a.Yêu cầu
Sử dụng nguồn xoay chiều 220V từ máy phát điện để sạc cho ắc quy 12VDC.
Bộ sạc đáp ứng đƣợc dung lƣợng ắc quy (25Ah).
Khi sạc đầy, cần xuất ra đƣợc tín hiệu điện để có thể xử lý.
b. Giải pháp
Sử dụng bộ sạc Hitech Power 12V 100Ah - một bộ sạc tự ngắt thông minh với 3 chế độ sạc.
Hình vẽ 3. 6: Sơ đồ 3 chế độ sạc của bộ sạc Hitech Power 12V 100Ah
Sạc đẳng dòng ( sạc dòng cố định ) đến khi ắc quy đầy tới 90% dung lƣợng của bình.
Sạc đẳng áp 14,8 VDC cho đến khi bình đầy 100%.
Chế độ ngắt và sạc bảo dƣỡng để chống tiêu hao điện áp và bảo vệ ắc quy ngƣỡng duy trì an toàn 13.4 VDC.
Nhƣ vậy bằng việc theo dõi hai mốc điện áp 14,8V và 13,4 V ta có thể xác định đƣợc thời điểm sạc đầy.
c. Kết luận
Sử dụng bộ sạc Hitech Power 12V 100Ah
Hình vẽ 3.7: Bộ sạc ắc quy tự ngắt Hitech Power 12V 100Ah 3.3. Các bài toán về máy phát điện
3.3.1. Chọn máy phát điện a. Yêu cầu a. Yêu cầu
Máy phát điện có khả năng đề nổ (phục vụ cho nhiệm vụ điều khiển máy phát điện).
Máy phát điện chạy bằng nguyên/nhiên liệu dễ tìm, giá thành rẻ (giúp giảm chi phí vận hành).
Đáp ứng đủ các tiêu chuẩn về an toàn, chất lƣợng.
3.1.2. Giải pháp
Chọn máy phát điện IG3000 vì những đặc điểm nổi trội: Chế độ thông minh tiết kiệm nhiên liệu: 395 g (0,28 lít)/ kWh Hệ thống khởi động: Giật khởi động và khởi động điện
Thời gian liên tục chạy: 6 giờ Tần số (Hz): 50 60
Điện áp định mức (V) : 230 120/240 Công suất ( kVA) : 2.8
DC đầu ra : 12V- 5.0A Loại nhiên liệu: Xăng Dung tích bình xăng: 13 lít
Mức độ tiếng ồn (không tải - đầy tải) dB (A) / 7m: 63-67
Kích thƣớc tổng (mm): Chiều dài 684; Chiều rộng 440; Chiều cao 505. Trọng lƣợng tịnh: 57 kg
Công suất định mức [ kW ( Hp) / ( r / min) : 4.0/3600 Hệ thống đánh lửa: T.C.I
Bugi WR7DC
3.3.2. Thiết kế cung cấp điện a. Nhiệm vụ a. Nhiệm vụ
Cung cấp tín hiệu báo khởi động xong.
Cung cấp điện cho hệ thống biển báo LED đồng thời sạc cho ắc quy. Cung cấp điện cho mạch điều khiển khởi động.
b. Giải pháp
Đầu ra 12VDC cung cấp tín hiệu báo khởi động xong.
Đầu ra 220VDC cấp điện cho bảng LED (5V-12W), hệ thống điều khiển hiện thị (5V), sạc cho ắc quy (12V).
Nhƣ vậy cần sử dụng thêm bộ chuyển đổi 220VAC-5VDC và bộ sạc ắc quy.
Hình vẽ 3. 8: Thiết kế cung cấp điện của máy phát điện
IbảngLED=P/U=12/5=2,4 A. Tuy nhiên để hệ thống có thể làm việc đƣợc với
các thiết bị có công suất lớn hơn trong thời gian dài liên tục, lựa chọn bộ chuyển đổi 220VAC-5VDC Mean well SE-100-5 100W.
3.2.3 Kết luận
- Sử dụng bộ sạc ắc quy Hitech Power 12V 100Ah
Hình vẽ 3. 10: Bộ chuyển đổi nguồn Mean well SE-100-5
Lƣu ý: Bộ chuyển đổi nguồn Mean well SE-100-5 có một biến trở để điều chỉnh điện áp đầu ra. Trƣớc khi lắp đặt, vận hành cần hiệu chỉnh biến trở để điện áp đầu ra đạt giá trị 5V.
