2.7.1. Động cơ DC
Động cơ DC và động cơ bước vốn là những hệ hồi tiếp vòng hở - ta cấp điện để động cơ quay nhưng chúng quay bao nhiêu thì ta không biết, kể cả đối với động cơ bước là động cơ quay một góc xác định tùy vào số xung nhận được. Việc thiết lập một hệ thống điều khiển để xác định những gì ngăn cản chuyển động quay của động cơ hoặc làm động cơ không quay cũng không dễ dàng.
Mặt khác, động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí
38 sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bất kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác. Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiều máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các mô hình máy bay và xe hơi. Ứng dụng mới nhất của động cơ servo là trong các robot, cùng loại với các động cơ dùng trong mô hình máy bay và xe hơi.
2.7.2. Động cơ Faulhaber
Động cơ servo FAULHABER khác với động cơ DC lõi sắt thông thường ở chỗ rotor bao gồm một cuộn dây đồng tự hỗ trợ, xiên. Trong số các đặc tính vốn có của thiết kế tiên phong này là quán tính rotor cực thấp và vị trí rotor không hoặc cầu chì ưa thích. Các yếu tố này giúp xác định tỷ lệ công suất / âm lượng cao của động cơ cũng như các đặc tính hiệu suất cực kỳ năng động của chúng.
Được phát minh đầu tiên bởi Tiến sĩ Fritz Faulhaber Sr và được cấp bằng sáng chế vào năm 1958. Hệ thống cuộn dây xiên không dây (hoặc không có sắt) là trung tâm của mọi mọi hệ thống DC Mô tơ FAULHABER. Công nghệ mang tính cách mạng này đã thay đổi ngành công nghiệp và tạo ra những khả năng mới cho ứng dụng của khách hàng về động cơ, trong đó công suất cao nhất, hiệu suất động tốt nhất, với kích thước và trọng lương nhỏ nhất có thể được yêu cầu.
39
Thông tin động cơ:
Điện áp hoạt động: 12V
Tốc độ mô tơ: 8100 RPM
Tốc độ sau hộp giảm tốc: 120 RPM
Tỉ số giảm tốc: 64:1
Dòng tải tối đa: 1400mA
Dòng không tải: 74mA
Momen xoắn: 1.72 Nm
Encoder 2 kênh với độ phân giải 12 xung/vòng
Kích thước:
Đường kính: 30mm
Chiều dài động cơ: 85mm
Đường kính trục: 6mm
Chiều dài trục: 35mm
2.8. Mô hình hóa động cơ DC Faulhaber
2.8.1. Tính toán động học, xây dựng hàm truyền động cơ
Hình 2. 36: Sơ đồ mô hình hóa động cơ DC
Để mô hình hóa mô tơ, cần tìm hàm truyền của hệ thống hay các phương trình của hệ, thay thế cho mô tơ thực tế cần điều khiển. [7]
Các thông số cần quan tâm: - Điện áp cấp: v(t) [V]
40 - Dòng điện tức thời: i(t) [A]
- Điện trở của mạch: R [Ω] - Điện cảm của cuộn dây: L [H]
- Điện áp được tạo bởi lực điện động phản hồi của mô tơ: e(t) [V] - Mô men xoắn của mô tơ: T [Nm]
