PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển cho mô hình ôtô Hybrid dựa trên tính toán lý thuyết và kết hợp tham khảo những mô hình có sẵn trên thị

trường.

Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển trên mô hình ôtô Hybrid được thể hiện trong hình 2.1

Hình 2.1: Sơđồ tổng quát hệ thống mô hình ôtô Hybrid

MOTOR BRUSHLESS DC CẢM BIẾN VI ĐIỀU KHIỂN MCU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG MẠCH CÔNG SUẤT MÁY PHÁT ĐIỆN MẠCH SẠC ẮC QUY BỘ ĐIỀU KHIỂN MOTOR BRUSHLESS DC

Hình 2.2: Sơđồ hệ thống truyền động của mô hình ôtô Hybrid

Nội dung:

Phân tích các yếu tố ảnh hướng tới chuyển động của ôtô bao gồm: Lực cản chuyển động, tải trọng, khối lượng, vận tốc, gia tốc, tính ổn định... Từđó xác định kích thước, kết cấu của ôtô, vị trí đặt nguồn động lực, phương pháp điều khiển cho phù hợp.

Năng lượng điện Lực dẫn động ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỘNG CƠ BÁNH TRƯỚC TRÁI LY HỢP MẠCH SẠC ĐỘNG CƠ BÁNH TRƯỚC PHẢI BÁNH SAU TRÁI BÁNH SAU PHẢI VI SAI ẮC QUY

Thử nghiệm, kiểm tra và hoàn thiện: Việc thử nghiệm ôtô sẽ được tiến hành trên

đường bằng để kiểm tra khả năng hoạt động ổn định của xe, độ cứng vững , chính xác cao, linh hoạt trong lắp rắp và sửa chữa. Chạy ôtô ở nhiều chếđộ khác nhau, cường độ

thay đổi khác nhau. Quá trình được tiến hành lại nhiều lần nhằm phát hiện và sửa chữa các nhược điểm nảy sinh. Sau khi thử nghiệm thành công trên đường bằng, sẽ thử

nghiệm trên địa hình gồ ghề, lên dốc, xuống dốc, số liệu sẽđược ghi chép lại để làm cơ

sở đánh giá.

2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.2.1. Cơ sở lý thuyết phần cơ khí 2.2.1.1. Động lực học bánh xe

Khi ôtô chuyển động trên đường trong nhiều trường hợp khác nhau: Chuyển động lên dốc, xuống dốc, trên đường nằm ngang, chuyển động trong điều kiện thời tiết tình trạng mặt đường thay đổi...

Sau đây ta xét trường hợp tổng quát khi ôtô chuyển động lên dốc, không ổn định, một cầu chủđộng.

Hình 2.3: Sơđồ lực tác dụng lên bánh xe khi chuyển động lên dốc trong trường hợp tổng quát

Trong đó:

G: Trọng lượng toàn bộ của xe

Các lực cản: Lực cản lăn Pf, lực cản không khí Pa, lực quán tính Pj, lực kéo Pk Các mô men: Mô men xoắn chủđộng Mk, mô men căn lăn Mf, mô men quán tính Mj Phản lực thẳng góc: Z1, Z2

Z1, Z2 có điểm đặt tại giao điểm giữa đường thẳng đứng qua tâm trục bánh xe với mặt

đường và mô men cẳn lăn Mf. Phương trình mô men với điểm A:

Đểđơn giản: hα = hg Pi = G.sinα

Mj: Mô men cản quán tính của bánh xe thường nhỏ nên bỏ qua Mf1, Mf2: mô men cẳn lăn của bánh xe

Trị số các phản lực và momem này ảnh hưởng đến chỉ tiêu kĩ thuật của ôtô: - Chất lượng kéo và bám.

- Chất lượng phanh.

- Tính ổn định, tuổi thọ của các chi tiết, các cụm chi tiết.

