Thiết kế phương tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC

MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vii DANH MỤC CÁC HÌNH viii DANH MỤC CÁC BẢNG xi Chƣơng TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Thực trạng tính cấp thiết đề tài 1.2 Biệp pháp 1.3 Đề xuất Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu động điện BLDC 2.1.1 Giới thiệu chung so sánh 2.1.2 Ƣu nhƣợc điểm BLDC 2.1.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động BLDC 2.1.3.1 Cấu tạo 2.1.3.2 Nguyên lý hoạt động 2.1.4 Cảm biến vị trí Hall-sensor 2.1.5 Động điện HUB motor 10 2.2 Sơ đồ thuật toán điều khiển 12 2.2.1 Nguyên lý điều khiển 12 iv 2.2.2 Sơ đồ mạch điều khiển xe: 16 2.3 Thuật toán điều khiển PID 18 2.4 Kết nối module Blutooth giao tiếp board Arduino 21 2.4.1 Giới thiệu module Bluetooth 21 2.4.2 Sơ đồ khối kết nối Bluetooth 22 2.4.3 Giao tiếp board Arduino 23 Chƣơng THI CÔNG 26 3.1 Thiết kế 26 3.1.1 Thiết kế tổng quan 26 3.1.1.1 Kết cấu xe 26 3.1.1.2 Khung sƣờn 31 3.1.1.3 Bas gá bánh trƣớc 33 3.1.1.4 Hệ thống treo bánh sau 34 3.2 Mạch điều khiển 40 3.2.1 Mạch remote 40 3.2.2 Mạch điều khiển 42 3.2.3 Mạch driver 43 3.2.4 Mạch nguồn LM2596 44 3.2.5 IC MCP4921 45 3.2.6 Nguồn Accu 46 3.3 Sau hồn thành cơng đoạn gia công lắp ghép 47 Chƣơng THỬ NGHIỆM 50 4.1 Mục đích việc thử nghiệm 50 v 4.2 Phƣơng pháp thử nghiệm 50 4.3 Tiến hành 50 Chƣơng KẾT LUẬN 54 5.1 Mục tiêu đạt đƣợc sau đồ án 54 5.2 Hạn chế trình thực đồ án 54 5.3 Phƣơng pháp khắc phục 55 5.4 Đề xuất phát triển đồ án 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU BLDC Brushless DC Motor DAC Digital Analog Converter ĐCMC Động Cơ Một Chiều GTO Gate turn-off thyristor IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field-EffectTransistor PID Propotional Integral Derivative RPM Revolutions Per Minute vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo rotor stator Hình 2.2 Đồ thị hình dạng sức phản điện động BLDC Hình 2.3 Quá trình cung cấp dòng luân phiên cực stator Hình 2.4 Động trang bị cho xe WALKCAR 11 Hình 2.5 Sơ đồ truyền động cơng suất xe 12 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý điều khiển 13 Hình 2.7 Hình mơ động học xe chuyển hƣớng 15 Hình 2.8 Xung từ cảm biến Hall bánh xe gửi điều khiển 15 Hình 2.9 Sơ đồ mạch remote mơ phần mềm protus 16 Hình 2.10 Sơ đồ mạch điều khiển xe 17 Hình 2.11 Sơ đồ giải thuật PID 18 Hình 2.12 Đồ thị tốc độ bánh xe điều khiển PID 20 Hình 2.13 Module HC-05 module HC-06 21 Hình 2.14 Sơ đồ nối chân HC-05 với Arduino 22 Hình 2.15 Sơ đồ nối chân HC-05 với Arduino 23 Hình 2.16 