3.2.1. Thi công tổng quan
Sau khi hoàn thành bản vẽ, nhóm đã tiến hành chuẩn bị các vật liệu, linh kiện và trang thiết bị để phục vụ thi công. Trong quá trình đó nhóm đã gặp một số khó khăn:
Tìm, mua và vận chuyển vật liệu. Trang thiết bị thực hành còn hạn chế. Tay nghề của nhóm còn yếu.
Linh kiện điện tử dễ hư hỏng.
Nhưng nhóm cũng đã cố gắng hoàn thành chiếc xe điện giống như đã tính toán thiết kế, đáp ứng được các yêu cầu về phục vụ điều khiển, đảm bảo đúng tiến độ đã đề ra.
Hình 3. 6 Hình ảnh chiếc xe điện sau khi hoàn chỉnh
3.2.2. Gắp đỡ bánh xe cầu sau
Gắp đỡ bánh xe cầu sau phải đáp ứng độ vững chắc khi gá bánh xe vào và còn phải có cơ cấu để có thể gá được hệ thống phanh nên cần phải gia công tỉ mỉ. Do gắp đỡ bánh xe cầu sau của nhóm trước vẫn đáp ứng được thiết kế mới nên nhóm vẫn tái sử dụng cho chiếc xe điện.
Dưới đây là bản vẽ của cơ cấu gắp đỡ cầu sau:
3.2.3. Cơ cấu điều chỉnh gắp xe cầu trước
Như đã đề cập ở trên, góc đặt bánh xe cầu trước (bánh dẫn hướng) là vô cùng quan trọng. Do đó đòi hỏi yêu cầu rất lớn cho khâu thiết kế, phải sử dụng các cơ cấu cơ khí sao cho chi tiết vừa đạt độ cứng vững, vừa đảm báo tính linh hoạt và dễ dàng khi canh chỉnh các góc lái trong suốt quá trình thử nghiệm.
Trên mỗi thanh giá đỡ bánh xe cầu trước được thiết kế lắp thêm trục vít ecu để có thể điều chỉnh các góc đặt bánh xe. Trong phần này nhóm xe trước đã thiết kế gần như hoàn thiện nên nhóm chỉ thay đổi một số chi tiết nhỏ để phù hợp với mục đích đề ra.
3.2.4. Thi công hệ thống lái
Cơ cấu lái được sử dụng trên xe là cơ cấu do nhóm thiết kế với hệ thống lái có sử dụng trợ lục điện nhằm đảm bảo cho quá trình lái dễ dàng, thoải mái cũng như việc lắp đặt các chi tiết cảm biến được thuận tiện.
Sau quá trình tìm hiểu về các cơ cấu lại trên các mẫu ô tô, với một trục lái sử dụng motor trợ lực có sẵn nhóm đã thiết kế sao cho phù hợp với xe. Do trục còn ngắn so với kết cấu nên nhóm đã tiến hành nối trục cho cơ cấu và thay đổi vô lăng để xe tạo cảm giác thoải mái khi sử dụng, vẫn đảm bảo trong quá trình dẩn hướng cho xe trong quá trình hoạt động.
3.2.5. Thi công sàn xe
Đề giảm khối lượng mà vẩn đảm bảo độ cứng cáp cho xe nên nhóm quyết đính sự dụng composite để thi công sàn.
Hình 3. 10 Sàn xe được đổ bằng sợi composite Hình 3. 9 Cơ cấu lái sau khi hoàn thành
3.2.6. Thi công hệ thống treo
Hệ thống treo trên xe được thi công phải giống như bản thiết kế ban đầu đảm bảo vừa có thể chịu được trong lượng của toàn bộ xe vừa đảm bảo độ êm dịu cần thiết khi di chuyển, không ảnh hưởng quá lớn đến hệ thống lái.
Hình 3. 11 Hệ thống treo cầu trước
3.2.7. Thi công phanh
Hình 3. 13 Tang trống ban đầu
Hệ thống phanh đã được nhóm trước thiết kế và sử dụng trên xe: Tiện bỏ phần tang trống bánh sau (gang).
Trang bị phanh xe thủy lực, với đĩa phanh dày 4 mm.
Chọn đĩa phanh có mặt bích vừa với đường kính mặt bích trên moayo HUB BLDC, cụ thể là đĩa phanh 4mm của Future 125.
Chọn 04 heo dầu xe máy, cụ thể là Honda Wave Alpha, và nghiên cứu lắp đặt giá đỡ vào khung xe.
Chọn ống thủy lực ô tô loại ¼ inch và tính toán lắp đặt vào xe cùng với các ống chia, ống nối, kết hợp với xilanh chính.
Xi lanh chính sử dụng loại xe du lịch cỡ nhỏ 4 chỗ.
