Chương 3 : PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
3.3 Phạm vi và giới hạn của nghiên cứu
Một chiếc xe lăn điện có rất nhiều tính năng. Tuy nhiên trong phạm vi một đề tài đồ án môn, với những giới hạn về thời gian, tài chính và tầm hiểu biết, nhóm chỉ chế tạo một mơ hình xe lăn điện với những tính năng sau:
- Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ của xe lăn điện. - Phương pháp điều khiển tốc độ của xe lăn điện. - Chế độ hoạt động của xe lăn điện.
- Lỗi cảnh báo trong quá trình hoạt động của xe lăn điện. - Quy trình điều khiển xe lăn điện.
3.4 Vai trị và công dụng của xe lăn điện hiện nay.
Hiện nay xe điện phát triển khá mạnh trên cơ sở đó việc nghiên cứu và cho ra đời chiếc xe lăn điện làm phương tiện đi lại phục vụ cho người khuyết tật là một yêu cầu phù hợp và khả thi trong việc mở rộng và phát triển hệ thống xe lăn trên thế giới cũng như tại Việt Nam.
Nhìn chung hệ thống xe lăn điện hiện nay tuy chưa thực sự phát triển mạnh vì nhu cầu sử dụng của người tiêu dùng nhưng trong tương lai đây là một trong những ngành khá phát triển. Yếu tố hạn chế của xe điện là bộ nguồn cung cấp cho xe không đủ lâu để đáp ứng nhu cầu khi di chuyển xa, thế nhưng nếu chúng ta nghiên cứu và vận dụng nguồn năng lượng mặt trời cung cấp cho xe thì đây lại là yếu tố thúc đẩy ngành sản xuất này phát triển mạnh mẽ.
25
Chương 4
QUY TRÌNH THIẾT KẾ XE LĂN ĐIỀU KHIỂN ĐA HƯỚNG TRÊN MỌI ĐỊA HÌNH
4.1 Yêu cầu thiết kế.
- Chế tạo xe lăn điều khiển đa hướng trên mọi địa hình, để người sử dụng thoải mái nhất, tiện dụng nhất, và đảm nhận nhiều vai trò cùng một lúc so với những mẫu xe khác trên thị trường.
- Khung xe thiết kế lại khác hơn so với thị trường: Cứng hơn, tốt hơn, tối ưu về độ cứng, độ bền hơn so với những xe khác trên thị trường.
- Quãng đường xe đạt được phải lớn hơn gấp 2 lần so với thị trường.
- Phụ tùng xe, được thiết kế trên những chi tiết có thể dễ dàng bảo dưỡng, thay thế khi xe lăn phát sinh ra sự cố hỏng hóc.
- Xe lăn dễ điều khiển, dễ sử dụng, khơng cầu kì, phức tạp.
- Thời gian sạc của bình nhanh.
- Giá bán xe lăn sau khi hoàn thành giảm hơn một nửa so với thị trường khi nhập khẩu xe lăn từ nước ngoài.
4.2 Xe lăn dẫn động cầu giữa ( Mid Wheel Drive – MDR ).
Trên thế giới có 3 loại dẫn động chính của xe lăn điều khiển [10]: • Dẫn động cầu sau ( Rear Wheel Drive – RWD ) [10]. • Dẫn động cầu trước ( Front Wheel Drive – FWD ) [10]. • Dẫn động cầu giữa ( Mid Wheel Drive – MWD ) [10].
26
4.2.1 Định nghĩa bánh dẫn động ( Driver wheel ).
Bánh dẫn động là bánh lớn trong xe lăn điện. Bánh xe được gắn với động cơ, và bánh xe có nhiệm vụ động lực cho xe lăn điều khiển [10].
Xe lăn điều khiển chuyển động xoay tại chỗ trên bánh chuyển động. Bánh dẫn động ảnh hưởng đến bán kính quay của xe và khả năng cơ động và sự linh hoạt của xe.
Sự khác nhau của xe lăn điện, nằm ở vị trí đặt bánh xe dẫn động.
4.2.2 Xe lăn dẫn động cầu sau ( Rear wheel drive).
Xe lăn dẫn động cầu sau có 4 bánh giúp xe bám đường khi điều khiển:
• 2 bánh lớn dẫn động.
• 2 bánh nhỏ đặt phía trước xe để hỗ trở cân bằng cho xe.
Hình 4.1: Vị trí lắp đặt bánh ở hệ dẫn động cầu sau [10].
