Vì có thể điều khiển được tốc độ quay của tuabin nên ta không quá quan trọng trong việc lựa chọn cánh và vỏ Turbo. Ta có thể chọn ở mức tương đối để phù hợp với động cơ cần ứng dụng.
48
Hình 3. 2: Vỏ Turbo và cánh tuabin.
Thông thường, các bộ tăng áp tuyền thống sẽ được nối với nhau bằng 1 trục giữa kết nối cánh quạt bên khí thải và cánh quạt bên khí nạp. Nhưng ở bộ tăng áp chạy bằng motor điện thì trục giữa sẽ được nối từ trục của motor điện tới cánh quạt khí nạp. Do đó, ta cần thiết kế lại trục giữa và mặt bích làm kín phía sau vỏ Turbo.
49
Hình 3. 3: Mặt trước và sau của đế chụp Turbo
Đế chụp vỏ Turbo được thiết kế dựa vào thông số đo đạc của vỏ Turbo và được phác thảo bằng phần mền Catia V3 P5R21. Sẽ được gia công bằng công nghệ CNC, vật liệu được chọn là hợp kim nhôm.
50
51 3.2.2 Lựa chọn motor dẫn động Hình 3. 5: Motor DC 775 Motor DC 775 tốc độ 12000 vòng/ phút Thông số kỹ thuật: Bảng 3. 2: Thông số motor 775. STT Thông số Đơn vị 1 Điện áp sử dụng 12- 24V 2 Tốc độ 12000 vòng/phút (12V). 3 Trục Đường kính 5mm. 4 Đường kính động cơ 42mm.
5 Chiều dài động cơ 77mm.
6 Chiều dài trục động cơ 100mm.
Motor 775 là một động cơ điện mạnh mẽ, độ bền cao và công suất lớn, có thể dùng để quạt, băng tải, máy khoan, máy bơm nước, máy mài.
52
Cấu tạo motor 775 bao gồm:
- Phần ứng hay rotor.
- Cổ góp.
- Chổi than.
- Trục motor.
- Miếng nam châm tạo từ trường.
- Bộ phận cung cấp dòng điện một chiểu.
Nguyên lí hoạt động của Motor 775:
Phần chính của Motor 775 bao gồm phần đứng yên Stator và phần chuyển động Rotor, chúng được quấn nhiều vòng dây dẫn hay nam châm vĩnh cửu. Khi những vòng dây trên Stator và Rotor được nối với nguồn điện, xung quanh nó sẽ xuất hiện từ trường. Sự tương tác giữa từ trường của Rotor và Stator sẽ tạo ra chuyển động quay của Rotor quanh trục hay 1 momen.
Hình 3. 6: Trục đầu ra của Motor 775.
Ở 2 đầu trục của Motor 775 đều có bạc đạn chịu lực và chịu được số vòng quay lớn nên động cơ có thể hoạt động ở mức công suất cao cũng như số vòng quay cao. Đặc biệt
53 động cơ được trang bị cánh quạt tản nhiệt bên trong giúp động cơ hoạt động thông thoáng tránh tình trạng quá nhiệt gây hại cho động cơ.
Hình 3. 7: Cánh quạt tản nhiệt của Motor 775. 3.2.3 Thiết kế bộ dẫn động (hộp số tăng tốc)
54 Chú thích sơ đồ: M: Motor. T: Cánh Tuabin. Z1: Bánh răng số 1 (55 răng, 0.8M). Z2: Bánh răng số 2 (15 răng, 0.8M). Z2’: Bánh răng số 2’ (59 răng, 0.6M). Z3: Bánh răng số 3 (12 răng, 0.6M). D1, D2, D3: Trục thứ 1, 2, 3.
