thiết kế và chế tạo mạch điều khiển mô hình ô tô điện

i NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Họ và tên sinh viên: PHẠM QUỐC DŨNG Lớp: 50CKCD Chuyên ngành: Công nghệ cơ điện tử Đề tài: "Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển mô hình ô tô điện” Số trang: 101 Số chương: 04 Tài liệu tham khảo: 17 Hiện vật: 02 quyển báo cáo + 02CD, 01 ô tô điện, 02 bộ điều khiển. NHẬN XÉT Kết luận Nha Trang, ngày tháng năm 2012 Cán bộ hướng dẫn ( ký và ghi rõ họ tên ) ii PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI Họ và tên sinh viên: PHẠM QUỐC DŨNG Lớp: 50CKCD Chuyên ngành: Công nghệ cơ điện tử Đề tài: "Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển mô hình ô tô điện” Số trang: 101 Số chương: 04 Tài liệu tham khảo: 17 Hiện vật: 02 quyển báo cáo + 02CD, 01 ô tô điện, 02 bộ điều khiển. NHẬN XÉTCỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN Kết luận Nha Trang, ngày tháng năm 2012 CÁN BỘ PHẢN BIỆN ( Ký ghi rõ họ tên ) _________________________________________________________________ Nha Trang, ngày tháng năm 2012 CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG ( Ký ghi rõ họ tên ) Điểm phản biện Bằng số Bằng chữ Điểm chung Bằng số Bằng chữ iii LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu tìm hiểu về đề tài với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của quý thầy cô trong nhà trường và các bạn trong lớp em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp “Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển mô hình ô tô điện” với thời gian đúng quy định. Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong nhà trường, các thầy cô trong khoa Cơ Khí đã tận tình giúp đỡ chúng em trong suốt những năm qua, thầy cô đã trang bị cho chúng em những kiến thức quý báu nhất để làm hành trang bước vào đời. Và đặc biệt em xin gửi tới các thầy trong bộ môn Cơ Điện Tử lời cảm ơn chân thành nhất, các thầy đã và đang ngày đêm miệt mài nghiên cứu, lao động để truyền đạt cho chúng em những kiến thức vô cùng quý báu. Các thầy đã tạo cho chúng em những điều kiện tốt nhất để chúng em được học tập, được sử dụng thiết bị bộ môn để hoàn thành đồ án tốt và nhanh nhất. Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Văn Hùng đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án để chúng em hoàn thành được đồ án với đúng quy định. Xin cảm ơn tập thể các bạn lớp 50CKCD đã đóng góp những ý kiến quý báu cho đồ án. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn và xin gửi tới quý thầy cô trong nhà trường, các bạn bè người thân đã giúp đỡ em trong suốt thời gian qua lời chúc tốt đẹp nhất! Sinh Viên PHẠM QUỐC DŨNG iv MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN i PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI ii LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC HÌNH vii DANH MỤC BẢNG xii LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Ô TÔ ĐIỆN 2 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG 3 1.2. CẤU HÌNH CỦA Ô TÔ ĐIỆN 3 1.3. NHU CẦU SỬ DỤNG Ô TÔ ĐIỆN PHỤC VỤ DU LỊCH VÀ SỬ DỤNG TRONG CÁC SỞ Y TẾ 5 1.3.1. Phương tiện cá nhân 5 1.3.2. Các phương tiện công cộng 7 1.3.3. Các phương tiện dùng chuyên biệt trong