Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo phần khung và mạch điều khiển cho xe lăn

Hình 2.6 ồ thị vận tốc thay đổi ứng với điện áp Ứng với một điện áp ngõ ra ta có thể quy định bằng một giá trị tốc độ nào đó của động cơ vì vậy muốn điều chỉnh được tốc độ động cơ ta cầ

GVHD: TS PH M ÌN TRUN

Th ng 6

N ẬN XÉT Ủ N ƢỚN ẪN

Họ và tên sinh viên: Lê Văn Thắng

Lớp: 51CKCD

Chuyên ngành: Công nghệ cơ điện tử

Đề tài: "Nghiên cứu thiêt kế và chế tạo phần khung và mạch điều khiển cho xe lăn điện”

Hiện vật: 02 quyển b o c o + 02CD, 01 xe lăn điện

NHẬN XÉT

Kết luận

Nha Trang, ngày tháng năm 2013

Cán bộ hướng dẫn ( Ký và ghi rõ họ tên )

P ẾU N ẤT LƢỢN Ề T

Họ và tên sinh viên: Lê Văn Thắng

Lớp: 51CKCD

Chuyên ngành: Công nghệ cơ điện tử

Đề tài: "Nghiên cứu thiết kế chế tạo phần khung và mạch điều khiển cho xe lăn điện”

Hiện vật: 02 quyển b o c o + 02CD, 01 xe lăn điện

N ẬN XÉT Ủ N P ẢN ỆN

Kết luận

Nha Trang, ngày th ng năm 3

CÁN BỘ PHẢN BIỆN ( Ký ghi rõ họ tên ) _ Nha Trang, ngày th ng năm 3

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

( Ký ghi rõ họ tên )

iểm phản biện

Bằng số Bằng chữ

iểm chung

Bằng số Bằng chữ

LỜ ẢM 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 các thầy cô trong bộ môn và các bạn trong lớp em đã hoàn thành

đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu thiết kế chế tạo phần khung và mạch điều khiển cho

xe lăn điện” với thời gian đúng quy định

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô 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 Phạm ình Trung đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ em

trong suốt quá trình thực hiện đồ n để chúng em hoàn thành được đồ án với thời gian đúng quy định

Xin cảm ơn tập thể các bạn lớp 51CKCD đã đóng góp những ý kiến quý báu giúp em hoàn thành đồ án này

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn và gửi tới quý thầy cô trong nhà trường, bạn bè

và người thân đã giúp đỡ em trong suốt thời gian qua lời chúc tốt đẹp nhất!

