Bài tập lớn mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ điện tử.

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ



--- ---

BÀI TẬP LỚN
MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ
THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Giáo viên hướng dẫn

: ThS. Lê Ngọc Duy

Sinh viên thực hiện

: 1. Ma Văn Hùng

- 2020604080

2. Hoàng Văn Hưng

- 2020601849

3. Vũ Đình Khánh

- 2020602362

Lớp : 20221ME6057002

Hà Nội - 2022


PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM
I. Thơng tin chung
1. Tên lớp:

20221ME6057002

Khóa: 15

2. Tên nhóm: Nhóm 9
Họ và tên thành viên:

Ma Văn Hùng

2020604080

Hồng Văn Hưng

2020601849

Vũ Đình Khánh

2020602362

II. Nội dung học tập
Bài số 1: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ 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; θ là vận tốc góc của động cơ; u là tín hiệu điều khiển động cơ. Các

thông số của động cơ như sau:
−3
- Điện cảm phần ứng L: 10. 10
H

- Điện trở phần ứng R: 1.75 Ω
- Điện trở mạch kích từ: 5 Ω
−3
- Điện cảm kích từ L: 10. 10
H
−5
- Hệ số cản b = 6.6 10 Nms/rad

- Momen quán tính J= 0.006 Nms /rad
- Hệ số momen K= 2


Hình 1 Động cơ kích từ nối tiếp

u 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 mơ 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 tốc độ của động cơ điện một chiều và hệ

thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng phần mềm 20-sim.
Bài số 2
Cho cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ của hệ cơ như hình 1. Trong đó: M1 và
M2 là khối lượng của hai xe. Hai xe liên kết với nhau bằng lò xo. Bỏ qua ma sát bánh
xe với mặt đường. Các thông số của hệ thống như sau:
- Khối lượng vật 1: 1 kg
- Khối lượng vật 2: 1 k g
- Độ cứng lò xo: 0.05 N/m
- Tốc độ đặt: 8 m/s


Hình 2 Hệ thống điều khiển tốc độ cơ hệ.
Yêu cầu:
- Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả tốc độ của hệ
cơ.
- Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều
khiển tốc độ của hệ cơ.
- Mơ phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của tốc độ của hệ cơ và hệ thống
điều khiển tốc độ của hệ cơ sử dụng phần mềm 20-sim.

Bài số 3
Cho cấu trúc hệ thống điều khiển con lắc như hình 1 và con lắc hình 2. Trong đó:
Trong đó: R là tín hiệu đặt góc nghiêng con lắc; θ là góc nghieng cơn lắc; u là tín
hiệu điều khiển. Các thông số của con lắc như sau:
- Khối lượng thân xe: 0.5kg
- Khối lượng con lắc: 0.1kg
- Chiều dài con lắc : 0.3m
- Moomen quán tính con lắc : 0.006kg*m2
- Hệ số ma sát của xe : 0.11N/m/s

Hình
1


Hình 3 Hệ thống con lắc ngược trên xe.
Yêu cầu:
- Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về con lắc ngược.
- Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả hệ con lắc
- Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả con lắc và hệ thống điều khiển hệ con lắc.
- Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc nghiêng của con lắc sử dụng phần mềm
20-sim.

KHOA/TRUNG TÂM

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS.Nguyễn Anh Tú

ThS. Lê Ngọc Duy



Bài tập lớn mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống cơ điện tử.

MỤC LỤC

7


Bài tập lớn mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống cơ điện tử.

DANH MỤC HÌNH ẢNH

8


Bài tập lớn mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống cơ điện tử.

BÀI 1. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP
Chương 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1. Tổng quan động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.
1.1 Đặc điểm.
Cuộn dây kích từ được mắc nối tếp với phần ứng.
Chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ và ngược lại.
Đặc tính Cơ–Điện và đặc tính Cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp có dạng
hyperbol và rất mềm và tốc độ không tải lý tưởng bằng vơ cùng.
Khơng có tốc độ khơng tải lý tưởng đối với động cơ điện một chiều kích từ nối
tiếp.
Động cơ kích từ nối tiếp có cuộn kích từ chịu dịng lớn, nên tiết diện to và số
vịng dây ít.

