NGHIÊN CỨU, CẢI THIỆN MÔ-MEN XOẮN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ỨNG DỤNG TRÊN XE GẮN MÁY ĐIỆN

Sau khi kết thúc ba năm đầu học tập và nghiên cứu về động cơ đốt trong truyền thống, nhóm nghiên cứu đã nắm được những kiến thức cơ bản về kỹ thuật cũng như những công nghệ hiện đại ngày nay áp dụng trên động cơ đốt trong. Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu cũng đã từng bước tìm hiểu thêm về xu thế phát triển của ngành công nghiệp ô tô hiện nay và nhận ra ô tô điện là một xu hướng phát triển đầy tiềm năng trong tương lai. Để có thể nghiên cứu ô tô điện, nhóm nghiên cứu bước đầu tập trung nghiên cứu xe gắn máy điện đơn giản, là nền tảng kiến thức cho việc phát triển nghiên cứu ô tô điện sau này. Xe gắn máy điện cơ bản dùng một động cơ điện và một nguồn pin để có thể vận hành. Việc chọn phương pháp điều khiển động cơ điện để xe có thể hoạt động tốt dưới những điều kiện làm việc khác nhau là một trong những vấn đề quan trọng nhất trên xe máy điện mà nhóm muốn thực hiện nghiên cứu. Do đó, nhóm nghiên cứu chọn đề tài đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu, cải thiện mô-men xoắn của động cơ điện không đồng bộ ba pha ứng dụng trên xe gắn máy điện” để thực hiện. Nhóm nghiên cứu tập trung nghiên cứu việc điều khiển bằng vòng lặp kín giúp xe nhận được tín hiệu phản hồi từ động cơ, giúp đáp ứng được sự thay đổi ở những điều kiện làm việc khác nhau. Từ đó, tăng dải mô-men, giúp xe có thể chạy được trơn tru trên đường. Đây cũng là mục đích chính của đề tài mà nhóm nghiên cứu hướng đến. Cùng với đó, nhóm nghiên cứu cũng mong muốn đề tài có thể được tiếp tục nghiên cứu và cho ra đời thành công một sản phẩm xe máy chạy bằng điện, vừa giúp cải thiện tình trạng ô nhiễm môi trường, vừa phục vụ nhu cầu đi lại của người dân, vừa có thể sản xuất ngay trong nước với giá thành không cao so với thu nhập của đa số người dân Việt Nam hiện nay. 1.2. Mục tiêu đề tài  Thay thế được động cơ đốt trong truyền thống trên xe gắn máy bằng động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha.  Tạo dòng điện xoay chiều không đồng bộ ba pha từ nguồn điện một chiều.  Nắm được nguyên lý hoạt động của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha.  Lập trình, tính toán vi điều khiển xây dựng hệ thống hồi tiếp tốc độ động cơ.  Tăng thêm dải mô-men giúp xe hoạt động trơn tru hơn.2 1.3. Đối tượng nghiên cứu  Vi điều khiển ATmega328P.  Động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha.  Phần mềm CodeVisionAVR.  Phần mềm Proteus. 1.4. Giới hạn đề tài Do thời gian có hạn, chỉ hơn hai tháng, nhóm tập trung nghiên cứu phát triển hệ thống hồi tiếp tốc độ động cơ thông qua tính toán, lập trình vi điều khiển giúp xe khởi động mượt mà và tăng thêm dải mô-men giúp xe hoạt động trơn tru hơn dưới những điều kiện làm việc khác nhau. 1.5. Phương pháp nghiên cứu Nhóm nghiên cứu tổng quan tài liệu, các giáo trình và những đồ án tốt nghiệp trước. 1.6. Nội dung đồ án  Xây dựng sơ đồ khối hệ thống.  Xây dựng lưu đồ thuật toán cho hệ thống.  Tính toán, thiết kế, lập trình vi điều khiển.  Thực nghiệm, đánh giá và kết luận. 1.7. Bố cục đồ án  Chương 1: Tổng quan  Chương 2: Cơ sở lý thuyết.  Chương 3: Xây dựng hệ thống.  Chương 4: Thiết kế và thi công hệ thống.  Chương 5: Thực nghiệm.  Chương 6: Kết luận và kiến nghị.3 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. ATmega328P 2.1.1. Sơ lược về ATmega328P ATmega328P là một vi điều khiển được sản xuất bởi hãng Atmel, thuộc họ MegaAVR. ATmega328P là một vi điều khiển dựa trên Atmel 8-bit AVR RISC (Reduced Instruction Set Computer)-một cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa kết hợp bộ nhớ flash 32 KB ISP với khả năng đọc ghi, 1KB EEPROM và 2KB SRAM. Với 23 chân I/O sử dụng cho kết nối vào hoặc ra, 32 thanh ghi, 3 bộ Timer/Counter với các chế độ so sánh, ngắt bên trong và ngắt bên ngoài, có thể lập trình nối tiếp USART, giao diện nối tiếp 2 dây hướng byte, cổng nối tiếp SPI, bộ chuyển đổi số tương tự Analog/Digital 6 kênh 10 bit, có thể lập trình bộ đếm thời gian watchdog với bộ dao động bên trong và năm chế độ tiết kiệm điện có thể lựa chọn phần mềm. Thiết bị hoạt động trong một dãy điện áp rộng (1.8V–5.5V). Thiết bị đạt được thông lượng gần 1 MIPS trên mỗi MHz. Từ năm 2013, ATmega328P được sử dụng phổ biến trong nhiều dự án và hệ thống tự hành, nơi mà cần một bộ điều khiển đơn giản, công suất thấp, chi phí thấp. Phổ biến nhất là trên nền tảng phát triển Arduino phổ biến, cụ thể là Arduino Uno và Arduino Nano [1].

TỔNG QUAN

Lý do chọn đề tài

Sau ba năm học tập và nghiên cứu về động cơ đốt trong, nhóm nghiên cứu đã nắm vững kiến thức cơ bản và công nghệ hiện đại liên quan Nhóm cũng nhận thấy ô tô điện là xu hướng phát triển tiềm năng trong ngành công nghiệp ô tô hiện nay Để chuẩn bị cho nghiên cứu ô tô điện, nhóm bắt đầu với việc tìm hiểu xe gắn máy điện đơn giản, tạo nền tảng cho các nghiên cứu ô tô điện sau này.

Xe gắn máy điện hoạt động dựa trên động cơ điện và nguồn pin, vì vậy việc lựa chọn phương pháp điều khiển động cơ phù hợp là rất quan trọng để xe có thể vận hành hiệu quả trong nhiều điều kiện khác nhau Nhóm nghiên cứu đã quyết định thực hiện đề tài đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, cải thiện mô-men xoắn của động cơ điện không đồng bộ ba pha ứng dụng trên xe gắn máy điện" nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động của xe.

Nhóm nghiên cứu tập trung vào việc điều khiển bằng vòng lặp kín để xe nhận tín hiệu phản hồi từ động cơ, từ đó cải thiện khả năng thích ứng với các điều kiện làm việc khác nhau Mục tiêu chính là tăng dải mô-men, giúp xe vận hành trơn tru trên đường.

Nhóm nghiên cứu hy vọng đề tài sẽ tiếp tục được phát triển để cho ra đời một sản phẩm xe máy điện, góp phần cải thiện ô nhiễm môi trường, đáp ứng nhu cầu di chuyển của người dân và có thể sản xuất trong nước với giá thành hợp lý, phù hợp với thu nhập của đa số người dân Việt Nam hiện nay.

Mục tiêu đề tài

 Thay thế được động cơ đốt trong truyền thống trên xe gắn máy bằng động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha

 Tạo dòng điện xoay chiều không đồng bộ ba pha từ nguồn điện một chiều

 Nắm được nguyên lý hoạt động của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha

 Lập trình, tính toán vi điều khiển xây dựng hệ thống hồi tiếp tốc độ động cơ

 Tăng thêm dải mô-men giúp xe hoạt động trơn tru hơn

Đối tượng nghiên cứu

 Động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha

Giới hạn đề tài

Trong thời gian ngắn hơn hai tháng, nhóm đã nghiên cứu và phát triển hệ thống hồi tiếp tốc độ động cơ bằng cách sử dụng tính toán và lập trình vi điều khiển Điều này giúp xe khởi động mượt mà và tăng dải mô-men, từ đó cải thiện hoạt động của xe trong các điều kiện làm việc khác nhau.

