CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Nghiên cứu chọn loại động cơ
2.1.1 Ưu điểm của động cơ điện
Trong tương lai, xe điện sẽ trở thành phương tiện giao thông chủ đạo, góp phần tạo ra một thế giới xanh hơn Với nhiều ưu điểm vượt trội so với động cơ đốt trong truyền thống, xe điện không sử dụng nhiên liệu hóa thạch như xăng hay dầu, do đó không thải ra khí xả hay chất độc hại, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Khả năng đáp ứng mô – men nhanh và chính xác
Kích thước động cơ nhỏ ít tỏa nhiệt
Mô-men của động cơ điện có thể được tính toán chính xác bằng cách đo lường các thông số dòng điện và điện áp, điều này dễ dàng hơn so với việc thực hiện trên động cơ đốt trong truyền thống.
Xe máy điện đang trở thành một công nghệ nổi bật tại Việt Nam và trên toàn cầu, được coi là bước chuyển mình quan trọng trong ngành công nghiệp xe máy.
2.1.2 Vấn đề giao thông hiện nay
Sự tăng trưởng kinh tế nhanh chóng và bùng nổ dân số ở Việt Nam đã thúc đẩy quá trình cơ giới hóa, đặc biệt là sở hữu phương tiện cá nhân Nhu cầu đi lại ngày càng tăng cao, với khảo sát cho thấy xe máy chiếm 73% tổng nhu cầu, trong khi phương tiện công cộng chỉ chiếm 5%, xe ô tô con 10% và xe đạp giảm xuống còn 3,8% Tình hình này phản ánh xu hướng chung ở các nước đang phát triển, nơi xe máy vẫn là phương tiện chủ yếu, đặc biệt tại các thành phố Đông Nam Á.
Hiện nay, tình hình giao thông tại các thành phố lớn ở Việt Nam đang ngày càng xấu đi, với tình trạng tắc nghẽn gia tăng và an toàn giao thông giảm sút Tai nạn giao thông vẫn diễn ra ở mức cao, trong khi ô nhiễm không khí ngày càng nghiêm trọng Bên cạnh đó, các công trình đô thị cũng đang bị xuống cấp, ảnh hưởng đến chất lượng sống của người dân.
Tình hình giảm tiếp cận các dịch vụ đô thị đang diễn ra và nếu tiếp tục, sẽ gây ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động kinh tế và nền công nghiệp Việt Nam.
2.1.3 Khảo sát một số loại xe máy điện trên thị trường hiện nay Ở nước ta phương tiện cá nhân được sử dụng nhiều nhất là xe máy gắn động cơ đốt trong truyền thống Do đó, lượng khí thải thải ra môi trường của các phương tiện này rất là đáng kể Theo Trung Tâm Quan Trắc Môi Trường thống kê năm 2011, lượng khí thải do xe máy thải thải ra môi trường 60% khí TSP, 10% SO2, 10% NO2, 98% CO, 98% VOC Bên cạnh đó theo
Theo thống kê của Bộ Giao Thông Vận Tải năm 2013, Hà Nội có hơn 4,5 triệu xe máy tham gia giao thông mỗi ngày, tạo điều kiện cho thị trường xe máy điện mới nổi nhanh chóng thu hút sự quan tâm của người tiêu dùng Sự năng động và đa dạng về mẫu mã, giá cả, cùng với tính thân thiện với môi trường là những yếu tố chính khiến xe máy điện trở thành lựa chọn hấp dẫn không chỉ ở Việt Nam mà còn trên toàn thế giới Một số hãng xe tiêu biểu tại khu vực Châu Á và các quốc gia khác cũng đang nổi bật trong lĩnh vực này.
2.1.3.1 Hãng xe máy điện PEGA
PEGA, tiền thân là HKBike, là thương hiệu xe điện hàng đầu Việt Nam, nổi bật với thiết kế bắt mắt và chất lượng vượt trội so với các dòng xe điện khác Sau 5 năm hoạt động, vào đầu năm 2017, PEGA đã ra mắt những sản phẩm đầu tiên được nội địa hóa tại Việt Nam với tỷ lệ nội địa hóa lên đến 85% Đây là một bước đột phá trong ngành sản xuất xe 2 bánh Việt Nam, khi lần đầu tiên có sản phẩm xe 2 bánh được thiết kế và sản xuất hoàn toàn bởi người Việt Nam.