3. 3.3. Bài toán điều khiển máy phát điện a. Phân tích a. Phân tích
Điều khiển hoạt động máy phát điện bao gồm điều khiển khởi động, điều khiển tắt khởi động và điều khiển tắt máy. Bằng việc nghiên cứu về mạch khởi động của máy phát điện IG 3000, ta thấy công việc điều khiển hoạt động của máy phát điện sẽ dựa trên việc đóng cắt các cặp tiếp điểm của khóa điện.
Hình vẽ 3. 51 Sơ đồ mạch điện máy phát điện IG 3000
Có thể thấy chỉ cần can thiệp (đóng cắt) tƣơng ứng từng cặp tiếp điểm 1-3, 2- 5, 5- 4 của khóa điện ta có thể điều khiển hoạt động của máy phát. “OFF” - tƣơng ứng với nối tiếp điểm 1 và 3. “ON” - nối tiếp điểm 2 và 5. START - nối tiếp điểm 2, 5, 4 với nhau.
b. Giải pháp
i. Sử dụng các module relay để điều khiển đóng cắt các tiếp điểm. Nhƣ vậy cần dủng 3 relay để đóng cắt các cặp tiếp điểm 1-3, 2-5, 5-4 tƣơng ứng sẽ tạo ra ba chế độ OFF, ON, START của máy phát điện.
Hình 3.12 Mô tả khóa điện
ii. Ta có thể ngắt liên kết giữa các tiếp điểm trong máy phát điện với khóa điện để điều khiển đóng cắt các tiếp điểm, tuy nhiên để vẫn có thể sử dụng khóa điện để khởi động, tồn tại một vấn đề là khóa điện luôn ở một trong 3 vị trí OFF, ON, START, do đó sẽ luôn có 1 cặp tiếp điểm đƣợc nối cứng với nhau. Giả sử khóa điện đang ở OFF (1’ nối với 3’) ta có bảng mô tả nhƣ trên.
iii. Giải pháp để có thể sử dụng khóa điện và điều khiển tự động hoạt động của máy phát đó là sử dụng module 4 relay để đóng cắt 4 cặp tiếp điểm 1-3, 2-5, 5-4, 1-1’. Khi đóng relay nối cặp tiếp điểm 1- 1’ có thể sử dụng khóa điện để khởi động, tắt khởi động máy phát điện. Khi relay ngắt cặp tiếp điểm 1-1’ có thể điều khiển hoạt động của máy phát điện bằng vi xử lý đã lập trình.
iv. Vi xử lý đƣợc lựa chọn là ATmega 8
Hình vẽ 3. 63: Chip ATmega 8
Lựa chọn ATmega8 vì những ƣu điểm:
- Có 23 cổng vào ra khả trình, mức logic thấp (0V), cao (5V). - Có 6 kênh chuyển đổi ADC (tƣơng tự -số) với sai số 10 bit. - Điện áp 4.5 V – 5.5 V.
- Nhận thạch anh ngoài 0-16 MHz, có thể sử dụng thạch anh nội lên tới 8MHz.
- Có các chế độ tiết kiệm năng lƣợng
- Đáp ứng đƣợc yêu cầu của bài toán điều khiển
c. Kết luận
Sử dụng module relay 5V 4 kênh
Hình vẽ 3. 74: Module relay 5V 4 kênh
Sở dĩ dùng module relay 5V bởi vì nhiều vi xử lý có thể xuất điện áp 5V ở cổng ra dùng cho việc điều khiển đóng cắt relay đồng thời đáp ứng đƣợc các yêu cầu về điều khiển của bài toán.
Hình vẽ 3. 15: Sơ đồ nguyên lý module relay 5V 1 kênh
Có thể thấy nếu chân điều khiển của module relay ở mức thấp (=GND=0V) thì relay đóng, khi chân điều khiển ở mức cao (=VCC=5V) thì relay ngắt.