Sinh viên thực hiện

Lê Văn Thắng

MỤ LỤ

NHẬN XÉT CỦA CÁN B ƯỚNG DẪN i

PHIẾU N ẤT LƯỢN Ề TÀI ii

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

DANH MỤC CÁC BẢNG x

LỜI MỞ ẦU 1

hương 1 TỔNG QUAN 2

1.1 Giới thiệu chung 2

1.2 Mục đích và nội dung nghiên cứu 4

1.2.1 Mục đích chung 4

1.2.2 Nội dung đề tài 4

1.3 Phạm vi nghiên cứu 4

hương 2 Ơ SỞ LỰA CH N P ƯƠN N T ẾT KẾ XE LĂN ỆN 5

2.1 Kết cấu chung của xe lăn điện 5

2.2 ộng cơ điện một chiều 6

2.3 iều khiển xe lăn điện 7

2.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ xe lăn điện 7

2.3 C c phương ph p điều khiển tốc độ xe điện 8

2.3 Phương ph p điều khiển xe lăn điện 11

2.4 Tình hình nghiên cứu về xe lăn điện 13

2.4 Xe lăn thông minh 13

2.4 Xe lăn điều khiển bằng suy nghĩ 14

2.4 Xe lăn điều khiển bằng cần điều khiển (Joystick) 15

2.5 Một số loại xe lăn điện đang bán trên thị trường 16

2.5 Xe lăn điện W-HA-1022LIFT 16

2.5 Xe lăn điện W-HA-1022 17

2.5 Xe lăn điện W-HA-1023 18

hương 3 THIẾT KẾ VÀ CHẾ T O XE LĂN ỆN 21

3.1 Phần cơ khí 21

3.1.1 Động lực học bánh xe và khái niệm về sự trượt 21

3.1.2 Tính toán chọn công suất động cơ 22

3.1.3 Thiết kế bộ truyền động cho động cơ 25

4 Chọn ổ bi 28

3.1.5 Vật liệu chế tạo xe lăn điện 28

3.1.6 Chế tạo khung xe 29

3.2 Phần điều khiển 32

3.2.1 Cần điều khiển 32

3.2.2 Mạch điều khiển 33

3.2.3 Sơ đồ khối 58

3.2.3 Giải thuật điều khiển 58

hương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 59

4.1 Thử nghiệm kiểm tra kết cấu cơ khí 59

4.2 Thử nghiệm kiểm tra tính năng của xe 59

4.2.1 Chuẩn bị 59

4.2.2 Chạy thử nghiệm 60

4.2.3 Bảng thông số sau khi thử nghiệm 64

hương 5 KẾT LUẬN V Ề XUẤT 65

5.1 Kết luận 54

5.1.1 Kết quả đạt được 65

5.1.2 Kết quả chưa đạt được 65

5.2 ề xuất 66

5 Đề xuất phần cứng 66

5 Đề xuất phần mềm 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

N MỤ ÌN

Hình 1.1a Xe lăn tay thường 2

Hình 1.1b Xe lăn tay lắc 2

Hình a Xe lăn điện một chỗ ngồi 3

Hình b Xe lăn điện hai chỗ ngồi 3

Hình 2.1 Cấu tạo chung xe lăn điện 5

Hình 2.2 Động cơ điện một chiều 6

Hình 2.3 Pha 1 6

Hình 2.4 Pha 2 6

Hình 2.5 Pha 3 7

Hình 2.6 Đồ thị vận tốc thay đổi ứng với điện áp 7

Hình 2.7 Xung p điều khiển tốc độ xe lăn điện 11

Hình 2.8 Xe lăn thông minh 13

Hình 2.9 Xe lăn thông minh do GS.TS Võ Văn Tới chế tạo 14

Hình 2.10 Xe lăn điều khiển bằng suy nghĩ 15

Hình 2.11 Xe lăn điện W-HA-1022LIFT 16

Hình 2.12 Xe lăn điên W-HA-1022 17

Hình 2.13 Xe lăn điện W-HA-1023 19

Hình Mô hình động lực học bánh xe 21

Hình 3.2 Mô hình động lực học b nh xe đơn giản hóa 21

Hình Sơ đồ bộ truyền động 22

Hình 3.4 Bộ truyền động b nh răng trục vít 25

Hình 3.5 Ổ bi côn 28

Hình 3.6 Vật liệu thép 28

Hình 3.7 Mô hình phần khung trên 30

Hình 3.8 Mô hình phần khung dưới 30

Hình 3.9 Bánh tự lựa trước 31

Hình 3.10 Bánh sau 31

Hình Cơ cấu giảm xóc 31

Hình 3.12 Vị trí g đặt động cơ và hộp số 32

Hình 3.13 Mô hình tổng thể xe lăn 32

Hình 3.14 Cần điều khiển Troysticks 33

Hình 5 Sơ đồ nguyên lý nguồn 5V 33

Hình 3.16 LM7805 34

Hình 3.17 Cấu tạo bên trong LM7805 34

Hình 3.18 Cấu tạo Diode 35

Hình 3.19 Hình dạng và kí hiệu điện trở 36

Hình 3.20 Hình dạng và kí hiệu tụ điện 37

Hình Sơ đồ nguyên lý nguồn 12V 37

Hình 3.22 LM7812 38

Hình 3.23 Ắc quy 12V-20Ah 39

Hình 4 Sơ đồ nguyên lý khối Vi điều khiển 40

Hình 3.25 Giao diện Vi điều khiển AVR 41

Hình 3.26 ATmega16 45

Hình 3.27 LCD 2x20 46

Hình 8 Sơ đồ chân LCD 47

Hình 3.29 Layout khối Vi điều khiển kết hợp khối nguồn 5V 49

Hình 3.30 Sơ đồ nguyên lý mạch kích 50

Hình 3.31 Opto 51

Hình 3.32 Transistor C1815 52

Hình 3.33 Transistor A1015 52

Hình 3.34 Tip142 53

Hình 3.35 Mạch layout khối mạch kích và nguồn 12V 54

Hình 3.36 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất 55

Hình 3.37 IRF540 56

Hình 3.38 Relay 56

Hình 3.39 Layout khối mạch công suất 57

Hình 3.40 Sơ đồ khối 58

Hình 3.41 Giải thuật điều khiển 58

Hình 4.1 Kiểm tra nguồn ắc quy 59

Hình 4.2 Kiểm tra mạch 60

Hình 4.3 Chạy thử nghiệm trên đường bằng 61

Hình 4.4 Chạy thử nghiêm lên dốc 61

Hình 4.5 Chạy thử nghiệm xuống dốc 62

Hình 4.6 Chạy cua trái, phải 63

Hình 4.7 Thử khả năng lùi của xe 63

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1: Kích thước bộ truyền động 26

Bảng 2: Quy ước màu điện trở 36

Bảng : Sơ đồ chân LCD 48

Bảng 4: Thông số chạy thử nghiệm 64

LỜI MỞ ĐẦU Trong công cuộc đổi mới đất nước, với mục tiêu chiến lược Công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, nhằm đưa nền kinh tế phát triển với tốc độ cao nhằm sánh vai cùng với các quốc gia phát triển trên thế giới, trong đó lĩnh vực tự động hóa đóng vai trò rất quan trọng

Cơ - Điện tử là ngành khoa học tổng hợp liên ngành của cơ khí chính x c, điện tử, điều khiển và tư duy hệ thống trong thiết kế và phát triển sản phẩm Đây là ngành rất quan trọng và không thể thiếu trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại

Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ điều khiển kỹ thuật số và điều khiển bằng máy tính vào trong c c lĩnh vực công nghiệp đang trở nên ngày càng phổ biến đặc biệt là việc ứng dụng c c m y móc, c ng như công t c chăm sóc sức khỏe cho người tàn tật

và người già ốm yếu cùng các bệnh nhân

Theo xu hướng đó, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công “xe lăn điện” là

một vấn đề vô cùng cần thiết, từ đó nó giúp cho người tàn tật có thể đi lại dễ dàng so với các loại xe lăn tay thông thường khác

Từ những cơ sở trên, chúng em quyết định chọn mô hình “Xe Lăn iện” làm đề tài

nghiên cứu

Mặc dù chúng em đã cố gắng hết sức để hoàn thiện hệ thống nhưng còn nhiều khó khăn về tài chính c ng như kiến thức nên không tránh khỏi những thiếu sót Mong

nhận được sự đóng góp của Quý thầy cô Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm

ình Trung và các thầy trong bộ môn ơ điện tử đã giúp đỡ trong suốt thời gian

thực hiện đề tài tốt nghiệp Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn, và kính chúc Quý thầy cô dồi dào sức khỏe

Nha Trang, th ng 6 năm Sinh viên thực hiện

Lê Văn Thắng

hương 1: TỔN QU N

1.1 Giới thiệu chung:

Xe lăn là một phương tiện phổ biến được sử dụng cho người không thể di chuyển bằng chân (Hình 1.1)

Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật đã cho ra đời nhiều sản phẩm giúp con người thuận tiện hơn trong việc di chuyển, trong số đó phải kể đến xe điện Theo đó,

xe lăn điện c ng ra đời Nó giúp cho người tàn tật, người già có thể đi lại một cách dễ dàng hơn, xa hơn và nhanh hơn Tuy nhiên giá thành của xe lăn điện trên thị trường không hề nhỏ, chưa phù hợp với túi tiền của những gia đình có mức thu nhập không cao