Nhóm chỉ thay đổi một số chi tiết để phù hợp với thiết kế mới mà vẩn đảm bảo vững chắc, hiệu quả phanh tốt trong mọi trường hợp, giúp an toàn khi lái xe. Trong quá trình sử dụng do có va đạp nên bề mặt tang trống với đĩa đã bị cong vênh nên nhóm đã tiến hành tiện và gia công lại. Cân chỉnh cân bằng động, xả gió và nghiệm thu.
Hình 3. 15 Cơ cấu phanh hoàn chỉnh
Ngoài ra để thuận tiện cho việc đỗ xe và sát với chiếc xe thực tế hơn nên nhóm đã trang bị cho chiếc xe điện hệ thống phanh tay.
3.2.8. Thiết kế bàn đạp ga
Để tăng tính thẩm mĩ và thuận tiện cho việc điều khiển chuyển động nên nhóm đã quyết định sử dụng mẫu bàn đạp ga dành cho xe điện có sẵn trên thị trường. Với giắc cắm có 3 chân:
Chân màu vàng là chân nối âm. Chân màu đỏ là chân cấp dương 5V. Chân màu xanh dương là chân tín hiệu.
3.2.9. Thiết kế cần số lùi
Đối với xe ô tô 4 bánh, số lùi là số không thể thiếu trong quá trình thiết kế chuyển động, giúp xe có thể di chuyển theo hướng lùi phục vụ đỗ, đậu xe hay di chuyển trên đường, đảm bảo xe chuyển động được thuận tiện.
Nắm bắt được sự cần thiết trên nhóm đã thiết kế bộ điều chỉnh số lùi từ cần số dành cho xe điện có sẵn trên thị trường, nhằm đảm bảo được chức năng lùi vừa tăng tính thẩm mĩ cho chiếc xe.
Cần số được thiết kế với 3 tay số tương ứng với 3 vị trí: Tay số tiến.
Tay số trung gian. Tay số lùi.
Hình 3. 18 Cần số lùi được lắp trên xe
3.2.10. Thiết kế cảm biến góc lái
Trong phần xây dựng thuật toán điều khiển ở trên thì tín hiệu cảm biến góc lái là một trong những tín hiệu quan trọng bởi nó liên quan liên quan trực tiếp đến thành công hay thất bại của bộ điều khiển.
Cũng chính vì sự quan trọng này mà nhóm đã suy nghĩ cân nhắc sao cho cảm biến có thể đo được tín hiệu chính xác nhất. Đầu tiên là khâu chọn cảm biến, có rất nhiều cảm biến được đưa ra như hall, encoder, biến trở… Nhưng cuối cùng nhóm đã chọn biến trở công nghiệp vì những ưu điểm mà nó mang lại như:
Giá thành rẻ. Dễ lắp đặt.
Thiết bị dễ kiếm, và thay thế sau này. Cảm biến đạt độ chính xác cao.
Tiếp theo là thiết kế giá đỡ cảm biến sao cho phù hợp và phải đáp ứng ổn định khi xe chạy trên các địa hình khác nhau, với yêu cầu chắc chắn.
Hình 3. 19 Biến trở công nghiệp
Biến trở được gá trên trục lái chính để xác định chính xác giá trị góc lái.
3.2.11. Thi công điện thân xe
Hệ thống điện trên xe được thiết kế một cách nhỏ gọn mà vẫn đầy đủ các thiết bị, dây dẫn đảm bảo hệ thống hoạt động ồn định.
Hình 3. 21 Sơ đồ mạch điện nối dây các thiết bị
Ngoài việc lắp các đường dây điện đúng theo các sơ đồ mạch điện, còn cần lưu ý về việc đánh dấu cũng như gộp các dây có liên quan nhằm thuận tiện cho quá trình kiểm tra đánh giá của quá trình sửa chữa, bảo trì, thay thế của nhóm sau này.
Ngoài ra còn có hệ thống các công tắc, bao gồm:
Công tắc công suất : Là một công tắc tự ngắt, dòng tối đa có thể đi qua là 80A, là công tắc cấp nguồn trực tiếp cho mạch công suất.
Công tắc nguồn điều khiển: Là công tắc cấp nguồn cho board điều khiển cũng như bộ DC – to DC.
Công tắc khẩn cấp được gắn ở cánh cửa tụ điện, mục đích là can thiệp nhanh chóng nếu có vần đề sự cố xảy ra.
Các công tắc phải được thiết kế sao cho luôn dễ thấy và dễ bấm trong mọi trường hợp, riêng công tắc chính bên ngoài xe phải chống nước và có thiết kế “ấn – xoay” tương tự các công tắc công nghiệp.
