nghiên cứu và thiết kế bộ vi sai điện tử trên xe điện

Một phát minh khôngthể không nhắc đến trong quá trình cải tiến này là vi sai điện tử với nhiều ưu điểm: loại bỏ được những chi tiết cồng kềnh, giá thành giảm, tăng công suất động cơ....

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Nguyễn Vạn An MSSV: 13145001

Họ tên sinh viên: Nguyễn Hoàng Anh MSSV: 13145008

Chuyên ngành: Sư Phạm kỹ thuật ô tô Mã ngành đào tạo:

Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ đào tạo:

Khóa: 2013 – 2017 Lớp: 139450 B Tên đề tài: Nghiên cứu và thiết kế bộ vi sai điện tử trên xe điện Nhiệm vụ đề tài:

Sản phẩm của đề tài:

4 Ngày giao nhiệm vụ đề tài:

5 Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

TRƯỞNG BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Bộ môn ………

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên hướng dẫn) Họ và tên sinh viên: Nguyễn Hoàng Anh MSSV: 13145008 Hội đồng:…………

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Vạn An MSSV: 13145001 Hội đồng:…………

Tên đề tài: Nghiên cứu và thiết kế bộ vi sai điện tử trên xe điện Ngành đào tạo: Sư phạm kĩ thuật ôtô Họ và tên GV hướng dẫn: Nguyễn Trung Hiếu Ý KIẾN NHẬN XÉT 1 Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)

2 Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN(không đánh máy) 2.1.Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

2.2 Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

2.3.Kết quả đạt được:

2.4 Những tồn tại (nếu có):

3 Đánh giá:

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các

mục

10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ

thuật, khoa học xã hội…

5

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc

quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc

thực tế

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên

ngành…

5

3 Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10

(Dành cho giảng viên phản biện)

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Hoàng Anh MSSV: 13145008 Hội đồng…………

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Vạn An MSSV: 13145001 Hội đồng…………

Tên đề tài: Nghiên cứu và thiết kế bộ vi sai điện tử trên xe điện

Ngành đào tạo: Sư phạm kĩ thuật ôtô

Họ và tên GV phản biện: (Mã GV)

Ý KIẾN NHẬN XÉT

1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

2 Nội dung đồ án:

(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

3 Kết quả đạt được:

4 Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:

5 Câu hỏi:

6 Đánh giá:

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các

mục

10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ

thuật, khoa học xã hội…

5

Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần,

hoặc quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng

buộc thực tế

15

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN

Tên đề tài: “Nghiên cứu và thiết kế bộ vi sai điện tử trên xe điện”

Họ và tên sinh viên: MSSV:

MSSV:

Ngành: Sư Phạm Kỹ thuật ô tô

Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản

biện và các thành viên trong Hội đồng bảo vệ Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnh

đúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức

Chủ tịch Hội đồng:

Giảng viên hướng dẫn:

Giảng viên phản biện:

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 07 năm 2017

Chúng em xin chân thành cảm ơn các quý thầy cô trong bộ môn Điện Tử Ôtô cũng nhưcác thầy cô trong khoa Cơ Khí Động Lực và những người đã dìu dắt chúng em, đã truyềndạy cho chúng em những kiến thức về chuyên môn vô cùng quý báu, giúp chúng em tiếpcận gần hơn và hiểu biết rõ hơn về ngành nghề mà mình đã chọn để chúng em có một nềntảng kiến thức và hiểu biết vững chắc để bước vào đời.

Nhóm chúng em đặc biệt gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thạc sĩ Giảng viên NGUYỄN TRUNG HIẾU Giáo viên hướng dẫn đề tài, người thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo,

tạo điều khiện, động viên và giúp đỡ chúng em rất nhiều về mặt tinh thần cũng như kiếnthức để chúng em vượt qua những ngày tháng khó khăn trong sự tìm tòi hiểu biết về lĩnhvực mới, kiến thức mới để rồi cuối cùng hoàn thành được đồ án tốt nghiệp ngày hôm nay Bên cạnh đó chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã hết lòng ủng hộ,giúp đỡ và góp ý cho nhóm em trong suốt quà trình thực hiện đồ án tốt nghiệp

Mặc dù đã rất cố gắng và nỗ lực nhiều, nhưng do kiến thức ít ỏi của chúng em cũngnhư thời gian nghiên cứu là có hạn nên những thành quả đạt được không tránh khỏinhững thiếu sót Do đó chúng em kính mong nhận được những sự đóng góp, chỉ dạy củaquý thầy cô để chúng em hoàn thiện đồ án được tốt hơn