Ở một khía cạnh khác, theo thống kê của tổ chức y tế thế giới (WHO, 2012), hiện nay

có gần 10% dân số trên toàn thế giới là người khuyết tật Tuy nhiên có đến gần 15,6% dân số là những người cần đến sự hỗ trợ của người khác trong việc di chuyển, bao gồm: người khuyết tật, bệnh nhân và người già Ở Việt Nam có khoảng 12,7 triệu người cần sự giúp đỡ trong việc đi lại, tương đương 14,8% dân số (Thống kê của Bộ LĐTB & XH, ) Với con số thống kê này cho thấy, nhu cầu sử dụng xe lăn ở nước

ta và cả trên thế giới là rất lớn

Hiện nay c ng có một số hãng xe lăn nổi tiếng c ng đã đầu tư và ph t triển xe lăn điện nhằm phục vụ nhu cầu của người tiêu dùng như hãng xe lăn Kiến Tường (Hình 1.2)

Nhìn chung các mẫu xe lăn có kiểu d ng đẹp và phù hợp với thị hiếu của c c đối tượng người tiêu dùng Một số mẫu xe lăn điện hiện nay như:

Hình 1.2: (a) Xe lăn điện một chỗ ngồi (b) Xe lăn điện hai chỗ ngồi

Năm , Sinh viên Phạm Thanh Hà, khoa Cơ khí - trường Đại học Nha Trang c ng

đã thiết kế mô hình xe lăn điện điều khiển bằng cần điều khiển Xe được thiết kế nhỏ gọn, đ p ứng được các yêu cầu chuyển động cơ bản của xe lăn điện, đảm bảo an toàn cho người sử dụng nhờ hệ thống phanh cơ Tuy nhiên thiết kế này còn một số hạn chế như:

- Xe lăn chỉ hoạt động ở một chế độ tự động Sử dụng động cơ truyền động bằng xích không có bộ phận ly hợp nên khi hết nguồn điện xe không thể di chuyển bằng tay gây khó khăn cho người sử dụng

- Cần điều khiển được thiết kế với 4 công tắc hành trình ở 4 hướng di chuyển nên hạn chế khả năng di chuyển theo nhiều hướng của xe đồng thời không thay đổi được tốc độ của xe

- Xe thiết kế không có hệ thống giảm xóc nên khi di chuyển vào địa hình không bằng phẳng gây nên sự không thoải m i cho người sử dụng

- Khả năng tự lựa của hai b nh trước còn hạn chế

Nhằm vận dụng những kiến thức đã học từ lý thuyết và kế thừa các nghiên cứu trước

đó để khắc phục những hạn chế nêu ở trên Với mong muốn tạo ra sản phẩm giá thành

rẻ, đ p ứng tốt yêu cầu của những người gặp khó khăn trong di chuyển Đề tài này sẽ

tiếp tục “nghiên cứu và chế tạo xe lăn điện”

1.2 Mục đích và nội dung nghiên cứu:

Mục đích chung:

Vận dụng những kiến thức lý thuyết đã được học để tính toán thiết kế mô hình xe lăn điện với đầy đủ c c tính năng cơ bản đồng thời đảm bảo an toàn cho người sử dụng, làm chủ công nghệ trong thiết kế chế tạo xe lăn điện Nghiên cứu này hoàn thành c ng

là luận văn tốt nghiệp khóa học

Nội dung đề tài:

Với mục đích chung ở trên, đề tài sẽ tập trung nghiên cứu những nội dung sau:

- Nghiên cứu tổng quan về xe lăn điện

- Nghiên cứu lựa chọn thiết kế mô hình xe lăn điện với đầy đủ c c tính năng cơ bản đồng thời đảm bảo an toàn cho người sử dụng

- Nghiên cứu động lực học và lựa chọn công suất động cơ, thiết kế bộ truyền động cho

ƢƠN 2 Ơ SỞ LỰ N P ƢƠN N T ẾT KẾ XE

LĂN ỆN

2.1 Kết cấu chung của xe lăn điện:

Xe lăn điện thông thường được chế tạo dựa trên khung sườn của loại xe lăn cơ bản, toàn bộ khung được làm bằng hợp kim nhôm giúp xe cứng chắc nhưng vẫn nhẹ Một

xe lăn điện thông thường có các bộ phận chính sau: Khung sườn, b nh xe, động cơ điều khiển tốc độ, động cơ điều khiển hướng lái, bộ truyền động nhông xích, truyền động vít me - đai ốc Ngoài ra còn có cần gạt thay đổi khi đẩy tay hoặc khi dùng điện, cần gạt điều khiển, đèn b o tín hiệu (Hình 2.1)

Hình 2.1 Cấu tạo chung của xe lăn điện

1: Cần điều khiển Troysticks 2: Bộ phận giảm xóc

7: Gi để chân 8: Khung trên 9: Hộp giảm tốc và ly hợp

2.2 ộng cơ điện một chiều:

 Công dụng: Là nguồn truyền động giúp xe lăn di chuyển

Hình 2.2 ộng cơ điện một chiều

 Cấu tạo:

Gồm hai phần chính là stato và roto

- Phần tĩnh (stato) có cấu tạo là nam châm nhằm tạo ra từ trường

- Phần động (roto) là khung dây dẫn có dòng điện chạy qua

 Nguyên lý hoạt động:

Hoạt động của động cơ một chiều được mô tả thông qua các pha sau:

 Pha : Từ trường của roto và stato cùng cực sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển động quay

của roto trong động cơ điện

Hình 2.3 Pha 1

 Pha : Roto tiếp tục quay

Hình 2.4 Pha 2

 Pha : Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực cho stato và roto cùng dấu để trở về pha Chu kì cứ lặp đi lặp lại như vậy