1.2 Ưu điểm.
Nên dễ chế tạo và ít hư hỏng hơn so với kích từ độc lập.
Động cơ kích từ nối tiếp có khả năng q tải lớn về mơmen. Khi có cùng một hệ
số q tải dịng điện như nhau thì mơmen của động cơ kích từ nối tiếp lớn hơn động cơ
kích từ độc lập.
Mơmen của động cơ nối tiếp không phụ thuộc vào sụt áp trên đường dây tải điện,
nghĩa là nếu giữ cho dòng điện trong động cơ định mức thì mơmen động cơ cũng là
định mức

1.3 Nhược điểm.
Nhược điểm chủ yếu là có hệ thống cổ góp - chổi than nên vận hành kém độ
chính xác và khơng đảm bảo an tồn an tồn trong các môi trường rung chấn, dễ cháy
nổ.

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).

9


Bài tập lớn mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống cơ điện tử.

Hình 4 Cấu tạo động cơ điện kích từ nối tiếp.
• Phần cảm (stator)
Stator là một hay nhiều cặp nam châm điện
Cực từ phụ: Các cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và để cải thiện đổi
chiều.
Cổ góp: Gơng từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy.
Bộ chỉnh lưu (chổi than): Đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của
rotor là liên tục. Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ
một lị xo tì chặt lên cổ góp.

• Phần ứng (Roto)
Rotor là cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều.

3. Nguyên lí hoạt động
Động cơ điện 1 chiều hoạt động chủ yếu dựa vào định luật cảm ứng điên từ của
faraday.

Khi có một dịng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt non, cạnh
phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện lại
bị tác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming. Các
lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làm cho rotor quay.
Để làm cho rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm
chuyển mạch dịng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ. Chỉ có vấn đề là khi mặt của
10


Bài tập lớn mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống cơ điện tử.
cuộn dây song song với các đường sức từ trường. Nghĩa là lực quay của động cơ bằng
0
0 khi cuộn dây lệch 90 so với phương ban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quay

theo qn 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.

4. 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...
• Động cơ một chiều được dùng nhiều trong các máy công cụ lớn, u cầu
tốc độ và số vịng quay cao.
• Động cơ 1 chiều chúng ta thường thấy nhất là trong các ứng dụng đồ chơi,

xe mơ hình, động cơ sử dụng pin để hoạt động là động cơ một chiều hết nha
các bạn.
• Như vậy động cơ 1 chiều được ứng dụng trong hầu hết các thiết bị như : ổ
đĩa, máy photocopy,….

5. Giới thiệu tổng quan về hệ thống điều khiển động cơ điện một
chiều.
5.1 Các phương pháp điều khiển động cơ.
Điều khiển tốc độ của động cơ điện một 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 vịng quay giảm và tốc độ sẽ chậm
đi tương ứng.
Điều khiển tốc độ của động cơ điện một chiều bằng cách điểu khiển từ
thông
11


Bài tập lớn mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống cơ điện tử.

Điều chỉnh từ thơng hay cịn được gọi là điều chỉnh momen điện từ và sức
điện động của động cơ. Khi từ thơng 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 một 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.

Điều khiển tốc độ của động cơ điện một chiều bằng cách điều chế độ
rộng xung PWM
Đối với các động cơ điện một chiều kích từ độc lập cơng suất nhỏ ta có thể
sử dụng bộ băm xung tạo ra dãy xung điện áp một chiều cung cấp cho phần ứng
động cơ.
Bằng cách điều chỉnh độ rộng của xung (duty-cycle) ta có thể điều khiển
động cơ điện một chiều.
5.2 Các phương pháp điều khiển chính.
Mọi hệ thống điều khiển phải đảm bảo trước hết độ ổn định của trạng thái
vịng kín. Trong các hệ thống tuyến tính, điều này có thể đạt được bằng cách
thay thế trực tiếp các cực. Các hệ điều khiển phi tuyến sử dụng các lý thuyết đặc
biệt để đảm bảo độ ổn định mà không cần phải quan tâm đến các quá trình động
học bên trong hệ thống. Các kỹ thuật điều khiển chính:
-Điều khiển thích nghi
-Điều khiển phân cấp
-Điều khiển thông minh
-Điều khiển tối ưu
-Điều khiển bền vững
-Điều khiển ngẫu nhiên
12


Bài tập lớn mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống cơ điện tử.

6. Hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều
-Hệ thống tuyến tính
-Hệ thống điều khiển phi tuyến
-Hệ thống phân tán

Hình 5 Sơ đồ hệ thống điều khiển.

Hình 1.1 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 tốn 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.

13


Bài tập lớn mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống cơ điện tử.