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 07 năm 2017

Nhóm sinh viên thực hiện NGUYỄN VẠN AN

NGUYỄN HOÀNG ANH

TÓM TẮT

Ngày nay nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng sạch đang tăng lên mạnh mẽ nguyên

do là vì các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và việc sử dụng nhiên liệu nàygây ra những ô nhiễm về môi trường, hiệu ứng nhà kính, thiên tai, lũ lụt Chính vì thế xeđiện ra đời để giải quyết vấn đề này Những chiếc xe điện đầu tiên còn thô sơ sử dụnghộp số và vi sai cơ khí nặng nề, chúng dần được cải tiến các hệ thống về cơ khí cũng nhưđiện tử để ngày càng hoàn thiện và đáp ứng được nhu cầu thực tế Một phát minh khôngthể không nhắc đến trong quá trình cải tiến này là vi sai điện tử với nhiều ưu điểm: loại

bỏ được những chi tiết cồng kềnh, giá thành giảm, tăng công suất động cơ

Vì những lí do trên, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu và thiết kế bộ vi sai điện tử trên

xe điện”

 Vấn đề nghiên cứu:

Tìm hiểu về MATLAB/SIMULINK và board STM32F4

Thiết kế chế tạo xe điện sử dụng động cơ BLDC với chức năng vi sai điện tử

 Phương pháp giải quyết vấn đề:

Sử dụng các nguồn tài liệu trên Internet để tìm hiểu về MATLAB/SIMULINK vàcách giao tiếp với board STM32F4

Ứng dụng board STM32F4 kết hợp với giải thuật PID để điều khiển hai bánh xe thựchiện chức năng ci sai điện tử

MỤC LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

TP.HCM: Thành Phố Hồ Chí Minh

BLDC: Brushless DC Motor (động cơ một chiều không chổi than)

ĐCĐMC: Động cơ điện một chiều

IM: Induction Mortor (động cơ không đồng bộ)

SynRM: Synchronous Reluctance Motor – SynRM (động cơ từ trở đồng bộ)

SRM: Switched Reluctance Motor (động cơ từ trở thay đổi)

IPM: Interior Permanent Magnet Motor (động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu)

EDS: Electronic Diferenttial System

DANH MỤC CÁC HÌNH

DANH MỤC CÁC BẢNG

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu tổng quan

1.1.1 Lịch sử phát triển của vi sai điện tử.

Một số nghiên cứu mô hình vi sai điện tử

 Với việc sử dụng động cơ In-whell để sử dụng trong xe điện để thiết kế bộ vị saiđiện tử Nên số lượng mô hình nghiên cứu về vi sai điện tử ở trong nước rất ít Cácnghiên cứu vi sai điện tử trong nước chỉ nghiên cứu bộ điều khiển vi sai cơ khídành cho xe điện

- Các mô hình nghiên cứu vi sai điện tử tiêu biểu trên thế giới

 Xe đô thi AUTO 21 EV

• Xe đô thị AUTO 21EV là loại xe đô thị chạy bằng bốn bánh chủ động, đượcnghiên cứu và phát triển bới trường đại học Waterloo

 Năm 2010 nhóm nghiên cứu Xunqi zhou, Shengjin Li, Yong Zhou, Zongde Fang,

đã nghiên cứu chế tạo vi sai điện tử sử dụng động cơ in-wheel Nghiên cứu nhiềuđiều kiện làm viêc của động cơ như tốc độ không đổi, tăng tốc và giảm tốc khixoay vòng Kêt quả nghiên cứu chứng mình rằng hệ thống tăng hiệu suất cho xe

Hình 1 2 Chiếc xe nghiên cứu bởi Xunqi zhou

Hình 1 3 Động cơ In-wheell

1.2.1 Giới thiệu về MATLAB/SIMULINK

MATLAB/SIMULINK là một chương trình viết cho máy tính PC hoạt động trong môitrường MS-DOS và môi trường WINDOWS nhằm hỗ trợ cho lập trình, các tính toánkhoa học và kỹ thuật được thiết kế với công ty “The MATHWORKS”

Thuật ngữ MATLAB được viết tắt của hai từ MATRIX và LABORATORY MATLABđược điều khiển với các tập lệnh, tác động qua bàn phím Nó cho phép tính toán sốvới ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giaodiện người dùng và liên kết với những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữlập trình khác Matlab giúp đơn giản hóa việc giải quyết các bài toán tính toán kĩ thuật sovới các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, C++, và Fortran Các câu lệnh trongMATLAB rất mạnh và có những vấn đề chỉ cần một câu lệnh là đủ giải quyết bài toán

Mô phỏng trong MATLAB sẽ cho ta hình ảnh tọa độ không gian hai chiều (2D) và bachiều (3D)