Hình 2.1 Xe máy điện PEGA Newtech
Bảng 2.1 Thông tin về một số dòng xe của hãng PEGA
Loại động cơ PSMS BLDC BLDC BLDC
Tốc độ tối đa 65Km/h 60Km/h 45 –
Dung lượng Pin 32Ah 20Ah 20Ah 20Ah
Quãng đường đi được 1 lần sạc
Trọng lượng xe (bao gồm acquy)
Tải trọng 250Kg 250Kg 180Kg 230Kg
Truyền động Dẫn động dây đai
Dẫn động trực tiếp Tính năng khác Smartkey, chống trộm, IP67
Bluetooth, sạc điện thoại, chìa khóa thông minh
2.1.3.2 Hãng xe máy điện Vinfast
VinFast là một công ty khởi nghiệp trong lĩnh vực ô tô, được hỗ trợ bởi Vingroup, tập đoàn tư nhân lớn nhất Việt Nam Với sứ mệnh “Vì một cuộc sống tốt đẹp hơn cho người Việt”, Vingroup hướng tới việc xây dựng một thương hiệu ô tô mang đậm tinh thần Việt Nam, thể hiện phong cách và đẳng cấp, đồng thời có khả năng cạnh tranh trên thị trường toàn cầu.
Hình 2.2 Xe máy điện Vinfast Klara S
Bảng 2.2 Thông tin một số dòng xe của hãng Vinfast
Phiên bản Lithium Axít – chì
Loại động cơ Bosch BLDC BLDC
Loại pin Li-on Bosch Axít - chì
5 bình nối tiếp Ắc quy li-ion
Tốc độ tối đa 50Km/h 45Km/h 33.5 5% Km/h 49Km/h Điện áp hoạt động 60V 60V 50.4V
Dung lượng Pin Tối đa 22,8 Ah
Tối đa 21 Ah Chuẩn 20 Ah
Tải trọng 225Kg 246Kg 140 Kg 130 Kg
Khối lượng (bao gồm pin)
Quãng đường đi được 1 lần sạc
Truyền động Dẫn động trực tiếp
Tính năng khác 3G, Bluetooth, GPS Cảnh báo chống trộm, Định vị xe (GPS), kết nối điện thoại thông minh qua Mobile App
2.1.3.3 Hãng xe máy điện YADEA
Yadea, thương hiệu đến từ Hồng Kông, là một trong những tập đoàn hàng đầu thế giới trong lĩnh vực sản xuất và phân phối xe máy điện hai bánh Hiện nay, xe máy điện Yadea đã có mặt tại 77 quốc gia, bao gồm các thị trường quan trọng như Mỹ, Nhật Bản và Châu Âu.
Hình 2.3 Xe máy điện YADEA G5
Bảng 2.3 Thông một số dòng xe của hãng YADEA
Tốc độ tối đa 50Km/h 47Km/h 37Km/h 50Km/h
Tốc độ quay 530 rpm 520 rpm Điện áp 60V 72V 60V 72V
Lithium 24Ah Lead acid 22Ah Lead acid 20Ah Graphene
Trọng lượng xe (bao gồm acquy)
Tải trọng 130Kg 130Kg 130Kg 130Kg
Chống trộm Có Có Có Có
Kết nối APP điện thoại quản lý xe: Định vị, Scan xe, quản lý xe, hàng rào chống trộm điện tử
Truyền động Dẫn động trực tiếp
2.1.3.4 Một số dòng xe tiêu biểu ở thị trường ngoài nước
Bảng 2.4 Thông tin một số dòng xe cơ bản ở thị trường ngoài nước
Tốc độ xe 45km/h 80km/h 45km/h 70km/h Điện áp 60V 60V 50V 60V
Dung lượng pin 30Ah 45Ah 13Ah 70Ah
Thời gian sạc 8h Fast charge
Loại dẫn động Dẫn động trực tiếp
Quãng đường đi được 1 lần sạc
2.1.4 Khảo sát và chọn loại động cơ điện
Sau khi khảo sát về xe máy điện, nhóm nghiên cứu đã chọn sử dụng động cơ điện BLDC với công suất 2000W, nằm trong dải công suất đa dạng từ 800 đến 4000W.
Bảng 2.5 Thông số động cơ Yuma 2000W
Thông số kỹ thuật Động cơ Yuma
Loại động cơ Hub motor BLDC
Công suất 2000W Đường kính động cơ 10 inch
Vận tốc 39 – 63 km/h Điện áp hoạt động 72V
Cảm biến Hall 1 cảm biến
Hình 2.5 Động cơ BLDC QS 205 50H V1
Bảng 2.6 Thông số động cơ QS 205 50H V1
Thông số kỹ thuật Động cơ QS 205 50H V1
Loại động cơ Hub motor BLDC
Công suất 2000W Đường kính động cơ 10 inch
Tốc độ 300 – 980 rpm Điện áp hoạt động 48 – 72V
Cảm biến Hall 2 cảm biến
Bảng 2.7 Thông số động cơ QS 205 50H V2
Thông số kỹ thuật Động cơ QS 205 50H V2
Loại động cơ Hub motor BLDC
Công suất 2000W Đường kính động cơ 10 inch
Tốc độ 300 – 980 rpm Điện áp hoạt động 48 – 72V
Cảm biến Hall 2 cảm biến
Bảng 2.8 Thông số động cơ QS 45H V3
Thông số kỹ thuật Động cơ QS 45H V3
Loại động cơ Hub motor BLDC
Công suất 2000W Đường kính động cơ 10 inch
Tốc độ 300 – 980 rpm Điện áp hoạt động 48 – 72V
Cảm biến Hall 2 cảm biến
2.1.4.5 Chọn loại động cơ điện
Sau khi khảo sát nhiều loại thương hiệu động cơ, nhóm chúng tôi đã quyết định chọn động cơ QS 205 50H V2 do giá thành hợp lý, hiệu suất cao và tính sẵn có trên thị trường Việt Nam Để điều khiển động cơ này, cần có bộ điều khiển phù hợp, vì vậy chúng tôi sẽ tiếp tục khảo sát để tìm bộ điều khiển tối ưu nhất cho động cơ.
