Ứng dụng matlab arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe e REV đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

TÓM TẮT Vấn đề nghiên cứu - Giao tiếp Matlab - Arduino động - Điều khiển bướm ga xe máy mô tơ DC servo Faulhaber - Hệ thống điều khiển đông xe gắn máy Honda Wave RSX FI_AT - Phần mềm Arduino - Matlab - Lý thuyết ứng dụng lập trình điều khiển bướm ga điện tử thu thập tín hiệu cảm biến động cơ, điện áp Acquy - Mô phỏng, thiết kế chế tạo chức điều khiển sạc cho xe E-REV Các hướng tiếp cận - Thông qua phát triển công nghệ điều khiển qua máy tính ứng dụng cơng nghệ học tập nghiên cứu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM - Dựa vào tài liệu tham khảo khóa học trước với hỗ trợ, hướng dẫn cung cấp tài liệu thầy Huỳnh Quốc Việt Cách giải vấn đề - Nắm rõ nguyên lý hoạt động cảm biến cách đọc hiểu sơ đồ mạch điện động - Lập trình thu thập tính hiệu cảm biến thơng qua board Arduino Mega 2560, Arduino Uno, giao tiếp Arduino với Matlab để điều khiển động máy tính - Nghiên cứu lý thuyết phương pháp điều khiển PID vị trí động DC servo - Nghiên cứu phương pháp cân bị động Acquy - Tham khảo tài liệu có sẵn Internet, ý kiến bạn bè, cộng đồng mạng đặc biệt thầy hướng dẫn Một số kết đạt - Thiết kế mạch khởi động tắt động cơ, mạch điều khiển bướm ga mạch chuyển xung để đo tốc độ động cơ, mạch thu thập tín hiệu điện áp Acquy - Thu thập liệu trực tiếp Arduino sau truyền liệu lên máy tính - Thiết kế mạch cân bị động Acquy - Mô điều khiển sạc Matlab Simulink - Bước đầu sạc tự động cho Acquy ii MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii DANH MỤC HÌNH ẢNH ix DANH MỤC CÁC BẢNG xiv CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục đích nghiên cứu 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Đối tượng nghiên cứu 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Nội dung nghiên cứu CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mơ hình Extended-range electric vehicle 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Nguồn lượng sử dụng xe điện 2.1.2.1 Acquy chì – axit 2.1.2.2 Acquy Lithium-ion 2.1.2.3 Pin nhiên liệu – Fuel Cell 2.1.2.4 Siêu tụ điện – Ultra Capacitor 2.1.2.5 Nguồn lượng hỗn hợp xe Hybrid 2.1.3 Phương pháp nạp Acquy 2.1.3.1 Phương pháp nạp dịng khơng đổi 2.1.3.2 Phương pháp nạp điện áp không đổi 10 2.1.3.3 Phương pháp nạp dòng - áp giai đoạn 11 2.2 Hệ thống nạp điện ô tô 14 2.2.1 Khái quát 14 2.2.1.1 Chức hệ thống cung cấp điện 14 2.2.1.2 Cấu trúc hệ thống cung cấp điện 14 2.2.1.3 Chức máy phát điện xoay chiều 15 2.2.2 Nguyên lý hoạt động máy phát điện 16 iii 2.2.2.1 Dòng điện xoay chiều pha 16 2.2.2.2 Bộ chỉnh lưu 17 2.2.2.3 Bộ tiết chế 19 2.3 Hệ thống quản lý Acquy 21 2.3.1 Khái quát hệ thống quản lý Acquy 21 2.3.2 Một số chức cụ thể hệ thống quản lý Acquy 22 2.3.2.1 Quản lý thơng số tính tốn hệ thống Acquy 22 2.3.2.2 Quản lý trạng