các lĩnh vực giải trí thể thao, các lĩnh vực công nghiệp, các loại xe chuyên dùng trong các ngành 8 1.3.4. Các loại phương tiện dùng trong các lĩnh vực chuyên dùng, vận chuyển, nâng chuyển hàng hóa, phục vụ cho người tàn tật 9 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 10 2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CÚU 11 2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 12 2.2.1. Các phương án thiết kế 12 2.2.1.1. Phương án 1 12 2.2.1.2. Phương án 2 13 2.2.1.4. Kết luận 15 2.3. THIẾT KẾ CHẾ TẠO PHẦN CƠ KHÍ 15 2.3.1. Động lực học bánh xe và khái niệm về sự trượt 15 2.3.2. Các lực cản chuyển động của ô tô 19 2.3.2.1. Lực cản lên dốc 19 2.3.2.2. Lực cản lăn 20 2.3.2.3. Lực cản không khí 20 v 2.3.2.4. Lực quán tính 21 2.3.3. Xác định công suất của động cơ điện và nguồn acquy 21 2.3.3.1. Xác định các thông số của động cơ điện 21 2.3.3.2. Xác định các thông số cho bộ nguồn ắc quy 24 2.3.3.3. Chọn ổ bi 24 2.3.3.4. Vật liệu chế tạo xe 25 2.3.3.5. Dụng cụ thực hiện 27 2.3.3.6. Chế tạo khung xe 30 2.4. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO PHẦN ĐIỀU KHIỂN 37 2.4.1. Động cơ Brushless DC Mortor 37 2.4.2. Khối LCD hiển thị 42 2.4.3. Khối giao tiếp bàn phím 43 2.4.4. Khối chân ga điều khiển 43 2.4.5. Giới thiệu về Vi điều khiển AVR 44 2.4.6. Sơ lược các linh kiện dùng trong mạch 56 2.4.7. Thiết kế mạch. 62 2.4.8. Qui trình chế tạo mạch điều khiển 72 2.5. GIẢI THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN 79 2.5.1. Giải thuật khối điều khiển trung tâm 79 2.5.2. Giải thuật khối điều khiển động cơ 80 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 81 3.1. CHUẨN BỊ 82 3.2. THI CÔNG VÀ LẮP RÁP 83 3.2.1. Vẽ mạch in 83 3.2.2. In mạch lên mạch đồng 84 3.2.3. Hàn linh kiện và kiểm tra mạch 84 3.2.4. Lắp ráp các mạch lên khung 85 3.3. SẢN PHẨM THỰC TẾ 86 3.3.1. Hình ảnh các mạch 86 3.3.2. Các chi tiết cơ khí 88 3.3.3. Hệ thống mô hình 91 3.4. CHẠY THỬ VÀ KIỂM NGHIỆM ĐỘ ỔN ĐỊNH 93 3.4.1. Kiểm tra trươc khi đưa vào hoạt động 93 vi 3.4.1.1. Kiểm tra ắc quy 93 3.4.1.2. Kiểm tra mạch công suất 93 3.4.1.3. Kiểm tra phần cơ khí 95 3.4.1.4. Kiểm tra động cơ 95 3.4.2. Mô hình ô tô lúc hoạt động 96 3.4.2.1. Khi ô tô chạy thẳng đường bằng 96 3.4.2.2. Khi ô tô lên dốc 97 3.4.2.3. Khi ô tô xuống dốc 98 3.4.2.4. Khi ô tô vào khúc cua 98 3.5. BẢNG THÔNG SỐ SAU KHI CHẠY THỬ Ô TÔ ĐIỆN 99 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 100 4.1. KẾT LUẬN 101 4.1.1. Kết quả đạt được 101 4.1.2. Kết quả chưa đạt được 101 4.2. ĐỀ XUÁT 101 4.2.1. Đề xuất phần cứng 101 4.2.2. Đề xuất phần mềm 101 4.2.4. Đề xuất cả hệ thống 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Ô tô điện cổ điển 3 Hình 1.2. Ô tô điện hiện đại 4 Hình 1.3. Ô tô điện của hãng Nissan 5 Hình 1.4. Ô tô điện sử dụng ở Chicago 6 Hình 1.5. Xe đạp điện của Trung Quốc sản xuất 6 Hình 1.6. Tàu điện tự hành tốc độ cao tuyến Paris - Lyon 7 Hình 1.7. Tàu điện ngầm tiện dụng nhất ở Pháp 7 Hình 1.8. Xe điện của hãng Mai Linh ở Đà Lạt 8 Hình 1.9. Xe điện sử dụng trong sân golf 9 Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát 11 Hình 2.2. Mô hình thiết kế 1 ô tô điện 12 Hình 2.3. Mô hình thiết kế 2 ô tô điện 13 Hình 