báo cáo bài tập lớn thiết kế truyền động điện đề tài thiết kế xe máy điện

Nguyên lý hoạt động xe máy điện.Tương tự xe máy thường, xe máy điện được điều khiển tốc độ bằng tay ga và phanh.Khi hoạt động tay ga truyền tín hiệu đến bộ điều khiển trung tâm, từ đó tr

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Trường điện – điện tử -

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚNTHIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Đề tài: Thiết kế xe máy điện

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Duy Đỉnh

Hà Nội 10/8/2022

Mc lc

Mc lc 2

Danh sách hình vẽ và bảng 3

Chương 1 Giới thiệu chung về xe máy điện 4

1.1 Giới thiệu chung: 4

1.2 Cấu tạo xe máy điện 4

1.3 Nguyên lý hoạt động xe máy điện 5

Chương 2 Cấu trúc hệ truyền động 6

Chương 3 Tính chọn động cơ 7

3.1 Bài toán: Thiết kế xe máy điện với các thông số như sau: 7

3.2 Tính toán công suất động cơ: 7

Chương 4 Giới thiệu động cơ 1 chiều không chổi than BLDC 10

4.1 Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than 10

4.2 Cấu tạo động cơ 10

4.3 Nguyên lý điều khiển 11

4.4 Ưu, nhược điểm của động cơ một chiều không chổi than 11

4.5 Lựa chọn động cơ BLDC cho xe điện 12

Chương 5 Mô hình hóa động cơ và thiết kế hệ thống điều khiển động cơ 14

5.1 Mô hình hóa động cơ: 14

5.1.1 Sơ đồ nguyên lý 14

5.1.2 Mô hình động cơ: 17

5.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 20

5.2.1 Thiết kế mạch điều khiển dòng điện 20

5.2.2 Thiết kế mạch điều khiển tốc độ 21

Chương 6 Mô phỏng sử dng Matlab Simulink 23

6.1 Sơ đồ mô phỏng matlab simulink: 23

6.2 Kết quả mô phỏng: 25

Kết Luận 33

Tài liệu tham khảo 34

Danh sách hình vẽ và bảng

Hình 1 1 Sơ đồ cấu tạo xe điện 5

hình 2 1 sơ đồ cấu trúc điều khiển 6

Hình 4 1 Cấu tạo động cơ BLDC 10

Hình 5 1 Cấu trúc động cơ một chiều không chổi than 14

Hình 5 2 Đồ thị sức điện động và dòng điện 15

Hình 5 3 Mô hình động cơ BLDC 17

Hình 5 4 Tín hiệu Hall và sức điện động 18

Hình 5 5 Khối tạo sức điện động và tín hiệu Hall 19

Hình 5 6 Khối giả mã tín hiệu Hall 19

Hình 5 7 Sơ đồ đơn giản mạch điều khiển dòng điện 20

Hình 5 8 Sơ đồ đơn giản mạch điều khiển tốc độ 21

Hình 6 1 Sơ đồ tổng quát mô phỏng động cơ 23

Hình 6 2 Sơ đồ bộ điều khiển 24

Hình 6 3 Sơ đồ bộ biến đổi 24

Hình 6 4 Sơ đồ động cơ BLDC 25

Hình 6 5 kết quả mô phỏng trường hợp 1 26

Hình 6 6 Kết quả mô phỏng vận tốc TH.1 26

Hình 6 7 Kết quả mô phỏng momen TH.1 27

Hình 6 8 Kết quả mô phỏng trường hợp 2 28

Hình 6 9 Kết quả mô phỏng momen TH.2 28

Hình 6 10 Kết quả mô phỏng tốc độ TH.2 29

Hình 6 11 Kết quả mô phỏng tăng tốc độ 30

Hình 6 12 Kết quả mô phỏng giảm tốc độ 30

Hình 6 13 Kết quả mô phỏng tốc độ TH.3 31

Hình 6 14 kết quả mô phỏng momen TH.3 31

Bảng 1 Góc điện, cảm biến Hall, Pha dẫn, Van dẫn 18

3

Chương 1 Giới thiệu chung về xe máy điện.