Tỉ số truyền của hộp số 2 cấp bánh răng thẳng:
Z1 Z2 = N2 N1<=>55 15 = N2 12000=> N2 = 55 x 12000 15 = 44000 v/p Z2′ Z3 = N3 N2<=>59 12 = N3 44000=> N3 = 59 x 44000 12 = 216.333 v/p N3 N1 = 216333.33 12000 = 18.03 : 1
Suy ra, tỉ số truyền của hộp số tăng tốc 2 cấp là 18.03
55
3.2.3.1 Thiết kế vỏ hộp số
Vật liệu: Hợp kim nhôm
Phương pháp gia công: CNC
Vỏ hộp số tăng tốc được thiết kế và mô phỏng bằng phần mền Catia P3 V5R21. Sau khi đo đạc và tính toán chính xác kích thước phù hợp các bánh răng ăn khớp và vòng bi, ổ đỡ đề phác thảo và hoàn thành bản vẽ một cách chính xác nhất.
56
57 Bản vẽ kỹ thuật của vỏ hộp số:
58
59
3.2.3.2 Thiết kế bánh răng, ổ đỡ
Kiểu răng: bánh răng trụ , răng thẳng
Vật liệu: Hỗn hợp gang
Bộ dẫn động gồm 3 bánh răng trụ, răng thẳng ăn khớp với nhau.
Bánh răng số 1: Bánh răng được nối với Motor điện thông qua trục 8mm, có 55 răng 0.8M.
Hình 3. 14: Bánh răng số 1.
Bánh răng số 2: Bánh răng số 2 ăn khớp với bánh răng số 1, có 15 răng 0.8M và bánh răng số 2’ có 59 răng 0.6M trục 4mm.
60
Hình 3. 15: Bánh răng số 2 và 2’.
Bánh răng số 3: Bánh răng số 3 ăn khớp với bánh răng số 2’, có 12 răng 0.6M, trục 3mm và được vào trục 8mm của cánh tuabin.
Hình 3. 16: Bánh răng số 3.
Ổ đỡ: bạc đạn NSK
Bên trong hộp số tăng tốc gồm có 3 trục, mỗi trục được thiết kế 2 ổ đỡ ở 2 đầu trục bằng bạc NSK chịu mài mòn và tốc độ cao.
Các vòng bị, ổ đỡ, bạc đạn có kích thước như sau:
61
Hình 3. 17: Vòng bi lỗ trục 3mm.
Vòng bi, ổ bi, bạc đạn NSK 684ZZ 4x9x4mm lỗ trục 4mm, chịu mài mòn, tốc độ cao.
Hình 3. 18: Vòng bi lỗ trục 4mm.
Vòng bi, ổ bi, bạc đạn NSK 685ZZ 5x11x5mm lỗ trục 5mm, chịu mài mòn, tốc độ cao.
Hình 3. 19: Vòng bi lỗ trục 5mm.
Vòng bi, ổ bi, bạc đạn NSK 688ZZ 8x16x5mm lỗ trục 8mm, chịu mài mòn, tốc độ cao.
62
Hình 3. 20: Vòng bi lỗ trục 8mm.
Đặc biệt về bôi trơn và tản nhiệt cho hộp số. Vì hộp số hoạt động ở vận tốc cao, số vòng quay có thể lên đến 100.000 vòng/phút nên cần được bôi trơn và tản nhiệt. Bên trong hộp số được thiết kế kín được sẽ sử dụng nhớt để bôi trơn cho các bánh răng kiểu vung tóe, đồng thời nhớt sẽ làm giảm ma sát, giảm nhiệt độ ổ đỡ, vòng bi, bạc đạn khi hoạt động.
3.3 Phương án điều khiển
Ý tưởng để điều khiển motor DC sẽ dựa vào tín hiệu vị trí bướm ga (TPS) sẽ gửi tín hiệu ADC đến bo mạch Arduino R3 và Arduino xử lý xuất đến mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 43A (PWM). Từ mạch PWM sẽ khuếch đại và xuất cho Motor DC dưới xung vuông (xung PWM) để điều khiển tốc độ động cơ DC.