Hình 3. 23 Công tắc xoay ấn công nghiệp
Chương 4. TÍNH TOÁN, LẬP TRÌNH VÀ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE ĐIỆN TRÊN
MATLAB/SIMULINK VÀ CARSIM
4.1. TÍNH TOÁN VÀ LẬP TRÌNH VI SAI ĐIỆN TỬ TRÊN SIMULINK 4.1.1. Sơ đồ thuật toán 4.1.1. Sơ đồ thuật toán
Sau khi tìm hiểu tài liệu và tham khảo ý kiến của giáo viên hướng dẫn, nhóm đã quyết định sử dụng “vòng lặp kín” để sử dụng trong bộ điều khiển. Với việc sử dụng vòng lặp kín giúp cho việc điều khiển được chính xác hơn.
Bộ tín hiệu đầu vào cung cấp tín hiệu động cơ yêu cầu. Dựa trên tín hiệu đầu vào và tín hiệu được hồi đáp lại từ cảm biến, quá trình điều khiển “vòng lặp kín” sẽ xử lý tín hiệu tăng hay giảm giá trị điện áp cấp cho bộ chấp hành giúp cho động cơ hoạt động theo mong muốn.
Hình 4. 1 Sơ đồ thuật toán điều khiển trên mỗi bánh xe
Giải thích sơ đồ thuật toán điều khiển (Hình 4.1): 𝛿 : Góc lái (rad).
𝜔𝑣: Tốc độ góc tính từ bàn đạp ga (rad/s). 𝜔: Tốc độ góc được tính toán qua bộ EDS. 𝜔𝑚: Tốc độ góc thực tế trên mỗi bánh xe.
DIVER + BLDC MOTOR: là bộ chấp hành cung cấp điện áp cho 2 bánh xe. SENSOR: Là cảm biến hall.
Hình 4. 2 Sơ đồ khối điều khiển 2 bánh
4.1.2. Khối tính toán tốc độ góc EDS
Với tín hiệu đầu vào là giá trị vận tốc góc mong muốn xe đạt được và giá trị góc lái, bộ điều khiển EDS tính toán ra các giá trị tốc độ góc khác nhau ứng với mỗi trường hợp góc lái khác nhau.
EDS thu thập tín hiệu của tốc độ góc bánh xe từ bàn đạp ga [rad/s] (giá trị đặt) và tín hiệu góc lái [độ] từ biến trở để tính toán.
Hình 4. 5 Chương trình tính toán EDS bên bánh trái
Từ giá trị thu thập từ cảm biến bàn đạp ga và tín hiếu góc lái thông qua thuật toán ta tính toán để biết biết khi nào quay vòng phải (giá tri ̣ dương) thì chương trình sẽ tính toán
là lấy 𝜔v cộng với ∆𝜔/2 để ra được tốc độ góc cho bánh xe trái. Ngược lại, nếu góc lái quay sang trái (giá trị âm) thì chương trình sẽ tính toán là lấy 𝜔v trừ cho ∆𝜔/2 để ra được tốc độ góc cho bánh xe trái.
Tương tự như trường hợp tính toán EDS bên bánh trái. Ta thu được giá trị ∆𝜔/2 như trên. Nếu góc lái quay sang phải (giá trị dương) thì chương trình sẽ tính toán là lấy 𝜔v trừ cho ∆𝜔/2 để ra được tốc độ góc cho bánh xe phải. Ngược lại, nếu góc lái quay sang trái (giá trị âm) thì chương trình sẽ tính toán là lấy 𝜔v cộng với ∆𝜔/2 để ra được tốc độ góc cho bánh xe phải.
Ở chương trình này ta lấy sai số (độ rơ của vô lăng và cảm biến) có giá trị góc từ -8o
đến 8o.
4.1.3. Bộ điều khiển PID
Với việc sử dụng vòng lặp kín, việc điều khiển thuật toán trở nên chính xác hơn. Tín hiệu tốc độ góc của 2 động cơ ở 2 bánh xe thu được hồi đáp về bộ điều khiển PID thông qua cảm biến Hall. Từ đó bộ điều khiển PID so sánh với giá trị mong muốn (giá trị đặt) biết được sai số để rồi điều khiển tín hiệu truyền xuống cho bộ chấp hành, sao cho giá trị hồi đáp về giống như giá trị mong muốn, giá trị sai số nhỏ.
Hình 4. 7 Bộ tính toán điều khiển bằng thuật toán PID
Thông qua quá trình thực nghiệm nhóm đã chọn ra được các giá trị Kp, Ki, Kd khác nhau cho mỗi bánh. Mỗi bánh xe đều có ảnh hưởng từ phần cơ khí cũng như phần điện nên việc điều khiển mỗi bánh cũng sẽ khác nhau.
