Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo băng thử động cơ điện

MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ix DANH MỤC CÁC BẢNG xiii Chương TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu 1.3 Phương pháp phương tiện nghiên cứu 1.3.1 Phương pháp nghiên cứu 1.3.2 Phương tiện nghiên cứu 1.4 Bố cục Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Nghiên cứu chọn loại động 2.1.1 Ưu điểm động điện 2.1.2 Vấn đề giao thông 2.1.3 Khảo sát số loại xe máy điện thị trường 2.1.3.1 Hãng xe máy điện PEGA 2.1.3.2 Hãng xe máy điện Vinfast 2.1.3.3 Hãng xe máy điện YADEA iii 2.1.3.4 Một số dòng xe tiêu biểu thị trường nước 10 2.1.4 Khảo sát chọn loại động điện 11 2.1.4.1 Động Yuma 2000W 11 2.1.4.2 Động QS 205 50H V1 12 2.1.4.3 Động QS 205 50H V2 13 2.1.4.4 Động QS 205 45H V3 14 2.1.4.5 Chọn loại động điện 15 2.1.5 Khảo sát điều khiển động BLDC 2000W 18 2.1.5.1 Bộ điều khiển Kelly QSKBS48151E 18 2.1.5.2 Bộ điều khiển QSKBS48181E 19 2.1.5.3 Bộ cảm biến Kelly QSKBS72181E 20 2.1.5.4 Bộ điều khiển Votol EM100 20 2.1.6 Giới thiệu điều khiển Votol EM100 21 2.1.6.1 Sơ đồ hệ thống dây 21 2.1.6.2 Sơ đồ kết nối điều khiển với động máy tính 25 2.1.6.3 Phần mềm Debugging ( hỗ trợ cho win 7/10) 25 2.2 Giới thiệu động BLDC 28 2.2.1 Cấu tạo động BLDC 30 2.2.1.1 Stator 31 2.2.1.2 Rotor 33 2.2.1.3 Cảm biến Hall (Hall sensor) 34 2.2.1.4 Bộ phận chuyển mạch điện tử ( Electronic commutator) 36 2.2.2 Ưu nhược điểm động BLDC 36 iv 2.2.2.1 Ưu điểm 36 2.2.2.2 Nhược điểm 36 2.2.3 Nguyên lý hoạt động động BLDC 37 2.3 Khảo sát băng thử động điện 38 2.3.1 Giới thiệu băng thử động điện 38 2.3.2 Phân loại loại băng thử công suất 38 2.3.3 Phân loại cách tạo tải động 39 2.3.3.1 Phanh hấp thụ nước dầu 39 2.3.3.2 Eddy current (EC) 40 2.3.3.3 Alternating current (AC) 41 2.3.4 Kết luận đưa phương án thử nghiệm 41 2.3.4.1 Phương án dùng phanh đĩa tạo tải cho động điện 42 2.3.4.2 Phương án dùng máy phát điện xoay chiều tạo tải cho động điện 43 2.3.4.3 Kết luận 44 2.4 Giới thiệu máy phát điện (Alternator) 44 2.4.1 Khái niệm máy phát điện 44 2.4.2 Cấu tạo máy phát điện 45 2.4.2.1 Rotor 46 2.4.2.2 Stator 46 2.4.2.3 Chổi than cổ góp 47 2.4.2.4 Bộ chỉnh lưu 47 2.4.2.5 Bộ điều áp (tiết chế) 48 2.4.3 Nguyên lý hoạt động máy phát điện 48 v 2.5 Nghiên cứu cách truyền tải công suất từ động lên máy phát điện 49 2.6 Giới thiệu phần mềm Inventor 55 Chương CÁC THIẾT BỊ THU THẬP DỮ LIỆU 57 3.1 Cảm biến Loadcell 57 3.1.1 Khái niệm Loadcell 57 3.1.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 57 3.1.2.1 Cấu tạo 57 3.1.2.2 Nguyên lý hoạt động 58 3.1.3 Thông số kỹ thuật 58 3.1.4 Phân loại 59 3.1.5 Ứng dụng Loadcell 59 3.2 Cảm biến dòng ACS758LCB-100B-PFF-T 100A 60 3.3 Cảm biến tốc độ bánh xe 62 3.4 Board Arduino Uno 64 3.4.1 Sơ đồ chân Atmega328P 65 3.4.2 Nguồn 66 3.5 Mạch chuyển đổi ADC 24bit HX711 67 3.6 Màn hình LCD 2004 tích hợp I2C 68 Chương THIẾT KẾ VÀ THỬ NGHIỆM BĂNG THỬ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 70 4.1 Thiết kế mơ hình băng thử động điện 70 4.1.1 Thiết kế khớp nối, mặt bích 70 4.1.2 Thiết kế giá đỡ động máy phát 71 4.1.3 Mơ hình băng