Phương pháp nghiên cứu

Nhóm nghiên cứu tổng quan tài liệu, các giáo trình và những đồ án tốt nghiệp trước.

Nội dung đồ án

 Xây dựng sơ đồ khối hệ thống

 Xây dựng lưu đồ thuật toán cho hệ thống

 Tính toán, thiết kế, lập trình vi điều khiển

 Thực nghiệm, đánh giá và kết luận.

Bố cục đồ án

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết

 Chương 3: Xây dựng hệ thống

 Chương 4: Thiết kế và thi công hệ thống

 Chương 6: Kết luận và kiến nghị

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

ATmega328P

ATmega328P là vi điều khiển 8-bit được sản xuất bởi Atmel, thuộc dòng MegaAVR Nó sử dụng kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computer) và tích hợp bộ nhớ flash 32 KB ISP, 1 KB EEPROM và 2 KB SRAM, mang lại hiệu suất cao cho các ứng dụng nhúng.

Với 23 chân I/O sử dụng cho kết nối vào hoặc ra, 32 thanh ghi, 3 bộ Timer/Counter với các chế độ so sánh, ngắt bên trong và ngắt bên ngoài, có thể lập trình nối tiếp USART, giao diện nối tiếp 2 dây hướng byte, cổng nối tiếp SPI, bộ chuyển đổi số tương tự Analog/Digital 6 kênh 10 bit, có thể lập trình bộ đếm thời gian watchdog với bộ dao động bên trong và năm chế độ tiết kiệm điện có thể lựa chọn phần mềm Thiết bị hoạt động trong một dãy điện áp rộng (1.8V–5.5V) Thiết bị đạt được thông lượng gần 1 MIPS trên mỗi MHz

Kể từ năm 2013, ATmega328P đã trở thành vi điều khiển phổ biến trong các dự án và hệ thống tự hành nhờ vào tính năng đơn giản, tiêu thụ điện năng thấp và chi phí hợp lý Nó chủ yếu được sử dụng trên các nền tảng phát triển Arduino, đặc biệt là Arduino Uno và Arduino Nano.

2.1.2 Các thông số kỹ thuật của ATmega328P

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của ATmega328P [2]

Loại bộ nhớ chương trình Flash

Dung lượng bộ nhớ chương trình 32 KBytes

Số chân đầu I/O tối đa 23

Tần số tối đa 20 MHz

Dải điện áp hoạt động 1.8-5.5 V

Timers 2 thanh 8-bit, 1 thanh 16-bit

Phạm vi nhiệt độ (° C) - 40 đến 85

2.1.3 Sơ đồ chân của ATmega328P

Hình 2.2 Sơ đồ chân của ATmega328P [3]

5 Ý nghĩa các chân của ATmega328P:

 Chân VCC (chân số 7): Điện áp nguồn cấp cho vi điều khiển, nguồn điện cấp trong khoảng 1.8-5.5 V

Chân GND (chân số 8, 22) là chân nối âm của vi điều khiển Để bảo vệ vi điều khiển trong thiết kế, cần sử dụng một mạch ổn áp, và một cách đơn giản là áp dụng phương pháp sử dụng mạch ổn áp.

 Port B (chân 9,10 và 14-19): Ngõ hai chiều I/O 8-bit với điện trở treo trong

Chân Port B bên ngoài khi được kéo xuống mức thấp sẽ tạo ra dòng điện nếu điện trở treo được kích hoạt PB6 có thể hoạt động như ngõ vào cho bộ khuếch đại dao động đảo và mạch tạo dao động nội, tùy thuộc vào nguồn xung clock được lựa chọn Đồng thời, PB7 có thể được sử dụng như ngõ ra từ bộ khuếch đại dao động đảo Nếu nguồn xung là dao động nội Calibrated RC, PB7 và PB6 sẽ được sử dụng cho đầu vào TOSC2…1 cho thanh Timer/Counter 2 khi bit AS2 trong ASSR được đặt.

 Port C (chân 1 và 23-28): Ngõ hai chiều I/O 7-bit với điện trở treo trong

Chân Port C bên ngoài được kéo xuống mức thấp sẽ tạo ra dòng điện khi điện trở treo được kích hoạt Nếu không lập trình Fuse RSTDISBL, chân PC6 sẽ hoạt động như tín hiệu RESET đầu vào Một mức thấp kéo dài trên chân này sẽ tạo ra một Reset, đưa hệ thống về trạng thái ban đầu, ngay cả khi xung clock không hoạt động.

Port D (chân 0-4 và 5-7) là ngõ hai chiều I/O 8-bit với điện trở treo trong cho từng bit Khi ở chế độ đầu vào, các chân của Port C bên ngoài được kéo xuống mức thấp sẽ tạo ra dòng điện nếu điện trở treo được kích hoạt.

AV CC là chân điện áp nguồn cho bộ chuyển đổi A/D (PC3:0 và ADC7:6) và nên được kết nối với chân VCC, ngay cả khi ADC không được sử dụng Nếu sử dụng ADC, AVCC cần được kết nối với VCC qua bộ lọc low-pass Lưu ý rằng PC6:4 sử dụng điện áp nguồn digital, VCC.

 AREF: Là chân tham chiếu analog cho bộ A/D Converter

2.1.4 Các chức năng của ATmega328P

Vi điều khiển ATmega328P có những chức năng cơ bản sau:

 Bộ định thời và bộ đếm

 Bộ so sánh tương tự

 Lập trình USART nối tiếp

IC IR2103

 Sử dụng kỹ thuật “bootstrap”

 Có thể điều khiển mạch lên tới 600V

 Bảo vệ khi thiếu áp

 Đầu ra bên cao cùng pha với đầu vào HIN

 Đầu ra bên thấp lệch pha với đầu vào LIN

2.2.2 Chức năng và cấu trúc của IR2103

IR2103 là mạch điều khiển MOSFET và IGBT với điện áp cao và tốc độ nhanh, hỗ trợ mức cao và thấp độc lập cho các kênh đầu ra Kênh floating của mạch có khả năng điều khiển MOSFET hoặc IGBT công suất kênh N trong cấu hình mức cao, hoạt động hiệu quả lên tới 600V.

Hình 2.3 Chức năng và cấu trúc của IR2103 [4]

2.2.3 Sơ đồ chân của IR2103

Hình 2.4 Sơ đồ chân của IR2103 [4] Ý nghĩa các chân của IR2103:

 HIN: Chân đầu vào logic để điều khiển chân đầu ra HO mức cao, cùng pha

 LIN: Chân đầu vào logic để điều khiển chân đầu ra LO mức thấp, ngược pha

 VB: Nguồn cấp mức cao

 HO: Đầu ra điều khiển mức cao

 VS: Nguồn hồi mức cao

 VCC: Nguồn cố định logic và mức thấp

 LO: Đầu ra điều khiển mức thấp

 COM: Chân hồi mức thấp

2.2.4 Thông số kỹ thuật của IR2103

 Điện áp điều khiển từ 10V – 20V

 Dải nhiệt độ hoạt động từ −40 0 C - 125 0 C

 Thời gian ON: ton = 720 ns

 Thời gian OFF: toff = 200 ns

 Thời gian trễ Deadtime: DT = 750 ns

 Kiểu chân: 8 Lead PDIP / SO-8

 Dùng để thiết kế mach cầu H

2.2.5 Nguyên lý hoạt động của IR2103

Hình 2.5 Nguyên lý hoạt động của IR2103 [4]

Dựa vào sơ đồ trên, ta thấy rằng IR2103 hoạt động như sau

Khi tín hiệu đầu vào chân HIN và chân LIN đều ở mức High, tín hiệu đầu ra HO sẽ ở mức High, trong khi tín hiệu đầu ra LO sẽ ở mức Low.

Khi tín hiệu đầu vào chân HIN và chân LIN đều ở mức Low, tín hiệu đầu ra HO sẽ ở mức Low, trong khi tín hiệu đầu ra LO sẽ ở mức High.