SIMULINK là một phần mềm mở rộng của MATLAB (1 Toolbox của Matlab) dùng để

mô hình hóa, mô phỏng và phân tích một hệ thống động Nó cho phép mô tả hệ thốngtuyến tính, hệ phi tuyến, các mô hình trong miền thời gian liên tục, hay gián đoạn hoặcmột hệ gồm cả liên tục và gián đoạn SIMULINK cung cấp cho người dung một giaodiện đồ họa dễ sử dụng Việc xây dựng mô hình chỉ cần sử dụng thao tác “nhấn và kéo”chuột Với giao diện đồ họa ta có thể xây dựng mô hình và khảo sát mô hình một cáchtrực quan hơn

MATLAB/SIMULINK được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xử lý tín hiệu vàảnh, truyền thông, thiết kế điều khiển tự động, đo lường kiểm tra, phân tích mô hình tàichính, hay tính toán sinh học Với hàng triệu kĩ sư và nhà khoa học làm việc trong môitrường công nghiệp cũng như ở môi trường hàn lâm, MATLAB/SIMULINK là ngôn ngữcủa tính toán khoa học

1.2.2 Giới thiệu bo mạch STM32F407

Bo mạch STM32F407 Discovery là một loại kit thuộc họ vi điều khiển ARM DòngARM Cortex KIT STM32FE Discovery là một bộ xử lí thế hệ mới đưa ra một kiến trúcchuẩn cho nhu cầu đa dạng về công nghê Nó được úng dụng vào rất nhiều thị trườngkhác nhau bao gồm các ứng dụng doanh nghiệp, mạng gia đình, cộng nghệ mạng khôngdây và các hệ thống ô tô

Bo mạch STM32F407 Discovery có vi điều khiển chính là STM43F04VGT6microcontroller tích hợp với chip 32-bit ARM Cortex-M4F, 1MB bộ nhớ Flash,192KbRAM Bo mạch tích hợp sẵn mạch nap ST-LINK/V2 và các cảm biến khác như cảm biếngia tốc LIS302DL, bộ xử lý âm thanh MP45DT02, đèn led thông báo trạng thái nguồn,nút nhấn, nút Reset

Hình 1.4 Bo mạch STM32F407

1.2.3 Giới thiệu về động cơ BLDC

1.2.3.1 Giới thiệu chung và so sánh.

- Động cơ điện một chiều (ĐCMC) cho đến ngày nay vẫn chiếm một vị trí quan

trọng trong hệ điều chỉnh tự động truyền động điện Động cơ điện một chiềuthông thường có hiệu suất cao và các đặc tính của chúng thích hợp trong hệthống đòi hỏi có độ chính xác cao vùng điều khiển rộng và quy luật điều chỉnhphức tạp Tuy nhiên, hạn chế duy nhất là trong cấu tạo của động cơ cần có cổgóp và chổi than, những thứ này dễ bị mòn và yêu cầu bảo trì, bảo dưỡng thườngxuyên

- Để khắc phục nhược điểm này người ta chế tạo loại động cơ không cần bảodưỡng bằng cách thay thế chức năng của cổ góp và chổi than bởi cách chuyển

mạch sử dụng thiết bị bán dẫn (chẳng hạn như biến tần sử dụng transitor công suất chuyển mạch theo vị trí rotor) Những động cơ này được biết đến như là

động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu hay còn gọi là động cơ

một chiều không chổi than BLDC (Brushless DC Motor) Do không có cổ góp

và chổi than nên động cơ này khắc phục được hầu hết các nhược điểm dễ bịmòn, bảo dưỡng, bảo trì thường xuyên của động cơ một chiều thông thường

- Mặc dù người ta nói rằng đặc tính tĩnh của động cơ BLDC và ĐCMC thôngthường hoàn toàn giống nhau, thực tế chúng có những khác biệt đáng kể ở mộtvài khía cạnh Khi so sánh hai loại động cơ này về mặt công nghệ hiện tại, tathường đề cập tới sự khác nhau hơn là sự giống nhau giữa chúng

Bảng 1.1 Bảng so sánh giữa động cơ BLDC và động cơ thường

Tính năng đặc

biệt Đáp ứng nhanh và dễ điều khiển

Đáp ứng chậm hơn Dễ bảodưỡng (thường không yêu cầu

bảo dưỡng)

Sơ đồ nối dây Nối vòng tròn.