Một số đồ thị thể hiện đặc tính của động cơ QS 205 50H V2 được thử nghiệm ở 48V và
Hình 2.8 Đồ thị hiệu suất hoạt động theo mô – men xoắn
Hình 2.9 Đồ thị tốc độ theo mô – men xoắn
N.m Đồ thị hiệu suất theo mô – menxoắn
N.m Đồ thị tốc độ theo mô – men xoắn
Hình 2.10 Đồ thị dòng điện theo mô – men xoắn
Hình 2.11 Đồ thị điện áp theo mô – men xoắn
N.m Đồ thị dòng điện theo mô – men xoắn
N.m Đồ thị điện áp theo mô – men xoắn
Hình 2.12 Đồ thị năng lượng đầu ra theo mô – men xoắn
Hình 2.13 Đồ thị năng lượng đầu vào theo mô – men xoắn
2.1.5 Khảo sát bộ điều khiển động cơ BLDC 2000W
2.1.5.1 Bộ điều khiển Kelly QSKBS48151E
N.m Đồ thị năng lượng đầu ra theo mô – men xoắn
N.m Đồ thị năng lượng đầu vào theo mô – men xoắn
Hình 2.14 Bộ điề khiển QSKBS41851E
Bảng 2.9 Thông số bộ điều khiển Kelly QSKBS 48151E
Loại điều khiển Sóng hình sin Điện áp hoạt động 24 – 48V ( tối đa 60V)
Dòng điện hoạt động liên tục 80A
Hỗ trợ cảm biến Hall Có
Hình 2.15 Bộ điều khiển QSKBS48181E
Bảng 2.10 Thông số bộ điều khiển QSKBS48181E
Loại điều khiển Sóng hình sin Điện áp hoạt động 24 – 48V ( tối đa 60V)
Dòng điện chịu được tối đa (20s) 200A
Dòng điện hoạt động liên tục 110A
Hỗ trợ cảm biến Hall có
2.1.5.3 Bộ cảm biến Kelly QSKBS72181E
Hình 2.16 Bộ điều khiển Kelly QSKBS72181E
Bảng 2.11 Thông số bộ điều khiển QSKBS72181E
Bộ điều khiển Kelly QSKBS72181E
Loại điều khiển Sóng hình sin Điện áp hoạt động 24 – 72V (tối đa 90V)
Dòng điện chịu được tối đa (20s) 200A
Dòng điện hoạt động liên tục 110A
Hỗ trợ cảm biến Hall có
2.1.5.4 Bộ điều khiển Votol EM100
Hình 2.17 Bộ điều khiển Votol EM100
Bảng 2.12 Thông số bộ điều khiển Votol EM100
Bộ điều khiển Votol EM100
Loại điều khiển Sóng hình sin Điện áp hoạt động 48 – 72V ( tối đa 90V)
Dòng chịu được tối đa (20s) 330A
Dòng hoạt động liên tục 100A
Hỗ trợ cảm biến Hall có
Sau khi khảo sát các bộ điều khiển BLDC, nhóm chúng tôi đã chọn bộ điều khiển Votol EM100 để điều khiển động cơ BLDC QS – motor 205 50H V2 Bộ điều khiển này nổi bật với khả năng kết nối dễ dàng, tương tác và lập trình với nhiều loại động cơ, cùng chi phí hợp lý, do đó Votol EM100 là lựa chọn tối ưu nhất cho nhu cầu của chúng tôi.
