Trong khi đó, động cơ điện đang nổi lên như tương lai của ngành giao thông vận tải, với những ưu điểm vượt trội và giải quyết được nhiều hạn chế của các loại động cơ truyền thống.. 1.2.
QUAN VỀ Ô TÔ
Giới thiệu chung về ô tô
1.1.1 Lịch sử phát triển của ô tô
Ngành ô tô bắt đầu từ những cỗ máy chạy bằng hơi nước ở thế kỷ 18, trải qua nhiều thăng trầm và vươn lên trở thành một trụ cột của nền kinh tế Ngày nay, con người không khỏi trầm trồ trước sự phát triển của ô tô điện hiện đại, sang trọng và tiện nghi, biểu tượng cho tiến bộ công nghệ vận tải và xu hướng sống bền vững.
Dù vậy, đến nay vẫn còn nhiều tranh luận về sự ra đời của chiếc xe hơi đầu tiên Từ
Ô tô bắt nguồn từ tiếng Anh hình thức “automobile”, mang ý nghĩa tự động chuyển động và được dùng để chỉ phương tiện di chuyển bằng động cơ Theo định nghĩa này, nhiều ý kiến cho rằng chiếc xe hơi đầu tiên vận hành bằng động cơ hơi nước do Nicolas Joseph Cugnot chế tạo vào năm 1770.
Hình 1.1 Xe vận hành bằng động cơ hơi nước do Nicolas Joseph Cugnot chế tạo năm
Một số nhận định cho rằng nguồn gốc của xe hơi bắt nguồn từ năm 1876, khi Nicolaus Otto phát minh động cơ đốt trong với thiết kế và động cơ gần gũi nhất với ô tô ngày nay Đáng chú ý là những chiếc xe do Karl Benz, Wilhelm Maybach và Gottlieb Daimler chế tạo, những người đã đặt nền móng cho ngành công nghiệp ô tô hiện đại.
1.1.2 Tình hình phát triển của ô tô hiện nay
Trong thế giới ô tô hiện đại, người tiêu dùng đang cân nhắc ba lựa chọn động cơ chính: xăng, hybrid và điện, mỗi loại mang những ưu nhược điểm riêng Động cơ xăng vẫn có phạm vi di chuyển rộng, khả năng nạp nhiên liệu siêu tốc, hạ tầng trạm xăng dày đặc và giá mua ban đầu thấp, nhưng gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, chi phí vận hành cao và biến động theo giá nhiên liệu, đồng thời đòi hỏi bảo dưỡng định kỳ tốn kém và phụ thuộc vào nguồn tài nguyên hóa thạch hữu hạn Động cơ hybrid được xem như giải pháp chuyển tiếp, cố gắng kết hợp ưu điểm của xăng và điện: tiết kiệm nhiên liệu hơn xe xăng, giảm phát thải ở mức nhất định và phạm vi di chuyển linh hoạt mà không phải lo hết pin, tuy nhiên lại có giá thành cao hơn do cấu tạo phức tạp, vẫn thải khí thải và hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu có thể giảm ở tốc độ cao, đồng thời chi phí bảo dưỡng và sửa chữa tiềm ẩn cao hơn vì sự phức tạp của hệ thống.
Trong khi đó, động cơ điện đang nổi lên như tương lai của ngành giao thông vận tải, với những ưu điểm vượt trội và giải quyết được nhiều hạn chế của các loại động cơ truyền thống Lợi thế lớn nhất của xe điện là không phát thải, góp phần làm sạch không khí và chống biến đổi khí hậu Chi phí vận hành của xe điện cực kỳ thấp, giúp người dùng tiết kiệm đáng kể so với xe xăng Trải nghiệm lái xe cũng vượt trội với sự êm ái, yên tĩnh và khả năng tăng tốc tức thì mạnh mẽ Dù giá mua ban đầu còn cao và thời gian sạc lâu hơn đổ xăng, cũng như hạ tầng sạc chưa phủ khắp hoàn toàn, những rào cản này đang nhanh chóng được khắc phục nhờ sự phát triển vượt bậc của công nghệ pin và đầu tư mạnh mẽ vào cơ sở hạ tầng Chính vì những lý do về môi trường, tiết kiệm chi phí lâu dài và trải nghiệm lái hiện đại, động cơ điện đang trở thành lựa chọn tối ưu và là xu thế không thể đảo ngược Lựa chọn xe điện không chỉ là một quyết định tài chính thông minh mà còn là một hành động có trách nhiệm với hành tinh của chúng ta.Vì vậy, em đã lựa chọn xe điện làm trọng tâm cho nghiên cứu của mình, nhằm đi sâu khám phá những công nghệ đột phá và tiềm năng ứng dụng của chúng.
Tìm hiểu về ô tô điện
1.2.1 Giới thiệu chung và lịch sử phát triển của xe điện
Xe ô tô điện (EV) là loại phương tiện giao thông sử dụng một hoặc nhiều động cơ điện để tạo lực đẩy, thay vì dựa vào động cơ đốt trong chạy bằng xăng hoặc diesel Sự xuất hiện và phát triển mạnh mẽ của xe điện đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong lịch sử ngành công nghiệp ô tô, mở ra một tương lai di chuyển xanh và bền vững.