thái nạp Acquy 23 2.3.2.3 Quản lý độ sâu xả Acquy 23 2.3.2.4 Cân dung lượng hệ thống Acquy 25 2.4 Tổng quan động xăng Honda Wave FI_AT 27 2.4.1 Giới thiệu động xăng Honda Wave FI_AT 27 2.4.2 Hệ thống phun nhiên liệu PGM_FI 28 2.4.3 Lý thuyết cảm biến 30 2.4.3.1 Cảm biến CKP 30 2.4.3.2 Cảm biến TP 31 2.4.3.3 Cảm biến EOT 32 2.4.3.4 Cảm biến mực xăng ( FLS ) 33 2.4.3.5 Cảm biến dòng điện ACS712 33 2.5 Ứng dụng vi điều khiển điều khiển động 34 2.5.1 Phương pháp điều xung PWM 34 2.5.2 Ứng dụng PWM điều khiển 35 2.6 Tổng quan PID 35 2.7 Tổng quan động DC 37 2.7.1 Động DC 37 2.7.2 Động Faulhaber 38 2.8 Mơ hình hóa động DC Faulhaber 39 2.8.1 Tính toán động học, xây dựng hàm truyền động 39 2.8.2 Mô điều khiển vị trí DC motor matlab Simulink 41 2.8.2.1 Sơ đồ khối mơ hình điều khiển vị trí động DC 41 2.8.2.2 Kết mô 42 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỘP ĐIỀU KHIỂN 43 3.1 Sơ đồ tổng quát thu thập tín hiệu điều khiển 43 3.1.1 Sơ đồ khối chức 43 3.1.2 Nội dung thiết kế chấp hành 44 iv 3.2 Thiết kế hộp điều khiển 44 3.2.1 Các linh kiện sử dụng 44 3.2.1.1 Điện trở 44 3.2.1.2 Tụ gốm 104 tụ hóa 45 3.2.1.3 Mạch giảm áp DC LM2596 47 3.2.1.4 Mạch cầu H XY-160D L298N 48 3.2.1.5 Module relay 5V 49 3.2.1.6 Module Opto cách ly kênh PC817 50 3.2.2 Thiết kế mạch chuyển xung 51 3.2.3 Thiết kế mạch thu thập tín hiệu báo xăng 53 3.2.4 Thiết kế mạch thu thập tín hiệu điện áp Acquy 54 3.2.5 Thiết kế mạch cân dung lượng Acquy 55 3.2.6 Thiết kế mạch sạc Acquy 58 3.2.6.1 Phương pháp phát điện sạc Acquy 58 3.2.6.2 Mô mạch phát điện 58 3.2.7 Thiết kế thiết bị thu thập tín hiệu điều khiển 58 3.2.7.1 Các tín hiệu ngõ vào 58 3.2.7.2 Thiết kế mạch điều khiển 59 3.2.7.3 Thi cơng thiết bị thu thập tín hiệu điều khiển 61 3.3 Thiết kế phần khí 63 3.3.1 Thiết kế miếng gá mô tơ 63 3.3.2 Thiết kế bánh truyền động bướm ga 63 3.3.2.1 Tính tốn thơng số bánh 63 3.3.2.2 Bộ bánh thực tế 64 3.3.3 Thiết kế truyền đai kéo máy phát 64 3.4 Thuật toán điều khiển 66 3.4.1 Tiến trình thực đọc tín hiệu 66 3.4.2 Các lưu đồ thuật toán 68 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG APP DESIGNER LẬP TRÌNH, THIẾT KẾ GIAO DIỆN HIỂN THỊ 72 4.1 Giới thiệu chung App Designer 72 4.1.1 App Designer gì? 72 4.1.2 Phương pháp để lập trình với App Designer 73 4.2 Thao tác với App Designer 73 4.2.1 Khởi động App Designer 73 v 4.2.2 Mô tả chức giao diện App Designer 74 4.3 Thiết kế giao diện nhận hiển thị liệu App Designer 78 4.3.1 Chu trình nhận liệu App Designer 78 4.3.2 Thiết kế giao diện hiển thị 80 4.3.2.1 Nội dung thiết kế 80 4.3.2.2 Kết thiết kế 80 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 84 5.1 Nội dung thực 84 5.2 Tiến trình thực 84 5.2.1 Bài toán thực tiễn hướng giải 84 5.2.1.1 Thời điểm khởi động sạc 84 5.2.1.2 Điện áp dòng sạc 85 5.2.1.3 Giám sát cân Acquy 85 5.2.1.4 Thời điểm kết thúc 86 5.2.1.5 Giám sát trình sạc song song