Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển trên xe máy điện

Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển trên xe máy điện Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển trên xe máy điện Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển trên xe máy điện Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển trên xe máy điện Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển trên xe máy điện

MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC viii LỜI CAM ĐOAN x CẢM ƠN xi TÓM TẮT xii ABSTRACT xiii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU KHOA HỌC xvii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xx DANH SÁCH CÁC BẢNG xxi DANH SÁCH CÁC HÌNH xxii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Tình hình nghiên cứu đề tài 1.2.1 Trong nước 1.2.2 Ngoài nước 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Cách tiếp cận 1.5 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.5.1 Đối tượng nghiên cứu 1.5.2 Phạm vi nghiên cứu 1.6 Nội dung nghiên cứu 1.7 Phương pháp nghiên cứu 1.8 Kết dự kiến đạt 1.9 Bố cục luận văn xiv CHƯƠNG CƠ SỞ NGHIÊN CỨU 2.1 Động điện không đồng ba pha 2.1.1 Nguyên lý hoạt động 2.1.2 Điều khiển tốc độ động 11 2.2 Bộ nghịch lưu áp ba pha 12 2.2.1 Nguyên lí hoạt động 12 2.2.2 Nghịch lưu điện áp phương pháp SPWM 14 2.2.3 Thiết lập sóng mang 15 2.2.4 Thiết lập sóng điều chế 17 2.3 Tính tốn tham số cho mạch điều khiển 18 2.3.1 Mạch dẫn động khóa cơng suất (bootstrap) 19 2.3.2 Bộ lọc đầu 23 2.3.3 Tính tốn điện trở hồi tiếp dịng 24 2.3.4 Cảm biến tốc độ động 26 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG 31 3.1 Thiết kế mạch điều khiển 31 3.2 Thiết kế mạch bảo vệ dòng 36 3.3 Phương pháp điều khiển động 38 3.3.1 Phương pháp điều khiển vòng lặp hở 39 3.3.2 Phương pháp điều khiển vòng lặp kín 41 CHƯƠNG THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 45 4.1 Tổng quan thực nghiệm 45 4.2 Mục tiêu thực nghiệm 45 4.3 Bố trí lắp đặt thí nghiệm 45 4.3.1 Lắp đặt hệ thống băng thử 46 xv 4.3.2 Lắp đặt mơ hình xe hai bánh 51 4.4 Kết thực nghiệm mơ hình băng thử động 53 4.5 Kết thực nghiệm mơ hình xe hai bánh 61 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69 5.1 Kết luận 69 5.2 Kiến nghị 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 NỘI DUNG BÀI BÁO 75 xvi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU KHOA HỌC Ns : Tốc độ vòng quay stator Nr : Tốc độ vòng quay rotor s : độ trượt stator rotor p : Số cực stator V : Điện áp pin T : Momen f : tần số động fb : Tần số vùng boost áp động frated : Tần số động fcarrier : Tần số sóng mang fosc Tần số xung nhịp thạch anh : foutput : Tần số đầu mạch điều khiển Nelements: Số lượng phần tử bảng tra cứu VAV : Điện áp trung bình VRMS : Điện áp hiệu dụng VP Điện áp đỉnh : Vbs : Điện áp rơi tối thiểu tụ Q Điện tích tụ : xvii Qg : Điện tích khóa bán dẫn high-side Qls : Năng lượng chuyển mức chu kỳ Qqbs : Điện tích để mở khóa bán dẫn high-side RFW : Điện trở cổng forward HO LO RHS : Điện trở nội highside mạch dẫn động khóa cơng suất RLS : Điện trở nội lowside mạch dẫn động khóa cơng suất Ig : Cường độ dịng điện phóng từ tụ RBW : Điện trở cổng backward HO LO VGE(th) : Điện áp ngưỡng G-E CCG : Tụ điện cực C-G VCE : Điện áp cực C-E TON : Thời gian mở cổng QGE : Điện tích cổng G-E QGC : Điện tích cổng G-C Vf : Điện tích diode fast covery fc : Tần số cắt lọc Qquality : Hệ số chất lượng lọc fsw : Tần số chuyển mạch RL : Điện trở tải Prated : Công suất định mức xviii VADC : Điện áp ADC Rs : Điện trở shunt r : Bán kính