Hình 1.2 cho thấy pin trữ điện giúp xe ô tô chạy 1000 dặm Ô tô ra đời vào năm 1886 khi Karl Benz chế tạo chiếc xe ba bánh chạy bằng xăng đầu tiên; đầu thế kỷ 20, Henry Ford đã cách mạng hóa ngành với dây chuyền sản xuất hàng loạt, giúp xe ô tô trở nên phổ biến Sau Thế chiến II, ngành công nghiệp bùng nổ, xe ô tô ngày càng đa dạng và tiện nghi hơn Từ thập niên 1980, công nghệ điện tử bắt đầu được tích hợp mạnh mẽ Hiện nay, trọng tâm phát triển chuyển sang xe điện (EV), xe tự hành và xe kết nối, hướng tới tương lai di chuyển bền vững và thông minh.
1.2.2 Ưu nhược điểm của xe điện
Ưu và Nhược Điểm của Xe Ô tô Điện
Xe ô tô điện đang ngày càng khẳng định vị thế nhờ những ưu điểm vượt trội như tiết kiệm nhiên liệu, giảm phát thải và sự linh hoạt trong đô thị, đặc biệt trong bối cảnh thế giới đang hướng tới phát triển bền vững Tuy nhiên, vẫn còn một số khía cạnh cần được cải thiện để tăng tính cạnh tranh và phổ biến hóa, bao gồm chi phí đầu tư ban đầu, hạ tầng trạm sạc, thời gian sạc và chu kỳ pin, cũng như nguồn cung nguyên liệu và tái chế pin nhằm đảm bảo tính kinh tế và bền vững lâu dài cho xe ô tô điện.
Xe điện mang lại lợi ích môi trường vượt trội nhờ không phát thải trực tiếp khí gây ô nhiễm từ ống xả, giúp làm sạch không khí đô thị và giảm biến đổi khí hậu, đồng thời là điểm cộng so với động cơ đốt trong Về mặt kinh tế, chi phí vận hành của xe điện thường thấp hơn nhờ giá điện rẻ và số lượng bộ phận chuyển động ít, từ đó chi phí bảo dưỡng được giảm đáng kể Trải nghiệm lái xe điện còn được đánh giá cao với khả năng tăng tốc tức thì, cảm giác lái phấn khích và sự êm ái, yên tĩnh vượt trội giúp giảm căng thẳng cho người lái Thêm vào đó, thiết kế pin đặt dưới sàn giúp xe có trọng tâm thấp, tăng tính ổn định và tối ưu hóa không gian nội thất, mang lại sự thoải mái và an toàn cho người dùng.
Một vài Nhược điểm Cần Khắc Phục
Xe điện mang nhiều ưu điểm nhưng vẫn có một vài hạn chế cần lưu ý: phạm vi hoạt động (quãng đường đi được sau mỗi lần sạc) đôi khi chưa đủ cho các chuyến đi dài, đặc biệt ở những khu vực hạ tầng sạc chưa phát triển đầy đủ; thời gian sạc đầy pin thường lâu hơn so với đổ xăng, dù công nghệ sạc nhanh ngày càng được cải thiện; và giá thành mua xe ban đầu thường cao hơn các mẫu xe xăng tương đương do chi phí sản xuất pin vẫn còn ở mức cao.
Xe điện đang chứng minh mình là giải pháp di chuyển ưu việt với nhiều lợi ích về môi trường, kinh tế và trải nghiệm lái Những nhược điểm còn tồn tại đang dần được công nghệ và hạ tầng phát triển giải quyết, mang lại sự cải thiện về phạm vi, chi phí vận hành và độ tin cậy Nhờ tiến bộ trong công nghệ pin, sạc nhanh và mạng lưới hạ tầng, xe điện đang thu hẹp khoảng cách giữa lý thuyết và thực tế Tương lai xe điện hứa hẹn trở thành lựa chọn hàng đầu cho mọi người nhờ sự cân bằng giữa bền vững môi trường và trải nghiệm lái ngày càng tốt hơn.
1.2.3 Đặc Điểm Cấu Tạo và Chức Năng của Các Bộ Phận Chính trên Ô tô Điện Ô tô điện thường có các bộ phận cơ bản giống như xe truyền thống (khung gầm, hệ thống lái, phanh, treo, thân vỏ ), nhưng điểm khác biệt cốt lõi nằm ở hệ thống truyền động điện (Electric Powertrain).
Đặc điểm cấu tạo của bộ pin xe điện bao gồm hàng ngàn cell pin Lithium-ion nhỏ được sắp xếp thành các mô-đun và ghép lại thành một bộ pin lớn Toàn bộ bộ pin được đặt trong vỏ bảo vệ chắc chắn và thường nằm dưới sàn xe nhằm tối ưu hóa không gian và hạ thấp trọng tâm Bộ pin được trang bị Hệ thống quản lý pin (BMS) để giám sát dung lượng, nhiệt độ và trạng thái sạc-xả, từ đó tăng hiệu suất và đảm bảo an toàn vận hành.
Chức năng của pin ô tô điện được ví như bình nhiên liệu, lưu trữ năng lượng ở dạng DC để cung cấp cho động cơ điện và các hệ thống phụ trợ của xe Dung lượng pin, đo bằng kWh, quyết định phạm vi di chuyển của xe sau mỗi lần sạc Hệ thống quản lý pin (BMS - Battery Management System) theo dõi và quản lý mọi thông số của pin, bao gồm điện áp, dòng điện, nhiệt độ và trạng thái sạc/xả của từng tế bào pin, nhằm tối ưu hiệu suất, đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ pin.
