Trang 10 TÓM TẮT ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BĂNG THỬ CÔNG SUẤT MOTOR XE ĐIỆN CỠ NHỎ Lý do chọn đề tài: Ngày nay, với sự phát triển ngày càng mạnh của ngành công nghiệp ô tô thì ô tô đã dần chiếm m
TỔNG QUAN
Lí do chọn đề tài
Hiện nay, sự phát triển của ngành ô tô điện đang ngày càng lớn mạnh và được quan tâm hơn do vấn đề ô nhiễm khí thải trên toàn cầu Trong biểu đồ so sánh những nguồn thải ra CO2 ở Mỹ trong năm 2019, ta có thể thấy được lượng khí thải mà những phương tiện vận chuyển sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch thải ra chiếm đến hơn 1/4 tổng lượng
CO2 (26%) Bên cạnh đó là bài toán về các nhiên liệu hóa thạch, các nhiên liệu hiện được sử dụng cho xe ô tô hiện nay đang dần cạn kiệt và giá thành lại ngày một tăng lên
Hình 1 1: Biểu đồ khí thải nhà kính ở Mỹ theo từng lĩnh vực [3]
Và một giải pháp mà người dùng ô tô để có thể giải quyết được những vấn đề này đó là sử dụng xe điện, nguồn nhiên liệu chính của xe là điện có thể được tạo ra một cách rất dễ dàng và giá thành cũng không quá đắt đỏ Ta có thể thấy thông qua một báo cáo về lượng ô tô điện được đăng ký qua mỗi năm từ 2018 – 2021 tại Anh đã chỉ ra rằng số lượng ô tô điện được đăng ký tăng gần như gấp đôi qua mỗi năm
Hình 1 2: Lượng tiêu thụ ô tô điện tại Anh từ năm 2018 – 2021 [4]
Các quốc gia trên toàn thế giới cũng đang dần lên kế hoạch để thay thế các dòng xe chạy bằng các nhiên liệu như xăng, dầu… bằng xe điện:
- Nhật Bản : Đây là một những quốc gia đầu tiên trong việc thay đổi hoàn toàn xe xăng, dầu bằng xe lai điện hoặc xe điện Mục tiêu đến năm 2050 của Nhật sẽ có thể trung hòa Carbon
- Hàn Quốc: Mục tiểu đến năm 2030 sẽ có được 7.85 triệu chiếc xe điện và đến năm
2050 cũng sẽ đạt được mục tiêu trung hòa Carbon
- Pháp: Mục tiêu đến năm 2040 sẽ ngưng sử dụng hoàn toàn xe dầu, xăng và thay bằng xe điện
- Anh: Năm 2030, Anh sẽ cho ngưng sử dụng hoàn toàn xe chạy bằng xăng, dầu trên lãnh thổ
Và cũng như các loại xe sử dụng các loại nguyên liệu khác, vấn đề về tối ưu hóa khả năng vận hành luôn là một vấn đề mà bất kỳ nhà sản xuất ô tô nào cũng muốn hướng đến cho các dòng xe của mình Làm sao để có thể đánh giá một loại động cơ mới một cách hiệu quả, nhanh chóng cũng như chính xác là một vấn đề đang nhận được rất nhiều sự chú ý của các nhà sản xuất xe cũng như các kỹ sư nghiên cứu
Từ mối quan tâm đó mà các kỹ sư đã nghiên cứu và chế tạo một hệ thống là băng thử công suất Đây là một phương pháp được sử dụng rất phổ biến hiện nay để giải quyết vấn đề thử nghiệm nhanh công suất của các động cơ điện Từ băng thử công suất, người dùng có thể vận hành động cơ điện ở nhiều chế độ khác nhau và kiểm tra được rất nhiều thông số như: Dòng điện tiêu thụ, mức điện áp, công suất, moment xoắn, sự dao động, hiệu suất… cũng như tạo nhiều điều kiện tải cho động cơ điện Từ đó, ta có thể sẽ xác định, đánh giá được một cách chính xác về công suất, độ hiệu quả, tính ổn định của động cơ Và để việc đánh giá được chuẩn xác nhất thì việc không ngừng nghiên cứu, cải tiến, phát triển các băng thử công suất này là một việc rất cần thiết Chính vì thế trong đề tài này, nhóm sẽ tiến hành thực hiện xây dựng một băng thử công suất cho động cơ điện cỡ nhỏ để phục vụ cho mục đích học tập và nghiên cứu về mô hình này.
Giới hạn đề tài
- Chỉ vận hành thử được trên các động cơ xe điện cỡ nhỏ
- Không can thiệp được nhiều vào khả năng điều khiển và kiểm soát các trạng thái hoạt động của động cơ
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
- Xây dựng được mô hình băng thử công suất cho các động cơ điện cỡ nhỏ
- Ứng dụng được phần mềm LabVIEW để thiết kế phần mềm cho hệ thống
- Ứng dụng được phần mềm Arduino để giao tiếp với các module của hệ thống
- Ứng dụng giao tiếp giữa Arduino là LabVIEW
- Phần mềm phải hoạt động tốt và cho ra các thông số, đồ thị chính xác để đánh giá được động cơ điện.
Nội dung nghiên cứu
- Tìm hiểu tổng quan về băng thử công suất động cơ điện
- Tìm hiểu tổng quan về động cơ điện hiện nay trên ô tô
- Tìm hiểu về các bộ tạo tải
- Tìm hiểu về các phương pháp đo công suất
- Tìm hiểu về các thông số đánh giá động cơ điện
- Tìm hiểu về đặc tính công suất, momen xoắn của động cơ điện
- Xây dựng mô hình băng thử công suất
- Viết và xây dựng phần mềm đo, hiển thị các thông số của động cơ.
Phương thức thực hiện
Tìm hiểu các mô hình băng thử công suất động cơ điện trên thế giới cũng như nắm rõ được cách thức vận hành của mô hình để thiết kế mô hình băng thử phù hợp, cho ra được kết quả có tính chính xác cao Tìm hiểu và hiểu rõ được các thông số cần lấy từ mô hình, cách thức lấy thông số thông qua các cảm biến
Xây dựng sơ đồ khối cho phần mềm và dựa vào đó để lập trình thiết kế nên phần mềm có thể giao tiếp được với vi điều khiển để lấy các thông số cần thiết Từ các thông số đó, tiến hành xây dựng đường đặc tính của động cơ Mô phỏng hiển thị các đường đặc tính trên màn hình máy tính, kết hợp với dữ liệu các thông số và đánh giá khả năng làm việc của động cơ
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Động cơ điện
2.1.1 Khái niệm động cơ điện: Động cơ điện được hiểu là một loại máy điện có chức năng biến đổi từ năng lượng điện năng sang năng lượng cơ học Động cơ điện trong cuộc sống ngày nay được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau Và một trong số đó có thể kể đến chính là ứng dụng lên các phương tiện vận chuyển như xe đạp, xe máy, đầu máy xe lửa, xe hơi,…
2.1.2 Động cơ điện trên xe Ở xe điện hiện nay để nói về các thành phần chính thì ngoài bộ Pin của xe ra thì còn có một bộ phận khác cũng quan trọng không kém, có vai trò tương tự động cơ đốt trong ở xe xăng, dầu Đó chính là động cơ điện của xe
Các động cơ sử dụng cho xe điện phải đáp ứng được các đặc điểm như mạnh mẽ, moment xoắn khởi động cao, mật độ công suất cao, hiệu suất tốt, đáp ứng moment xoắn nhanh, gia tốc cao, công suất tức thì cao
Hình 1 3: Động cơ điện được sử dụng trên xe điện hiện nay [5]
Hiệu suất của xe điện phụ thuộc trực tiếp vào các thông số của động cơ điện Hiệu suất hoạt động của động cơ điện được xác định bởi các đường đặc tính công suất theo tốc độ động cơ và moment xoắn theo tốc độ động cơ
2.1.3 Các loại động cơ sử dụng trên xe điện
Về tổng quát hiện nay động cơ điện được chia thành 2 loại chính là động cơ DC và động cơ AC Cả hai đều có thể được sử dụng cho các dòng xe điện Ta sẽ tìm hiểu về các loại động cơ DC và AC có thể được sử dụng trên xe điện hiện nay
2.1.3.1 Động cơ điện cảm ứng- Induction Motor (IM) Đây là một loại động cơ điện xoay chiều có từ trường quay tạo ra bên trọng cuộn stator Dòng điện sẽ đi vào các thanh rotor hoặc dây dẫn và tạo ra một từ trường tương tác với từ trường quay của stator, từ đó tạo ra moment xoắn và chuyển động quay
Loại động cơ này được sử dụng phổ biến trong xe điện bởi cấu tạo đơn giản, mạnh mẽ, có độ tin cậy cao, dễ dàng bảo trì, có giá thành thấp và có thể vận hành ở nhiều điều kiện môi trường khác nhau
