4. Những thiếu sót và tồn tại Đồ án tốt nghiệp:
5.3 Cấu tạo các thành phần trong hệ thống điều khiển
5.3.1 Mạch điều khiển trung tâm.
Mạch điều khiển trung tâm là nới xử lý tín hiệu, tương tác trực tiếp với người dùng để điều khiển chiếc xe.
Mạch điều khiển trung tâm gồm:
A. MCU- PIC 16f887
Hình 5.1. MCU PIC 16f887 (Nguồn: chưa rõ)
a. PIC là gì ?
PIC là viết tắt của “Programable Intellegent Computer” có thể tạm dich là: “Máy tính thông minh khả trình” do hãng Gennerral Intrusment đặt tên cho vi điều khiển đầu tiên của họ: Pic 1650 được thiết kế dùng làm thiết bị ngoại vi cho CP1600. Vi điều khiển (VDK) này sau đó được nghiên cứu và phát triển thêm và từ đó hình thành dòng vi điều khiển PIC như ngày nay.
54
Cấu trúc phần cứng của một vi điều khiển được thiết kế theo hai dạng kiến trúc: kiến trúc Von Neuman và kiến trúc Havard.
Hình 5.2: Cấu trúc Von Neuman (Nguồn: chưa rõ)
Hình 5.3: Cấu trúc Havard. (Nguồn: chưa rõ)
b. Chức năng chính của vi điều khiển PIC 16f887
Bảng 5.1. Thông số cơ bản của vi điều khiển PIC 16f887.
Standard Package 10
Category Integrated Circuits (ICs) Family Embedded - Microcontrollers
Series PIC® 16F
Packaging Tube
Core Processor PIC
55
Speed 20MHz
Connectivity I²C, SPI, UART/USART
Peripherals Brown-out Detect/Reset, POR, PWM, WDT Number of I /O 35
Program Memory Size 14KB (8K x 14) Program Memory Type FLASH
EEPROM Size 256 x 8
RAM Size 368 x 8
Voltage - Supply (Vcc/Vdd) 2 V ~ 5.5 V Data Converters A/D 14x10b Oscillator Type Internal Operating Temperature -40°C ~ 85°C
Package / Case 40-DIP (0.600", 15.24mm)
Other Names PIC16F887IP
Vi điều khiển PIC 16f887 được nhóm lựa chọn vì dễ sử dụng phù hợp với nhu cầu của nhóm là:
- 3 kênh ADC - 2 kênh PWM
- Có thế giao tiếp với LCD 16x2 - Dễ sử dụng và thiết kế mạch
B. Tay điều khiển Joystick
Joystick được cấu tạo gồm cần gạt có chức năng xoay hai biến trở đặt vuông góc với nhau. Khi cấp nguồn cho mạch, từ các đầu ra của hai biến trở, ta thu được tín hiệu điện áp. Khi thay đổi góc nghiên cần gạt thì điện áp đầu ra thay đổi, đưa vào bộ ADC để đo và xử lý.
56
Hình 5.5. Giao tiếp joystick với vi điều khiển
C. Màn hình Character LCD 16x2
Hình 5.6: Character LCD 16x2 (Nguồn: chưa rõ)
57
- LCD có chức năng hiện thị điện áp của bình acquy, các chế độ khi người dùng lựa chọn và cảnh báo khi yên xe chưa được nâng lên hết mức.
Sau đây sơ đồ cách thức hoạt động của mạch điều khiển trung tâm:
Sơ đồ 5.8: Giao tiếp VĐK với ngoại vi.
Dựa vào những yêu cầu và mục tiêu trên nhóm bắt đầu thiết kế mạch.
58
Mạch nguyên lý:
Hình 5.9: Khối sơ đồ trung tâm VĐK
59
Hình 5.11: Khối I/O
60
61
Hình 5.14: Mạch điều khiển sau khi đã hoàn thiện.
5.3.2 Mạch công suất
5.3.2.1 Mạch điều khiển động cơ nâng yên xe:
- Động cơ được chọn là động cơ Tokushu Denso TD2722 dòng điện khi tải tối đa là 1.8A.
Yêu cầu điều khiển:
Động cơ chỉ cần đảo chiều tần số cực thấp, không cần điều chỉnh tốc độ. Nhóm quyết định chọn relay làm mạch đảo chiều động cơ.