2.1.6 Giới thiệu bộ điều khiển Votol EM100
2.1.6.1 Sơ đồ hệ thống dây
Hình 2.18 Sơ đồ kết nối chân của bộ điều khiển
Hình 2.19 Các chân kết nốt của bộ điều khiển
Bảng 2.13 Thông tin các chân kết nối của bộ điều khiển
Chân Chức năng Dải điện áp
2 Chân nối đất của tay ga
Kết nối cảm biến Hall
Hình 2.20 Sơ đồ kết nối chân của bộ điều khiển với cảm biến Hall
Hình 2.21 Các chân kết nối của bộ điều khiển với cảm biến Hall
Bảng 2.14 Thông tin các chân kết nối của bộ điều khiển với cảm biến Hall
Chân kết nối cảm biến Hall
Chân Chức năng Dải điện áp
4 Chân dương cảm biến Hall 5V
5 Chân cảm biến nhiệt độ 0 – 5V
6 Chân nối đất của cảm biến Hall 0 – 5V
Kết nối bộ chống trộm
Hình 2.22 Sơ đồ kết nối chân của bộ điều khiển với bộ chống trộm
Hình 2.23 Các chân kết nối của bộ điều khiển với bộ chống trộm
Bảng 2.15 Thông tin các chân kết nối của bộ điều khiển với bộ chống trộm
Chân kết nối bộ chống trộm
Chân Chức năng Dải điện áp
6 Khóa điện tử bộ chống trộm 40V ( B+)
8 tín hiệu bộ chống trộm 0 – 5V
2.1.6.2 Sơ đồ kết nối bộ điều khiển với động cơ và máy tính
Hình 2.24 Sơ đồ kết nối bộ điều khiển với động cơ và máy tính
2.1.6.3 Phần mềm Debugging ( chỉ hỗ trợ cho win 7/10)
Cách kết nối với động cơ và sử dụng:
- Cấp nguồn cho bộ điều khiển và kết nối với máy tính, sau đó chọn port’s name và bấm
- Sau khi bấm open, phần mềm sẽ xuất hiện trạng thái như hình 2.24 Tiếp theo nhấn nút
Phần mềm "connect" có khả năng đọc và nhận diện các đặc tính của động cơ, cho phép điều chỉnh tham số điện áp một cách linh hoạt nhờ vào sự hỗ trợ của bộ điều khiển.
Hình 2.25 Giao diện sử dụng của phần mềm Debugging Điều chỉnh thông số điện áp cấp cho bộ điều khiển:
Giới thiệu động cơ BLDC
Động cơ một chiều (DC) có hiệu suất cao và phù hợp cho các truyền động servo, nhưng chúng có nhược điểm do cấu tạo có cổ góp và chổi than, dẫn đến độ tin cậy và an toàn kém trong môi trường dễ cháy nổ, yêu cầu bảo trì thường xuyên Để khắc phục những hạn chế này, động cơ một chiều không chổi than ra đời, được biết đến là động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, hay còn gọi là Brushless.
DC Motor ( động cơ một chiều không chổi than/ động cơ BLDC)
Hình 2.29 Cấu tạo của động cơ DC và động cơ BLDC
So sánh động cơ BLDC với động cơ một chiều thông thường (DC)
Hình 2.30 Động cơ điện một chiều DC và BLDC
Mặc dù động cơ BLDC và động cơ DC thường được cho là có đặc tính tĩnh giống nhau, nhưng thực tế chúng có những khác biệt đáng kể Bảng 2.16 so sánh ưu nhược điểm của hai loại động cơ này Khi xem xét chức năng của động cơ điện, cần lưu ý đến vai trò của dây quấn và quá trình chuyển đổi chiều Chuyển đổi chiều là quá trình biến đổi dòng điện một chiều thành dòng xoay chiều và phân phối chính xác dòng điện tới từng dây quấn của phần ứng động cơ Ở động cơ một chiều thông thường, quá trình này được thực hiện qua cổ góp và chổi than, trong khi ở động cơ BLDC, chuyển đổi chiều được thực hiện bằng các thiết bị bán dẫn như transistor, MOSFET và IGBT.
Bảng 2.16 So sánh động cơ BLDC với động cơ DC
Nội dung Động cơ DC Động cơ BLDC
Cấu trúc cơ khí Mạch kích từ nằm trên stato
Mạch kích từ nằm trên rotor
Tính năng đặc biệt Đáp ứng nhanh dễ dàng điều khiển Đáp ứng chậm hơn Dễ bảo dưỡng (thường không yêu cầu bảo dưỡng)
Sơ đồ nối dây Nối vòng tròn Đơn giản nhất là nối tam giác Δ
Cao áp: 3 pha nối Y hoặc Δ Bình thường : dây cuốn 3 pha nối Y có điểm trung tính nối đất hoặc 4 pha Đơn giản nhất nối 2 pha
Phương pháp đổi chiều Tiếp xúc cơ khí giữa chổi than và cổ góp
Chuyển mạch điện tử sử dụng thiết bị bán dẫn như transitor,MOSFET,…
Phương pháp xác định vị trí rotor
Tự động xác định bằng chổi than
Sử dụng cảm biến vị trí: phần tử Hall hoặc cảm biến quang học
Phương pháp đảo chiều Đảo chiều điện áp nguồn ( cấp cho phần ứng hoặc mạch kích từ)
Sắp xếp lại thứ tự của các tín hiệu logic
Hiệu suất Trung bình Cao
Động cơ một chiều không chổi than mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với động cơ DC, bao gồm sự an toàn cao hơn, khả năng đáp ứng nhu cầu sử dụng đa dạng và hiệu suất hoạt động tốt hơn Ngoài ra, động cơ này còn có khả năng vận hành êm ái và đạt vận tốc cao, làm tăng hiệu quả trong nhiều ứng dụng.
