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

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nghiên cứu chọn loại động cơ

2.1.1 Ưu điểm của động cơ điện

Trong tương lai, xe điện sẽ trở thành phương tiện giao thông chủ yếu, góp phần tạo ra một thế giới xanh hơn Với nhiều ưu điểm vượt trội so với động cơ đốt trong truyền thống, xe điện không sử dụng nhiên liệu hóa thạch như xăng hay dầu, do đó không thải ra khí xả và chất độc hại, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Khả năng đáp ứng mô – men nhanh và chính xác

Kích thước động cơ nhỏ ít tỏa nhiệt

Mô-men của động cơ điện có thể được tính toán chính xác bằng cách đo đạc các thông số về dòng điện và điện áp, điều này dễ dàng hơn so với việc thực hiện trên động cơ đốt trong truyền thống.

Xe máy điện đang trở thành một công nghệ nóng bỏng tại Việt Nam và trên toàn cầu, được coi là bước chuyển mình quan trọng trong ngành công nghiệp xe máy.

2.1.2 Vấn đề giao thông hiện nay

Sự tăng trưởng kinh tế nhanh chóng và bùng nổ dân số ở Việt Nam đã thúc đẩy quá trình cơ giới hóa, đặc biệt là sở hữu phương tiện cá nhân Nhu cầu đi lại ngày càng cao, với xe máy chiếm 73% tổng nhu cầu, trong khi phương tiện công cộng chỉ chiếm 5% và xe ô tô con 10% Tỷ lệ sử dụng xe đạp đã giảm xuống còn 3,8%, còn lại là các phương tiện khác (8,2%) Tương tự như nhiều nước đang phát triển, Việt Nam cũng ghi nhận số lượng lớn người sử dụng xe máy, đặc biệt tại các thành phố ở Đông Nam Á.

Tình hình giao thông tại các thành phố lớn ở Việt Nam đang ngày càng xấu đi, với tình trạng tắc nghẽn gia tăng, an toàn giao thông giảm sút, và tai nạn vẫn ở mức cao Ô nhiễm không khí tăng, công trình đô thị xuống cấp, và khả năng tiếp cận dịch vụ đô thị bị hạn chế Nếu tình trạng này tiếp tục, nó sẽ tác động tiêu cực đến các hoạt động kinh tế và nền công nghiệp của Việt Nam.

2.1.3 Khảo sát một số loại xe máy điện trên thị trường hiện nay Ở nước ta phương tiện cá nhân được sử dụng nhiều nhất là xe máy gắn động cơ đốt trong truyền thống Do đó, lượng khí thải thải ra môi trường của các phương tiện này rất là đáng kể Theo Trung Tâm Quan Trắc Môi Trường thống kê năm 2011, lượng khí thải do xe máy thải thải ra môi trường 60% khí TSP, 10% SO2, 10% NO2, 98% CO, 98% VOC Bên cạnh đó theo

Theo thống kê của Bộ Giao Thông Vận Tải vào năm 2013, Hà Nội có hơn 4,5 triệu xe máy tham gia giao thông mỗi ngày, tạo điều kiện cho thị trường xe máy điện mới nổi nhanh chóng thu hút sự quan tâm của người tiêu dùng Sự đa dạng về mẫu mã, giá cả và đặc biệt là tính thân thiện với môi trường đã khiến xe máy điện trở thành lựa chọn hấp dẫn không chỉ ở Việt Nam mà còn trên toàn cầu Một số thương hiệu xe máy điện tiêu biểu trong khu vực Châu Á và các nước khác cũng đang góp phần thúc đẩy xu hướng này.

2.1.3.1 Hãng xe máy điện PEGA

PEGA, trước đây là HKBike, nổi bật là thương hiệu xe điện hàng đầu tại Việt Nam với thiết kế bắt mắt và chất lượng vượt trội Sau 5 năm hoạt động, đầu năm 2017, PEGA đã ra mắt sản phẩm đầu tiên được nội địa hóa với tỷ lệ lên đến 85% Đây là bước đột phá trong ngành sản xuất xe hai bánh tại Việt Nam, đánh dấu lần đầu tiên một sản phẩm xe hai bánh được thiết kế và sản xuất hoàn toàn bởi người Việt.

Hình 2.1 Xe máy điện PEGA Newtech

Bảng 2.1 Thông tin về một số dòng xe của hãng PEGA

Loại động cơ PSMS BLDC BLDC BLDC

Tốc độ tối đa 65Km/h 60Km/h 45 –

Dung lượng Pin 32Ah 20Ah 20Ah 20Ah

Quãng đường đi được 1 lần sạc

Trọng lượng xe (bao gồm acquy)

Tải trọng 250Kg 250Kg 180Kg 230Kg

Truyền động Dẫn động dây đai

Dẫn động trực tiếp Tính năng khác Smartkey, chống trộm, IP67

Bluetooth, sạc điện thoại, chìa khóa thông minh

2.1.3.2 Hãng xe máy điện Vinfast

VinFast là một công ty khởi nghiệp ô tô được Vingroup, tập đoàn tư nhân lớn nhất Việt Nam, hỗ trợ Với sứ mệnh "Vì một cuộc sống tốt đẹp hơn cho người Việt", Vingroup hướng tới việc xây dựng một thương hiệu tự hào, phong cách và đẳng cấp, mang đậm tinh thần Việt Nam và có khả năng cạnh tranh trên thị trường toàn cầu.

Hình 2.2 Xe máy điện Vinfast Klara S

Bảng 2.2 Thông tin một số dòng xe của hãng Vinfast

Vinfast Klara Vinfast Ludo Vinfast

Phiên bản Lithium Axít – chì

Loại động cơ Bosch BLDC BLDC

Loại pin Li-on Bosch Axít - chì

5 bình nối tiếp Ắc quy li-ion

Tốc độ tối đa 50Km/h 45Km/h 33.5 5% Km/h 49Km/h Điện áp hoạt động 60V 60V 50.4V

Dung lượng Pin Tối đa 22,8 Ah

Tối đa 21 Ah Chuẩn 20 Ah

Tải trọng 225Kg 246Kg 140 Kg 130 Kg

Khối lượng (bao gồm pin)

Truyền động Dẫn động trực tiếp

Tính năng khác 3G, Bluetooth, GPS Cảnh báo chống trộm, Định vị xe (GPS), kết nối điện thoại thông minh qua Mobile App

2.1.3.3 Hãng xe máy điện YADEA

Yadea là thương hiệu nổi tiếng từ Hồng Kông, chuyên sản xuất và phân phối xe máy điện hai bánh hàng đầu thế giới Hiện tại, xe máy điện Yadea đã có mặt tại 77 quốc gia, bao gồm các thị trường quan trọng như Mỹ, Nhật Bản, và Châu Âu.