Hình 2.4: Sơđồ minh họa sự lăn của bánh xe đàn hồi khi không có lực ngang tác dụng và khi có lực ngang tác dụng.

Khi bánh xe chuyển động không có lực ngang Py tác dụng, bánh xe chỉ chịu tác dụng của các lực Gb, lực đẩy Px, lực cẳn lăn Pf. Điểm B của lốp sẽ tiếp xúc với mặt

đường ở B1, điểm C ở C1... Quỹ đạo mặt phẳng quay của bánh xe trùng với đường thẳng AA1. Viết tiếp xúc của báng xe trùng với đường đối xứng qua mặt phẳng dọc của bánh xe.

Khi có lực ngang tác dụng Py, bánh xe lăn bị biến dạng, các thớ lốp bị uốn cong, mặt phẳng giữa của bánh xe bị di chuyển so với tâm của viết tiếp xúc một khoảng b1. Khi bánh xe lăn, điểm B của lốp tiếp xúc với B2, C với C1... Kết quả là bánh xe lăn lệch theo hướng AA2, mặt phẳng quay của bánh xe vẫn giữa nguyên vị trí ban đầu, do đó làm với hướng chuyển động của bánh xe một góc δ1, đường tâm của viết tiếp xúc trùng với hướng chuyển động cũng làm với mặt phẳng quay góc δ1. Sự lăn của bánh xe nhự

vậy gọi là sự lăn lệch và δ1 gọi là góc lệch bên.

Góc lệch δ1 và lực ngang được Py được biểu thị bằng biểu thức (khi Py nhỏ hơn lực bám)

Py = kδ.δ1

Trong đó:

Py: Lực ngang

k δ: Hệ số chống lệch bên (phụ thuộc vào kích thước lốp, kết cấu, áp suất) Sự lăn của bánh xe đàn hồi khị chịu tác dụng của lực ngang sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tính năng dẫn hướng và ổn định của xe.

Góc đặt bánh xe dẫn hướng:

Khi thiết kế tính năng dẫn động của ôtô cần chú ý các góc đặt bánh xe sau: Góc camber, góc caster, góc toe.

Hình 2.5: Mô tả các loại góc của bánh xe

Góc camber: Các bánh trước của xe được lắp vào khung xe với những góc nghiêng, có thể nghiêng ra ngoài hoặc nghiêng vào trong so với phương thẳng đứng. Góc như vậy được gọi là góc “camber”. Khi bánh xe nghiêng ra ngoài gọi là góc camber dương, ngược lại khi nghiêng vào trong thì gọi là góc camber âm. Nếu bánh xe trùng với phương thẳng đứng thì góc camber bằng 0.

Hình 2.6: Góc camber

Chức năng của góc camber: Đa số các xe trước đây, các bánh xe được bố trí gắn với khung xe tạo thành góc camber dương. Mục đích của việc tạo ra góc camber này,

để cải thiện độ bền của cầu trước và lốp sẽ tiếp xúc vuông góc với mặt đường, để hạn chế sự mòn không đều của lốp.

Ở những loại xe được thiết kế hiện nay, hệ thống treo được thiết kế rất cứng vững nên đảm bảo được độ bền của cầu trước. Vì vậy, các góc camber được thiết kế

gần bằng 0, có loại xe góc camber bằng 0. Mặc khác, người ta còn tạo ra góc camber cho một số xe, để cải thiện tính năng quay vòng của xe.

Quá trình thay đổi góc camber khi quay vòng: Khi xe chuyển động trên đường vòng, vì lực đẩy ngang có tác dụng giảm lực quay vòng. Lực ly tâm xuất hiện làm cho thân xe bị nghiêng dưới tác dụng của lò xo thuộc hệ thống treo. Chính vì thế, góc camber thay đổi khi xe quay vòng.