2.2.1 Cấu tạo động cơ BLDC
Hình 2.31 Các phần cơ bản của động cơ BLDC
Động cơ điện một chiều không chổi than có cấu tạo tương tự như động cơ xoay chiều, cụ thể là động cơ xoay chiều đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu Hình 2.16 dưới đây minh họa cho các đặc điểm chung của các động cơ điện một chiều không chổi than điển hình.
Động cơ BLDC được điều khiển bằng các cảm biến vị trí như cảm biến Hall hoặc quang học để xác định vị trí rotor Những tín hiệu từ cảm biến sẽ được gửi về bộ chuyển đổi nhằm điều khiển phản ứng của động cơ Nhờ vào các cảm biến này, động cơ BLDC có khả năng thay đổi chiều quay theo vị trí của rotor.
Stator là thuật ngữ tiếng Anh (xuất phát từ "Stationary", nghĩa là đứng yên) chỉ phần không chuyển động trong hệ thống máy quay, đối lập với Rotor Khác với động cơ điện một chiều thông thường, Stator của động cơ một chiều không chổi than chứa dây quấn phần ứng, có thể là 2 pha, 3 pha hoặc nhiều pha, nhưng thường gặp nhất là 3 pha.
Hình 2.33 Stator của động cơ BLDC
Stator của động cơ BLDC được làm từ lá thép kỹ thuật điện với cuộn dây đặt trong các khe xung quanh chu vi Cấu trúc của Stator tương tự như động cơ cảm ứng, nhưng cách bối dây khác nhau Sự khác biệt trong nối các bối dây tạo ra hai dạng sức phản điện động: hình sin và hình thang Do đó, động cơ BLDC được phân loại thành động cơ hình sin và hình thang, với dòng điện pha tương ứng Động cơ hình sin có mô-men phẳng hơn nhưng chi phí cao hơn do cần bối dây liên tục, trong khi động cơ hình thang rẻ hơn nhưng có đặc tính mô-men nhấp nhô do sự thay đổi điện áp lớn hơn.
Động cơ một chiều không chổi than có cấu hình 1 pha, 2 pha và 3 pha, tương ứng với Stator có số cuộn dây là 1, 2 và 3 Việc lựa chọn động cơ phụ thuộc vào khả năng cấp công suất điều khiển và tỷ lệ điện áp Động cơ có điện áp nhỏ hơn hoặc bằng 48V thường được sử dụng trong máy tự động, robot và các chuyển động nhỏ, trong khi động cơ trên 100V được áp dụng trong thiết bị công nghiệp, tự động hóa và các ứng dụng công nghiệp.
Hình 2.35 Các loại Rotor của động cơ BLDC
Trục động cơ được gắn với các thanh nam châm vĩnh cửu trên bề mặt Rotor Đối với những động cơ yêu cầu quán tính nhỏ của Rotor, thường chế tạo trục động cơ dưới dạng hình trụ rỗng.
Rotor được cấu tạo từ các thanh 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 trên yêu cầu về mật độ từ trường trong rotor, việc chọn chất liệu nam châm phù hợp là rất quan trọng Nam châm Ferrite thường được sử dụng do chi phí thấp, nhưng mật độ từ trên đơn vị thể tích của nó lại không cao Ngược lại, nam châm làm từ hợp kim ngày càng phổ biến nhờ vào mật độ từ cao hơn, cho phép thu nhỏ kích thước rotor mà vẫn đảm bảo mô-men đầu ra lớn Vì vậy, trong cùng một thể tích, mô-men của rotor sử dụng nam châm hợp kim luôn lớn hơn so với rotor sử dụng nam châm Ferrite.
2.2.1.3 Cảm biến Hall (Hall sensor)
Động cơ một chiều không chổi than khác biệt so với động cơ một chiều dùng chổi than ở chỗ chuyển động của nó được điều khiển bằng điện tử Các cuộn dây của Stator được cấp điện thông qua sự chuyển mạch của các van bán dẫn công suất Để động cơ hoạt động hiệu quả, điện được cung cấp cho các cuộn dây của stator theo thứ tự pha, phụ thuộc vào vị trí của Rotor để đảm bảo cấp điện chính xác.