Sơ đồ giao diện UART 23 Hình 2.17 Sơ đồ đƣờng truyền liệu 24 Hình 3.1 Hình chiếu xe 27 Hình 3.2 Hình chiếu cạnh xe 27 Hình 3.3 Hình chiếu từ dƣới lên xe 28 Hình 3.4 Ảnh xe nhìn từ xuống 29 Hình 3.5 Ảnh xe nhìn từ góc 3/4 phía trƣớc 29 viii Hình 3.6 Ảnh xe nhìn từ góc 3/4 phía sau 30 Hình 3.7 Ảnh xe nhìn từ phía sau 30 Hình 3.8 Tấm carbon cốt sợi thủy tinh 31 Hình 3.9 Hình khung sau gia công máy CNC 32 Hình 3.10 Bảng vẽ kích thƣớc bas gắn bánh trƣớc 33 Hình 3.11 Bas gắn bánh trƣớc sau hoàn thành 34 Hình 3.12 Bản vẽ bas gắn vào khung sƣờn 35 Hình 3.13 Bản vẽ bas gắn với bánh xe 36 Hình 3.14 Kích thƣớc lị xo 36 Hình 3.15 Bản vẽ trục liên kết bas 37 Hình 3.16 Hình ảnh mơ tăng 38 Hình 3.17 Hình ảnh mơ góc nghiêng β 38 Hình 3.18 Hình ảnh mơ hệ thống treo solidwork 39 Hình 3.19 Hình ảnh hệ thống treo bánh sau hồn thiện 39 Hình 3.20 Sơ đồ điều khiển 40 Hình 3.21 Ảnh Joystick thực tế 40 Hình 3.22 Sơ đồ mạch Joystick 41 Hình 3.23 Mạch điều khiển 42 Hình 3.24 Sơ đồ dây mạch driver 43 Hình 3.25 Mạch nguồn LM2596 44 Hình 3.26 MCP4921 45 Hình 3.27 Accu GS-12V-6A 46 Hình 3.28 Mạch điều khiển sau hoàn thành 47 ix Hình 3.29 Hình ảnh mặt dƣới xe 48 Hình 3.30 Hình ảnh xe nhìn từ góc 3/4 phía sau 48 Hình 3.31 Hình ảnh xe nhìn từ góc 3/4 phía trƣớc 49 Hình 3.32 Hình ảnh xe nhìn từ phía sau 49 Hình 4.1 Đồ thị thể tốc độ động xe thẳng không tải 51 Hình 4.2 Đồ thị thể tốc độ động xe thẳng có tải 51 Hình 4.3 Đồ thị thể tốc độ động xe rẽ trái 52 Hình 4.4 Đồ thị thể tốc độ động xe rẽ phải 53 x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 So sánh đặc điểm BLDC với động thông thƣờng Bảng 3.1 Bảng giá trị kích thƣớc xe 26 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật mạch LM2596 44 Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật IC MCP4921 45 Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật Accu 46 xi Chƣơng TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Thực trạng tính cấp thiết đề tài Vấn đề ùn tắc giao thông, ô nhiễm môi trƣờng mối quan tâm hàng đầu cấp bách với tồn giới nói chung Việt Nam nói riêng Điền hình nội thành trung tâm thành phố lớn Tính đến ngày 15/11/2016, thành phố quản lý 7,8 triệu phƣợng tiện chƣa kể triệu phƣơng tiện biển số tỉnh chạy hàng ngày lƣu thông địa bàn Cùng với đó, thành phố có 11.000 xe taxi, 15.000 xe hợp đồng dƣới chỗ 2.764 xe buýt hoạt động ngày Trong 11 tháng năm 2016 địa bàn tp.hcm xảy 27 vụ ùn tắc giao thông cao điểm Tốc độ lƣu thông phƣơng tiện vào cao điểm khu vực trung tâm thành phố đạt 19,3km/h Để giải vấn đề có số kiến nghị ban hành việc cấm xe máy nội thành