Nhược điểm của động cơ IM là có hiệu suất thấp hơn khi so với động cơ nam châm vĩnh cửu, tổn hao năng lượng nhiều hơn và hệ số công suất tương đối thấp
Hình 2 1: Động cơ IM ứng dụng trên xe điện [6]
2.1.3.2 Động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ - Permanent Magnet
Synchronous Motor (PMSM) Động cơ PMSM là loại động cơ điện xoay chiều sử dụng nam châm vĩnh cửu trên rotor Cuộn dây Stator của động cơ sẽ có dòng điện hình sin đi vào và tạo ra một từ trường tương tác với từ trường do nam châm vĩnh cửu trên rotor tạo ra Từ đó tạo ra một chuyển động quay và moment xoắn
Dòng động cơ này có cấu tạo đơn giản, hiệu suất và mật độ công suất cao, vì thế mà dòng động cơ này thích hợp cho việc ứng dụng làm động cơ kéo (phổ biến trong các dòng xe Hybrid, xe điện và xe bus) Động cơ PMSM có hiệu suất cao hơn khi so sánh với dòng động cơ IM
Khuyết điểm của động cơ này đó chính là có giá thành cao, tổn thất sinh ra từ dòng điện Foucault cao ở các dãy tốc độ cao, độ an toàn không đảm bảo do nam châm có khả năng bị gãy
Hình 2 2: Cấu tạo động cơ điện PMSM [7]
2.1.3.3 Động cơ thay đổi từ trở - Switched Reluctance Motor (SRM)
Với động cơ SRM, sẽ không có bất cứ nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện nào trong động cơ Loại động cơ này sử dụng xu hướng của các vật liệu sắt từ để tương tác với từ trường tạo ra từ các cuộn dây stator Rotor của động cơ này sử dụng các cực lồi được cung cấp năng lượng liên tục theo một cách có thứ tự Điều này sẽ tạo ra từ trường tương tác với từ trường của stator Ưu điểm của động cơ SRM trên xe điện chính là sự mạnh mẽ, dễ dàng kiểm soát, hiệu suất cao, dãy công suất vận hành không đổi rộng, khả năng chịu lỗi tốt và có đường đặc tính moment xoắn theo tốc độ động cơ hiệu quả
Bên cạnh đó, dòng động cơ này không dùng chổi than, cổ góp hay nam châm vì thế mà việc bảo trì động cơ SRM rất đơn giản và hiệu quả Giá thành của dòng động cơ này cũng không quá cao
Do động cơ không sử dụng nam châm nên sẽ loại bỏ được các vấn đề liên quan đến các lực cơ học và cho phép động cơ hoạt động tốt ở tốc độ cao Ngoài ra, việc không sử
7 dụng cuộn dây cũng sẽ giúp không phát sinh tổn thất trên dây đồng, từ đó giúp cho nhiệt độ của rotor sẽ thấp hơn các loại động cơ khác Các pha của động cơ SRM cũng không kết nối với nhau, vì thế động cơ sẽ có thể tiếp tục hoạt động ngay cả khi có một pha bị ngắt Động cơ SRM cũng có quán tính thấp hơn các loại động cơ khác
Dynamometer
Dynamometer hay còn được gọi là dyno là một thiết bị dùng để tính toán công suất, moment xoắn và tốc độ quay (RPM) của các động cơ dẫn động như động cơ đốt trong hay động cơ điện Các thông số này có thể được dùng để đánh giá các đặc tính hiệu suất của các động cơ này
2.2.2 Cách hoạt động của dynamometer
Một dynamometer có thể thay đổi điều kiện tải được nối với một động cơ hay motor thông qua một khớp nối trục Khi motor hoạt động, dynamometer sẽ đo các thông số hoạt động tại điều kiện tải thử nghiệm Công suất hiệu dụng của động cơ sẽ không thể được đo trực tiếp mà phải được tính toán thông qua giá trị moment xoắn và tốc độ quay
Các thông số đầu ra của dynamometer sẽ được đưa vào máy tính Sau đó thông qua các chương trình để đọc hiển thị các thông số đọc được qua màn hình
2.2.3 Các ứng dụng của dynamometer
Trong quá trình thiết kế, các kĩ sư luôn cần biết được độ lớn cần thiết của động cơ đốt trong hay động cơ điện để phù hợp với điều kiện vận hành Lúc này sẽ cần có một dynamometer có màn hình cũng như các đồng hồ đo cần thiết để đo được công suất, lực hay tốc độ của động cơ điện hay động cơ đốt trong cần đo
Dynamometer được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau để đo lực và công suất
Quá trình này sẽ đo lường khí thải cũng như công suất của động cơ khi đi trên đường Dynamometer sử dụng cho quá trình này sẽ có thể di chuyển được và đặt trên phương tiện cần đo khí thải, hiệu suất làm việc Thông qua các chu kỳ thử nghiệm, dyno sẽ tính toán được các thành phần khí thải của động cơ như khí CO, Hydrocarbon, NOx Các thông số này rất cần thiết để đánh giá được liệu rằng khí thải từ xe có đáp ứng được với các tiêu chuẩn mà chính phủ của các nước đưa ra
Thử nghiệm động cơ sử dụng dynamometer được thực hiện trong môi trường được kiểm soát Phương tiện được kiểm tra sẽ được đặt trên con lăn để tạo ra lực truyền động tới các bánh xe Các thiết bị ghi và thu thập dữ liệu được gắn lên phương tiện để thu thập được các dữ liệu của động cơ một cách chính xác và có kiểm soát
Hình 2 4: Ứng dụng dyno trong thử nghiệm động cơ [9]
Trong lĩnh vực y tế, các bác sĩ cần biết sức mạnh cơ bắp của bệnh nhân để xác định khả năng vận động và tự chăm sóc bản thân của bệnh nhân Dynamometer cầm tay sẽ cung cấp dữ liệu này khi bệnh nhân cầm vào một vị trí tiêu chuẩn Quá trình kiểm tra sẽ cho ra độ căng theo chiều dài của cơ bắp, là mối quan hệ giữa độ căng lớn nhất với chiều dài của cơ Để đạt được kết quả kiểm tra tốt nhất thì cơ cần kiểm tra phải ở vị trí có độ căng theo chiều dài lớn nhất
Hình 2 5: Dyno được sử dụng trong lĩnh vực y tế [10]
2.2.3.4 Công tơ mét dùng dynamometer
Công tơ mét là một dạng của dynamometer sử dụng điện từ để cung cấp dữ liệu Một đĩa kim loại được kết nối bằng dây cáp tới bánh xe của phương tiện, đĩa kim loại này sẽ làm cho nam châm quay bên trong chén kim loại Khi nam châm quay, sẽ có dòng điện Foucault được tạo ra và nam châm sẽ quay chậm lại Trong quá trình này, chén kim loại sẽ quay và hiển thị tốc độ bằng cách di chuyển kim đồng hồ công tơ mét hoặc hiện số tốc độ điện tử
Hình 2 6: Cấu tạo công tơ mét ứng dụng dynamometer [11]
Dynamometer kéo là một loại rơ móc cơ giới được kéo ở phía sau xe Nó sử dụng một bộ hấp thụ dòng điện Foucault được kết nối với một hệ thống trục để hấp thu năng lượng Các phép đo lường được thực hiện thông qua cảm biến load cell trên thanh kéo của rơ móc Dynamometer kéo được sử dụng để xác định hiệu suất của phương tiện và phát triển hay điều chỉnh nếu cần thiết
Hình 2 7: Dyno kéo được dùng để xác định hiệu suất của phương tiện được kéo theo sau xe [12]
2.2.3.6 Thử nghiệm động cơ điện
Thử nghiệm động cơ điện sử dụng dynamometer rất phổ biến hiện nay Dynamometer sẽ cung cấp dữ liệu về về moment xoắn, lực, công suất và số vòng quay của động cơ điện Dynamometer sử thực hiện nhiều thử nghiệm để tối ưu khả năng vận hành của động cơ điện
Một dạng của thử nghiệm động cơ điện chính là áp dụng dòng nước tỉ lệ với tải để tạo ra lực cản cho động cơ điện Gia tốc và giảm tốc của dòng nước sẽ cho phép dynamometer hấp thụ công suất tạo ra bởi động cơ điện
Hình 2 8: Thử nghiệm động cơ điện sử dụng Dyno [13]
2.2.3.7 Thử nghiệm đầu máy xe lửa
