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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA: CƠ KHÍ
----------

BÀI TẬP LỚN MƠN: MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ
PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ KÍCH TỪ SONG SONG, VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ ĐIỆN
MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU, ĐẶC TÍNH DAO
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 MƠ 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
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 61


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: Mơ 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: Mơ 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 Thơng số cài đặt cho biểu đồ trên 20-sim ........................................... 40
Hình 4.1.3: Dịng điện phần ứng, dịng điện kích từ ............................................ 40
Hình 4.1.4: Mơ 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: Mơ 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 thơng 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: Thơng 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 vịng 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 dịng 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 điện1 chiều
tỷ lệ thuận với nguồn điện áp đặt vào nó, và ngẫu lực quay cũng ln tỷ lệ thuận đối
với dịng điện. Dựa vào các đặc tính trên mà động cơ DC được xem như là thành phần
khơng thể thiếu trong chế tạo máy móc kỹ thuật địi hỏi mơ men khởi động lớn.
1.1.2. Cấu tạo
Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính:

- Phần tĩnh (Stator).
- Phần động (Rotor).

7

❖ Phần tĩnh (stator):

Hình 1.1.2: Cấu tạo stator máy điện một chiều

Phần tĩnh cịn 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 ngồi 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 cịn 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 ngồi 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
8


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 cịn 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 ngồi. Cơ cấu chổi than
bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lị 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 xốy 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 dịng 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 trịn. Hai đầu trục trịn dùng
hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại.
9

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 q 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 cịn lại
năng lượng được biến thành cơ năng trên trục động cơ.

Hình 1.1.3: Nguyên lý hoạt động

Khi có dịng 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 dịng điện xoay chiều được chỉnh lưu thành dòngmột 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
và bằng:
Pdt = M . ω = Eư .Iư
Trong đó:

(1.1.1)

M : là mơmen điện từ.
Iư : Dịng điện phần ứng.
Eư : Suất điện động phần ứng.
ω : Tốc độ góc phần ứng.

1.1.4. Động cơ điện một chiều kích từ song song
Khi nguồn điện một chiều có cơng suất vơ cùng lớn và điện áp khơng 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 .

10


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 thayđổi dịng
kích từ do đó thay đổi được từ thông Φ. Phương pháp này được sử dụngrất rộng rãi,
nhưng cần chú ý là khi giảm từ thông Φ có thể dịng điện Iư tăng q giá trị cho phép,
do đó cần có bộ bảo vệ khơng cho động cơ làm việc khi từ thơng giảm nhiều.
Phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng ở chế độ xác lập như sau:
Uư = E + (Rư + Rf).Iư
Trong đó:

(1.1.2)

Uư :Điện áp phần ứng ( V ).
E : Suất điện động phần ứng ( V ).
Rf : Điện trở phụ trong mạch phần ứng ( Ω ).
Rư :Điện trở của phần ứng (Ω ).

Với Rư = rư + rcf + rcb + rtx.
Trong đó :
rư : Điện trở dây phần ứng (Ω).
rcf : Điện trở cực từ phụ (Ω).
rcb : Điện trở cuộn bù (Ω).
rtx : Điện trở tiếp xúc của chổi điện (Ω).

1.1.5. Ứng dụng
Ngày nay, ứng dụng của động cơ điện 1 chiều rất đa dạng và đôi khi không thể
thay thế bởi nguyên lý đặc biệt chỉ có ở động cơ điện 1 chiều. Nó được có mặt trong
mọi lĩnh vực sản xuất cơng nghiệp và đời sống: dùng trong đài FM, ổ đĩa DC, trong
tivi, máy công nghiệp, các loại máy in, máy photo,...

11


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 thơng , 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 dịng 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:

- Stator: là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu
- Rotor: phần lõi được quấn các cuộn dây quấn được kết nối với nguồn một chiều.
- Chổi than (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp
- Cổ góp (commutator): làm nhiệm vụ tiếp xúc và chia nhỏ nguồn điện cho các cuộn
dây trên rotor. Số lượng các điểm tiếp xúc sẽ tương ứng với số cuộn dây trên rotor.

12


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. thơng
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: Ngun 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.