Việc ban hành cấm xe máy nội thành giải pháp tất yếu nhằm giảm tình trạng ùn tắc giao thơng, tiếng ồn nhƣ giảm đáng kể lƣợng khí thải mơi trƣờng góp phần bảo vệ mơi trƣờng tự nhiên, môi trƣờng sống, môi trƣờng để đất nƣớc phát triển bền vững Tuy nhiên thời kỳ đất nƣớc hội nhập phát triển đòi hỏi ngƣời phải hoạt động di chuyển nhiều đồng nghĩa với nhu cầu sử dụng phƣơng tiện lƣu thông đặc biệt xe máy cao hơn, nên dãn dễ đến tình trạng ùn tắc giao thông Yêu cầu đặt cần phải có phƣơng tiện thay đảm bảo an tồn nhƣ tình trạng tiếng ồn, nhiễm tham gia lƣu thơng nội thành Do việc chung tay bảo vệ môi trƣờng sản phẩm công nghệ thiết thực không đến từ sinh viên mà cịn sinh viên tồn Việt Nam, nhận thấy đƣợc mặt tích cực dƣới phát động khuyến khích từ thầy hiệu trƣởng nhà trƣờng khoa khí động lực, tạo điều kiện giúp đỡ, tiếp thêm động lực cho sinh viên chúng em tự tin để hoàn thành sản phẩm nghiên cứu thiết kế phƣơng tiện di chuyển cá nhân sử dụng động BLDC 1.2 Biệp pháp Hiện có số phƣơng pháp đƣợc đƣa nhằm khắc phục tình trạng ùn tắc giao thông nhƣ giảm thiểu ô nhiễm mơi trƣờng nhƣ:  Khuyến khích sử dụng xe bt vói nguồn nhiên liệu LPG,CNG làm phƣơng tiện lƣu thông  Dự án tàu điện đƣa vào hoạt động vài năm tới  Cấm xe máy nội thành 1.3 Đề xuất “Phƣơng tiện di chuyển nhân sử dụng động BLDC” công nghệ đƣợc nhiều quốc gia giới phát triển đặc biệt Nhật Tại Việt Nam nay,chỉ hành số phƣơng tiện cá nhân 2, bánh nhƣng chƣa rộng rãi chƣa đƣợc ngƣời tiêu dùng coi yếu tố định giá thành muc đích sử dụng Nhiều quốc gia giới đƣa vào sử dụng rộng rải, cho thấy đƣợc tiện nghi Nói đến tiện nghi, câu hỏi đặt không xe đạp xe điện hay loại xe khác mà lại sử dụng “Phƣơng tiện di chuyển nhân sử dụng động BLDC” Nếu nhƣ xe đạp xe điện có ƣu “Phƣơng tiện di chuyển nhân sử dụng động BLDC” có ƣu riêng Đối với ngƣời làm việc sinh sống nội thành việc sử dụng xe đạp xe điện việc lƣu thông hồn tồn hợp lí, nhiên ngƣời làm việc nội thành nhƣng phải sinh sống thành phố thi việc sử dụng xe đạp xe điện lại q cơng kềnh để mang bên Do đê giải vấn đề nhà nƣớc đƣa đề xuất cấm xe máy lƣu thơng nội thành việc kết hợp sử dụng xe buýt làm phƣơng tiện di chuyển khoản cách xa đồng thời sử dụng “Phƣơng tiện di chuyển nhân sử dụng động BLDC” khoảng cách gần nhƣ quan, cửa hàng đến trạm xe buýt ngƣợc lại khả quan Với ƣu điểm bật phƣơng tiện di chuyển cá nhân “Phƣơng tiện di chuyển nhân sử dụng động BLDC”, với thực trạng Việt Nam nên 3.2.2 Mạch điều khiển Hình 3.23 Mạch điều khiển  Mạch điều khiển gồm chi tiết: - A - Mạch nguồn LM2596 cung cấp cho toàn bo mạch - B - Mạch