63
Hình 3. 21: Sơ đồ điều khiển động cơ tăng áp. Bộ chuyển đổi ADC là gì
ADC là từ viết tắt của Analog to Digital Converter hay bộ chuyển đổi analog sang kỹ thuật số là một mạch chuyển đổi giá trị điện áp liên tục (analog) sang giá trị nhị phân (kỹ thuật số) mà thiết bị kỹ thuật số có thể hiểu được sau đó có thể được sử dụng để tính toán kỹ thuật số. Mạch ADC này có thể là vi mạch ADC hoặc được nhúng vào một bộ vi điều khiển.
ADC hoạt động như thế nào
Một cách rất hay để xem xét hoạt động của ADC là tưởng tượng nó như một bộ chia tỷ lệ toán học. Tỷ lệ về cơ bản là ánh xạ các giá trị từ dải này sang dải khác, vì vậy ADC ánh xạ một giá trị điện áp sang một số nhị phân.
Những gì chúng ta cần là một thứ có thể chuyển đổi điện áp thành một loạt các mức logic, ví dụ như trong một thanh ghi. Tất nhiên, các thanh ghi chỉ có thể chấp nhận các mức logic làm đầu vào, vì vậy nếu bạn kết nối tín hiệu trực tiếp với đầu vào logic, kết quả sẽ không tốt. Vì vậy cần có một giao diện ở giữa logic và điện áp đầu vào analog.
64
Hình 3. 22: Biểu đồ Analog và Digital. Phương pháp điều xung PWM là gì?
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.
65 Xung là các trạng thái cao / thấp (HIGH/LOW) về mức điện áp được lặp đi lặp lại. Đại lượng đặc trưng cho 1 xung PWM (Pulse Width Modulation) bao gồm tần số (frequency) và chu kì xung (duty cycle).
Tần số là gì?
Tần số là số lần lặp lại trong 1 đơn vị thời gian. Đơn vị tần số là Hz, tức là số lần lặp lại dao động trong 1 giây.
Lấy ví dụ, 1Hz = 1 dao động trong 1 giây. 2Hz = 2 dao động trong 1 giây. 16MHz = 16 triệu dao động trong 1 giây.
Như vậy theo quy tắc tam suất: 16 triệu dao động - 1 giây --> 1 dao động tốn 1/16.000.000 (giây) = 0,0625 (micro giây)
Cách xác định 1 dao động như thế nào?
Đa phần các bạn mới nghiên cứu điện tử thường mắc sai lầm ở việc xác định 1 dao động. Dao động được xác định từ trạng thái bắt đầu và kết thúc ngay trước khi trạng thái bắt đầu được lặp lại.
Hình 3. 24: Cách xác định 1 dao động.
Như vậy thông thường, 1 dao động sẽ bao gồm 2 trạng thái điện: mức cao (x giây) và mức thấp (y giây). Tỉ lệ phần trăm thời gian giữa 2 trạng thái điện này chính là chu kì xung. Với x/y = 0% ta có xung chứa toàn bộ điện áp thấp (khái niệm xung nên hiểu mở rộng) Với x/y = 50% thì 50% thời gian đầu, xung có điện áp cao, 50% sau xung có điện áp thấp. Với x/y=100% ta có xung chứa toàn bộ điện áp cao.
Tóm lại, với 1 xung ta có 2 phần:
Tần số: để tính toán ra được thời gian của 1 xung
Chu kì xung: bao nhiêu thời gian xung có mức áp cao, bao nhiêu thời gian xung có
66
3.3.1 Lựa chọn linh kiện điều khiển 3.3.1.1 Mạch cầu H (PWM) 3.3.1.1 Mạch cầu H (PWM)
Hình 3. 25: Mạch Điều Khiển Động Cơ DC BTS7960 43A (1 Động Cơ). Thông số kỹ thuật
Điện áp đầu vào: 6~27V
Dòng điện tải mạch: 43A
Tín hiệu logic điều khiển: 3.3 ~ 5V.