2.4. Mô hình thiết kế 3 ô tô điện 14 Hình 2.5: Chuyển động thẳng của xe trên dốc 15 Hình 2.6. Mô hình một bánh 15 Hình 2.7. Lực tác dụng lên bánh xe và góc lăn lệch 16 Hình 2.8. Quan hệ giữa hệ số cản lăn và góc lăn lệch 17 Hình 2.9. Sự ảnh hưởng của độ chụm bánh xe 17 Hình 2.10. Góc doãng của bánh xe dẫn hướng 18 Hình 2.11. Tác dụng của trọng lực ô tô trên đường dốc 19 Hình 2.12. Khái niệm độ dốc của đường 19 Hình 2.13. Các lực tác dụng lên ô tô khi lên dốc 21 Hình 2.14. Ổ bi và cấu tạo bên trong ổ bi côn 24 Hình 2.15. Vật liệu thép 25 Hình 2.16. Que hàn 26 Hình 2.17. Các loại bulông – đai ốc 27 Hình 2.18. Máy cắt cầm bằng tay 27 Hình 2.19. Máy cưa 28 Hình 2.20. Máy hàn 28 Hình 2.21. Bản vẽ chế tạo của khung dưới của ô tô điện 30 Hình 2.22. Bản vẽ khung dưới của ô tô điện 31 viii Hình 2.23. Bản vẽ chế tạo của khung gá đặt bánh sau 31 Hình 2.24. Bản vẽ khung gá đặt bánh sau 31 Hình 2.25. Bản vẽ chế tạo bát chữ U 32 Hình 2.26. Bản vẽ bát chữ U 32 Hình 2.27. Bản vẽ chế tạo khung bên ô tô 32 Hình 2.28. Bản vẽ khung bên ô tô 32 Hình 2.29. Bản vẽ chế tạo của cơ cấu giảm xóc trước 33 Hình 2.30. Bản vẽ cơ cấu giảm xóc trước 33 Hình 2.31. Bản vẽ cơ cấu giảm xóc sau 33 Hình 2.32. cơ cấu giảm xóc trước và sau bằng khi hoàn thành 34 Hình 2.33. hệ thống lái ô tô 35 Hình 2.34. khớp các đăng và khớp cầu 35 Hình 2.35. hệ thống phanh 36 Hình 2.36. Sức phản điện động dạng hình thang 37 Hình 2.37. Mặt cắt bằng của một BLDC 38 Hình 2.38. Stator động cơ BLDC 38 Hình 2.39. Rotor động cơ BLDC 39 Hình 2.40. Động cơ Brushless có cảm biến Hall 39 Hình 2.41. Nguyên lý của Hall Sensor khi không có từ trường 39 Hình 2.42. Nguyên lý của Hall Sensor khi có từ trường 40 Hình 2.43. Sơ đồ thể hiện sự đảo pha ở 3 đầu dây động cơ 40 Hình 2.44. Chiều của 6 trạng thái đảo pha của BLDC 41 Hình 2.45. Trạng thái của Hall sensor và 3 dây pha của BLDC 41 Hình 2.46. Khối LCD hiển thị 42 Hình 2.47. bàn phím keypad 4x4 43 Hình 2.48. chân ga điều khiển 43 Hình 2.49. Cấu trúc bộ nhớ của AVR 45 Hình 2.50. Thanh ghi 8 bit 46 Hình 2.51. Register file 46 Hình 2.52. Cấu trúc bên trong của AVR 48 Hình 2.53. Cấu trúc chân trong PORT của Vi điều khiển AVR 48 Hình 2.54. Thanh ghi DDRA 49 Hình 2.55. Thanh ghi PORTA 49 ix Hình 2.56. Thanh ghi PINA 49 Hình 2.57. Sơ đồ khối bộ Timer/Counter 8bit 50 Hình 2.58. Sơ đồ khối bộ Timer/Counter 16 bit 51 Hình 2.59. Thanh ghi TCCR0 51 Hình 2.60. Thanh ghi TCNT0 52 Hình 2.61. Thanh ghi 0CR0 52 Hình 2.62. Thanh ghi mặt nạ ngắt 53 Hình 2.63. Thanh ghi cờ ngắt 53 Hình 2.64. Sơ đồ thời gian của chế độ so sánh 54 Hình 2.65. Sơ đồ chân của ATMEGA 32 54 Hình 2.66. Hình dạng bên ngoài của ATMEGA32 55 Hình 2.67. Cấu tạo và hình dáng của DIODE bán dẫn. 56 Hình 2.68. Điện trở 56 Hình 2.69. Biểu diễn điện trở 57 Hình 2.70. Tụ điện phân cực và không phân cực 58 Hình 2.71. Ký hiệu của Transistor 59 Hình 2.72. Transistor 59 Hình 2.73. Linh kiện OPTO 59 Hình 2.74. Linh kiện IRF9540 60 Hình 2.75. Linh kiện IR2101 60 Hình 2.76. Linh kiện IRF3205 61 Hình 2.77. Sơ đồ chân của RƠLE 61 Hình 2.78. RƠLE 8 chân 61 Hình 2.79. Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cấp cho mạch điều khiển 62 Hình 2.80. Sơ đồ mạch in khối nguồn 63 Hình 2.81. Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển và các header kết nối 63 Hình 2.82. Sơ đồ khối kết nối cảm biến hall và biến trở 64 Hình 2.83. Sơ đồ nguyên lý bàn phím keypad 4X4 64 Hình 2.84. Sơ đồ nguyên lý khối LCD 65 Hình 2.85. Sơ đồ nguyên lý khối LED 66 Hình 2.86. Sơ đồ mạch in khối LED 66 Hình 2.87. Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển động cơ Brushless DC 67 Hình 2.88. Sơ đồ mạch in khối điều khiển động cơ 68 x Hình 2.89. Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển công tắc vô lăng lái 69 Hình 2.90. Sơ đồ mạch in khối điều khiển công tắc 70 Hình 2.91. Sơ đồ nguyên lý khối đảo chiều động cơ 71 Hình 2.92. Sơ đồ mạch in khối đảo chiều động 71 Hình 2.93. Màn hình làm việc của ORCAD CAPTURE 72 Hình 2.94. Tạo một project mới 73 Hình 2.95. Định khổ giấy cho bản vẽ 74 Hình 2.96. Thêm thư viện 74 Hình 2.97. Lấy linh kiện ra cho bản vẽ 75 Hình 2.98. Linh kiện sau khi đã được lấy ra 75 Hình 2.99. Thay đổi tên linh kiện 76 Hình 2.100. Sơ đồ mạch in 77 Hình 2.101. Sau khi gỡ bỏ lớp giấy in 77 Hình 2.102. Mạch in sau khi rửa 78 Hình 2.103. Lưu đồ giải thuật khối ĐK trung tâm 79 Hình 2.104. Lưu đồ giải thuật khối điều khiển BLDC 80 Hình 3.1. Vẽ mạch in trên Layout 83 Hình 3.2. In mạch lên mạch đồng 84 Hình 3.3. Hàn linh kiện vào mạch 84 Hình 3.4. Lắp mạch lên khung 85 Hình 3.5. Kiểm tra mạch 85 Hình 3.6. Mạch đảo chiều động cơ 86 Hình 3.7. Mạch công suất điều khiển BLDC 86 Hình 3.8. Bộ điều khiển trung tâm 87 Hình 3.9. Tổng quát bộ điều khiển trung tâm 87 Hình 3.10a. Bu lông ren mịn 88 Hình 3.10b. Bu lông SUS 88 Hình 3.11a. Vòng bi đỡ 88 Hình 3.11b. Ổ bi côn 88 Hình 3.12. Ốc vít 89 Hình 3.13. Bát chữ U 89 Hình 3.14. Khớp các đăng 90 Hình 3.15. Hệ thống treo trước và bộ đánh lái 90 [...]... chính di n c a ô tô: V i: Cw – H s khí ng c a ô tô, ph thu c hình d ng, ch t lư ng b m t ô tô; A – Di n tích c n chính di n c a ô tô – là di n tích hình chi u ô tô lên m t ph ng Oyz; –M t V không khí - V n t c tương i c a ô tô trong môi trư ng không khí; Vv – V n t c ô tô so v i m t ư ng; Vw – V n t c gió theo phương chuy n ng Do kích thư c ô tô b ràng bu c ch t ch , nên bi n pháp cơ b n không khí là gi... n theo lĩnh v c và theo cách s d ng c a chúng như sau: 1.3.1 Phương ti n cá nhân: + Xe ô tô i n : Xe i n s d ng ngu n i n acqui, dùng năng lư ng m t tr i Các lo i xe này ư c ng d ng trên c ô tô cá nhân, ô tô t i, ô tô t i ph c v công c ng Hình 1.3 Ô tô i n c a hãng Nissan 6 Hình 1.4 Ô tô i n s d ng + Xe máy i n và xe Chicago p i n: Là lo i phương ti n ang có xu hư ng phát tri n m nh Hình 1.5 Xe p i... c nghiên c u, thi t k và ch t o ô tô i n là m t vi c vô cùng c p thi t, gi m m c ô nhi m môi trư ng ngày càng l n trên th gi i hi n nay tài ‘‘Thi t k và ch t o m ch i u khi n mô hình ô tô i n’’ là m t tài nh m m c ích kh o sát thi t k ô tô ch y hoàn toàn b ng năng lư ng i n, tn n t ng cho vi c thi t k và s n xu t m t ki u ô tô mang nhãn hi u Vi t Nam phù h p v i i u ki n giao thông trong nư c, giá thành... tác d ng c a góc doãng, u và bi n d ng m t bên tăng lên Do ó, 19 2.3.2 các l c c n chuy n ng c a ô tô 2.3.2.1.L c c n lên d c T ng quát, tr ng l c c a ô tô có th phân tích thành 2 thành