Khi chân HIN nhận tín hiệu mức High và chân LIN nhận tín hiệu mức Low, tín hiệu đầu ra HO sẽ ở mức Low, trong khi tín hiệu đầu ra LO cũng sẽ ở mức Low.

Khi chân HIN nhận tín hiệu ở mức Low và chân LIN ở mức High, tín hiệu đầu ra HO sẽ ở mức Low, trong khi tín hiệu đầu ra LO cũng sẽ ở mức Low.

Công nghệ IGBT và IGBT H20R1203

IGBT (Transistor Bipolar Cổng Cách Điện) là một thiết bị bán dẫn công suất ba cực, nổi bật với khả năng hoạt động như một công tắc điện tử nhờ vào tốc độ đóng ngắt nhanh và hiệu suất cao Thiết bị này được sử dụng rộng rãi và đứng thứ hai trong các loại bán dẫn công suất, chỉ sau MOSFET công suất.

IGBT được dùng nhiều nhất trong các bộ khuếch đại để xử lý và đóng ngắt bằng việc điều chế độ rộng xung (PWM)

Hình 2.6 Các chân của IGBT [6]

IGBT, viết tắt của Insulated Gate Bipolar Transistor, là sự kết hợp giữa transistor lưỡng cực và MOSFET Ký hiệu của IGBT bao gồm đầu vào tương ứng với MOSFET với cực cổng G (Gate) và đầu ra đại diện cho transistor với cực thu C (Collector) và cực phát E (Emitter) Trong cấu trúc này, cực C và E đóng vai trò là các cực dẫn, trong khi cực G hoạt động như cực điều khiển, cho phép thực hiện nguyên lý đóng ngắt hiệu quả.

Hình 2.7 Mạch tương đương của IGBT [7]

IGBT được cấu tạo từ hai Transistor và một MOSFET, với đầu ra kết hợp của Transistor PNP, NPN và MOSFET Thiết bị này kết hợp điện áp bão hòa thấp của Transistor với trở kháng đầu vào cao và tốc độ đóng ngắt nhanh của MOSFET Kết quả là IGBT có đặc tính dẫn và đóng ngắt của Transistor lưỡng cực, trong khi điện áp được điều khiển như một MOSFET.

IGBT H20R1203 là linh kiện bán dẫn công suất ba cực, kết hợp ưu điểm của MOSFET với khả năng đóng ngắt nhanh và transistor với khả năng chịu tải lớn Linh kiện này cũng hoạt động như một phần tử điều khiển bằng điện áp, yêu cầu công suất điều khiển rất thấp.

2.3.2.2 Thông số kỹ thuật và ưu nhược điểm

Thông số kỹ thuật của thiết bị bao gồm điện áp giới hạn cấp vào là ±25V (VGE), điện áp chịu được tối đa lên đến 1200V (VCE), dòng điện cực đại đạt 40A ở nhiệt độ 25°C và 20A ở 100°C (IC), nhiệt độ chịu được tối đa là 260°C, và kiểu chân được thiết kế theo chuẩn TO-3P.

Mạch kích đơn giản với trở kháng thấp mang lại khả năng chịu áp cao và dẫn dòng lớn Thiết bị có tốc độ đóng ngắt nhanh cùng tần số đóng ngắt cao, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu Hơn nữa, khả năng tản nhiệt tốt giúp nâng cao độ bền và hiệu quả sử dụng.

IGBT có một số nhược điểm đáng lưu ý Đầu tiên, nó không thể chặn được điện áp ngược cao, điều này có thể gây ra sự cố cho thiết bị Thời gian ngắt của IGBT lớn, dẫn đến hiệu suất không cao trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ nhanh Chi phí sản xuất IGBT cũng cao hơn so với các linh kiện khác Ngoài ra, tốc độ đóng ngắt của nó thấp hơn MOSFET và cao hơn transistor, khiến cho IGBT không phù hợp cho các thiết bị hoạt động ở tần số cao, đặc biệt là những thiết bị có điện áp từ 400V trở lên, nơi mà MOSFET thường được ưa chuộng hơn Việc sử dụng IGBT ở tần số cao có thể dẫn đến hiện tượng sụt áp và có nguy cơ phá hủy toàn bộ thiết bị.

Hình 2.9 Các chân của IGBT [9]

 Nối tắt chân Gate (G) với chân Emittor (E)

 Đặt chế độ kiểm tra Diode cho đồng hồ vạn năng, điện áp nguồn không lớn hơn 20V

 Nối cực dương của que đo với cực E và cực âm với cực C, nếu IGBT còn tốt đồng hồ sẽ chỉ đúng điện áp rơi trên Diode của IGBT

 Đảo que đo lại thì nếu IGBT còn tốt đồng hồ sẽ chỉ hở mạch hoặc trạng thái điện trở đang rất lớn

 Các IGBT hỏng thường cho thấy mạch đã bị ngắn, có thể mạch hở ở cả hai chiều hoặc cả hai chiều đều có điện trở.

LM7805

 Điện áp đầu vào tối đa là 35 VDC

 Điện áp ra 5 V cố định

 Bảo vệ mạch khi quá nhiệt

 Bảo vệ khi ngắn mạch

2.4.2 Chức năng và cấu trúc LM7805

LM7805 là IC dùng để ổn áp đầu ra 5V Nó là IC của dòng ổn áp dương LM78XX

IC LM7805 được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị thương mại do chi phí thấp và dễ sử dụng

Hình 2.11 Sơ đồ lắp đặt LM7805 [11]

Tụ điện

Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động, bao gồm hai bản cực song song và được ngăn cách bởi lớp điện môi Khi có sự chênh lệch điện thế giữa hai bề mặt, điện tích trái dấu sẽ xuất hiện trên mỗi bề mặt Tụ điện có khả năng cách điện hiệu quả.

Mạch một chiều cho phép dòng điện xoay chiều đi qua nhờ nguyên lý phóng nạp Chúng thường được ứng dụng trong các mạch điện tử như mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều và mạch tạo dao động.

Hình 2.12 Các loại tụ điện [12]

Hầu hết tụ hóa là tụ điện phân cực, tức là nó có cực xác định Khi nối mạch phải đúng cực âm-dương

Trên tụ điện có kích thước lớn, cực âm được đánh dấu bằng dấu "-" trên vạch màu sáng dọc theo thân tụ Khi tụ mới chưa cắt chân, chân dài hơn sẽ là cực dương.

 Các tụ cỡ nhỏ, tụ dành cho hàn dán SMD thì đánh dấu + ở cực dương để đảm bảo tính rõ ràng

Hình 2.13 Tụ điện hóa phân cực

Trị số của tụ phân cực vào khoảng 0,47μF - 4.700μF, thường dùng trong các mạch tần số làm việc thấp, dùng lọc nguồn

2.5.2 Tụ điện không phân cực

Tụ điện không phân cực, như tụ giấy, tụ gốm và tụ mica, không xác định cực dương âm Những tụ có điện dung nhỏ hơn 1 μF thường được áp dụng trong các mạch điện tần số cao hoặc mạch lọc nhiễu Trong khi đó, các tụ lớn hơn, từ vài μF đến cỡ Fara, được sử dụng cho những ứng dụng yêu cầu điện dung cao.

14 dùng trong điện dân dụng (tụ quạt, mô tơ) hay dàn tụ bù pha cho lưới điện Một số tụ hóa không phân cực cũng được chế tạo [7]

Hình 2.14 Tụ điện sứ không phân cực

Diode bán dẫn

Diode là linh kiện bán dẫn cho phép dòng điện chỉ đi qua một chiều, không cho phép dòng ngược lại Các loại diode phổ biến bao gồm diode chỉnh lưu, diode Zener và LED Tất cả đều có cấu tạo chung từ một khối bán dẫn loại P kết hợp với một khối bán dẫn loại N, với hai chân ra là anode và cathode.

Hình 2.15 Cấu tạo một Diode bán dẫn

Diode chỉ dẫn điện theo chiều từ anode sang cathode, và không dẫn điện theo chiều ngược lại trừ khi bị phân cực ngược với hiệu điện thế lớn Trong trường hợp này, dòng điện ngược rất nhỏ (khoảng μA) và thường không đáng lo ngại trong các ứng dụng công nghiệp Tuy nhiên, nếu điện áp ngược vượt quá ngưỡng chịu đựng (VBR) của diode, hiện tượng đánh thủng sẽ xảy ra, dẫn đến dòng điện tăng nhanh và có thể làm hỏng diode Do đó, cần tuân thủ hai điều kiện quan trọng khi sử dụng diode.