Đơn giản nhất là nối Δ

Cao áp: Ba pha nối Y hoặc

Δ Bình thường: Dây cuốn 3pha nối Y có điểm trung tínhnối đất hoặc 4 pha Đơn giản

- Khi nói về chức năng của động cơ điện, không được quên ý nghĩa của dây quấn

và sự đổi chiều Đổi chiều là quá trình biến đổi dòng điện một chiều ở đầu vàothành dòng xoay chiều và phân bố một cách chính xác dòng điện này tới mỗi dâyquấn ở phần ứng động cơ

- Ở động cơ một chiều thông thường, sự đổi chiều được thực hiện bởi cổ góp vàchổi than, thay đổi vị trí để đảo chiều dòng điện cấp vào Ngược lại, ở động cơmột chiều không chổi than, động cơ BLDC, đổi chiều được thực hiện bằng cách

sử dụng các thiết bị bán dẫn như transitor, MOSFET, GTO, IGBT

1.2.3.2 Ưu nhược điểm của BLDC

- Ưu điểm

 Sử dụng chuyển mạch điện tử nên gần như không bị ảnh hưởng bởi ma sát

 Động cơ có tuổi thọ cao, hoạt động bền bỉ, hầu như không bị hư hỏng

 Các cuộn dây phần ứng được đặt trên Stator nên thuận lợi cho việc làm mát

 Mật độ công suất lớn hơn động cơ một chiều truyền thống

 Đặc tính tốc độ/moment tuyến tính tốt.

 Tỷ lệ công suất/khối lượng cao.

 Tỷ lệ moment/quán tính lớn nên tăng/giảm tốc nhanh

 Hiệu suất cao do sử dụng nam châm vĩnh cửu

 Kết cấu nhỏ gọn nên dễ dàng thiết kế, tính toán, thi công cũng như có thểtháo lắp khi cần thiết

 Dải tốc độ rộng

 Dao động moment nhỏ, ngay cả ở tôc độ thấp nên giúp điều khiển chínhxác hơn

- Nhược điểm

 Do động cơ BLDC được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên giá thành đắt

đỏ Nhưng với nam châm vĩnh cửu giá thành khá cao nhưng về lâu dài với sựphát triển công nghệ hiên nay thì vấn đề này sẽ giải quyết và giá thành namchâm vĩnh cửu sẽ giảm dần

 Động cơ BLDC phải được điều khiển bằng một bộ điều khiển riêng với điệnngõ ra dạng xung vuông và cảm biến Hall được đặt bên trong động cơ để xácđịnh vị trí rotor

1.2.3.3 Cấu tạo BLDC

- BLDC gồm 02 phần chính cơ bản, là rotor và stator

 Rotor là phần xoay, chính là phần lõi đặt ở phía trong và được nối trực tiếpđến trục dẫn động Rotor được cấu tạo bởi một dãy các nam châm vĩnh cửu

 Stator là phần đứng yên, được gắn chặt với phần vỏ động cơ Stator đượccấu tạo bởi một loạt các cuộc dây được quân quanh các lõi sắt từ, cấu tạo từcác lá thép kĩ thuật ghép cách điện với nhau Các cuộn dây trong statorthường được quấn thành hình tam giác hay hình sao

- Cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than rất giống một loại động cơ xoay chiều đó là động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu

- Dây quấn stator tương tự như dây quấn stator của động cơ xoay chiều nhiều pha

và rotor bao gồm một hay nhiều nam châm vĩnh cửu Điểm khác biệt cơ bản củađộng cơ một chiều không chổi than so với động cơ xoay chiều đồng bộ là nó kết

hợp một vài phương tiện để xác định vị trí của rotor (hay vị trí của cực từ) nhằm

tạo ra các tín hiệu điều khiển bộ chuyển mạch điện tử Việc xác định vị trí rotor

được thực hiện thông qua cảm biến vị trí, hầu hết các cảm biến vị trí rotor (cực từ) là phần tử Hall, tuy nhiên cũng có một số động cơ sử dụng cảm biến quang

học Mặc dù hầu hết các động cơ chính thống và có năng suất cao đều là động cơ

ba pha, động cơ một chiều không chổi than hai pha cũng được sử dụng khá phổbiến vì cấu tạo và mạch truyền động đơn giản

1.2.3.4 Phần đứng yên Stator

- Khác với động cơ một chiều thông thường, stator của BLDC chứa dây quấn phầnứng Dây quấn phần ứng có thể là hai pha, ba pha hay nhiều pha nhưng thường làdây quấn ba pha

- Dây quấn ba pha có hai sơ đồ nối dây, đó là nối theo hình sao Y hoặc hình tamgiác Δ

- Stator của động cơ BLDC được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện với các cuộndây được đặt trong các khe cắt xung quanh chu vi phía trong của stator Theotruyền thống cấu tạo stator của động cơ BLDC cũng giống như cấu tạo của cácđộng cơ cảm ứng khác Tuy nhiên, các bối dây đƣợc phân bố theo cách khác

- Hầu hết tất cả các động cơ một chiều không chổi than có 3 cuộn dây đấu vớinhau theo hình sao hoặc hình tam giác Mỗi một cuộn dây được cấu tạo bởi một

số lượng các bối dây nối liền với nhau Các bối dây này được đặt trong các khe

và chúng được nối liền nhau để tạo nên một cuộn dây Mỗi một trong các cuộndây được phân bố trên chu vi của stator theo trình tự thích hợp để tạo nên một sốchẵn các cực Cách bố trí và số rãnh của stator của động cơ khác nhau thì chochúng ta số cực của động cơ khác nhau