Bánh dẫn động của xe lăn điều khiển được đặt ở vị trí phía sau khung ghế
Khi xe lăn điều khiển di chuyển, tất cả các lực chuyển động đến từ phía sau xe lăn.
Điều này giúp người dùng có thể vượt qua các địa hình gồ ghề hoặc mềm hơn như sỏi hoặc bùn vì nó truyền lực tốt hơn từ động cơ.
27
Đa số những người sử dụng xe lăn điều khiển thường thấy xe hệ dẫn động cầu sau này. Vì nó mang lại cảm giác thoải mái, êm ái khi hoạt động. Dẫn động cầu sau cung cấp khả năng hấp thụ va chạm và hấp thụ xung động nhỏ rất tốt, mang lại cảm giác cho người lái xe một cách mượt mà.
Xe có 3 nhược điểm:
1. Bán kính vịng quay của xe dẫn động cầu sau lớn hơn của hệ dẫn động đầu cầu
trước và hệ dẫn động cầu giữa. Không tốt cho môi trường ở không gian nhỏ.
2. Hai bánh nhỏ đặt phía trước xe, ln là điểm tiếp xúc đầu tiên khi lên vật cản.
Nên xe có hệ dẫn động cầu trước khơng có khả năng vượt chướng ngại vật tốt.
3. Nếu bạn lái xe khơng đủ qn tính, để vượt chướng ngại vật, xe sẽ bị kẹt. Làm
cho xe lăn bị xốy bánh trên khơng, mất ma sát giữa bánh với mặt đường, và khơng cịn khả năng vượt chướng ngại vật nữa.
4.2.3 Xe lăn dẫn động cầu trước ( Front wheel drive ).
Xe lăn dẫn động cầu trước có 4 bánh giúp xe bám đường khi điều khiển:
• 2 bánh lớn dẫn động.
• 2 bánh nhỏ đặt phía trước xe để hỗ trở cân bằng cho xe.
Bánh dẫn động của xe lăn điều khiển được đặt ở vị trí gần mặt trước của khung ghế.
Cũng giống như xe lăn điều khiển dẫn động cầu sau, xe lăn dẫn động cầu trước cũng mang lại cảm giác lái xe mượt và êm ái.
Trái với xe lăn dẫn động cầu sau, xe lăn dẫn động cầu trước có khả năng leo vượt các chướng ngại vật rất tốt. Bánh dẫn động đặt ở phía trước. Điều này làm tăng khoảng sáng gầm xe để giúp xe vược các chướng ngại vật tốt hơn.
Tuy nhiên xe lăn điều khiển không vượt qua các chướng ngại vật cao hơn trục của bánh xe dẫn động. Trục của bánh xe dẫn động nằm ở tâm của bánh xe. Vì vậy nó tạo ra sự khác biệt rất lớn khi đặt bánh dẫn động ở phía trước xe.
28
Hình 4.2: Minh họa sự khác biệt chiều cao hai trục trên 2 chiếc xe [10].
Đa số người dùng sẽ cảm giác khó điều khiển khi mới bắt đầu sử dụng xe lăn dẫn động cầu trước. Vì cảm giác trực lái ( thị giác ) khơng an tồn khi mới bắt đầu sử dụng xe.
Tuy nhiên, vì xe lăn mang lại cảm giác mượt và êm ái, nên loại xe dẫn động cầu trước này thường dễ dàng hơn khi gắn cần điều khiển thay thế như điểu khiển bằng các ngon tay hoặc điều khiển bằng cằm.
Xe dẫn động cầu trước có khả năng quay tại chỗ 360 độ, nhưng bán kính quay tại chỗ vẫn lớn hơn so với xe dẫn động cầu giữa. Xe lăn này phù hợp cho những người thường xuyên ở nhà, vì khả năng tiện dụng của xe mang lại.
4.2.4 Xe lăn dẫn động cầu giữa ( Mid wheel drive ).
Xe lăn dẫn động cầu giữa có 6 bánh giúp xe bám đường khi điều khiển:
• 2 bánh lớn dẫn động.
29
Hình 4.3: Kiểu đặt bánh xe của hệ dẫn động cầu giữa [10].
Bánh dẫn động của xe lăn điều khiển được đặt ở vị trí giữa của khung ghế.
Điều này giữ cho trọng tâm của người sử dụng trực tiếp trên các bánh xe truyền động, mang lại sự ổn định tuyệt vời.
Vị trí này dường như cũng giúp các mẫu xe bánh giữa dễ lái hơn. Những người sử dụng xe lăn thường nói rằng họ thấy chúng trực quan hơn. Dễ dàng hơn để làm quen với việc xoay người và di chuyển - đặc biệt là đối với những người lần đầu sử dụng xe lăn điều khiển.