Hình 2.7: Sự thay đổi góc camber khi quay vòng

Sự trượt bánh xe chủđộng

Nguyên nhân, bản chất của sự trượt: khi bánh xe lăn, dưới tác dụng của mô men xoắn ở bánh chủđộng, bánh xe ép đất theo phương ngang, chiều ngược chiều chuyển

động của bánh xe làm đất bị nén về phía sau một đoạn b. Làm cho trục bánh xe dịch chuyển về phía sau làm giảm vận tốc tịnh tiến của xe gây ra sự trượt của bánh xe.

Hình 2.8: Sơđồ biến dạng của đất khi bánh xe chủđộng lăn

Hình 2.9: Sơđồ các lực tác dụng lên xe khi chuyển động

Lực cản lăn: Khi xe chuyển động do sự biến dạng của lốp và đường, do sự tạo thành viết bánh xe trên đường và do sự ma sát giữa bề mặt tiếp xúc giữa bánh với mặt đường mà phát sinh ra lực cản lăn. Kí hiệu Pf Pf = Pf1+Pf2 Với: Pf1 = Z1.f1 Pf2 = Z2.f2

Lực cản lên dốc: Khi ôtô chuyển động lên dốc thì trọng lượng G được phân tích thành hai thành phần: Thành phần G.cosa sẽ tác dụng lên mặt đường và gây các phản lực thẳng góc của đường lên bánh xe Z1, Z2 và thành phần G.sinαđược biểu thị bằng Pi là lực cản lên dốc.

Pi = G.sinα

Lực cản không khí: Khi xe chuyển động thì sẽ gây ra ma sát với các phần thử

không khí với bề mặt xe. Do đó sẽ phát sinh ra lực cản không khí Pa. Pa = K.F.v02

K: Hệ số cản không khí, phụ thuộc vào dạng ôtô, chất lượng bề mặt, mật độ

không khí

F: Diện tích cản chính diện của ôtô

v0: Vận tốc tương đối của ôtô so với không khí

Lực cản quán tính: Do ôtô chuyển động không ổn định (lúc tăng tốc, lúc giảm tốc) làm xuất hiện lực quán tính.

2.2.1.2. Thiết kế, chế tạo a. Bài toán thiết kế Yêu cầu đặt ra

Thiết kế mô hình ôtô theo nguyên lý hoạt động của ôtô Hybrid kểu song song theo các thông số sau:

- Tải trọng: 2 người - Tốc độ tối đa: 45km/h

- Xe phải có tính động lực cao, thời gian và quãng đường gia tốc ngắn. - Xe phải có tính an toàn cao.

- Xe phải đảm bảo tính tiện nghi, thao tác dễ dàng.

- Xe chạy êm, không ồn, giảm tối đa lượng khí thải độc hại. - Ít tiêu tốn năng lượng, đạt hiệu quả cao.

b. Chọn động cơ truyền động

Công suất cần thiết của động cơ điện có thể tạo ra lực kéo FM dùng để thắng lực cản lăn của mặt đường FL, lực cản lên dốc FD, lực cản gió FG và lực quán tính khi tăng tốc FQ.

Hình 2.10: Các lực tác dụng lên ô tô khi lên dốc Phương trình cân bằng lực như sau:

FM = FL + FD + FG + FQ Lực cản lăn được tính:

FL = f.G Trong đó:

f: Là hệ số cản lăn. Theo phạm vi hoạt động thường xuyên của xe là đường trải nhựa, hệ số cản lăn được tính cho đường đất cứng với f = 0,025 ÷ 0,035. Chọn f = 0,025

G: Là tổng trọng lượng của xe, ởđây G = 400.10 = 4000 (N) Suy ra: FL = 4000.0,025 = 100 (N)

Lực cản lên dốc được tính:

FD = G.sinα

Trong đó:

Suy ra: FD = 4000.0,33 =1320 (N) Lực cản gió được tính: FG = k.S.v2 Trong đó: k: Là hệ số cản không khí. Đối với xe con vỏ hở k = 0,4÷0, 5 (Ns2/m4). Chọn k = 0,4 (Ns2/m4) S: Là diện tích cản chính diện. S = 0,8.B.H B: Chiều rộng toàn bộ ôtô, B = 1,5 (m) H: Chiều cao toàn bộ của ôtô, H = 1,4 (m)