Mạch điều khiển loại này tuy tần số đáp ứng không cao, nhưng dòng chịu đựng lớn, ổn định.
A. Giới thiệu relay.
62
Hình 5.15: Relay SRD-12VDC-SL-C (Nguồn: chưa rõ) Thông số kỹ thuật:
- Số tiếp điểm: 1
- Điện trở tiếp điểm: <=100(ohm)
- Dòng điện đóng cuộn dây: 12VDC-0.36W
- Điện áp tiếp điểm: 10A 250VAC/28VDC,10A 125VAC/28VDC,10A 125VAC/28VDC
Sơ đồ khối mạch điều khiển động cơ nâng yên xe:
63
Mạch nguyên lý:
Hình 5.16: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển nâng hạ ghế ngồi.
64
Mạch thực tế đã thi công:
Hình 5.17: Mạch điều khiển ghế ngồi thực tế.
5.3.2.2: Cầu H điều khiển động cơ chính của xe.
Nhóm sử dụng động cơ Zhongshen 24V-250W dòng hoạt động ở chế độ không tải là 1.8A, ở chế độ hết công suất dòng lên tới 18.5A.
Yêu cầu đặt ra:
- Có thể hoạt động ở 100% PWM. - Dòng tải tối đa là 20A.
- Có thể hoạt động ở tần số PWM tối đa 10Khz.
A. PWM là gì? Giới thiệu:
Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra.
Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm.
Ứng dụng:
PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển. Điển hình nhất mà chúng ta thường hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp... Sử dụng PWM điều khiển độ
65
nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa, nó còn được dùng để điều khiển sự ổn định tốc độ động cơ.
Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM còn tham gia và điều chế các mạch nguồn như : boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha...
PWM còn gặp nhiều trong thực tế ở các mạch điện điều khiển. Điều đặc biệt là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đường đặc tính là tuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định .Như vậy PWM được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điện- điện tử. PWM cũng chính là nhân tố mà các đội Robocon sử dụng để điều khiển động cơ hay ổn định tốc độ động cơ.
66
B. Điều khiển cầu H
Để hoạt động thì phải có sự đồng bộ giữa Động cơ và cầu H. Do đó để có thể điều khiển động cơ 250W, nhóm đã chọn điều tốc động cơ 250W như hình sau:
Hình 5.19: Điều tốc động cơ
Với thông số kỹ thuật:
Điện áp sử dụng: 24V
Công suất tiêu thụ: 250W – 450W
Công dụng: Điều chỉnh tốc độ động cơ. Tuy nhiên chỉ điều khiển được một chiều, tức là
không thể đảo chiều động cơ.
Để đảo chiều động cơ ta sử dụng mạch relay để thay đổi chiều dòng điện. Nhóm đã thiết kế mạch relay như sau:
67
Hình 5.20: Sơ đồ nguyên lý mạch relay
Hình ảnh mạch thực tế sau khi đã hoàn thành:
Hình 5.21: Mạch thực tế
68
Sơ đồ 5.4:Sơ đồ dây điện của xe
5.4 Chương trình điều khiển:
Code điều khiển được viết bằng ngôn ngữ C sử dụng Mikro C pro for PIC làm trình biên dịch. Kết hợp với trình mô phỏng Protues giúp nhóm hoàn thành tốt phần công việc lập trình.
69
Hình 5.23: Giao diện trình mô phỏng
Yêu cầu của chương trình điều khiển: - Hiện thị ra LCD điện áp của acquy.