Dòng điện thuận qua diode không được vượt quá giá trị tối đa cho phép, được cung cấp bởi nhà sản xuất Để xác định giá trị này, người dùng có thể tra cứu trong các tài liệu của hãng sản xuất.

 Điện áp phân cực ngược không được lớn hơn VBR (ngưỡng đánh thủng của diode, cũng do nhà sản xuất cung cấp) [13]

Điện trở

Điện trở là đại lượng vật lý phản ánh khả năng cản trở dòng điện của vật liệu, được đo bằng đơn vị Ohm trong hệ SI Giá trị điện trở cao đồng nghĩa với việc độ dẫn điện thấp hơn Khi vật dẫn ngăn cản dòng điện, năng lượng điện sẽ được chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác, chẳng hạn như nhiệt năng.

Có 2 cách đọc điện trở là dùng đồng hồ vạn năng để điện trở hoặc đọc vạch màu theo bảng sau

Bảng 2.2 Bảng đọc giá trị điện trở [14]

Điện trở Shunt

Điện trở Shunt là một loại điện trở có giá trị điện trở rất thấp và độ chính xác cao Loại điện trở này thường được chế tạo từ vật liệu có hệ số nhiệt điện trở thấp Điện trở Shunt được mắc song song với am-pe kế để thực hiện việc đo dòng điện.

Một am-pe kế có điện trở R m và dòng I m nhỏ, được kết nối với một điện trở Shunt R s song song Dòng I sẽ được chia giữa điện trở Shunt (R s) và cuộn dây trong am-pe kế (R m).

Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý làm việc của điện trở Shunt

Trong đó: R s là điện trở Shunt

I s là dòng điện chạy qua điện trở Shunt

I là dòng tổng được đo bằng công thức

Vì điện trở Shunt được mắc song song với am-pe kế, nên ta tính được điện trở Shunt:

2.8.3 Các loại điện trở Shunt

Bảng 2.3 Các loại điện trở Shunt [15]

Kiểu Shunt Đầu ra Hình ảnh Ứng dụng

50A, 50mV Đo dòng một chiều 5A- 1200A

Chuyển đổi thông số kỹ thuật số với 199.9mV full- scale sang am- pe kế

10A, 100mV Đo dòng lên ới 10A với độ chính xác cao

LM358N

IC LM358N là một bộ khuếch đại thuật toán kép với công suất thấp, hoạt động hiệu quả từ nguồn điện áp 3.0V đến 32V Thiết kế của nó bao gồm hai bộ khuếch đại thuật toán, cho phép tương thích với nhiều loại mạch logic khác nhau.

2.9.1 Thông số kỹ thuật của LM358N

 Điện áp cấp nguồn: 3-32V với nguồn đơn, 1.5-6V với nguồn đôi

 Độ lợi khuếch đại DC: 100dB

LM358N bao gồm hai con Op-am có chân nguồn chung và chân nối âm chung được trình bày dưới sơ đồ chân sau

Hình 2.17 Sơ đồ chân của LM358N

 Bảo vệ quá áp đầu ra

Động cơ điện ba pha HKM1.514MDY

Động cơ điện HKM1.514MDY, sản phẩm của Công ty Hồng Ký, thuộc loại động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha Động cơ này chuyển đổi điện năng thành cơ năng và cung cấp mô-men lực Với ưu điểm dễ dàng điều khiển, lắp đặt và chi phí đầu tư thấp, động cơ không đồng bộ ba pha ngày càng trở nên phổ biến trong các máy móc công nghiệp hiện nay.

Hình 2.18 Động cơ điện HK1.514MDY

Thông số kỹ thuật của sản phẩm [16]

 Chất liệu: Vỏ nhôm chân đế

 Tốc độ vòng quay: 1450 vòng/phút

2.10.1 Cấu tạo của động cơ điện xoay chiều ba pha

Hình 2.19 Cấu tạo động cơ điện xoay chiều ba pha [17]

Hình trên cho ta thấy cấu tạo của một động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha

Nó bao gồm nhiều chi tiết cấu thành nên nhưng chủ yếu có hai thành phần chính giúp động cơ quay mà chúng ta cần nghiên cứu là:

Lõi stator được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện ghép lại, với các cụm dây quấn có cùng số vòng và được đặt lệch nhau 120° trong không gian Khi dòng điện chạy qua, từ trường quay xuất hiện trong lõi stator, tạo ra từ thông biến thiên qua các khung dây kín của Rotor, từ đó sinh ra sức điện động và dòng điện cảm ứng.

Hình 2.20 Cấu tạo của stator

Rotor trong máy phát điện xoay chiều ba pha có hai loại chính: rotor lồng sóc và rotor dây quấn Trong đó, rotor lồng sóc là loại phổ biến nhất hiện nay Cấu tạo của rotor lồng sóc bao gồm các thanh đồng được đặt trong rãnh của lõi thép, với hai đầu được kết nối ngắn mạch bằng hai vòng đồng, tạo thành hình dạng lồng sóc đặc trưng.

Hình 2.21 Cấu tạo của rotor

Cảm biến Hall

Nhóm chọn sử dụng cảm biến Hall do tính sẵn có trên thị trường, với tín hiệu đầu ra dạng xung vuông, giúp vi điều khiển dễ dàng thực hiện tính toán và xử lý dữ liệu.

Khi bánh răng của trục động cơ quay, nó tạo ra biến thiên từ trường, dẫn đến sự xuất hiện của suất điện động cảm ứng trong cuộn dây Suất điện động này có điện áp đầu ra rất nhỏ, thường chỉ nằm trong khoảng mV, vì vậy cần được khuếch đại bởi thiết bị điện tử tích hợp bên trong vỏ cảm biến.

Cảm biến tốc độ hiệu ứng Hall có cấu trúc điển hình như hình minh họa bên dưới Tín hiệu điện áp đầu ra được phát hiện dưới dạng xung vuông với biên độ điện áp không đổi, thường là 5V hoặc 12V tùy thuộc vào thiết bị điện tử Tần số của tín hiệu tăng tỷ lệ thuận với tốc độ trục động cơ.

Cảm biến tốc độ hiệu ứng Hall phải được cấp nguồn (+ Vcc) là 5V và dây nối âm nguồn (- Vcc)

Hình 2.23 Nguyên lý hoạt động của cảm biến Hall

Các bộ phận của cảm biến tốc độ

2 Dây + Vcc, - Vcc và tín hiệu

6 Bánh răng từ trục động cơ

 Tháo giắc cảm biến và kiểm tra điện trở của cuộn dây (nằm trong khoảng 500- 1500Ω) Nếu giá trị khác, phải thay cảm biến mới

 Kiểm tra khe hở không khí giữa cảm biến và bánh răng từ trục động cơ (nằm trong khoảng 0,8 – 1,5 mm)

 Kiểm tra chân đầu ra cảm biến, dây dẫn trong tình trạng tốt.

Sine PWM ba pha

Sine PWM ba pha là phương pháp tạo ra xung để dẫn động cho động cơ không đồng bộ ba pha

2.12.1 Phương pháp tạo ra xung sine PWM ba pha truyền thống

Động cơ không đồng bộ ba pha thường hoạt động với dòng điện xoay chiều ba pha có tần số từ 50Hz đến 60Hz, và đồ thị điện áp của nó có hình dạng đặc trưng như hình dưới đây.

Hình 2.24 Xung sine PWM ba pha

Sóng sine trong hình ảnh có tần số 50Hz, và để biểu thị độ lớn của sóng điện áp hình sine, người ta sử dụng đại lượng RMS (Root Mean Square) với công thức tổng quát như sau:

X N đại diện cho tất cả các giá trị rời rạc được đo tại các điểm trên đồ thị hình sine Trong thực tế, việc đo lường tất cả các điểm này là không khả thi; tuy nhiên, nếu chúng ta đo nhiều điểm hơn, giá trị sẽ ngày càng gần với công thức xác định.