Hình 2.3 Xe máy điện YADEA G5

Bảng 2.3 Thông một số dòng xe của hãng YADEA

Yadea G5 Yadea Ulike Yadea E3 Yadea BuyE

Tốc độ tối đa 50Km/h 47Km/h 37Km/h 50Km/h

Tốc độ quay 530 rpm 520 rpm Điện áp 60V 72V 60V 72V

Lithium 24Ah Lead acid 22Ah Lead acid 20Ah Graphene

100km Quãng đường đi được

Trọng lượng xe (bao gồm acquy)

Tải trọng 130Kg 130Kg 130Kg 130Kg

Chống trộm Có Có Có Có

Kết nối APP điện thoại quản lý xe: Định vị, Scan xe, quản lý xe, hàng rào chống trộm điện tử

Truyền động Dẫn động trực tiếp

2.1.3.4 Một số dòng xe tiêu biểu ở thị trường ngoài nước

Bảng 2.4 Thông tin một số dòng xe cơ bản ở thị trường ngoài nước

Tốc độ xe 45km/h 80km/h 45km/h 70km/h Điện áp 60V 60V 50V 60V

Dung lượng pin 30Ah 45Ah 13Ah 70Ah

Thời gian sạc 8h Fast charge

Loại dẫn động Dẫn động trực tiếp

2.1.4 Khảo sát và chọn loại động cơ điện

Sau khi khảo sát về xe máy điện, chúng tôi nhận thấy rằng động cơ được sử dụng chủ yếu là động cơ điện BLDC với công suất đa dạng từ 800 đến 4000W Dựa trên kết quả khảo sát, nhóm chúng tôi quyết định chọn động cơ BLDC có công suất 2000W cho xe máy điện của mình.

Bảng 2.5 Thông số động cơ Yuma 2000W

Thông số kỹ thuật Động cơ Yuma

Loại động cơ Hub motor BLDC

Công suất 2000W Đường kính động cơ 10 inch

Vận tốc 39 – 63 km/h Điện áp hoạt động 72V Dòng điện hoạt động 10 – 83 A

Cảm biến Hall 1 cảm biến

Hình 2.5 Động cơ BLDC QS 205 50H V1

Bảng 2.6 Thông số động cơ QS 205 50H V1

Thông số kỹ thuật Động cơ QS 205 50H V1

Tốc độ 300 – 980 rpm Điện áp hoạt động 48 – 72V

Bảng 2.7 Thông số động cơ QS 205 50H V2

Thông số kỹ thuật Động cơ QS 205 50H V2

Bảng 2.8 Thông số động cơ QS 45H V3

Thông số kỹ thuật Động cơ QS 45H V3

2.1.4.5 Chọn loại động cơ điện

Sau khi khảo sát nhiều thương hiệu động cơ, nhóm chúng tôi đã quyết định chọn động cơ QS 205 50H V2 do giá thành hợp lý, hiệu suất cao và tính sẵn có trên thị trường Việt Nam Để điều khiển động cơ này, cần phải có bộ điều khiển phù hợp, vì vậy trong phần tiếp theo, chúng tôi sẽ tiến hành khảo sát để tìm bộ điều khiển tối ưu nhất cho động cơ QS 205 50H V2.

90 105 120 135 150 Đồ thị tốc độ theo mô – men xoắn

Một số đồ thị thể hiện đặc tính của động cơ QS 205 50H V2 được thử nghiệm ở 48V và

Hình 2.8 Đồ thị hiệu suất hoạt động theo mô – men xoắn

Hình 2.9 Đồ thị tốc độ theo mô – men xoắn

R p m Ef fi ci en cy ( % ) Đồ thị dòng điện theo mô – men xoắn

Hình 2.10 Đồ thị dòng điện theo mô – men xoắn

Hình 2.11 Đồ thị điện áp theo mô – men xoắn Đồ thị điện áp theo mô – men xoắn

V A Đồ thị năng lượng đầu ra theo mô – men xoắn

90 105 120 135 150 Đồ thị năng lượng đầu vào theo mô – men xoắn

Hình 2.12 Đồ thị năng lượng đầu ra theo mô – men xoắn

Hình 2.13 Đồ thị năng lượng đầu vào theo mô – men xoắn

2.1.5 Khảo sát bộ điều khiển động cơ BLDC 2000W

2.1.5.1 Bộ điều khiển Kelly QSKBS48151E

Hình 2.14 Bộ điề khiển QSKBS41851E

Bảng 2.9 Thông số bộ điều khiển Kelly QSKBS 48151E

Loại điều khiển Sóng hình sin Điện áp hoạt động 24 – 48V ( tối đa 60V)

Dòng điện hoạt động liên tục 80A

Hỗ trợ cảm biến Hall Có

Hình 2.15 Bộ điều khiển QSKBS48181E

Bảng 2.10 Thông số bộ điều khiển QSKBS48181E

Dòng điện chịu được tối đa (20s) 200A

Hỗ trợ cảm biến Hall có

2.1.5.3 Bộ cảm biến Kelly QSKBS72181E

Hình 2.16 Bộ điều khiển Kelly QSKBS72181E

Bảng 2.11 Thông số bộ điều khiển QSKBS72181E

Bộ điều khiển Kelly QSKBS72181E

Loại điều khiển Sóng hình sin Điện áp hoạt động 24 – 72V (tối đa 90V)

Dòng điện chịu được tối đa (20s) 200A

2.1.5.4 Bộ điều khiển Votol EM100

Hình 2.17 Bộ điều khiển Votol EM100

Bảng 2.12 Thông số bộ điều khiển Votol EM100

Bộ điều khiển Votol EM100

Dòng chịu được tối đa (20s) 330A Dòng hoạt động liên tục 100A

Sau khi khảo sát các bộ điều khiển BLDC, nhóm chúng tôi đã chọn bộ điều khiển Votol EM100 để điều khiển động cơ BLDC QS – motor 205 50H V2 Bộ điều khiển này nổi bật với khả năng kết nối dễ dàng, tương tác và lập trình với nhiều loại động cơ, cùng với chi phí hợp lý, khiến Votol EM100 trở thành lựa chọn tối ưu nhất cho dự án.

2.1.6 Giới thiệu bộ điều khiển Votol EM100

2.1.6.1 Sơ đồ hệ thống dây

Hình 2.18 Sơ đồ kết nối chân của bộ điều khiển

Hình 2.19 Các chân kết nốt của bộ điều khiển

Bảng 2.13 Thông tin các chân kết nối của bộ điều khiển

Chân Chức năng Dải điện áp

2 Chân nối đất của tay ga

Kết nối cảm biến Hall

Hình 2.20 Sơ đồ kết nối chân của bộ điều khiển với cảm biến Hall

Hình 2.21 Các chân kết nối của bộ điều khiển với cảm biến Hall

Bảng 2.14 Thông tin các chân kết nối của bộ điều khiển với cảm biến Hall

Chân kết nối cảm biến Hall

4 Chân dương cảm biến Hall 5V

5 Chân cảm biến nhiệt độ 0 – 5V

6 Chân nối đất của cảm biến Hall 0 – 5V

Kết nối bộ chống trộm

Hình 2.22 Sơ đồ kết nối chân của bộ điều khiển với bộ chống trộm

Hình 2.23 Các chân kết nối của bộ điều khiển với bộ chống trộm

Bảng 2.15 Thông tin các chân kết nối của bộ điều khiển với bộ chống trộm

Chân kết nối bộ chống trộm

6 Khóa điện tử bộ chống trộm 40V ( B+)

8 tín hiệu bộ chống trộm 0 – 5V

2.1.6.2 Sơ đồ kết nối bộ điều khiển với động cơ và máy tính

Hình 2.24 Sơ đồ kết nối bộ điều khiển với động cơ và máy tính

2.1.6.3 Phần mềm Debugging ( chỉ hỗ trợ cho win 7/10)

Cách kết nối với động cơ và sử dụng:

- Cấp nguồn cho bộ điều khiển và kết nối với máy tính, sau đó chọn port’s name và bấm

- Sau khi bấm open, phần mềm sẽ xuất hiện trạng thái như hình 2.24 Tiếp theo nhấn nút

Phần mềm "connect" có khả năng đọc và nhận diện các đặc tính của động cơ, cho phép người dùng điều chỉnh tham số điện áp một cách linh hoạt nhờ vào sự hỗ trợ từ bộ điều khiển.