Arduino nano - C - IC MCP4921 chuyển đổi DAC - D - Modul Bluetooth HC-06 - 1,8 - Giắc cấp nguồn cho driver mà motor - 2,7 - Giắc xuất tín hiệu điện áp điều khiển đến driver - 3,6 - Giắc kết nối chân đọc cảm biến Hall từ driver - 7,8 - Giắc kết nối với cảm biến Hall motor - 13 - Giắc cắm nguồn tổng cho bo mạch mô tơ 42 3.2.3 Mạch driver Hình 3.24 Sơ đồ dây mạch driver  Thứ tự dây mạch driver: - 1,8 - dây đảo chiều quay động - 2,9 - dây pha kết nối với motor - 3,7 - Giắc kết nối với giắc đọc cảm biến Hall mạch - 4,6 - Giắc nhận giá trị điện áp điều khiển từ mạch 43 - - Giắc cấp nguồn 36V cho mạch driver 3.2.4 Mạch nguồn LM2596 Hình 3.25 Mạch nguồn LM2596 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật mạch LM2596 Điện áp đầu vào 4.5 - 35V Điện áp đầu 1.3 - 30V Dòng điện max 3A Hiệu suất chuyển đổi 92% Tần số chuyển đổi 150 KHz Kích thƣớc Dài x Rộng x Cao 48 x 23 x 14 mm 44 3.2.5 IC MCP4921 Hình 3.26 MCP4921 Sơ đồ chân IC MCP4921: 1-VDD cấp nguồn dƣơng 5-LDAC chốt ngõ vào 2-CS Chip Select 6-VREFA điện áp tham chiếu 3-SCK Clock 7-AVSS nối mass 4-SDI Serial Data In 8- VOUTA ngõ analog Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật IC MCP4921 Độ phân giải 12 bit Điện áp hoạt động 2.7 - 5V Thời gian xác lập ngõ 4.5us Dòng điện tiêu thụ 175uA Giải nhiệt độ hoạt động -400C - 1250C 45 3.2.6 Nguồn Accu Hình 3.27 Accu GS-12V-6A Sử dụng accu ghép nối tiếp để đƣợc điện áp36V Do có cấu tạo đặc biệt nên lƣợng dung dịch điện phân Ắc quy không q trình nạp - xả nhƣ Ắc quy thơng thƣờng Cấu tạo cho nguyên lý nhờ cách giấy thủy tinh AGM có khả tái tạo nƣớc đến 99% kết hợp với hệ thống van đặc biệt Ắc quy Bảng 3.4 Thơng số kỹ thuật Accu Loại bình Accu khơ, sử dụng công nghệ VRLA Điện áp định mức 12V Dịng phóng max 6Ah Dịng phóng 0.6Ah (trong 10h) Dịng sạc thơng thƣờng 0.6A x 5~10 (h) Dịng sạc nhanh 6.0A x 0.5 (h) 46 3.3 Sau hoàn thành cơng đoạn gia cơng lắp ghép Hình 3.28 Mạch điều khiển sau hoàn thành  Mạch điều khiển sau hoàn thành đƣợc đặt vị trí xe để dễ dàng kết nối dây với mô tơ điện  Kết nối với bus dây cảm biến HAll giắc pha mô tơ 47 Hình 3.29 Hình ảnh mặt dƣới xe Hình 3.30 Hình ảnh xe nhìn từ góc 3/4 phía sau 48 Hình 3.31 Hình ảnh xe nhìn từ góc 3/4 phía trƣớc Hình 3.32 Hình ảnh xe nhìn từ phía sau 49 Chƣơng THỬ NGHIỆM 4.1 Mục đích việc thử nghiệm Nhằm đánh giá độ ổn định xe 4.2 Phƣơng pháp thử nghiệm Thử nghiệm chế độ (đi thẳng, quẹo trái quẹo phải) xe hai chế độ khơng tải có tải 4.3 Tiến hành  Bƣớc 1: - Cho xe chạy chế độ không tải - Chạy theo chế độ thẳng, quẹo trái quẹo phải - Xử lí số liệu  Bƣớc 2: - Cho