Dynamometer còn dùng trong thử nghiệm đầu máy xe lửa Dynamometer này có dạng là một toa tàu Mục đích chính của dynamometer loại này để đo công suất đầu ra, lực kéo, áp suất đường ống phanh và thanh kéo của đầu máy xe lửa Các dữ liệu chính như tốc độ và lực sẽ được dùng để tính toán hiệu quả hoạt động của đầu máy xe lửa
Hình 2 9: Dynamometer loại thử nghiệm đầu kéo xe lửa [14]
Thử nghiệm PTO là một chuỗi thử nghiệm thực hiện bởi dynamometer khi kết nối với trục đầu ra của động cơ Các thông số cho thử nghiệm tương tự như của các loại động cơ khác, bao gồm tốc độ, moment xoắn, công suất và suất tiêu hao nhiên liệu PTO dynamometer rất dễ trong việc kết nối và ngắt kết nối Từ các dữ liệu chính xác và chi tiết
12 mà PTO dynamometer đo được sẽ hỗ trợ rất tốt trong việc hạ thấp chi phí bảo trì và nânng cao độ tin cậy của thiết bị
Hình 2 10: Dynamometer dùng cho thử nghiệm PTO được nối với trục đầu ra của động cơ [15]
Có vô số các loại dynamomter được thiết kế để gắn vào các động cơ khác nhau để tạo tải giúp tính số vòng quay, công suất hay moment xoắn của động cơ Dynamomter về cơ bản được chia thành 2 loại chính là hấp thụ (hay bị động) và vạn năng (hay dẫn động) Dyno loại hấp thụ được sử dụng cho mục đích dẫn động, trong khi loại vạn năng có thể được sử dụng cho cả việc dẫn động và hấp thụ
Tuy dyno được phân loại thành 2 loại chính nhưng mỗi loại chính sẽ lại tiếp tục được chia thành vô số các loại dyno chuyên biệt khác nhau để đáp ứng cho các thử nghiệm khác nhau
Các thông số cần thiết để đánh giá động cơ điện và phương pháp tính toán
Moment xoắn là một thông số cực kì quan trọng dùng để đánh giá hiệu quả hoạt động của động cơ cũng như xem xét rằng liệu động cơ có phù hợp cho mục đích mà nó được sử dụng hay không
Moment xoắn được định nghĩa là một lực xoắn có thể gây ra các chuyển động quay cho động cơ hay một lực có thể khiến một vật thể quay quanh trục Đơn vị đo của moment xoắn có thể là (Nm) hoặc Pound feet (lb-ft)
Công suất là một lượng năng lượng được phân phối ở một thời điểm nhất định Giá trị công suất to hay nhỏ ảnh hưởng rất nhiều tới các yếu tố như tăng tốc, lực kéo,… của động cơ điện
Công suất có ích là công suất đầu ra cuối cùng của động cơ sau khi đã tính qua các hao hụt Đơn vị của công suất có thể là kW hoặc HP
Một yếu tố cũng rất cần thiết để đánh giá hoạt động của động cơ điện chính là dòng tiêu thụ của động cơ điện Ta có thể tính toán, cải tiến với thông số này để động cơ điện hoạt động hiệu quả hơn nhưng lại tốn ít điện năng hơn
2.3.1.4 Hiệu suất của động cơ điện
Một thông số cực kì quan trọng giúp ta có thể đánh giá được động cơ điện chính là hiệu suất của động cơ điện Thông số này sẽ cho ta biết được khả năng chuyển đổi điện năng sang cơ năng của động cơ điện hiệu quả đến đâu Hiệu suất càng cao thì lượng điện năng được động cơ chuyển thành cơ năng sẽ càng cao Ở động cơ BLDC, hiệu suất của động cơ có thể thay đổi Hiệu suất sẽ giảm khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao và tải lớn và sẽ tăng khi ở tốc độ thấp và tải nhẹ Hiệu suất của động cơ được tính đơn giản là tỉ lệ của cơ năng đầu ra so với điện năng đầu vào, có đơn vị là (%)
2.3.2 Các phương pháp tính toán các giá trị
2.3.2.1 Phương pháp tính moment xoắn và công suất của động cơ điện
Gaspard Clair Francois Marie Riche De Prony là người đầu tiên tìm ra cách để đo được moment xoắn trên trục xoay Phép đo này lúc đó được xem là một phép đo tương đối phức tạp Moment xoắn có thể được đo rất dễ dàng trong trạng thái tĩnh, tương tự như việc dùng cờ lê lực để siết bu lông đến một giá trị cụ thể Tuy nhiên để đo được moment xoắn trên một vật thể chuyển động lại khó hơn rất nhiều Vì thế mà một kĩ sư người pháp ở thế kỉ 19 là De Prony đã sáng chế ra phanh Prony Cơ cấu này sử dụng hai miếng dầm làm bằng gỗ đặt đối xứng nhau và kẹp vào trục của động cơ, một miếng dầm gỗ sẽ được nối với một cách tay đòn Hai miếng dằm gỗ vẫn cho phép trục có thể quay bên trong nó Lực kẹp có thể được thay đổi bằng việc xiết hoặc nới các đai ốc lên bu lông giữ hai miếng dằm gỗ
Một quả cân sẽ được di chuyển dọc cánh tay đòn cho đến khi các miếng dằm nằm ngang đặt được tốc độ mong muốn của động cơ Quả cân này sẽ cho phép tính toán được moment xoắn thông qua các giá trị chiều dài (L) và trọng lượng (Weight) Đã có rất nhiều các cải tiến dựa vào phanh Prony gốc Ta đã có cảm biến moment xoắn để đo được moment xoắn của trục động cơ Tuy nhiên, vẫn còn rất nhiều các ứng dụng dùng cơ chế và cách tính toán của phanh Prony, dù thay đổi thế nào thì để tính toán
20 được moment xoắn của trục động cơ thì ta cần phải biết được chiều dài cánh tay đòn và trọng lượng
Hình 2 19: Cách đo moment xoắn theo phanh Prony [24]
Từ Moment xoắn và tốc độ của động cơ, ta sẽ có thể tính toán được công suất của động cơ theo công thức sau:
Trong chuyển động quay, tốc độ sẽ là tốc độ góc (Radian/s hay RPM)
Moment xoắn T sẽ được tính như sau:
- L: Chiều dài cánh tay đòn (m)
Tốc độ gốc được tính như nhau:
Trong đó: - S: Tốc độ quay vòng trên phút (RPM)
Từ (1) và (2), ta sẽ có công thức:
- Trọng lượng F được tính bằng cách nhân khối lượng m lấy được từ cảm biến Load Cell (đơn vị là g) nhân với gia tốc trọng trường
- Chiều dài cánh tay đòn L sẽ được cố định là 1 ft (= 0.3048 m)
- Giá trị S sẽ được tính thông qua các tín hiệu của cảm biến Hall Cách tính sẽ được trình bày rõ hơn trong phần lập trình
2.3.2.2 Phương pháp tính toán hiệu suất của động cơ điện
Như đã trình bày, hiệu suất của động cơ điện sẽ là tỉ lệ giữa điện năng đầu vào so với cơ năng đầu ra hay có thể nói là giữa công suất điện đầu vào so với công suất có ích đầu ra của động cơ điện Ta sẽ có công thức tính hiệu suất như sau: in out
P Trong đó: - P : công suất điện đầu vào của động cơ điện in
- P : công suất cơ đầu ra của động cơ điện out
Về phần P out , ta đã tính được ở các phần trên nên ta sẽ tập trung vào đi tìm Pin của động cơ điện Động cơ điện được nhóm sử dụng là động cơ điện không chổi than nên sẽ có công thức tính công suất điện như sau:
Trong đó: - U: điện áp hiệu dụng
Trong đề tài này, động cơ BLDC mà nhóm sử dụng sẽ được điều khiển thông qua một bộ điều khiển, chính vì thế giá trị Pin sẽ được tính toán từ giá trị điện áp hiệu dụng và giá trị dòng điện hiệu dụng cấp cho bộ điều khiển Nói cách khác, giá trị hiệu suất động cơ điện cũng sẽ bao gồm cả công suất của bộ điều khiển động cơ
Bên cạnh đó, việc phải đi qua một bộ điều khiển cũng sẽ khiến giá trị dòng tiêu thụ của động cơ BLDC tăng lên Giá trị dòng tiêu thụ lúc này sẽ bao gồm dòng tiêu thụ của động cơ và dòng tiêu thụ của bộ điều khiển Nên hiệu suất tính sẽ bao gồm cả công suất của bộ điều khiển động cơ điện
Tìm hiểu đặc tính công suất, moment xoắn của động cơ điện