Chương 2. PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ ĐỂ VIẾT PHƯƠNG
TRÌNH MƠ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU.
1. Suất điện động phần ứng của máy điện một chiều.

Hình 6 Mạch điều khiển tốc độ động cơ kích từ nối tiếp.
Sức điện động e được tạo bởi một thanh dẫn có bề dài l di chuyển với vận tốc
dài v trong từ trường đều B tạo ra bởi phần cảm, ta có:
e=B.l.v

(2.1)

Sức điện động trên tồn bộ dây quấn phần ứng được xác định theo quan hệ sau:

Eu=

N
.e
2a

Eu=K e . Φ.n

Trong đó:

(2.2)
(2.3)

N: tổng số thanh dẫn phần ứng.
2a:Số mạch nhánh song song phần ứng.
P:Số đơi cực.
Φ

:Từ thơng kích từ qua một cực từ.

K e :Hệ số phụ thuộc vào cấu tạo động cơ.

• Cơng suất và momen của máy điện một chiều:
- Công suất điện từ:
Pdt =E u . I u

-

(2.4)

Momen điện từ:
14


Bài tập lớn mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống cơ điện tử.
M dt =

-

(2.5)

Tốc độ quay của rotor:
Ωr =

-

Pdt
=K M . I u . Φ
Ωr

2πn
60

(2.6)

p.N
2πa

(2.7)

Hệ số động cơ
KM=

2. Phương trình vật lí mơ tả động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.

Sử dụng định luật kirchhoff 2 cho mạch động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp
u(t)=U u (t)+U kt ( t)
u ( t ) =iu ( t ) Ru + Lu

di Ư (t )
di kt (t )
+i kt ( t ) R kt + L kt
+ Eu
dt
dt

(2.8)
(2.9)

Đơng 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:

15


Bài tập lớn mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống cơ điện tử.
i Ư =i kt =i

(2.10)

u ( t ) =( RƯ +R kt ) i+(Lkt + LƯ )

di(t)
+ EƯ
dt

(2.11)

u ( t ) =( RƯ +R kt ) i+(Lkt + LƯ )

di(t)
+ K Φ ω (t)
dt

(2.12)

u ( t ) =( RƯ +R kt ) i+(Lkt + LƯ )

di(t)
+ K 1 θ́ (t )
dt

(2.13)

́ )
( R + RKT ).i K 1 . θ(t
u (t )
di ́
= i (t )=
− u

−
dt
Lu + LKT
Lu + LKT
Lu + LKT

Trong đó

(2.14)

EƯ =K Φ ω (t) = K 1 ω(t)

(2.15)
RƯ là điệntrở phần ứng .
Rkt là điệntrở phần kích từ .
Lkt là điệncảm phần kích từ .
LƯ làđiện cảm phần ứng .
u ( t ) là điện áp cấp cho mạchđiện .

Áp dụng định luật II newton cho chuyển động quay của trục động cơ:
dω (t)
dt

(2.16)

K .i(t) b ́
d θ2
=θ ́(t)= 2
− θ (t)
2

J
J
dt

(2.17)

M ( t )=M t ( t ) +bω ( t )+ J

Trong đó:

M ( t )=K Φ i(t) = K 1 i (t)

Mt

(2.18)

Là momen tải

b là hệ số cản
J là momen quán tính
16


Bài tập lớn mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống cơ điện tử.
M ( t )−M t ( t )=K 2 .i (t)

(2.19)

Biến đổi laplace của phương trình (2.13), (2.15), (2.16), (2.18) ta được:
U ( s )=( RƯ +R kt ) I ( s ) + ( Lkt + LƯ ) I ( s ) . S + EƯ (s )

(2.20)

EƯ ( S )=K Φ θ ( s ) S=K 1 θ ( s ) S

(2.21)

M ( s ) =M t ( s ) +bθ ( s ) S+ Jθ ( s ) s 2

(2.22)

M ( s ) =K Φ I (s)

(2.23)
M ( s ) −M t ( s )=K 2 . I (S)

(2.24)

Suy ra:

{

U (s)−Eu ( s)
(R u+ R KT )+ S.(L KT + Lu )
M (s)−M t (s)
¿ θ( s)=
b.S+ J.b. S 2

¿ I ( s)=

(2.25)

Từ (2.14) và (2.17) ta có được phương trình trạng thái mơ tả động cơ điện một
chiều kích từ nối tiếp:
R u + Rkt
¿
¿ Lu + Lkt
¿
−K 1
Lu + Lkt

[ ]