Hình vẽ 3. 86: Kit phát triển Atmega 8 Socket
Ƣu điểm:
- Dễ kiểm tra, thử nghiệm thuật toán; kiểm soát lỗi. - Thuận tiện cho việc nạp code thay đổi chƣơng trình,
3.4. Xử lý tín hiệu
BÀI TOÁN
Bài toán đặt ra: Khi ắc quy đầy, máy phát điện ở trạng thái tắt (OFF), ắc quy cung cấp nguồn cho hệ thống biển báo LED. Khi ắc quy hết, tự động khởi động máy phát điện để cấp nguồn cho hệ thống đồng thời sạc cho ắc quy, tới khi ắc quy đầy thì tắt máy.
Trọng tâm của bài toán là điều khiển hoạt động của máy phát điện: điều khiển khởi động, điều khiển tắt khởi động, điều khiển tắt khởi động. Do đó vấn đề xử lý tín hiệu, dấu hiệu báo các quá trình khởi động, tắt khởi động, tắt máy phát điện là vấn đề quan trọng cần đƣợc làm rõ.
3.4.1. Tín hiệu khởi động a. Phân tích a. Phân tích
Khởi động máy phát khi ắc quy hết, do đó, dấu hiệu báo cần khởi động máy phát cũng là dấu hiệu ắc quy hết.
Để xác định ắc quy đầy hay cạn có thể dựa vào điện áp giữa hai cực của ắc quy. Nhiệm vụ của ắc quy là cung cấp nguồn cho hệ thống biển báo LED (bao gồm hệ thống bảng LED hiển thị, hệ thống điều khiển hiển thị và hệ thống điều khiển khởi động). Do đó, điện áp của ắc quy không yêu cầu
quá cao về độ chính xác, từ đó có thể chọn ngƣỡng 10,8V làm điện áp báo ắc quy cạn.
Ngƣỡng điện áp 10,8V của ắc quy cần đƣợc vi xử lý đọc để đƣa ra tín hiệu điều khiển khởi động. Vi xử lý ATmega 8 chỉ cho phép đọc các ngƣỡng điện áp không vƣợt quá VCC+0,5V (tức là 5+0.5=5.5V). Do đó cần phải thiết kế thêm mạch chiết áp để láy tỉ lệ điện áp, sau đó đƣa vào một trong 6 kênh ADC của Atmega 8 để xử lý.
b. Thiết kế mạch xử lý tín hiệu
Mạch cần thiết kế là mạch chiết áp.
Hình vẽ 3. 97: Sơ đồ nguyên lý chung mạch chiết áp
Để nâng cao khả năng chịu quá áp đồng thời giảm sai số, ta lấy ngƣỡng điện áp 15V tƣơng ứng với Vref=VrefMAX=VCC=5V. Nhƣ vậy ta có tỉ lệ k=15/5=3. Ngƣỡng điện áp 10,8V sẽ tƣơng ứng với 10,8/k=10,8/3=3,6V < Vref thỏa mãn điều kiện đầu vào của các kênh ADC của Atmega 8.
Với tỉ lệ k=3 có thể lựa chọn 3 điện trở 1/4W có giá trị bằng nhau và bằng 1kΩ (R2=1kΩ, R1=2kΩ). Imax=Umax/R=15/(3.103)=5.10-3A=5mA. Công suất tiêu thụ tối đa trên một điện trở P1MAX=I2max.R=(5.10- 3
)2.1.103=1/40W <1/4 W (thỏa mãn).
Lƣu ý: có thể thay giá trị 1kΩ bằng một trị số khác, tuy nhiên cần phải đảm bảo điện trở đã chọn không bị quá tải. Chọn giá trị điện trở nhỏ dễ gây ra quá tải đồng thời tổn hao công suất lớn do dòng lớn. Nếu chọn điện trở quá lớn dẫn đến dòng quá nhỏ có thể gây ra tình trạng vi xử lý không đọc đƣợc tín hiệu điện áp.
Hình vẽ 3. 108: Sơ đồ nguyên lý mạch chiết áp
3.4.2. Tín hiệu tắt khởi động a. Phân tích a. Phân tích
Tắt khởi động khi máy phát điện đã khởi động thành công có thể cung cấp điện liên tục trong thời gian đủ dài cho cả hệ thống biển báo LED. Do đó tín hiệu báo khởi động xong lấy đƣợc bằng cách đo và xử lý điện áp đầu ra của máy phát điện.