1.1 Giới thiệu chung:

Xe máy điện là phương tiện giao thông đường bộ với hai hoặc ba bánh dùng độngcơ chạy bằng năng lượng điện Điện để chạy động cơ xe thường được lưu trữtrong pin sạc (khác với Tàu điện và một số loại xe buýt điện dùng điện từ các dây dẫndọc đường), và có thể sử dng một hoặc nhiều động cơ điện Xe máy điện cũng cócấu tạo, hình thức tương tựu như xe máy chạy bằng xăng

Trước tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng gia tang trên thế giới hiện nay, rấtnhiều quốc gia trên thế giới khuyến khích người dân của mình sử dng các loạiphương tiện thân thiện với môi trường như xe điện và Việt Nam không nằm ngoài xuhướng đó Với sự thân thiện tuyệt đối với môi trường, không gây ra các tiếng độngkhi di chuyển, tiết kiệm chi phí, quãng đường hay tốc độ tương đương với các sảnphẩm xe máy thông thường khác thì xe máy điện đang dần dần chiếm được chỗ đứngvô cùng quan trọng tại thị trường Việt Nam.

1.2 Cấu tạo xe máy điện.

Xe máy điện có cấu tạo khá tương tư với xe máy chạy xăng Nhưng cũng có 1 số điểmkhác biệt.

Động cơ xe: khác với xe máy chạy xăng, động cơ được gắn ở thân xe và truyềnđộng đến bánh xe thông hệ bánh rang, xích, động cơ xe máy điện thường đượcgắn trực tiếp vào bánh sau xe

Nhiên liệu của xe điện là điện năng được lưu trữ trong pin, thường là pinlithium-ion với độ bền cao trọng tải nhẹ và ít ảnh hưởng tới môi trường.

4

Hệ thống màn hình hiển thị HMI: giúp theo dõi các thông số cơ bản khi sửdng xe

Có thể trang bị thêm các chức năng như 3G/GPS, kết nối ứng dngsmartphone.

Hình 1 1 Sơ đồ cấu tạo xe điện

1.3 Nguyên lý hoạt động xe máy điện.

Tương tự xe máy thường, xe máy điện được điều khiển tốc độ bằng tay ga và phanh.Khi hoạt động tay ga truyền tín hiệu đến bộ điều khiển trung tâm, từ đó truyền tín hiệuđiều khiển đến động cơ, điều khiển tốc độ động cơ.

Hệ thống phanh được gắn tại bánh xe, khi phanh sẽ giúp làm bánh xe giảm tốc độ vàdừng lại xe.

5

Chương 2 Cấu trúc hệ truyền động

Power converter : bộ biến đổi ĐTCS

Feedback signal : tín hiệu phản hồiElectric torque - [Nm] : Moment trên đầu trc động cơ

Load torque - [Nm] : Moment xoắn trên tải quy về động cơRotation speed of load - : Tốc độ quay của tải sau hộp số

Rotation speed of motor - : Tốc độ đầu trc động cơSensing speed - : tốc độ phản hồi.

Phase current – I [A] : Dòng điện pha động cơ.

Chương 3 Tính chọn động cơ.

Pulse width modulation

Set point Power Converter3-phase power supply

Motor Load

hình 2 1 sơ đồ cấu trúc điều khiển

3.1 Bài toán: Thiết kế xe máy điện với các thông số như sau:

Trọng lượng xe máy: 144kgTải trọng định mức: 144kgTốc độ tối đa: 140km/hThời gian đạt vận tốc 60km/h: 8s.

3.2 Tính toán công suất động cơ:

Công thức tổng quát:với

Lực tăng tốc : Lực cản không khí: Lực cản lăn : Lực lên xuống dốc

Với thiết kế của xe máy điện có diện tích chắn nhỏ, các thiết kế thông gió, giảmảnh hưởng của gió nên có thể coi lực cản không khí bằng 0.

Lực cản lăn:

Với: : hệ số ma sát với bề mặt đường.M + m: trọng lượng xe và tải trọng trên xe.g: Gia tốc trọng trường.

Xét xe chạy trên đường nhựa với tải trọng định mức M + m = 288kg, gia tốctrọng trường g = 9.81m/

Tổng lực cản lăn là:

Lực lên xuống dốc: : độ dốc của đường.

M + m: trọng lượng xe và tải trọng trên xe.g: Gia tốc trọng trường.

Trường hợp đường bằng,

Trường hợp xe chạy đường dốc 30 độ

7

Lực tăng tốc:

a: Gia tốc của xe.

Theo đề bài cần 8s để tăng tốc lên 60km/h tức gia tốc trung bình khoảng 2m/Ta có:

Tổng lực cần để xe tăng tốc di chuyển trên đường nhựa dốc là:

Giả sử tốc độ tối đa khi leo dốc trên là 45 hay 12.5 khi đạt tốc độ tối đa coi lựctăng tốc bằng 0 Khi đó tổng lực cần để xe di chuyển là 1445 N.