Nên S = 0,8.1,5.1,4= 1,68 (m2). v là vận tốc lớn nhất của xe, vận tốc lớn nhất của xe được chọn là v = 45(km/h) = 12,5 (m/s) Suy ra: FG = 0,4.1,68.12,52 =105 (N) Lực quán tính: FQ = M.a Trong đó: M: Là khối lượng toàn bộ, M = 400 (kg) a: Là gia tốc của xe. Chọn gia tốc a = 1(m/s2) Suy ra: FQ = 400.1 = 400 (N).

Từ những tính toán trên, thay các giá trị vừa tính được vào công thức ta được: FM = 100+1320+ 105 + 400 = 1925 (N)

Tuy nhiên, để hạn chế công suất cho động cơ ta không cho phép xe hoạt động ở

chế độ có cả 4 lực cản xảy ra cùng lúc. Chẳng hạn, khi xe lên dốc ta chỉ cho phép xe chạy đều và vận tốc nhỏ nên bỏ qua lực quán tính và lực cản gió, hoặc khi xe đang chạy ở tốc độ tối đa thì xem như không tồn tại lực cản lên dốc và lực quán tính. Như

vậy, lực cần thiết của động cơđiện ở hai trường hợp này được tính lại là: FMD = FL + FD = 100 + 1320 = 1420 (N)

FMG = FL + FG = 100 + 105 = 205 (N)

Cả hai trường hợp này đều có lực cản chung nhỏ hơn trường hợp tổng quát và phù hợp với chế độ hoạt động thực tế của xe. Ta chọn trường hợp xe vượt dốc để xác

định mô men yêu cầu tại bánh xe và chạy ở tốc độ tối đa để xác định cân bằng công suất cho động cơđiện.

Khi ôtô vượt dốc momen yêu cầu tại bánh xe được tính:

Mbx = FMD . Rbx = 1420.0,26 = 369,2 (Nm) Và công suất cản của xe khi chạy ở tốc độ tối đa lúc này là:

PCG = FMG . v = 205.12,5 = 2562,5 (W)

Công suất cần thiết của động cơ điện để cân bằng với công cản của xe trong trường hợp này là:

PM = PCG / η

Với η là hiệu suất của hệ thống truyền lực, chọn sơ bộη = 0,95 Suy ra:

PM = 2562,5/0,95= 2697 (W)

Vậy ta chọn động cơ điện một chiều có công suất tại số vòng quay lớn nhất của nó lớn hơn 2,69 kW. Và mô men yêu cầu phải đảm bảo khả năng vượt dốc lớn nhất của xe.

Do sử dụng 2 động cơđiện cho xe nên ta chỉ cần động cơ có công suất 1,3(kw).

Động cơ đốt trong ta chỉ cần dùng động cơ xăng của xe máy LIFAN 4 cấp tốc độ, 110 phân khối, tốc độ tối đa 100km/h.

c. Chọn bộ nguồn ắc quy

Loại ắc quy được chọn để lắp đặt cho xe là ắc quy axít chì vì nó thông dụng và giá thành tương đối thấp.

Dung lượng của ắc quy phụ thuộc vào số giờ mà xe chạy hết bình và tỷ lệ khối lượng của hệ thống truyền động điện so với tổng khối lượng xe theo tỷ lệ tối ưu là không quá 30%.

Vì dung lượng ắc quy được sản xuất theo tiêu chuẩn, chọn loại bình có hiệu điện thế 12(V) và dung lượng 20- >50(Ah). Để điều khiển động cơ ta cần dùng 4 bình hiệu

điện thế 12(V) để đạt mức điện áp 48 (V) theo yêu cầu. Dung lượng acquy bằng tích giữa dòng điện phóng và thời gian phóng điện : Ah = IM .t. Theo đặc tuyến của acquy thì dòng phóng định mức bằng dung lượng của acquy và dòng phóng cho phép có thể đạt gấp 3 lần dòng định mức.

