Nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển mô tơ trợ lực lái điện cho xe tải 2 5 tấn lắp ráp tại Việt Nam

Nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển mô tơ trợ lực lái điện cho xe tải 2 5 tấn lắp ráp tại Việt Nam Nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển mô tơ trợ lực lái điện cho xe tải 2 5 tấn lắp ráp tại Việt Nam Nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển mô tơ trợ lực lái điện cho xe tải 2 5 tấn lắp ráp tại Việt Nam luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

NGUYỄN DUY HIỂN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - * NGUYỄN DUY HIỂN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN MÔ TƠ TRỢ LỰC LÁI ĐIỆN CHO XE TẢI 2,5 TẤN LẮP RÁP TẠI VIỆT NAM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC * KHĨA 205B Hà Nội – 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN DUY HIỂN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN MÔ TƠ TRỢ LỰC LÁI ĐIỆN CHO XE TẢI 2,5 TẤN LẮP RÁP TẠI VIỆT NAM Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT Ô TÔ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HỒNG THĂNG BÌNH Hà Nội – 2017 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU .9 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 10 1.1 Hệ thống lái trợ lực 10 1.1.1 Hệ thống lái trợ lực thủy lực 10 1.1.2 Hệ thống lái trợ lực điện 12 1.2 Đặt vấn đề nghiên cứu 14 CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN 16 2.1 Các phần tử trợ lực lái điện .16 2.1.1 Mô tơ .16 2.1.2 Bộ điều khiển trung tâm (ECU) 16 2.1.3 Các cảm biến 17 2.1.4 Hộp giảm tốc 18 2.2 Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống trợ lực lái điện 18 2.3 Cấu tạo nguyên lý làm việc EPS 20 2.3.1 Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 20 2.3.2 Hệ thống lái có trợ lực điện kiểu 22 2.4 Các cảm biến hệ thống lái trợ lực điện .25 2.4.1 Cảm biến tốc độ đánh lái loại máy phát điện 25 2.4.2 Loại cảm biến tốc độ đánh lái loại hiệu ứng Hall 26 2.4.3 Cảm biến mơ men lái có loại 26 2.4.3.1 Loại lõi thép trượt .26 2.4.3.2 Loại lõi thép xoay .27 2.4.3.3 Loại vành dây 28 2.4.4 Cảm biến vận tốc xe 29 2.4.4.1 Loại công tắc lưỡi gà 30 2.4.4.2 Loại từ - điện 30 2.4.4.3 Loại quang điện 31 2.4.4.4 Loại mạch từ trở MRE 31 CHƯƠNG III: XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ THỐNG 33 LÁI XE TẢI VÀ MÔ PHỎNG 33 3.1 Động lực học quay vòng xe tải 33 3.1.1 Đặc điểm quay vòng xe tải .33 3.1.2 Xây dựng phương trình động lực học quay vòng xe tải 33 3.1.3 Ảnh hương độ đàn hồi lốp tới tính quay vịng tơ tải 39 3.1.4 Ảnh hưởng góc đặt bánh xe dẫn hướng tới tính quay vịng 43 tơ tải 43 3.1.4.1 Góc nghiêng ngang bánh xe (Camber) 43 3.1.4.2 Góc nghiêng ngang trụ đứng (Kingpin) 47 3.1.4.3 Góc nghiêng ̣c trụ đứng bánh xe (Caster) 51 4.1.4.4 Độ chụm bánh xe dẫn hướng (Toe) .53 3.1.5 Mômen cản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng 55 3.2 Mô số với công cụ MATLAB – SIMULINK .56 3.2.1 Giới thiệu ô tô Cửu Long DFA7027T2 57 3.2.2 Các thông số xe cần khai thác 58 3.2.3 Xây dựng chương trình mô 59 3.3 Phân tích kết khảo sát phụ thuộc mômen trả lái 67 CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG 70 CƠ ĐIỆN 70 4.1 Động điện sử dụng EPS 70 4.2 Điều khiển công suất mô tơ (hay điều khiển mô men trợ lực) 73 4.2.1 Giới thiệu