Tần số điều khiển tối đa: 25KHz.
Tự động shutdown khi điện áp thấp: Để tránh điều khiển động cơ ở mức điện áp thấp
thiết bị sẽ tự shutdown. Nếu điện áp < 5.5V, mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 sẽ tự ngắt điện và sẽ mở lại sau khi điện áp > 5.5V.
Bảo vệ quá nhiệt: BTS7960 bảo vệ chống quá nhiệt bằng cảm biến nhiệt tích hợp bên
trong. Đầu ra sẽ bị ngắt khi có hiện tượng quá nhiệt.
67
Sơ đồ chân:
VCC: Nguồn tạo mức logic điều khiển (5V – 3V3)
GND: Chân đất.
R_EN = 0 Disable nửa cầu H phải. R_EN = 1 : Enable nửa cầu H phải.
L_EN = 0 Disable nửa cầu H trái. L_EN = 1 : Enable nửa cầu H trái.
RPWM và LPWM: Chân điều khiển đảo chiều và tốc độ động cơ.
RPWM = 1 và LPWM = 0 : Mô tơ quay thuận.
RPWM = 0 và LPWM = 1 : Mô tơ quay nghịch
RPWM = 1 và LPWM = 1 hoặc RPWM = 0 và LPWM = 0 : Dừng.
R_IS và L_IS: Kết hợp với điện trở để giới hạn dòng qua cầu H
Với ứng dụng bình thường RPWM, LPWM nối với GPIO (VD: Chân digital 2,3) để điều khiển chiều quay của động cơ.
Chân R_EN, L_EN nối chung lại rồi nối với PWM (VD chân digital 5) để điều khiển tốc độ động cơ.
68
Sơ Đồ Kết Nối Mạch Điều Khiển Động Cơ DC BTS7960 43A
69
3.3.1.2 Bo mạch Arduino
Hình 3. 27: Bo mạch Arduino Uno R3.
Arduino Uno là một bảng mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điều khiển Microchip ATmega328 được phát triển bởi Arduino.cc. Bảng mạch được trang bị các bộ chân đầu vào/ đầu ra Digital và Analog có thể giao tiếp với các bảng mạch mở rộng khác nhau. Mạch Arduino Uno thích hợp cho những bạn mới tiếp cận và đam mê về điện tử, lập trình…Dựa trên nền tảng mở do Arduino.cc cung cấp các bạn dễ dàng xây dựng cho mình một dự án nhanh nhất (lập trình Robot, xe tự hành, điều khiển bật tắt led…).
Thông số kỹ thuật
Bảng 3. 3: Thông số kỹ thuật bo mạch Arduino Uno R3.
Chip điều khiển ATmega328P
70 Điện áp đầu vào(khuyên
dùng) 7-12V
Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V
Số chân Digital 14 (of which 6 provide PWM output)
Số chân PWM Digital 6
Số chân Analog 6
Dòng điện DC trên mỗi chân
I/O 20 mA
Dòng điện DC trên chân 3.3V 50 mA
Flash Memory 32 KB (ATmega328P) of which 0.5 KB used by
bootloader SRAM 2 KB (ATmega328P) EEPROM 1 KB (ATmega328P) Tốc độ thạch anh 16 MHz LED_BUILTIN 13 Chiều dài 68.6 mm Chiều rộng 53.4 mm Cân nặng 25 g
71
Power
LED: Có 1 LED được tích hợp trên bảng mạch và được nối vào chân D13. Khi chân có giá trị mức cao (HIGH) thì LED sẽ sáng và LED tắt khi ở mức thấp (LOW).
VIN: Chân này dùng để cấp nguồn ngoài (điện áp cấp từ 7-12VDC).
5V: Điện áp ra 5V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 500mA).
3V3: Điện áp ra 3.3V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 50mA).
