(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế phương tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế phương tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế phương tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế phương tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế phương tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế phương tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế phương tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế phương tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế phương tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế phương tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế phương tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế phương tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế phương tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế phương tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế phương tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế phương tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế phương tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế phương tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHƢƠNG TIỆN DI CHUYỂN CÁ NHÂN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ BLDC SVTH : TR ẦN MẠNH CƢỜNG MSSV : 13145047 SVTH : TRƢƠNG THÁI TRANG MSSV : 13145283 KHÓA : 2013-2017 GVHD : ThS NGUYỄN TRUNG HIẾU Tp Hồ Chí Minh, Tháng năm 2017 LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian từ bắt đầu thực đề tài “Thiết kế phƣơng tiện di chuyển cá nhân sử dụng động BLDC”, chúng em nhận đƣợc nhiều quan tâm giúp đỡ bảo tận tình q Thầy Cơ Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh bạn bè Với lòng biết ơn chân thành sâu sắc, chúng em xin đƣợc gởi lời cảm ơn đến: Thầy Th.S Nguyễn Trung Hiếu, giảng viên Bộ Mơn Điện Ơ Tơ - Khoa Cơ Khí Động Lực - Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh ngƣời tận tình hƣớng dẫn, theo dõi bảo chúng em suốt thời gian thực đề tài Đồng thời chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy Th.S Lê Quang Vũ tạo điều kiện cho chúng e mƣợn Phịng Thí Nghiệm Điều Khiển Tự Động Ô Tô để làm nơi thực đề tài Quý Thầy Cơ Khoa khí động lực đặc biệt q Thầy Bộ Mơn Điện Ơ Tơ tận tình bảo giúp đỡ tạo điều kiện cho nhóm em thời gian thực đề tài Q Thầy Cơ Khoa Cơ Khí Động Lực Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh dạy, truyền đạt kiến thức môn đại cƣơng nhƣ môn chuyên ngành, giúp chúng em có đƣợc sở lý thuyết vững vàng để chúng em hồn thành đề tài Các bạn sinh viên, trao đổi đóng góp ý kiến giúp đỡ chúng tơi thời gian vừa qua Vì kiến thức thân cịn hạn chế, q trình thực tập, hồn thiện đề tài chúng em khơng tránh khỏi sai sót, kính mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp từ q Thầy Cơ để luận văn đƣợc hoàn thiện Sau cùng, chúng em xin kính chúc q Thầy Cơ Khoa Cơ Khí Động Lực-Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, chúc Thầy Cơ ln dồi sƣc khỏe, đạt đƣợc nhiều thành công công việc sống i Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn! Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 07 năm 2017 Nhóm sinh viên thực Trần Mạnh Cường - Trương Thái Trang ii TÓM TẮT Trong 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 thơng, nhiễm khói bụi tham gia giao thông nội thành Yêu cầu đặt cần phải có phƣơng tiện thay đảm bảo an tồn nhƣ tình trạng tiếng ồn, nhiễm tham gia lƣu thông nội thành Phƣơng tiện di chuyển cá nhân sử dụng động BLDC với thiết kế nhỏ gọn, tiện lợi mang theo phƣơng pháp hợp lý Nhằm khắc phục đƣợc tình trạng kẹt xe sử dụng phƣơng tiện di chuyển cá nhân sử dụng động BLDC thay thay xe máy việc lƣu thông nội thành Nhận đƣợc thực trạng đó, dƣới phân cơng hƣớng dẫn Thầy Th.S Nguyễn Trung Hiếu, chúng em chọn đề tài thiết kế phƣơng tiện di chuyển cá nhân sử dụng động BLDC Vấn đề nghiên cứu: - Tìm hiểu phƣơng thức hoạt động đông BLDC - Thiết kế chế tạo mô hình xe di chuyển cá nhân sử dụng động BLDC Phƣơng pháp giải vấn đề: - Sừ dụng nguồn tài liệu Internet để tìm hiểu động BLDC, cách kết nối nhƣ phƣơng thức truyền thiết bị module - Tìm vật liệu để thi công khung sƣờn xe, bas gá động trƣớc, chế hệ thống treo cho bánh lựa phía sau Kết đạt đƣợc: - Nắm đƣợc số kiến thức lập trình - Hồn thành mô phƣơng tiện di chuyển cá nhân sử dụng động BLDC iii 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 hoàn thành công 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 Q trình cung cấp dịng ln phiên cực stator Hình 2.4 Động trang bị cho xe WALKCAR 11 Hình 2.5 Sơ đồ truyền động công 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 mô 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 cơng 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 mô hệ thống treo solidwork 39 Hình 3.19 Hình ảnh hệ thống treo bánh sau hoàn 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 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 Thơng 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 khơng 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 Thông số kỹ thuật Accu Loại bình Accu khơ, sử dụng cơng 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) Dòng sạc nhanh 6.0A x 0.5 (h) 46 3.3 Sau hồn 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 mơ 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 khơng 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 không 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 mơ sản phẩm - Hồn thành đƣợc phần sở lý thuyết nhƣ hƣớng dẫn thi cơng 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 công 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 thơng số phù hợp - Lựa chon loại mơ tơ có tín hiệu Hall đƣa ổn định có kích thƣớc nhỏ hơn,nhẹ - Tính tốn mơ thật kỹ trƣớc đƣa vào thi cơng 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 ... tiện di chuyển cá nhân sử dụng động BLDC với thiết kế nhỏ gọn, tiện lợi mang theo phƣơng pháp hợp lý Nhằm khắc phục đƣợc tình trạng kẹt xe sử dụng phƣơng tiện di chuyển cá nhân sử dụng động BLDC. .. tài thiết kế phƣơng tiện di chuyển cá nhân sử dụng động BLDC Vấn đề nghiên cứu: - Tìm hiểu phƣơng thức hoạt động đông BLDC - Thiết kế chế tạo mơ hình xe di chuyển cá nhân sử dụng động BLDC. .. 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