chíp Atmega16 .73 4.2.2 Các tính họ AVR 73 4.2.3 Mô tả chức chân atmega16 75 4.3 Thiết kế mạch mô .75 4.3.1 Module nguồn 75 4.3.2 Sơ đồ mạch chức linh kiện mạch 76 4.3.3 Module điều khiển chấp hành .77 4.3.3.1 Khối ADC 77 4.3.3.2 Mosfet IRF 540 78 4.3.4 Mô khối điều khiển 79 4.3.5 Mạch điện thiết kế 86 KẾT LUẬN CHUNG 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu tơi Những nội dung trình bày luận văn tơi thực với hướng dẫn khoa học thầy giáo TS Hoàng Thăng Bình, thầy giáo Bộ mơn tơ – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Toàn nội dung luận văn hoàn toàn phù hợp với nội dung đăng ký phê duyệt Hiệu trưởng Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu, kết luận văn trung thực Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2017 Tác giả Nguyễn Duy Hiển DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu, viết tắt σ γ Đơn vị Ý nghĩa L B a b v nk nτ k na rbx g G1 G2 R độ độ độ độ độ độ m m m m m/s mm mm N/độ mm mm m / s2 N N m Fx,Fy,Fz N Góc Kingpin Góc Camber Góc quay bánh xe dẫn hướng Góc Caster Hệ số bám ngang lốp Góc lệch bên bánh xe Chiều dài sở Chiều ngang sở Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến trục cầu trước Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến trục cầu sau Vận tốc chuyển dộng ô tô KhoảngKingpin Khoảng Caster Hệ số cản lệch bên lốp Khoảng dịch chuyển trụ đứng Bán kính lăn bánh xe Gia tốc trọng trường Trọng lượng cầu trước Trọng lượng cầu sau Bán kính quay vịng Các lực tác dụng vào bánh xe dẫn hướng theo phương x, y, z Các Mômen tác dụng vào bánh xe dẫn hướng theo phương x,y,z Mơ men cản quay vịng  τ '  Mx,My, Mz Mcqv N.m N.m DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực 10 Hình 1.2 Hệ thống lái trợ lực điê ̣n kiể u bố trí trục lái .12 Hình 1.3 Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống lái trợ lực điện 13 Hình 2.1 Sơ đồ khối nguyên lý trợ lực lái điện 18 Hình 2.2 Bản đồ điều khiển ECU hệ thống trợ lực lái điện 19 Hình 2.3.Trợ lực lái điện với moto trợ lực trục lái 20 Hình 2.4 Hộp giảm tốc dùng cho trợ lực lái kiểu 21 Hình 2.5 Sơ đồ điều khiển trợ lực lái kiểu 21 Hình 2.6 Bố trí cụm Taplô thể đèn báo lỗi P/S .22 Hình 2.7 Mơ tơ trợ lực lắp rời cấu lái 23 Hình 2.8 Sơ đồ trợ lực lái điện cấu lái 23 Hình 2.9 Cụm mơ tơ trục vít, cảm biến góc quay 24 Hình 2.10 Cụm mơ tơ trục vít, cảm biến góc quay 25 Hình 2.11 Cấu tạo tín hiệu cảm biến tốc độ đánh lái 25 Hình 2.12 Cảm biến tốc độ đánh lái (góc đánh lái) loại Hall 26 Hình 2.13 Sơ đồ đặc tính vị trí làm việc cảm biến 27 Hình 2.14 Vị trí lắp, cấu trúc đặc tính cảm biến mơ men .28 Hình 2.15 Cấu tạo cảm biến mô men lái loại vành dây 29 Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý xung cảm biến 29 Hình 2.17 Cảm biến loại công tắc lưỡi gà 30 Hình 2.18 Cảm biến loại từ điện 30 Hình 2.19 Cảm biến loại quang điện 31 Hình 2.20 Cảm biến tốc độ ô tô loại MRE .32 Hình 3.1 Quỹ đạo tơ quay vịng .33 Hình 3.2 Lực ngang gia tốc 34 Hình 3.3 Các lực momen tác dụng vào tơ quay vịng 36 Hình 3.4 Các lực tác dụng vào bánh xe dẫn hướng 38 Hình 3.5 Sơ đồ bánh xe lăn lốp bị biến dạng tác động lực ngang 39 Hình 3.6 Đồ thị quan hệ lực ngang góc lệch bên lốp 40 Hình 3.7 Quay vịng xe lốp có biến dạng ngang 41 Hình 3.8 Mơ hình quay vịng dãy 41 Hình 3.9 Sơ đồ bánh xe lăn lốp bị biến dạng tác