với sử dụng xe 87 5.2.2 Xây dựng chương trình mơ Simulink 87 5.3 Kết mô 90 5.3.1 Mơ q trình khởi động sạc 90 5.3.2 Mơ q trình sạc 93 5.3.3 Mơ q trình giám sát cân Acquy 97 5.3.4 Mô trình kết thúc sạc 99 5.3.5 Mơ q trình sạc song song với sử dụng xe 102 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 106 6.1 Kết luận 106 6.2 Hướng phát triển 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 PHỤ LỤC A: TỔNG QUAN VỀ ARDUINO 108 Tổng quan Arduino Mega 2560 108 1.1 Phần cứng Arduino Mega 2560 108 1.2 Phần mềm Arduino IDE 110 Lập trình Arduino IDE 112 2.1 Ngơn ngữ lập trình Arduino 112 2.2 Chương trình code 115 PHỤ LỤC B: CHƯƠNG TRÌNH MATLAB APP DESIGNER 130 Giao tiếp RS232 kết nối Matlab Arduino 130 vi Chương trình code Matlab App Designer 130 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tên đầy đủ PID Proportional-Integral-Derivative Matlab MATrix LABoratory TP Throttle position (tín hiệu vị trí bướm ga) E1 Ground RPM Revolution Per Minute Arduino IDE Phần mềm lập trình cho Arduino ECU Electronic Control Unit USB Universal Serial Bus PWM Pulse Width Modulation HVBAT High Voltage Battery BAT Battery CS Current Sensor FLS Fuel Level Sensor EOT Engine Oil Temperature CKP Crankshaft Position SOHC Single Overhead Camshaft PGM-FI Programmed-Fuel Injection ICE Internal Combustion Engine ICEV Internal Combustion Engine Vehicle BEV Battery Electric Vehicle SOC State-of-Charge RS232 Recommended Standard 232 E-REV Extended – Range Electric Vehicle DOD Depth-of-discharge SOH State-of-health viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Trang Hình 1: Mơ hình tơ xe E - REV Hình 2: Biểu đồ trạng thái sạc xe E - REV Hình 3: Acquy chì - axit Hình 4: Acquy Lithium Ion Hình 5: Pin nhiên liệu Hình 6: Siêu tụ điện Hình 7: Đường đặc tính nạp với dịng điện khơng đổi 10 Hình 8: Đường đặc tính nạp áp khơng đổi 11 Hình 9: Đường đặc tính nạp hỗn hợp 12 Hình 10: Hệ thống cung cấp điện ô tô 14 Hình 11: Sơ đồ hệ thống nạp ô tô 15 Hình 12: Cấu tạo máy phát 16 Hình 13: Nguyên lý dòng điện xoay chiều 17 Hình 14: Cấu tạo chỉnh lưu máy phát 18 Hình 15: Dịng điện xoay chiều pha 18 Hình 16: Đường đặc tính điều áp IC 19 Hình 17: Hệ thống quản lý Acquy dòng xe điện Hybrid 22 Hình 18: Một số chức hệ thống quản lý Acquy 23 Hình 19: Mối quan hệ Trạng thái nạp Độ sâu xả 24 Hình 20: Độ sâu xả cho phép Acquy chì Acquy Lithium 24 Hình 21: So sánh phương pháp cân dung lượng 26 Hình 22: Động xăng Honda Wave FI_AT 27 Hình 23: Sơ đồ mạch điện hệ thống PGM-FI 29 Hình 24: Sơ đồ cảm biến CKP 30 Hình 25: Cảm biến TP 31 Hình 26: Đường đặc tính cảm biến TP 31 Hình 27: Cảm biến EOT 32 Hình 28: Đường đặc tính cảm biến EOT 32 Hình 29: Cảm biến báo xăng 33 ix Hình 30: Đường đặc tính cảm biến mực xăng 33 Hình 31: Cảm biến dòng điện ACS 712 34 Hình 32: Đường đặc tính cảm biến dịng ACS 712 34 Hình 33: Chu kỳ xung PWM 35 Hình 34: Sơ đồ khối PID 36 