xe chạy chế độ có tải - Chạy theo chế dộ thẳng, quẹo trái quẹo phải - Xử lí số liệu 50  Từ thực nghiệm ta có đƣợc đồ thị sau: Tốc độ bánh xe thẳng 350 300 Tốc độ(RPM) 250 200 Bánh xe trái 150 Bánh xe phải 100 50 0,2 0,6 1,4 1,8 2,2 2,6 3,4 3,8 4,2 4,6 5,4 5,8 6,2 6,6 7,4 7,8 8,2 8,6 Thời gian (s) Hình 4.1 Đồ thị thể tốc độ động xe thẳng không tải Hình 4.2 Đồ thị thể tốc độ động xe thẳng có tải 51 Theo nhƣ đồ thị ta thấy: Ở đồ thị Hình 4.1 Từ lúc bắt đầu tăng tốc đến khoảng 1,2s tốc độ động hoạt động tƣơng đối ổn định nhau, xe thẳng Đến khoảng 2,7s động phải quay chậm 2,9s động đƣợc PID điều khiển bù tốc độ lúc động quay với tốc độ ổn định nhƣ nhau, xe tiếp tục chạy thẳng Đến khoảng 7s bắt đầu giảm tốc độ động Ở đồ thị Hình 4.2 Ta thấy động trái có xu hƣớng hoạt động ổn định, tốc độ quay nhanh động phải Hai động khơng đồng tốc làm xe có xu hƣớng lệch phải Tốc độ bánh xe rẽ trái 350 300 Tốc độ (RPM) 250 200 Bánh xe trái 150 Bánh xe phải 100 50 0,2 0,6 1,4 1,8 2,2 2,6 3,4 3,8 4,2 4,6 5,4 5,8 6,2 6,6 7,4 7,8 Thời gian (s) Hình 4.3 Đồ thị thể tốc độ động xe rẽ trái Theo nhƣ đồ thị ta thấy: Từ lúc bắt đầu động hoạt động ổn định đến khoảng từ 3s đến 3,8s tốc độ động trái giảm đột ngột Sau tốc độ động trái đƣợc ổn định tốc độ khoảng 200 v/p 52 Đồng thời khoảng thời gian động phải giữ tốc độ ban đầu khoảng 300 v/p Do có khác tốc đồng (phải > trái) xe rẽ trái Tốc độ bánh xe rẽ phải 350 300 Tốc độ (RPM) 250 200 Bánh xe trái 150 Bánh xe phải 100 50 0,2 0,6 1,4 1,8 2,2 2,6 3,4 3,8 4,2 4,6 5,4 5,8 6,2 6,6 7,4 7,8 Thời gian (s) Hình 4.4 Đồ thị thể tốc độ động xe rẽ phải Đến khoảng từ 2,7s đến 3,5s tốc độ động phải giảm đột ngột Sau tốc độ động phải đƣợc ổn định khoảng 210 v/p Đồng thời khoảng thời gian động trái giữ tốc độ ban đầu khoảng 300 v/p Do có khác tốc đồng (phải < trái) xe rẽ phải 53 Chƣơng KẾT LUẬN 5.1 Mục tiêu đạt đƣợc sau đồ án - Tìm hiểu, nghiên cứu thiết kế đƣợc phƣơng tiện di chuyển ca nhân “WALKCAR” - Nghiên cứu động BLDC, nguyên lý hoạt động nhƣ phƣơng thức điều khiển lại động - Nghiên cứu Arduino nhƣ lập trình Arduino phục vụ cho việc giao tiếp điều khiển động BLDC Từ học hỏi đƣơc thêm nhiều kinh nghiệm, kiến thức bổ ích - Nghiên cứu board mạch PCB nhƣ cách vẽ board Orcad hàn linh kiện điện tử - Sử dụng đƣợc phần mềm chuyên ngành nhƣ SolidWorks, Proteus, phục vụ thiết kế mô sản phẩm - Hoàn thành đƣợc phần sở lý thuyết nhƣ hƣớng dẫn thi công sử dụng nhằm mục đích làm tài liệu tham khảo cho sinh viên khóa sau kế thừa, với mong muốn giúp bạn khóa sau tiết kiệm đƣợc thời gian, chi phí, chất lƣợng đƣợc cải thiện