dụng lực bên 42 Hình 3.10 Góc nghiêng bánh xe dẫn hướng mặt phẳng ngang 44 Hình 3.11 Thay đổi cánh tay đòn nk xác định thành phần Fzsinγ 44 Hình 3.12 Sự thay đổi góc Camber 45 Hình 3.13 Mịn lốp xe trị số góc Camber lớn .46 Hình 3.14 Góc nghiêng ngang trụ đứng 47 Hình 3.15 Cách xác định góc Kingpin .47 Hình 3.16 Sự lệch góc Kingpin 48 Hình 3.17 Xác định khoảng cách r2 49 Hình 3.18 Xác định r3 thành phần phản lực thẳng đứng 50 Hình 3.19 Góc Caster cánh tay đòn nτ .51 Hình 3.20 Tác dụng gió bên góc Caster dương 53 Hình 3.21 Độ chụm góc chụm bánh xe dẫn hướng .53 Hình 3.22 Mơmen làm quay bánh xe dẫn hướng lực dọc 54 Hình 3.23 Sự ăn mịn lốp độ chụm lớn 55 Hình 3.24 Hình dáng chụp tổng thể tơ CUULONG DFA7027T2 58 Hình 3.25 Sự thay đổi góc Camber bánh xe phía phía ngồi 59 Hình 3.27 Sự thay đổi góc Caster ứng với giá trị góc Kingpin khác 60 Hình 3.28 Sự thay đổi góc Camber ứng với giá trị góc Caster 60 khác góc quay bánh xe dẫn hướng thay đổi .60 Hình 3.29 Mơ-đun xác định thay đổi góc Camber .61 Hình 3.30 Mơ-đun xác định thay đổi góc Caster 61 Hình 3.31 Mô-đun xác định thay đổi khoảng Caster 62 Hình 3.32 Mơ-đun tính góc lệch bánh xe dẫn hướng 62 Hình 3.33 Mơ-đun tính lực ngang điểm 63 Hình 3.34 Subsystem tính lực dọc điểm 63 Hình 3.35 Mơ-đun tính lực dọc điểm (1) 64 Hình 3.36 Subsystem tính tổng lực dọc 65 Hình 3.37 Mơ-đun tính tổng lực dọc 65 Hình 3.38 Subsystem tính tổng lực ngang .66 Hình 3.39 Mơ-đun tính tổng lực ngang 66 Hình 3.40 Subsystemtính mơmen cản quay vịng 67 Hình 3.41 Mơ-đun tính mơ men cản quay vịng 67 Hình 3.42 Quan hệ phụ thuộc Mcqv với góc quay dẫn hướng 67 Hình 3.43 Quan hệ phụ thuộc Mcqv với vận tốc .68 Hình 3.44 Quan hệ Mcqv với vận tốc góc quay bánh xe dẫn hướng 68 Hình 4.1 Sơ đồ mạch điện động chiều 70 Hình 4.2 Đặc tính động điện chiều .70 Hình 4.3 Thay đổi cường độ dịng điện động điện trợ lực phụ thuộc vào 71 mômen tốc độ .71 Hình 4.4 Sơ đồ khối điều khiển mô tơ điện EPS .72 Hình 4.5 Mạch điều khiển mô tơ .72 Hình 4.5 Mạch điều khiển mơ tơ điện 73 Hình 4.6 Sơ đồ chân Atmega16 .74 Hình 4.7 Sơ đồ khối module nguồn 75 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Các thông số xe tải khai thác 58 Bảng 4.1 Các thông số điện áp 76 Bảng 4.2 Chức khối mạch nguồn 76 - Timer/Counter 8bit - Timer/Counter 16 bit - so sánh analog Hình 4.6 Sơ đồ chân Atmega16 - Bộ nhớ EEPROM - Giao tiếp USART vv - Atmelga16 có đầy đủ tính họ AVR, giá thành so với loại khác giá thành vừa phải nghiên cứu làm công việc ứng dụng tới vi điều khiển Tính : - Bộ nhớ 16KB Flash có khả đọc, ghi 10000lần - 1024 byte EEPROM có khả đọc, ghi 100000lần - 2KBSRAM - kênh đầu vào ADC 10bit - Đóng vỏ 40 chân, có 32 chân vào liệu chia làm PORT A,B,C,D Các chân có chế độ pull_upresistors - Hỗ trợ giao tiếp UART, SPI, I2C - so sánh analog, kênh PWM 74 - timer/counter bit, timer/counter1 16bit - định thời Watchdog 4.2.3 Mô tả chức chân atmega16 - Vcc GND chân cấp nguồn cho vi điều khiển hoạt động - Reset chân reset cứng khởi động lại hoạt động hệ thống - chân XTAL1, XTAL2 chân tạo dao động cho vi điều khiển, chân nối với thạch anh (hay sử dụng loại 4M), tụ gốm (22p) - Chân AREF thường nối lên 5v (Vcc), sử dụng ADC chân sử dụng làm điện so sánh, chân phải cấp cho điện áp cố định, sử dụng diodezener: - AVCC chân cấp nguồn cho khối chuyển