bánh xe N : Tỉ số truyền nhơng xích Vxe : Tốc độ xe Nbanhxe : Tốc độ quay bánh xe Ndongco : Tốc độ quay động  banhxe : Tốc độ góc bánh xe Nmotor : Tốc độ động Ncycle : Số lần reset chu kỳ RPM : Vịng/phút TH Tuổi thọ trung bình mạch điện : xix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PWM : Xung điều chế VFD : Bộ biến tần BMS : Mạch quản lý pin EV Xe điện : DTC : điều khiển momen xoắn trực tiếp SPWM: Xung điều chế hình sine IGBT : linh kiện bán dẫn cưỡng CTC : chế độ so sánh Timer RPM : vòng/phút PCB : mạch in HO : đầu mức cao LO : đầu mức thấp xx DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 3.1: Thông số IGBT IHW20N120R2 31 Bảng 3.2: Thông số mạch dẫn động khóa cơng suất IR2103 32 Bảng 3.3: Thông số thiết kế kỹ thuật mạch điều khiển 36 Bảng 4.1: Thông số cấu tạo động 0,3kW 46 Bảng 4.2: Thơng số đặc tính động 1,5kW 51 Bảng 4.3: Kết thống kê đường đặc tính momen-tốc độ 56 xxi DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1: Phân bố dòng sức từ động dây quấn ba pha Hình 2.2: Từ trường quay ba pha Hình 2.3: Sự thay đổi điện áp tần số 12 Hình 2.4: Sơ đồ nghịch lưu 13 Hình 2.5: Sơ đồ mạch tương đương IGBT 14 Hình 2.6: So sánh tín hiệu sóng mang sóng điều chế 15 Hình 2.7: Mơ tả chức ghi TCNT0 16 Hình 2.8: Sự tương đồng điện áp chiều điện áp xoay chiều 18 Hình 2.9: Sơ đồ tổng quát mạch điều khiển động 19 Hình 2.10: Mạch dẫn động khóa cơng suất cặp khóa bán dẫn (kênh đơn) 20 Hình 2.11: Q trình phóng tụ điều khiển khóa bán dẫn phía cao 21 Hình 2.12: Bố trí điện trở shunt 25 Hình 2.13: Cảm biến tốc độ động 26 Hình 2.14: Bố trí cảm biến xe 26 Hình 2.15: Cảm biến tiệm cận với nhông động 27 Hình 2.16: Nguyên lý hoạt động chế độ Input Capture 29 Hình 3.1: Sơ đồ mạch điều khiển động 33 Hình 3.2: Sơ đồ mạch in PCB 35 Hình 3.3: Mạch điều khiển động 35 Hình 3.4: Sơ đồ mạch in PCB 36 Hình 3.5: Mạch in PCB mạch bảo vệ 37 Hình 3.6: Mạch bảo vệ thực tế 37 Hình 3.7: Giản đồ thời gian vi điều khiển 38 Hình 3.8: Sơ đồ hệ thống phương pháp điều khiển vòng hở 39 Hình 3.9: Lưu đồ thuật toán phương pháp điều khiển hở 40 Hình 3.10: Sơ đồ hệ thống phương pháp điều khiển vịng kín 41 Hình 3.11: Lưu đồ thuật tốn phương pháp điều khiển kín 42 Hình 3.12: Mối liên hệ momen tốc độ dải tần số khác [22] 43 Hình 4.1: Động ba pha 0,3kW 46 xxii Hình 4.2: Băng thử cơng suất 47 Hình 4.3: Thiết bị đọc tín hiệu tốc độ động 47 Hình 4.4: Mơ hình tổng qt hệ thống động cơ-băng thử 48 Hình 4.5: Máy đo xung Tektronix 48 Hình 4.6: Máy đo nhiệt Hikvision 49 Hình 4.7: Phần mềm tính tốn bảng tra cứu 50 Hình 4.8: Mơ hình xe máy điện hai bánh 51 Hình 4.9: Bộ truyền nhơng xích 52 Hình 4.10: Sơ đồ phân bố động lực điện 52 Hình 4.11: Dạng sóng tín hiệu điều khiển 54 Hình 4.12: Dạng sóng tín hiệu HO LO 54 Hình 4.13: Dạng sóng điện áp đầu mức tần số 55 Hình 4.14: Dạng sóng thực nghiệm tín hiệu dịng điện phản hồi 1,1A 55 Hình 4.15: Đồ thị thực nghiệm đặc tính momen-tốc độ động 0,3kW 57 Hình 4.16: Đồ thị thực nghiệm cường độ dịng điện khởi động trực tiếp 50Hz 58 Hình 4.17: Đồ thị thực nghiệm cường độ dòng điện khởi động mềm 50Hz 59 Hình 4.18: Đồ thị thực nghiệm tốc độ có hồi tiếp 60 Hình 4.19: Phân bố nhiệt độ mạch 61 Hình 4.20: Đường tốc độ thực nghiệm điều kiện không tải 62 Hình 4.21: Đường tốc độ thực nghiệm điều kiện tải 1Nm 63 Hình 4.22: Đường tốc độ thực nghiệm điều khiển kín 65 Hình 4.23: Nhiệt độ mạch điều khiển trình hoạt động 66 xxiii Trong đó: TD: tuổi thọ trung bình diode Tcap1: tuổi thọ trung bình tụ DC-Link Tcap2: tuổi thọ trung bình tụ lọc TAVR: tuổi thọ trung bình vi điều khiển