Hình 2.25 Giao diện sử dụng của phần mềm Debugging Điều chỉnh thông số điện áp cấp cho bộ điều khiển:

Thông số điện áp cấp có thể được điều chỉnh trong khoảng cho phép nhờ vào bộ điều khiển Tuy nhiên, nếu thông số điện áp vượt quá giới hạn cho phép, việc cung cấp nguồn cho bộ điều khiển có thể gây hư hỏng nghiêm trọng.

Hình 2.26 Giao diện điều chỉnh thông số điện áp cấp

Thiết lập cài đặt cho động cơ:

- Motor pole pairs: chọn đúng số cặp cực của động cơ để có thể thu được giá trị tốc độ chính xác

- Motor type: chọn đúng loại nam châm của động cơ cho động cơ ( đối với động cơ Wheel Hub của nhóm sẽ chọn “surface mount”)

- Hall shift: chọn góc lệch pha trong khoảng ( -180 0 – 180 0 ) cho bộ điều khiển và điều chỉnh lại pha của động cơ

Hình 2.27 Giao diện thiết lập cài đặt cho động cơ

Hiển thị trạng thái làm việc của bộ điều khiển:

Hiển thị trạng thái làm việc của bộ điều khiển giúp người sử dụng dễ dàng quan sát được tình hình hiện tại thực tế của bộ điều khiển

Hình 2.28 Giao diện hiển thị trạng thái làm việc của bộ điều khiển.

Giới thiệu động cơ BLDC

Động cơ một chiều (DC) truyền thống có hiệu suất cao và đặc tính phù hợp cho các truyền động servo, nhưng gặp hạn chế do cần có cổ góp và chổi than, dẫn đến độ tin cậy thấp và cần bảo trì thường xuyên trong môi trường dễ cháy nổ Để khắc phục nhược điểm này, động cơ một chiều không chổi than (BLDC) ra đời, được biết đến như động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, mang lại hiệu suất tốt hơn và giảm thiểu rủi ro trong quá trình vận hành.

Hình 2.29 Cấu tạo của động cơ DC và động cơ BLDC

So sánh động cơ BLDC với động cơ một chiều thông thường (DC)

Hình 2.30 Động cơ điện một chiều DC và BLDC

Mặc dù động cơ BLDC và động cơ DC thường được coi là có đặc tính tĩnh tương tự, nhưng chúng thực sự có nhiều khác biệt quan trọng Bảng 2.16 so sánh ưu nhược điểm của hai loại động cơ này Khi thảo luận về chức năng của động cơ điện, cần chú ý đến vai trò của dây quấn và quá trình chuyển đổi chiều Quá trình này biến đổi dòng điện một chiều thành dòng xoay chiều và phân phối chính xác đến từng dây quấn của phần ứng động cơ Trong động cơ một chiều thông thường, sự chuyển đổi chiều diễn ra thông qua cổ góp và chổi than, trong khi ở động cơ điện một chiều không chổi than, quá trình này được thực hiện bằng các thiết bị bán dẫn như transistor, MOSFET và IGBT.

Bảng 2.16 So sánh động cơ BLDC với động cơ DC

Nội dung Động cơ DC Động cơ BLDC

Cấu trúc cơ khí Mạch kích từ nằm trên stato

Mạch kích từ nằm trên rotor

Tính năng đặc biệt Đáp ứng nhanh dễ dàng điều khiển Đáp ứng chậm hơn Dễ bảo dưỡng (thường không yêu cầu bảo dưỡng)

Sơ đồ nối dây Nối vòng tròn Đơn giản nhất là nối tam giác Δ

Cao áp: 3 pha nối Y hoặc Δ Bình thường : dây cuốn 3 pha nối Y có điểm trung tính nối đất hoặc 4 pha Đơn giản nhất nối 2 pha

Phương pháp đổi chiều Tiếp xúc cơ khí giữa chổi than và cổ góp Chuyển mạch điện tử sử dụng thiết bị bán dẫn như transitor,MOSFET,…

Phương pháp xác định vị trí rotor

Tự động xác định bằng chổi than Sử dụng cảm biến vị trí: phần tử Hall hoặc cảm biến quang học

Phương pháp đảo chiều Đảo chiều điện áp nguồn ( cấp cho phần ứng hoặc mạch kích từ)

Sắp xếp lại thứ tự của các tín hiệu logic

Hiệu suất Trung bình Cao

Động cơ một chiều không chổi than mang lại nhiều ưu điểm vượt trội, bao gồm sự an toàn và khả năng đáp ứng nhu cầu mà động cơ DC không thể cung cấp Hơn nữa, loại động cơ này có thể hoạt động với vận tốc cao, vận hành êm ái và đạt hiệu suất cao hơn.

2.2.1 Cấu tạo động cơ BLDC

Hình 2.31 Các phần cơ bản của động cơ BLDC

Động cơ điện một chiều không chổi than có cấu tạo tương tự như động cơ xoay chiều, đặc biệt là động cơ xoay chiều đồng bộ được kích thích bằng nam châm vĩnh cửu Hình 2.16 minh họa cho thiết kế điển hình của các động cơ điện một chiều không chổi than.

Động cơ BLDC được điều khiển thông qua cảm biến vị trí như cảm biến Hall hoặc quang học, giúp xác định vị trí rotor Các tín hiệu từ cảm biến này được gửi về bộ chuyển đổi để điều chỉnh phản ứng của động cơ Nhờ vào các cảm biến, động cơ BLDC có khả năng thay đổi chiều quay theo vị trí của rotor.

Stator, từ mượn tiếng Anh có nguồn gốc từ "Stationary", chỉ phần đứng yên trong hệ thống máy quay, trái ngược với Rotor Khác với động cơ điện một chiều thông thường, Stator của động cơ một chiều không chổi than chứa dây quấn phần ứng Dây quấn này có thể là 2 pha, 3 pha hoặc nhiều pha, nhưng thường gặp nhất là 3 pha.

Hình 2.33 Stator của động cơ BLDC

Stator của động cơ BLDC được làm từ các lá thép kỹ thuật điện, với cuộn dây được bố trí trong các khe cắt quanh chu vi bên trong Mặc dù cấu tạo của Stator tương tự như các động cơ cảm ứng khác, cách bối dây lại được phân bố khác biệt Sự khác nhau trong cách nối liền các bối dây trong cuộn dây Stator dẫn đến sự khác biệt trong hình dáng sức phản điện động của động cơ BLDC.

Có hai dạng sức phản điện động trong động cơ BLDC là hình sin và hình thang, dẫn đến sự phân loại động cơ thành động cơ BLDC hình sin và động cơ BLDC hình thang Dòng điện pha của mỗi loại động cơ cũng tương ứng với dạng hình sin và hình thang Động cơ hình sin có mô-men mượt mà hơn nhưng chi phí cao hơn do yêu cầu về bối dây liên tục, trong khi động cơ hình thang có giá thành thấp hơn nhưng mô-men lại có sự biến đổi lớn do điện áp sức phản điện động thay đổi.

Động cơ một chiều không chổi than có cấu hình 1 pha, 2 pha và 3 pha, tương ứng với số cuộn dây của Stator là 1, 2 và 3 Việc lựa chọn động cơ phụ thuộc vào khả năng cấp công suất điều khiển và tỉ lệ điện áp Động cơ có điện áp nhỏ hơn hoặc bằng 48V thường được sử dụng trong máy tự động, robot và các chuyển động nhỏ, trong khi động cơ trên 100V được ứng dụng trong các thiết bị công nghiệp, tự động hóa và các lĩnh vực công nghiệp khác.