Hình 2.5 Pha 3 2.3 iều khiển xe lăn điện:

2.3 C c yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ xe lăn điện:

2.3.1.1 Ảnh hưởng của điện áp đến tốc độ của xe lăn điện:

Điện áp là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến qu trình điều khiển động cơ của xe lăn điện, giá trị điện p ngõ ra điều khiển cao hay thấp quyết định tốc độ động cơ chậm hay nhanh Vì vậy để điều khiển động cơ chạy ổn định, thì ta phải điều khiển điện áp ngõ ra một cách tuyến tính Hình là tương quan giữa vận tốc với điện áp

Hình 2.6 ồ thị vận tốc thay đổi ứng với điện áp

Ứng với một điện áp ngõ ra ta có thể quy định bằng một giá trị tốc độ nào đó của động

cơ vì vậy muốn điều chỉnh được tốc độ động cơ ta cần điều chỉnh giá trị điện áp vào động cơ

n(vòng/phút)

Điện áp(Volt)

nđm

Uđm

2.3.1.2 Ảnh hưởng của các điều kiện ngoại cảnh đến tốc độ xe lăn điện:

C c điều kiện ngoại cảnh là một trong những yếu tố làm thay đổi khá lớn tốc độ của xe lăn điện Tùy thuộc vào điều kiện ngoại cảnh và địa hình khác nhau thì tốc độ xe sẽ khác nhau

Trong điều kiện có sức cản lớn thì tốc độ động cơ sẽ bị chậm lại (ví dụ khi xe lên dốc), ngược lại tốc độ động cơ sẽ được tăng thêm tốc độ (ví dụ như xe khi xuống dốc) Việc điều chỉnh tốc độ động cơ c ng tùy thuộc vào hoàn cảnh khi xe vận hành, ở những nơi cần chạy chậm thì ta phải điều chỉnh tốc độ động cơ ở giá trị phù hợp, ở địa hình khó khăn thì tốc độ động cơ sẽ được điều chỉnh tăng lên Do vậy để ổn định động cơ đạt tốc độ theo ý muốn của người sử dụng đòi hỏi có một bộ điều khiển phù hợp và ổn định

2.3 C c phương ph p điều khiển tốc độ xe điện:

2.3.2.1 Khái niệm phương pháp điều khiển động cơ điện:

Điều khiển tốc độ động cơ là dùng c c biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông Từ đó tạo ra c c đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu Có 2

phương ph p để điều chỉnh tốc độ động cơ :

Phương pháp 1: Biến đổi các thông số đầu ra hay còn gọi là thông số được điều chỉnh

là moment (M) và tốc độ () của động cơ Có nghĩa là làm thay đổi thông số đầu ra bằng c ch t c động lên thông số đầu vào một cách rời rạc Mỗi lần t c động ta có một giá trị không đổi của thông số đầu vào và tương ứng ta được một đường đặc tính cơ (nhân tạo) Khi động cơ làm việc, các nhiễu loạn sẽ t c động vào hệ (như phụ tải thay đổi, điện áp nguồn dao động …) Nhưng thông số đầu vào vẫn giữ không đổi nên điểm làm việc của động cơ chỉ di chuyển trên một đường đặc tính cơ Người ta gọi dạng điều chỉnh này là “điều chỉnh bằng tay” hoặc “điều chỉnh vòng hở” hoặc “điều chỉnh

không tự động”

Phương pháp 2 : Biến đổi các thông số đầu vào hay còn gọi là thông số điều chỉnh

điện trở phần ứng Rư (hoặc Rfư), từ thông  (hoặc điện áp kích từ Ukt ; dòng điện kích

từ Ikt) và điện áp phần ứng Uư Có nghĩa là nhờ sự thay đổi liên tục của thông số đầu

vào theo mức độ sai lệch của thông số đầu ra so với giá trị định trước, nhằm khắc phục

độ sai lệch đó Như vậy khi có t c động của nhiễu làm ảnh hưởng đến thông số đầu ra, thì thông số đầu vào sẽ thay đổi và đông cơ sẽ có một đường đặc tính cơ kh c, điểm làm việc của động cơ sẽ dịch chuyển từ đường đặc tính nhân tạo này sang đường đặc tính nhân tạo khác và vạch ra một đường đặc tính cơ của hệ điều chỉnh tự động Việc thay đổi tự động thông số đầu vào được thực hiện nhờ mạch phản hồi ; mạch này lấy tín hiệu từ thông số đầu ra hoặc một thông số nào đó liên quan đến đầu ra, đưa trở lại gây t c động lên thông số đầu vào, tạo thành một hệ có liên hệ kín giữa đầu ra và đầu

vào.Người ta gọi hệ này là hệ “điều chỉnh vòng kín” hoặc “điều chỉnh tự động”

Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ kh c Không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển kh đơn giản hơn, đồng thời lại đạt được chất

lượng điều chỉnh cao trong dãy điều chỉnh tốc độ rộng

2.3.2.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá chất lượng hệ thống điều chỉnh tốc độ

Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện, để đ nh gi chất lượng của hệ

thống truyền động điện các chỉ tiêu sau đây cần chú ý:

a Hướng điều chỉnh tốc độ

Hướng điều chỉnh tốc độ là ta có thể điều chỉnh để có được tốc độ lớn hơn hay bé hơn

so với tốc độ cơ bản (là tốc độ làm việc) của động cơ điện trên đường đặc tính cơ tự nhiên

b Phạm vi điều chỉnh tốc độ (dãy điều chỉnh tốc độ)

Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỷ số giữa tốc độ lớn nhất nmax và tốc độ bé nhất nmin

mà người ta có thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tải là định mức : D = nmax/nmin

Trong đó : nmax : được giới hạn bởi độ bền cơ học

nmin : được giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ Thông thường người ta chọn nmin làm đơn vị

Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụ thuộc vào từng yêu cầu của hệ thống, khả năng của từng phương ph p điều chỉnh

c Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ

Độ cứng :   M / n Khi  càng lớn tức M càng lớn và n nhỏ, nghĩa là độ ổn định tốc độ Mcàng lớn khi phụ tải n thay đổi nhiều Phương ph p điều chỉnh tốc

độ tốt nhất là phương ph p mà giữ nguyên hoặc nâng cao độ cứng của đường đặc tính

cơ Hay nói c ch kh c  càng lớn thì càng tốt

d Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ

Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, có nhiều cấp tốc độ Độ liên tục khi điều chỉnh tốc

độ  được đ nh gi bằng tỷ số giữa hai cấp tốc độ kề nhau :

Trong đó :

ni : tốc độ điều chỉnh thứ cấp i

ni+1 : tốc độ điều chỉnh thứ cấp i+1

Với ni và ni+1 đều lấy tại một gi moment nào đó

 tiến càng gần 1 càng tốt, phương ph p điều chỉnh tốc độ càng liên tục Lúc này 2 cấp tốc độ đều bằng nhau, không có nhảy cấp hay còn gọi là điều chỉnh tốc độ vô cấp

 1 hệ thống điều chỉnh có cấp Hệ chỉ có thể làm việc ổn định tại một số giá trị của tốc độ trong dãy điều chỉnh tốc độ

e Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ

Hệ thống truyền động điện khi có chất lượng cao là một hệ thống có hiệu suất làm việc của động cơ  là cao nhất, khi tổn hao năng lượng Pphu ở mức thấp nhất

f Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ

Hệ thống điều chỉnh tốc độ truyền động điện có tính kinh tế cao nhất là một hệ thống điều chỉnh phải thoả mãn tối đa c c yêu cầu kỹ thuật của hệ thống Đồng thời hệ thống phải có giá thành thấp nhất, chi phí bảo quản vận hành thấp nhất, sử dụng thiết bị phổ thông nhất và các thiết bị máy móc có thể dễ dàng thay thế khi bảo trì

2.3 Phương ph p điều khiển xe lăn điện:

Trên cơ sở phân tích ở trên, đề tài này áp dụng sự thay đổi điện p trên động cơ để làm thay đổi tốc độ xe lăn điện Với phương ph p điều khiển làm thay đổi độ rộng xung áp trên động cơ xe lăn ta có thể dễ dàng hiệu chỉnh tốc độ động cơ theo từng chế độ cụ thể

Hình 2.7 Xung áp điều khiển tốc độ xe lăn điện

Trong các mạch điều khiển tốc độ xe điện hiện nay trên thị trường thông thường có hai phương ph p làm thay đổi độ rộng xung p như sau:

- Thay đổi độ rộng xung p điều khiển tốc độ xe điện dùng biến trở

- Thay đổi độ rộng xung p điều khiển tốc độ xe điện dùng Hall_Sensor

Ở mỗi cách thức điều khiển tốc độ xe lăn đều có những tiện lợi riêng, tuy vậy việc sử dụng Hall_sensor để điều khiển tốc độ xe lăn điện sẽ đạt được tốc độ ổn định và độ bền cơ học cao

2.3.3.1 Thay đổi độ rộng xung áp điều khiển tốc độ xe điện dùng biến trở:

Biến trở mắc trong mạch được nối với tay ga điều khiển bên ngoài, khi vặn tay ga làm thay đổi giá trị điện trở bên trong mạch sẽ dẫn đến thay đổi giá trị điện áp của mạch, tín hiệu p thay đổi này được đưa vào ngõ RA AN của IC 16F876A, qua xử lý tín hiệu điều khiển sẽ được xuất ra điều khiển thay đổi tốc độ xe điện

Khác với c ch điều khiển tốc độ của một động cơ thông thường, việc điều khiển tốc độ

xe lăn điện khó khăn và phức tạp hơn nhiều Chúng ta không đơn thuần chỉ thay đổi điện áp của động cơ mà cần phải lập trình sao cho tốc độ động cơ thay đổi trong một khoảng thời gian trì hoãn nhất định gọi là bước tăng (đơn vị: sec), mỗi bước tăng dài hay ngắn quyết định sự thay đổi tốc độ động cơ nhanh hay chậm Mỗi bước tăng là một xung điều khiển tốc độ động cơ, ta có thể tăng c c nấc của bước tăng từ đến

255 Vậy thời gian để đạt được tốc độ tối đa của xe lăn trong một chế độ hoạt động (có chọn trước) là:

T = Thời gian tăng một bước × Số bước cực đại

Nếu bước tăng qu ngắn sẽ làm cho động cơ thay đổi tốc độ đột ngột, do vậy dễ gây ngã và sốc cho người sử dụng Còn nếu bước tăng qu dài sẽ tạo khoảng thời gian ì

qu lâu, động cơ sẽ không nhạy trong việc thay đổi tốc độ, gây mất thời gian và tạo sự nhàm ch n cho người sử dụng Chính vì vậy việc lập trình tạo ra một bước tăng phù hợp sẽ đảm bảo tối ưu trong việc điều khiển tốc độ động cơ

2.3.3.2 Thay đổi độ rộng xung áp điều khiển tốc độ xe điện dùng Hall_Sensor

Khi dùng Hall_Sensor ta có thể thay đổi trực tiếp giá trị điện áp cấp cho động cơ, mỗi Hall_Sensor được mắc giữa hai đầu từ trường cố định, tùy vào vị trí tương đối của Hall_sensor ta có những giá trị điện p kh c nhau C ch điều khiển tốc độ động cơ cho

xe lăn điện tương tự như dùng biến trở Tuy nhiên, khi dùng Hall_Sensor trong điều khiển, sẽ giảm đi sự ma sát của hệ thống khi thay đổi giá trị điện trở, do vậy bộ nguồn

sẽ có độ bền cao hơn so với khi dùng biến trở thông thường

Cảm biến Hall là một bộ biến đổi làm thay đổi điện áp ngõ ra dựa trên sự thay đổi của

từ trường Cảm biến Hall được dùng cho các công tắc tương tự, m y đo tốc độ và dò vị trí, và c c dòng điện ứng dụng