- Sự khác nhau trong cách nối liền các bối dây trong cuộn dây stator tạo nên sựkhác nhau của hình dáng sức phản điện động Động cơ BLDC có 2 dạng sứcphản điện động là dạng hình sin và dạng hình thang Cũng chính vì sự khác nhau

này mà tên gọi của động cơ cũng khác nhau, đó là động cơ BLDC hình sin vàđộng cơ BLDC hình thang Dòng điện pha của động cơ tương ứng cũng có dạnghình sin và hình thang Điều này làm cho momen của động cơ hình sin phẳnghơn nhưng đắt hơn vì phải có thêm các bối dây mắc liên tục Còn động cơ hìnhthang thì rẻ hơn nhưng đặc tính momen lại nhấp nhô do sự thay đổi điện áp củasức phản điện động là lớn hơn.

- Động cơ một chiều không chổi than thường có các cấu hình 1 pha, 2 pha và 3pha Tương ứng với các loại đó thì stator có số cuộn dây là 1, 2 và 3 Phụ thuộcvào khả năng cấp công suất điều khiển, có thể chọn động cơ theo tỷ lệ điện áp

- Các động cơ nhỏ hơn hoặc bằng 48V được dùng trong máy tự động, robot, các cơcấu chuyển động nhỏ

- Các động cơ trên 100V được dùng trong các thiết bị công nghiệp, tự động hóa vàcác ứng dụng công nghiệp

1.2.3.5 Phần quay Rotor

- Rotor được cấu tạo từ các nam châm vĩnh cửu Số lượng đôi cực dao động từ 2

đến 8 với các cực Nam (S) và Bắc (N) xếp xen kẽ nhau

- Dựa vào yêu cầu về mật độ từ trường trong rotor, chất liệu nam châm thích hợpđược chọn tương ứng Nam châm Ferrite thường được sử dụng

Hình 1.5 Hai dạng sức phản điện động của BLDC

- Khi công nghệ phát triển, nam châm làm từ hợp kim ngày càng phổ biến Namchâm Ferrite rẻ hơn nhưng mật độ thông lượng trên đơn vị thể tích lại thấp.Trong khi đó, vật liệu hợp kim có mật độ từ trên đơn vị thể tích cao và cho phépthu nhỏ kích thước của rotor nhưng vẫn đạt được momen tương tự Do đó, vớicùng thể tích, momen của rotor có nam châm hợp kim luôn lớn hơn rotor namchâm Ferrite.

1.2.3.6 Cảm biến vị trí Hall Sensor

- Không giống như động cơ một chiều dùng chổi than, chuyển của động cơ mộtchiều không chổi than được điều khiển bằng điện tử Tức là các cuộn dây củastator sẽ được cấp điện nhờ sự chuyển mạch của các van bán dẫn công suất

- Để động cơ làm việc, cuộn dây của stator được cấp điện theo thứ tự Tức là tạimột thời điểm thì không ngẫu nhiên cấp điện cho cuộn dây nào cả mà phụ thuộcvào vị trí của rotor động cơ ở đâu để cấp điện cho đúng Vì vậy điều quan trọng

là cần phải biết vị trí của roto để tiến tới biết được cuộn dây stator tiếp theo nào

sẽ được cấp điện theo thứ tự cấp điện

- Vị trí của rotor được đo bằng các cảm biến sử dụng hiệu ứng Hall được đặt ẩntrong stator Hầu hết tất cả các động cơ một chiều không chổi than đều có cảm

biến Hall đặt ẩn bên trong stato ở phần đuôi trục (trục phụ) của động cơ.

- Mỗi khi các cực nam châm của rotor đi qua khu vực gần các cảm biến Hall, cáccảm biến sẽ gửi ra tín hiệu cao hoặc thấp ứng với khi cực Bắc hoặc cực Nam điqua cảm biến

- Tín hiệu mà các cảm biến Hall nhận được sẽ dựa trên hiệu ứng Hall Đó là “khi

có một dòng điện chạy trong một vật dẫn được đặt trong một từ trường, từ trường sẽ tạo ra một lực nằm ngang lên các điện tích di chuyển trong vật dẫn theo hướng đẩy chúng về một phía của vật dẫn”.