√2 Trong đó, V m là giá trị cực đại của biên độ sóng sine

Điện xoay chiều 1 pha tại Việt Nam có giá trị RMS đo được là 220V Giá trị này tương ứng với biên độ điện áp cực đại 1 pha.

Để tạo ra xung sine PWM, đặc biệt là sine PWM 3 pha, cần sử dụng một sóng mang có tần số cao hơn nhiều so với sóng hoạt động, cụ thể là sóng tạo từ tính trên động cơ điện với tần số 50Hz Công thức tính điện áp hiệu dụng là \( V_m = 220 \times \sqrt{2} \approx 311 \, V \).

Hình 2.25 Sóng mang và sóng hoạt động

Sóng mang trong hình có tần số 1kHz và là sóng hình tam giác Bài viết sử dụng hai sóng tam giác, một sóng ở phần dương và một sóng ở phần âm Tỷ số giữa tần số sóng mang (f c) và tần số sóng hoạt động (f m) được đề cập trong nội dung.

Trong một chu kỳ sóng sine 50Hz, có 20 chu kỳ sóng mang 1kHz Sine PWM được tạo ra thông qua việc so sánh giá trị biên độ của sóng mang với giá trị biên độ của sóng sine.

Sine PWM được tạo ra bằng cách sử dụng sóng mang và sóng sine, trong đó đường màu đậm biểu thị trạng thái của IGBT điều khiển pha A Hình ảnh trên minh họa cho IGBT_1, trong khi hình ảnh dưới là IGBT_4 Nếu chọn biên độ cực đại của sóng mang là 𝐴 𝑐𝑚 = 393𝑉, thì quá trình điều khiển sẽ diễn ra theo các thông số này.

Sơ đồ bố trí IGBT được cho như hình dưới

Hình 2.27 Sơ đồ bố trí IGBT

Trạng thái của 6 IGBT cho như bảng sau:

2.12.2 Điều chế độ rộng xung bằng ATmega328P

ATmega328P có 3 Timer (Timer 0, Timer 1 và Timer 2) có thể xuất ra 6 chân PWM

6 chân đó là OC0A (chân 12), 0C0B (chân 11); OC1A (chân 15), OC1B (chân 16); OC2A (chân 17), OC2B (chân 5) như hình trong datasheet của ATmega328P Timer0 và Timer2 có 8 bit, Timer 1 có 16 bit

Dưới đây là mô tả cách dùng Timer0 để xuất sine PWM như trong tài liệu ATmega328 cung cấp hình dưới

Khi bộ Timer0 hoạt động, nó đếm từ 0 đến 255 (giá trị TCNT0) và sau đó reset về 0 để bắt đầu chu kỳ đếm mới Để thiết lập độ rộng xung, ta cài đặt giá trị OCR0A, điều này ảnh hưởng đến chu kỳ nghĩa vụ (Duty cycle).

Trong chế độ non-inverting của ATmega328P, chân OC0A phát tín hiệu cao khi TCNT0 nhỏ hơn OCR0A và tín hiệu thấp khi TCNT0 lớn hơn OCR0A Ngược lại, trong chế độ inverting, chân OC0A phát tín hiệu ngược lại Để tạo tín hiệu sine PWM, giá trị OCR0A cần được cập nhật sau mỗi chu kỳ của Timer0, sử dụng bản đồ lưu trữ trong bộ nhớ của ATmega Ví dụ dưới đây trình bày một bản đồ với 66 giá trị, trong đó giá trị OCR0A sẽ được cập nhật tuần tự theo bản đồ này.

Thời gian để ATmega kết thúc 1 xung PWM và cập nhật giá trị OCR0A mới là:

T_atmega là thời gian một chu kỳ máy của ATmega328P, sử dụng thạch anh ngoài có tần số 16MHz Tần số này được chia 8 theo cài đặt mặc định trong ATmega.

𝑇 𝑃𝑊𝑀 = 255 × 0.5 × 10 −6 = 1.275 × 10 −4 (𝑠) Tần số sóng mang PWM là:

1.275 × 10 −4 = 7843𝐻𝑧 ≈ 7,8𝑘𝐻𝑧 Với bản đồ 66 giá trị (bán chu kỳ sine), tần số sóng hoạt động là:

Để tạo ra xung 3 pha từ 2 pha với tần số 59.4 Hz (2 × 66= 59.4 Hz), cần xuất tín hiệu PWM cho các chân lệch nhau 120 độ Việc này yêu cầu sự kết hợp giữa phần mềm và phần cứng, với mã code Atmel Studio được mô tả trong phụ lục đính kèm.

2.12.3 Đường đặc tính mô-men xoắn – tốc độ động cơ và phương pháp Volt/Hertz

2.12.3.1 Đường đặc tính mô-men theo tốc độ của động cơ không đồng bộ Đường cong tốc độ theo mô-men của một động cơ không đồng bộ được thể hiện trong hình sau:

Hình 2.30 Đường cong tốc độ theo mô-men xoắn [19]

Độ dốc của động cơ không đồng bộ tại điểm X và Y là giống nhau, nhưng động cơ tại điểm X không ổn định Khi tăng tải, tốc độ của động cơ sẽ giảm, dẫn đến tình trạng không ổn định.

Khi số vòng quay của động cơ giảm, khả năng chất tải cũng giảm theo, dẫn đến việc động cơ bị chậm lại và có thể dừng hoạt động.

Điều khiển vòng lặp kín

2.13.1 Tính toán bộ truyền động nhông-sên-dĩa

 Thông số kỹ thuật của bộ truyền động được sử dụng cho dưới bảng sau:

Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của bộ truyền động

 Ta tiến hành tính toán tỷ số truyền:

 Giả thiết vùng tốc độ của xe gắn máy điện:

 Ta tính toán tốc độ của xe theo công thức:

 Ta tính được tốc độ của động cơ:

2.13.2 Lập trình vi điều khiển ATmega328P

Có nhiều phương pháp để tính toán tốc độ bằng vi điều khiển ATmega328P, bao gồm Counter, Timer, và Interrupt Để đảm bảo tính chính xác cao và an toàn cho người điều khiển khi điều khiển tốc độ động cơ, nhóm nghiên cứu đã chọn phương pháp tính toán tốc độ xe bằng Input Capture Ưu điểm của chức năng này là nó hoạt động độc lập với chương trình chính và không bị ảnh hưởng bởi các chế độ ưu tiên.

Input Capture hoạt động như một "quyển sổ ghi chép" ghi lại dữ liệu Khi chân ICP1 nhận tín hiệu High, giá trị từ thanh ghi TCNT1 sẽ được tự động sao chép vào thanh ghi ICR.

Bộ truyền nhông có hai vị trí để đếm tín hiệu, cho phép xác định khoảng thời gian giữa ba lần tín hiệu mức cao ở chân ICP1, tương ứng với một vòng quay của bánh xe Từ đó, thời gian quay một vòng của bánh xe được tính bằng cách lấy giá trị ICP hiện tại trừ đi giá trị ICP trước đó, từ đó suy ra tốc độ của xe.

Tốc độ xe của nhóm nghiên cứu dao động từ 0 đến 40 km/h, do đó chế độ Input Capture hoạt động hiệu quả và chính xác hơn ở độ phân giải 8 bit thay vì 16 bit như mặc định.

Hình 2.33 Bắt sự kiện bằng Input Capture

2.13.3 Tính toán Input Capture cho vi điều khiển

 Timer 1 ở chế độ 8 bit clkio = 16MHz

 Input Capture unit = 2 × [(ICR2 + 255 × N cycle ) − ICR1]

1 vòng quay bánh xe = 3 lần cạnh lên

N motor = 1 vòng unit × 64 10 −6 × 60 Sai số ≈ 5%

Nếu quá 11 chu kỳ Timer tương ứng với 100 period, bằng khoảng 180ms, mà xe không quay hết 1 vòng thì:

Khi quá 100 period (chu kỳ) tương ứng với 180 ms thì các giá trị sẽ được đặt lại về

2.13.4 Tính toán lâp trình điều khiển vòng lập kín Để có thể điều khiển vòng lăp kín thì ta phải biết được tốc độ ở các tần số và tín hiệu từ tay ga Theo lý thuyết thì đô trượt giữa stator và rotor được tính theo công thức sau:

Với mong muốn đô trượt là thấp nhất từ 0 đến 0.3 nên tỷ lệ 𝑁 𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟

Tốc độ của 𝑁 𝑠𝑡𝑎𝑡𝑜𝑟 sẽ dao động từ 0.7 đến 1 tùy thuộc vào tải trọng của xe Dựa trên nguyên lý này, nhóm đã quyết định tính toán tốc độ dựa vào độ trượt, từ đó xác định được tần số làm việc Chẳng hạn, khi tần số f đạt 4Hz, tốc độ 𝑁 𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 sẽ được tính bằng công thức 120×𝑓.

