Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển xe điện cá nhân 4 bánh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - VŨ TRƢỜNG THỊNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE ĐIỆN CÁ NHÂN BÁNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Đà Nẵng – Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - VŨ TRƢỜNG THỊNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE ĐIỆN CÁ NHÂN BÁNH Chuyên ngành : Kỹ thuật khí động lực Mã số : 60.52.01.16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHẠM QUỐC THÁI Đà Nẵng – Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Mọi kết nghiên cứu ý tưởng tác giả khác có trích dẫn đầy đủ Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Luận văn chưa bảo vệ hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ toàn quốc nước chưa công bố phương tiện thơng tin Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm mà tơi cam đoan Tác giả luận văn ký ghi rõ họ tên Vũ Trƣờng Thịnh TÓM TẮT Tên đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển xe điện cá nhân bánh” Học viên: Vũ Trƣờng Thịnh Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 60.52.01.16 Khóa: K32 Trƣờng Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển xe điện cá nhân bánh với hệ thống lái điện thông qua cảm biến góc lái, sử dụng hai động điện tạo nguồn động lực độc lập cho hai bánh xe trƣớc Bánh xe sau dẫn hƣớng, sử dụng loại bánh xe đa hƣớng, không gây cƣỡng động học xe quay vòng Sử dụng Arduino làm điều khiển trung tâm để điều khiển hệ thống điện tử xe Tất hoạt động xe đƣợc xử lí trung tâm điều khiển, xử lí tính tốn đƣa tín hiệu điều khiển đến phận chấp hành để điều khiển xe hoạt động Nghiên cứu góp phần làm sở để thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển xe điện cá nhân Việt Nam Từ khóa: xe điện cá nhân, Arduino, cảm biến góc lái, bánh xe đa hƣớng, phận chấp hành ABSTRACT Abstract: Research on the design and fabrication of electric vehicle control system, individual wheels with power steering system through the steering angle sensor, use two electric motors generate independent power source for the two front wheels After the wheels using multi- directional wheel not cause motion forced Dynamics when the electric car turns round Using the Arduino the central controller to control the electronic system on the electric car All of the car will be the storage control center, the handle will calculate and insert the control signal to the Executive Department to control the car works This research contributes to the design, manufacturing control systems for personal electric vehicles in Vietnam Key word: electric vehicle , Arduino , steering angle sensor, multi- directional wheel, Executive Department MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ DANH SÁCH CÁC BẢNG DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU I Lý chọn đề tài II Mục tiêu đề tài III Phạm vi đối tƣợng nghiên cứu .2 1.Phạm vi nghiên cứu .2 2.Đối tƣợng nghiên cứu IV Phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng 1- TỔNG QUAN 1.1.Xu hƣớng sử dụng nhiên liệu cho phƣơng tiện giao thông 1.1.1.Hoàn thiện động diesel .5 1.1.2.Ơtơ chạy loại nhiên liệu lỏng thay .5 1.1.3.Ơtơ chạy khí thiên nhiên 1.1.4.Ơtơ chạy khí dầu mỏ hóa lỏng LPG 1.1.5.Ơtơ chạy điện 1.1.6.