Các loại Rotor của động cơ BLDC được gắn vào trục động cơ, với các thanh nam châm vĩnh cửu dán trên bề mặt Rotor Đối với các động cơ yêu cầu quán tính Rotor nhỏ, trục động cơ thường được chế tạo theo dạng hình trụ rỗng.

Rotor được cấu tạo từ các thanh nam châm vĩnh cửu Số lượng đôi cực dao động từ 2 đến 8 với các cực Nam (S) và Bắc (N) xếp xen kẽ nhau

Dựa vào yêu cầu về mật độ từ trường trong rotor, việc chọn chất liệu nam châm phù hợp là rất quan trọng Nam châm Ferrite thường được sử dụng vì giá thành rẻ, nhưng mật độ từ trên đơn vị thể tích của nó lại thấp Ngược lại, nam châm làm từ hợp kim ngày càng trở nên phổ biến nhờ vào mật độ từ cao hơn, cho phép thu nhỏ kích thước của rotor mà vẫn đảm bảo mô-men đầu ra Vì vậy, với cùng thể tích, mô-men của rotor sử dụng nam châm hợp kim luôn lớn hơn so với rotor sử dụng nam châm Ferrite.

2.2.1.3 Cảm biến Hall (Hall sensor)

Động cơ một chiều không chổi than sử dụng công nghệ điều khiển điện tử để điều chỉnh chuyển động, khác với động cơ một chiều dùng chổi than Cụ thể, các cuộn dây của Stator được cấp điện thông qua sự chuyển mạch của các van bán dẫn công suất Để động cơ hoạt động hiệu quả, việc cấp điện cho các cuộn dây của Stator diễn ra theo thứ tự pha, đảm bảo rằng điện được cung cấp đúng vị trí của Rotor tại mỗi thời điểm.

Để xác định cuộn dây Stator nào sẽ được cấp điện, việc biết vị trí của Rotor là rất quan trọng Vị trí này được đo thông qua các cảm biến hiệu ứng Hall được lắp đặt ẩn trong Stator.

Hầu hết động cơ một chiều không chổi than đều tích hợp cảm biến Hall bên trong stator, tại phần đuôi trục phụ của động cơ.

Khi các cực nam châm của rotor đi qua gần các cảm biến Hall, chúng sẽ gửi tín hiệu cao hoặc thấp tương ứng với cực Bắc hoặc cực Nam Tổ hợp tín hiệu từ ba cảm biến Hall giúp xác định thứ tự chuyển mạch chính xác Tín hiệu này dựa trên hiệu ứng Hall, xảy ra khi dòng điện chạy trong vật dẫn nằm trong từ trường, tạo ra lực đẩy lên các điện tích di chuyển Lực này làm cho một số điện tích bị đẩy về một phía, dẫn đến sự xuất hiện của hiệu điện thế giữa hai mặt của vật dẫn, được gọi là hiệu ứng Hall, được phát hiện vào năm 1879.

Hình 2.36 Động cơ BLDC cấu trúc nằm ngang

Khảo sát băng thử động cơ điện

2.3.1 Giới thiệu băng thử động cơ điện

Băng thử, hay còn gọi là dyno, là thiết bị chuyên dụng để đo đồng thời mômen xoắn và tốc độ quay (RPM) của động cơ đốt trong hoặc động cơ điện, nhằm tính toán công suất tức thời của động cơ.

Hình 2.38 Băng thử động cơ xe điện

2.3.2 Phân loại các loại băng thử công suất Đo công suất động cơ ở sau bánh đà của động cơ

Các cơ sở thử nghiệm động cơ có sự khác biệt rõ rệt trong việc đánh giá năng lượng và hiệu suất Nhiều buồng thử nghiệm được thiết kế cho các chuyên gia, phục vụ cho các mục đích như thử nghiệm sản xuất, nghiên cứu tiếng ồn động cơ, dầu bôi trơn và khí thải Để đo công suất động cơ, xe được cho chạy lên bàn thử ở các bánh xe.

Thông thường, đo công suất của xe tại các bánh xe thường dùng cho các mục đích sau:

Kiểm tra sau khi sữa chữa hoặc điều chỉnh ECU

- Thử nghiệm sản xuất cuối dòng

- Kiểm tra chứng nhận tiêu chuẩn khí thải hoặc cài đặt thử nghiệm [8]

- Buồng thử nghiệm dao động tiếng ồn (NVH) [8]

- Kiểm tra động lực học khung gầm trong hầm gió [8]

- Kiểm tra động lực học mỗi bánh xe độc lập

2.3.3 Phân loại các cách tạo tải động cơ

Hiện nay, trên thế giới tồn tại nhiều loại băng thử công suất với các phương pháp tạo tải khác nhau cho động cơ Tuy nhiên, ba phương pháp tạo tải điển hình nhất bao gồm: 1) Sử dụng tải điện trở, 2) Tải điện từ và 3) Tải thủy lực.

2.3.3.1 Phanh hấp thụ nước hoặc dầu

Hình 2.39 Sơ đồ cấu tạo băng thử phanh loại nước

Băng thử sử dụng nước hoặc dầu để hấp thụ mô-men của động cơ hoạt động dựa trên nguyên lý ly hợp thủy động Khi đĩa Rotor quay với tốc độ tương đương động cơ, các phần tử nước di chuyển theo hướng ly tâm và sau đó theo hướng tâm trên đĩa Stator Lực va đập từ các phần tử nước vào đĩa Stator khiến đĩa này có xu hướng quay theo đĩa Rotor, nhưng bị giữ lại bởi bộ đo lực Lực ma sát giữa các lớp nước hoặc dầu ngăn cản chuyển động quay của đĩa Rotor và Stator, và lực kéo này được tính toán qua cảm biến lực trên Stator Từ đó, mô-men mà bộ tạo tải hấp thụ từ động cơ có thể được xác định Lực ma sát và va đập của các phần tử nước hoạt động như tải tác dụng lên động cơ Phương pháp tạo tải này có chi phí đầu tư thấp hơn so với các phương pháp khác, phù hợp cho việc thử nghiệm động cơ đốt trong và động cơ điện với dải công suất lớn.

Hình 2.40 Hình cắt của một băng thử phanh nước thực tế với đồng hồ đo lực

Loại băng thử này sử dụng phanh điện từ để tạo tải cho động cơ, trong đó rotor quay trong từ trường do dòng điện đi qua các cuộn dây dẫn tạo ra Lực cản từ trường sinh ra làm giảm tốc độ quay của rotor, từ đó tạo ra tải cho động cơ Quá trình hấp thụ năng lượng này sinh ra nhiệt, buộc rotor phải được làm mát bằng nước Tuy nhiên, băng thử Eddy current có chi phí cao hơn so với băng thử hấp thụ bằng nước và phạm vi đo nhỏ hơn, nên thường được sử dụng cho các bài thử nghiệm chuyên biệt.

Hình 2.41 Hình cắt một phanh hấp thụ loại Eddy current

Loại băng thử này áp dụng dòng điện xoay chiều để tạo tải cho động cơ, đồng thời chuyển đổi năng lượng hấp thụ từ động cơ thành năng lượng điện Quá trình này giúp tái sử dụng năng lượng, từ đó giảm thiểu chi phí cho việc thử nghiệm động cơ.

Hình 2.42 Băng thử sử dụng dòng điện xoay chiều để tạo

2.3.4 Kết luận và đưa ra phương án thử nghiệm

Nhóm đề xuất hai phương án sử dụng băng thử động cơ điện: một là băng thử tạo tải bằng lực ma sát, và hai là băng thử tạo tải bằng động cơ điện, dựa trên các loại băng thử đã khảo sát trước đó.