Tothers: tuổi thọ trung bình linh kiện cịn lại gồm điện trở cơng suất 1/4W, đèn led tín hiệu, thạch anh Như vậy, ước lượng sơ thời gian hoạt động trung bình mạch điều khiển khoảng năm Trong thực tế, tuổi thọ mạch điều khiển dài ngắn thời gian ước lượng 68 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Ý nghĩa thực tiễn luận văn thiết kế mẫu xe máy điện mang thương hiệu Việt, khuyến khích người dân xe máy điện nhiều để giảm lượng khí thải ảnh hưởng đến môi trường Về mặt khoa học, luận văn thực việc tính tốn, xây dựng mạch điều khiển phương pháp điều khiển cho xe máy điện Các thử nghiệm mơ hình băng thử mơ hình xe điện tiến hành nhằm đánh giá khả ứng dụng mạch điều khiển điều kiện phịng thí nghiệm mơi trường thực tế Thử nghiệm băng thử động cơ: Ở phương pháp điều khiển hở, mạch điều khiển giúp xác định đường đặc tính động dải tần số khác từ 5Hz đến 65Hz Bên cạnh đó, phương pháp khởi động mềm cho việc điều khiển hở tần số cho trước đề xuất cách giảm phần trăm điện áp khởi động Kết đo kiểm cường độ dòng điện cho thấy khởi động mềm, cường độ dòng điện giảm 73.8% từ 9,2A xuống 2,41A Mặt khác, kết thử nghiệm khả đáp ứng tốc độ động điều khiển kín tần số danh định 50Hz với tải 1,5Nm 38% sau 20 giây Có thể thấy được, thử nghiệm băng thử, phương pháp điều khiển kín khơng khả thi, lý tải tạo băng thử tải cố định không thay đổi theo thời gian Nhiệt độ trung bình mạch điều khiển trình thử nghiệm băng thử phịng thí nghiệm dao động mức 35oC, vùng phân bố nhiệt độ trải nhôm tản nhiệt, giúp cho mạch tản nhiệt nhanh hiệu Thử nghiệm mô hình xe bánh: Kết đo kiểm nhiệt độ mạch hoạt động ổn định mức 60oC không tăng khoảng thời gian 15 phút điều kiện nhiệt độ môi trường Đối với phương pháp điều khiển hở, động đạt tốc độ đáp ứng 48% điều khiển hở với tải cố định vịng 10 giây khơng tăng Tuy nhiên, khả đáp ứng cải thiện đáng kể từ 48% lên đến 85% 69 vòng giây từ trạng thái đứng yên đạt 95% tốc độ mong muốn giây Các kết thí nghiệm cho thấy mạch điều khiển hoạt động ổn định điều kiện phòng thí nghiệm mơi trường ngồi kết hợp với phương pháp điều khiển kín hở, mạch điều khiển chứng minh khả ứng dụng mạch loại động khác từ 0,3kW đến 1,5kW khả đáp ứng tốc độ dải tần số khác Bên cạnh đó, nhiệt độ mạch trì mức cho phép, giúp cho mạch hoạt động ổn định Tuổi thọ ước tính mạch vào khoảng năm 5.2 Kiến nghị Một số hạn chế nghiên cứu cần phải làm rõ để nghiên cứu sau phát triển cách hiệu Đầu tiên, vấn đề nhớ vi điều khiển: phương pháp đọc bảng tra cứu đòi hỏi nguồn tài nguyên nhớ lớn, vi điều khiển Atmega328P đáp ứng hạn chế, giải pháp đưa cho nghiên cứu tới sử dụng nhớ Thứ hai, phương pháp tản nhiệt cần phải nghiên cứu để giúp mạch điều khiển tản nhiệt tốt hơn, cụ thể tản nhiệt nước Bên cạnh đó, khả chống nước rị rỉ điện mạch điều khiển nói riêng mơ hình xe máy điện nói chung vấn đề phải đặt lên hàng đầu Các đánh giá chi tiết độ ổn định khả đáp ứng lâu dài mạch cần phải thử nghiệm nhiều nhiều loại mặt đường điều kiện mơi trường khác Đứng góc nhìn mặt động lực học, đánh giá khả tăng tốc, khả leo dốc cực đại, tốc độ cực đại cần phải tính tốn thêm Các nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm tiến hành hoàn toàn Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM sở trang thiết bị có Đây điều kiện thuận lợi cho thời gian tới, kết nghiên cứu tiếp tục triển khai để mở rộng tổng quát hóa hơn, với mong muốn thương mại hóa sản phẩm mang thương hiệu Việt 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] C Chan The state of the art of electric and hybrid electric Proceedings