cải tiến đáng kể 5.2 Hạn chế trình thực đồ án Tuy nhiên trình thực đồ án chúng em gặp phải khó khăn hạn chế định nhƣ sau: - Một số chi tiết phải gia cơng bên ngồi tự gia cơng tay, dẫn đến việc thiếu xác q trình hồn thành, nên phần ảnh hƣởng đến chất lƣợng sản phẩm - Việc lựa chọn sử dung linh kiện chƣa tốt, hay làm hỏng linh kiện chi tiết quan trong thao tác hàn mạch - Về hệ thống điều khiển cịn yếu việc lập trình nên phải nhận nhiều giúp đỡ từ Thầy Th.S Nguyễn Trung Hiếu 54 - Trong q trình tính tốn thơng số nhóm khơng thể tránh khỏi sai sót - Sử dụng mơ tơ cũ nên cịn sai số q trình nhận tín hiệu để điều khiển - Cịn yếu kiến thức lập trình 5.3 Phƣơng pháp khắc phục - Kỹ lƣỡng khâu làm mạch - Học hỏi trau dồi thêm phần lập trình điều khiển - Nghiên cứu sâu hệ thống xe để đƣa thông số phù hợp - Lựa chon loại mô tơ có tín hiệu Hall đƣa ổn định có kích thƣớc nhỏ hơn,nhẹ - Tính tốn mô thật kỹ trƣớc đƣa vào thi công để tránh sai sót giảm đƣợc kinh phí chế tạo 5.4 Đề xuất phát triển đồ án - Tiếp tục cải thiện tính động học xe - Cải thiện kết cấu xe - Cải thiện mạch điều khiển - Viết App giao tiếp với điện thoại - Ứng dụng sạc nhanh - Sạc không dây - Ứng dụng IoT vào xe 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://learn.sparkfun.com/tutorials/serial-peripheral-interface-spi [2] https://kienltb.wordpress.com/2015/04/05/chuan-giao-tiep-spi/ [3] http://www.circuitbasics.com/basics-uart-communication/ [4] http://www.martyncurrey.com/arduino-and-hc-06-zs-040/ [5] http://www.martyncurrey.com/arduino-with-hc-05-bluetooth-module-at-mode/ [6] http://www.martyncurrey.com/connecting-2-arduinos-by-bluetooth-using-a-hc-05and-a-hc-06-pair-bind-and-link/ [7] https://www.huongnghiepviet.com/codientu/ki_thuat_cdt/dien_tu/vi_mach_so/chu ong_6/01_dac_01.html [8] http://www.electricaltechnology.org/2016/05/bldc-brushless-dc-motorconstruction-working-principle.html [9] http://www.learnengineering.org/2014/10/Brushless-DC-motor.html 56 ... thời sử dụng “Phƣơng tiện di chuyển nhân sử dụng động BLDC? ?? khoảng cách gần nhƣ quan, cửa hàng đến trạm xe buýt ngƣợc lại khả quan Với ƣu điểm bật phƣơng tiện di chuyển cá nhân “Phƣơng tiện di chuyển. .. di chuyển nhân sử dụng động BLDC? ?? Nếu nhƣ xe đạp xe điện có ƣu “Phƣơng tiện di chuyển nhân sử dụng động BLDC? ?? có ƣu riêng Đối với ngƣời làm việc sinh sống nội thành việc sử dụng xe đạp xe điện... sử dụng Nhiều quốc gia giới đƣa vào sử dụng rộng rải, cho thấy đƣợc tiện nghi Nói đến tiện nghi, câu hỏi đặt không xe đạp xe điện hay loại xe khác mà lại sử dụng “Phƣơng tiện di chuyển nhân sử