- Hiện thị chế độ di chuyển: No (Normal)-Run-Jo(Jog)
- Hiện thị trạng thái của ghế ngồi: Lock(yên đã được hạ xuống)-Unlock(Yên đã được nâng lên)
Hình 5.24:Giao diện LCD với người dùng
Chương trình điều khiển:
// LCD module connections sbit LCD_RS at RD2_bit;
70
sbit LCD_EN at RD3_bit; sbit LCD_D4 at RD7_bit; sbit LCD_D5 at RD6_bit; sbit LCD_D6 at RD5_bit; sbit LCD_D7 at RD4_bit;
sbit LCD_RS_Direction at TRISD2_bit; sbit LCD_EN_Direction at TRISD3_bit; sbit LCD_D4_Direction at TRISD7_bit; sbit LCD_D5_Direction at TRISD6_bit; sbit LCD_D6_Direction at TRISD5_bit; sbit LCD_D7_Direction at TRISD4_bit;
unsigned int adc_val,adc_val2,adc_val3,volt,volt1,volt2,current_duty,current_duty1,cal; float volt3; char buffer[3]; void main() { ANSEL = 0b00001101; ANSELH = 0X00; TRISA0_bit=1;TRISC0_bit=TRISC1_bit=TRISC2_bit=TRISC3_bit=0; RC0_bit=RC1_bit=RC2_bit=RC3_bit=0; ADC_Init(); Lcd_Init(); // Initialize LCD
Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR); // Clear display Lcd_Cmd(_LCD_CURSOR_OFF);
PWM1_Init(5000); PWM2_Init(5000); while(1)
71 adc_val=ADC_Read(0); Delay_ms(200); volt=adc_val * 5020.0 / 1023.0; volt1=volt*6433.0/983.0; volt2=volt1/1000.0; volt3=volt2; WordToStr(volt3,buffer); Lcd_Out(1, 1, "Battery:"); Lcd_Out(1, 9, buffer); Lcd_Chr(1, 15, 'V');
Lcd_Out(2, 1, "Mode:Run Lock"); adc_val2=ADC_Read(2); adc_val3=ADC_Read(3); PWM1_Start(); PWM2_Start(); PWM1_Set_Duty(current_duty); PWM2_Set_Duty(current_duty1); cal=adc_val2/4; if(adc_val2 >= 550) { current_duty= current_duty1=cal; } if(adc_val2 <= 550) { current_duty= current_duty1=0; } if(adc_val3>600) { RC0_bit=1; RC3_bit=0;
72 } else RC3_bit=RC0_bit=0; if(adc_val3<424) { RC3_bit=1; RC0_bit=0; } } } Hình 5.25: Hình ảnh mô phỏng chương trình
73
CHƯƠNG 6 THỰC NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ 6.1. Thực nghiệm:
Sau quá trình tiến hành chế tạo thử nghiệm cho chạy thử nghiệm nhóm nhận thấy rằng những điểm thiếu sót như sau:
- Trong quá trình chế tạo:
+ Không có kinh nghiệm trong việc dự trù vật tư, khiến vật tư thiếu sót nhiều. + Quá trình gia công chế tạo nhiều chi tiết gia công chưa chính xác dẫn tới sai số toàn hệ thống.
+ Mất nhiều thời gian vào việc gia công chế dẫn tới thời gian căn chỉnh ít.
Sau khi chế tạo hoàn chỉnh những khó khăn sau gặp phải:
6.1.1. Bánh xe có hiện tượng đảo:
Sơ đồ mặt cắt của bánh xe:
74
Phân tích nguyên nhân bánh xe đảo:
- Do quá trình chọn mua bánh xe nhóm chọn mua bánh xe đẩy hàng, mâm xe không được
cân, tâm bánh xe không chính xác.
Khắc phục:
- Chế tạo ổ trục mới, hàn chết với bánh xe, sử dụng ổ bi giúp tâm bánh chính xác hơn.
Hình 6.2: Ổ trục được chế tạo lại.
6.1.2. Trục bánh xe nhỏ dẫn tới khả năng chịu tải kém
Trục bánh xe nhỏ khiến xe không thể chịu tải trong thời gian dài dễ bị cong vẹo bánh xe.
Nguyên nhân: Tính toán khối lượng xe chưa chính xác dẫn tới tính toán trục bánh xe sai.
Khắc phục: Thay ổ bi 6202 (đường kình trong 15mm, đường kính ngoài 35mm) bằng ổ
bi 6003 (đường kính trong 17mm, đường kính ngoài 35mm) nâng đường kính trục từ 15mm lên 17mm.
75
6.1.3. Hệ thống giảm xóc hoạt động không hiệu quả:
Hình 6.5: Giảm sóc của xe
Nguyên nhân: Chọn giảm sóc có độ cứng lo xo quá cao, khiến cho hệ thống giảm sóc
hoạt động rất ít. KHÔNG HIỆU QUẢ.
Khắc phục: Thay thế lo xo mới, có hệ số đàn hổi thấp hơn.
6.1.4: Bộ điều khiển hoạt động không ổn định.
Cụ thể bộ điều khiển do MCU 16f887 hoạt động không tốt, xung PWM xuất ra mất ổn định, trạng thái không rõ ráng, khiến xe không thể tăng tốc giảm tốc theo ý muốn, mà chỉ có mức tốc độ tối đa.