Do máy phát điện IG3000 có cả đầu ra 220VAC và đầu ra 12VDC nên cũng có hai cách để thiết kế mạch xử lý tín hiệu.
Vì vi xử lý xử lý các tín hiệu điện áp một chiều đơn giản hơn nên cách dùng đầu ra 12VDC sẽ gặp nhiều thuận lợi hơn so với khi dùng điện áp ra 220VDC. Cụ thể nếu sử dụng đầu ra 12VDC thì chỉ cần mạch chiết áp là đủ, nếu sử dụng đầu ra 220VAC cần thêm mạch chỉnh lƣu và mạch lọc để việc xử lý đƣợc đơn giản. Tuy nhiên ở các dòng máy phát điện không có thêm đầu ra một chiều thì sử dụng đầu ra 220VAC sẽ gắn chặt với mục đích sử dụng máy phát.
b. Thiết kế mạch xử lý tín hiệu
Trường hợp sử dụng đầu ra một chiều 12VDC
Thí nghiệm đo điện áp đầu ra 12VDC của máy phát điện trong quá trình khởi động, ta nhận thấy có hiện tƣợng quá độ.
Hình vẽ 3. 119: Khảo sát đầu ra 12VDC máy phát điện
Lấy UMAX=18V. Mạch cần thiết kế là mạch chiết áp để vi xử lý có thể đọc đƣợc. UMAX tƣơng ứng với VrefMAX=VCC=5V. Do đó tỉ lệ k=UMAX/VCC=18/5=3,6.
Có thể thiết kế mạch chiết áp để đọc tín hiệu báo khởi động thành công (điện áp đầu ra 12VDC đạt ngƣỡng) theo sơ đồ dƣới đây.
Chọn R1=1kΩ, ta có: R1+R2+R3=k.R1=3,6.1=3,6 kΩ, do đó RV1+R3=2,6kΩ. Chọn R3=2,2kΩ, RV1MAX =1kΩ. RV1 là biến trở có giá trị từ 0 đến 1kΩ nhằm để hiệu chỉnh cho ngƣỡng điện áp U1, từ đó hiệu chỉnh ngƣỡng điện áp cho phép tắt khởi động.
Trường hợp sử dụng đầu ra xoay chiều 220VAC
Hình vẽ 3. 121 Sơ đồ mạch xử lý tín hiệu tắt khởi động dùng điện áp đầu ra 220VAC của máy phát điện
Trong đó:U là điện áp đầu ra 220VAC của máy phát điện, U1 là điện áp mà ADC1 của vi xử lý đọc được (tỉ lệ với U Tụ C1, C2 có tác dụng san phẳng điện áp và lọc nhiễu)
Qua mạch chỉnh lƣu, điện áp là U=0,9.220=198V. Hệ số tỉ lệ k=U/Vref=198/5=39,6.
Chọn R1=5kΩ, suy ra R1+R2+RV2=5.39,6=198kΩ. Chọn R2=180kΩ, RV2MAX=50kΩ.
IMAX=198/(198.103)=1.10-3A=1mA. Công suất tiêu thụ lớn nhất trên một điện trở:
P1MAX=I2MAX.R2=(1.10-3)2.180.103=0,18W<1/4W (thỏa mãn).
3.4.3. Tín hiệu tắt máy a. Phân tích a. Phân tích
Tắt máy phát điện khi ắc quy đƣợc sạc đầy. Khảo sát điện áp ắc quy qua các giai đoạn sạc ta thu đƣợc đồ thị dƣới đây.
Hình vẽ 3. 132 Khảo sát điện áp hai cực ắc quy trong quá trình sạc
Quan sát đồ thị có thể thấy tín hiệu báo sạc đầy chính là điện áp ắc quy đạt ngƣỡng 13,4V lần thứ 2.
Cần thiết kế mạch phân áp để đọc điện áp hai cực của ắc quy.
b. Thiết kế mạch xử lý tín hiệu
Vì cũng là mạch cho phép đọc điện áp ắc quy, UMAX=14,8V<15V nên có thể sử dụng mạch chiết áp trong phần xử lý tín hiệu khởi động.