Như vậy chọn 4 bình ắc quy 12V 20Ah mắc nối tiếp để làm nguồn nuôi động cơ điện.

2.2.2. Thiết kế, chế tạo phần điều khiển 2.2.2.1. Cơ sở lý thuyết

a. Một số vi điều khiển trong mạch điều khiển Giới thiệu họ AVR

AVR là một họ vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất. AVR là chip vi điều khiển 8 bits với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa-RISC (Reduced Instruction Set Computer), một kiểu cấu trúc đang thể hiện ưu thế trong các bộ xử lí. Vi điều khiển AVR do hãng Atmel sản xuất được gới thiệu lần đầu năm 1996. AVR có rất nhiều dòng khác nhau bao gồm dòng Tiny AVR (như AT tiny 13, AT tiny 22…) có kích thước bộ nhớ nhỏ, ít bộ phận ngoại vi, rồi đến dòng AVR (chẳn hạn AT90S8535, AT90S8515,…) có kích thước bộ nhớ vào loại trung bình và mạnh hơn là dòng Mega (như ATmega32, ATmega128,…) với bộ nhớ có kích thước vài Kbyte đến vài trăm Kb cùng với các bộ

ngoại vi đa dạng được tích hợp trên chip, cũng có dòng tích hợp cả bộ LCD trên chip (dòng LCD AVR). Tốc độ của dòng Mega cũng cao hơn so với các dòng khác. Sự khác nhau cơ bản giữa các dòng chính là cấu trúc ngoại vi, còn nhân thì vẫn như nhau.

So với các chip vi điều khiển 8 bits khác, AVR có nhiều đặc tính hơn hẳn, hơn cả trong tính ứng dụng (dễ sử dụng) và đặc biệt là về chức năng:

- Gần như chúng ta không cần mắc thêm bất kỳ linh kiện phụ nào khi sử dụng AVR, thậm chí không cần nguồn tạo xung clock cho chip (thường là các khối thạch anh).

- Thiết bị lập trình (mạch nạp) cho AVR rất đơn giản, có loại mạch nạp chỉ cần vài điện trở là có thể làm được. một số AVR còn hỗ trợ lập trình on – chip bằng bootloader không cần mạch nạp…

- Bên cạnh lập trình bằng ASM, cấu trúc AVR được thiết kế tương thích C. - Nguồn tài nguyên về source code, tài liệu, application note…rất lớn trên

internet.

- Có thể sử dụng xung clock lên đến 16MHz, hoặc sử dụng xung clock nội lên

đến 8 MHz (sai số 3%).

- Bộ nhớ chương trình Flash có thể lập trình lại rất nhiều lần và dung lượng lớn, có SRAM (Ram tĩnh) lớn, và đặc biệt có bộ nhớ lưu trữ lập trình được EEPROM.

- Nhiều ngõ vào ra (I/O PORT) 2 hướng (bi-directional). - 8 bits, 16 bits timer/counter tích hợp PWM.

- Các bộ chuyển đối Analog – Digital phân giải 10 bits, nhiều kênh. - Chức năng Analog comparator.

- Giao diện nối tiếp USART (tương thích chuẩn nối tiếp RS-232).

- Giao diện nối tiếp Two –Wire –Serial (tương thích chuẩn I2C) Master và Slaver. - Giao diện nối tiếp Serial Peripheral Interface (SPI)

Vi điều khiển atmega8

Tính năng:

- Atemega8 là chíp thuộc dòng AVR mới nhất, nó có đầy đủ các tính năng của AVR và nhỏ gọn.

- Bộ nhớ 8K (Flash) - 512 byte EEPROM – 1K.

- Đống vỏ 28 chân, trong đó có 23 chân vào ra dữ liệu.