thử động điện môi trường 3D 72 vi 4.2 Mơ hình thực tế băng thử động điện 73 4.3 Quá trình thử nghiệm đánh giá 75 4.3.1 Kết nghiệm thu phần khí 76 4.3.2 Thử nghiệm băng thử với chế độ khác động 76 Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 84 5.1 Những kết đạt 84 5.2 Hạn chế đề tài 85 5.3 Hướng phát triển đề tài 85 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 PHỤ LỤC 88 vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU TP.HCM: Thành phố Hồ Chí Minh BLDC: Brushless DC Motor ( Động chiều không chổi than) R1, R2, R3: Kháng trở cuộn dây Stator L1, L2, L3: Điện cảm cuộn dây Stator E1, E2, E3: Điện áp cảm ứng cuộn dây Stator V12: Hiệu điện cuộn dây Stator V23: Hiệu điện cuộn dây Stator i1: Dòng điện pha cuộn dây i2: Dòng điện pha cuộn dây i3: Dòng điện pha cuộn dây E: Suất điện động (Back EMF) Ke: Hằng số điện động ω: Tốc độ động (rad/s) ϴ: vị trí rotor so với cảm biến Hall Pe: Cơng suất động điện Mme: Mô – men xoắn động điện Kt: Hằng số mô – men động N: Số vòng dây ∆ : Sự thay đổi từ thông ∆ : Sự thay đổi thời gian Rload: Điện trở tải Mload: Mô – men tải (N.m) F: Lực Load cell thu (N) R: Khoảng cách từ vỏ máy phát đến điểm tác dụng lên Load cell (m) viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Khí thải từ nhà máy phương tiện giao thông thải môi trường Hình 1.2 Các loại xe sử dụng điện ô tô điện xe máy điện Hình 2.1 Xe máy điện PEGA Newtech Hình 2.2 Xe máy điện Vinfast Klara S Hình 2.3 Xe máy điện YADEA G5 Hình 2.4 Động Yuma 2000W 12 Hình 2.5 Động BLDC QS 205 50H V1 13 Hình 2.6 Động QS 205 50H V2 14 Hình 2.7 Động QS 45H V3 15 Hình 2.8 Đồ thị hiệu suất hoạt động theo mô – men xoắn 16 Hình 2.9 Đồ thị tốc độ theo mô – men xoắn 16 Hình 2.10 Đồ thị dịng điện theo mơ – men xoắn 17 Hình 2.11 Đồ thị điện áp theo mô – men xoắn 17 Hình 2.12 Đồ thị lượng đầu theo mô – men xoắn 18 Hình 2.13 Đồ thị lượng đầu vào theo mơ – men xoắn 18 Hình 2.14 Bộ điề khiển QSKBS41851E 19 Hình 2.15 Bộ điều khiển QSKBS48181E 19 Hình 2.16 Bộ điều khiển Kelly QSKBS72181E 20 Hình 2.17 Bộ điều khiển Votol EM100 21 Hình 2.18 Sơ đồ kết nối chân điều khiển 22 Hình 2.19 Các chân kết nốt điều khiển 22 Hình 2.20 Sơ đồ kết nối chân điều khiển với cảm biến Hall 23 Hình 2.21 Các chân kết nối điều khiển với cảm biến Hall 23 Hình 2.22 Sơ đồ kết nối chân điều khiển với chống trộm 24 Hình 2.23 Các chân kết nối điều khiển với chống trộm 24 Hình 2.24 Sơ đồ kết nối điều khiển với động máy tính 25 ix Hình 2.25 Giao diện sử dụng phần mềm Debugging 26 Hình 2.26 Giao diện điều chỉnh thông số điện áp cấp 27 Hình 2.27 Giao diện thiết lập cài đặt cho động 27 Hình 2.28 Giao diện hiển thị trạng thái làm việc điều khiển 28 Hình 2.29 Cấu tạo động DC động BLDC 29 Hình 2.30 Động điện chiều DC BLDC 29 Hình 2.31 Các phần động BLDC 31 Hình 2.32 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động 31 Hình 2.33 Stator động BLDC 32 Hình 2.34 Các dạng sức điện động động 33 Hình 2.35 Các loại Rotor động BLDC 33 Hình 2.36 Động BLDC cấu trúc nằm ngang 35 Hình 2.37 Sơ đồ cấp điện cho cuộn dây Stator 37 Hình 2.38 Băng thử động xe điện 38 Hình 2.39 Sơ đồ cấu tạo băng thử phanh