2 Động cơ điện (Electric Motor)
Đặc điểm cấu tạo của động cơ điện được sử dụng trên xe ô tô cho thấy có nhiều loại khác nhau, nhưng phổ biến nhất vẫn là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Motor - PMSM) Trong PMSM, rotor gắn nam châm vĩnh cửu còn stator được thiết kế với các cuộn dây để sinh từ trường, cho mô-men xoắn lớn, hiệu suất cao và kích thước gọn nhẹ Nhờ đặc điểm này, PMSM mang lại công suất ổn định, tiết kiệm năng lượng và ít tiêu hao điện năng ở nhiều chế độ vận hành, đồng thời dễ tích hợp với hệ thống điều khiển điện tử và biến tần trong truyền động xe điện Bên cạnh PMSM, vẫn còn các loại động cơ khác như động cơ không đồng bộ, nhưng PMSM là lựa chọn phổ biến nhờ độ ổn định và hiệu suất vượt trội trong ứng dụng ô tô điện và xe hybrid.
Động cơ đồng bộ PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) và động cơ không đồng bộ (Induction Motor) là hai loại động cơ được ứng dụng rộng rãi nhờ cấu tạo đơn giản hơn so với động cơ đốt trong, thường chỉ gồm hai phần chính là stator (phần đứng yên) và rotor (phần quay) Trong nhiều hệ truyền động, có thể dùng một hoặc nhiều động cơ; ví dụ một động cơ cho trục trước và một cho trục sau nhằm tối ưu hóa lực kéo và hiệu suất vận hành.
Động cơ điện là 'trái tim' của xe điện, có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng điện thành cơ năng (mô-men xoắn) để làm quay bánh xe và đẩy xe di chuyển Động cơ điện cung cấp mô-men xoắn tức thời ngay từ vòng tua đầu tiên, mang lại khả năng tăng tốc ấn tượng Nó còn có khả năng hoạt động như một máy phát điện trong quá trình phanh tái sinh để nạp lại năng lượng vào pin.
3 Bộ Biến tần/Bộ điều khiển công suất (Inverter / Power Electronics Controller)
Đặc điểm cấu tạo: Là một bộ phận điện tử công suất phức tạp, thường được đặt gần động cơ điện.
Chức năng của hệ thống được ví như "bộ não" điều khiển dòng năng lượng, tối ưu hóa nguồn điện cho động cơ điện và bảo đảm vận hành hiệu quả Biến tần chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) từ pin thành dòng điện xoay chiều (AC) để cấp nguồn cho động cơ, đồng thời khi phanh tái sinh tạo ra AC sẽ được chuyển đổi trở lại thành DC để sạc pin Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ bàn đạp ga của người lái và điều chỉnh lượng điện năng cung cấp cho động cơ, từ đó kiểm soát tốc độ quay và mô-men xoắn, giúp xe tăng tốc và giảm tốc một cách mượt mà và hiệu quả.
4 Bộ sạc On-board (On-board Charger - OBC)
Đặc điểm cấu tạo: Là một bộ phận nhỏ gọn được tích hợp bên trong xe.
Chức năng của On-Board Charger (OBC) là chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) từ lưới điện dân dụng hoặc trạm sạc AC thành dòng điện một chiều (DC) phù hợp để nạp pin của xe OBC có các mức công suất khác nhau—ví dụ 3.7 kW, 7.2 kW và 11 kW—quyết định tốc độ sạc AC, giúp tối ưu thời gian nạp và hiệu quả vận hành xe điện tùy thuộc vào thiết kế và điều kiện sử dụng.
Đặc điểm cấu tạo: Là cổng kết nối bên ngoài xe, nơi người dùng cắm cáp sạc
Có nhiều loại tiêu chuẩn cổng sạc khác nhau tùy theo khu vực (ví dụ: Type 2, CCS, CHAdeMO).
Chức năng: Cho phép xe kết nối với nguồn điện bên ngoài (từ bộ sạc tại nhà hoặc trạm sạc công cộng) để nạp năng lượng vào pin.
6 Hệ thống làm mát (Thermal Management System)
Đặc điểm cấu tạo: Bao gồm bơm, đường ống dẫn dung dịch làm mát, bộ tản nhiệt và quạt.
Chức năng của hệ thống làm mát là duy trì nhiệt độ tối ưu cho các bộ phận quan trọng như bộ pin, động cơ điện và bộ biến tần, nhằm đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của các linh kiện này Nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp có thể làm giảm hiệu suất và gây hại cho tuổi thọ của chúng Hệ thống này giúp pin hoạt động hiệu quả hơn, sạc nhanh hơn và kéo dài tuổi thọ cho toàn bộ hệ thống truyền động.
7 Hộp số (Transmission - Single-speed)
Động cơ điện
Để nâng cao hiệu suất, khả năng vận hành và tuổi thọ cho ô tô điện, tôi đã lựa chọn nghiên cứu và phát triển bộ điều khiển cho động cơ điện một chiều ứng dụng trên ô tô điện làm trọng tâm cho đồ án tốt nghiệp của mình Đề tài đi sâu vào thiết kế, mô phỏng và đánh giá các phương pháp điều khiển tiên tiến nhằm tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và khả năng vận hành của hệ thống truyền động điện trên ô tô.
TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều
Ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập: ω = U ư k ϕ • R ư ¿¿ M (2.4) trong đó: ω – tốc độ góc của động cơ
R ư – điện trở dây quấn phần ứng của động cơ
M – momen phần ứng của động cơ (bỏ qua tổn thất từ thì M = M cơ = M đ từ = k ϕ I ư ) k – hệ số cấu tạo của động cơ ϕ – từ thông của động cơ
Từ phương trình đặc tính cơ cho thấy để điều chỉnh được tốc độ của động cơ một chiều, ta có thể điều chỉnh các thông số sau:
Điều chỉnh điện áp phần ứng U ư
Điều chỉnh R ư bằng cách thêm điện trở phụ R f vào mạch phần ứng
Ta sẽ phân tích từng trường hợp cụ thể dưới đây.
2.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở phụ mạch phần ứng
Giả thiết Uư = Uđm = const và ϕ = ϕđm Muốn thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng, ta mắc thêm một điện trở phụ RF vào mạch phần ứng Thay đổi giá trị của RF sẽ làm thay đổi tốc độ quay của động cơ, cho phép điều chỉnh vận hành và đáp ứng các yêu cầu điều khiển của hệ thống truyền động.
Phương trình đặc tính cơ lúc này sẽ là: ω = U ư kϕ • ( R ¿¿ ư + R f ) ¿¿ ¿ M (2.5)
Ta nhận thấy rằng khi giá trị điện trở phụ Rf tăng lên thì tốc độ của động cơ giảm đi Để hiểu rõ hiện tượng này, ta xét đặc tính cơ của động cơ một chiều khi Rf được mắc vào mạch phần ứng Sự tăng của Rf làm giảm dòng phần ứng, làm biến đổi từ trường và lực mô-men tác dụng, từ đó kéo giảm tốc độ ở các mức tải khác nhau Phân tích này cho thấy mối quan hệ giữa giá trị Rf và đặc tính làm việc của động cơ, giúp tối ưu hóa việc điều khiển tốc độ thông qua việc điều chỉnh Rf trong mạch phần ứng.
Hình 2.3 Đặc tính của động cơ một chiều.
Ở cùng một giá trị momen cản M_C, sự sụt tốc độ sẽ tăng lên khi điện trở của mạch phần ứng càng lớn, gây giảm tốc độ động cơ và làm giảm độ cứng của đặc tính cơ Dựa vào đồ thị đặc tính cơ, ta thấy các tốc độ làm việc ω2, ω3 của động cơ trên các đường đặc tính cơ nhân tạo (2) và (3) nhỏ hơn ω_đm trên đường đặc tính cơ tự nhiên Do đó, phương pháp nối điện trở phụ vào mạch phần ứng chỉ có thể điều chỉnh tốc độ động cơ về phía dưới, tức là tốc độ điều chỉnh sẽ nhỏ hơn tốc độ định mức.
Hiệu suất của phương pháp này tương đối thấp, nên việc điều chỉnh tốc độ theo cách này không mang lại hiệu quả kinh tế, do tổn hao trên các điện trở phụ làm giảm hiệu suất của thiết bị Vì vậy, phương pháp này trong thực tế ít được sử dụng.
2.2.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông của cuộn kích từ
Trong giả thiết U_ư = U_đm = const và R_ư = const, độ lớn của từ thông được quyết định bởi dòng điện kích từ Ikt của động cơ Để điều chỉnh từ thông, ta phải thay đổi Ikt bằng cách mắc nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hoặc bằng cách điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ, từ đó tăng hoặc giảm từ thông cho động cơ.
Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông, dòng điện tăng và có thể vượt quá giới hạn cho phép nếu momen của động cơ không đổi Vì vậy để vừa giữ cho dòng điện không vượt quá giá trị cho phép vừa giảm từ thông, ta phải giảm momen tải theo cùng tỉ lệ Đặc điểm của phương pháp là cân bằng giữa từ thông và momen tải để điều chỉnh tốc độ mà không làm quá tải hệ thống dẫn động, đảm bảo hiệu suất làm việc và an toàn cho các thành phần điện cơ.
- Phương pháp này có thể điều chỉnh tốc độ ở vùng cao hơn tốc độ định mức.
Phương pháp này chỉ được dùng để điều khiển trong vùng tải ở mức không vượt quá định mức cho phép Việc thay đổi độ lớn của từ thông không làm thay đổi độ lớn của dòng điện ngắn mạch.
- Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều khiển với công suất không đổi.
Phương pháp này được áp dụng phổ biến, linh hoạt và kinh tế, cho phép điều chỉnh liên tục nhằm thích nghi với các điều kiện làm việc khác nhau Việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ được thực hiện với trị số dòng kích từ bằng khoảng 1–10% dòng điện định mức của phần ứng, nhờ đó tổn hao điều chỉnh thấp và tối ưu hóa hiệu quả của hệ thống.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ DC bằng cách thay đổi từ thông cuộn kích từ có ưu điểm là có thể tăng tốc độ lên trên định mức, nhưng nó mang nhiều nhược điểm hơn Phương pháp này chỉ điều chỉnh được một chiều (tăng tốc), làm giảm mô-men xoắn và khiến động cơ kém ổn định khi tải thay đổi Vì vậy nó hiếm khi được dùng độc lập mà thường là bổ trợ cho các phương pháp điều khiển khác trong các ứng dụng thực tế đòi hỏi độ chính xác và linh hoạt cao, đồng thời thường được kết hợp với các biện pháp điều khiển khác để đảm bảo hiệu suất và ổn định tải.