- Số lượng các điện tích bị đẩy về một phía sẽ cân bằng với mức độ ảnh hưởng của

từ trường Điều này dẫn đến xuất hiện một hiệu điện thế giữa 2 mặt của vật dẫn

Sự xuất hiện của hiệu điện thế có khả năng đo được này được gọi là hiệu ứngHall, lấy tên người tìm ra nó vào năm 1879

Chương 2 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT

- 2.1 Nghiên cứu lựa chọn động cơ

- 2.1.1 Ưu điểm của động cơ điện

- Trong tương lai xe điện sẽ trở thành phương tiện giao thông chính Xe điện gópphần cho thế giới xanh hơn Vì vậy xe điện sẽ mang lại nhiều ưu điểm nổi trộihơn so với động cơ đốt trong truyền thông:

- Động cơ điện không sử dụng nhiên liệu đốt (xăng, dầu) vì vậy nó không thải khícarbonic, chất độc hại, nên không gây ô nhiễm môi trường

- Khả năng đáp ứng moment nhanh và chính xác (nhanh hơn khoảng 100 lần so với động cơ đốt trong, theo báo cáo của Power Electronics Conference 2010)

- Kích thước động cơ nhỏ, ít tỏa nhiệt

- Có thể dễ dàng tính toán chính xác moment của động cơ điện bằng cách đo đạccác thông số về dòng điện và điện áp của động cơ điều rất khó thực hiện với động

cơ đốt trong truyền thống

- Thực tế ở Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung, ô tô điện là một công nghệđang rất nóng và đang được xem là bước chuyển mình nhằm thay đổi nền côngnghiệp ô tô toàn cầu

- Các công trình nghiên cứu về các loại ô tô điện ở Việt Nam và trên thế giới nhìnchung rất phong phú, cùng với đó là sự đa dạng về nguồn linh kiện – thiết bị đãlàm cho giá thành đối với loại động cơ này dần trở nên hợp lí

- Động cơ truyền động cho ô tô điện thường có công suất từ khoảng 30 kW chotới 100 kW và hơn thế nữa.

- Với công suất này, nếu sử dụng động cơ thông thường trong công nghiệp,

khối lượng động cơ sẽ rất lớn, làm tăng tự trọng của xe (khối lượng), dẫn đến tiêu tốn năng lượng, giảm quãng đường đi được mỗi lần nạp điện (một thông

số rất quan trọng của ô tô điện).

- Dải điều chỉnh tốc độ:

 Xe ô tô thông thường có dải tốc độ từ 0 đến khoảng 150 km/h và con sốnày sẽ lớn hơn rất nhiều đối với các dòng xe thể thao, điều này đòi hỏiđộng cơ phải hoạt động trong một dải tốc độ rất rộng

 Đặc tính làm việc:

Ta biết rằng, khi ô tô khởi động và chạy ở tốc độ thấp, mômen sinh ra cầnphải lớn, khi xe chạy ở tốc độ cao thì chỉ cần mômen nhỏ Động cơ điện cóhai vùng làm việc:

 Vùng I: dưới tốc độ cơ bản (vùng mômen không đổi)

 Vùng II: trên tốc độ cơ bản (vùng công suất không đổi)

- Động cơ trong công nghiệp làm việc ở vùng I nhiều hơn vùng II Trong khi

đó, đặc tính của vùng II lại phù hợp với đặc tính làm việc nêu trên của ô tôđiện

Hình 2.1 So sánh đặc tính làm việc của động cơ điện

- Từ yêu cầu về đặc tính hoạt động như trên, ta có thể khoanh vùng các loại

- 2.1.2.1 Động cơ một chiều (DC Motor)

bụi bặm.

- Khi công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều khiển phát triển mạnh, động cơ mộtchiều dần bị thay thế bởi các loại động cơ khác

- 2.1.2.2 Động cơ không đồng bộ (Induction Motor - IM)

- Động cơ IM có ưu điểm giá thành thấp, thông dụng, dễ chế tạo

- Với kỹ thuật hiện nay, hoàn toàn có thể thực hiện các thuật toán điều khiển vectortiên tiến cho động cơ IM, đáp ứng các yêu cầu công nghệ cần thiết

Hình 2.4 Động cơ không đồng bộ

- Nhược điểm của động cơ IM là có hiệu suất thấp

- Các hãng xe của Hoa Kỳ như GM phần lớn sử dụng động cơ IM làm động cơtruyền động, lý do là xe ở Mỹ chủ yếu chạy trên đường cao tốc, khoảng cách dài,đường trong đô thị cũng rộng và thoáng; khi đó động cơ IM sẽ phát huy được tối

đa hiệu suất của mình, tổn thất không lớn

- Ở Việt Nam, đường của chúng ta chủ yếu là nhỏ, hẹp, đông đúc, xe thường chạy

ở tốc độ thấp và hay phải dừng, đỗ Với chế độ hoạt động như vậy, động cơ IM sẽphải thường xuyên chạy ở tốc độ dưới định mức gây hiệu suất thấp, hạn chế đáng

kể quãng đường đi cho một lần nạp ắc quy

- 2.1.2.3 Động cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor - SynRM)

- Động cơ SynRM có cấu trúc stator giống động cơ xoay chiều thông thường vớidây quấn và lõi sắt từ

- Rotor của động cơ được thiết kế gồm các lớp vật liệu từ tính và phi từ tính đanxen nhau như ta thấy trên hình dưới.