loại nước 39 Hình 2.40 Hình cắt băng thử phanh nước thực tế với đồng hồ đo lực 40 Hình 2.41 Hình cắt phanh hấp thụ loại Eddy current 41 Hình 2.42 Băng thử sử dụng dịng điện xoay chiều để tạo 41 Hình 2.43 Băng thử sử dụng phanh đĩa để tạo tải 42 Hình 2.44 Cơ cấu phanh đĩa để tạo tải cho xe 43 Hình 2.45 Mơ hình băng thử dùng máy phát điện xe ô tô để tạo tải 43 Hình 2.46 Máy phát điện ô tô 45 Hình 2.47 Cấu tạo máy phát điện 45 Hình 2.48 Rotor máy phát điện 46 Hình 2.49 Stator máy phát điện 47 Hình 2.50 Chổi than cổ góp máy phát điện 47 Hình 2.51 Bộ chỉnh lưu máy phát điện 48 Hình 2.52 Tiết chế IC máy phát điện 48 x Hình 2.53 Sơ đồ khối thu thập liệu từ băng thử động điện 49 Hình 2.54 Sơ đồ mạch tượng trưng động BLDC 50 Hình 2.55 Mạch đấu cuộn dây động BLDC 51 Hình 2.56 dịng điện pha giá trị sức điện động Emf 52 Hình 2.57 Mạch kết nối điện trở tải kháng trở cuộn dây 54 Hình 2.58 Logo phần mềm Autodesk Inventor 56 Hình 3.1 Một số loại Loadcell 57 Hình 3.2 Cấu tạo cảm biến Loadcell 58 Hình 3.3 Mạch cầu Wheatstone 58 Hình 3.4 Cảm biến dịng ACS758 61 Hình 3.5 Sơ đồ mạch chân cảm biến ACS758 62 Hình 3.6 Bản vẽ cắt cảm biến ACS758 62 Hình 3.7 Vị trí cảm biến tốc độ bánh xe 63 Hình 3.8 Cảm biến tốc độ bánh xe (Hall) 64 Hình 3.9 Board Arduino Uno 64 Hình 3.10 Các chân Arduino 65 Hình 3.11 Sơ đồ chân Atmega328P Arduino 66 Hình 3.12 Mạch HX711 67 Hình 3.13 Màn hình LCD 2004 tích hợp I2C 68 Hình 4.1 Bản vẽ mặt bích khớp nối cho động 70 Hình 4.2 Bản vẽ khớp nối cho máy phát điện 71 Hình 4.3 Bản vẽ giá đỡ động máy phát 72 Hình 4.4 Mơ hình 3D băng thử mơi trường Inventor 72 Hình 4.5 Mơ hình 3D nhìn trực diện 73 Hình 4.6 Mơ hình 3D nhìn từ xuống 73 Hình 4.7 Giá đỡ thực tế băng thử 74 xi Hình 4.8 Mặt bích khớp nối trục động máy phát điện 74 Hình 4.9 Mơ hình băng thử thực tế 75 Hình 4.10 Sơ đồ khối bố trí Panel 75 Hình 4.11 Giao diện Panel cấp nguồn 77 Hình 4.12 Màn hình thơng số chưa mở cơng tắc kích từ 77 Hình 4.13 Màn hình thơng số cơng tắc kích từ mở kết nối tải 78 Hình 4.14 Đồ thị điện áp tải theo tốc độ động 79 Hình 4.15 Đồ thị mô – men xoắn theo tốc độ động 79 Hình 4.16 Đồ thị dịng điện tải theo tốc độ động 80 Hình 4.17 Đồ thị điện áp tải theo mức tải 81 Hình 4.18 Đồ thị dịng điện tải theo mức tải 81 Hình 4.19 Đồ thị mơ – men xoắn theo mức tải 82 Hình 4.20 Kết thu từ đồng hồ đo ampe kiềm băng thử động điện 82 Hình 4.21 Đồ thị dịng điện tối đa qua tải theo tốc độ động 83 Hình 5.1 Động điện lắp vào xe Elizabeth 84 Hình 5.2 Cách kết nối Load cell để thu liệu 88 Hình 5.3 Cách kết nối ACS758 với Arduino 89 Hình 5.4 Cách kết nối mạch đo điện áp với Arduino 91 xii Đồ thị dòng tốiđa qua tảitheo tốc độ động 70 Dòng điện(A) 60 50 40 30 20 1145 1080 1030 950 900 850 800 761 700 647 600 580 545 488 422 398 352 307 295 262 205 182 170 102 80 45 34 10 Tốc độ(RPM) Hình 4.21 Đồ thị dòng điện tối đa qua tải theo tốc độ động Hình đồ thị dịng điện tối đa qua tải (0.225 Ohm) cao mà nhóm chúng tơi sử dụng q trình thử nghiệm Kết cho thấy, tốc quay cao 1145 RPM thu cường độ dòng điện qua tải khoảng 60 A 85 Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Những kết