Để xác định cuộn dây Stator nào sẽ được cấp điện tiếp theo, việc biết vị trí của Rotor là rất quan trọng Vị trí này được đo thông qua các cảm biến sử dụng hiệu ứng Hall, được lắp đặt ẩn trong Stator.
Hầu hết các động cơ một chiều không chổi than đều được trang bị cảm biến Hall ẩn bên trong stator, nằm ở phần đuôi trục phụ của động cơ.
Khi các cực nam châm của rotor đi qua gần các cảm biến Hall, chúng sẽ phát tín hiệu cao hoặc thấp tương ứng với cực Bắc hoặc cực Nam Từ tổ hợp tín hiệu của ba cảm biến Hall, thứ tự chuyển mạch chính xác được xác định Các tín hiệu này dựa trên hiệu ứng Hall, trong đó dòng điện chạy qua vật dẫn trong từ trường sẽ tạo ra lực ngang, đẩy các điện tích di chuyển về một phía của vật dẫn.
Hiệu ứng Hall, được phát hiện vào năm 1879, xảy ra khi số lượng điện tích bị đẩy về một phía cân bằng với mức độ ảnh hưởng của từ trường, dẫn đến sự hình thành hiệu điện thế giữa hai mặt của vật dẫn Hiệu điện thế này có thể đo được và phản ánh sự tương tác giữa điện tích và từ trường.
Hình 2.36 Động cơ BLDC cấu trúc nằm ngang
Khảo sát băng thử động cơ điện
2.3.1 Giới thiệu băng thử động cơ điện
Băng thử, hay còn gọi là dyno, là thiết bị chuyên dụng để đo mômen xoắn và tốc độ quay (RPM) của động cơ đốt trong hoặc động cơ điện, từ đó tính toán công suất tức thời của chúng.
Hình 2.38 Băng thử động cơ xe điện
2.3.2 Phân loại các loại băng thử công suất Đo công suất động cơ ở sau bánh đà của động cơ
Các cơ sở thử nghiệm động cơ khác nhau có cách đánh giá năng lượng và hiệu suất đa dạng, với nhiều buồng thử nghiệm phục vụ cho các chuyên gia trong các lĩnh vực như thử nghiệm sản xuất, nghiên cứu tiếng ồn động cơ, dầu bôi trơn và khí thải Để đo công suất động cơ, xe được cho chạy lên bàn thử để thực hiện các phép đo tại các bánh xe.
Thông thường, đo công suất của xe tại các bánh xe thường dùng cho các mục đích sau:
- Kiểm tra sau khi sữa chữa hoặc điều chỉnh ECU
- Thử nghiệm sản xuất cuối dòng
- Kiểm tra chứng nhận tiêu chuẩn khí thải hoặc cài đặt thử nghiệm [8]
- Buồng thử nghiệm dao động tiếng ồn (NVH) [8]
- Kiểm tra động lực học khung gầm trong hầm gió [8]
- Kiểm tra động lực học mỗi bánh xe độc lập
2.3.3 Phân loại các cách tạo tải động cơ
Hiện nay, trên thế giới có nhiều loại băng thử công suất với các phương pháp tạo tải cho động cơ khác nhau Ba cách tạo tải điển hình nhất bao gồm: tải điện trở, tải cảm ứng và tải đối kháng Những phương pháp này giúp đánh giá hiệu suất và khả năng hoạt động của động cơ một cách chính xác.
2.3.3.1 Phanh hấp thụ nước hoặc dầu
Hình 2.39 Sơ đồ cấu tạo băng thử phanh loại nước
Loại băng thử sử dụng nước hoặc dầu để hấp thụ mô-men của động cơ hoạt động dựa trên nguyên lý của ly hợp thủy động Khi đĩa Rotor quay nhanh, các phần tử nước di chuyển theo biên dạng cánh của đĩa rotor theo hướng ly tâm, sau đó hướng về biên dạng cánh trên stator theo hướng tâm Lực va đập của các phần tử nước vào đĩa Stator khiến đĩa Stator có xu hướng quay theo đĩa Rotor, nhưng bị giữ lại bởi bộ đo lực Lực ma sát giữa các lớp nước hoặc dầu cản trở chuyển động quay giữa đĩa Rotor và Stator, tạo ra lực kéo khiến Stator quay theo Rotor, lực này được đo bằng cảm biến lực gắn trên Stator.
Bộ tạo tải có vai trò quan trọng trong việc xác định mô-men mà động cơ hấp thụ thông qua lực kéo Lực ma sát và va đập của nước tạo ra tải tác động lên động cơ Sử dụng phương pháp tạo tải này trên băng thử giúp giảm chi phí đầu tư, đồng thời phù hợp cho việc thử nghiệm động cơ đốt trong và động cơ điện với dải công suất lớn.