- Cấu trúc này khiến cho từ trở dọc trục và từ trở ngang trục của động cơ khácnhau, sinh ra mômen từ trở làm động cơ quay

- 2.1.2.4 Động cơ từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor - SRM)

- Động cơ SRM có cấu tạo của rotor và stator đều có dạng cực lồi, trên stator códây quấn tương tự như dây quấn kích từ của động cơ một chiều, rotor chỉ là mộtkhối sắt, không có dây quấn hay nam châm

- Với cấu tạo đặc biệt này, SRM rất bền vững về cơ khí, cho phép thiết kế ở dải tốc

độ rất cao, lên tới hàng chục nghìn vòng / phút

- Nguyên lý hoạt động của động cơ như sau: các dây quấn stator được kích từ lần

lượt (gần giống động cơ bước – stepping motor), lực từ trường tác dụng lên rotor làm nó quay từ vị trí có từ trở lớn nhất (vị trí lệch trục) đến vị trí có từ trở nhỏ nhất (vị trí đồng trục).

- Mạch từ động cơ làm việc trong cả vùng tuyến tính và vùng bão hòa nên ta có thể

sử dụng tối đa khả năng của vật liệu từ, do vậy động cơ SRM có tỉ lệ công suất

trên khối lượng (kích thước) lớn.

Động cơ SRM cũng có những nhược điểm làm hạn chế khả năng ứng dụng củanó

 Nguyên lý vận hành đơn giản, nhưng lại khó điều khiển với chất lượng cao vì

có nhấp nhô mômen (torque ripple) lớn, đặc biệt là trong thời gian chuyển

Hình 2.5 Cấu trúc động cơ từ trở đồng bộ- SynRM

 Mặt khác, do cấu tạo cực lồi, động cơ có tính phi tuyến cao, gây khó khăncho việc điều khiển và thiết kế động cơ

- Những nhược điểm này đang được nghiên cứu, nếu khắc phục thành công sẽ mở

ra các hướng ứng dụng rộng rãi cho SRM, cả trong công nghiệp và lĩnh vực ô tôđiện

2.1.2.5 Động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC motor BLDC motor)

- Động cơ BLDC trên thực tế là một loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

- Điểm khác biệt cơ bản so với những động cơ đồng bộ khác là sức phản điện

động (back-EMF) của động cơ có dạng hình thang do cấu trúc dây quấn tập trung (các loại khác có dạng hình sin do cấu trúc dây quấn phân tán).

-31Hình 2.6 Động cơ từ trở thay đổi

- Dạng sóng sức phản điện động hình thang khiến cho động cơ BLDC có đặctính cơ giống động cơ một chiều, mật độ công suất, khả năng sinh mômencao, hiệu suất cao.

- Động cơ được điều khiển dựa vào tín hiệu từ các cảm biến Hall xác định vị trícủa rotor

- Nhược điểm cơ bản của động cơ BLDC là có nhấp nhô mômen lớn, xuất hiện

6 xung mômen trong 1 chu kì, tuy nhiên, có thể sử dụng các thuật toán điềukhiển để giảm nhấp nhô mômen

Hình 2.8 Đồ thị thể hiện độ nhấp nhô moment của động cơ BLDC

- 2.1.2.6 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm (Interior

Permanent Magnet Motor – IPM motor)

- Động cơ IPM có những ưu thế gần như tuyệt đối trong ứng dụng cho ô tô điện

- Động cơ nam châm vĩnh cửu thông thường có nam châm được gắn trên bề mặt

rotor (SPM) vốn đã có đặc tính điều khiển rất tốt.

- Động cơ IPM có nam châm được gắn chìm bên trong rotor, dẫn tới sự khác biệt

giữa điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục, từ đó tạo khả năng sinh mômen

từ trở (Reluctance Torque) cộng thêm vào mômen vốn có do nam châm sinh ra (Magnet Torque) Đặc tính này khiến động cơ IPM có khả năng sinh mômen rất

cao, đặc biệt phù hợp cho ô tô điện

- Mặt khác, động cơ IPM có phản ứng phần ứng mạnh, dẫn tới khả năng giảm từthông mạnh, cho phép nâng cao vùng điều chỉnh tốc độ, làm việc tốt ở vùng IInhư đã phân tích trên