Ô tô chạy pile nhiên liệu 1.1.7.Ơtơ hybrid 1.2.Tổng quan xe điện cá nhân 1.2.1.Giới thiệu chung 1.2.2.Cấu hình số loại xe điện cá nhân 1.2.2.1.Cấu hình ô tô điện 1.2.2.2.Cấu hình số xe điện cỡ nhỏ 11 1.3 Nhu cầu sử dụng xe điện cá nhân .13 1.3.1 Phƣơng tiện cá nhân 14 1.3.2 Các phƣơng tiện công cộng 14 1.3.3 Các phƣơng tiện dùng lĩnh vực vui chơi giải trí, thể thao du lịch .14 1.3.4 Các loại phƣơng tiện phục vụ y tế 14 Chƣơng 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15 2.1 Tính tốn thiết kế hệ thống truyền động cho xe điện cá nhân 15 2.1.1 Tính tốn thơng số động học xe điện .21 2.1.2 Tính chọn động điện 30 2.1.3 Tính chọn ắc quy 31 2.2 Phân tích động lực học xe điện cá nhân: 32 2.3 Kết bàn luận Error! Bookmark not defined Chƣơng 3- THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE ĐIỆN CÁ NHÂN 38 3.1.Cấu trúc hệ thống điều khiển xe điện cá nhân 38 3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 38 3.1.2 Chiến thuật điều khiển 38 3.1.3 Thiết kế mạch điều khiển 39 3.2 Cảm biến 39 3.2.1 Cảm biến góc lái 40 3.2.2 Cảm biến tay ga 41 3.2.3 Cảm biến tốc độ (Encoder) 42 3.3 Cơ cấu chấp hành .44 3.4 Bộ điều khiển trung tâm 48 3.5 Thuật toán điều khiển 52 3.6 Chƣơng trình điều khiển 52 3.6.1 Chƣơng trình nhận tín hiệu từ cảm biến góc lái 56 3.6.2 Chƣơng trình nhận tín hiệu từ tay ga 57 3.6.3 Chƣơng trình nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ 57 Chƣơng 4- KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 61 Kết 61 Hƣớng phát triển đề tài 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1 Ơ tơ chạy nhiên liệu sinh học Hình Ơ tơ chạy điện .8 Hình Ơ tơ Hybrid Hình Ơ tơ điện cổ điển 10 Hình Ơ tơ đại 11 Hình Sơ đồ xe điện cân bánh 12 Hình Một số xe điện cá nhân 13 Hình Phương án thiết kế xe điện tự cân bánh 15 Hình 2 Phương án thiết kế xe điện tự cân bánh 16 Hình Phương án thiết kế xe tự cân bánh, bánh 17 Hình Các hình chiếu xe điện cá nhân 19 Hình Đồ thị cân lực kéo .25 Hình Vị trí lắp đặt phận lên xe cá nhân 26 Hình Khung xe .27 Hình Tay cầm cho xe điện cá nhân .28 Hình Lực tác dụng lên xe điện chuyển động tăng tốc dốc 29 Hình 10 Động MY6812 .31 Hình 11 Ắc quy GLOBE WP12-12 .32 Hình 12 Sơ đồ phân bố tải trọng xe điện không tải 35 Hình 13 Sơ đồ phân bố tải trọng xe điện đầy tải .32 Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 38 Hình Sơ đồ mạch điều khiển .39 Hình 3.3 Chiết áp .40 Hình 3.4 Sơ đồ cấu tạo chiết áp 40 Hình 3.5 Kí hiệu chiết áp sơ đồ nguyên lí 41 Hình 3.6 Tay ga sử dụng cảm biến Hall 41 Hình 3.7 Hall IC 42 Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lí hoạt động cảm biến tốc độ 42 Hình 3.9 Độ lệch xung kênh A B 43 Hình 10 Module MDL-BDC24 .49 Hình 11 Kích thước Module MDL BDC24 50 Hình 12 Các cổng kết nối Module MDL BDC24 44 Hình 13 Cổng nhận tín hiệu PWM từ điều khiển trung tâm 45 Hình 14 Mạch cầu H 46 Hình 3.15 Tín hiệu điều khiển PWM 46 Hình 3.16 Linh kiện Arduino Mega 2560 47 Hình 3.17 Sơ đồ chân Arduino Mega 2560 47 Hình 3.18 Lưu đồ thuật tốn hệ thống điều khiển .52 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng Thông số kỹ thuật xe điện thiết kế 21 Bảng 2 Kết tính tốn lực kéo 31 Bảng Các thông số động 31 Bảng Phân bố trọng lượng xe điện không tải .35 Bảng Phân bố trọng lượng xe điện đầy tải 37 Bảng Thông số kỹ thuật chiết áp 40 Bảng Thông số