13

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 dịng 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:

- Ưu điểm nổi bật của động cơ điện 1 chiều là có moment 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 1 chiều:
- Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, đắt tiền nhưng hay hư hỏng trong quá trình vận
hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa cẩn thận, 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.
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 hịa khơng khí, cần gặt nước kính chắn gió, quạt và ăng ten sóng vơ 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.
14


Mục đích của một bộ điều khiển vị trí động cơ là lấy tín hiệu đại diện cho góc
u 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 sốt 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 tốn
và sau đó đưa ra một hành động khắc phục có thể điều chỉnh q 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 ơ tơ
Hệ thống treo là bộ phận đặt phía trên cầu trước và cầu sau của xe, kết nối vỏ khung ơ
tơ với các cầu, nhờ đó xe có thể vận hành êm ái và ổn định. Ngoài ra, chúng cịn đóng
vai trị 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:
15

- Bộ phận đàn hồi: cấu tạo gồm lò xo, thanh xoắn, nhíp và khí nén, giữ nhiệm vụ hấp
thụ dao động từ mặt đường, làm giảm tác động của sức nặng lên khung xe, giúp
bánh xe di chuyển êm ái, ổn định.

- Bộ phận giảm chấn: Có hai loại giảm chấn là giảm chấn thủy lực và giảm chấn dùng
ma sát. Chúng đóng vai trị trong việc hạn chế dao động của bánh xe và thân xe.
Nhờ đó, đảm bảo độ bám đường tốt hơn.

- Bộ phận dẫn hướng: Giống như tên gọi của nó, bộ phận này đóng vai trò đảm bảo
động học của xe, hướng bánh xe chỉ di chuyển theo phương thẳng đứng. Ngồi ra,
chúng cịn giữ vai trị tiếp nhận, truyền lực và mơ-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 ơ tơ có thể đảm
nhận được nhiều trọng trách khác nhau. Chúng vừa đóng vai trị trong việc chịu sức
nặng của xe, vừa là bộ phận đảm bảo bánh xe chuyển động theo phương thẳng đứng.
Ngồi ra, hệ thống treo cịn 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 thơng 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 ơ tơ 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.

16


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
17


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
mơ hình ¼ chiếc xe (một trong bốn bánh xe) được sử dụng để đơn giản hóa vấn đề lên
1 hệ lị xo giảm chấn.

Hình 1.3.5: Ứng dụng của hệ thống treo
18


CHƯƠNG 2 PHƯƠNG TRÌNH MƠ 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

Trong đó:

- R là tín hiệu đặt tốc độ;
- 𝜃̇là vận tốc góc của động cơ;
- u là tín hiệu điều khiển động cơ.
- Điện cảm phần ứng L: 17.5. 10−3 H
- Điện trở phần ứng R: 0.5 Ω
- Điện trở mạch kích từ: 0.4 Ω
- Điện cảm kích từ L: 60. 10−3 H
- Hệ số cản b = 6.6 10−3Nms/rad
- Momen quán tính J= 0.166 𝑁𝑚𝑠/𝑟𝑎𝑑
- Hệ số momen K= 1.53
Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho phần điện phần ứng ta có:
𝑑𝑖

Uư – K𝜃̇ = Lư. + R𝑖 ư (t)
𝑑𝑡

⇒

𝑑𝑖
𝑑𝑡

=

1
Lư

(−𝑅𝑖ư − 𝐾

𝑑𝜃
𝑑𝑡

+ Uư )

Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho phần điện phần cảm ta có:
19

(2.1.1)


Uư = Lkt.
⇒

𝑑𝑖𝑘𝑡

𝑑𝑡

𝑑𝑖𝑘𝑡
𝑑𝑡

=

1
Lkt

+ Rkt𝑖𝑘𝑡 (t)
(2.1.2)

(−𝑅𝑘𝑡 + Uư )

Áp dụng định luật II Niuton cho phần cơ ta có phương trình:
J.𝜃̈ + b.𝜃̇ = Mđ = K.𝑖 ư (t)
⇒ J.𝜃̈ = K. 𝑖ư (t) − b.𝜃̇
⇒

𝑑𝜃
𝑑𝑡

=

𝐾
J

. 𝑖ư −

𝑏
J

𝜃̇

(2.1.3)

