Bài tập lớn mô hình hóa và mô phỏng: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP

Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về động cơ một chiều kích từ nối tiếp 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 20sim.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

- -

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ

ĐIỆN TỬ

TÊN CHỦ ĐỀ NGHIÊN CỨU:

ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP

Giáo viên hướng dẫn: ThS LÊ NGỌC DUY

Nhóm sinh viên thực hiện:

1 Nguyễn Minh Trường 2019606048

2 Vũ Đức Trung 201960995

3 Nguyễn Quốc Trường 2019606401

Hà Nội - 2021

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM

I Thông tin chung

2 Tên nhóm: Nhóm 21

3.Họ và tên thành viên: 1 Nguyễn Minh Trường 2019606048

2 Vũ Đức Trung 2019603995

3 Nguyễn Quốc Trường 2019606801

II Nội dung học tập

Bài số 6: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển góc quay động cơ điện một chiều kích từ nối

tiếp như hình 1 Và mạch động cơ điện một chiều như hình 2 Trong đó: R là tín hiệu đặt tốc độ; là góc quay của động cơ; u là tín hiệu điều khiển

động cơ Các thông số của động cơ như sau:

Hình 2 Yêu cầu:

- Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về động cơ một chiều kích từ nối tiếp 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

KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS Nguyễn Anh Tú ThS Lê Ngọc Duy

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hà Nội,ngày tháng năm 2021 Giáo viên hướng dẫn

MỤC LỤC

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 6

1.1Tổng quan động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 6

1.1.1 Đặc điểm 6

1.1.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều 6

1.1.3 Nguyên lí hoạt động 8

1.2Các ứng dụng về động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 9

1.3Hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều 9

1.4Suất điện động phần ứng của máy điện một chiều 10

1.5Công suất và momen của máy điện một chiều 11

1.5.1 Công suất điện từ 11

1.5 Phương trình vật lí mô tả động cơ điện mộ chiều kích từ nối tiếp 11

XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 14

2.1Xây dựng biểu đồ bond graph cho động cơ điện 14

2.2Xây dựng hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều 18

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 19

DỤNG PHẦN MỀM 20-SIM 19

3.1.2 Đánh giá 20

3.2Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều 21

3.2.1 Mô phỏng 21

3.2.2 Đánh giá 24

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

1.1.1 Đặc điểm

điện hay hiệu ứng điện áp

1.1.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều có cấu tạo hai phần chính: phần cảm (stator), phần ứng (roto)

1.1.2.1 Phần cảm (stator)

A, Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường gồm lõi sắt cực từ và dây cuốn 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 Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc 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

Hình 1.1 Cực từ phần cảm

1 Bulông 2 Vỏ máy

B, Cực từ phụ: Các cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và để cải thiện đổi chiều

C, Cổ góp: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy

B, 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 Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép

- Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy

- Trục máy: thường làm bằng thép cacbon Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi

so với phương ban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quay theo quán tính

Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài, động cơ

sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một sức điện động cảm ứng Khi vận hành bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một điện áp gọi là sức phản điện

động hoặc sức điện động đối kháng, vì nó đối kháng lại điện áp bên ngoài đặt vào động cơ Sức điện động này tương tự như sức điện động phát ra khi động cơ được sử dụng như một máy phát điện.

1.2 Các ứng dụng về động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

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

độ và số vòng quay cao

mô hình, động cơ sử dụng pin để hoạt động là động cơ một chiều hết nha các bạn

máy photocopy,…

1.3 Hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều

Hình 1.3 Hệ thống điều khiển động cơ

 Các phần tử trong hệ thống:

- Khối chức năng gồm: bộ điều khiển (controller) và mạch điện điều khiển (plant)

- Bộ tổng: giúp tính số giữa tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi

- Giá trị đặt: là giá trị mong muốn trong quá trình điều khiển

- Giá trị phản hồi: là giá trị hiển thị sau khi thực hiện quá trình điều khiển

Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative): là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị

"sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào

1.4 Suất điện động phần ứng của máy điện một chiều

Hình 1.4 Mạch điện

tốc v trong từ trường đều B tạo ra bởi phần cảm, ta có:

e  B.l.v Sức điện động trên toàn bộ dây quấn phần ứng được xác định theo quan hệ sau :

1.5 Công suất và momen của máy điện một chiều

1.5.1 Công suất điện từ

Hệ số động cơ:

1.5 Phương trình vật lí mô tả động cơ điện mộ chiều kích từ nối tiếp

Hình 1.5 Sơ đồ mạch điện của động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp

Sử dụng định luật kirchhoff 2 cho mạch động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp

( ) ( )

Động cơ bao gồm phần ứng và phần kích từ với động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp được sử dụng 1 nguồn 1 chiều cấp nối tiếp cho mạch kích từ và mạch phần ứng:

= =

( )= ( + ) + ( + ) ( )

+ ( ) = ( + ) + ( + ) ( )

+ K  ) 

+  ( ) (1)

điện cảm phần ứng (t): điện áp cấp cho mạch điện

Áp dụng định luật II newton cho chuyển động quay của trục động cơ:

( )= ( ) + b ( ) + J ( )

(4)

= ̈( ) = ( ) - ̇( ) (5) Trong đó : ( ) = ( )= ( ) (6)

là momen tải

là hệ số cản

là momen quán tính ( ) ( ) = ( )

Biến đổi laplace của phương trình (1) ,(3),(4),(6) ta được :

XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH VÀ HỆ

THỐNG ĐIỀU KHIỂN 2.1 Xây dựng biểu đồ bond graph cho động cơ điện

 Xét phần điện của hệ thống:

Hình 2.1 Mạch điện động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp

Hình 2.2 Đặt các junction 0 vào các điểm có điện thế khác nhau

 Rút gọn sơ đồ :

Hình 2.3 Loại bỏ các junction 0

Hình 2.4 Sơ đồ rút gọn

Hình 2.5 Các phần tử của hệ điện

 Xét phần cơ khí:

Hình 2.6 Các phần tử của hệ cơ khí

Để kết nối 2 phần trên thì phần tử MGY là phần tử biến đổi điện năng thành cơ năng

Hình 2.7 Kết nối phần điện và phần cơ khí

Vận tốc quay ở phía cơ học chịu ảnh hưởng bởi dòng điện tạo ra do hiện tượng cảm ứng điện từ và hệ số momen của trục động cơ

Hình 2.8 Mô phỏng ảnh hưởng của hệ số Momen với trục động cơ

Sử dụng khối multiplydivide để kết nối phần kích từ với phần tử biến đổi điện năng thành cơ năng nên ta có biểu đồ bondgraph cho cả hệ thống Sử dụng khối tích phân để cho đầu ra là góc quay:

Hình 2.9 Biểu đồ bondgraph hoàn chỉnh

2.2 Xây dựng hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

Theo yêu cầu, Hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp với tín hiệu đặt là R, tín hiệu vào của mạch điện động cơ là điện áp và tín hiệu đầu ra của

hệ thống là tốc độ quay của động cơ

Trong các phương pháp điều khiển góc quay của động cơ thì phương pháp sử dụng bộ điều khiển PID chính xác Khâu hiệu chỉnh PID là trường hợp riêng của khâu hiệu chỉnh sớm trễ pha, có thể xem PID là khâu PI mắc nối tiếp với khâu PD nên nó tối ưu và mang những ưu điểm của cả khâu PI và PD

Khâu hiệu chỉnh PID cải thiện đáp ứng quá độ và giảm sai số xác lập

Theo đó, tín hiệu đặt R là góc quay mong muốn của hệ thống sẽ được mô phỏng bằng khống constant với giá trị góc quay khôn đổi R=50 Tín hiệu phản hồi về từ động cơ là góc quay thực tế, khi đó lỗi sẽ đưa vào khâu hiệu chỉnh PID để đạt sai số nhỏ nhất

Hình 2.10 Biểu đồ bondgraph cho hệ thống điều khiển động cơ điện 1 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

Giả sử động cơ mang tải Mt=10N.m và điện áp định cấp nối tiếp cho phần kích

Giả sử động cơ đang mang tải trọng M t 10N.m

Qua đồ thị khảo sát đặc tính góc quay của động cơ, động cơ quay đều với góc quay sau khi khởi động tỉ lệ thuận với thời gian

Đường mô phỏng đặc tính góc quay là đường thẳng đi qua gốc tọa độ có phương trình:

y  51,8.x

(với y là góc quay sau thời gian x giây) Sau thời gian 10s động cơ đã quay được một góc:

Hình 3.3 Giá trị góc quay tại thời điểm t=10s

3.2 Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều

3.2.1 Mô phỏng

Ảnh hưởng của các khâu hiệu chỉnh đối với hệ thống:

 Xét ảnh hưởng của khâu tỉ lệ P đến đặc tính của hệ thống:

-Tín hiệu đầu ra trùng pha với tín hiệu đầu vào

-Hệ số Kp càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ (luôn tồn tại sai số xác lập) -Tuy nhiên nếu hệ số tỉ lệ càng lớn sẽ làm độ vọt lố càng cao, hệ thống càng kém ổn định

 Xét ảnh hưởng của khâu tỉ lệ PI đến đặc tính của hệ thống:

-Khâu hiệu chỉnh PI làm chậm đáp ứng quá độ

-Tăng độ vọt lố

-Triệt tiêu sai số xác lập của hệ thống

 Xét ảnh hưởng của khâu tỉ lệ PD đến đặc tính của hệ thống:

-Khâu hiệu chỉnh PD làm giảm độ vọt lố

-Làm nhanh đáp ứng quá độ của hệ thống

-Tuy nhiên cũng làm cho hệ thống rất nhạy với nhiễu tần số cao

 Với bộ tham số PID: Kp=1; Ki=1; Kd=1

Hình 3.4 Đặc tính góc quay khi kp=ki=kd=1

Đánh giá: thời gian quá độ dài, chưa triệt tiêu sai số xác lập, độ vọt lố cao Giải pháp: tăng hệ số Kd

 Chọn bộ tham số PID: Kp=1; Ki=1; Kd=80

Hình 3.5 Đặc tính góc quay khi kp=1;ki=1;kd=80

Đánh giá: Chưa triệt tiêu sai số xác lập, độ vọt lố vẫn còn

Giải pháp: tăng dần hệ số Ki và Kp

Chọn bộ tham số PID: Kp=3; Ki=5; Kd=80

Hình 3.6 Đặc tính góc quay khi kp=3;ki=5;kd=80

Đánh giá:

- Sai số xác lập được cải thiện đáng kể

- Thời gian quá độ nhỏ hơn nhiều so với hệ số trước

- Độ vọt lố rất thấp

Hình 3.7 Thông số cài đặt hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều

cơ trong một phạm vi của giá trị góc quay mong muốn Tiếp tục hiệu chỉnh hệ số Kp,

Kd, Ki đã làm hệ thống đáp ứng nhanh, chính xác với kết quả thu được sau khi khảo sát đặc tính góc quay trong trường hợp: Kp=3; Ki=5; Kd=80 như sau:

Hình 3.9 Giá trị góc quay xác lập của hệ thống so với giá trị đặt

KẾT LUẬN

Bài tập của môn học mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ điện tử về động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp giúp sinh viên hiểu về cách hoạt động của động cơ điện một chiều nói chung và động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp nói riêng trên góc độ phân tích

Khi tìm hiều và giải quyết những vấn đề đặt ra trong yêu cầu của bài tập chúng

em đã xây dựng dược phương trình trạng thái mô tả động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, đồng thời thiết kế và xây dựng biểu đồ bond graph bằng phần mềm 20-sim

để mô phỏng cho động cơ 1 chiều kích từ nối tiếp và hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp và có thể áp dụng cho các động cơ khác

Bộ điều khiển PID được sử dụng trong thiết kế hệ thống điều khiển với tín hiệu cần ổn định là góc quay cảu động cơ Khảo sát sự phụ thuộc của góc quay khi điện

áp phần ứng thay đổi thông qua chọn các tham số của bộ điều khiển PID Biết cách lựa chọn các thông số cho bộ điều khiển PID Từ đó nhóm đã tìm ra được bộ tham số của bộ điều khiển PID để cho động cơ hoạt động ổn định là:

Báo cáo đề tài này là sự cố gắng nghiên cứu của 3 thành viên của nhóm em cùng với sự giúp đỡ nhiệt tình của TS Nguyễn Xuân Thuận qua đó em đã nắm bắt được cách tổ chức nghiên cứu và nắm bắt được những nội dung quan trọng của đề tài này để viết được một báo cáo đầy đủ và chi tiết Có thể không thể tránh được những thiếu sót nhỏ, nhóm em kính mong các thầy cô chỉ bảo để nhóm hoàn thiện hơn và tự tin hơn trong quá trình học tập và làm việc của mình sau này Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn

TÀI LIỆU THAM

mô phỏng, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2005