Hình 2.40 Hình cắt của một băng thử phanh nước thực tế với đồng hồ đo lực
Loại băng thử này sử dụng phanh điện từ để tạo tải cho động cơ, với rotor quay trong từ trường do dòng điện chạy qua các cuộn dây dẫn đứng yên Từ trường này tạo ra lực cản cho chuyển động của rotor, từ đó tạo tải cho động cơ Quá trình hấp thụ năng lượng từ động cơ sinh ra nhiệt, vì vậy rotor cần được làm mát bằng nước Tuy nhiên, băng thử Eddy current có nhược điểm là chi phí cao hơn so với phanh hấp thụ bằng nước và phạm vi đo nhỏ hơn, do đó thường được sử dụng cho các bài thử nghiệm chuyên biệt.
Hình 2.41 Hình cắt một phanh hấp thụ loại Eddy current
Loại băng thử này sử dụng dòng điện xoay chiều để tạo tải cho động cơ, đồng thời chuyển đổi năng lượng hấp thụ từ động cơ thành năng lượng điện Việc tái sử dụng năng lượng này giúp giảm thiểu chi phí cho việc thử nghiệm động cơ.
Hình 2.42 Băng thử sử dụng dòng điện xoay chiều để tạo
2.3.4 Kết luận và đưa ra phương án thử nghiệm
Nhóm nghiên cứu đề xuất hai phương án sử dụng băng thử động cơ điện, bao gồm băng thử tạo tải bằng lực ma sát và băng thử tạo tải bằng động cơ điện, dựa trên các loại băng thử đã khảo sát.
2.3.4.1 Phương án dùng phanh đĩa tạo tải cho động cơ điện Ở loại băng thử này cả chiếc xe sẽ chạy lên một bàn thử để kiểm tra công suất ở bánh xe
Băng thử phanh đĩa được thiết kế để tạo tải bằng cách gắn đĩa phanh với con lăn lớn và nặng Cụm má phanh có khả năng xoay quanh trục của đĩa phanh, trong khi lực ma sát giữa má phanh và đĩa phanh tạo ra tải cho động cơ Để đo lực hấp thụ từ bánh xe truyền xuống con lăn, cảm biến đo lực được lắp đặt trên vỏ của cụm má phanh, từ đó cho phép tính toán mô-men xoắn và công suất của xe.
Hạn chế lớn nhất của phương pháp tạo tải này là sự trượt giữa bánh xe và con lăn, dẫn đến việc phát sinh nhiệt và mùi khét của cao su Bên cạnh đó, cơ cấu phanh cơ khí cũng ảnh hưởng đến hiệu suất, gây hao mòn lớn cho các má phanh trong quá trình thử nghiệm.
Hình 2.44 Cơ cấu phanh đĩa để tạo tải cho xe
2.3.4.2 Phương án dùng máy phát điện xoay chiều tạo tải cho động cơ điện
Mô hình băng thử sử dụng máy phát điện trên xe ô tô để tạo tải cho thấy ứng dụng của định luật Lenz, trong đó lực từ sinh ra trong cuộn dây dẫn kín trong từ trường biến thiên có xu hướng cản trở chuyển động của rotor.
Lực từ này sẽ tạo ra mô – men cản để cản trở chuyển động của rotor
F = I*B*l*sinα, trong đó: F : lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn kín (N)
I : cường độ dòng điện cảm ứng (A)
Để điều chỉnh tải, cần thay đổi lượng từ thông xuyên qua cuộn dây stator bằng cách thay đổi tốc độ từ thông hoặc điều chỉnh độ lớn từ thông do rotor tạo ra thông qua việc thay đổi dòng kích từ vào cuộn dây rotor.
Sau khi tiến hành khảo sát và phân tích ưu nhược điểm của hai phương pháp, nhóm chúng tôi quyết định chọn phương án sử dụng máy phát điện để tạo tải cho động cơ điện, nhằm thiết kế và chế tạo băng thử cho động cơ điện.
Giới thiệu máy phát điện (Alternator)
2.4.1 Khái niệm máy phát điện
Máy phát điện ô tô lần đầu tiên xuất hiện trên thị trường vào năm 1960 với mẫu Chrysler’s Valiant, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng điện cho xe hơi và là thành phần chính của hệ thống sạc Máy phát điện xoay chiều thường được đặt gần phía trước động cơ và được điều khiển bởi trục khuỷu, chuyển đổi chuyển động lên xuống của piston thành chuyển động tròn Trong khi một số xe đời đầu sử dụng đai truyền động riêng từ ròng rọc trục khuỷu đến ròng rọc máy phát điện, hầu hết các xe ô tô hiện đại đều sử dụng đai serpentine và dựa vào khả năng điều khiển của trục khuỷu Máy phát điện thường được gắn bằng giá đỡ bắt vít vào một vị trí cụ thể trên động cơ.