Các đường đặc tính công suất theo tốc độ động cơ và moment xoắn theo tốc độ động cơ được sử dụng để đánh giá hiệu suất hoạt động của động cơ điện cũng như của xe điện Các đường đặc tính này rất đa dạng tùy thuộc vào điều kiện thử nghiệm Đầu tiên ta sẽ đi sơ qua về các đặc tính đầu ra mong muốn của động cơ xe điện thông qua đường đặc tính thể hiện ở hình Hình 2.20 Về đánh giá đặc tính moment và công suất theo tốc độ động cơ của xe điện thì đầu tiên, đường cong moment xoắn theo tốc độ động cơ được xác định bởi hai yếu tố thiết kế là mức moment cao nhất và mức moment ở tốc độ cao nhất Tốc độ tối đa của động cơ cũng ảnh hưởng rất nhiều đến moment xoắn cần thiết của động cơ Các động cơ có tốc độ thấp với vùng công suất không đổi mở rộng cần phải có moment xoắn cao hơn
Tiếp theo, ở đường đặc tính công suất theo tốc độ động cơ, có một vùng công suất không đổi, đây là vùng công suất cần thiết để xe có thể tăng tốc Bên cạnh đó, động cơ điện phải có mức moment xoắn cao ở tốc độ thấp để bắt đầu tăng tốc cũng như công suất cao để chạy ổn định và đạt được dãy tốc độ rộng Các điều này được mô tả theo Hình 2.20 thể hiện qua các đường đặc tính ngoài của động cơ xe điện
Hình 2 20: Đồ thị đặc tính moment xoắn, công suất theo tốc độ quay động cơ xe điện
Cũng theo Hình 2.20, nếu tỉ lệ vùng công suất không đổi tăng lên thì công suất cần cho việc tăng tốc sẽ giảm đi Điều này sẽ làm moment xoắn cần thiết, kích thức, khối lượng động cơ điện đều sẽ tăng lên (Do để tăng moment xoắn của động cơ thì cần nhiều sắt và đồng hơn để hỗ trợ cho việc tăng từ thông và moment xoắn này) Nếu muốn tăng moment
23 xoắn của động cơ điện nhưng không muốn tăng kích thước, ta có thể sử dụng phương án khác khác đó chính là dùng các hộp số để tăng moment xoắn của trục
Hình 2 21: Đồ thị đặc tính công suất và moment xoắn của động cơ khi thử nghiệm với tải không đổi [25]
Tiếp theo, ta sẽ đến với đồ thị đặc tính công suất và moment xoắn theo tốc độ động cơ trong thử nghiệm với các mức tải không đổi Với thử nghiệm trong điều kiện này, khi ta tăng tốc độ động cơ (độ lớn dòng điện vào động cơ) thì đường moment xoắn cũng sẽ tăng lên một cách tuyến tính Tức là khi ta tăng giá trị dòng điện lên gấp đôi thì giá trị moment xoắn cũng sẽ tăng lên gấp đôi Và từ đó theo công thức tính công suất đã trình bày ở phần trên của động cơ thì giá trị công suất cũng sẽ tăng lên theo
Hình 2 22: Đồ thị đặc tính công suất, moment xoắn, hiệu suất và dòng tiêu thụ của động cơ khi thử nghiệm với tải thay đổi [25]
Cuối cùng là đồ thị đặc tính ngoài của động cơ trong thử nghiệm với mức tải thay đổi dần Với thử nghiệm này, ta có thể thấy ở đồ thị đường đặc tính, khi ta tăng giá trị tải, giá trị moment xoắn sẽ tăng lên và làm tốc độ động cơ giảm đi
Về đặc tính hiệu suất của động cơ, giá trị hiệu suất sẽ tăng dần theo moment xoắn cho đến một giá trị đặc biệt được gọi là điểm đỉnh hiệu suất Tại giá trị này, động cơ sẽ tiêu tốn ít năng lượng nhất Nếu ta tiếp tục tăng giá trị moment xoắn lên, hiệu suất của động cơ sẽ giảm dần xuống bởi lúc này, động cơ sẽ cần nhiều hơn công suất điện đầu vào để tạo ra một nguồn công suất cơ đầu ra tương ứng
Như đã nói ở trên, khi tải tăng lên sẽ dẫn đến moment xoắn tăng lên và vì thế cũng sẽ làm cho dòng tiêu thụ tăng lên một cách tuyến tính Từ đó, công suất của động cơ điện cũng sẽ tăng tuyến tính
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BĂNG THỬ CÔNG SUẤT MOTOR XE ĐIỆN CỠ NHỎ
Lựa chọn thiết bị
3.1.1 Động cơ điện Động cơ điện lựa chọn cho đồ án này sẽ là động cơ điện không chổi than DC Đây là dòng động cơ điện có hiệu suất cao (85-90%), vận hành nhẹ nhàng và êm ái ở cả các dãy tốc độ thấp và cao rất phù hợp cho việc thử nghiệm trên mô hình Bên cạnh đó, động cơ này có thể tăng tốc cũng như giảm tốc trong thời gian ngắn và có độ bền cao, rất phù hợp cho mục đích làm xe điện cỡ nhỏ, được sử dụng rất nhiều trên các dòng xe máy điện, xe đạp điện hiện nay
Chính vì những lí do trên, nhóm quyết định sẽ chọn động cơ BLDC 60V 3000W để thử nghiệm trên băng thử
Hình 3 1: Motor điện Bảng 3 1: Thông số kỹ thuật của động cơ điện Điện áp đầu vào 60V/ 72V
Tốc độ qua hộp số 600 RPM
Tải trọng cho phép < 1800 kg Động cơ không chổi than hoạt động bằng cách xác định vị trí của rotor, từ đó sẽ điều khiển dòng điện đi vào cuộn dây stator tương ứng Và để có thể điều khiển được dòng điện này chính xác thì động cơ cần có một cảm biến hall để có thể xác định ví trí rotor và một bộ điều khiển phù hợp để phối hợp điều khiển
Bảng 3 2: Các giắc cắm và công dụng trên bộ điều khiển của động cơ BLDC 60V 3000W
Giắc cấp nguồn chống trộm
Giắc khởi động cứng/ khởi động mềm
- Soft start: nối chúng lại với nhau
- Hard start: không nối lại với nhau
Giắc đồng hồ công tơ mét
Trong phạm vi đồ án này, sau khi tìm hiểu và đánh giá, nhóm quyết định sẽ lựa chọn một máy phát điện DC có trang bị ly hợp từ để làm thiết bị tạo tải Với ly hợp từ, việc đặt hay loại bỏ tải lên động cơ điện sẽ trở nên nhanh chóng và dễ dàng hơn Ly hợp từ của thiết bị sẽ có thể được điều khiển bằng cách điều chỉnh dòng điện cấp cho ly hợp, cho phép tải được thay đổi thích hợp cho các điều kiện thử nghiệm khác nhau Điều này sẽ cho phép việc đánh giá hiệu suất hoạt động của động cơ điện trở nên linh hoạt và chính xác hơn
Hình 3 2: Hình ảnh thực tế của thiết bị tạo tải a) Nguyên tắc hoạt động:
Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên hiện tượng dòng xoáy (eddy current) được tạo ra từ một đĩa quay và dòng điện xoáy này tạo ra một từ trường đối lập, từ trường này tạo ra một lực cản trở sự quay của đĩa Đĩa quay được nối với một cánh tay đòn và tì lên cảm biến lực Load Cell để đo lực cản trở này Từ đó, tính ra được moment xoắn của động cơ b) Ưu điểm của thiết bị tạo tải này so với các thiết bị tạo tải khác:
Là việc đặt tải hay loại bỏ tải lên động cơ có thể được thực hiện rất nhanh và dễ dàng, thích hợp cho việc thử nghiệm các loại động cơ điện có tốc độ cao Bên cạnh đó, thiết bị này còn có thể tạo ra vô số các điều kiện thử nghiệm khác nhau bằng cách thay đổi dòng điện lên ly hợp từ Ly hợp từ cũng cho ra tải ổn định từ đó cho phép việc tính toán công suất đầu ra và moment xoắn chính xác hơn Và một điểm cuối cùng là loại thiết bị tạo tải này sử dụng dễ dàng hơn nhiều so với các loại thiết bị tạo tải khác, từ đó cho phép vận dụng trong phạm vi nghiên cứu của đồ án
30 c) Thông số thiết bị tạo tải: Nguôn cấp cho thiết bị < 80V d) Kết nối thiết bị tạo tải với các thiết bị khác:
- Kết nối cơ khí: Kết nối trục của thiết bị tạo tải với trục của đông cơ xe điện bằng khớp nối đàn hồi
Hình 3 3: Nối trục của thiết bị tạo tải với động cơ xe điện
- Kết nối điều khiển: Cấp nguồn điều khiển cho thiết bị tạo tải qua chân OUT+ và OUT- của mạch tăng áp 10A 600W
3.1.3 Cảm biến lực Load Cell 20kg
Như đã trình bày ở phần phương pháp tính công suất, để lấy được giá trị lực tạo ra từ cánh tay đòn của dynamometer, ta cần phải có một thiết bị để có thể tính toán Sau khi tìm hiểu, nhóm đã quyết định sử dụng cảm biến lực Load Cell kết hợp với mạch chuyển đổi ADC 24 – bit Loadcell HX711
Hình 3 4: Hình ảnh thực tế của cảm biến lực Load Cell
31 a) Giới thiệu cảm biến lực Load cell:
Cảm biến lực Load cell sẽ chuyển đổi 1 lực thành 1 tín hiệu điện Tín hiệu điện đó sẽ thay đổi theo tỷ lệ lực tác dụng lên load cell
Các loại load cell sử dụng hiện nay:
- Load cell loại đo dựa vào độ biến dạng
- Load cell loại đo dựa vào khí nén
- Load cell loại đo dựa vào thủy lực
Trong đồ án này, ta sẽ tìm hiểu và sử dụng load cell loại đo dựa vào độ biến dạng Load cell loại đo dựa vào độ biến dạng sẽ có cấu tạo từ một thanh kim loại và 1 cảm biến đo biến dạng được gắn lên thanh kim loại bằng một lớp keo b) Nguyên lý hoạt động:
Cảm biến đo biến dạng sẽ đo được sức căng hoặc lực tác dụng lên vật Điện trở của cảm biến này sẽ thay đổi khi có một ngoại lực tác dụng lên vật làm vật bị biến đổi hình dạng (trong trường hợp này là thanh kim loại) Giá trị điện trở của cảm biến tỉ lệ với lực tác dụng lên vật, từ đó ta sẽ tính được trọng lượng của vật hoặc tính lực tác dụng vào vật Thông thường 1 load cell sẽ gồm 4 cảm biến đo biến dạng được mắc thành mạch cầu Wheatstone như hình bên dưới, việc này sẽ giúp việc lấy giá trị điện trở chính xác hơn
Hình 3 5: Sơ đồ cấu tạo và sơ đồ nguyên lý của cảm biến lực Load Cell [26]
Ngoài ra, do độ thay đổi về sức căng trên vật rất nhỏ nên cần phải có 1 bộ khuếch đại tín hiệu Do trên thị trường hiện nay, loadcell được bán kèm với mạch chuyển đổi ADC
24 – bit Loadcell HX711, ta sẽ nghiên cứu kĩ hơn về mạch này ở phần thiết kế mạch điều khiển
Hình 3 6: Hoạt động của cảm biến lực Load Cell 20kg c) Thông số kỹ thuật:
Bảng 3 3: Thông số kỹ thuật cảm biến lực Load Cell
Rated Output (mV/V) 1.0 ± 0.15 Độ lệch tuyến tính (%) 0.05
Creep (5min) % 0.1 Ảnh hưởng nhiệt độ tới độ nhạy %RO/ ºC 0.003 Ảnh hưởng nhiệt độ tới điểm không %RO/ ºC 0.02
33 Độ cân bằng điểm không %RO ± 0.1
Trở kháng cách li (MΩ) 50V 2000 Điện áp hoạt động 5V
Chất liệu cảm biến Nhôm Độ dài dây 180 mm
Dây trắng Output - d) Kết nối cảm biến Load cell với mạch chuyển đổi ADC 24 – bit HX711:
- Dây đỏ với chân E+ của mạch chuyển đổi
- Dây đen với chân E- của mạch chuyển đổi
- Dây trắng với chân A- của mạch chuyển đổi
- Dây xanh lá với chân A+ của mạch chuyển đổi
3.1.4 Cảm biến từ Hall LEFIRCKO NJK – 5002C NPN
Sau khi đã lấy được giá trị lực, ta tiếp tục lấy đến giá trị tốc độ quay của trục động cơ, có rất nhiều cách để có thể thực hiện việc này thông qua vô số các loại cảm biến khác nhau Nhưng ở đồ án này, nhóm quyết định sẽ lựa chọn cảm biến từ Hall LEFIRCKO NJK – 5002C NPN để xác định được tốc độ của động cơ bởi tính chính xác của cảm biến này và giá cả phù hợp với mục đích nghiên cứu
Hình 3 7: Hình ảnh thực tế cảm biến từ Hall LEFIRCKO NJK – 5002C NPN a) Giới thiệu cảm biến:
Cảm biến từ hall là một loại cảm biến dùng để phát hiện từ tính của nam châm cũng như độ lớn của từ trường Cảm biến sẽ phát tín hiệu điện áp khi phát hiện từ trường và giá trị điện áp này sẽ tỉ lệ thuận với cường độ từ trường Chính vì nguyên lí hoạt động của cảm biến hall mà ta sẽ cần gắn thêm một nam châm tại trục đầu ra của động cơ điện Từ đó cảm biến hall sẽ phát hiện từ trường và tính toán tốc độ động cơ
Hình 3 8: Nam châm được gắn trên khớp nối đàn hồi b) Nguyên tắc hoạt động:
Cảm biến Hall hoạt động hoàn toàn dựa vào hiệu ứng Hall Đây là hiệu ứng xảy ra khi ta đặt một từ trường vuông góc lên một thanh Hall có dòng điện chạy qua Ở trạng thái bình thường, dòng electron khi có dòng điện chạy qua một thanh dẫn điện sẽ di chuyển theo một đường thẳng Tuy nhiên khi ta đặt một từ trường vuông gốc lên thanh, một lực Lorentz sẽ xuất hiện và làm lệch chiều di chuyển của dòng electron
Hình 3 9: Nguyên lý hoạt động của cảm biến từ Hall [27]
Từ việc dòng electron bị lệch hướng, sẽ xuất hiện việc chênh lệch về số lượng electron ở hai bên thanh và tạo ra một hiệu điện thế Độ lớn của hiệu điện thế này tỉ lệ thuận với cường độ từ trường và độ lớn dòng điện
Hình 3 10: Hoạt động của cảm biến từ Hall trên băng thử c) Thông số kỹ thuật:
Bảng 3 4: Thông số kỹ thuật cảm biến Hall LEFIRCKO NJK – 5002C NPN
Model LEFIRCKO NJK – 5002C NPN Điện áp hoạt động 5 – 30 VDC
Phát hiện Nam châm (một cực của nam châm)
Khoảng cách phát hiện 0 – 10 mm
Tần số đáp ứng 320 MHz
Chiều dài dây cable 1.2 m Đường kính cảm biến 12 mm
Chiều dài tổng thể cảm biến 37 mm
Cân nặng 40 g d) Kết nối cảm biến Hall LEFIRCKO NJK – 5002C NPN với mạch điều khiển:
- Dây đen nối với chân số 2 của board Arduino Uno
3.1.5 Cảm biến dòng điện Hall ASC712 30A
Bên cạnh việc tính giá trị moment, để đánh giá tốt được hiệu suất làm việc của động cơ điện, ta cũng cần phải tính toán đến giá trị dòng điện mà động cơ điện sử dụng Để làm được việc này, ta sẽ dùng đến một loại cảm biến, đó chính là cảm biến dòng điện a) Giới thiệu về cảm biến dòng điện:
Cảm biến dòng điện hay thường được gọi là máy biến dòng hoặc CT (Current Transformer) là một thiết bị được sử dụng để đo độ lớn và hướng của dòng điện trong một mạch điện Nó có thể hoạt động theo nhiều nguyên lý khác nhay, bao gồm Hall Effect, Faraday Effect và các nguyên lý tương tự Cảm biến dòng điện có thể được sử dụng trong
Thiết kế băng thử công suất
3.2.1 Vật liệu Để đảm bảo thiết kế được một phần khung đỡ được cứng vững để chứa các chi tiết nặng như động cơ điện và bộ tạo tải, nhóm đã tham khảo và quyết định chọn các vật liệu chính để làm phần khung đỡ như sau:
Bánh xe treo cửa lùa
Ke Góc Vuông Cho Nhôm Định Hình 20x20
Bánh xe đẩy nhựa trắng
44 Ốc, vít, bulông, lông đền
3.2.2 Bản vẽ thiết kế chi tiết
Khung băng thử sẽ gồm hai phần chính:
- Phần khung sườn: gồm có phần khung trên để chứa các cảm biến, bộ điều khiển động cơ, mạch điều khiển và phần khung dưới sẽ được dùng để chứa nguồn của băng thử: ắc quy hay các bộ nguồn
Hình 3 16: Bản vẽ thiết kế phần khung sườn
- Phần khung ray trượt: được thiết kế gồm các ray trượt và giá đỡ motor điện và thiết bị tạo tải
Hình 3 17: Bản thiết kế láp ráp phần ray trượt
Các chi tiết của khung chịu lực lớn và cố định sẽ được thực hiện gia công bằng hàn Mig Các chi tiết hay tháo rời và có thể di chuyển sẽ được định vị bằng vít, ốc và bulông
Hình 3 18: Mô hình 3D băng thử công suất motor xe điện cỡ nhỏ
Thi công băng thử công suất
Sau quá trình tính toán, thiết kế và thi công mô hình băng thử công suất động cơ điện cỡ nhỏ, nhóm đã đạt được các kết quả như sau:
- Bản vẽ chi tiết hệ thống
- Danh sách vật tư cần thiết của hệ thống
- Mô hình băng thử công suất động cơ điện đáp ứng được nhu cầu đề ra như sau: + Đảm bảo an toàn và độ bền
+ Vận hành ổn định và đảm bảo tính chính xác
+ Vận hành được trong điều kiện tải nặng, tốc độ cao
+ Linh hoạt trong việc thay đổi động cơ điện
Hình 3 19: Phần khung băng thử sau khi hoàn thành
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN BĂNG THỬ
Hệ thống điều khiển
Hình 4 1: Lưu đồ thuật toán thu nhận tín hiệu
4.1.2 Các thiết bị trong mạch điều khiển
4.1.1.1 Mạch tăng áp 10A 600W a) Thông số kỹ thuật:
- Điện áp đầu vào: 11 - 60 VDC