Xe dẫn động cầu giữa có sáu bánh xe thay vì bốn bánh xe giúp tăng độ ổn định. Bánh xe phía trước và phía sau đảm bảo ghế khơng bị lật - ngay cả khi đi qua mặt đất không bằng phẳng hoặc các lề đường và dốc lớn hơn.
Đặc biệt xe lăn dẫn động cầu giữa có khả năng quay 360 độ tại chỗ. Điều này là điều không thể xảy ra đối với xe lăn dẫn động cầu trước và cầu sau.
Để có được sự ổn định tốt như vậy, cần phải đánh đổi một chút về sự thoải mái. Với sáu bánh xe, người dùng sẽ cảm thấy tác động của bất kỳ va chạm với chướng ngại vật nào. Hoàn toàn là bởi vì có nhiều bánh xe hơn đang vượt qua chướng ngại vật.
30
Bảng 4.1: Ưu điểm và nhược điểm của các loại dẫn động
Loại Ưu điểm Nhược điểm
Dẫn động cầu sau - Thoải mái.
- Hoạt động tốt trên đường thẳng không chướng ngại vật.
- Bán kính quay vịng lớn nhất.
- Khả năng vượt chướng ngại vật kém.
Dẫn động cầu trước - Thoải mái.
- Khả năng vượt chướng ngại vật tốt.
- Hoạt động tốt trên mọi địa hình.
- Tốt cho người lái với điều khiển thay thế.
- Bán kính quay tại chỗ lớn hơn 360 độ. - Khó sử dụng cho
người mới bắt đầu.
Dẫn động cầu giữa - Ổn định nhất.
- Xoay 360 độ tại chổ. - Dễ sử dụng nhất.
- Ngồi ít thoải mái hơn.
4.2.5 Kết luận.
Tham khảo nhiều ý kiến từ khách hàng. Đa số cho rằng xe lăn điểu khiển hệ dẫn động cầu giữa là lựa chọn tốt nhất so với 2 loại xe cịn lại. Vì đây là lựa chọn tốt nhất để nhóm chọn hệ dẫn động của xe lăn điều khiển đã hướng trên mọi địa hình. Chẳng hạn như:
- Sự ổn định trên đường trường. - Điều khiển đa hướng.
- Xoay 360 độ tại chỗ. - Khả năng linh hoạt.
- Khả năng vượt chướng ngại vật, và leo dốc tốt. - Dễ sử dụng nhất.
- Phù nhợp nhất cho đa số điều kiện sinh hoạt từ trong nhà và ngoài trời, đáp ứng hầu hết cho các nhu cầu sử dụng trong cuộc sống cho người dùng.
31
4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến xe lăn điện.
4.3.1 Sơ đồ khối nguyên lý hoạt dộng theo máy.
Hình 4.4: Sơ đồ khối hoạt động của xe lăn điều khiển.
Hình 4.4 cho thấy một sơ đồ khối tiêu chuẩn của một hệ thống truyền động điện
trong xe lăn điện. Pin cung cấp năng lượng điện cho xe lăn. Động cơ là để chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học để lái bánh xe chuyển động. Chức năng của bộ chuyển năng lượng là đảm bảo điện áp và dòng điện phù hợp cho hệ thống. Bộ điều khiển ra lệnh cho bộ chuyển đổi năng lượng sử dụng tín hiệu điều khiển và điều chỉnh hoạt động của động cơ để tạo ra tốc độ và mơ-men xoắn thích hợp.
32
4.3.2 Ảnh hưởng của điện áp đến với tốc độ của xe lăn điện.
Điện áp là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình điều khiển động cơ của xe lăn điện, giá trị điện áp ngõ ra điều khiển cao hay thấp quyết định tốc độ động cơ chậm hay nhanh. Vì vậy để điều khiển động cơ chạy ổn định, thì ta phải điều khiển điện áp ngõ ra một cách tuyến tính [4].
Hình 4.5: Đồ thị vận tốc thay đổi ứng với điện áp [4].
Ứng với một điện áp ngõ ra ta có thể quy định bằng một giá trị tốc độ nào đó của động cơ (Ví dụ: ứng với 1V điện áp ngõ ra động cơ đạt tốc độ là 5 vịng/phút), vì vậy muốn điều chỉnh được tốc độ động cơ ta cần điều chỉnh giá trị điện áp vào động cơ.
