên khung, vỏ xe

1.3.2 Chức năng của hệ thống treo

Với sự kết hợp ăn ý của 3 bộ phận chủ chốt, hệ thống treo trên ô tô có thể đảm nhận được nhiều trọng trách khác nhau Chúng vừa đóng vai trò trong việc chịu sức nặng của xe, vừa là bộ phận đảm bảo bánh xe chuyển động theo phương thẳng đứng Ngoài ra, hệ thống treo còn giúp đảm bảo độ bám và ma sát của bánh xe với mặt đường Nhờ đó, xe có thể linh hoạt trong mọi tình huống như phanh, vào cua, tăng tốc hay chuyển hướng Đây là bộ phận giúp xe có thể vận hành êm ái, ổn định, đảm bảo an toàn và thoải mái nhất cho người ngồi trong xe

1.3.3 Các loại hệ thống treo phổ biến trên ô tô hiện nay

❖ Hệ thống treo phụ thuộc:

Các bộ phận của hệ thống treo phụ thuộc được nối liền với thân xe bởi thanh dầm cầu Ở hệ thống treo này, bánh xe sẽ dao động và chịu ảnh hưởng, phụ thuộc lẫn nhau Các dạng hệ thống treo phụ thuộc thông dụng hiện nay có thể kể đến như hệ thống treo liên kết Satchell, lá nhíp, liên kết Watt

Nhờ cấu tạo đơn giản, ít chi tiết, độ bền cao cùng sức chịu tải tốt nên hệ thống treo phụ thuộc thường được trang bị cho các loại xe tải hoặc xe ô tô có kết cấu khung

vỏ rời Tuy nhiên, xe di chuyển khá rung và thiếu sự êm ái chính là nhược điểm khiến chúng mất điểm so với các hệ thống treo khác

Hình 1.3.2: Hệ thống treo phụ thuộc

❖ Hệ thống treo độc lập:

Ngược lại với hệ thống treo phụ thuộc, ở hệ thống treo độc lập, hai bánh xe tách riêng

ra Nhờ đó, bánh xe có thể di chuyển tự do, tách biệt mà không hệ ảnh hưởng đến nhau Nổi bật trên thị trường hiện nay là các kiểu hệ thống treo độc lập như MacPherson, đa liên kết (multi-link), tay đòn kép (double wishbone)…

Đây là hệ thống treo có cấu tạo phức tạp với trọng tâm xe khá thấp Tuy nhiên, chúng lại mang đến khả năng bám đường tốt cùng độ êm ái "đỉnh cao" khi vận hành Cũng vì vậy, hệ thống treo độc lập được sử dụng phổ biến nhất trên thị trường hiện nay

Hình 1.3.3: Hệ thống treo độc lập

❖ Hệ thống treo bán độc lập

Hệ thống treo bán độc lập còn được gọi với cái tên khác là hệ thống treo chùm xoắn Chúng cho phép hai bánh xe chuyển động riêng lẻ nhưng vẫn có ảnh hưởng đến

nhau Hệ thống treo bán độc lập thường xuất hiện phổ biến nhất dưới dạng thanh xoắn kết hợp cùng thanh cân bằng

Hình 1.3.4: Hệ thống treo bán độc lập

1.3.4 Ứng dụng về hệ thống treo của xe ôtô

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

Hình 1.3.5: Ứng dụng của hệ thống treo

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ HỆ THỐNG

2.1 Động cơ điện một chiều kích từ song song

Hình 2.1.1: Sơ đồ mạch điện động cơ điện một chiều kích từ song song

Từ (2.1.1), (2.1.2) và (2.1.3) ta có phương trình không gian trạng thái mô tả động

cơ điện 1 chiều kích từ song song, sử dụng dòng điện phần cảm, tốc độ góc động cơ và dòng điện phần ứng làm biến trạng thái:

2.2 Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu

Mđ = b.𝜃̇ + J.𝜃̈ (2.2.2)Trong đó Mđ - là momen của động cơ: Mđ = K.I

Biến đổi Laplace:

Thế (2.2.5) vào (2.2.4) và biến đổi ta được hàm truyền vòng hở sau đây, trong

đó vị trí được coi là đầu ra và điện áp phần ứng được coi là đầu vào

Hình 2.3.1: Mô hình vật lý của hệ thống treo

Sơ đồ của hệ thống treo xe bus

❖ Các thông số của động cơ:

- Khối lượng thân xe: 2500kg

- Khối lượng bánh xe: 520kg

- Độ cứng hệ treo K1 : 80000N/m

- Độ cứng lốp xe K2 : 500000N/m

- Hệ số cản hệ treo b1 : 350Ns/m

- Hệ số cản hệ treo b2 : 15020Ns/m

❖ Xét vật M1 (Khối lượng thân xe):

Theo định luật 2 Newton ta có phương trình chuyển động sau:

∑𝐹 = −𝐹𝑏1− 𝐹𝑘1+ 𝑈

M1Ẍ1 = − b1(Ẋ1 – Ẋ2) − K1(X1 –X2) + U (2.3.1)

❖ Xét vật M2 (khối lượng bánh xe)

Theo định luật 2 Newton ta có phương trình chuyển động sau:

∑𝐹 = 𝐹𝑏1+ 𝐹𝑘1 − 𝐹𝑏2− 𝐹𝑘2 − 𝑈

M2 Ẍ2= b1 (Ẋ1 – Ẋ2) + K1(X1 –X2) − b2(Ẋ2 – Ẇ) − K2(X2 – W) – U (2.3.2)