Bảng 4. 1 Giá trị Kp, Ki, Kd cho mỗi bánh xe
Kp Ki Kd Bánh trái 0.52 0.008 8x10-5 Bánh phải 0.5 0.008 8x10-5 Bánh xe Bánh xe Giá trị
4.1.4. Khối đọc tín hiệu tốc độ góc bánh xe
Để đọc được tín hiệu tốc độ góc từ bánh xe thông qua tín hiệu của cảm biến Hall ta sử dụng khối Encoder Read trong thư viện Waijung Blockset. Để lấy được khối Encoder Read ta vào Simulink Library >> Waijung Blockset >> STM32F4 Target >> On Peripheral Chip >> TIM >> Encoder Read.
Hình 4. 8 Khối Encoder Read
Do đô ̣ng cơ BLDC có tích hợp cảm biến Hall, vì vâ ̣y thuâ ̣n tiê ̣n cho viê ̣c sử du ̣ng khối Encoder Read. Tín hiê ̣u từ cảm biến Hall gửi về là tín hiê ̣u xung vuông. Khối Encoder Read sẽ đo ̣c tín hiê ̣u gửi về nếu ta sử du ̣ng hai kênh A và kênh B thì số đếm tối đa sẽ bằng 4 nhân vớ i số xung mỗi lần quay. Nếu chỉ sử du ̣ng mô ̣t trong hai kênh A hoă ̣c kênh B thì số đếm sẽ bằng hai nhân với số xung mỗi lần quay.
Tín hiệu xuất ra từ khối Encoder Read có hai loại: tín hiệu nhận biết hướng quay Direction xuất ra giá trị là 0 (bánh xe đi tới) hoặc 1 (bánh xe đi lùi). Tín hiệu Position (count) xuất ra giá trị xung đếm được từ hai kênh A và kênh B.
Trong bộ điều khiển của nhóm, nhóm sử dụng cả hai kênh A và kênh B và sử dụng hai khối Encoder Read để thu thập dữ liệu tốc độ góc của hai bánh xe.
Hình 4. 9 Hai khối đo tốc độ bánh xe
Thuật toán tính tốc độ góc trên mỗi bánh xe:
Hình 4. 10 Khối tính tốc độ góc
Từ số xung đếm được từ khối Encoder Read, sử dụng thuật toán tính vận tốc tức thời để tính được vận tốc của mỗi bánh xe. Số xung đếm được trong thời gian lấy mẫu chia cho thời gian lấy mẫu được kết quả là xung/s. Rồi lấy kết quả trên ta chia cho số xung trong
một vòng (số xung trong một vòng đếm được của bánh xe BLDC là 92 xung/vòng) ra được vận tốc tức thời (vòng/s), tiếp tục lấy kết quả nhân cho 2𝜋 thì ra được vận tốc góc (rad/s).
Vì việc thu thập tín hiệu của hệ thống nên tín hiệu nhận được sẽ bị nhiễu, mất ổn định khó sử dụng trong việc điều khiển. Để xử lý tín hiệu bị nhiễu ta cần sử dụng thêm hàm lọc nhiễu RC được gọi là mạch lọc tần số thấp.
4.1.5. Khối đọc tín hiệu bàn đạp ga, góc lái và đo dòng điện 2 bánh xe.
Để đọc được tín hiệu bàn đạp ga, góc lái và đo dòng điện từ cảm biến ta sử dụng khối Regular ADC trong thư viện Waijung Blockset. Để lấy được khối Regular ADC ta vào Simulink Library >> Waijung Blockset >> STM32F4 Target >> On Peripheral Chip >> ADC >> Regular ADC.
Hình 4. 11 Khối lọc nhiễu
Khi đọc giá trị từ cảm biến góc lái gửi về. Giá trị đọc về khi vô lăng ở giữa ta thu được giá trị là 1040 và tính toán như trên ta được góc quay vòng bánh xe tối đa trong khoảng được 50o đến 55o (dựa trên góc quay vô lăng thực tế để tính toán góc quay vòng bánh xe).
Khi đọc giá trị từ cảm biến chân ga gửi về. Giá tri ̣ đo ̣c về khi chưa tác đô ̣ng vào chân ga là khoảng 1230 và giá trị khi đa ̣p hết chân ga là khoảng 3210. Ta tính toán như khối ở trên được vâ ̣n tốc tối đa mong muốn khi đô ̣ng cơ quay không tải là khoảng 391 vòng/phút.
Hình 4. 13 Khối tính toán góc lái
Hình 4. 15 Khối tính toán dòng điện ra 2 động cơ
4.1.6. Khối điều khiển tốc độ bánh xe
Để điều khiển được tốc độ bánh xe từ chương trình ta sử dụng khối Regular DAC trong thư viện Waijung Blockset. Để lấy được khối Regular DAC ta vào Simulink Library >> Waijung Blockset >> STM32F4 Target >> On Peripheral Chip >> DAC >>