- Góc quay của mô tơ: θ(t) [rad] - Tốc độ góc của mô tơ: ω(t) [rad/s] - Mô men quán tính của mô tơ: J [kgm2] - Hệ số giảm chấn nhớt của mô tơ: b [Nms] - Hằng số mô men: Kt [Nm/A]
- Hằng số điện áp tạo bởi lực điện động phản hồi của mô tơ: Ke [V/rad/s] - Tỉ số truyền của hộp giảm tốc mô tơ: N
Khi cấp điện áp V ta có đầu ra là tốc độ góc ω của mô tơ, tốc độ góc tỉ lệ với điện áp:
ω(t) = Kvv(t) => v(t) = 1
Kvω(t) = Keθ̇(t) (2.3)
Mô men T tỉ lệ với dòng điện i(t):
T = Kti(t) (2.4)
Phương trình phần cơ khí:
T- bθ̇(t)=Jθ̈(t) (2.5)
Thay (2.2) vào (2.3):
Kti(t)- bθ̇(t)=Jθ̈(t) (*)
Mô tơ quay với vận tốc góc ω tạo ra suất điện động e(t):
(2.3) => e(t) = Keθ̇(t) (2.6)
Sự thay đổi của dòng điện theo thời gian của cuộn cảm: di dt
Mạch điện của hệ thống được xác định theo định luật Kirchhoff để tìm mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp của mô tơ:
v(t)-Ri(t)-Ldi dt-e(t)=0 (5) (2.7) Thay (2.6) vào (2.7): v(t)-Ri(t)-Ldi dt-Keθ̇(t)=0 (**) Trong hệ SI: Kt=Ke=1 Kv=K
41 Ta có biến đổi Laplace: £(f(x))= F(s); £(ḟ(x))= sF(s); £(f̈(x))= s2F(s)
Từ đó: (*): KI(s)- bsθ(s)= Js2θ(s) KI(s) = sθ(s)(Js+b) I(s) = sθ(s)(Js+b) K (2.8) (**): V(s)-RI(s)-LsI(s)-Ksθ(s)=0 V(s)-Ksθ(s)=(Ls+R)I(s) (2.9) Thay (2.8) vào (2.9): V(s) - Ksθ(s) = (Ls+R)sθ(s)(Js+b) K V(s) = [(Ls+R)(Js+b) K +K] sθ(s) V(s) θ(s) =[(Ls+R)(Js+b)+K 2 K ] s (2.8) Nghịch đảo hai vế phương trình (2.8):
θ(s) V(s) = K [(Ls+R)(Js+b)+K2]s θ(s) V(s) = K LJs3+(Lb+RJ)s2+(Rb+K2)s (2.10) Vậy được hàm truyền đầu vào là điện áp V(s), đầu ra là góc quay θ(s).
2.8.2. Mô phỏng điều khiển vị trí DC motor bằng matlab Simulink
Một số thông số mô tơ dùng để mô phỏng: [8]
R=1.9 [Ω], L=6.5x10−5 [H], K=0.0134, J= 5.7x10−7 [kgm2], b= 9.5x10−5 [Nms], N=1/64.
2.8.2.1. Sơ đồ khối của mô hình điều khiển vị trí động cơ DC
42 Chọn phương pháp điều khiển ở đây là kiểu hồi tiếp Close-loop với khối điều khiển là chương trình PID Controller và khối đối tượng cần được điều khiển là hàm truyền của mô tơ.
2.8.2.2. Kết quả của mô phỏng
43
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỘP ĐIỀU KHIỂN 3.1. Sơ đồ tổng quát thu thập tín hiệu và điều khiển
3.1.1. Sơ đồ khối chức năng
Với nội dung nghiên cứu cần điều khiển động cơ xăng kéo máy phát điện sạc về Acquy xe nên cần thiết phải thu thập các tín hiệu cảm biến động cơ cho việc theo dõi, đồng thời từ đó đưa ra tín hiệu điều khiển động cơ. Nhóm nghiên cứu đã khảo sát dạng tín hiệu các cảm biến động cơ là dạng xung và dạng điện áp thích hợp cho việc đưa về Arduino. Arduino đưa tín hiệu này lên máy tính và hiển thị lên bằng phần mềm Matlab App Designer thông qua giao tiếp RS232. Đối tượng thực hiện thí nghiệm là động cơ xăng 1 xy-lanh trên xe máy Honda Wave RSX Fi 110cc.