kỹ thuật Module MDL-BDC24 45 Bảng Thông số Arduino Mega 2560 48 60 tạm dừng chƣơng trình ngắt ngồi Encoder để thực tính tốn tốc độ vòng quay động cơ, sau tính tốn xong khởi động lại chƣơng trình ngắt ngồi 61 Chƣơng 4- KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ Kết - Đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, lắp ráp hoàn thiện hệ thống điều khiển xe điện cá nhân Xe điện vận hành an tồn, ổn định, di chuyển linh hoạt địa hình phẳng nhƣ sân bay, nhà xƣởng, khuôn viên trƣờng đại học với tốc độ tối đa Km/h - Tuy nhiên, hạn chế đề tài: kiểu dáng xe chƣa đẹp, chƣa có hệ thống treo, hệ thống chiếu sáng Hƣớng phát triển đề tài - Tối ƣu kích thƣớc xe, kiểu dáng xe điện Tiếp tục cải tiến hệ thống treo để xe hoạt động tốt khu vực khác - Bố trí thêm hệ thống chiếu sáng để xe di chuyển đƣợc ban đêm - Phát triển thêm hệ thống điều khiển xe tự hành, hệ thống định vị, giao tiếp qua smart phone Hình 3.18 Xe điện cá nhân bánh 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS TS Nguyễn Văn Phụng, Lý thuyết ô tô, Đai học Công nghiệp Tp.HCM, 2006 [2] Nguyễn Hữu Cẩn, Lý thuyết ô tô- máy kéo, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2005 [3] Randy Richmond How to convert a vehicle to electric [4] Phan Quốc Phô,Cảm biến, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, năm 2006 [5] A E Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Sebastien E Gay, Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles CRC Press, 2005 [6] J M William, Christopher E Bonrroni-Bird, and D B Lawrence, Reinventing the Automobile Personal Urban Mobility for the 21st Century 2010 [7] Y Suda, “Vehicle Dynamics and Control for SustainableTransport,” in 13th Asia Pacific Vibration Conference, 2009, pp 1–11 [8] T Q Pham, C Nakagawa, A Shintani, and T Ito, “Evaluation of the Effects of a Personal Mobility Vehicle on Multiple Pedestrians Using Personal Space,” IEEE Trans Intell Transp Syst., vol 16, no 4, pp 2028–2037, 2015 [9] T Q Pham, C Nakagawa, A Shintani, and T Ito, “Development of an Assistance System for a Two Wheeled Vehicle Using a Vibrator,” in 16th Asia Pacific Vibration Conference, 2015, pp 329–335 [10] Datasheet of Arduino Mega 2560 [11] Datasheet of MDL-BDC24 Brushed DC Motor Control Module [12] Datasheet of Ultrasonic Sensor HC-SRF05 [13] E T Hall, “The Hidden Dimension,” 2nd ed New York: Anchor Books, 1982, pp 113–129 [14] Nakagawa, C., Nakano, K., Koga, T., Suda, Y., Kawarasaki, Y., and Kosaka, Y Evaluation of Personal Space for Pedestrians Encountering Personal Mobility Vehicles Proceedings of 20th ITS World Congress Tokyo, pp 1–10, 2013 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 ... thống điều khiển xe điện cá nhân bánh Đề tài „ Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển xe điện cá nhân bánh ‟ đề tài nhằm mục đích thiết kế, chế tạo xe điện cá nhân chạy hoàn toàn lƣợng điện, ... toán thiết kế hệ thống truyền động cho xe điện cá nhân 2.1.1 Tính tốn thiết kế hệ thống truyền động khí Ngày có nhiều xe điện cá nhân nhƣ xe đạp điện, xe máy điện, loại xe cân bánh, xe cân hai bánh, ... Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển xe điện cá nhân bánh với hệ thống lái điện thơng qua cảm biến góc lái, sử dụng hai động điện tạo nguồn động lực độc lập cho hai bánh xe trƣớc Bánh