Nhìn một c ch đơn giản nhất cảm biến Hall như là một bộ biến đổi Analoge, làm thay đổi các giá trị điện áp thực Với một giá trị từ trường biết trước và khoảng dịch chuyển của cảm biến Hall ta có thể suy ra giá trị điện áp tức thời ngay tại thời điểm đó Nếu dùng kết hợp nhiều cảm biến thì mối quan hệ giữa các từ trường cần được quan tâm Dòng điện chạy trong cuộn dây và sinh ra từ trường làm biến thiên dòng điện và cảm biến Hall có thể dùng để đo dòng điện tại thời điểm tức thời Cụ thể như cảm biến kết hợp với một cuộn dây hay những tấm thép từ xung quanh cuộn cảm thì có thể đo được dòng điện

Thông thường một cảm biến Hall kết hợp với dòng điện chạy trong thiết bị để làm khóa đóng ngắt kỹ thuật số (on/off)

2.4 Tình hình nghiên cứu về xe lăn điện:

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật trên thế giới, cùng với sự ra đời của nhiều công nghệ mới đã cho ra đời nhiều loại xe lăn điện với nhiều mẫu mã đa dạng

2.4 Xe lăn thông minh:

C c Gi o sư tại trường Đại học Công nghệ Sydney (UTS) đã nghiên cứu và chế tạo ra chiếc xe lăn thông minh có chức năng như một robot tự động kết hợp với điều khiển ý nghĩ của con người

Hình 2.8 Xe lăn thông minh

Xe lăn thông minh được thiết kế bởi những chiếc cảm biến nhỏ như laser, camera…để biến chúng thành những con robot tự động có thể tự di chuyển và có thể tránh các chướng ngại vật mà chúng có thể nhìn thấy qua camera được gắn trên xe nhằm tạo an toàn cho người sử dụng Người sử dụng chỉ cần dùng những cái lắc đầu hoặc suy nghĩ

để điều khiển xe lăn Khi muốn di chuyển qua bên trài người điều khiển chỉ cần lắc đầu qua bên trái hoặc chỉ cần suy nghĩ về bên tr i thì xe lăn sẽ tự động di chuyển theo hướng mà người sử dụng mong muốn

Tại Việt Nam thì sản phẩm xe lăn điện thông minh c ng đã được nghiên cứu và chế tạo thành công

GS.TS Võ Văn Tới, bộ môn kỹ thuật y sinh thuộc đại học Quốc tế (đại học Quốc gia TP.HCM) và c c cộng sự đã nghiên cứu chế tạo thành công xe lăn điện thông minh,

thích hợp với người bị liệt hoặc không có tay, chân Xe thiết kế gọn đẹp, có nệm ngồi,

c c b nh xe có đường kính nhỏ hơn xe lăn thông thường nhưng chắc chắn hơn nhờ sử dụng b nh có chiều ngang to hơn và dùng khung sắt (hoặc nhôm) Màn hình máy tính gắn phía trước giúp người sử dụng x c định được đường đi và biết c c thông tin kèm theo Xe có thể di chuyển tự động nhờ camera nhận diện c c vật cản, hình ảnh truyền

về hệ thống m y tính để xử lý và điều khiển xe tự động tr nh c c vật cản nhưng vẫn đi đúng hướng đã định

Đối với người tàn tật có thể cử động được đầu, nhóm nghiên cứu thiết kế thêm một chiếc nón thông minh, có trang bị hệ thống cảm biến dựa trên gia tốc Khi đội nón, c c

cử động nghiêng phải, tr i, trước, sau của đầu sẽ được dùng để điều khiển xe lăn chạy theo hướng tương ứng Hệ thống m y tính nhận c c tín hiệu điều khiển để xử lý và ra lệnh cho cơ cấu chấp hành điều khiển c c b nh xe di chuyển…

Hình 2.9 Xe lăn điện thông minh do S.TS Võ Văn Tới chế tạo

Tuy nhiên chiếc xe lăn này với công nghệ hiện đại nên giá thành rất cao,không được

sử dụng phổ biến

2.4 Xe lăn điều khiển bằng suy nghĩ:

Các nhà khoa học Tây Ban Nha vùa chế tạo thành công chiếc xe lăn điện có thể nhận điều khiển trực tiếp từ não người sử dụng

Hình 2.10 Chiếc xe lăn điều khiển bằng suy nghĩ

Chiếc xe lăn đặc biệt này do trường Đại học Zagaraza (Tây Ban Nha) nghiên cứu và chế tạo thành công Nó sử dụng một thiết bị quét laser để tạo ra hình ảnh không gian 3 chiều quanh xe lăn trong thời gian thực Hình ảnh này được hiển thị lên m y tính trước mặt người sử dụng Người sử dụng sẽ nhìn vào máy tính và quyết định di chuyển tới vị trí nào mà họ muốn Người sử dụng đội một c i m có gắn c c điện cực để theo dõi hoạt động của não Chiếc m này sẽ x c định được vị trí mà não hướng tới rồi truyền tín hiệu xuống bộ điều khiển để điều khiển xe tới vị trí mong muốn

Công nghệ điều khiển xe lăn bằng suy nghĩ này c ng chưa được áp dụng phổ biến trên thế giới

2.4 Xe lăn điều khiển bằng cần điều khiển (Joystick):

Được c c sinh viên Đại học Bách khoa Hà Nội nghiên cứu và chế tạo, xe lăn PET nhanh chóng gây được sự chú ý của những người quan tâm đến xe lăn điện