2.3.4.1 Phương án dùng phanh đĩa tạo tải cho động cơ điện Ở loại băng thử này cả chiếc xe sẽ chạy lên một bàn thử để kiểm tra công suất ở bánh xe

Băng thử phanh đĩa sử dụng con lăn lớn để tạo tải cho hệ thống phanh Đĩa phanh được gắn với con lăn nặng, trong khi cụm má phanh có khả năng xoay quanh trục của đĩa phanh Lực ma sát giữa má phanh và đĩa phanh tạo ra tải cho động cơ Để đo lực hấp thụ từ bánh xe, cảm biến đo lực được gắn trên vỏ cụm má phanh, giúp tính toán mô-men xoắn và công suất của xe.

Hạn chế lớn nhất của phương pháp tạo tải này là sự trượt giữa bánh xe và con lăn, dẫn đến việc phát sinh nhiệt và mùi cháy khét của cao su Bên cạnh đó, cơ cấu phanh cơ khí không đảm bảo hiệu suất cao, gây ra sự hao mòn lớn cho các má phanh trong quá trình thử nghiệm.

Hình 2.44 Cơ cấu phanh đĩa để tạo tải cho xe

2.3.4.2 Phương án dùng máy phát điện xoay chiều tạo tải cho động cơ điện

Mô hình băng thử sử dụng máy phát điện trên xe ô tô để tạo tải cho thấy ứng dụng của định luật Lenz, trong đó lực từ sinh ra trong cuộn dây dẫn kín đặt trong từ trường biến thiên có xu hướng cản trở chuyển động của rotor.

Lực từ này sẽ tạo ra mô – men cản để cản trở chuyển động của rotor

F = I*B*l*sinα, trong đó: F : lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn kín (N)

I : cường độ dòng điện cảm ứng (A)

Để điều chỉnh tải, cần thay đổi lượng từ thông xuyên qua cuộn dây stator bằng cách điều chỉnh tốc độ từ thông hoặc thay đổi độ lớn từ thông do rotor tạo ra thông qua việc thay đổi dòng kích từ vào cuộn dây rotor.

Sau khi tiến hành khảo sát và phân tích ưu nhược điểm của hai phương pháp, nhóm chúng tôi quyết định lựa chọn phương án sử dụng máy phát điện để tạo tải cho động cơ điện, nhằm thiết kế và chế tạo băng thử cho động cơ điện.

Giới thiệu máy phát điện (Alternator)

2.4.1 Khái niệm máy phát điện

Máy phát điện ô tô lần đầu xuất hiện trên chiếc Chrysler’s Valiant năm 1960, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng điện cho xe và là thành phần chính của hệ thống sạc Thường được đặt gần phía trước động cơ, máy phát điện xoay chiều được điều khiển bởi trục khuỷu, chuyển đổi chuyển động lên xuống của piston thành chuyển động tròn Trong khi một số xe mô hình đời đầu sử dụng đai truyền động riêng, hầu hết xe ô tô hiện đại đều sử dụng đai serpentine, phụ thuộc vào khả năng điều khiển của trục khuỷu Máy phát điện thường được gắn chắc chắn vào động cơ bằng giá đỡ bắt vít.

Hình 2.46 Máy phát điện ô tô

2.4.2 Cấu tạo máy phát điện

Hình 2.47 Cấu tạo của máy phát điện

Chức năng của máy phát điện bao gồm:

- Phát điện: dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ khi một nam châm quay trong cuộn dây sẽ tạo ra suất điện động ( điện áp) trong cuộn dây

Để sử dụng các thiết bị điện trên ô tô, dòng xoay chiều cần được chỉnh thành dòng một chiều Điều này là cần thiết vì máy phát điện trên ô tô phải chỉnh lưu dòng điện để cung cấp nguồn điện một chiều cho các thiết bị.

Điều chỉnh điện áp đầu ra là cần thiết vì dòng điện được sinh ra từ nguyên lý quay của một thanh nam châm trong cuộn dây, do đó, nó phụ thuộc vào tốc độ quay của nam châm, tức là tốc độ của động cơ Vì động cơ được dẫn động từ trục khuỷu, nên dòng điện sẽ biến đổi theo tốc độ của động cơ Do đó, việc điều chỉnh điện áp dòng điện ra là quan trọng để đảm bảo sự ổn định và phù hợp với các thiết bị điện.

Máy phát điện được thiết kế với các thành phần cấu tạo đặc trưng, cho phép nó thực hiện nhiều chức năng quan trọng Cấu tạo và chức năng của từng thành phần trong máy phát điện đóng vai trò quyết định trong hiệu suất và khả năng hoạt động của thiết bị.

Rotor là một thanh nam châm quay trong cuộn dây Stator, tạo ra từ trường biến thiên và lực điện trường Cuộn dây này được quấn quanh 6 cặp lõi cực, tương đương với 12 cực từ, và lực điện từ phát sinh khi có dòng điện chạy qua Khi cường độ dòng điện vào Rotor tăng, nhiệt độ cũng tăng theo Tùy thuộc vào loại máy phát, có thể trang bị quạt gió đồng trục với Rotor hoặc thiết kế vỏ bên ngoài để tản nhiệt hiệu quả.

Hình 2.48 Rotor của máy phát điện

Stator là bộ phận tạo ra dòng điện xoay chiều 3 pha thông qua việc thay đổi từ thông nhờ Rotor quay Nó bao gồm lõi và cuộn dây được lắp đặt trong khung phía trước Do Stator sản sinh ra nhiệt độ cao hơn bất kỳ bộ phận nào khác trong máy phát điện, nên vỏ cách nhiệt được sử dụng để bảo vệ các cuộn dây khỏi nhiệt.

Hình 2.49 Stator của máy phát điện

2.4.2.3 Chổi than và cổ góp

Chổi than được làm từ Graphit kim loại được sử dụng để giảm điện trở và điện trở tiếp xúc và đồng thời chống sự ăn mòn

Hình 2.50 Chổi than và cổ góp máy phát điện

Bộ chỉnh lưu chuyển đổi toàn bộ dòng điện xoay chiều 3 pha từ các cuộn dây Stator thành dòng điện một chiều, thực hiện chức năng chỉnh lưu đầy đủ trong toàn bộ chu kỳ.

6 diode ( hoặc 8 diode đối với các diode ở điểm trung tính)

Hình 2.51 Bộ chỉnh lưu của máy phát điện

2.4.2.5 Bộ điều áp (tiết chế) Điều chỉnh điện áp ra sao cho ổn định Có 2 phương pháp điều chỉnh là tăng hoặc giảm từ trường của Rotor và tăng tốc hoặc giảm tốc độ quay của nam châm

Hình 2.52 Tiết chế IC của máy phát điện

2.4.3 Nguyên lý hoạt động của máy phát điện

Có nhiều phương pháp để tạo ra dòng điện, trong đó máy phát điện sử dụng cuộn dây và nam châm để sinh ra điện năng Sức điện động trong cuộn dây sẽ tăng lên khi có sự thay đổi về từ trường hoặc tốc độ quay của nam châm.

- Số vòng dây quấn càng nhiều

- Tốc độ quay của nam châm càng nhanh

Khi nam châm được đưa gần cuộn dây, từ thông qua cuộn dây sẽ tăng lên, trong khi đó, khi cuộn dây được di chuyển ra xa, đường sức từ xuyên qua cuộn dây sẽ giảm xuống.