2.2.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp phần ứng
Trong hình 2.4, từ thông vòng kích từ ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc tính cơ của hệ và sự thay đổi từ thông này làm thay đổi hành vi của động cơ một chiều Để điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ một chiều, ta cần nguồn cấp gồm máy phát điện một chiều kích từ độc lập và các bộ chỉnh lưu điều khiển, có chức năng biến đổi năng lượng từ xoay chiều sang một chiều có sức điện động E_b được điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển U_đk Ở chế độ xác lập, hệ thống có thể được mô tả bằng các phương trình đặc tính, cho phép phân tích mối quan hệ giữa từ thông kích từ, điện áp phần ứng và các đặc tính cơ học của động cơ.
Với từ thông ϕ = const, độ cứng đặc tính cơ của hệ thống vẫn không đổi, trong khi tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển U đk Do đó, phương pháp này có thể được coi là triệt để trong việc điều khiển đặc tính cơ – từ đó tối ưu hóa đáp ứng và hiệu suất của hệ thống.
Tốc độ không tải và độ sụt tốc được xác định: ω 0i = k ϕ U i đm = var (2.8) Δ ω = R ư + R b ¿¿ M = const (2.9)
Họ các đặc tính cơ tương ứng với điện áp điều chỉnh được thể hiện qua đồ thị:
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý chung của phương pháp thay đổi điện áp phần ứng.
Việc giảm điện áp phần ứng của động cơ làm cho hệ đặc tính cơ của động cơ nghiêng và nằm song song với đường đặc tính cơ tự nhiên, ở phía dưới nó Khi phụ tải không đổi, tốc độ quay của động cơ sẽ giảm tương ứng với mức giảm điện áp phần ứng.
Trong các đặc tính cơ nhân tạo, độ dốc không đổi so với đặc tính cơ tự nhiên (β = const) khiến tốc độ điều chỉnh được duy trì ở mức ổn định tương đối, giúp quá trình điều khiển diễn ra nhất quán và dễ dự báo Sự cố định độ dốc này giảm biến động trong đáp ứng và tăng tính tin cậy cho hệ thống, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất vận hành bằng cách hạn chế dao động khi điều chỉnh.
- Phương pháp này có thể điều chỉnh được vô cấp tốc độ.
- Dải điều chỉnh tốc độ của phương pháp này là rất lớn.
Phương pháp này cho phép tự động hóa mạch điều khiển và mạch động lực, giúp động cơ hoạt động ở cả bốn góc phần tư của đồ thị đặc tính cơ, từ đó nâng cao hiệu suất vận hành và khả năng thích ứng với các trạng thái tải khác nhau.
- Hiệu suất của phương pháp này là tương đối cao và giống nhau ở các đường đặc tính do không có tổn hao trên điện trở.
Trong thực tế, phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi giá trị điện áp đặt vào mạch phần ứng của động cơ là tối ưu và hay được sử dụng Việc điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng cho phép kiểm soát mô-men xoắn và tốc độ một cách nhanh chóng, chính xác và đơn giản, đồng thời phù hợp với yêu cầu điều khiển trong nhiều hệ thống công nghiệp Phương pháp này mang lại sự linh hoạt cao và dễ triển khai trong các ứng dụng thực tế, đồng thời giúp tối ưu hiệu suất vận hành và đáp ứng nhanh các biến động tải Tuy nhiên, cần xem xét giới hạn điện áp và dòng điện, cũng như sự ổn định của nguồn cung cấp và sự phát sinh nhiệt để đảm bảo tuổi thọ và độ tin cậy của động cơ.
Hình 2.6: Họ các đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần ứng.
U t dụng nhất vì nó thu được đặc tính cơ có độ cứng không đổi, điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không bị tổn hao.
MÔ HÌNH HÓA HỆ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID .23 1 Bộ điều khiển PID
Tên gọi PID là chữ viết tắt của ba thành phần cơ bản có trong bộ điều khiển như hình 3.1: khuếch đại tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D) Người ta thường nói PID là một tập thể hoàn hảo gồm ba tính cách khác nhau, nhưng cùng làm việc để tạo ra khả năng điều khiển liên tục và ổn định của hệ thống P giúp phản ứng nhanh với sai lệch hiện tại, I san bằng sai số tích lũy theo thời gian, còn D dự đoán sự thay đổi trước để giảm dao động và quá trình quá mức, từ đó cải thiện hiệu suất điều khiển của bộ điều khiển PID trong nhiều ứng dụng công nghiệp và tự động hóa.
- Phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ được giao (tỷ lệ).
- Làm việc và có tích lũy kinh nghiệm để thực hiện tốt nhiệm vụ (tích phân).
- Luôn có sáng kiến và phản ứng nhanh nhạy với sự thay đổi tình huống trong quá trình thực hiện nhiệm vụ (vi phân)
Hình 3.2 : Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID.
PID được sử dụng rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp nhờ tính đơn giản về cấu trúc và nguyên lý làm việc Bộ điều khiển PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) về 0 để quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu chất lượng cơ bản của hệ thống, từ đó cải thiện sự ổn định, độ chính xác và thời gian đáp ứng của hệ thống điều khiển.
- Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần up(t), tín hiệu điều chỉnh u(t) càng lớn (vai trò khuếch đai k p ).
- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần uI(t), PID vẫn còn tạo tín hiệu điều chỉnh (vai trò của tích phân T I )
- Nếu sự thay đổi sai lệch e(t) càng lớn thì thì thông qua thành phần uD(t) phản e(t) u(t) e(t) u(p) u(t) Đối tượng điều khiển u( t ) ω ( t ) e(t) PID y ( t )
(-) ứng thích nghi của u(t) sẽ càng nhanh (vai trò của vi phân T D ).
Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào - ra: u(t )=k p [ e(t )+ T 1 I ∫ 0 t e(t )dτ +T D de dt ( t ) ] (3.1)
Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào, u(t) là tín hiệu đầu ra, k p được gọi là hệ số khuếch đại, T I là hằng số tích phân, T D là hằng số vi phân.
Từ mô hình vào-ra trên ta có được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID:
Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào các tham số kp, TI và TD của bộ điều khiển PID Để đạt được chất lượng như mong muốn, cần phân tích đối tượng điều khiển và dựa trên kết quả phân tích đó để lựa chọn các tham số kp, TI, TD cho phù hợp Hiện có khá nhiều phương pháp xác định các tham số kp, TI và TD cho bộ điều khiển PID, nhưng tiện ích nhất trong ứng dụng thực tế vẫn là các phương pháp tối ưu hóa và hiệu chỉnh tham số Các phương pháp phổ biến gồm Ziegler–Nichols, Cohen–Coon và các kỹ thuật IMC, giúp cân bằng giữa độ ổn định và đáp ứng động của hệ thống Việc chọn tham số kp, TI và TD đúng đắn sẽ cải thiện đáp ứng transients, giảm sai số và nâng cao hiệu suất điều khiển.
- Phương pháp sử dụng mô hình xấp xỉ bậc nhất của đối tượng.
- Phương pháp xác định tham số theo tổng T.
Không phải mọi trường hợp đều bắt buộc xác định cả ba tham số k_p, T_I và T_D Ví dụ, khi đối tượng đã có thành phần tích phân, bộ điều khiển PD là đủ, với hàm truyền R(s) = k_p(1 + T_D s) và T_I được xem là vô hạn (T_I = ∞) để diệt sai lệch tĩnh Ngược lại, khi tín hiệu hệ thống thay đổi tương đối chậm và bộ điều khiển không phản ứng nhanh với sai lệch e(t), ta có thể chỉ cần sử dụng bộ điều khiển PI với TD = 0.
3.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện và tốc độ
3.2.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện
Đầu tiên, ta xác lập mạch vòng dòng điện như thành phần nền tảng của các hệ truyền động tự động và hệ chấp hành Mạch vòng điều chỉnh dòng điện đóng vai trò cơ bản nhất, vừa xác định trực tiếp hoặc gián tiếp mô men kéo của động cơ, vừa đảm bảo chức năng bảo vệ và điều chỉnh gia tốc cho toàn bộ hệ thống Trong mạch vòng dòng điện có thể coi ΔEĐ ≈ 0, khi đó mạch vòng dòng điện ở dạng thích hợp cho phân tích và thiết kế.
Hình 3.2 Mạch vòng dòng điện.
R i ( s) - hàm truyền của bộ điều chình dòng điện với:
BBĐ(p) - hàm truyền của bộ biến đổi, có dạng như sau:
Với: K CL - hệ số chỉnh lưu
T vo - hằng số chuyển mạch chỉnh lưu
T đk - hằng số thời gian mạch điều khiển chỉnh lưuĐT(s) là hàm truyền của động cơ không tính đến suất điện động phần ứng, với : ĐC(s) = 1+ 1 /R T u u s (3.6)
Tu = 0,007(s) – hằng số thời gian phần ứng
Ki là hàm truyền của khâu phản hồi dòng điện, có dạng như sau:
Ti = 0,003(s) – hằng số thời gian của sensor dòng điện
Ki = 0,04(s) – hệ số phản hồi của mạch dòng điện
Ta chuyển đổi mạch phản hồi dòng điện về mạch phản hồi đơn vị, ta có sơ đồ tương đương như sau:
Hình 3.3: Mạch phản hồi dòng điện.
Ta có hàm truyền hệ kín của sơ đồ khi chưa chuyển đổi:
Ta có hàm truyền hệ kín của sơ đồ khi đã chuyển đổi:
U ¿ R i ( s ) K I ( s ) BBĐ ( s ) ĐT (s) 1+ R i ( s) K I ( s ) BBĐ ( s) ĐT ( s) (3.9) Mặt khác: U i = K I ( s ) I
Vậy áp dụng tiêu chuẩn tối ưu môđun cho hàm truyền sơ đồ đã chuyển đổi:
( 1 − F MC ) K I ( s ) BBĐ ( s ) ĐT ( s ) (3.10) Thay các hàm truyền tương ứng vào R i ( s ) với:
Mặt khác, các hằng số thời gian T_đk, T_vo và T_i rất nhỏ so với hằng số thời gian điện từ Đặt T_s = T_đk + T_vo + T_i, R_i(s) có thể viết lại ở dạng gần đúng.
Trong đó T s ≪ T ư , ta chọn τ σ = T s thay vào R i ( s) ta có:
Vậy hàm truyền của mạch vòng kín sẽ là:
Tính toán thông số bộ điều chỉnh
Hình 3.4 : Dùng biến dòng đo để đo lường.