Điểm đặc biệt nhất của chiếc xe này là rất cơ động, sử dụng cùng lúc hai động cơ điện một chiều không chổi than, mỗi động cơ điều khiển một bánh xe Nhờ vậy, hệ thống truyền động của xe trở nên đơn giản hơn so với các xe cùng loại của nước ngoài sản xuất, do đó hạn chế được các hỏng hóc c ng như tiêu tốn năng lượng ít hơn Xe tích hợp sẵn bộ sạc điện 220 VAC, có thể di chuyển được quãng đường 15-20 km/lần sạc, được thiết kế phù hợp với vóc d ng người sử dụng, điểu khiển dễ dàng bằng Joystick,

có đèn, còi, khoang chứa đồ, tốc độ bị hạn chế ở mức 6-9km/h, song khả năng có thể

đạt mức 35 km/h Xe có thể di chuyển được ở cả c c đoạn đường gồ ghề, mấp mô, có cát sỏi, trên bãi cỏ và có thể leo độ dốc khoảng độ

Xe c ng hiển thị lượng ắc quy còn bao nhiêu để cho người vận hành lường trước được khả năng có thể xảy ra để khỏi rơi vào tình trạng chết m y trên đường Hơn nữa xe

c ng lập trình sẵn khả năng hạn chế dòng điện truyền dẫn ra ngoài gây hại cho người

sử dụng Ngoài bộ điều khiển tự thiết kế còn những chi tiết, linh kiện của PET đều được đặt hàng từ Singapore, Trung Quốc và một số nước châu Âu, do đó, có thể đảm bảo về chất lượng của sản phẩm này

2.5 Một số loại xe lăn điện đang bán trên thị trường:

2.5 Xe lăn điện W-HA-1022LIFT

Là sản phẩm đầu tiên sử dụng pin dung lượng lớn, khung xe bằng thép ống 3 inch chịu lực cao, sử dụng trong nhà và ngoài trời Ghế xe có thể nâng lên cao bằng hệ thống đẩy thủy lực và có thể điều chỉnh ngã ra phía sau, gi để tay có thể điều chỉnh độ cao, tiện lợi cho người sử dụng Ngoài ra, xe W-HA-1022LIFT còn có bộ điều khiển thông minh với nhiều chức năng tiện ích, giúp cho người sử dụng lái xe dễ dàng (Hình 2.11)

Hình 2.11 Xe lăn điện W-HA-1022LIFT

ặc tính kỹ thuật

Xe lăn điện W-HA-1022LIFT di chuyển dựa vào hai động cơ 45 W Hệ thống thắng thông minh và hệ thống khóa xe tự động sẽ giúp cho xe dừng lại an toàn Dưới đây là thông số kỹ thuật của xe:

- Tải trọng cho phép 200kg,

- Chiều dài tổng cộng: 40" (với bàn đạp nâng lên), 38 - 42" (với bàn đạp hạ xuống)

- Chiều rộng tổng cộng: 25" (không kể joystick)

- Pin: Pin dung tích lớn: 55Ah - 75Ah

- Bộ điều khiển PG50A VR2

- PG-50A VR2 controller

2.5 Xe lăn điện W-HA-1022

Được sử dụng phổ biến trên thế giới, khung bằng ống sắt chịu lực 3 inch, đạt tiêu chuẩn Châu Âu.Bánh sau chuyển động mạnh và ghế ngồi chỉnh điện, vị trí ngồi cao có thể điểu khiển xe dễ dàng và uyển chuyển, mang lại sự thoải m i cho người sử dụng (Hình 2.12)

Hình 2.12 Xe lăn điện W-HA-1022

ặc tính kỹ thuật

- Sử dụng pin 35AH

- Tùy chọn thêm: 55Ah - 75Ah

- Hai mô tơ W với mômen xoắn lớn đem lại sự vận hành tối ưu

- Khóa thắng và mô tơ tự động

- Trọng lượng vận chuyển 200kg

- Chiều dài tổng thể: 40" (với đồ để chân gấp lên), 38 - 42" (với đồ để chân hạ xuống)

- Chiều rộng tổng thể: 25" (không bao gồm cần điều khiển)

- Chiều cao tổng thể: 35 - 40"

- Bề rộng ghế ngồi: 16 - 20"

- Độ dày ghế ngồi: 16 - 18"

- Trọng lượng sản phẩmt: 80kg (bao gồm pin), 60kg (không bao gồm pin)

- Vận tốc: 12km/h (tối đa) tùy chọn thêm: 8km/h 10km/h 12km/h

- Khả năng nghiêng: 5 độ

- Phạm vi vòng quay: 5 cm (b nh trước và bánh sau)

- Khoảng cách với mặt đất: 3.5"

- Khoảng cách di chuyển: 40km - 60km

2.5.3 Xe lăn điện W-HA-1023

Đây là mẫu xe mới, xe lăn điện với khung xe bằng nhôm, đạt tiêu chuẩn chất lượng Châu Âu Đặc điểm mới so với các loại xe lăn kh c là khả năng xếp gọn lại Có bộ phận chống nghiêng xe, đồ để chân có thể dịch chuyển được, có bộ phận giảm xóc, hệ thống tăng giảm tốc độ và thắng xe

Hình 2.13 Xe lăn điện W-HA-1023

- Hệ thống l i: B nh l i trước với động cơ W

- Điều khiển: Bằng tay hoặc thả dốc

- Chuyển mạch bằng nam châm vĩnh cửu 24V DC

- Loại pin: 2 X 35AH acid chì

TÓM L I: Trong thời gian trở lại đây, cuộc sống của những người khuyết tật, người

già, những người gặp khó khăn trong di chuyển đang được xã hội rất quan tâm Xe lăn điện đóng vai trò quan trọng trong việc di chuyển đi lại cho những đối tượng này Ngoài việc giúp đỡ chính bản thân, xe lăn điện c ng giúp giảm gánh nặng cho thân nhân họ

Nhờ sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, hàng loạt công nghệ nhận dạng cử chỉ và hành động của con người được phát minh, nhận dạng giọng nói đang được áp dụng Mặc dù

xe lăn điện không còn xa lạ với người tiêu dùng Việt Nam, nhưng ở trong nước, giá thành xe lăn điện vẫn còn cao, chưa có nhiều cơ sở, doanh nghiệp sản xuất đầu tư nghiên cứu về lĩnh vực này Việc làm chủ công nghệ trong sản xuất xe lăn điện c ng là một vấn đề để các nhà kỹ thuật quan tâm