Khi xe chạy trên đường bằng, bỏ qua lực tăng tốc khi đó tổng lực cần để xe tăngtốc di chuyển với vận tốc tối đa 144 hay là 330 N (coi gia tốc khi gần đạt tốc độtối đa 1)

Công suất động cơ cần thiết là:Khi tăng tốc lên dốc:

Khi đạt tốc độ tối đa lên dốc:

Khi tăng đến tốc độ tối đa trên đường bằng:

Từ đây ta sẽ chọn động cơ có công suất định mức 20kW và công suất tối đa 30kWCoi bán kính bánh xe là 0.2m Khi đó Moment lực tại trực động cơ cần thiết để cótổng lực 2031 N là 406.2Nm.

Từ các thông số trên ta có thể lựa chọn động cơ phù hợp như sau:Công suất định mức: 20kW

8

Momen định mức: 220NmTốc độ định mức: 950rpmDòng điện định mức 72AĐiện áp định mức: 420V

9

Chương 4 Giới thiệu động cơ 1 chiều không chổi than BLDC.

4.1 Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than

Động cơ một chiều không chổi than BLDC (brushless DC motor) là một dạng độngcơ đồng bộ tuy nhiên động cơ BLDC kích từ bằng nam châm vĩnh cửu gắn trên rotorvà dùng dòng điện một chiều bap ha cho dây quấn stator.

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là nhóm động cơ xoay chiều đồng bộ cơ xoaychiều đồng bộ có phần cảm là nam châm vĩnh cửu Dựa vào dạng song sức điện độngstator của động cơ mà ta chia thành 2 loại:

- Động cơ sóng hình sin- Động cơ sóng hình thang

Động cơ BLDC thuộc dòng sóng hình thang, những động cơ còn lại là động cơ sónghình sin (ta gọi chung với tên là PM – permanent magnet Motor).

4.2 Cấu tạo động cơ

Hình 4 1 Cấu tạo động cơ BLDC

10

- Stator: bao gồm lõi sắt (các lá thép kỹ thuật điện ghép cách điện với nhau) và dây

quấn Cách quấn dây của BLDC khác so với cách quốn dây động cơ xoay chiều 3pha thông thường, sự khác biệt này tạo nên sức phản điện động dạng hình thangmà ta thấy.

- Rotor: về cơ bản không có gì khác so với các động cơ nam châm vĩnh cửu khác.- Cảm biến hall: do đặc thù sức phản điện động có dạng hình thang nên cấu hình

điều khiển thông của BLDC cần có cảm biến xác định vị trí của từ trường rotor sovới các pha của cuộn dây stator Để làm được điều đó người ta dùng cảm biếnhiệu ứng Hall.

-4.3 Nguyên lý điều khiển

Nguyên tác điều khiển của động cơ BLDC là xac định vị trí rotor để điều khiểndòng điện vào cuộn dâu stator tương ứng, nếu không động cơ không thể tự khởiđộng hay thay đổi chiều quay Động cơ BLDC được điều khiển bằng một điềukhiển tương ứng Bppj điều khiển này có cấu tạo giống như một bộ nghịch lưu bapha thông thường tuy nhiên dòng điện ra là dòng điện không đổi DC Tại mộtthời điểm hoạt động của bộ điều khiển chỉ cho dòng điện DC chạy qua 2 cuộn dâycủa 2 pha tương ứng với vị trí rotor lúc đó.

4.4 Ưu, nhược điểm của động cơ một chiều không chổi than- Ưu điểm

Động cơ BLDC có các ưu điềm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu như tỷ lệmomen/quán tính lớn, tỷ lệ công suất trên khối lượng cao Do được kích từ bằngnam châm vĩnh cửu nên giảm tôn hao đồng và sắt trên rotor, vì vậy hiệu suất độngcơ được nâng cao

Động cơ BLDC không cần chổi than và vành trượt nên giảm ma sát trên trc độngcơ và không phải tổn chi phí bảo trì chổi than, ta cũng có thể thay đỏi đặc tính cơbằng cách thay đổi đặc tính của nam châm kích từ và cách bố trí nam châm trênrotor.

11

Một số đặc tính nổi bật của động cơ khi hoạt động:Mật độ từ thông khe hở không khí.

Tỷ lệ công suất/khối lượng cao.

Vận hành nhẹ nhàng (dao động của momen nhỏ thậm chí ở tốc độ thấp để điềukhiển bị trí một các chính xác).

Momen điều khiển được ở vị trí bằng không.Vận hành tốc độ cao.

Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn.Hiệu suất cao.

Kết cấu gọn.

- Nhược điểm

Do động cơ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu được điều khiển bằng một bộđiều khiển với điện áp ngõ ra dạng xung vuông và cảm biến Hall được đặt bêntrong để xác định vị trí rotor Điều này làm tăng giá thành sản xuất động cơ.Nếu dùng các loại nam châm sắt từ để chúng dễ từ hóa nhưng khả năng tích từkhông cao dễ bị khử từ và đăc tính từ của nam châm bị giảm khi tăng nhiệt độ.

4.5 Lựa chọn động cơ BLDC cho xe điện.

Với những ưu điểm như hoạt động nhẹ nhàng êm ái, độ bền cao, ít tổn hao, giảmđược chi phí bảo trì nên động cơ BLDC là một trong những lựa chọn vô cùng tốiưu cho động cơ xe điện.

Lựa chọn động cơ BLDC cho xe máy điện với các thông số như sau:• Điện trở một pha: Ra = 0.38205Ω

• Điện cảm một pha: La = 11.475mH• Tốc độ không tải: = 2069rpm• Tốc độ định mức: ndm = 1150rpm• Dòng điện định mức: Idm = 72A

12

• Momen định mức: Mdm = 249.11N.m• Momen quán tính: J = 0.185kg.m2• Hệ số Momen: Kt = 2.54N.m/A• Hệ số sức điện động: Ke = 2.35V/rad/s• Số đôi cực: p = 4

• Điện áp định mức: Vdm = 640V

13

Chương 5 Mô hình hóa động cơ vàthiết kế hệ thống điều khiển động cơ

5.1 Mô hình hóa động cơ:5.1.1 Sơ đồ nguyên lý

Sơ đồ tương đương và đồ thị dạng song suất điện động và dòng điện của độngcơ BLDC được thể hiện ở hình vẽ Mô hình toán học của động cơ BLDC cóthể được xây dựng như các làm với động cơ đồng bộ bap ha Tuy nhiên sẽ cóđiểm khác biệt về đặc tính động học do rotor của động cơ BLDC là nam châmvĩnh cửu.

Hình 5 1 Cấu trúc động cơ một chiều không chổi than

14

Sử dng phép biến đổi Laplace:

15

Với

Trong động cơ BLDC 3 pha, sức điện động ph thuộc vào vị trí rotor:

Trong đó: - hằng số sức điện động; - góc điện rotor; - tốc độ quay của rotor.Mối quan hệ giữa góc điện và góc cơ của rotor động cơ:

Với p là số đôi cựcCông suất ddienj từ là:

- Momen điện từ động cơ sinh ta Bỏ qua tổn hao do ma sát trên trc động cơta có:

Phương trình Momen:

Khi có momen tải , ta có phương trình động lực học:

Với J – Momen quán tính của rotor;Sử dng biến đổi Laplace:

Giá trị của cảm biến Hall được xác định qua [bảng 1]

Dựa vào "bảng 1" và "hình 5.4" ta xây dựng khối tạo tín hiệu Hall theo khốilook-up table như hình vẽ:

16

Khối giải mã tín hiệu Hall có tác dng giải mã tín hiệu Hall đưa về tạo radạng dòng điện chuẩn từ đấy xác định được pha nào đang dẫn để điều khiển

Hình 5 3 Mô hình động cơ BLDC

B2ng 1 Góc điện, c2m biến Hall, Pha dẫn, Van dẫn

60 - 120 001 B - C S2 - S3120 - 180 011 B - A S3 - S4180 - 240 010 C - A S4 - S5

17

240 - 300 110 C - B S5 - S6300 - 360 100 A - B S6 - S1

Hình 5 4 Tín hiệu Hall và sức điện động

Hình 5 5 Khối tạo sức điện động và tín hiệu Hall

18

Hình 5 6 Khối gi2 mã tín hiệu Hall

5.2 Thiết kế hệ thống điều khiển.

Trong phần này em sẽ thiết kế 2 mạch vòng điều khiển là mạch điều khiển dòngvà mạch điều khiển tốc độ

5.2.1 Thiết kế mạch điều khiển dòng điện.

Mô hình hóa bộ biến đổi: ở đay là bộ chuyển mạch 6 van MOSFET mắc theokiểu nghích lưu nguồn áp, khâu phát xung là khâu PƯM với tần số phát xung10kHz.