GND: Là chân mang điện cực âm trên board.
IOREF: Điệp áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO và có thể đọc điện áp trên chân IOREF. Chân IOREF không dùng để làm chân cấp nguồn.
Hình 3. 28: Các cổng kết nối và đèn báo tín hiệu. Bộ nhớ
Vi điều khiển ATmega328:
32 KB bộ nhớ Plash: trong đó bootloader chiếm 0.5KB.
KB cho SRAM: (Static Random Access Menory): giá trị các biến khai báo
sẽ được lưu ở đây. Khai báo càng nhiều biến thì càng tốn nhiều bộ nhớ RAM. Khi mất nguồn dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.
72
KB cho EEPROM: (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): Là
nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào đây và không bị mất dữ liệu khi mất nguồn.
Các chân đầu vào và đầu ra
Trên Board Arduino Uno có 14 chân Digital được sử dụng để làm chân đầu vào và đầu ra và chúng sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite(), digitalRead(). Giá trị điện áp trên mỗi chân là 5V, dòng trên mỗi chân là 20mA và bên trong có điện trở kéo lên là 20-50 ohm. Dòng tối đa trên mỗi chân I/O không vượt quá 40mA để tránh trường hợp gây hỏng board mạch.
73 Ngoài ra, một số chân Digital có chức năng đặt biệt:
Serial: 0 (RX) và 1 (TX): Được sử dụng để nhận dữ liệu (RX) và truyền dữ liệu
(TX) TTL.
Ngắt ngoài: Chân 2 và 3.
PWM: 3, 5, 6, 9 và 11 Cung cấp đầu ra xung PWM với độ phân giải 8 bit bằng hàm analogWrite ().
SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Các chân này hỗ trợ giao tiếp SPI bằng thư viện SPI.
LED: Có 1 LED được tích hợp trên bảng mạch và được nối vào chân D13. Khi chân có giá trị mức cao (HIGH) thì LED sẽ sáng và LED tắt khi ở mức thấp (LOW).
TWI/I2C: A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.
Arduino Uno R3 có 6 chân Analog từ A0 đến A5, đầu vào cung cấp độ phân giải là 10 bit.
74
3.3.2 Phương thức điều khiển
75
Phần code Arduino điều khiển tín ADC – PWM:
#include <Wire.h> #include <LiquidCrystal_I2C.h> LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2); int RPWM_Output = 5; int LPWM_Output = 6; void setup() { lcd.init(); lcd.backlight(); lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("GOC MO BUOM GA: "); Serial.begin(9600);
pinMode(RPWM_Output, OUTPUT); pinMode(LPWM_Output, OUTPUT); }
void loop() {
int value = analogRead(A0); Serial.println(value); int voltage; int voltage1; voltage = map(value,0,1023,0,255); voltage1 = map(voltage,0,255,0,100); if(voltage1>=100) { lcd.setCursor(0,1); lcd.print(voltage1);
76 lcd.print("%");
}
else if(voltage1<100 && voltage1>=10) { lcd.setCursor(0,1); lcd.print(voltage1); lcd.print("%"); lcd.print(" "); } else if(voltage1<10) { lcd.setCursor(0,1); lcd.print(voltage1); lcd.print("%"); lcd.print(" "); } analogWrite(RPWM_Output,voltage); analogWrite (LPWM_Output,0); Serial.println(voltage); Serial.println(); delay(100); }
77
CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG TĂNG ÁP 4.1 Thử nghiệm điều khiển góc mở bướm ga
Vì tình hình đại dịch covid-19 diễn ra phức tạp, nghiêm trọng và thực hiện chỉ thị 16 của Thủ tướng Chính phủ nên ảnh hưởng đến việc thực nghiệm để có kết quả nghiệm thu một cách thực tế nhất. Nhóm sinh viên đã giả lập trạng thái vặn ga để thay đổi vị trí bướm