Từ (2.1.1), (2.1.2) và (2.1.3) ta có phương trình khơng gian trạng thái mơ tả động
cơ điện 1 chiều kích từ song song, sử dụng dịng 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
❖ Các thông số:
- Điện cảm phần ứng L: 1. 10−3 H
- Điện trở phần ứng R: 0.8 Ω
- Hệ số cản b = 8.6 10−3 Nms/rad
- Momen quán tính J= 0.1 𝑁𝑚𝑠 2 /𝑟𝑎𝑑
- Hệ số momen K= 0.3
Theo định luật Kirchoff ta có phương trình cân bằng điện áp ở mạch phần ứng:
Uư = Iư.Rư + Lư.

𝑑𝑖
𝑑𝑡

+ Eư

(2.2.1)

Trong đó Eư(t) = K. 𝜃̇ - là sức phản điện phần ứng
Áp dụng định luật Newton cho chuyển động quay ta có phương trình cân bằng

Momen trên trục động cơ:
20


Mđ = b.𝜃̇ + J.𝜃̈

(2.2.2)

Trong đó Mđ - là momen của động cơ: Mđ = K.I
Biến đổi Laplace:
s.(J.s +b). 𝜃(𝑠) = K.I(s)

(2.2.3)

(L.s+R).I(s) = Uư - Ks 𝜃(𝑠)

(2.2.4)

Từ phương trình (2.2.3) ta có:

I(s) =

s.(J.s +b).𝜃(𝑠)
𝐾

(2.2.5)

Thế (2.2.5) vào (2.2.4) và biến đổi ta được hàm truyền vịng hở sau đây, trong
đó vị trí được coi là đầu ra và điện áp phần ứng được coi là đầu vào.

𝑃(𝑠) =

𝜃 (𝑠)
𝑉 (𝑠)

=

𝐾
𝑠.((𝐽.𝑠+𝑏).(𝐿.𝑠+𝑅)+𝐾2 )

2.3. Hệ thống treo của ô tô
2.3.1. Thiết lập vật lý
Mô hình vật lý:

Hình 2.3.1: Mơ 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
21

(2.2.6)


- 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 Ẍ 2 = 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)
22

(2.3.3)


– (b1s + K1)X1(s) + [M2s2 + (b1 + b2)s + (–K1 + K2)]X2(s) = (b2s + K2)W(s)+U(s)
(2.2.4)
A=[

(m1 s2 + b1 s + k1 )
− (b1 s + k1 )
]
2

−(b1 s + k1 )
(m2 s + (b1 + b2 )s + (k1 + k 2 ))

(m1 s2 + b1 s + k1 )
− (b1 s + k1 )
]
∆= det [
2
−(b1 s + k1 )
(m2 s + (b1 + b2 )s + (k1 + k 2 ))
Hoặc:
∆= (m1 s2 + b1 s + k1 ). (m2 s2 + (b1 + b2 )s + (k1 + k 2 ) − (b1 s + k1 ). (b1 s + 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:
[

x1 (s)
]
x2 (s)
=

[

1 (m2 s2 + (b1 + b2 )s + (k1 + k 2 )) (b1 s + k1 )
u(s)
[
]
[
]
(b2 s + k 2 )w(s) − u(s)

∆
(b1 s + k1 )
(m1 s2 + b1 s + k1 )

x1 (s)
]
x2 (s)

1
(m2 s2 + b2 s + k 2 ) (b1 b2 s2 + (b1 k 2 + b2 k1 )s + k1 k 2 )
u(s)
]
[
]
= [
∆ −m1 s2 (m1 b2 s3 + (m1 k 2 + b1 b2 )s2 + (b1 k 2 + b2 k1 )s + k1 k 2 w(s)

Khi chúng ta chỉ muốn xem xét đầu vào điều khiển u(s), chúng ta đặt w(s) =
0. Do đó, chúng ta có được hàm truyền G1 (s) như sau:
G1 (s) =

x1 (s) − x2 (s) (m1 + m2 )s2 + b2 s + k 2
=
u(s)
∆

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) −m1 b2 s3 − m1 k 2 s2
=
w(s)
∆

23


CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH
3.1. Động cơ điện một chiều kích từ song song.

3.1.1. Xây dựng biểu đồ bond

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.

24


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.

25