- Điện áp đầu ra: 12 - 80 VDC (Có thể điều chỉnh)
- Hiệu suất: lên đến 95% (điện áp đầu vào, dòng điện, điện áp đầu ra và hiệu quả chuyển đổi dòng điện)
- Có cầu chì bảo vệ ngắn mạch
Lưu ý: điện áp đầu vào khác nhau, công suất đầu ra tối đa sẽ khác
- Điện áp đầu vào là 12V: công suất đầu ra tối đa P = 12V * 10A = 120W
- Điện áp đầu vào là 24V: công suất ra cực đại P = 24V * 10A = 240W
- Điện áp đầu vào là 60V: công suất đầu ra tối đa P = 60V * 10A = 600W
- Nhiệt độ làm việc: công nghiệp (-40 ° c đến +85 ° c) (nhiệt độ môi trường, nếu hơn 40 độ thì giảm điện áp để sử dụng hoặc thêm tản nhiệt)
Hình 4 2: Mạch tăng áp 10A 600W b) Kết nối mạch tăng áp 10A 600W với các thiết bị khác trong hệ thống:
- Cực dương (IN+) kết nối với cực dương của acquy
- Cực âm (IN-) kết nối với cực âm của acquy
- Cực dương và âm (OUT+, OUT-) kết nối với 2 cực của bộ tạo tải c) Công dụng của mạch tăng áp 10A 600W
Trong quá trình vận hành, mạch tăng áp 10A 600W có vai trò rất quan trọng được sử dụng để điều chỉnh điện áp DC 12V tăng áp tối đa lên đến 80VDC cấp nguồn điều khiển cho bộ tạo tải để tạo ra moment cản dùng trong quá trình đo công suất motor xe điện Mạch được điều chỉnh điệp áp bằng hai biến trở: một biến trở điều chỉnh dòng và một biến trở điều chỉnh điện áp đầu ra
4.1.1.2 Mạch chuyển đổi ADC 24-bit Loadcell HX711 a) Thông số kỹ thuật
- Có 2 ngõ vào được lựa chọn Two selectable differential input channels
- Có tích hợp PGA nhiễu thấp với độ lợi được lựa chọn 32, 64 và 128
- Có chip ổn ấp nguồn cho loadcell và ADC
- Có chip dao động oscillator
- Giao tiếp và điều khiển đơn giản, không cần lập trình
- Có thể lựa chọn tốc độ data 10SPS or 80SPS
- Dòng điện tiêu thụ: hoạt động bình thường < 1.5mA, ngắt nguồn < 1uA
- Điện áp hoạt động: 2.6 ~ 5.5 VDC
Hình 4 3: Mạch chuyển đổi ADC 24-bit Loadcell HX711 b) Kết nối mạch HX711 với các thiết bị khác trong hệ thống
Bảng 4 1: Bảng kết nối các chân giữa mạch chuyển đổi với Load Cell và mạch chuyển đổi với Arduino
Load Cell HX 711 HX 711 Arduino
Dây xanh (A+) A+ VCC 5V c) Công dụng
Mạch chuyển đổi ADC 24 – bit Loadcell HX711 là một mạch cho phép đọc giá trị điện trở thay đổi từ cảm biến Loadcell (thường rất nhỏ không thể đọc từ VKĐ) để đo trọng lượng rất chính xác Mạch chuyển đổi ADC 24 – bit Loadcell HX711 có độ phân giải 24 – bit và giao tiếp với bộ vi điều khiển bằng giao tiếp two – wire interface (Clock và Data) để gửi dữ liệu về VĐK
Arduino Uno R3 - ATmega328 là dòng Arduino thế hệ thứ 3 cũng giống như các phiên bản trước đây giúp người dùng dễ dàng tiếp cận với lập trình để tạo ra phần cứng có những tính năng mong muốn một cách nhanh chóng với chi phí hợp lý
Bảng 4 2: Thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3
Vi điều khiển chính ATmega328 Điện áp hoạt động 5VDC Điện áp vào 7 - 12VDC Điện áp vào giới hạn 6 - 20VDC
Số chân Digital 14 (6 chân PWM)
Số chân vào Analog 6 chân
Dòng DC trên mỗi chân 40mA
Dòng DC trên chân 3.3V 50mA
Bộ nhớ Flash 32 KB (0.5KB dùng cho bootloader)
Tần số xung clock 16 MHz
Nguồn cấp cho Board Arduino Uno R3 có thể được cấp qua cổng USB (USB Jack) kết nối với máy tính hoặc qua chân Vin trên board với mức điện áp là 5V, hoặc thông qua giắc nguồn riêng (Power Jack) bên ngoài với mức điện áp khuyên dùng là 7 – 12V DC và giới hạn là 6 – 20V DC Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên Arduino Uno R3 sẽ có thể bị hỏng
Hình 4 5: Sơ đồ chân Arduino Uno R3 [31] Đầu vào dạng tương tự (Analog) của Arduino Uno R3 gồm 6 chân từ A0 đến A5, có độ phân giải tín hiệu 10 – bit (từ 0 – 1023) đọc giá trị điện áp từ 0 – 5V, để đọc được tín hiệu dùng lệnh analogRead (“A” + “ < số thứ tự chân cần đọc từ 0 – 5 > “)
Các chân tín hiệu vào/ ra dạng số (Digital I/O) của board gồm 14 chân từ chân 0 đến chân 13, để khai báo chân vào/ ra bằng cách dùng pinMode (< số thứ tự chân >, < INPUT/ OUTPUT >), để đọc tín hiệu Digital dùng lệnh DigitalRead (< số thứ tự chân>,
), để xuất tín hiệu Digital dùng lệnh digitalWrite (< số thứ tự chân >, < mức điện áp >) Trong đó có 6 chân có thể xuất tín hiệu xung PWM (3, 5, 6, 9, 10 và 11), có độ phân giải 8 – bit (0 – 255), thông qua lệnh analogWrite (< số thứ tự chân >, < giá trị phát xung từ 0 – 255 >)
Các chân ngắt ngoài của board gồm hai chân: 2 và 3, dùng chương trình ngắt thông qua lệnh attachInterrupt (< số thứ tự ngắt >, < hàm sẽ được gọi khi sự kiện ngắt xảy ra >,
4.1.3 Thiết kế mạch điều khiển
Mạch cấp nguồn 5V cho VĐK và các cảm biến của hệ thống điều khiển sử dụng IC ổn áp L7805CV
Hình 4 6: IC ổn áp L7805CV
Trong đó: - chân số 1: là chân cấp điện áp đầu vào chưa được điều chỉnh
- chân số 2: là chân GND
- chân số 3: là điện áp 5V đầu ra đã điều chỉnh
Bảng 4 3: Thông số kỹ thuật IC ổn áp L7805CV
Loại IC ổn áp Điện áp ngõ ra 5V
Dòng điện ngõ ra 1.5A Điện áp ngõ vào max 35V Điện áp ngõ vào min 7V
Mạch cấp nguồn tạo điện áp ra ổn định 5V từ nguồn 12V lấy từ acquy cho qua một schottky diode giúp chống phân cực ngược để đảm bảo an toàn khi đấu nối ngược nguồn
Tụ điện C1 ở đầu vào giúp giải quyết nguồn điện cấp không bị gián đoạn và biến dạng tần số thấp Tụ điện gốm C2 song song C1 ở phía đầu vào giúp lọc nhiễu và biến dạng tần số cao đảm bảo an toàn cho IC ổn áp 7805 Ở đầu ra cũng đặt hai tụ C3 và C4 tương tự để làm
54 phẳng đầu ra Mạch cấp nguồn 5V được thiết kế trên phần mềm easyEDA có sơ đồ mạch điện cơ bản như Hình 4.7
Mạch điều khiển sử dụng board Arduino Uno R3 làm vi điều khiển chính được cấp nguồn từ mạch cấp nguồn 5V Mạch chuyển đổi ADC 24 – bit Loadcell HX711 kết nối với board Arduino Uno R3 thông qua các chân SCK (nối với chân D3 của Arduino) và DT (nối với chân D4 của Arduino) để đo lực tác dụng Cảm biến từ Hall LEFIRCKO NJK – 5002C NPN kết nối với board Arduino Uno R3 thông qua chân D2 để sử dụng hàm ngắt (INT1) để đo tốc độ của motor xe điện Cảm biến dòng điện Hall ACS712 30A được kết nối với board Arduino Uno R3 thông qua chân A0 để đo dòng điện tiêu thụ của motor xe điện Mạch đo điện áp nguồn motor nối chân nối tiếp hai điện trở 10K và 510 Ohm với chân A1 của board Arduino Uno R3 để đo điện áp cấp driver điều khiển motor xe điện Mạch điều khiển được thiết kế trên phần mềm easyEDA có sơ đồ mạch điện cơ bản như Hình
Hình 4 8: Mạch đọc tín hiệu từ cảm biến
Hình 4 9: Mạch điều khiển bộ tạo tải
Hình 4 10: Mạch in PCB mạch điều khiển
Hình 4 12: Board mạch sau khi hoàn thành
4.1.4 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống
Hình 4 13: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống
4.1.5 Sơ đồ nối dây của hệ thống
Hình 4 14: Sơ đồ nối dây của hệ thống
- 5V, GND: Chân cấp nguồn cho các cảm biến và board Arduino Uno R3
- B+, B-: Cực dương, cực âm của acquy
- I+, I-: Cực dương, cực âm đầu vào của mạch điều khiển băng thử công suất
- O+, O-: Cực dương, cực âm điều khiển thiết bị tải
- UP+, UP-: Cực âm, cực dương điện áp đầu vào của mạch cầu phân áp đo điện áp