4.3.3 Ảnh hưởng của các điều kiện ngoại cảnh đến với tốc độ của xe lăn điện.
Các điều kiện ngoại cảnh là một trong những yếu tố làm thay đổi khá lớn tốc độ của xe lăn điện. Tùy thuộc vào điều kiện ngoại cảnh và địa hình khác nhau thì tốc độ xe sẽ khác nhau.
Trong điều kiện có sức cản lớn thì tốc độ động cơ sẽ bị chậm lại (ví dụ khi xe lên dốc), ngược lại tốc độ động cơ sẽ được tăng thêm tốc độ (ví dụ như xe khi xuống
33
dốc). Việc điều chỉnh tốc độ động cơ cũng tùy thuộc vào hoàn cảnh khi xe vận hành, ở những nơi cần chạy chậm thì ta phải điều chỉnh tốc độ động cơ ở giá trị phù hợp, ở địa hình khó khăn thì tốc độ động cơ sẽ được điều chỉnh tăng lên. Do vậy để ổn định động cơ đạt tốc độ theo ý muốn của người sử dụng địi hỏi có một bộ điều khiển phù hợp và ổn định [4].
4.4 Các phương pháp điều khiển tốc độ của xe lăn điện. 4.4.1 Khái niệm phương pháp điều khiển động cơ điện. 4.4.1 Khái niệm phương pháp điều khiển động cơ điện.
Điều khiển tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thơng. Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu. Có 2 phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ :
Phương pháp 1 : Biến đổi các thơng số đầu ra hay cịn gọi là thông số được điều chỉnh là moment (M) và tốc độ ( ώ ) của động cơ. Có nghĩa là làm thay đổi thơng số đầu ra bằng cách tác động lên thông số đầu vào một cách rời rạc. Mỗi lần tác động ta có một giá trị khơng đổi của thơng số đầu vào và tương ứng ta được một đường đặc tính cơ (nhân tạo). Khi động cơ làm việc, các nhiễu loạn sẽ tác động vào hệ (như phụ tải thay đổi, điện áp nguồn dao động …). Nhưng thông số đầu vào vẫn giữ không đổi nên điểm làm việc của động cơ chỉ di chuyển trên một đường đặc tính cơ. Người ta gọi dạng điều chỉnh này là “điều chỉnh bằng tay” hoặc “điều chỉnh vòng hở” hoặc “điều chỉnh không tự động” [4].
Phương pháp 2 : Biến đổi các thơng số đầu vào hay cịn gọi là thông số điều chỉnh điện trở phần ứng Rư (hoặc Rfư), từ thông Φ (hoặc điện áp kích từ Ukt ; dịng điện kích từ Ikt) và điện áp phần ứng Uư . Có nghĩa là nhờ sự thay đổi liên tục của thông số đầu vào theo mức độ sai lệch của thông số đầu ra so với giá trị định trước, nhằm khắc phục độ sai lệch đó. Như vậy khi có tác động của nhiễu làm ảnh hưởng đến thơng số đầu ra, thì thơng số đầu vào sẽ thay đổi và đơng cơ sẽ có một đường đặc tính cơ khác, điểm làm việc của động cơ sẽ dịch chuyển từ đường đặc tính nhân tạo này sang đường đặc tính nhân tạo khác và vạch ra một đường đặc tính cơ của hệ điều chỉnh tự động. Việc thay đổi tự động thông số đầu vào được thực hiện nhờ mạch phản hồi ; mạch này lấy tín hiệu từ thơng số đầu ra hoặc một thơng số nào đó liên quan đến đầu ra, đưa trở lại gây tác động lên thông số đầu vào, tạo thành một hệ có liên hệ kín giữa đầu ra và đầu vào. Vì vậy người ta gọi hệ này là hệ “điều chỉnh vịng kín” hoặc “điều chỉnh tự
34 động” [4].
Vì vậy ta khảo sát sự điều chỉnh tốc độ động cơ DC theo phương pháp thứ hai. Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác. Khơng những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển khá đơn giản hơn, đồng thời lại đạt được chất lượng điều chỉnh cao trong dãy điều chỉnh tốc độ rộng [4].
- Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá chất lượng hệ thống điều chỉnh tốc độ.
Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và căn cứ vào các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền động điện :
A. Hướng điều chỉnh tốc độ.
B. Phạm vi điều chỉnh tốc độ ( dãy điều chỉnh tốc độ). C. Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ.
D. Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ. E. Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ.
F. Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ.
4.4.2 Phương pháp điều khiển xe lăn điện.