Trong hệ điều khiển động cơ, ta sử dụng mạch biến dòng để đo trực tiếp dòng điện từ nguồn 3 pha, sau đó đưa tín hiệu qua bộ chỉnh lưu điốt có lọc để tạo phản hồi dòng cho động cơ Phản hồi này được đặc trưng bởi hàm truyền Ti = 0,003(s).
Hệ số chỉnh lưu: KCL = 9
Vậy ta có các hàm truyền
3.2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ
Hệ thống điều chỉnh tốc độ là hệ thống điều khiển trong đó đại lượng được điều chỉnh là tốc độ góc của động cơ điện, một tham số then chốt trong truyền động và tự động hóa Các hệ thống này rất phổ biến trong thực tế kỹ thuật nhờ khả năng tối ưu hóa hiệu suất, cải thiện đáp ứng và ổn định quá trình làm việc của động cơ Chúng được xây dựng dựa trên cơ sở của hệ thống điều chỉnh dòng điện, từ đó chuyển tín hiệu điều khiển thành biến thiên của tốc độ góc để phù hợp với yêu cầu vận hành Việc thiết kế và phân tích hệ thống điều chỉnh tốc độ cần xem xét các yếu tố như độ ổn định, đáp ứng quá trình, sai số trạng thái và khả năng giảm nhiễu, nhằm đảm bảo hiệu quả hoạt động và độ an toàn cho động cơ điện.
Sơ đồ cấu trúc của hệ thống có mạch vòng điều chỉnh tốc độ:
Hình 3.5 : Cấu trúc hệ thống có mạch vòng điều chỉnh tốc độ.
R ω ( s) - Hàm truyền bộ điều chỉnh tốc độ
S 0 i ( s) - Hàm truyền hệ kín của vòng điều chỉnh dòng điện
K ω ( s) - Hàm truyền khâu phản hồi tốc độ
Với: K ω - Hệ số phản hồi của máy phát tốc
T ω - Hằng số thời gian của máy phát tốc Đặt C(p)= Js 1 là hàm truyền cơ học của động cơ khi bỏ qua ma sát trên trục động cơ
R_u = 0,046 Mô men quán tính của động cơ (kg·m^2) là tham số then chốt ảnh hưởng tới đáp ứng động học và sai số của hệ thống điều khiển Để giảm tối đa sai số và tăng độ ổn định, chúng tôi áp dụng hàm chuẩn tối ưu đối xứng, trong đó sự xuất hiện của M_c được tích hợp vào quá trình tối ưu hóa theo các tiêu chuẩn tối ưu đối xứng Việc tổng hợp theo chuẩn này giúp tối ưu hóa các tham số điều khiển và nâng cao hiệu suất hệ thống, mang lại đáp ứng nhanh hơn, ít biến thiên và ít nhiễu.
- Hàm truyền hệ kín của sơ đồ trên
- Áp dụng hàm chuẩn tối ưu đối xứng (sử dụng cách biến đổi sơ đồ giống như ở phần thiết kế mạch vòng dòng điện) ta có:
Thay các hàm truyền tương ứng vào R ω ( s)
Trong phân tích, ta có thể bỏ qua thành phần thứ hai của hệ do nó rất nhỏ so với các phần còn lại Các hằng số thời gian Ts và Tω cũng có giá trị rất nhỏ, vì vậy ta đặt Ts' = 2 Ts + Tω = 0,059 để đơn giản hóa mô hình Với giả thiết này, hàm truyền của hệ được xấp xỉ ở dạng gần đúng, giúp tối ưu hóa quá trình phân tích và thiết kế mà vẫn duy trì độ chính xác cần thiết cho phạm vi sử dụng.
Vì T s ' là tổng các hằng số thời gian vô cùng nhỏ nên ta chọn τ σ = T ' s , ta có:
Vậy hàm truyền của mạch vòng kín sẽ là
Tính toán thông số bộ điều chỉnh
Sơ đồ của máy phát tốc
Hình 3.6 : Sơ đồ của máy phát tốc.
Khi đó, ta có các hàm truyền:
MÔ PHỎNG
Tính toán động lực học ô tô điện
Xe ô tô thuộc nhóm tham khảo là Toyota Vios, do hãng Toyota sản xuất, nằm ở phân khúc sedan hạng B cỡ nhỏ với 5 chỗ ngồi và vận hành bằng động cơ đốt trong chạy hoàn toàn bằng xăng Thông số kỹ thuật liên quan được trình bày chi tiết trong bảng 4.1.
Bảng 1: Thông số kỹ thuật xe tham khảo Toyota Vios 2013
Thông số kỹ thuật Giá trị Đơn vị
Chiều dài cơ sở 2550 mm
Khối lượng bản thân xe 1060 kg
Tốc độ cực đại của xe 170 Km/h
Nhóm đã chuyển đổi hệ thống truyền lực của mẫu xe này thành một chiếc sedan chạy hoàn toàn bằng điện, biến nó thành một xe điện sedan thực thụ Xe có thể chở tối đa 5 người, dẫn động cầu trước và đạt vận tốc tối đa 125 km/h.
Bảng 2: Thông số kỹ thuật của xe sau khi chuyển đổi.
Thông số kỹ thuật Giá trị Đơn vị
Chiều dài cơ sở 2550 mm
Khối lượng bản thân xe 950 kg
Tốc độ cực đại của xe 125 Km/h
Tính toán chọn động cơ điện …
4.2.1.Xác định trọng lượng và phân bố trọng lượng xe
Trọng lượng xe thiết kế: m = m0 + nA Trong đó: m0 Khối lượng bản thân của xe
𝐴: Trọng lượng của một người
𝑛: là Số chỗ ngồi trong xe. m: Khối lượng toàn bộ của ô tô.