Hình 3. 1: Tổng quan giao tiếp Arduino Matlab
Sau khi đã nghiên cứu cơ sở lý thuyết liên quan, nhóm nghiên cứu tiến hành thực hiện thiết kế và thực nghiệm theo tiến trình:
Xác định các tín hiệu cần thu thập và hiển thị
Lập trình thu thập tín hiệu và điều khiển trên Arduino
Lập trình giao diện hiển thị trên Matlab App Designer
Lập trình truyền tín hiệu bằng giao tiếp RS232
44
3.1.2. Nội dung thiết kế bộ chấp hành
Để đáp mục đích thiết kế, bộ chấp hành cần phải đảm bảo theo những yêu cầu sau: Động cơ được cấp nguồn 12V từ Acquy để hoạt động, bộ điều khiển hoạt động dưới nguồn 5V sau khi được giảm áp từ Acquy. Điều khiển kích relay khởi động và relay tắt máy theo quy trình. Điều khiển kích relay cấp nguồn kích từ cho máy phát đúng thời điểm. Điều khiển mở góc bướm ga chính xác khi có lệnh đưa ra.
Khi động cơ chưa hoạt động, các tín hiệu điện áp Acquy luôn được theo dõi. Khi động cơ đã hoạt động các tín hiệu vị trí bướm ga (TPS), cảm biến mực xăng (FLS), cảm biến nhiệt độ dầu động cơ (EOT), cảm biến dòng điện nạp (CS), cảm biến tốc độ động cơ (CKP) và các tín hiệu điện áp Acquy đều được cập nhật và theo dõi liên tục. Các tín hiệu này được Arduino thu thập và hiển thị trên máy tính trong giao diện Matlab App Designer.
Hình 3. 2: Sơ đồ khối bộ giao tiếp
3.2. Thiết kế hộp điều khiển 3.2.1. Các linh kiện sử dụng 3.2.1. Các linh kiện sử dụng 3.2.1.1. Điện trở
45 Điện trở hay Resistor là một linh kiện điện tử thụ động gồm 2 tiếp điểm kết nối, thường được dùng để hạn chế cường độ dòng điện chảy trong mạch, điều chỉnh mức độ tín hiệu, dùng để chia điện áp, kích hoạt các linh kiện điện tử chủ động như transistor, tiếp điểm cuối trong đường truyền điện và có trong rất nhiều ứng dụng khác. Điện trở công suất có thể tiêu tán một lượng lớn điện năng chuyển sang nhiệt năng có trong các bộ điều khiển động cơ, trong các hệ thống phân phối điện. Các điện trở thường có trở kháng cố định, ít bị thay đổi bởi nhiệt độ và điện áp hoạt động. Biến trở là loại điện trở có thể thay đổi được trở kháng như các núm vặn điều chỉnh âm lượng. Các loại cảm biến có điện trở biến thiên như: cảm biến nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, lực tác động và các phản ứng hóa học.
Đơn vị điện trở: Ohm (ký hiệu: Ω) là đơn vị trong hệ SI của điện trở, được đặt theo tên George Simon Ohm. Một ohm tương đương với vôn/ampere. Các điện trở có nhiều giá trị khác nhau gồm milliohm (1 mΩ = 10−3 Ω), kilohm (1 kΩ = 103 Ω), và megohm (1 MΩ = 106 Ω).
Hình 3. 3: Điện trở công suất
46
Hình 3. 4: Tụ gốm 104
Hình 3. 5: Tụ hóa 100uF-100V
Bảng 3. 1: Thông số kỹ thuật tụ gốm 104
Thông số Giá trị
Điện dung 0.1uf
Điện áp 50V
Nhiệt độ làm việc -25oC - 85oC
Loại Điện dung cố định
Tụ gốm 104 là tụ điện có điện môi được chế tạo theo công nghệ gốm, 2 chân cắm của linh kiện được mạ thiếc. Tụ gốm 104 là tụ không phân cực có giá trị nhỏ thường được dùng trong các mạch cao tần hoặc mạch lọc nhiễu.