Hàm truyền của khối bộ biến đổi có dạng:

19

Hình 5 7 Sơ đồ đơn gi2n mạch điều khiển dòng điện

Trong đó được xác định theo tài liệu [ơ] như sau:

Với - điện áp đỉnh của khâu so sánh.

Với - tần số chuyển mạch bộ biến đổi.

Khâu đo dòng điện có thể chọn khâu trễ với dạng hàm truyền như sau:

Với hệ số:

Thiết kế bộ điều khiển dòng điện:

Dễ tính được hàm truyền có dạng khâu quán tính bậc 2:

Chọn bộ điều khiển là bộ PI, các tham số có thể xác định như sau:

Những tham số này sẽ được chỉnh định sau để có được kết quả tốt nhất.

20

5.2.2 Thiết kế mạch điều khiển tốc độ.

Hình 5 8 Sơ đồ đơn gi2n mạch điều khiển tốc độ

Đối với vòng điều khiển tốc độ, coi vòng điều khiển dòng điện là vòng 1 thành phần của đối tượng điều khiển.ta có hàm truyền đạt của vòng điều khiển dòng điện:

Đối tượng tổng quát lúc này sẽ có mô hình hàm truyền:

Ta thấy hàm truyền của đối tượng là khâu tích phân quán tính bậc nhất từ đó lựa chọn bộ điều khiển PI với các tham số có thể lựa chọn như sau:

21

Chương 6 Mô phỏng sử dụng Matlab Simulink

6.1 Sơ đồ mô phỏng matlab simulink:

Hình 6 1 Sơ đồ tổng quát mô phỏng động cơ

Mô hình điều khiển động cơ BLDC gồm 3 khối: khối điều khiển, khối bộ biến đổi, khối động cơ BLDC.

Chi tiết các khối như hình:

22

Hình 6 2 Sơ đồ bộ điều khiển

Hình 6 3 Sơ đồ bộ biến đổi

23

Hình 6 5 kết qu2 mô phỏng trường hợp 1

Hình 6 6 Kết qu2 mô phỏng vận tốc TH.1

25

Hình 6 7 Kết qu2 mô phỏng momen TH.1

Nhận xét:

Kết quả mô phỏng bám theo giá trị đặt.Tốc độ đạt 60km/h sau khoảng 8s.Mô men đập mạch lớn.

26

Trường hợp 2: xe đang đi đường bằng thì lên dốc ()

Hình 6 8 Kết qu2 mô phỏng trường hợp 2

27

Hình 6 9 Kết qu2 mô phỏng momen TH.2

Hình 6 10 Kết qu2 mô phỏng tốc độ TH.2

28

Nhận xét:

Kết quả mô phỏng bám theo giá trị đặt

Khi mô men tăng biên độ dòng tăng, tốc độ bị giảm và khôi phc sau khoảng 10s.

9-Mô men đập mạch lớn.

Trường hợp 3: thay đổi tốc độ tăng rồi giảm.

Hình 6 11 Kết qu2 mô phỏng tăng tốc độ

29

Hình 6 12 Kết qu2 mô phỏng gi2m tốc độ

Hình 6 13 Kết qu2 mô phỏng tốc độ TH.3

30

Hình 6 14 kết qu2 mô phỏng momen TH.3

Nhận xét:

Kết quả mô phỏng bám giá trị đặt

Ngay khi thay đổi giá trị đặt tốc độ, tốc độ thay đổi nhanh rồi chậm dần và bám theo giá trị đặt.

Mô men giao động mạnh khi tốc độ thay đổi

Tần số giao động dòng điện tăng khi tốc độ động cơ tăng và giảm khi tốc độ động cơ giảm

Mô men đập mạch lớn.

31

Kết Luận

Những nội dung đã thực hiện được:Nghiên cứu về xe máy điện.

Thực hiện tính chọn động cơ xe theo yêu cầu cho trước.

Thiết kế mô phỏng điều khiển động cơ xe và cho kết quả tương đối chính xác, bámtheo yêu cầu của bài toán điều khiển đặt ra

Những điều còn hạn chế:

Chưa mô phỏng được với đối tượng xe điệnChưa có sự liên hệ giữa tốc độ và tải trong mô phỏngKết quả mô phỏng chưa quá tốt, mô men đập mạch cao.Phương hướng phát triển:

Cải thiện chất lượng bộ điều khiển để đạt kết quả tốt hơn

Thiết kế lại hệ thống sơ đồ mô phỏng, tạo sự liên kết giữa tốc độ gia tốc và tải cho động cơ.

Mô hình hóa xe máy điện và thực hiện mô phỏng với đồi tượng là xe máy điện

32