Trong đó:

- M là khối lượng xe tác dụng lên bánh

- J là momen quán tính của xe

- R là bán kính bánh xe

- N là phản lực của mặt đường tác dụng lên điểm tiếp xúc bánh xe

- là lực ph t động b nh xe t c dụng lên mặt đường

- là lực ma s t do mặt đường t c dụng lên b nh xe

3.1.2 Tính to n chọn công suất động cơ:

Nguồn động lực trong hệ thống truyền động là động cơ điện Các yêu cầu kĩ thuật, độ tin cậy trong quá trình làm việc và tính kinh tế của hệ thống truyền động điện phụ thuộc chính vào việc lựa chọn động cơ điện và phương ph p điều khiển động cơ Tiêu chuẩn chọn một động cơ điện cho hệ thống truyền động điện phụ thuộc vào nhiều yếu

tố như:

 Công suất động cơ: Động cơ phải đủ công suất để kéo tải

 Tốc độ động cơ phải phù hợp và đ p ứng được phạm vi điều chỉnh tốc độ với một phương ph p điều khiển thích hợp, thõa mãn với các yêu cầu mở m y và hãm điện

 Phù hợp với nguồn điện sử dụng ( về điện p và cường độ dòng điện)

 Thích hợp với điều kiện làm việc ( không gian, nhiệt độ, độ ẩm )

 Các thông số kĩ thuật:

 Khối lượng xe không tải: m’=30(kg)

 Khối lượng tải: M=70(kg)

 Đường kính bánh xe: D=500(mm)

 Hệ số cản lăn mặt đường :f=0,023

 Hệ số cản không khí: K=0,085( )

Fdrag=0,5.Cw.A.ρa.(Vv Vw)2 Trong đó:

- Cw : Hệ số khí động của ô tô, phụ thuộc hình dạng, chất lượng bề mặt ô tô

- A: Diện tích cản chính diện của ô tô – là diện tích hình chiếu ô tô lên mặt phẳng Oyz

- ρα : Mật độ không khí

- V∞ : Vận tốc tương đối của ô tô trong môi trường không khí

- Vv: Vận tốc ô tô so với mặt đường

- Vw: Vận tốc gió theo phương chuyển động

Ta có F là diện tích cản chính diện (m2) Diện tích cản chính diện là hình chiếu của xe lăn lên mặt phẳng vuông góc với trục dọc của xe, việc x c định diện tích cản thường gặp nhiều khó khăn nên người ta dùng công thức F=B.H

Trong đó:

- B là chiều rộng cơ sở của xe

- H là chiều cao lớn nhất của xe tính từ mặt đường lên đến điểm cao nhất của xe

pk= pc + pl + pf =19,5+1,4+490=510,9(N)

 Để tính được công suất động cơ ta cần tính công suất cần thiết:

Ta gọi:

N là công suất động cơ

Nct là công suất cần thiết

η là hiệu suất chung

Ta có:

Nct=N η(kW) Công suất động cơ:

N=V.pk/1000=4,5.510,9/1000=2,3 (kW) Với

pk=510,9(N) V=4,5(m/s) Hiệu suất chung của hệ thống truyền động:

η= ηxich ηol=0,96.0,99=0,95

Nct=N η= , ,95=2,4 (kW) Vậy công suất cần thiết là ,4 (kW)

Do sử dụng hai động cơ nên ta chỉ cần động cơ có công suất , (kW)

Ta có công suất động cơ , (kW) với tốc độ động cơ (vòng phút)

Số vòng quay trên b nh xe lăn:

nxe=(6 .V) (πD)=(6 .4,5) ( , 4.5 )=172 (vòng/phút)

Tỉ số truyền chung được tính như sau:

i= ndc/nxe=100/172=0,58 Thiết kế bộ truyền động cho động cơ:

Bộ truyền động trục vít- b nh vít, gọi tắt là bộ truyền động trục vít được xếp vào loại truyền động răng-vít, kết hợp giữa bộ truyền động b nh răng và vít Bộ truyền động trục vít dùng để truyền chuyển động và công suất giữa hai trục chéo nhau, thông thường là 900

Vì vs<5 (m s) ta chọn vật liệu là đồng thanh không thiếc đúc trong khuôn c t với

σb=400 (MPa) và σch=200 (MPa) làm bánh vít

 Ứng suất tiếp cho phép của b nh vít:

[σH]=(276 300)- 25vs=274,75 298,75 (MPa) Chọn σH=280 (MPa)

 Ứng suất uốn cho phép:

σF=( , 5σch+ , 8σb) √

=(0,25.200 + 0,08.400) √ =57,6 (MPa) Với NFE là số chu kì thay đổi ứng suất tương đương

 Chọn số mối ren trục vít Z1= với tỉ số truyền u=16

 Số răng b nh vít Z2= u.Z1=16.2= (răng)

 Chọn hệ số đường kính q= , 6.Z2=0,26.32=8,32

Vậy chọn q= theo tiêu chuẩn

 Chọn sơ bộ hiệu suất η=0,80

 Tính khoảng c ch trục:

aw=(1+ q/Z2)√ (

)=14,6 (mm) Trong đó: KH là hệ số tải trọng

4 Chọn ổ bi:

Ổ bi được sử dụng là ổ bi côn Đặc điểm của ổ bi này là sử dụng con lăn côn lăn quanh

c c mặt dẫn côn trên vòng trong và vòng ngoài Những ổ bi này có khả năng chịu tải hướng kính và hướng trục cao

5 Vật liệu chế tạo xe lăn điện:

Vật liệu được lựa chọn để chế tạo xe lăn điện là loại thép rỗng có đường kính là ø21mm và ø26mm