- E+, E-: Cực dương, cực âm của mạch chuyển đổi ADC 24 – bit Loadcell HX711
- A+, A-: Cực dương, cực âm tín hiệu của cảm biến lực Load Cell
- IP+, IP-: Cực dương, cực âm của mạch cảm biến dòng điện Hall ASC712 30A
- P+, P-: Cực dương, cực âm của nguồn cấp cho bộ điều khiển motor
- D+, D-: Cực dương, cực âm của bộ điều khiển motor
- L+, L-: Cực dương, cực âm của thiết bị tạo tải
- USB: Cáp truyền tín hiệu mạch điều khiển lên LabVIEW
- S: Chân tín hiệu điều khiển của các biến trở
Phần mềm điều khiển băng thử
4.3.1 Nghiên cứu, thiết kế phần mềm điều khiển băng thử – LabVIEW
4.3.1.1 Tại sao cần phải thiết kế phần mềm điều khiển băng thử Để việc kiểm tra, đo đạt các đặc tính của động cơ điện được tối ưu, chính xác và hiệu quả hơn thông qua sử dụng băng thử công suất thì có một phần mềm để hiển thị các thông số kỹ thuật là rất cần thiết Nó có thể cung cấp tất cả các số liệu đo đạt một cách chi tiết cũng như thể hiện đồ thị các đường đặc tính ngoài giúp ta kiểm tra được khái quát hơn cũng như đánh giá được động cơ chính xác hơn Từ đó có hướng phát triển sản phẩm một cách dễ dàng
4.3.1.2 Phần mềm LabVIEW a) Giới thiệu phần mềm LabVIEW
LabVIEW (viết tắt của Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) do công ty National Instrument phát triển là một ngôn ngữ lập trình đồ họa hiệu quả trong việc giao tiếp đa kênh giữa con người, thuật toán và các thiết bị Về cách thức lập trình, LabVIEW khác hoàn toàn với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như ngôn ngữ C, Python, hay Basis ở thời điểm thay vì sử dụng các từ vựng (từ khóa) được định nghĩa trước, LabVIEW sử dụng các khối hình ảnh sinh động (gọi là các hàm) và các dây nối để tạo ra các lệnh Sự cải tiến đặc biệt này của LabVIEW giúp cho việc lập trình trở nên đơn giản hơn bao giờ hết, ngoài ra, LabVIEW có thể được mở rộng cho nhiều nền tảng phẩn cứng và hệ điều hành khác nhau Trong thực tế, nền tảng LabVIEW có khả năng tích hợp với hàng nghìn thiết bị phần cứng và cung cấp hàng trăm thư viện được xây dựng sẵn để phân tích nâng cao và hiển thị dữ liệu giúp bạn tạo ra các thiết bị ảo có thể tùy chỉnh theo nhu cầu của mình
LabVIEW hỗ trợ các kỹ sư, nhà khoa học và sinh viên, vv xây dựng (thực thi) các thuật toán một cách nhanh chóng nhờ các khối hình ảnh có tính gợi nhớ và cách thức hoạt động theo kiểu dòng dữ liệu (data flow) lần lượt từ các hàm bên trái đến các hàm bên phải
59 trong một chương trình Ngoài ra, LabVIEW giúp việc kết nối các thuật toán này từ máy tính đến các mạch điện và cơ cấu chấp hành thông qua các chuẩn giao tiếp như chuẩn giao tiếp RS232 (giao tiếp qua cổng COM), chuẩn USB, chuẩn giao tiếp mạng TCP/IP, UDP, chuẩn GPIB, vv Do có nhiều chuẩn như vậy nên LabVIEW được coi là một ngôn ngữ giao tiếp đa kênh với các thiết bị Người lập trình có thể xây dựng, kiểm tra, đo lường, trao đổi dữ liệu, điều khiển… Từ việc mô phỏng trên máy tính cá nhân, người lập trình có thể kiểm tra chất lượng, tốc độ sản phẩm Sau đó, LabVIEW cho phép người sử dụng nhúng các chương trình mang tính mô phỏng này lên hệ thống thực tế và thực thi trên một hệ thống nhúng độc lập
Tại Việt Nam hiện nay, nhiều công ty đã sử dụng phần mềm này để điều khiển các dây chuyền tự động mà hầu hết được nhập khẩu từ nước ngoài Tuy nhiên, các nghiên cứu về ứng dụng của LabVIEW trong giảng dạy thì chưa nhiều Nghiên cứu các ứng dụng của phần mềm LabVIEW để đưa vào giảng dạy sẽ giúp sinh viên tiếp cận, nắm bắt được phần mềm mới và sử dụng trong thực tiễn sản xuất khi ra ngoài làm việc b) Lựa chọn cấu hình NI LabVIEW 2020
- Một giải pháp kỹ thuật mạnh mẽ
- Cung cấp kiểm soát thông tin chi tiết
- Cung cấp quyền truy cập nhanh vào phần cứng
- Một bộ công cụ kỹ thuật tiên tiến
- Cấp độ nâng cao của công cụ xử lý dữ liệu
- Xử lý cấu hình phần cứng, gỡ lỗi và đo lường dữ liệu
- Logic sơ đồ phức tạp với các công cụ cấp chuyên nghiệp
- Phát triển các thuật toán phân tích dữ liệu và sử dụng các giao diện kỹ thuật tùy chỉnh
- Đơn giản hóa việc thiết kế, đo lường, kiểm tra phân tán, v.v
- Làm việc với các hệ thống công nghiệp và sản xuất quy mô lớn
- Thiết kế máy móc thông minh và thiết bị công nghiệp
- Một ngôn ngữ lập trình đồ họa với các tính năng đào tạo và nghiên cứu
- Phân tích hệ thống đo lường với nhiều sửa lỗi và cải tiến
- Giải quyết các vấn đề khác nhau và nhiều hơn nữa để khám phá
- Làm việc với các mạch điện tử khác nhau
- Cải thiện tính linh hoạt của mã khi sử dụng OOP
- Dạy sinh viên kỹ thuật
- Đo hệ thống vật lý bằng cảm biến hoặc bộ truyền động
- Xác thực hoặc xác minh thiết kế điện tử
- Phát triển hệ thống kiểm tra sản xuất
- Thiết kế hệ thống truyền thông không dây
- Bộ nhớ (RAM): Yêu cầu RAM 1 GB
- Dung lượng đĩa cứng: Cần 2 GB dung lượng trống
- Bộ xử lý: Bộ xử lý Intel Dual Core trở lên
- Màn hình: 1024 x 768 pixels c) Hướng dẫn cài đặt
Tải file cài đặt NI LabView 2020 về máy tính và sau đó giải nén file và tiến hành cài đặt phần mềm LabVIEW
Hình 4 15: Hướng dẫn cài đặt LabVIEW 2020
Sau khi cài đặt thành công, khởi động phần mềm LabVIEW 2020 sẽ có giao diện của phần mềm có 2 cửa sổ gồm:
Hình 4 16: Giao diện phần mềm LabVIEW 2020
- Block Diagram: là chương trình phía sau giao diện người dùng, cho phép lập trình, xây dựng thuật toán bằng các phép tính trên các khối được dựng sẵn tường được biết đến là G code (mã G)
- Front Panel: là giao diện người dùng, đây là giao diện cho phép thiệt kế, hiển thị các giá trị, thông số, trạng thái, từ cửa sổ Block Diagram đã lập trình trước đó Vì vậy, đây chính là nơi để làm giao diện người dùng cho phần mềm điều khiển băng thử d) Giao tiếp LabVIEW với LabVIEW
Tại sao lựa chọn arduino để giao tiếp với labVIEW:
Arduino mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho mạch bằng ngôn ngữ Arduino, một ngôn ngữ riêng được phát triển dựa trên C/C++ Chính vì vậy mà Arduino được nhiều người tin tưởng và lựa chọn Nguyên nhân chính để lựa chọn Arduino là do trên phần mềm LabVIEW có hỗ trợ giao tiếp với Arduino
Hỗ trợ giao tiếp LabVIEW với Arduino:
62 Để cài đặt các gói thư viện hỗ trợ giao tiếp giữa LabVIEW với phần cứng Arduino, tiến hành các bước như sau: Sau khi đã cài đặt xong gói phần mềm NI LabView 2020 sẽ xuất hiện VI Package Maneger (VIPM), mở VI Package Maneger gõ vào thanh tìm kiếm
“Arduino” và nhần “INSTALL” để cài đặt gói
Hình 4 17: Giao diện VIPM hỗ trợ cài đặt các gói chức năng trong LabVIEW 2020 Để kết nối mạch điều khiển lên máy tính qua cổng COM của Arduino lên phần mềm LabVIEW phải có driver NI VISA Tiến hành tải driver NI VISA và cài đặt
Hình 4 18: Cài đặt NI VISA vào LabVIEW 2020
4.3.2 Lập trình code cho hệ thống
4.3.2.1 Lập trình code trên phần mềm Arduino IDE a) Thiết lập cảm biến lực Load Cell
Cài đặt thư viện HX 711
Có một số thư viện khác nhau để thực hiện các phép đo từ cảm biến lực Load Cell bằng mạch chuyển đổi ADC 24 – bit Loadcell HX711 Nên ta sẽ dụng thư viện HX711 của Bogdan Necula vì nó tương thích với Arduino Để cài đặt thư viện ta tiến hành như sau:
Mở Arduino IDE chọn “Sketch” → “Include Library” → “Manage Libraries” Gõ vào thanh tìm kiếm “HX711 Arduino Library” và cài thư viện của Bogdan Necula
Hình 4 19: Cài đặt thư viện HX711 Arduino Library
Hiệu chỉnh thang đo (Arduino với Load Cell)
Sau khi đã cài đặt xong thư viện cho mạch chuyển đổi ADC 24 – bit Loadcell HX711 ta tiến hành đấu nối Cảm biến lực Load Cell với mạch chuyển đổi ADC 24 – bit Loadcell HX711 và mạch chuyển đổi với board Arduino Để có thể đo được lực tác dụng, trước tiên ta cần phải hiệu chỉnh cảm biến Load Cell bằng cách lấy hệ số hiệu chỉnh Với mỗi cảm biến Load Cell khác nhau thì hệ số hiệu chỉnh sẽ khác nhau vì vậy không thể bỏ qua hệ số này Để xác định được hệ số hiệu chỉnh ta cần thực hiện các bước sau:
- Bước 1: Chuẩn bị một vật có khối lượng chuẩn đã biết trước
- Bước 2: Nạp code có hướng dẫn tính hệ số hiệu chuẩn cảm biến Load Cell do tài liệu thư viện cung cấp cho board Arduino
Lập trình code cho Arduino
Complete project details at https://RandomNerdTutorials.com/arduino-load-cell-hx711/
Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining a copy of this software and associated documentation files
The above copyright notice and this permission notice shall be included in all copies or substantial portions of the Software
64 const int LOADCELL_DOUT_PIN = 2; const int LOADCELL_SCK_PIN = 3;
Serial.begin(57600); scale.begin(LOADCELL_DOUT_PIN, LOADCELL_SCK_PIN);
} void loop() { if (scale.is_ready()) { scale.set_scale();
Serial.println("Tare remove any weights from the scale."); delay(5000); scale.tare();
Serial.print("Place a known weight on the scale "); delay(5000); long reading = scale.get_units(10);
Serial.println("HX711 not found.");
//calibration factor will be the (reading)/(known weight)
- Bước 3: Sau khi nạp code xong, ta mở “Serial monitor” ở tốc độ 57600 baud và sau đó nhấn nút “RESET” trên board Arduino
- Bước 4: Ta thực hiện theo các hướng dẫn trên Serial Monitor: loại bỏ các vật nặng ra khỏi cảm biến () Sau đó, ta đặt vật có khối lượng chuẩn đã chuẩn bị trước đó lên cảm biến cho đến khi nhận được giá trị
- Bước 5: Tính hệ số hiệu chỉnh theo công thức sau:
Hệ số hiệu chỉnh = Giá trị đọc được
Trọng lượng vật chuẩn đã biết Trong trường hợp này, giá trị đọc được là Trọng lượng vật chuẩn đã biết là , vì vậy hệ số hiệu chỉnh sẽ là Ta lưu hệ số hiệu chỉnh này lại để khai báo vào chương trình chính
65 để tiến hành đo lực tác dụng Vì đầu ra của cảm biến tỉ lệ thuận với lực tác dụng lên cảm biến Load Cell, nên ta có thể hiệu chỉnh thang đo của mình về bất kỳ đơn vị nào phù hợp
Do để đo Torque có đơn vị Nm nên ta sẽ dùng N (Newton) b) Lập trình code cho mạch điều khiển
Các bước gửi chuỗi dữ liệu trên Arduino: gồm có 4 bước:
- Bước 1: Khai báo các thư viện, khai báo và định nghĩa các biến toàn cục, các chân cảm biến, các giá trị ban đầu cần thiết
Lập trình code cho Arduino
#define CURRENT A0 // setup Hall Effect Current Sensor
#define VOLTAGE A1 // setup ADC voltage Module
// setup Load cell pin // VCC->5V GND->GND DT-
// setup Hall sensor pin // BRN->5V BLU->GND BLK->2
String final_value_1; int couter = 0; float vol_out; float vol_in; float cur_in;
// custom setting float R1 = 10000; // set resistor R1 float R2 = 510; // set resistor R2
// Declare the variables used for Load Cell const double calibration_factor 108.9820359281; //calibration factor will be the (reading)/(known weight)
66 const int number_of_readings = 20;
THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
Xây dựng băng thử động cơ điện cỡ nhỏ cho động cơ BLDC 60V 3000W
Hình 5 1: Mô hình thực tế của băng thử công suất động cơ xe điện cỡ nhỏ
Hình 5 2: Giao diện phần mềm cho băng thử công suất động cơ xe điện
1 - Giao diện kết nối phần mềm với băng thử
2 - Giao diện hiển thị các thông số của motor thử
3 - Giao diện chọn địa chỉ lưu file dữ liệu vào Excel của motor thử
4 - Giao diện hiển thị đồ thị công suất và moment xoắn của motor thử
5 – Giao diện hiển thị bảng dữ liệu các thông số củsa motor thử.
Kết quả hiện thị trên phần mềm
5.2.1 Các giá trị của động cơ xe điện
Trên phần mềm sẽ có một bảng thông số để ta có thể theo dõi trong quá trình vận hành băng thử công suất động cơ xe điện
Hình 5 3: Bảng thông số đo được của motor thử tải
5.2.2 Các đồ thị công suất moment với từng mức tải
Các mức điện áp cấp cho thiết bị tạo tải tạo moment cản để thử motor: a) Tải với mức điện áp 40V:
Hình 5 4: Đồ thị công suát và moment xoắn của động cơ thử ở mức tải 40V
Hình 5 5: Bảng các thông số đánh giá motor thử ở mức tải 40V Ở mức tải là 40V:
- Tốc độ cực đại của motor thử: 1176 (RPM)
- Công suất của motor thử ở tốc độ cực đại: 464 (W)
- Moment xoắc của motor thử ở tốc độ cực đại: 3.77 (Nm)
- Công suất cực đại của motor thử: 464 (W)
- Moment xoắn cực đại của motor thử: 3.79 (Nm)
- Điện áp cấp cho driver điều khiển motor: 61.29 (V)
- Dòng điện tiêu thụ của driver điều khiển motor: 8.57 (A)
- Hiệu suất của motor thử: 88.3 (%) b) Tải với mức điện áp 60V:
Hình 5 6: Đồ thị công suát và moment xoắn của động cơ thử ở mức tải 60V
Hình 5 7: Bảng các thông số đánh giá motor thử ở mức tải 60V Ở mức tải là 60V:
- Tốc độ cực đại của motor thử: 1132 (RPM)
- Công suất của motor thử ở tốc độ cực đại: 648 (W)
- Moment xoắc của motor thử ở tốc độ cực đại: 5.46 (Nm)
- Công suất cực đại của motor thử: 651 (W)
- Moment xoắn cực đại của motor thử: 5.49 (Nm)
- Điện áp cấp cho driver điều khiển motor: 61.19 (V)
- Dòng điện tiêu thụ của driver điều khiển motor: 12.38 (A)
- Hiệu suất của motor thử: 85.5 (%) c) Tải với mức điện áp 80V:
Hình 5 8: Đồ thị công suát và moment xoắn của motor thử ở mức tải 80V
Hình 5 9: Bảng các thông số đánh giá motor thử ở mức tải 80V Ở mức tải là 80V:
- Tốc độ cực đại của motor thử: 1111 (RPM)
- Công suất của motor thử ở tốc độ cực đại: 715 (W)
- Moment xoắc của motor thử ở tốc độ cực đại: 6.14 (Nm)
- Công suất cực đại của motor thử: 716 (W)
- Moment cực đại của motor thử: 6.2 (Nm)
- Điện áp cấp cho driver điều khiển motor: 60.91 (V)
- Dòng điện tiêu thụ của driver điều khiển motor: 14.36 (A)
- Hiệu suất của motor thử: 81.7 (%)
Kết luận: Qua các mức tải thử ta thấy được khi điều kiện tải tăng lên moment xoắn của động cơ tăng, tốc độ quay của động cơ giảm, công suất động cơ tăng, hiệu suất của motor giảm Điện áp cấp cho bộ điều khiển động cơ giảm và dòng tiêu thụ của bộ điều khiển tăng
5.2.3 Dữ liệu của motor xe điện được lưu về file Excel
Các dữ liệu của motor điện được lưu về file Excel nhằm mục đích theo dõi motor theo từng thời gian khi giao tiếp với hệ thống Các giá trị lưu về gồm có:
- Tốc độ motor thử (RPM)
- Điện áp nguồn cấp cho bộ điều khiển motor thử (V)
- Dòng điện tiêu thụ cho bộ điều khiển motor thử (A)
Hình 5 10: Dữ liệu motor thử ở mức tải 40V được lưu về file Excel