đổi ADC ADC chức vi xử lý, cho phép đo điện áp đặt chân 33,34,…40 vi xử lý 4.3 Thiết kế mạch mô 4.3.1 Module nguồn Module nguồn làm nhiệm vụ cấp điện áp làm việc cho vi xử lý, cảm biến hệ thống mạch công suất Sơ đồ khối mạch nguồn trình bày (Hình 4.7) Hình 4.7 Sơ đồ khối module nguồn Điện áp định mức cấp cho vi mạch điện tử DC 5v Trên xe ô tô thường sử dụng điện áp 12v Nguồn điện áp 5v để cấp cho mạch điện tử điều khiển không yêu cầu công suất lớn, nhiên lại yêu cầu ổn định điện áp cung cấp Sử dụng IC 7805 nhằm ổn áp điện áp nuôi vi xử lý 5V với thơng số trình bày (Bảng 4.1) 75 Bảng 4.1 Các thông số điện áp 4.3.2 Sơ đồ mạch chức linh kiện mạch Bảng 4.2 chức khối mạch nguồn TT Phần tử Giá trị Chức Ổn áp LM7805 Ổn áp từ +12V => +5V Tụ CIN C2, C2 Lọc điện áp đầu vào Điốt D1 1N4007 Tránh sai cực nguồn Tụ COUT C3, C4 Lọc điện áp đầu 76 4.3.3 Module điều khiển chấp hành 4.3.3.1 Khối ADC ADC thiết bị dùng để chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số Atmega16 có chân PORTA sử dụng làm kênh đầu vào ADC Để sử dụng tính ADC Atmega16 cần phải thiết kế phần cứng vi điều khiển sau: - Chân AVCC chân bình thường thiết kế mạch đưa lên Vcc(5V) mạch có sử dụng kênh ADC phần cứng phải nối chân lên Vcc qua cuộn cảm nhằm mục đích cấp nguồn ổn định cho kênh (đầu vào) biến đổi - Chân AREF chân cần cấp giá trị điện áp ổn định sử dụng làm điện áp tham chiếu, điện áp cấp vào chân cần ổn định thay đổi làm giá trị ADC kênh thu bị trôi (thay đổi) không ổn định với giá trị đầu vào có cơng thức tính sau: ADCx=(V_INT*1024)/ AREF Chúng ta thấy giá trị ADCx tỉ lệ thuận với điện áp vào V_INT Giá trị ADC thu từ kênh lưu vào ghi ADCH ADCL sử dụng phải đọc giá trị từ ghi này, sử dụng chế độ bít lưu vào ghi ADCL Các ghi liên quan ADMUX (ADC Mutiplexer Selection Register): ghi điều khiển việc chọn điện áp tham chiếu, kênh chế độ hoạt động ADC ADCSRA (ADC Control and Status Register A): ghi điều khiển hoạt động chứa trạng thái module ADC 77 ADCL ADCH (ADC Data Register): ghi chứa giá trị ADC sau trình chuyển đổi: - Nối biến trở vào chân ADC0 nguồn cấp B + máy phát - Nối chân PD5 với IRF540 4.3.3.2 Mosfet IRF 540 Thông số kỹ thuật: - Điện áp đánh thủng: 100V - Điện áp VGS = +/-20V - Dịng chịu đựng trung bình: 23A - Nhiệt độ hoạt động: -55oC ~ 150oC - Công suất: 100W - Mosfet IRF540 mosfet kênh N hay mosfet ngược Mosfet IRF540 Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) Transistor đặc biệt có cấu tạo hoạt động khác với Transistor thơng thường Mosfet thường có cơng suất lớn nhiều so với BJT, Mosfet IRF540 có cơng suất 100W Đối với tín hiệu chiều coi khóa Sơ đồ chân IRF540: - G: Gate gọi cực cổng - D: Drain gọi cực máng - S: Source gọi cực nguồn 78 4.3.4 Mô khối điều khiển Code cho vi xử lý, kết mô phỏng.Code cho vi xử lý /******************************************************* This program was created by the CodeWizardAVR V3.12 Advanced Automatic Program Generator © Copyright 1998-2014 Pavel Haiduc, HP InfoTech s.r.l Chip type: ATmega16 Program type: Application AVR Core Clock frequency: 4,000000 MHz Memory model: Small External RAM size: Data Stack size: 256 *******************************************************/ #include 79 #include // Declare your global variables here // Voltage Reference: AVCC pin #define ADC_VREF_TYPE ((0