Biến đổi Laplace (2.3.1) và (2.3.2) ta được :

(M1s2 + b1s +K1).X1(s) − (b1s + K1).X2(s) = U(s) (2.3.3)

∆= (m1s2+ b1s + k1) (m2s2+ (b1+ b2)s + (k1+ k2) − (b1s + k1) (b1s + k1)

Tìm nghịch đảo của ma trận A và sau đó bội với các đầu vào u(s) và w(s) ở phía

bên phải như sau:

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

G1(s) =x1(s) − x2(s)

(m1+ m2)s2+ b2s + k2

∆

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

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

G2(s) =x1(s) − x2(s)

−m1b2s3− m1k2s2

∆

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH

3.1 Động cơ điện một chiều kích từ song song

Hình 3.1.1: Sơ đồ mạch điện động cơ điện một chiều kích từ song song

Bước 1: Đặt các Junction 0 tại các vị trí có điện thế khác nhau

Hình 3.1.2:Bước 1 xây dựng biểu đồ Bond Graph

Bước 2: Chèn các phần tử của hệ thống bằng cách kết nối với các Junction 1 và đặt vào giữa các Junction 0 có liên quan

Hình 3.1.3: Bước 2 xây dựng biểu đồ Bond Graph

Bước 3: Liên kết các Junction 0 và Junction 1 và gán chiều công suất tới tất cả các đường liên kết trong sơ đồ

Hình 3.1.4: Bước 3 xây dựng biểu đồ Bond Graph

Bước 4: Tối giản hoá sơ đồ

Hình 3.1.5: Bước 4 xây dựng biểu đồ Bond Graph

Hình 3.1.6: Biểu đồ bond graph động cơ DC kích từ song song

Phần tử MGY là phần tử biến đổi điện năng thành cơ năng Trong biểu đồ bond graph, hệ số MGY được tính bằng cách lấy tích của hằng số tốc độ mô-men xoắn ( k từ công thức trên) và thông tin flow từ cuộn kích từ ( ikt trong công thức trên )

Bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất là bộ điều khiển phản hồi (feedback control), trong đó đáp ứng của hệ thống được theo dõi và so sánh với giá trị mong muốn, và sai số (error) trong phản hồi được sử dụng để thay đổi đầu vào để đạt được kết quả Đáp ứng của hệ thống được so sánh với điểm đặt (set point) để đạt được sai

số Tín hiệu sai số được sử dụng trong thuật toán điều khiển để xác định được đầu vào hệ thống, đáp ứng sẽ được điều chỉnh để đạt được đầu ra mong muốn

Hình 3.1.7: Biểu đồ bond sử dụng bộ điều khiển P

3.2 Động cơ điện một chiều

Hình 3.2.1:động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu

Bước 1: Mỗi vị trí trong mạch điện mà điện thế khác nhau, thì đặt 0-junctions

Về hệ thống cơ, với mỗi vận tốc khác nhau thiết lập 1-junctions 2 hệ thống kết nối với nhau qua phần tử hồi chuyển (GY)

Hình 3.2.2: Bước 1 xây dựng biểu đồ Bond Graph

Bước 2: Về mạch điện, chèn mỗi phần tử mạch “single port” bằng kết nối nó với 1-junctions bằng đường power bond Về hệ thống cơ, Chèn 1-port lực (momen cho chuyển động quay) tạo ra các phần tử giữa các cặp 1-junctions bằng cách sử dụng 0junctions Đưa vào các phần tử dung kháng trở kháng tơi power bonds và kết nối chúng tới 1-junctions sử dụng 0-junction Phần tử quán tính được thêm vào 1-junctions

Hình 3.2.3: Bước 2 xây dựng biểu đồ Bond Graph

Bước 3: Gán chiều công suất tới tất cả các bond trong mô hình

Hình 3.2.4: Bước 3 xây dựng biểu đồ Bond Graph

Bước 4: Về mạch điện, nếu các vị trí có thế đất đã được xác định, thì xóa bỏ 0junctions tại đó và tất cả các bonds kết nối đến nó Về hệ thống cơ, Loại bỏ tất cả 1junctions có vận tốc 0 và tất cả các bonds kết nối tới nó

Hình 3.2.5: Bước 4 xây dựng biểu đồ Bond Graph

Bước 5: Đơn giản hóa bond graphs theo các nguyên tắc

Hình 3.2.6: Bước 5 xây dựng biểu đồ Bond Graph

Bước 6: thiết lập quan hệ nhân quả

Hình 3.2.7: Bước 6 xây dựng biểu đồ bond graph

3.2.1 Biểu đồ Bond Graph

Hình 3.2.8: Biểu đồ Bond Graph của động cơ DC nam châm vĩnh cửu

Trong đó:

- Se: Điện áp đặt

- I(L) : Phần tử cảm kháng của cuộn cảm phần ứng

- R(R): Phần tử trở kháng của điện trở phần ứng

- GY (Gyrator Element) : Con quay hồi chuyển

- I(J) : Phần tử cảm kháng của momen quán tính

Ta có, mạch phần ứng của động cơ điện một chiều được đặt một điện áp V Vì vậy, ta sẽ có phần tử nguồn e (sourse effort) – Se được kết nối với Bond Graph Sau

đó, Se chia sẻ cùng dòng (flow) tới hai thành phần L (Điện cảm phần ứng) và (Điện trở phần ứng) Do đó, liên kết 1 (Junction 1) được dùng để kết nối hai thành phần trên với nguồn e