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
10, 1 15, 1
20, 1 25.
Dòng tối đa các chân I/O của Arduino là 20mA, xét mạch đọc điện áp lớn nhất sẽ có điện áp khoảng 72V khi sạc, vậy tổng điện trở phải lớn hơn 3.6kΩ
Vì khi sạc nguồn có suất điện động nên gây ra nhiễu trên nguồn, nên nhóm sử dụng tụ hóa để chống nhiễu trên nguồn và sử dụng tụ gốm 104 để chống nhiễu tín hiệu điện áp trả về board Arduino.
55
Bảng 3. 7: Các thành phần của mạch thu thập tín hiệu điện áp Acquy
Thành phần Số lượng Tụ hóa 10µF 5 Tụ gốm 104 5 Điện trở 15kΩ 1 Điện trở 20kΩ 4 Điện trở 82kΩ 1 Điện trở 200kΩ 1 Điện trở 330kΩ 2 Điện trở 470kΩ 1
Mô phỏng mạch trên Proteus:
Hình 3. 17: Mạch thu thập tín hiệu điện áp Acquy
3.2.5. Thiết kế mạch cân bằng dung lượng Acquy
56 Khi điện áp giữa các Acquy chênh lệch nhau quá mức quy định trong lúc sạc, mạch cân bằng tại Acquy có điện áp lớn nhất sẽ hoạt động làm cho Acquy đó sạc chậm hơn so với các Acquy khác, giúp giảm sự chênh lệch giữa các Acquy. Việc này được thực hiện bằng cách xả bớt dung lượng tại Acquy đó thông qua 2 điện trở công suất R2 và R3. [9]
Hình 3. 18: Mạch nguyên lý hoạt động của phương pháp cân bằng bị động
Tính toán chọn giá trị điện trở công suất phù hợp:
Với dòng xả mong muốn 6-8A, ta chọn điện trở công suất sao cho dòng xả tương đương 3 - 4A qua mỗi điện trở công suất.
Để tối ưu quá trình sạc thì mạch cân bằng sẽ hoạt động khi SOC đạt khoảng 60% (12.8V khi sạc) – 90% (14.2V khi sạc).
Khi điện áp là 12.8V, ta có điện áp rơi khi qua transistor là 1.1V => điện áp rơi qua điện trở R2 là 12.8 – 1.1 = 11.7 V, khi đó để giá trị dòng điện xả qua R2 là 3 A => R2 = 11.7/3 = 3.9 Ω. Vậy ta chọn R2 = R3 = 4Ω.
Khi điện áp là 14.2V, ta có điện áp rơi khi qua transistor là 1.1V => điện áp rơi qua điện trở R2 là 14.2 – 1.1 = 13.1V, khi đó với điện trở là 4Ω => dòng điện qua R2 là 13.1/4 = 3.275A => tổng dòng điện xả là 6.55 A.
Ta thấy giá trị dòng điện xả khi chọn điện trở công suất là 4Ω sẽ dao động từ 5.85 - 6.55A khá phù hợp để cân bằng cell.
Trường hợp dừng sạc và thông báo bình bị hỏng khi điện áp dưới 9.6V.
Trường hợp mạch hoạt động khi điện áp Acquy lớn nhất và nhỏ nhất lệch 1.6V trở lên (xấp xỉ 30%SOC).
57
Hình 3. 19: Mạch cân bằng dung lượng hệ thống 5 Acquy
Tiến hành làm mạch thực tế:
58
3.2.6. Thiết kế mạch sạc Acquy
3.2.6.1. Phương pháp phát điện sạc Acquy
Với Acquy cao áp đang nghiên cứu điện áp danh nghĩa vào khoảng 64V do đó với phương pháp nạp bằng áp thì điện áp máy phát phát ra phải lớn hơn hoặc bằng 64V. Tuy nhiên với máy phát xe ô tô thông thường chỉ phát ra được khi nạp ở mức từ 14.4V-14,7V nên không đủ để nạp cho Acquy. Do đó tiến hành tháo tiết chế máy phát, cấp nguồn 12V kích từ trực tiếp để điện áp phát ra vào khoảng 80V ở độ mở bướm ga là 20% khi đã nối với tải là hệ thống các Acquy mắc nối tiếp. Điện áp phát ra được nạp về cho Acquy.
3.2.6.2. Mô phỏng mạch phát điện
Hình 3. 21: Mạch phát điện cho hệ thống 5 Acquy
3.2.7. Thiết kế thiết bị thu thập tín hiệu và điều khiển 3.2.7.1. Các tín hiệu ngõ vào 3.2.7.1. Các tín hiệu ngõ vào
Tín hiệu ngõ vào là tín hiệu từ các cảm biến bao gồm:
a) Tín hiệu điện áp
Các tín hiệu điện áp được đưa trực tiếp về chân Analog của Board Arduino Uno hoặc Mega 2560.
59 -TPS: Tín hiệu vị trí bướm ga
- EOT: Tín hiệu nhiệt độ dầu động cơ - FLS: Tín hiệu mực xăng
- BAT1: Tín hiệu điện áp Acquy 1 - BAT2: Tín hiệu điện áp Acquy 2 - BAT3: Tín hiệu điện áp Acquy 3 - BAT4: Tín hiệu điện áp Acquy 4 - BAT5: Tín hiệu điện áp Acquy 5 - CS: Tín hiệu cảm biến dòng điện nạp
Hình 3. 22: Chân thu thập tín hiệu điện áp
b) Tín hiệu xung
Tín hiệu tốc độ động cơ (CKP) thu về được chuyển đổi từ dạng gần giống xung Sine thành xung vuông và đưa vào chân Digital số 2 (chân có hỗ trợ ngắt) của Arduino để tính toán.
3.2.7.2. Thiết kế mạch điều khiển
a) Nguyên lý mạch cơ cấu chấp hành:
Sau khi nhận tín hiệu điện áp Acquy tổng ở mức nhỏ hơn hoặc bằng 54V (mức điện áp cần phải nạp nhanh), Arduino cấp điện áp kích hoạt relay khởi động động cơ. Khi động cơ đã hoạt động, các tín hiệu đầu vào được Arduino xử lý và đưa ra lệnh điều khiển tiếp theo.
Khi tốc độ cầm chừng ổn định ở 1000v/p, Arduino xuất tín hiệu điều khiển theo dạng PWM tương ứng với chân Digital 10,11 điều khiển mở góc bướm ga 20% và giữ nguyên góc bướm ga. Khi bướm ga mở đạt yêu cầu tốc độ động cơ tăng lên đến xấp xỉ 8500v/p