4 = 120 [𝑟𝑝𝑚], vậy ứng với tốc độ này, vi điều khiển sẽ tính toán và chuyển đổi ra chân 𝑃𝐵1 = 𝑂𝐶𝑅1𝐴𝐿 = 𝑁 𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 ×0.8

15 = 6.4, tương tự vậy nhóm tính được bảng số liệu sau:

Bảng 2.5 Bảng tốc độ và tần số

Bảng tốc độ và tần số Tần số (Hz) Tốc độ (RPM) OCR1AL

Tay ga quyết định tốc độ mong muốn của người lái, với tín hiệu tay ga nằm trong khoảng 0-5V tương ứng với giá trị ADC từ 0-1023 Có 5 khu vực màu khác nhau tương ứng với các giá trị từ 1-5V, trong khi 0V biểu thị vị trí dừng Khi xe đang di chuyển với tốc độ cao, nếu người lái giảm tay ga, tần số sẽ không thay đổi đột ngột mà sẽ chuyển dần cho đến khi đạt được tốc độ mong muốn.

Hình 2.34 Mối quan hệ giữa tín hiệu tay ga, tần số và tốc độ

Hình 2.35 Lưu đồ thuật toán

Hệ thống sẽ đọc giá trị ADC từ tay ga và thực hiện các trường hợp đã được lập trình trong vi điều khiển Tín hiệu tay ga quyết định tốc độ tối đa của xe, trong khi cảm biến tốc độ theo dõi tần số hoạt động để xe vận hành mượt mà hơn Việc tăng dãy mô-men từ 4 lên 15 bảng giúp xe không bị khựng khi chuyển tần số, cho phép đạt tốc độ mong muốn nhanh chóng.

XÂY DỰNG HỆ THỐNG

Tổng quan về hệ thống

3.1.1 Mục tiêu của hệ thống

 Vận hành và điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha bằng nguồn điện 1 chiều

DC 240V từ bộ pin Lithium-ion

 Truyền được mô-men xoắn từ động cơ điện qua bộ truyền động nhông-sên- dĩa đến bánh xe

 Lấy được tốc độ khi xe chạy nhằm phản hồi về hệ thống giúp cải thiện mô- men xoắn cũng như tốc độ của xe

 Kiểm soát được sự quá tải khi xe đang chạy trên đường và tránh được những hư hỏng khi có sự cố xảy ra

 Xây dựng và sử dụng một số chế độ an toàn cho người lái

3.1.2 Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 3.1 Sơ đồ khối toàn bộ hệ thống

Các chức năng của từng khối

 Pin Lithium-ion: Nguồn điện cấp cho toàn bộ hệ thống gồm 60 cell pin 3.7V- 3200mAh mắc nối tiếp nhau tạo thành nguồn điện một chiều khoảng 245V

 Mạch bảo vệ: Mạch có chức năng ngắt khi quá dòng hoặc nhiệt độ của pin quá cao ngoài ngưỡng cho phép

Bộ điều khiển nhận nguồn DC 16V cùng với tín hiệu cảm biến vị trí tay ga và tín hiệu hồi tiếp từ tốc độ động cơ, từ đó tạo ra xung PWM.

 Bộ nghịch lưu: Nhận nguồn điện DC 240V và tín hiệu từ bộ điều khiển để điều khiển động cơ

 Động cơ không đồng bộ: Được cấp nguồn từ bộ nghịch lưu và dẫn động bánh xe quay

 Cảm biến vị trí tay ga: Thu thập tín hiệu truyền về bộ điều khiển

3.1.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Khi các khối được kết nối với nhau tạo thành một hệ thống và sẽ hoạt động theo trình tự sau:

 Bước 1: Khi bật công tắc thì mạch bảo vệ hay còn gọi là mạch quản lý pin sẽ cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống

Khi cảm biến vị trí tay ga gửi tín hiệu đầu vào, tín hiệu này được chuyển đổi qua bộ chuyển đổi ADC và gửi đến bộ điều khiển Đồng thời, bộ điều khiển cũng nhận tín hiệu tốc độ đầu ra từ cảm biến tốc độ.

Bước 3: Bộ điều khiển so sánh tín hiệu đầu vào với tín hiệu đầu ra dựa trên các hàm lập trình sẵn trong ATmega328P, nhằm tạo ra tín hiệu SPWM với độ chính xác cao nhất.

Các xung tín hiệu SPWM được gửi đến bộ nghịch lưu, nơi 3 bộ IR2103 điều khiển 6 IGBT để tạo ra điện áp khuếch đại Điện áp này, đạt 240V, sẽ cung cấp cho động cơ theo các pha tương ứng với tần số và mô-men của xe.

Trong quá trình hoạt động, mạch bảo vệ sẽ giám sát sự biến đổi của dòng điện và các hệ thống liên quan, tự động ngắt mạch khi phát hiện sự cố cần thiết.

 Bươc 6: Nếu bộ điều khiển không nhận được tín hiệu từ cảm biến tốc độ, hệ thống sẽ chuyển sang vận hành ở chế độ an toàn.

Tính toán và thiết kế hệ thống

3.2.1 Pin Lithium-ion Để tạo ra được nguồn điện xoay chiều 3 pha 220V cung cấp cho động cơ và nguồn điện một chiều cung cấp cho bộ điều khiển thì cần nguồn điện DC khoảng 245V nên ta chọn 60 cell pin Lithium-ion 4.05V – 3200mAh Các cell pin được mắc nối tiếp và cách ly với nhau Để tránh tình trạng pin hoạt động trong thời gian dài gây nóng dễ cháy nổ nên vỏ pin được tháo ra để đảm bảo an toàn

Hình 3.2 Bộ nguồn 60 cells pin Lithium-ion

Mạch bảo vệ do ATtiny85 điều khiển sử dụng điện trở shunt để phản hồi dòng điện, từ đó thực hiện chức năng đóng ngắt khi xảy ra quá dòng hoặc nhiệt độ cao.

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển

3.2.3 Bộ điều khiển và bộ nghịch lưu Để tạo ra được tín hiệu SPWM từ nguồn điện xoay chiều 3 pha 220V và thay đổi điện áp phù hợp với dải tần số 0-50Hz, nhóm nghiên cứu quyết định chọn vi điều khiển ATmega328P vì nó có kích thước nhỏ gọn và nằm trong chương trình học, do đó mức độ tiếp cận hoàn toàn nằm trong khả năng của nhóm

Nhóm nghiên cứu sử dụng nguồn điện 16V từ mạch bảo vệ, qua mạch ổn áp LM7805 để cung cấp nguồn điện một chiều 5V cho ATmega328P Bộ điều khiển hoạt động với dao động thạch anh 16MHz, giúp ổn định và không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ như mạch dao động RC Để tạo xung SPWM, vi điều khiển ATmega328P điều khiển quá trình đóng ngắt của IGBT, từ đó tạo ra điện áp xoay chiều 3 pha bằng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM.

Nhóm đã sử dụng chức năng Timer/Fast PWM của ATmega328P để tạo ra xung dựa trên số liệu lập trình Bảng số liệu này tạo nên xung SPWM, được gọi là bản đồ, với mỗi bản đồ tương ứng với một tần số và giá trị áp khác nhau Bản đồ được hình thành từ giao điểm của sóng mang và sóng sine, tại đó ATmega328P điều khiển tín hiệu đóng ngắt IGBT bằng xung PWM tương tự sóng sine thông qua IR2103.