Cuộn dây tự nhiên không muốn sự biến đổi của từ thông qua nó, do đó, nó tạo ra từ thông theo hướng ngược lại với những thay đổi đang diễn ra Điều này dựa trên lý thuyết vật lý cơ bản và có nhiều ứng dụng trong thực tế.

- Nam châm vĩnh cửu được thay thế bằng nam châm điện ( khi khởi động xe sẽ lấy điện từ acquy)

- Có thêm lõi thép sẽ làm tăng từ thông qua cuộn dây

- Sinh ra từ thông móc vòng làm từ thông thay đổi liên tục.

Nghiên cứu cách truyền tải công suất từ động cơ lên máy phát điện

Động cơ BLDC, với kích thước nhỏ gọn và mô-men xoắn cao, đang ngày càng được ưa chuộng và lựa chọn để thay thế cho động cơ một chiều có chổi than (DC Motor) Sơ đồ khối thu thập dữ liệu từ băng thử động cơ điện cho thấy sự phát triển và ứng dụng của công nghệ này.

Hình 2.54 Sơ đồ mạch tượng trưng động cơ BLDC

Dòng điện qua mỗi pha của động cơ BLDC được xác định như sau:

- R1, R2, R3 là kháng trở của các cuộn dây

- L1, L2, L3 là điện cảm của các cuộn dây

- E1, E2, E3 là điện áp cảm ứng trong mỗi cuộn dây

Cuộn dây Stator của động cơ BLDC được kết nối theo hình sao, do đó không thể xác định hiệu điện thế giữa dây pha và dây trung tính Thay vào đó, hiệu điện thế chỉ có thể được xác định giữa hai dây pha bằng công thức cụ thể.

Hình 2.55 Mạch đấu sao của cuộn dây động cơ BLDC

Giả định rằng động cơ BLDC là một hệ thống cân bằng với các thông số đối xứng (R1 = R2 = R3 và L1 = L2 = L3), các dòng pha trong hệ thống này cần thỏa mãn phương trình i1 + i2 + i3 = 0.

Từ công thức (6) ta có thể suy ra : i3 = – i1 – i2 (7) Thay công thức (7) vào công thức (5) ta được:

Từ công thức (4) và công thức (8), ta có thể tính được dòng điện ở các pha 1 và 2 như sau: di 1

Khi động cơ hoạt động, mô-men điện từ trên trục không thay đổi, do đó cần sinh ra suất điện động (back EMF) cần thiết để duy trì mô-men xoắn ổn định ở mỗi pha, đồng bộ hóa với dòng điện ở pha đối xứng Khi tốc độ động cơ tăng, điện áp cảm ứng trong cuộn dây cũng tăng theo Mối tương quan giữa suất điện động (back EMF) E và tốc độ động cơ ω được thể hiện qua phương trình liên quan đến giá trị từng pha của động cơ.

- Ke là hằng số điện động

- ω là tốc độ của động cơ (rad/s)

- ϴ là vị trí của rotor so với cảm biến Hall

Hình 2.56 dòng điện pha và giá trị sức điện động Emf

Hàm F(ϴ) trong phương trình thể hiện dạng sóng hình thang, có biên độ tối đa là 1 và biên độ tối thiểu là -1 Công suất điện từ của động cơ truyền đến Rotor được tính bằng tổng các tích giữa các dòng trong pha và các suất điện động tương ứng.

Pe = E1i1 + E2i2 + E3i3 (12) Mặt khác công suất điện được tính bởi công thức:

Từ công thức (12) và công thức (13), ta có:

Mme ω = E1i1 + E2i2 + E3i3 (14) Bên cạnh đó mô – men điện từ bằng tích của hằng số mô – men và dòng điện pha, vì thế:

Với: Kt là hằng số mô – men của động cơ

Máy phát điện hoạt động tương tự như động cơ điện một chiều, nhưng khác biệt ở chỗ nó chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện Được kết nối đồng trục với động cơ BLDC qua khớp nối mềm, tỉ số truyền tốc độ quay giữa động cơ và máy phát điện là 1:1 Khi máy phát điện được kích từ bằng bình acquy và kết nối với điện trở tải, Rotor trở thành nam châm điện, tạo ra từ trường xung quanh Sự quay của động cơ làm cho trục máy phát quay, từ trường biến thiên qua cuộn Stator, dẫn đến sự xuất hiện của sức điện động (Emf) thay đổi định kỳ, theo định luật Faraday – Lenz.

- ∆ : sự thay đổi của từ thông

- ∆ : sự thay đổi của thời gian

Dấu trừ trong công thức biểu thị sức điện động (Emf) sinh ra dòng điện (I) và từ trường (B) phản kháng lại sự thay đổi của nó Giả sử sức điện động trong cuộn Stator là E, với kháng trở cuộn dây là r và điện trở tải là Rload, được kết nối như hình 2.57, trong đó dòng điện chạy qua là I.

Hình 2.57 Mạch kết nối giữa điện trở tải và kháng trở cuộn dây

Lúc này điện áp đo được ở hai đầu điện trở tải là V, ta có sự tương quan giữa các đại lượng trên là:

Vì điện trở tải (Rload) được mắc nối tiếp với kháng trở ( r ) cuộn dây, theo định luật Ohm ta có:

Ứng dụng định luật Lenz cho thấy rằng lực từ sinh ra trong cuộn dây dẫn kín khi đặt trong từ trường biến thiên sẽ cản trở chuyển động của Rotor, với độ lớn của lực này được xác định theo quy luật.

- F: lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn kín (N)

Theo công thức (18) và (19), điện trở tải (Rload) là hằng số không đổi, trong khi lực điện từ F tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện (I) Để điều chỉnh giá trị lực từ, ta chỉ cần thay đổi lượng từ thông qua cuộn Stator bằng cách điều chỉnh tốc độ quay của trục Rotor hoặc tốc độ quay của động cơ.

Vỏ máy phát điện gắn liền với Stator, khi lực từ tác động vào cuộn, sẽ khiến vỏ máy phát quay theo chiều lực Load cell được đặt để hấp thụ lực từ vỏ máy phát, đồng thời tạo ra tín hiệu điện áp gửi về máy tính Mô-men tác động từ vỏ máy phát lên Load cell sẽ được ghi nhận trong quá trình này.

- Mload: là mô – men tải (N.m)

- F: lực do Load cell thu được (N)

- R: khoảng cách từ vỏ máy phát đến điểm tác dụng lên Load cell (m)

Dựa trên giá trị mô-men Mload và mô-men của động cơ Mme, có thể kết luận rằng hai giá trị này là bằng nhau.

Giới thiệu phần mềm Inventor

Autodesk Inventor, phần mềm được phát triển bởi Autodesk_USA, chuyên dụng cho thiết kế 3D, cho phép tạo ra các bản vẽ chi tiết Đây là công cụ thiết yếu cho các nhà thiết kế, đặc biệt trong lĩnh vực cơ khí và linh kiện sản phẩm Phần mềm giúp người dùng kiểm soát các linh kiện, thuộc tính và chức năng của sản phẩm, đồng thời giảm thiểu nhu cầu về mô hình vật lý và tiết kiệm chi phí khi thay đổi thiết kế so với phương pháp truyền thống.

Autodesk Inventor cung cấp môi trường thiết kế và phím tắt tương tự như AutoCAD, hỗ trợ tập tin DWG, giúp người dùng dễ dàng chuyển đổi từ bản vẽ 2D sang mô hình 3D Phần mềm này thường được sử dụng để tạo nguyên mẫu kỹ thuật số, cho phép tích hợp các mẫu từ bản vẽ 2D AutoCAD với dữ liệu 3D, tạo ra sản phẩm ảo mà không cần mẫu vật lý Người dùng có thể tận dụng các công cụ thiết kế 3D cơ khí trong Inventor để nghiên cứu và đánh giá mô hình một cách hiệu quả, đồng thời phần mềm còn cung cấp các tính năng khác nhằm nâng cao năng suất làm việc.