đạt - Khảo sát loại động phổ biến sử dụng cho xe máy điện - Tìm hiểu nghiên cứu động BLDC (về nguyên lý hoạt động cách thử nghiệm động băng thử) - Khảo sát tìm hiểu cách thức hoạt động loại băng thử phổ biến thị trường - Đi sâu nghiên cứu cách thức hoạt động loại băng thử động điện sử dụng máy phát điện ô tô làm tải - Sử dụng phần mềm Inventor để thiết kế chi tiết khí tạo băng thử động điện - Thu thập xử lý tín hiệu từ cảm biến Load cell, cảm biến dòng, mạch đo áp, cảm biến Hall thông qua Arduino Uno/Mega hiển thị lên hình LCD - Hồn thành băng thử động điện loại nhỏ để thử nghiệm động xe máy điện - Thử nghiệm động chế độ chạy mức tải khác - Có tính thiết thực thực tiễn, động mà nhóm thử nghiệm nhóm thuộc hệ đào tạo chất lượng cao tiếng anh sử dụng lắp vào xe Attila Elizabeth 2010 Hình 5.1 Động điện lắp vào xe Elizabeth 86 5.2 Hạn chế đề tài - Chưa có nguồn thích hợp để cung cấp cho động điện hoạt động hết cơng suất - Việc xử lý tín hiệu từ cảm biến truyền chưa tối ưu tối đa - Chưa thử nghiệm hết tất chế độ hoạt động động giống ngồi mơi trường thực tế - Vì để đơn giản cấu kết nối động máy phát điện nên động chưa cung cấp tốc độ quay phù hợp cho máy phát hoạt động tối ưu - Chỉ thử nghiệm phần nhỏ cơng suất động - Kinh phí thời gian hạn chế nhiều - Chỉ thử nghiệm phần nhỏ công suất động 5.3 Hướng phát triển đề tài - Cần thay đổi cấu kết nối trục động điện máy phát điện để cung cấp đủ tốc độ quay cầm chừng cho máy phát điện - Thay nguồn đáp ứng đầy đủ nhu cầu điện áp cho động điện - Thiết kế tính tốn điện trở tạo tải lại để đáp ứng hết công suất thử nghiệm cho băng thử 87 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] R.Fitzpatrick, “The University of Texas at Austin,” 14th january 2017 [Trực tuyến] Available: http://farside.ph.utexas.edu/teaching/302l/lectures/lectures.html [Đã truy cập August 2020] [2] KimUyên, “STDIO Board,” Đo Tốc Độ Động Cơ Sử Dụng Cảm Biến IR FC-03, 23 February 2012 [Trực tuyến] Available: https://www.stdio.vn/dien-tu-ung-dung/dotoc-do-dong-co-su-dung-cam-bien-ir-fc-03-2Iu112 [Đã truy cập 30 July 2020] [3] AhmadShamshiri, “Robojax,” Allegro ACS758 Current Sensor with Arduino, 29 May 2018 [Trực tuyến] Available: https://robojax.com/learn/arduino/?vid=robojaxallegro_ACS758 [Đã truy cập August 2020] [4] NathanSeidle, “Arduino Resources,” SparkFun Electronics, 19 November 2014 [Trực tuyến] Available: http://arduinoresources.weebly.com/load-cell.html [Đã truy cập August 2020] [5] “cnqsmotor,” Motor, Controller, WheelRim,, 17th April 2014 [Trực tuyến] Available: http://www.cnqsmotor.com/en/article_list/QSMOTOR%20Controller/108.html [Đã truy cập 15th May 2020] [6] M.J.T Kammegne, S Khan, L.T Grigorie, R.M Botez, “ResearchGate,” 4th January 2015 [Trực tuyến] Available: https://www.researchgate.net/publication/270393902_New_Methodology_for_the_C ontroller_of_an_Electrical_Actuator_for_Morphing_a_Wing [Đã truy cập 10th July 2020] 88 [7] TienTran, “ƯỚNG DẪN TỰ LÀM THIẾT BỊ ĐO VOLT KẾ DC,” [Trực tuyến] Available: https://www.youtube.com/watch?v=aAdPvUVGITo [Đã truy cập 10th August 2020] [8] A.J Martyr and M.A Plint, Engine Testing Theory and Practice (chapter and chapter 8), Jordan Hill Oxford (UK): Elsevier Ltd, 2007 89 PHỤ LỤC Code đọc tín hiệu Load cell cách kết nối.