IR2103 là tụ boostrap quan trọng giúp các IGBT hoạt động nhanh chóng và chính xác hơn Để điều khiển IGBT qua động cơ, cần đảm bảo hai yếu tố: cấp nguồn dương và nối âm cho IR2103, với chân VS đóng vai trò nguồn dương cho chân low và âm cho chân high, cùng với dòng kích từ Khi đủ hai tín hiệu này, 6 IGBT sẽ lần lượt xuất xung tín hiệu kích cho ba chân của động cơ hoạt động.

3.2.4 Động cơ Được điều khiển bởi bộ điều khiển và bộ nghịch lưu Động cơ được mắc hình sao và được cấp nguồn từ bộ pin sau khi đi qua mạch bảo vệ

Cảm biến sử dụng nguyên lý hiệu ứng Hall để nhận tín hiệu tốc độ trực tiếp từ động cơ Tín hiệu này sau đó được truyền về bộ điều khiển để so sánh với thông tin từ cảm biến tay ga.

Từ đó cho ra tần số cũng như mức điện áp phù hợp cấp cho động cơ

3.2.6 Cảm biến vị trí tay ga

Hoạt động như một biến trở thu thập tín hiệu từ người lái cung cấp tín hiệu cho bộ điều khiển

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG

Thiết kế và thi công mạch điều khiển

 Tạo ra bộ điều khiển có độ chính xác cao và an toàn

 Nhận tín hiệu phản hồi từ tay ga và cảm biến tốc độ để thay đổi tần số phù hợp

4.1.2 Thiết kế mạch điều khiển

Nhóm nghiên cứu sử dụng phần mềm Proteus để vẽ sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển như hình bên dưới

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển

Theo sơ đồ kết nối:

 ATmega328P là “bộ não” của hệ thống gửi các tín hiệu xung PWM tới 3 IC IR2103 nhờ vào chức năng của IC và ứng dụng tụ bootstrap

 Ngõ ra xung PWM trên vi điều khiển được nối với chân HIN trên IR2103

 Chân LIN được nối với một ngõ I/O bất kỳ để đảo pha khi hoạt động

 Theo nguyên lý hoạt động của IR2103, 2 ngõ HO và LO sẽ xuất xung PWM tương ứng

Chân VB và VS được kết nối qua một tụ bootstrap Theo datasheet, để điều khiển IGBT ở tần số 50Hz, cần sử dụng tụ 8µF, tuy nhiên, nghiên cứu cho thấy việc sử dụng tụ 10µF mang lại tính ổn định cao hơn và giảm nhiệt độ tỏa ra.

 Để tránh tụ bootstrap xả ngược, cần mắc một diode 1N4007

 Một tụ 2.2àF được mắc song song với nguồn cấp cú tỏc dụng lọc nguồn

4.1.3 Thi công mạch điều khiển

Nhóm tiến hành hàn mạch theo sơ đồ nguyên lý để kiểm tra phần mềm và độ chính xác của mạch thiết kế

4.1.4 Kiểm tra mạch điều khiển

Sau khi đã thiết kế và thi công mạch điều khiển, nhóm tiến hành đo tín hiệu xung của mạch bằng máy đo xung

Hình 4.3 Kiểm tra tín hiệu mạch điều khiển

Tín hiệu xung đo được hiển thị trên màn hình máy đo xung như hình sau:

Hình 4.4 Tín hiệu xung sine đo được

Trục tung biểu thị điện áp với độ chia 10V, trong khi trục hoành thể hiện thời gian với độ chia 10ms Ở khoảng đầu thể và khoảng giữ, các xung PWM phân bố không đều, tạo ra hình dạng tương tự như sóng Sin Thông số này cho thấy tần số hoạt động của xung hiện tại nhỏ hơn 10Hz.

Thiết kế và thi công mạch công suất

 Khuếch đại tín hiệu từ mạch điều khiển thông qua IGBT để điều khiển động cơ

4.2.2 Thiết kế mạch công suất

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất

4.2.3 Thi công mạch công suất

Nhóm tiến hành hàn mạch theo sơ đồ nguyên lý để kiểm tra tín hiệu từ mạch điều khiển và tín hiệu nhận được của 6 IGBT

4.2.4 Kiểm tra mạch công suất

Nhóm tiến hành đo kiểm tín hiệu từ chân Gate của 6 IGBT bằng máy đo xung

Hình 4.7 Kiểm tra tín hiệu mạch công suất

Và sau đó kiểm tra tín hiệu ra 3 chân của động cơ trên mạch công suất

Hình 4.8 Kiểm tra tín hiệu đầu ra động cơ

Thiết kế và thi công mạch PCB

 Thiết kế nhỏ gọn trên cùng một mạch, giúp tối ưu không gian lắp đặt mạch trên xe

 Tăng độ thẩm mỹ cho mạch

 Mạch hoạt động chính xác và ổn định hơn

Nhóm tiến hành vẽ mạch in theo sơ đồ nguyên lý trên phần mềm Proteus:

Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển PCB

Bảng mạch sau khi đã nối chân các linh kiện:

Hình 4.10 Mạch điều khiển PCB

Mạch PCB sau khi mô phỏng trên Proteus:

Hình 4.11 Mô phỏng mạch điều khiển

Sau khi đã in mạch PCB, nhóm tiến hành hàn linh kiện theo sơ đồ nguyên lý như hình sau:

Hình 4.12 Mạch điều khiển PCB

Trong quá trình hàn linh kiện vào mạch in, nhóm nghiên cứu thực hiện đo kiểm các linh kiện để đảm bảo chất lượng, ngăn ngừa hư hỏng và tránh tình trạng ngắn mạch, từ đó giảm thiểu nguy cơ nổ tụ và cháy mạch.

Khi kiểm tra tín hiệu ở chân IGBT sẽ thu được xung SPWM điều khiển đóng ngắt giúp cho động cơ hoạt động bằng điện xoay chiều 3 pha

Hình 4.13 Tín hiệu xung của mạch PCB

Lắp đặt mạch bảo vệ

 Nghiên cứu lắp đặt mạch bảo vệ gọn gàng và có tính thẩm mỹ trên khung xe gắn máy

 Chống nhiễu cho mạch bảo vệ, đảm bảo mạch bảo vệ hoạt động ổn định

4.4.2 Tản nhiệt và chống nhiễu mạch bảo vệ Để tản nhiệt tốt cho mạch bảo vệ, nhóm gắn xung quanh mạch một tấm nhôm tản nhiệt như hình dưới đây:

Hình 4.14 Thi công mạch bảo vệ

Ngoài ra, để chống nhiễu cho mạch, nhóm thiết kế một hộp đựng bằng tấm Fomex để cách ly như hình sau:

Hình 4.15 Chống nhiễu cho mạch bảo vệ

4.4.3 Lắp đặt mạch bảo vệ Để tận dụng không gian, cũng như dễ tháo lắp thay thế cầu chì và thẩm mỹ, nhóm sử dụng phương án lắp mạch bảo vệ ngay vị trí đặt bình ắc quy trên xe máy như hình sau:

Hình 4.16 Lắp đặt mạch bảo vệ

4.4.4 Kiểm tra mạch bảo vệ Để kiểm tra ảnh hưởng của nhiễu cho mạch bảo vệ, nhóm tiến hành khởi động động cơ

 Khi chưa có cách ly thì đèn báo ngắt sẽ hoạt động như hình sau:

Hình 4.17 Trước và sau khi khởi động (chưa cách ly)

 Khi đã được cách ly tốt, mạch bảo vệ đã chống nhiễu được và không còn bị ngắt đột ngột nữa.