- Động cơ IPM được sử dụng cho xe Nissan Leaf – ô tô điện được biết đến

nhiều nhất hiện nay Cùng với đó là mẫu xe MiEV (Mitsubishi innovative Electric Vehicle) và MIEV (Mitsubishi In-wheel Electric Vehicle) của hãng ô

tô Nhật Bản Mitsubishi

Hình 2.9 So sánh cấu trúc của động cơ SPM và IPM

Hình 2.10 Đặc tính moment vủa động cơ IPM

- Dựa trên các phân tích trên, ta dễ dàng nhận thấy có 02 dạng động cơ tối ưu là BLDC

và IPM, tuy nhiên ở Việt Nam nói riêng thì động cơ IPM vẫn chưa thực sự phổbiến và giá thành khá cao

- Do đó nhóm e chọn loại động cơ BLDC dùng làm động cơ điện chính sử dụng cho đề

tài, vì động cơ BLDC có tính phổ biến, giá thành hợp lý, ở Việt Nam thường sửdụng cho xe đạp điện

- 2.1.3 Động cơ In-wheel

- Động cơ in – wheel (hay còn gọi là Active – wheel) là dạng động cơ đặt cùng một

khối với bánh xe, đơn cử dễ thấy nhất chính là bộ HUB BLDC mà các xe đạpđiện/xe máy điện hiện nay đang sử dụng rất phổ biến

- Ưu điểm dễ thấy nhất chính là về hiệu suất, hay chính xác hơn là mức hiệu suất bị

thất thoát trong quá trình truyền công suất giảm đi rất nhiều khi so với các dạng

bố trí động cơ truyền thống

- Đối với một mẫu xe sử dụng in – wheel motor, các dạng truyền công suất truyền

thống như đai, xích, bánh răng, trục cacdang đều bị loại bỏ, chỉ còn duy nhấtđường truyền công suất trực tiếp từ motor đến bánh xe mà thôi.

- Bên cạnh đó, cơ chế điều khiển độc lập từng bánh xe cũng giúp chiếc xe trở nên linh

hoạt hơn khi di chuyển Toàn bộ các cơ chế vận hành sẽ được điều khiển bằngđiện tử (Drive-by-wire) cho phép mỗi bánh xe có thể chuyển động ở một gócriêng mà không nhất thiết cần đến sự can thiệp của hệ thống lái

- Thiết kế motor nằm trong bánh cũng tạo ra nhiều không gian trống trong xe, cho phép

thiết kế các hệ thống khác tối ưu hơn

- Khi kết hợp in – wheel motor với BLDC mà ta thường thấy dưới dạng HUB Motor

của các dòng xe đạp điện cho ta kết quả là một dòng motor cực kì nhỏ gọn và bền

bỉ, ít hư hỏng và vô cùng linh hoạt trong quá trình tháo lắp

Hình 2.11 Động cơ BLDC trang bị cho xe điện

- Tuy nhiên, khi tiến hành nghiên cứu sâu và lắp đặt loại motor này lên xe, nhóm đã ghi

nhận được những khó khăn cần giải quyết như sau:

 Thiết kế các hệ thống phanh đĩa thủy lực, hệ thống treo ở 02 bánh xe phíasau

 Rút căm cho motor để kết hợp với vành nhôm 18 inch.

- Thiết kế phần khung (chassis).

 Lựa chọn loại ô bi mới do ổ bi đi kèm động cơ có hiệu suất khá thấp

- 2.2 Nghiên cứu lý thuyết điều khiển

- 2.2.1 Nghiên cứu thuật toán điều khiển bộ vi sai điện tử

- Trên thực tế có rất nhiều thuật toán để để điều khiển nhưng dù có là thuật toán như thếnào đi nữa thì những lý thuyết mấu chốt luôn được đề cập đến bao gồm:

 Khi xe chạy thẳng hai bánh xe phải quay với cùng tốc độ

 Khi xe quay vòng: hai bánh phải khác tốc, tốc độ bánh ngoài vòng cua sẽ lớn hơnbánh trong

- Với sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn, cùng với sự nghiên cứu tài liệunhóm quyết định nghiên cứu và xây dựng thuật toán như sau:

- Mô tả:

 Hai bánh xe được dẫn động bởi hai mô tơ điện

 δ góc lái khi

 dw khoảng cách giữa hai bánh trên cùng trục bánh

 ωr, ωl tốc độ góc giữa bánh phải và bánh trái

 Lw chiều dài cơ sở của xe

- Chú thích

 Hình (a) cấu trúc quay vòng

 Hình (b) khối điều khiển

Hình 2.12 Mô phỏng cấu trúc xoay vòng

- Tốc độ được tính bởi công thức:

2.2.2 Thuật toán điều khiển PID

- Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển hồi tiếp vòng kín, kết hợp ba bộ điều khiển

vi phân, tích phân, tỉ lệ Nó có chức năng điều khiển hệ thống đáp ứng nhanh, vọt

lố thấp, sai số xác lập bằng không nếu chọn thông số phù hợp

-

-(4)

(5)

(6)

(8)(7)