47 Tụ gốm 104 hình dẹt có trị số được ký hiệu trên thân bằng ba số (VD: 103J, 223K, 471J vv...) Trong đó ba số đầu ký hiệu cho giá trị, chữ J hoặc K ở cuối kà ký hiệu cho sai số.
Bảng 3. 2: Thông số kỹ thuật tụ hóa 100uF-100V
Thông số Giá trị
Điện dung 100uf
Điện áp 100V
Nhiệt độ làm việc -55oC - 125oC
Loại Điện dung cố định
Tụ hóa 100uF 100V là loại tụ có giá trị điện dung cố định, tụ phân cực, có dung môi là một lớp hóa chất. Tụ hóa 100uF 100V là tụ có hình trụ, trị số được ghi trực tiếp trên thân tụ. Sau trị số điện dung bao giờ cũng có giá trị điện áp, điện áp ghi trên tụ chính là điện áp cực đại mà tụ có thể chịu được, vượt qua giá trị này thì lớp cách điện sẽ bị đánh thủng, trong thực tế ta phải lắp tụ có trị số điện áp cao gấp khoảng 1,5 lần điện áp của mạch điện.
3.2.1.3. Mạch giảm áp DC LM2596
48
Bảng 3. 3: Thông số kĩ thuật bộ hạ áp DC LM2596
Thông số Giá trị
Nguồn đầu vào 4V – 35V
Nguồn đầu ra 1V – 30V
Dòng ra max 3A
Kích thước mạch 53mm – 26mm
3.2.1.4. Mạch cầu H XY-160D L298N
Hình 3. 7: Mạch cầu H XY-160D L298
XY-160D L298 là một mạch cầu H được sử dụng để điều khiển 2 động cơ DC với công suất tối đa 160W mỗi động cơ (nếu chạy liên tục thì nên giới hạn ở mức 70% công suất tối đa theo thông số của nhà sản xuất).
Phần động lực của module là các IC MOSFET công suất cao, với sự cách ly giữa phần động lực và phần điều khiển logic được cách ly bởi Optocoupler (cách ly quang) để bảo vệ tối đa không gây hư hỏng các linh kiện trong hệ thống, cũng như các xung điện gây nhiễu cho hệ thống logic như: Arduino, MCU, ESP...
Bảng 3. 4: Thông số kỹ thuật mạch cầu L298N
Thông số Giá trị
IC chính L298N
Công suất tối đa 160W
Dòng tối đa mỗi cầu 7A
49
Tốc độ điều khiển PWM 0 – 10 kHz
3.2.1.5. Module relay 5V
Hình 3. 8: Module Relay 5V
Bảng 3. 5: Thông số kĩ thuật module relay 5V
Thông số Giá trị
Điện áp tải tối đa AC250V – 10A / DC 30V – 10A
Điện áp điều khiển 5V DC
Dòng kích relay 5mA
Trạng thái kích Mức thấp(0V) / mức cao (5V)
Đường kính lỗ ốc 3.1(mm)
Kích thước 50x26x18.5(mm)
Relay bình thường gồm có 6 chân. Trong đó có 3 chân để kích, 3 chân còn lại nối với đồ dùng điện.
3 chân dùng để kích:
+: Cấp nguồn 5V -: Nối mass (GND)
S: chân tín hiệu, tùy vào loại module relay mà nó sẽ làm nhiệm vụ kích relay
3 chân còn lại nối với đồ dùng điện công suất cao:
COM: chân nối với 1 chân bất kỳ của đồ dùng điện nên mắc vào đây chân lửa (nóng) nếu dùng hiệu điện thế xoay chiều và cực dương nếu là hiệu điện một chiều.
50 NO: chân relay thường mở
NC: chân relay thường đóng
3.2.1.6. Module Opto cách ly 2 kênh PC817
Opto (optocoupler) là linh kiện quang điện tử, sử dụng ánh sáng từ LED để truyền tín hiệu điều khiển giữa hai mạch hoạt động ở các mức điện áp khác nhau. Ưu điểm chính của opto là cách ly điện giữa các mạch đầu vào và đầu ra. Điện trở cách li giữa hai mạch lên tới hàng ngàn MΩ.