[4] Hình 5.2 Cách kết nối Load cell để thu liệu Code: #include "HX711.h" #define calibration_factor 8870// giá trị hiệu chỉnh tối đa 200kg lực #define DOUT 3// chân Data #define CLK 2// chân khóa tín hiệu #define r 0.05// bán kính tác dụng lực (m) HX711 scale; void setup() { Serial.begin(9600); Serial.println("HX711 scale demo"); scale.begin(DOUT, CLK); scale.set_scale(calibration_factor); //dựa vào thư viện mẫu SparkFun_HX711_Calibration 90 scale.tare(); //khi khơng có lực tác dụng vào lúc khởi động đặt giá trị lại Serial.println("Readings:"); } void loop() { Serial.print("Reading: "); Serial.print(scale.get_units()*0.453592, 1); //chuyển đổi lbs sang kg Serial.print(" kg "); Serial.print(scale.get_units()*0.453592*r*10, 3);// cơng thức tính moment lấy giá số sau dấu phẩy Serial.print(" N.m"); Serial.println(); } Code đọc tín hiệu cảm biến dịng ACS758 cách kết nối.[3] Hình 5.3 Cách kết nối ACS758 với Arduino Code: #define VIN A0 91 float offset = 515; const float vcc = 5.00;// supply voltage 5V or 3.3V const float factor = 0.02;// 20mV/A is the factor float voltage; void setup() { //Robojax.com ACS758 Current Sensor Serial.begin(9600); Serial.println("Robojax Tutorial"); Serial.println("ACS758 Current Tester"); Serial.println("Basic Simple Code"); } void loop() { //Robojax.com ACS758 Current Sensor Serial.println(analogRead(VIN) - offset); voltage = (5.0 / 1023.0)* (analogRead(VIN)- offset);// Read the voltage from sensor //voltage = voltage - (vcc * 0.5) ;// 0.007 is a value to make voltage zero when there is no current float current = voltage / factor; Serial.print("V: "); Serial.print(voltage,3); Serial.print("V, I: "); Serial.print(current,2); Serial.println("A"); delay(300); } 92 Code đọc tín hiệu từ mạch đo điện áp cách kết nối.[7] Hình 5.4 Cách kết nối mạch đo điện áp với Arduino Code: #include LiquidCrystal lcd(7, 8, 9, 10, 11, 12); int analogInput = 0; float vout = 0.0; float vin = 0.0; float R1 = 100000.0; // resistance of R1 (100K) -see text! float R2 = 10000.0; // resistance of R2 (10K) - see text! int value = 0; void setup(){ pinMode(analogInput, INPUT); lcd.begin(16, 2); lcd.print("VDC TRANTIEN"); } void loop(){ // read the value at analog input value = analogRead(analogInput); 93 vout = (value * 5.0) / 1024.0; // see text vin = vout / (R2/(R1+R2)); if (vin= 100) { detachInterrupt(digitalPinToInterrupt(PIN_DO)); rpm = (pulses * 600) / (HOLES_DISC); Serial.print("rpm="); Serial.println(rpm); timeOld = millis(); pulses = 0; attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(PIN_DO), counter, FALLING); } } Code điều khiển relay float x; void setup() { pinMode(2,OUTPUT); pinMode(7,OUTPUT); pinMode(8,OUTPUT); pinMode(9,OUTPUT); pinMode(10,OUTPUT); pinMode(11,OUTPUT); pinMode(12,OUTPUT); pinMode(13,OUTPUT); Serial.begin(9600); 95 } void loop() { x = analogRead(A0); Serial.println(x); if (x >0 and x10 and x128 and x256 and x384 and x512 and x640 and x768 and x896 and x