Thiết kế lắp đặt cảm biến tốc độ trên xe

4.5.1 Thiết kế bố trí cảm biến Ở trục động cơ có 2 vị trí được bắt vít để cảm biến tốc độ nhân được tín hiệu như hình bên dưới

Hình 4.18 Vị trí đọc tín hiệu ở trục động cơ

Nhóm tiến hành thiết kế vỏ ở trục động cơ có bắt vít để gắn cảm biến tốc độ

Hình 4.19 Vỏ trục động cơ và cảm biến tốc độ

4.5.2 Kiểm tra tín hiệu phản hồi từ cảm biến tốc độ Để kiểm tra và so sánh tín hiệu tốc độ từ vi điều khiển và từ cảm biến tốc độ, nhóm tiến hành đo hai chân PB0 (tín hiệu tốc độ đầu vào từ cảm biến tốc độ) và chân PB1 (tín hiệu tốc độ đầu ra sau khi được vi điều khiển tính toán)

Hình 4.20 Đo kiểm chân tín hiệu tốc độ

Nhóm quan sát máy đo xung và ghi nhận lại kết quả như sau:

Hình 4.21 thể hiện tín hiệu tốc độ với độ chia 10.0 ms, trong đó đường màu xanh đại diện cho tín hiệu ở chân PB0 và đường màu vàng cho chân PB1 Khi nhóm quay bánh xe và ghi nhận kết quả từ máy đo xung, khoảng cách giữa hai xung xuống của đường màu xanh là 71 ms, tương ứng với nửa chu kỳ của bánh xe Do sự hiện diện của tụ, đường màu xanh có xu hướng tăng dần Từ đó, chúng ta có thể tính toán tốc độ động cơ thông qua cảm biến Hall.

= 422.5 (𝑅𝑃𝑀) Trong đó: N CB là tốc độ động cơ từ cảm biến (RPM)

T là nửa chu kỳ của bánh xe (ms)

Tốc độ động cơ được tính toán bởi vi điều khiển sẽ được biểu diễn qua độ rộng xung của đường màu vàng, tương ứng với tín hiệu đầu ra 2 ms.

Hình 4.22 Tín hiệu tốc độ ở độ chia 2.5 ms

Từ đó, ta tính toán được tốc độ của động cơ sau khi được vi điều khiển tính toán bằng công thức:

Trong đó: N TT là tốc độ động cơ được tính toán từ vi điều khiển (RPM)

𝑇𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑_1024 là chu kỳ của 1 lần đếm tràn trong Timer 1 (ms)

Tiếp theo, nhóm tính toán sai số của hệ thống như sau:

474 × 100 = 8.9 % Kết luận: Vì do quan sát bằng mắt, tính chính xác cũng tương đối, sai số 𝛿 = 8.9 %

< 10% trong giới hạn cho phép

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Mục đích

 Xác định được vùng khởi động tần số thấp bằng thực nghiệm và kiểm tra tín hiệu tốc độ khi vận hành xe

 Kiểm tra, so sánh kết quả dưới các điều kiện làm việc thực tế với lý thuyết tính toán

 Đánh giá mức độ an toàn, ổn định của hệ thống

 Tìm ra các giải pháp tối ưu để cải tiến và hoàn thiện hệ thống

 Tìm ra những mặt hạn chế, từ đó vạch ra hướng đi tiếp theo cho hệ thống.

Các thiết bị hỗ trợ thực nghiệm

 Băng thử mô-men, tốc độ cho động cơ điện

Tiến hành thực nghiệm

5.3.1 Thực nghiệm trên băng thử Để xác định vùng khởi động hay còn gọi là vùng tăng áp tần số thấp thông qua việc xác định được mô-men tối ưu nhất tại một tần số ở các dải biên độ khác nhau, nhóm đã chuẩn bị những thiết bị sau phục vụ cho quá trình thực nghiệm trên băng thử:

 Bộ nguồn 72 cells với điện áp 250V (sai số 5%)

 Động cơ không đồng bộ ba pha đấu hình tam giác

 Bộ tạo mô-men cho động cơ

 Đồng hồ đo tốc độ động cơ

 Đồng hồ đo mô-men của động cơ

 Một máy đo xung kiểm tra tín hiệu

 Một đồng hồ đo dòng điện

Để thực hiện thí nghiệm trên băng thử mô-men, bộ nguồn cần được sạc đạt 250V, với dung lượng pin yêu cầu nằm trong khoảng 240-250V, đảm bảo sai số cho phép là 5% Nhóm đã tiến hành lắp đặt mạch điện an toàn và sạc pin theo quy trình đã định.

Hình 5.2 Thực hiện nạp điện cho bộ pin

5.3.1.1 Kết quả thực nghiệm ở tần số 3Hz Ở tần số 3Hz, mô-men động cơ vẫn chưa tăng lên đến giá trị cực đại mô-men của băng thử (3.2N.m)

Bảng 5.1 Kết quả thực nghiệm ở tần số 3Hz

Hình 5.3 Đồ thị thực nghiệm ở tần số 3Hz

3 Hz Biên độ Dòng (A) Mô-men (N.m)

5.3.1.2 Kết quả thực nghiệm ở tần số 4Hz Ở tần số 4Hz này, nhóm cũng đã ghi nhận 3 điểm biên độ có mô-men tối ưu (> 3.2N.m) Đó là các dải biên độ 200, 215 và 255 Tương tự như tần số 3Hz, nhóm cũng sẽ tiến hành thực nghiệm trên mô hình xe điện

Bảng 5.2Kết quả thực nghiệm ở tần số 4Hz

Hình 5.4 Đồ thị thực nghiệm ở tần số 4Hz

4 Hz Biên độ Dòng (A) Mô-men (N.m)

5.3.1.3 Kết quả thực nghiệm ở tần số 5Hz Ở tần số 5Hz này, nhóm cũng đã ghi nhận 4 điểm biên độ có mô-men tối ưu (> 3.2N.m) Đó là các dải biên độ 195, 225, 230 và 255 Tương tự như tần số 4Hz, nhóm cũng sẽ tiến hành thực nghiệm trên mô hình xe điện

Bảng 5.3 Kết quả thực nghiệm ở tần số 5Hz

Hình 5.5 Đồ thị thực nghiệm ở tần số 5Hz

5 Hz Biên độ Dòng (A) Mô-men (N.m)

5.3.2 Thực nghiệm trên mô hình xe điện

5.3.2.1 Thực nghiệm dải tần số thấp

Sau khi xác định được các dải biên độ tối ưu cho việc khởi động tại các tần số thấp 3Hz, 4Hz và 5Hz, nhóm nghiên cứu đã tiến hành thực nghiệm trên mô hình xe gắn máy điện.

Hình 5.6 Thực nghiệm trên mô hình xe điện

Bảng 5.4 Bảng kết quả thực nghiệm ở dải tần số thấp

Tốc độ khi khởi động

Tần số Biên độ Ghi chú

4Hz 200 Truyền động nhông sên bị kêu

4Hz 215 Truyền động nhông sên bị kêu

4Hz 225 Truyền động nhông sên bị kêu

5Hz 195 Truyền động nhông sên bị kêu

5Hz 200 Mô-men mạnh, tải được 1 người

5Hz 225 Truyền động nhông sên bị kêu

5Hz 230 Mô-men mạnh nhất, tải được 2 người

Hình 5.7 Đồ thị kết quả thực nghiệm ở dải tần số thấp

Kết luận cho thấy rằng các tần số dưới 5Hz khiến động cơ khó khởi động và phát ra tiếng ồn Vì vậy, tần số khởi động tối ưu được nhóm nghiên cứu lựa chọn là từ 5Hz trở lên, với biên độ 230.

5.3.2.2 Thực nghiệm từ dải tần số 5Hz trở lên

Sau khi xác định tần số khởi động, nhóm tiến hành thử nghiệm trên các dải tần số cao hơn, từ 6Hz đến 20Hz, với biên độ điều khiển hồi tiếp từ 180 đến 250 Nguồn điện sử dụng là 230-240V và tải thử nghiệm từ 1-2 người.

Hình 5.8 Thực nghiệm trên đường có tải 2 người

Và sau khi thực nghiệm thì nhóm thu được các kết quả tốt nhất như bảng sau:

Bảng 5.5 Bảng thực nghiệm ở dải tần số cao

Tần số [Hz] Biên độ

Hình 5.9 Đồ thị thực nghiệm ở dải tần số cao

Kết quả thực nghiệm

 Nhóm nghiên cứu đã tìm được vùng khởi động tối ưu nhất 5Hz với biên độ

230, ở tần số này xe có thể khởi động với tải 2 người

Để cải thiện khả năng tăng tốc và tốc độ tối đa của xe, việc xác định các mức điện áp phù hợp với từng tần số là rất quan trọng.

 Điều khiển vòng lặp kín bằng việc đọc tín hiệu từ cảm biến tốc độ và hồi tiếp về vi điều khiển