Hình 3. 9: Linh kiện Opto PC817
Hình 3. 10: Module Opto cách ly 2 kênh PC817
Thông số kỹ thuật của module Opto cách ly 2 kênh PC817:
Port điều khiển tín hiệu điện áp: 3.6-24V
Điện áp đầu ra: 3.6-30V
Đầu jumper đầu ra có thể được kéo lên hoặc kéo xuống.
Onboard 2-Channel 817 hoạt động độc lập: có thể điều khiển điện áp khác nhau tại thời điểm đó
Sử dụng 2 Opto 817, để đạt được tín hiệu điều khiển và tín hiệu điều khiển cách ly, có thể sử dụng trực tiếp vi điều khiển hoặc cổng IO thiết bị khác để đạt được điều khiển cách ly điện áp, bạn có thể điều khiển điện áp nhỏ.
51
Kích thước: 38x29mm
3.2.2. Thiết kế mạch chuyển xung
Xung do cảm biến CKP tạo ra có dạng gần giống xung sine, nên cần chuyển về dạng xung vuông để đọc tín hiệu.
Hình 3. 11: Đặc tính xung cảm biến CKP
Mạch chuyển xung có tác dụng cắt bỏ bán kì âm (của xung gần giống xung sine) và hiệu chỉnh bán kì dương thành xung vuông.
52
Bảng 3. 6: Các thành phần của mạch chuyển xung
Thành phần Số lượng (cái) Bảng mạch đồng 1 Điện trở 220Ω 1 Điện trở 6,8 KΩ 1 Điện trở 10 KΩ 1 Điện trở 1 KΩ 1 Diot 1 Tụ 104 1 LM358 1
Mô phỏng mạch trên proteus:
53 Thiết kế mạch in:
Hình 3. 13: Thiết kế mạch in
Hình 3. 14: Đồ thị dạng xung sau khi chuyển
Tiến hành làm mạch thực tế:
Hình 3. 15: Mạch chuyển xung thực tế
54 Cảm biến báo xăng có 2 dây: một dây tín hiệu là giá trị điện trở từ 1Ω-90Ω tương đương với mực xăng từ 4l - 0l, dây còn lại cấp mass. Do đó để thu thập tín hiệu này đưa về Arduino ứng dụng mạch cầu phân áp để chuyển giá trị điện trở này về từ 0V-5V.
Các thành phần của mạch:
Một biến trở có sẵn trong cảm biến đưa về giá trị từ 1Ω-90Ω.
Một điện trở giá trị 100Ω. Mô phỏng mạch trên Proteus:
Hình 3. 16: Mạch cảm biến mực xăng
3.2.4. Thiết kế mạch thu thập tín hiệu điện áp Acquy.
Acquy cung cấp điện trên mô hình xe được thiết kế mắc nối tiếp 5 bình có điện áp danh nghĩa 12.8V tương đương điện áp tổng khoảng 64V. Do đó vấn đề đặt ra là phải hiển thị cũng như để theo dõi diện áp từng Acquy đơn và điện áp tổng. Từng tín hiệu điện áp được Arduino thu thập sau đó hiển thị trên giao diện Matlab App Designer.
Điện áp hoạt động tốt nhất của các chân I/O trên board Arduino là 2.5v, vì vậy chọn các điện trở sao cho tín hiệu điện áp tạo ra từ các cầu phân áp có điện áp gần 2.5v. Acquy 1 có điện áp khoảng 12.8v vậy cầu phân áp 𝑅1
𝑅2+𝑅1 =𝑉1
𝑉 ≈ 1
5. Tương tự với các cầu phân áp sau vì cell mắc nối tiếp, nên tỉ lệ Cell sau là, 1