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
Giới thiệu chung về xe máy điện
Giới thiệu chung
Xe máy điện là phương tiện giao thông đường bộ với hai hoặc ba bánh dùng động cơ chạy bằng năng lượng điện Điện để chạy động cơ xe thường được lưu trữ trong pin sạc (khác với Tàu điện và một số loại xe buýt điện dùng điện từ các dây dẫn dọc đường), và có thể sử dng một hoặc nhiều động cơ điện Xe máy điện cũng có cấu 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, rất nhiều quốc gia trên thế giới khuyến khích người dân của mình sử dng các loại phương tiện thân thiện với môi trường như xe điện và Việt Nam không nằm ngoài xu hướng đó Với sự thân thiện tuyệt đối với môi trường, không gây ra các tiếng động khi di chuyển, tiết kiệm chi phí, quãng đường hay tốc độ tương đương với các sản phẩm xe máy thông thường khác thì xe máy điện đang dần dần chiếm được chỗ đứng vô cùng quan trọng tại thị trường Việt Nam.
Cấu tạo xe máy điện
Xe máy điện có cấu tạo khá tương tư với xe máy chạy xăng Nhưng cũng có 1 số điểm khác biệt. Động cơ xe: khác với xe máy chạy xăng, động cơ được gắn ở thân xe và truyền động đến bánh xe thông hệ bánh rang, xích, động cơ xe máy điện thường được gắn trực tiếp vào bánh sau xe
Nhiên liệu của xe điện là điện năng được lưu trữ trong pin, thường là pin lithium-ion với độ bền cao trọng tải nhẹ và ít ảnh hưởng tới môi trường.
Hệ thống màn hình hiển thị HMI: giúp theo dõi các thông số cơ bản khi sử dng xe
Có thể trang bị thêm các chức năng như 3G/GPS, kết nối ứng dng smartphone.
Hình 1 1 Sơ đồ cấu tạo xe 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 truyền tín hiệu điều 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 và dừng lại xe.
Cấu trúc hệ truyền động
Coupling : bộ ghép nối trc
Power converter : bộ biến đổi ĐTCS
Feedback signal : tín hiệu phản hồi
Electric torque - [Nm] : Moment trên đầu trc động cơ
Load torque - [Nm] : Moment xoắn trên tải quy về động cơ Rotation speed of load - : Tốc độ quay của tải sau hộp số
Rotation speed of motor - : Tốc độ đầu trc động cơ
Sensing speed - : tốc độ phản hồi.
Phase current – I [A] : Dòng điện pha động cơ.
Tính chọn động cơ
Bài toán: Thiết kế xe máy điện với các thông số như sau
Trọng lượng xe máy: 144kg
Tải trọng định mức: 144kg
Tốc độ tối đa: 140km/h
Thời gian đạt vận tốc 60km/h: 8s.
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, giảm ảnh hưởng của gió nên có thể coi lực cản không khí bằng 0.
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 tốc trọng trường g = 9.81m/
Tổng lực cản lăn là:
M + m: trọng lượng xe và tải trọng trên xe. g: Gia tốc trọng trường.
Trường hợp xe chạy đường dốc 30 độ.
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/
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 lực tăng 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 tăng tốc di chuyển với vận tốc tối đa 144 hay là 330 N (coi gia tốc khi gần đạt tốc độ tối 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 30kW
Coi bán kính bánh xe là 0.2m Khi đó Moment lực tại trực động cơ cần thiết để có tổng 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
Tốc độ định mức: 950rpm
Dòng điện định mức 72A Điện áp định mức: 420V
Giới thiệu động cơ 1 chiều không chổi than BLDC
Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than
Động cơ một chiều không chổi than BLDC (brushless DC motor) là một dạng động cơ đồng bộ tuy nhiên động cơ BLDC kích từ bằng nam châm vĩnh cửu gắn trên rotor và 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 xoay chiều đồng bộ có phần cảm là nam châm vĩnh cửu Dựa vào dạng song sức điện động stator 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 sóng hình sin (ta gọi chung với tên là PM – permanent magnet Motor).
Cấu tạo động cơ
Hình 4 1 Cấu tạo động cơ BLDC
- 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 3 pha thông thường, sự khác biệt này tạo nên sức phản điện động dạng hình thang mà 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 so với các pha của cuộn dây stator Để làm được điều đó người ta dùng cảm biến hiệu ứng Hall.
Nguyên lý điều khiển
Nguyên tác điều khiển của động cơ BLDC là xac định vị trí rotor để điều khiển dòng điện vào cuộn dâu stator tương ứng, nếu không động cơ không thể tự khởi động hay thay đổi chiều quay Động cơ BLDC được điều khiển bằng một điều khiển tương ứng Bppj điều khiển này có cấu tạo giống như một bộ nghịch lưu ba pha thông thường tuy nhiên dòng điện ra là dòng điện không đổi DC Tại một thời điểm hoạt động của bộ điều khiển chỉ cho dòng điện DC chạy qua 2 cuộn dây của 2 pha tương ứng với vị trí rotor lúc đó.