Khối lượng xe thiết kế là: m = 950 + 5 × 60 = 1250 (kg) Trọng lượng xe thiết kế là:
Phân bố tải trọng lên các cầu: Đối với xe du lịch, tải trọng phân bố lên cầu trước là 45% và tải trọng phân bố lên cầu sau là 55% Từ đó có thể tính được tải trọng phân bố lên mỗi cầu như sau: tải trọng lên cầu trước bằng 0.45 của tổng tải (T × 0.45), tải trọng lên cầu sau bằng 0.55 của tổng tải (T × 0.55) Việc xác định phân bố tải trọng giữa cầu trước và cầu sau giúp đánh giá an toàn, thiết kế và vận hành cầu hiệu quả.
+ Tải trọng phân bố cầu trước:
+ Tải trọng phân bố cầu sau:
Tải trọng tác dụng lên mỗi bánh xe của cầu trước và cầu sau ô tô tương ứng có thể xác định bằng công thức:
Tải trọng tối đa tác dụng lên mỗi bánh xe là:
Xác định tọa độ trọng tâm xe:
Khoảng cách từ cầu trước đến trọng tâm của xe là:
Khoảng cách từ trọng tâm xe tới cầu sau là: b = L − a = 2550 − 1237 = 1147 (mm)
Tính toán chọn động cơ điện
Trong hệ truyền động của xe điện, lực kéo do động cơ điện truyền tới các bánh chủ động phải được cân bằng với các lực cản như lực cản lăn, lực cản dốc, lực cản khí động học và lực quán tính để đảm bảo tăng tốc ổn định, tối ưu hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu trên mọi điều kiện địa hình và tốc độ.
Hình 4.1: Sơ đồ các lực tác dụng khi xe lên dốc.
Phương trình cân bằng lực kéo: 𝐹𝑘 = 𝐹𝑓 + 𝐹𝑗+𝐹𝑖 + 𝐹𝜔
Với 𝐹𝑘 là lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động
𝐹𝑓 là lực cản lăn, 𝐹𝑗 là lực quán tính, 𝐹𝑖 là lực cản khi xe leo dốc, 𝐹𝜔là lực cản khí động học của xe.
Tính cho trường hợp xe lên dốc, xe chạy trên đường cao tốc với độ dốc tối đa 7%, tương ứng góc nghiêng α = 4°
Trong đó: f là hệ số cản lăn, chọn đường nhựa tốt có hệ số cản lăn f 0,018 Suy ra: 𝐹𝑓 = 0,018.1250.9,81 cos 4° = 220,19 (𝑁)
Lực cản khi xe lên dốc: 𝐹𝑖 = 𝑚𝑔 sin 𝛼 = 1250.9,81 sin 4° = 855,39 (𝑁)
Lực cản khí động học của xe:
Vì vận tốc gió rất nhỏ nên ta coi như 𝑣𝑎𝑖𝑟 = 0
K là hệ số cản khí động, phụ thuộc vào hình dạng và chất lượng bề mặt xe Đối với xe du lịch loại thường hệ số K = 0,3-0,5 nên ta chọn 𝐾 = 0,33 (𝑁𝑠 2 /𝑚 4 )
Diện tích cản chính diện (A) là thước đo quan trọng đối với độ khí động học của xe Với xe du lịch, diện tích cản chính diện có thể được ước lượng bằng công thức S = 0,8 × B × H, trong đó B là chiều rộng và H là chiều cao của xe Việc tính S giúp ước lượng lực cản gió tác động lên xe ở các điều kiện vận hành và hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế khí động học Nắm bắt giá trị S còn hỗ trợ đánh giá hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu và hiệu suất vận hành ở tốc độ khác nhau.
Từ những lực trên ta có: 𝐹𝑘 = 𝐹𝑓 + 𝐹𝑗+ 𝐹𝑖 + 𝐹𝜔
Công suất cản của xe là: 𝑃𝑐 = (𝐹𝑓 + 𝐹𝜔)𝑣 = 1018, 19.34,72 = 35352(𝑊)
Công suất của động cơ điện:
Chọn hiệu suất của hệ thống truyền lực là 0,93 và hiệu suất của động cơ điện là 0,88
Ta chọn động cơ điện lắp trên xe:
Vì vậy, ta chọn động cơ điện có công suất cực đại là 50 kW.
Bảng 3: Bảng thông số kỹ thuật động cơ.
Số vòng quay tại thời điểm mô men đạt cực đại 3200 rpm
Mô men cực đại 160 Nm
Số vòng quay tại thời điểm công suất đạt cực đại 5000 rpm
Công suất cực đại 50 kW Điện áp định mức 96 V
Mô phỏng và đánh giá kết quả
Hình 4.2 : Sơ đồ mô phỏng.
Hình 4.3 Động cơ hoạt động không tải tốc độ 500v/p.
Hình 4.4 Động cơ hoạt động không tải tốc độ 2500v/p.
Nhận xét: Với đồ thị tốc độ, ta thấy độ vọt lố vào khoảng 50%=>60%, thời gian xác lập khoảng 2,5s
Hình 4.5 Động cơ hoạt động có tải tốc độ 500v/p.