Autodesk Inventor là phần mềm thiết kế giúp kết nối chặt chẽ giữa thiết kế, kỹ thuật và sản xuất Nó cho phép tạo ra các nguyên mẫu và thử nghiệm ảo, từ đó giảm thiểu lỗi và nhu cầu lao động thủ công Nhờ vậy, phần mềm này giúp cắt giảm chi phí sản xuất, tăng tốc độ chu kỳ sản xuất và đưa sản phẩm ra thị trường nhanh chóng hơn.

Hình 2.58 Logo của phần mềm Autodesk Inventor.

CÁC THIẾT BỊ THU THẬP DỮ LIỆU

Cảm biến Loadcell

Loadcell là thiết bị cảm biến chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện Nó hoạt động dựa trên khái niệm "strain gage", với cấu trúc có khả năng biến dạng đàn hồi khi chịu lực, tạo ra tín hiệu điện tỷ lệ với sự biến dạng Loadcell thường được sử dụng để cảm ứng các lực lớn, tĩnh hoặc các lực biến thiên chậm, và một số loại Loadcell được thiết kế đặc biệt để đo lực tác động mạnh, tùy thuộc vào thiết kế của chúng.

Hình 3.1 Một số loại Loadcell

3.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Loadcell bao gồm hai thành phần chính: "Strain gage" và "Load" Strain gage là một điện trở nhỏ, chỉ bằng móng tay, có khả năng thay đổi điện trở khi bị biến dạng Nó được cung cấp năng lượng từ một nguồn điện ổn định và được gắn chặt trên Load, là một thanh kim loại đàn hồi chịu tải.

Hình 3.2 Cấu tạo cảm biến Loadcell

Loadcell hoạt động theo nguyên lý cầu điện trở Wheatstone, trong đó giá trị lực tác dụng tỷ lệ thuận với sự thay đổi điện trở cảm ứng Sự thay đổi này dẫn đến tín hiệu điện áp tỷ lệ, cho phép đo lường chính xác lực tác động.

3.1.3 Thông số kỹ thuật cơ bản

Thông số kỹ thuật đại diện cho chất lượng và khả năng hoạt động một cách tối ưu nhất của Loadcell:

- Độ chính xác: cho biết phần trăm chính xác trong phép đo Độ chính xác phụ thuộc tính chất phi tuyến, độ trễ, độ lặp

- Công suất định mức: giá trị khối lượng lớn nhất mà Loadcell có thể đo được

Dải bù nhiệt độ là khoảng nhiệt độ mà đầu ra của Loadcell được điều chỉnh Nếu nhiệt độ nằm ngoài khoảng này, đầu ra sẽ không đảm bảo tuân thủ các thông số kỹ thuật đã được quy định.

- Cấp bảo vệ: được đánh giá theo thang đo IP ( ví dụ IP65: chống được độ ẩm và bụi)

- Điện áp: giá trị điện áp làm việc của Loadcell ( thông thường đưa ra giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất, ví dụ 5 – 15 V)

- Độ trễ: hiện tượng trễ khi hiển thị kết quả dẫn tới sai số trong kết quả Thường được đưa ra dưới dạng % của tải trọng

- Trở kháng đầu vào: trở kháng được xác định thông qua S- và S+ khi Loadcell chưa kết nối vào hệ thống hoặc ở chế độ không tải

- Điện trở cách điện: thông thường đo tại dòng DC 50V Giá trị cách điện giữa lớp vỏ kim loại của Loadcell và thiết bị kết nối dòng điện

- Giá trị ra: kết quả đo được (đơn vị mV)

- Trở kháng đầu ra: cho dưới dạng trở kháng đo được giữa Ex+ và Ex- trong điều kiện Loadcell chưa kết nối hoặc hoạt động ở chế độ không tải

- Quá tải an toàn: là công suất mà Loadcell có thể vượt quá ( ví dụ 125% công suất)

Hệ số tác động của nhiệt độ là đại lượng đo trong điều kiện có tải, phản ánh sự biến đổi công suất của Loadcell khi nhiệt độ thay đổi Cụ thể, nếu hệ số này là 0.01%/100C, điều đó có nghĩa là khi nhiệt độ tăng thêm 100C, công suất đầy tải của Loadcell sẽ tăng 0.01%.

- Hệ số tác động của nhiệt độ tải điểm 0: giống như trên nhưng đo ở chế độ không tải

Có thể phân loại Loadcell như sau:

- Phân loại Loadcell theo lực tác động: chịu kéo (shear Loadcell), chịu nén (compression Loadcell), dạng uốn ( bending), chịu xoắn ( tension Loadcell)

- Phân loại theo hình dạng: dạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu, dạng chữ S

- Phân loại theo kích thước và khả năng chịu tải: bé, vừa, lớn

3.1.5 Ứng dụng của Loadcell nay

Một ứng dụng khá phổ biến của Loadcell là được sử dụng trong các loại cân điện tử hiện

Cân kỹ thuật với độ chính xác cao và cân xe tải có trọng tải lớn đều đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp.

Trong ngành công nghệ cao, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, Loadcell cỡ nhỏ đã được cải tiến về công nghệ và khả năng ứng dụng Thiết bị này được lắp đặt ở đầu ngón tay robot, giúp xác định độ bền kéo và lực nén tác động lên các vật khi robot thực hiện các thao tác cầm nắm hoặc nhấc lên.

Trong các nhà máy công nghiệp, việc phân phối đồng đều trọng lượng sản phẩm là rất quan trọng Các Loadcell được thiết kế chuyên biệt cho các ứng dụng tự động hóa, giúp đảm bảo việc phân phối trọng lượng chính xác và hiệu quả.

Trong cầu đường, Loadcell đóng vai trò quan trọng trong việc cảnh báo độ an toàn của cầu treo Chúng được lắp đặt trên các dây cáp để đo sức căng và sức ép chân cầu trong các điều kiện giao thông và thời tiết khác nhau Dữ liệu thu được sẽ được gửi đến hệ thống thu thập và xử lý, sau đó được xuất ra qua các thiết bị truy xuất như điện thoại, máy tính, hoặc màn hình LCD Nhờ đó, có thể kịp thời cảnh báo về độ an toàn của cầu và thực hiện các biện pháp sửa chữa cần thiết.

Cảm biến dòng ACS758LCB-100B-PFF-T 100A

Cảm biến dòng ACS758LCB-100B-PFF-T 100A là cảm biến dùng để do dòng AC và

Cảm biến hiệu ứng Hall được ứng dụng phổ biến trong điều khiển động cơ, phát hiện tải và quản lý bộ biến tần Thiết bị này hoạt động bằng cách đo dòng điện chạy qua ống dẫn bằng đồng, từ đó xuất ra tín hiệu tuyến tính tương ứng với dòng điện.

Hình 3.4 Cảm biến dòng ACS758

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của cảm biến ACS758

Nhà sản xuất Allegro MicroSystems

Giới hạn dòng đo 100A (AC/DC)

Loại cảm biến Hiệu ứng Hall có vòng lặp mở

Số chân 5 Điện áp hoạt động 3 – 5.5 V

Tín hiệu điện đầu ra 2.5V Độ chính xác ± 1% Độ nhạy 20mV/A

Sơ đồ mạch và chân của cảm biến

Hình 3.5 Sơ đồ mạch và chân cảm biến ACS758

Bản vẽ cắt của cảm biến

Hình 3.6 Bản vẽ cắt cảm biến ACS758.