Hình 35: Động DC FAULHABER 38 Hình 36: Sơ đồ mơ hình hóa động DC 39 Hình 37: Mơ điều khiển vị trí DC motor 41 Hình 38: Kết mơ điều khiển vị trí DC motor 42 Hình 1: Tổng quan giao tiếp Arduino Matlab 43 Hình 2: Sơ đồ khối giao tiếp 44 Hình 3: Điện trở cơng suất 45 Hình 4: Tụ gốm 104 46 Hình 5: Tụ hóa 100uF-100V 46 Hình 6: Bộ giảm áp DC LM2596 47 Hình 7: Mạch cầu H XY-160D L298 48 Hình 8: Module Relay 5V 49 Hình 9: Linh kiện Opto PC817 50 Hình 10: Module Opto cách ly kênh PC817 50 Hình 11: Đặc tính xung cảm biến CKP 51 Hình 12: Mạch mô Protues 52 Hình 13: Thiết kế mạch in 53 Hình 14: Đồ thị dạng xung sau chuyển 53 Hình 15: Mạch chuyển xung thực tế 53 Hình 16: Mạch cảm biến mực xăng 54 Hình 17: Mạch thu thập tín hiệu điện áp Acquy 55 Hình 18: Mạch nguyên lý hoạt động phương pháp cân bị động 56 Hình 19: Mạch cân dung lượng hệ thống Acquy 57 Hình 20: Mạch cân dung lượng hệ thống Acquy thực tế 57 Hình 21: Mạch phát điện cho hệ thống Acquy 58 Hình 22: Chân thu thập tín hiệu điện áp 59 x Hình 23: Mạch điều khiển relay khởi động 60 Hình 24: Mạch điều khiển relay tắt máy 60 Hình 25: Mạch điều khiển kích từ máy phát 61 Hình 26: Mạch điều khiển mô tơ bướm ga 61 Hình 27: Mạch thu thập tín hiệu điều khiển 62 Hình 28: Miếng gá mơ Auto CAD 63 Hình 29: Miếng gá mơ tơ thực tế 63 Hình 30: Bộ bánh kéo bướm ga thực tế 64 Hình 31: Bộ truyền đai kéo máy phát 65 Hình 32: Chu trình đọc tín dạng điện áp 66 Hình 33: Chu trình đọc tín hiệu dạng xung 66 Hình 34: Chu trình gửi liệu 67 Hình 35: Lưu đồ thuật tốn điều khiển mở máy 68 Hình 36: Lưu đồ thuật tốn điều khiển tắt máy 69 Hình 37: Lưu đồ thuật tốn điều khiển kích từ máy phát 70 Hình 38: Lưu đồ thuật tốn điều khiển bướm ga 71 Hình 1: Sơ đồ khối App Designer 72 Hình 2: Giao diện mở đầu AppDesigner 74 Hình 3: Cửa sổ thiết kế đồ họa AppDesigner 76 Hình 4: Cửa sổ lập trình đối tượng AppDesigner 76 Hình 5: Hộp thoại Inspector 77 Hình 6: Chu trình nhận liệu 79 Hình 7: Chu trình tách liệu hiển thị AppDesigner 79 Hình 8: Giao diện hiển thị dạng đồng hồ điều khiển chương trình 80 Hình 9: Giao diện nút điều khiển 81 Hình 10: Giao diện hiển thị giá trị điện áp Acquy 81 Hình 11: Giao diện hiển thị tín hiệu theo đồ thị 82 Hình 12: Giao diện tồn chương trình 83 Hình 1: Lưu đồ thuật tốn khởi động 85 Hình 3: Lưu đồ thuật tốn cân 86 Hình 4: Lưu đồ thuật tốn kết thúc sạc 86 xi Serial.print(","); Serial.print(nhietdo); Serial.print(","); Serial.println(voltage); } //Chương trình chính// void loop() { //giao tiếp I2C/// Wire.beginTransmission(5); Wire.write('0'); Wire.endTransmission(); vitri = 0; tinhtoanCambien(); cb = Max(cellArray); //khởi động máy tự động theo tín hiệu điện áp(voltage)////// /* if (voltage < 54.00) while (voltage < 68.00) { } */ while(analogRead(POT)0 && output40) 125 { dc = 20; chaythuan(dc); } else if (output-40) { dc = map(output,-40,0,10,0); chaynghich(dc); } else if(output