Hình vẽ 3. 143 Sơ đồ nguyên lý mạch chiết áp
Tuy nhiên ngƣỡng 15 khá gần so với ngƣỡng 14,8 đồng thời mạch sẽ hoạt động ở ngƣỡng 14,8 trong suốt quá trình sạc đẳng áp. Việc thay đổi UMAX sẽ thay đổi điện áp giới hạn làm việc của mạch đồng thời thay đổi hệ số tỉ lệ k. Nhận thấy mạch chiết áp khi xử lý tín hiệu báo khởi động thành công dùng điện áp đầu ra 12VDC tƣơng tự và có UMAX=18V. Việc thay đổi này làm giảm độ chính xác của phép đo nhƣng quan trọng hơn dùng mạch này sẽ giúp mở rộng giới hạn điện áp làm việc của mạch.
3.4.4. Tổng kết
Hình vẽ 3. 154: Sơ đồ xử lý tín hiệu
Bộ điều khiển 1 (ĐK1) chính là bộ điều khiển hoạt động của máy phát điện. Thời điểm ban đầu, máy phát chƣa hoạt động, nếu ắc quy đầy, tín hiệu điện áp hai cực ắc quy gửi về ĐK1 (>10,8V). ĐK1 gửi tín hiệu điều khiển tới Relay chọn nguồn chọn nguồn cấp điện cho tổ hợp bảng LED và bộ điều khiển hiển thị ĐK2. Lúc này ắc quy sẽ cấp điện cho hệ thống. Khi ắc quy cạn, điện áp hai cực ắc quy <10,8V, ĐK1 đọc đƣợc điều khiển máy phát điện khởi động. Nếu máy phát điện khởi động thành công, điện áp đầu ra 12VDC của máy phát đƣợc ĐK1 đọc, nếu đạt đủ ngƣỡng đồng nghĩa với việc khởi động thành công. Khi khởi động thành công ĐK1 gửi tín hiệu tới Relay chọn nguồn chọn máy phát làm nguồn cung cấp điện cho hệ thống, đồng thời lúc này ắc quy đƣợc máy phát sạc điện cho đến khi sạc đầy thì tắt máy. Khi khởi động không thành công, ĐK1 điều khiển cho máy phát điện ngừng khởi động, sau một thời gian thì tiếp tục cho máy phát khởi động lại, nếu số lần khởi động lạivƣợt quá giới hạn – là dấu hiệu của sự cố, cần khắc phục sự cố trƣớc khi khởi động lại hệ thống.
b. Thiết kế mạch xử lý tín hiệu
Cần thiết kế hai mạch phân áp dành cho việc đọc điện áp ắc quy và đọc điện áp đầu ra 12VDC của máy phát. Hai mạch có thể thiết kế giống nhau theo mạch nguyên lý sau.
Hình vẽ 3. 165: Sơ đồ nguyên lý của hai mạch chiết áp cần thiết kế
Trong đó U, U1 là điện áp ắc quy và ADC0 trong mạch dùng để đọc điện áp ắc quy xử lý tín hiệu khởi động và tín hiệu tắt máy phát điện. Còn trong mạch đọc điện áp 12VDC đầu ra máy phát xử lý tín hiệu tắt khởi động thì U, U1 lần lƣợt là điện áp đầu ra 12VDC của máy phát và ADC1.
c. Thuật toán điều khiển
CHƢƠNG IV.
NGHIÊN CỨU VÀ LỰA CHỌN XE CƠ SỞ 4.1. Chọn xe cơ sở
4.1.1. Tiêu chí chọn xe và thông số kỹ thuật của xe được chọn
- Dòng xe phải phổ biến trên thị trƣờng với các thông số kỹ thuật phù hợp với yêu cầu công việc đặt ra nhƣ : đảm bảo đủ công suất kéo, dễ dàng vận hành, sửa chữa, ….
- Giá cả thị trƣờng hợp lý
Sau khi nghiên cứu thị trƣờng tác giả quyết đinh chọn XE WAVE RSX – của hãng Honda làm xe cơ sở với hình dáng nhƣ hình vẽ 1 dƣới đây và các thông số kỹ thuật trong bảng 1.
Bảng 4. 1: Thông số kỹ thuật của xe Honda Ware RSX