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 lệ momen/quán tính lớn, tỷ lệ công suất trên khối lượng cao Do được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên giảm tôn hao đồng và sắt trên rotor, vì vậy hiệu suất động cơ được nâng cao Động cơ BLDC không cần chổi than và vành trượt nên giảm ma sát trên trc động cơ và không phải tổn chi phí bảo trì chổi than, ta cũng có thể thay đỏi đặc tính cơ bằng cách thay đổi đặc tính của nam châm kích từ và cách bố trí nam châm trên rotor.
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 điều khiển 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.
Do động cơ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu được điều khiển bằng một bộ điều khiển với điện áp ngõ ra dạng xung vuông và cảm biến Hall được đặt bên trong 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 từ không cao dễ bị khử từ và đăc tính từ của nam châm bị giảm khi tăng nhiệt độ.
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, giảm được chi phí bảo trì nên động cơ BLDC là một trong những lựa chọn vô cùng tối ưu 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
• Hệ số sức điện động: Ke = 2.35V/rad/s
• Điện áp định mức: Vdm = 640V
Mô hình hóa động cơ và thiết kế hệ thống điều khiển động cơ
Mô hình hóa động cơ
Sơ đồ tương đương và đồ thị dạng song suất điện động và dòng điện của động cơ BLDC được thể hiện ở hình vẽ Mô hình toán học của động cơ BLDC có thể được xây dựng như các làm với động cơ đồng bộ bap ha Tuy nhiên sẽ có điểm khác biệt về đặc tính động học do rotor của động cơ BLDC là nam châm vĩnh cửu.
Hình 5 1 Cấu trúc động cơ một chiều không chổi than
Hình 5 2 Đồ thị sức điện động và dòng điện
Quan hệ giữa điện áp và dòng điện các pha động cơ điện mô tả như sau:
L,R – cảm kháng, điển trở của mỗi pha động cơ.
– điện áp pha a, pha b, pha c.
– dòng điện chạy qua mỗi pha a, b, c.
– sức điện động sinh ra tại mỗi pha a, b, c.
Khi S1, S2 dẫn, pha a, pha c dẫn:
Sử dng phép biến đổi Laplace:
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 cực
Công suất ddienj từ là:
- Momen điện từ động cơ sinh ta Bỏ qua tổn hao do ma sát trên trc động cơ ta có:
Khi có momen tải , ta có phương trình động lực học:
Với J – Momen quán tính của rotor;
Sử dng biến đổi Laplace:
Dựa vào các phương trình trên, ta thu được mô hình động cơ BLDC.[Hình 5.3] Động cơ BLDC có cảm biến Hall đặt trên Stator để xác định vị trí rotor và điều khiển dòng điện phần ứng cho phù hợp với vị trí đó.
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 khối look-up table như hình vẽ:
Khối giải mã tín hiệu Hall có tác dng giải mã tín hiệu Hall đưa về tạo ra dạng 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
Góc điện Hall Pha dẫn Van dẫn
Hình 5 4 Tín hiệu Hall và sức điện động
Hình 5 5 Khối tạo sức điện động và tín hiệu Hall
Hình 5 6 Khối gi2 mã tín hiệu Hall
Thiết kế hệ thống điều khiển
Trong phần này em sẽ thiết kế 2 mạch vòng điều khiển là mạch điều khiển dòng và 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 theo kiểu nghích lưu nguồn áp, khâu phát xung là khâu PƯM với tần số phát xung 10kHz.
Hàm truyền của khối bộ biến đổi có dạng:
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:
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.
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:
Mô phỏng sử dng Matlab Simulink
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:
Hình 6 2 Sơ đồ bộ điều khiển
Hình 6 3 Sơ đồ bộ biến đổi
Hình 6 4 Sơ đồ động cơ BLDC
Các bộ điều khiển sau khi tinh toán thử nhiệm và chỉnh định lại như sau:
Bộ điều khiển tốc độ:
Kết quả mô phỏng
Trường hợp 1: cho xe tăng tốc lên 60km/h xe chạy trên đường bằng tải trọng định mức.(= 120Nm)
Hình 6 5 kết qu2 mô phỏng trường hợp 1
Hình 6 6 Kết qu2 mô phỏng vận tốc TH.1
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.
Trường hợp 2: xe đang đi đường bằng thì lên dốc ()
Hình 6 8 Kết qu2 mô phỏng trường hợp 2
Hình 6 9 Kết qu2 mô phỏng momen TH.2
Hình 6 10 Kết qu2 mô phỏng tốc độ TH.2
Kết quả mô phỏng bám theo giá trị đặt
Khi mô men tăng biên độ dòng tăng, tốc độ bị giảm và khôi phc sau khoảng 9- 10s.
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
Hình 6 12 Kết qu2 mô phỏng gi2m tốc độ
Hình 6 13 Kết qu2 mô phỏng tốc độ TH.3
Hình 6 14 kết qu2 mô phỏng momen TH.3
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.