ph n: Vuông góc và song song v i m t ư ng FZ FZ sin G G sin FZ cos G cos Hình 2.11 Tác d ng c a tr ng l c ô tô trên ư ng d c Thành ph n tr ng l c G sin ,, khi ô tô chuy n chuy n ng c a ô tô và ngư c l i, là l c ch... ch cho ô tô nói chung ã t lâu Theo xu th chung, ng u danh sách là ô tô ch y i n ti p theo là ô tô lai, ô tô ch y b ng pin nhiên li u là ng viên th ba c a cu c ch y ua V m t nhiên li u cho ng cơ nhi t, ch t lư ng c a các lo i nhiên li u l ng truy n th ng s ư c nâng cao, các lo i nhiên li u khí s ư c áp d ng r ng rãi trên ô tô, nhiên li u khí hydro cho ô tô chưa có tri n v ng ng d ng do công ngh và giá... t c a các ô tô hi n nay ([0,26- 0,45] i v i các ô tô con và [0,6- 0,8] ng còn r t l n i v i các ô tô t i), ch ng t nhu c u gi m h s khí 21 2.3.2.4 L c quán tính L c quán tính xu t hi n khi ô tô chuy n và bao g m 2 thành ph n: do chuy n không ng t nh ti n không u L c quán tính là l c c n chuy n d n và là l c ch 2.3.3 Xác 2.3.3.1 Xác ng khi chuy n nh công su t c a u, tăng t c và gi m t c u và chuy n... CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ N I DUNG NGHIÊN C U 11 2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CÚU Hình 2.1 Sơ t ng quát Phương pháp nghiên c u thi t k ch t o mô hình ô tô i n d a trên tính toán lý thuy t k t h p d a vào nh ng mô hình ã có s n trong th c t C th : - Phân tích các y u t chuy n chuy n ng c a ô tô i n, các y u t g m có: l c c n ng, t i tr ng, v n t c, gia t c, tính n k t c u c a ô tô i n và v trí t ngu n nh …t...xi Hình 3.16 H th ng treo sau .91 Hình 3.17 Toàn b h th ng 92 Hình 3.18 Ki m tra c quy 93 Hình 3.19 Ki m tra b i u khi n 94 Hình 3.20 Ki m tra h th ng i n 94 Hình 3.21 Ki m tra ph n cơ khí 95 Hình 3.22 Ki m tra ng cơ 95 Hình 3.23 Khi ô tô ch y ti n ư ng b ng 96 Hình 3.24 Ô tô ch y lùi 97 Hình 3.25 Ô tô ang... lăn, thép, bulông – ai c, tính ch n tính toán ng cơ, tính toán các thông s hình h c, b n, l a ch n phương pháp i u khi n xe ô tô i n … Sau khi tính toán xong, phiên b n u tiên ô tô i n s ư c ch t o ti n hành th nghi m - Th nghi m, ki m tra và hoàn ch nh ô tô i n: Vi c th nghi m ô tô i n s ư c ti n hành trên ư ng b ng c ng v ng và mb o ki m tra kh năng ho t này ư c ti n hành nhi u l n ng n nh và ng nh t... lên d c 97 Hình 3.26 Ô tô xu ng h t d c 98 Hình 3.27 Ô tô cua ph i 98 Hình 3.28 Ô tô cua trái 99 xii DANH M C B NG B ng 1: C u hình các chân c a c ng 50 B ng 2 B ng ch n ch ho t ng c a Timer 51 B ng 3 Ch so sánh không PWM 52 B ng 4 Cách c giá tr i n tr 57 B ng 5 B ng thông s tương quang gi a kh i lư ng và v n t c 99 1 . trong sân golf 9 Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát 11 Hình 2.2. Mô hình thiết kế 1 ô tô điện 12 Hình 2.3. Mô hình thiết kế 2 ô tô điện 13 Hình 2.4. Mô hình thiết kế 3 ô tô điện 14 Hình 2.5: Chuyển. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Ô tô điện cổ điển 3 Hình 1.2. Ô tô điện hiện đại 4 Hình 1.3. Ô tô điện của hãng Nissan 5 Hình 1.4. Ô tô điện sử dụng ở Chicago 6 Hình 1.5. Xe đạp điện của Trung Quốc. + Xe ô tô điện : Xe điện sử dụng nguồn điện acqui, dùng năng lượng mặt trời. Các loại xe này được ứng dụng trên cả ô tô cá nhân, ô tô tải, ô tô tải phục vụ công cộng. Hình 1.3. Ô tô điện