of the IEEE, vol 90, nº 2, February 2002 [2] Carl Vogel Build Your Own Electric Motorcycle McGraw-Hill Companies, July 2009 [3] Hoàng, Tuấn Anh The Environmental Pollution in Vietnam: Source, Impact and Remedies International Journal of Scientific & Technology Research (2017): 249-253 [4] Ng Dũng, Ng Huy Mơ hình hóa tơ điện phương pháp EMR với mơ hình mở rộng tương tác bánh xe – mặt đường Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hóa –VCCA-2015 [5] V Duy, D Quy Thiết kế mơ hình mơ Hard-ware-in-loop cho xe tơ điện Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hóa –VCCA-2015 [6] Phạm Quốc Thái Thiết kế xe điện vận hành khu vực người Tạp chí khoa học cơng nghệ Đà Nẵng, ISSN 1859-1531, VOL 17, NO 9, 2019 [7] Wang Tiecheng, Zheng Ping, Zhang Qianfan and Cheng Shukang Design characteristics of the induction motor used for hybrid electric vehicle 2004 12th Symposium on Electromagnetic Launch Technology, Snowbird, UT, USA, 2004, pp 523-527, doi: 10.1109/ELT.2004.1398136 [8] Dong-Hyeok Cho, Hyun-Kyo Jung and Cheol-Gyun Lee Induction motor design for electric vehicle using a niching genetic algorithm IEEE Transactions on Industry Applications, vol 37, no 4, pp 994-999, July-Aug 2001, doi: 10.1109/28.936389 [9] S Z Jiang, K T Chau and C C Chan Spectral analysis of a new six-phase pole-changing induction motor drive for electric vehicles IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 50, no 1, pp 123-131, Feb 2003, doi: 10.1109/TIE.2002.807662 71 [10] X D Xue, K W E Cheng and N C Cheung Selection of Electric Motor Drives for electric vehicles 2008 Australasian Universities Power Engineering Conference, Sydney, NSW, 2008, pp 1-6 [11] L Chern Discrete integral variable structure model following control for induction motor drivers IEEE Electric Power Applications, Volume 143, Issue 6, November 1996, p 467 – 474 [12] Zhu, C., Wang, Y & Hou, L Design and simulation of electrical dynamometer using improved DTC induction motor driver J Cent South Univ 24, 1360– 1368 (2017) [13] Hassan Baghgar Bostan Abad Using Fuzzy Controller in Induction Motor Speed Control with Constant Flux Proceedings of world academy of science, engineering and technology, volume april 2005 issn 1307-6884 [14] Z Latt and N N Win Variable Speed Drive of Single Phase Induction Motor Using Frequency Control Method International Conference on Education Technology and Computer, Singapore, 2009, pp 30-34, doi: 10.1109/ICETC.2009.72 [15] Zhang Yan, Changxi Jin and V Utkin Sensorless sliding-mode control of induction motors IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 47, no 6, pp 1286-1297, Dec 2000, doi: 10.1109/41.887957 [16] C Schauder Adaptive speed identification for vector control of induction motors without rotational transducers Conference Record of the IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, San Diego, CA, USA, 1989, pp 493-499 vol.1, doi: 10.1109/IAS.1989.96696 [17] Nguyễn Trọng Thắng Giáo trình kỹ thuật điện NXB Đại học Quốc gia Tp HCM, 2013 [18] Đặng Văn Thành Giáo trình kỹ thuật điện NXB Đại học Quốc gia Tp HCM, 2010 [19] Rakesh Parekh AC Induction Motor Fundamentals DS00887A, Microchip Technology Inc., 2003 [20] Gopal K Dubey Fundamentals of Electrical Drives 2nd Edition, Narosa Publishing House, New Delhi, 2011 72 [21] Z Zhang, Y Liu and A M Bazzi An improved high-performance open-loop V/f control method for induction machines IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Tampa, FL, 2017, pp 615-619, doi: 10.1109/APEC.2017.7930757 [22] Austin Hughes Electric motor and Drives 3rd Edition, Elsevier, December 2005 [23] Bimal K Bose Power Electronics and Motor Drives Elsevier, 2006 [24] Hồng Ngọc Văn Điện tử cơng suất NXB Đại học Quốc gia Tp HCM, 2007 [25] Atmel Corporation ATmega328P Rev: 7810D–AVR–01/15, 2015 [26] Ronald N Jansen, Steven T Haensgen Method and apparatus for calculating RMS value RockWell Automation Technologies, Inc., Mayfield Heights, OH (US), February 2003 [27] Mitsubishi Electric DIPIPM application note bootstrap circuit design manual Dual-in-Line Package Intelligent Power Module, Tokyo, Japan: Mitsubishi Electronic Corp, 2016 [28] J Adams IC Bootstrap component selection for control Ics Proc DT-98-2a Int Rectifier, 2001 [29] Vinod Kumar Khanna Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT Theory and Design IEEE Press-Wiley Interscience, New Jersey, USA, August 2003 [30] J Boehmer, J Schumann and H Eckel Effect of the miller-capacitance during switching transients of IGBT and MOSFET 15th International Power Electronics and Motion Control Conference (EPE/PEMC), Novi Sad, 2012, pp LS6d.3-1-LS6d.3-5, 2012 [31] Fuji Electric Fuji IGBT Modules Application Manual Innovating Energy Technology, March 2015 [32] K H Ahmed, S J Finney and B W Williams Passive Filter Design for ThreePhase Inverter Interfacing in Distributed Generation Compatibility in Power Electronics, Gdansk, pp 1-9, 2007 [33] Hojabri, Mojgan Design, application and comparison of passive filters for threephase grid-connected renewable energy systems ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, vol 10, no 22, December 2015 73 [34] George Ellis Control System Design Guide 4th Edition Elsevier, May 2012 [35] Analog Devices Inc Engineeri Linear Circuit Design Handbook 1st Edition, Elsevier, February 2008 [36] Kim, Hyosung and Sul, Seung-K A Novel Filter Design for Output LC Filters of PWM Inverters Journal of Power Electronics, vol 11, no 1, pp 74–81, Jan 2011 [37] Texas Instrument Incorporated LC Filter Design SLAA701A Application Report, November 2016 [38] Ahmad Ale Ahmd A New Design Procedure for Output LC Filter of Single Phase Inverters International Conference on Power Electronics and Intelligent Transportation System, At China, Volume: 3rd, 2010 [39] Ron Mancini Op Amps for Everyone Advanced Analog Products, Texas Instrument, August 2002 [40] Infineon Technologies AG IHW20N120R2 Power Semiconductors, Rev 1.2, July 2006 [41] International Rectifier IR2103(s) PBF Half-Bridge Driver April 2013 [42] Electronic Components ELNA High Quality Capacitors CAT No.2013/2014E [43] Fuji Electric Reliability of Power Modules Innovating Energy Technology datasheet, Jun 2017 [44] Abdelkhalak El Hami, David Delaux, Henri Grzeskowiak Reliability of HighPower Mechatronic Systems Aerospace and Automotive Applications: Issues, Testing and Analysis, Elseviser, 2017 74 NỘI DUNG BÀI BÁO 75 76 77 78 79 80 81 82 ... CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 Thiết kế mạch điều khiển Mạch điều khiển động không đồng ba pha đảm bảo hai chức là: điều khiển đáp ứng tốc độ mong muốn tự ngắt dòng để bảo vệ mạch Mạch điều khiển thiết. .. vi điều khiển 38 Hình 3.8: Sơ đồ hệ thống phương pháp điều khiển vòng hở 39 Hình 3.9: Lưu đồ thuật tốn phương pháp điều khiển hở 40 Hình 3.10: Sơ đồ hệ thống phương pháp điều khiển. .. tốn, thiết kế mạch điều khiển dẫn động động không đồng ba pha áp dụng xe máy điện - Xây dựng phương pháp điều khiển dựa nguyên lý làm việc máy biến tần để đánh giá khả hoạt động mạch điều khiển