1
i
¿ . ́ + Lu + Lkt . u(t )
θ
0
¿
−¿
́
d ¿i
= ¿ i =¿
dt ¿ θ́
¿ ́θ

[]

(2.26)

[ ][ ]

Chương 3. XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH
1. Điều chỉnh thông số cho bộ điều khiển PID.
1.1 Các phương pháp điều khiển chính.
-

Có nhiều phương pháp khác nhau để điều chỉnh vòng lặp PID. Những phương pháp
hữu hiệu nhất thường bao gồm những triển khai của vài dạng mơ hình xử lý, sau đó
17


Bài tập lớn mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống cơ điện tử.
chọn P, I, và D dựa trên các thơng số của mơ hình động học. Các phương pháp điều
chỉnh thủ công tương đối không hiệu quả lắm, đặc biệt nếu vịng lặp có thời gian
-

đáp ứng được tính bằng phút hoặc lâu hơn.
Lựa chọn phương pháp thích hợp sẽ phụ thuộc phần lớn vào việc có hay khơng
vịng lặp có thể điều chỉnh "offline", và đáp ứng thời gian của hệ thống. Nếu hệ
thống có thể thực hiện offline, phương pháp điều chỉnh tốt nhất thường bao gồm bắt
hệ thống thay đổi đầu vào từng bước, tín hiệu đo lường đầu ra là một hàm thời gian,
sử dụng đáp ứng này để xác định các thông số điều khiển.

 Điều chỉnh thủ công.
Nếu hệ thống phải duy trì trạng thái online, một phương pháp điều chỉnh là thiết
đặt giá trị đầu tiên của Ki và Kd bằng khơng. Tăng dần Kp cho đến khi đầu ra của
vịng điều khiển dao động, sau đó Kp có thể được đặt tới xấp xỉ một nửa giá trị đó để
đạp đạt được đáp ứng "1/4 giá trị suy giảm biên độ". Sau đó tăng Ki đến giá trị phù
hợp sao cho đủ thời gian xử lý. Tuy nhiên, Ki quá lớn sẽ gây mất ổn định. Cuối cùng,

tăng Kd , nếu cần thiết, cho đến khi vòng điều khiển nhanh có thể chấp nhận được
nhanh chóng lấy lại được giá trị đặt sau khi bị nhiễu. Tuy nhiên, Kd quá lớn sẽ gây
đáp ứng dư và vọt lố.Một điều chỉnh cấp tốc của vòng điều khiển PID thường hơi quá
lố một ít khi tiến tới điểm đặt nhanh chóng; tuy nhiên, vài hệ thống không chấp nhận
xảy ra vọt lố, trong trường hợp đó, ta cần một hệ thống vịng kín giảm lố, thiết đặt một
giá trị Kp nhỏ hơn một nửa giá trị Kp gây ra dao động.

 Điều chỉnh theo phương pháp Ziegler–Nichols.

18


Bài tập lớn mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống cơ điện tử.
Một phương pháp điều chỉnh theo kinh nghiệm khác là phương pháp Ziegler–
Nichols, được đưa ra bởi John G. Ziegler và Nathaniel B. Nichols vào những năm
1940. Giống phương pháp trên, độ lợi Ki và Kd lúc đầu được gán bằng không. Độ lợi
P được tăng cho đến khi nó tiến tới độ lợi tới hạn, Ku , ở đầu ra của vòng điều khiển
bắt đầu dao động. Ku và thời gian dao động Kp được dùng để gán độ lợi như sau:Bộ
điều khiển PID

2. Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả từng thành phần của động cơ
điện 1 chiều kích từ nối tiếp
Bước 1: Đặt các Junction 0 tại các vị trí có điện thế khác nhau:

Hình 3.1 Đặt các junction 0 vào các điểm có điện thế khác nhau

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:

Bước 3: Liên kết các Junction 0, Junction 1 lại với nhau bằng các đường

liên kết:

19


Bài tập lớn mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống cơ điện tử.

Bước 4: Tối giản hoá sơ đồ:

Bước 5: Gán công suất tới tất cả các đường liên kết trong sơ đồ tối giản:

Xây dựng biểu đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ điên 1 chiều kích từ
nối tiếp:
Xây dựng biểu đồ bond graph hồn chỉnh cho cả hệ thống:
Để kết nối phần hệ thống điện và hệ thống cơ khí ta cần sử dụng phần tử MGY là
phần tử biến đổi điện năng thành cơ năng:

20