Nguyên nhân: Dây dẫn PWM quá dài tín hiệu đầu cuối bị suy giảm. Khắc phục: Sử dụng mạch khuếch đại PWM để tín hiệu đầu cuối ổn định.
6.1.5: Hệ thống nâng hạ ghế ngồi có tiếng ồn.
Nguyên nhân: Sử dụng bộ truyền động bằng xích từ động cơ tới trục vít-me nên khi hoạt động sinh ra tiếng ồn.
Khắc phục: Sử dụng bộ truyền động bằng đai hoặc bánh răng.
6.1.6: Xe khi di chuyển có tiếng ồn.
Nguyên nhân: Sử dụng truyền động xích gây tiếng ồn do va đập giữa xích và bánh xích. Khắc phục: Sử dụng bộ truyền đai răng.
77
CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN
7.1 Những kết quả đạt được
Với các mục tiêu đề tài đã đặt ra, qua quá trình thực hiện, nhóm nghiên cứu đã đạt được những kết quả sau:
Về nghiên cứu lý thuyết :
- Đã nghiên cứu và nắm bắt một cách tổng thể về nguyên lý hoạt động, nguyên lý điều khiển, lý thuyết tổng quan về động học, động lực học và mô hình toán của các loại xe lăn điện địa hình trên thế giới.
Về thiết kế cơ khí:
- Đã thiết kế hoàn chỉnh khung xe với cơ cấu bốn bánh linh hoạt, cơ cấu nâng hạ yên.
Về thiết kế điều khiển:
- Đã hoàn thành các mạch điều khiển như mạch cầu H, mạch điều khiển động cơ kéo vích me, mạch điều khiển trung tâm.
- Đã hoàn thành code điều khiển động cơ và nạp code điều khiển thành công.
7.2 Những kết quả chưa đạt được và biện pháp khắc phục
Bên cạnh những kết quả đạt được thì đề tài của nhóm vẫn tồn tại những hạn chế cần khắc phục:
- Phuộc chưa hoạt động tốt vì lo xo quá cứng nên giảm sốc còn kém. - Bánh bị đảo do mâm bánh bị vệnh.
- Trục bánh xe bị lệch do không chính xác trong gia công - Khung xe cồng kềnh.
- Chi phí chế tạo còn khá cao do còn nhiều chi tiết thừa gia công tốn kém.
- Chưa có khả năng cạnh tranh thị trường do kiểu dáng cồng kềnh không thẩm mỹ và giá thành còn cao.
Biện pháp khắc phục:
- Thay hệ thống phuộc có chất lượng tốt hơn. - Cân chỉnh mâm bánh cho cân bằng.
- Gia công chính xác trục bánh xe.
- Thiết kế thay đổi giảm các chi tiết dư thừa. - Thay đổi kiểu dáng đẹp mắt hơn.
7.3 Hướng phát triển đề tài
78
- Thiết cơ cấu nâng yên lên cao để thuận tiện cho người khuyết tật khi đến các quầy lễ tân hoặc các hoạt động khác.
- Lắp đặt thiết bị GPS để kiểm soát được vị trí của xe lăn điện giúp tìm kiếm người khuyết tật trong những trường hợp như gặp nạn, lạc đường.
- Hệ thống giữ cân bằng trọng tâm để giúp đảm bảo an toàn khi vượt những địa hình khó khăn.
79
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Trinh Chất – Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, NXB Giáo dục Việt Nam, 2010 (→TLTK là sách).
[2] Trần Văn Địch, Công nghệ chế tạo bánh răng tập 1, NXB KHTN, Hà Nội 2006 (→TLTK là sách).
[3] PGS.Hà Văn Vui, TS.Nguyễn Chí Sáng, ThS.Phan Đăng Phong, Sổ tay thiết kế cơ khí tập 1-2, NXB KHKT, 2005 (→TLTK là sách).
Nguồn khác
[1] FREESCALE IC MC33883Z (IC điều khiển cầu H) Link: http://www.freescale.com
[2]VISHAY MOSFET IRFP460 Link: http://www.vishay.com/docs/91237/91237.pdf
80
PHỤ LỤC
BẢN VẼ LẮP VÀ BẢN VẼ CHI TIẾT XE ĐIỆN TIỆN ÍCH