Cảm biến tốc độ bánh xe

Cảm biến tốc độ bánh xe là thiết bị đo tốc độ không tiếp xúc, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống kiểm soát phanh Chức năng chính của cảm biến này là ngăn chặn hiện tượng hãm cứng phanh khi cần giảm tốc đột ngột Thiết bị được lắp đặt trực tiếp trên hoặc bên cạnh bánh xe, thông qua vòng xung gắn vào các bộ phận như trục bánh xe, đĩa phanh, khớp CV hoặc trục truyền động, giúp đảm bảo độ chính xác trong việc đo tốc độ quay của bánh xe.

Hình 3.7 Vị trí cảm biến tốc độ bánh xe

Cảm biến tốc độ bánh xe gồm hai loại chính: cảm biến điện từ và cảm biến Hall, trong đó cảm biến điện từ được sử dụng phổ biến hơn Cảm biến Hall hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall, tạo ra điện áp khi có dòng điện chạy qua dây dẫn và từ trường vuông góc tác động lên nó Những thay đổi trong từ trường sẽ gây ra sự chênh lệch điện áp, được gửi đến bộ điều khiển dưới dạng tín hiệu sóng vuông Việc kết hợp cảm biến bán dẫn với mạch điện tử giúp bảo vệ cảm biến khỏi xung điện áp và từ trường của nam châm vĩnh cửu Cảm biến Hall ghi lại tốc độ bánh xe thông qua các bánh răng hoặc bộ mã hóa từ thường được lắp đặt trên trục bánh xe, đĩa hoặc ổ trục.

Hình 3.8 Cảm biến tốc độ bánh xe (Hall).

Board Arduino Uno

Arduino UNO R3 là phiên bản thứ ba của kit Arduino UNO, nổi bật với khả năng lập trình cho các ứng dụng điều khiển phức tạp Nó được trang bị cấu hình mạnh mẽ với bộ nhớ ROM, RAM và Flash, cùng với nhiều ngõ vào ra digital I/O, bao gồm các ngõ có khả năng xuất tín hiệu PWM Ngoài ra, Arduino UNO R3 cũng hỗ trợ đọc tín hiệu analog và các chuẩn giao tiếp đa dạng như UART, SPI, TWI (I2C).

Hình 3.10 Các chân của Arduino

Bảng 3.2 Các thông số của Arduino Uno R3

Vi điều khiển Atmega328P Điện áp hoạt động 5V Điện áp cấp (hoạt động tốt) 7 – 12V Điện áp cấp (giới hạn) 6 – 12V

Chân I/O digital 14 (có 6 chân xuất xung PWM)

Dòng điện mỗi chân I/O 20mA

Bộ nhớ Flash 32kB (Atmega328P) – trong đó 0.5kB dùng cho bootloader

Tốc độ xung nhịp 16 MHz

3.4.1 Sơ đồ chân của Atmega328P

Hình 3.11 Sơ đồ chân Atmega328P của Arduino

Các chân I/O digital (chân 2-13) trên vi điều khiển được sử dụng để nhập và xuất tín hiệu số thông qua các hàm pinMode(), digitalWrite(), và digitalRead() Điện áp tối đa cho phép là 5V, và dòng điện tối đa an toàn qua các chân này là 20mA; việc cấp dòng vượt quá 40mA có thể gây hư hỏng cho vi điều khiển.

- Analog: Uno có 6 chân Input analog (A0 – A5), độ phân giải mỗi chân là 10 bit (0 –

1023) Các chân này dùng để đọc tín hiệu điện áp 0 – 5V (mặc định) tương ứng với 1024 giá trị, sử dụng hàm analogRead()

- PWM: các chân được đánh số 3, 5, 6, 9, 10, 11; có chức năng cung cấp xung PWM (8 bit) thông qua hàm analogWrite()

- UART: Atmega328P cho phép truyền dữ liệu thông qua hai chân 0 (RX) và chân 1 (TX)

Có hai cách cấp nguồn chính cho bo mạch Uno: cổng USB và jack DC

Giới hạn điện áp cho Uno nằm trong khoảng 6 – 20V, nhưng dải điện áp khuyên dùng là từ 7 – 12V, với 9V là mức tối ưu Nếu nguồn cấp dưới 7V, điện áp tại chân 5V có thể giảm xuống thấp hơn mức yêu cầu.

5V và mạch có thể hoạt động không ổn định; nếu nguồn cấp lớn hơn 12V có thể gây nóng bo mạch hoặc có thể bị hỏng

Các chân nguồn trên Uno:

- Vin: chúng ta có thể cấp nguồn cho Uno thông qua chân này Cách cấp nguồn này ít được sử dụng

- 5V: Chân này có thể cho nguồn 5V từ bo mạch Uno Việc cấp nguồn vào chân này hay

“chân 3.3V” đều có thể phá hỏng mạch

- 3.3V: Chân này cho nguồn 3.3V và dòng điện tối đa là 50mA

Mạch chuyển đổi ADC 24bit HX711

Đây là module chuyển đổi tương tự số ADC: Độ phân giải 24bit và giao tiếp 2 dây với vi điều khiển: 2 chân SCK (Clock) và DT (Data)

- Tốc độ lấy mẫu: 10 – 80 SPS ( có thể tùy chỉnh)

- Độ phân giải điện áp: 40mV

Do tín hiệu đầu ra của Loadcell rất nhỏ, chỉ khoảng 1 – 3mV, nên cần sử dụng bộ chuyển đổi ADC có độ phân giải phù hợp để có thể đọc được tín hiệu truyền đến ở mức điện áp này.

Màn hình LCD 2004 tích hợp I2C

Hình 3.13 Màn hình LCD 2004 tích hợp I2C

Màn hình LCD 2004 là màn hình hiển thị 20 kí tự 4 dòng Được sử dụng để hiển thị các thông số của các cảm biến truyền tín hiệu về

Thông số kỹ thuật của màn hình LCD 2004:

- LCD: 2004 kí tự (HD44780) hiển thị thông thường

- Điện áp hoạt động 5VDC

Bảng 3.3 Các chân của màn hình LCD 2004

Chân Ký hiệu Mô tả Giá trị

3 VO Điều khiển độ sáng màn hình

4 RS Lựa chọn thanh ghi RS=0 (mức thấp) chọn thanh ghi lệnh

RS=1 (mức cao) chọn thanh ghi dữ liệu

5 RW Chọn thanh ghi đọc/viết dữ liệu RW=0 thanh ghi viết

6 E Enable(Cho phép ghi vào

7 D0 Chân truyền dữ liệu 8bit

11 D4 Chân truyền dữ liệu 4/8bit

15 VDD Cực dương đèn LED nền 5V

16 K Cực âm đèn LED nền 0V

Thông số kỹ thuật của I2C:

- Điện áp hoạt động 2.5 – 6VDC

- Hỗ trợ màn hình: LCD1602, 1604, 2004 (driver HD44780)

- Địa chỉ mặc định: 0x3F (có thể điều chỉnh ngắn mạch chân A0, A1, A2)

- Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt

- Tích hợp biến trở xoay chiều điều chỉnh độ tương phản cho LCD.

THIẾT KẾ VÀ THỬ NGHIỆM BĂNG THỬ ĐỘNG CƠ ĐIỆN

Định dạng
Số trang	111
Dung lượng	3,49 MB