Hình 2.46 Máy phát điện ô tô
2.4.2 Cấu tạo máy phát điện
Hình 2.47 Cấu tạo của máy phát điện
Chức năng của máy phát điện bao gồm:
- Phát điện: dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ khi một nam châm quay trong cuộn dây sẽ tạo ra suất điện động ( điện áp) trong cuộn dây
Để chuyển đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều, các thiết bị điện trên ô tô cần sử dụng dòng điện một chiều, do đó máy phát điện sẽ phải thực hiện quá trình chỉnh lưu dòng điện.
Điều chỉnh điện áp đầu ra là rất quan trọng, vì dòng điện được tạo ra từ nguyên lý quay của nam châm trong cuộn dây, phụ thuộc vào tốc độ quay của nam châm, tức là tốc độ của động cơ Do đó, dòng điện sẽ thay đổi theo tốc độ của động cơ, khiến cho việc điều chỉnh điện áp trở nên cần thiết để đảm bảo ổn định và phù hợp với các thiết bị điện.
Máy phát điện được thiết kế với các thành phần cấu tạo đặc trưng, mang lại nhiều chức năng quan trọng Cấu trúc và chức năng của từng thành phần trong máy phát điện đóng vai trò quyết định trong hiệu suất hoạt động của thiết bị.
Rotor là thanh nam châm quay bên trong cuộn dây Stator, tạo ra từ trường biến thiên để sinh ra lực điện trường Cuộn dây được quấn quanh 6 cặp lõi cực (12 cực từ), và lực điện từ xuất hiện khi có dòng điện chạy qua Khi cường độ dòng điện vào Rotor tăng, nhiệt độ cũng gia tăng Tùy thuộc vào loại máy phát, có thể trang bị quạt gió đồng trục với Rotor hoặc thiết kế vỏ bên ngoài để tản nhiệt hiệu quả.
Hình 2.48 Rotor của máy phát điện
Stator là bộ phận tạo ra dòng điện xoay chiều 3 pha thông qua việc thay đổi từ thông do Rotor quay Nó bao gồm lõi và cuộn dây được lắp đặt trong khung phía trước Do Stator sinh ra nhiệt nhiều hơn bất kỳ bộ phận nào khác trong máy phát điện, nên vỏ cách nhiệt được sử dụng để bảo vệ các cuộn dây.
Hình 2.49 Stator của máy phát điện
2.4.2.3.Chổi than và cổ góp
Chổi than được làm từ Graphit kim loại được sử dụng để giảm điện trở và điện trở tiếp xúc và đồng thời chống sự ăn mòn
Hình 2.50 Chổi than và cổ góp máy phát điện
Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển đổi toàn bộ dòng điện xoay chiều 3 pha từ các cuộn dây Stator thành dòng điện một chiều, thực hiện chức năng chỉnh lưu đầy đủ trong toàn bộ chu kỳ.
6 diode ( hoặc 8 diode đối với các diode ở điểm trung tính)
Hình 2.51 Bộ chỉnh lưu của máy phát điện
2.4.2.5 Bộ điều áp (tiết chế) Điều chỉnh điện áp ra sao cho ổn định Có 2 phương pháp điều chỉnh là tăng hoặc giảm từ trường của Rotor và tăng tốc hoặc giảm tốc độ quay của nam châm
Hình 2.52 Tiết chế IC của máy phát điện
2.4.3 Nguyên lý hoạt động của máy phát điện
Có nhiều phương pháp tạo ra dòng điện, và trong các máy phát điện, cuộn dây kết hợp với nam châm được sử dụng để phát sinh dòng điện Sức điện động sinh ra trong cuộn dây sẽ tăng lên khi các yếu tố như tốc độ quay, độ mạnh của từ trường và số vòng dây được cải thiện.
- Số vòng dây quấn càng nhiều
- Tốc độ quay của nam châm càng nhanh
Khi nam châm được đưa gần cuộn dây, từ thông xuyên qua cuộn dây sẽ tăng lên, trong khi đó, khi cuộn dây được di chuyển ra xa, đường sức từ xuyên qua cuộn dây sẽ giảm xuống.
Cuộn dây tự điều chỉnh để ngăn chặn sự biến đổi của từ thông, tạo ra từ thông theo hướng đối kháng với những thay đổi Điều này phản ánh lý thuyết vật lý cơ bản và có nhiều ứng dụng thực tế trong công nghệ hiện đại.
- Nam châm vĩnh cửu được thay thế bằng nam châm điện ( khi khởi động xe sẽ lấy điện từ acquy)
- Có thêm lõi thép sẽ làm tăng từ thông qua cuộn dây
- Sinh ra từ thông móc vòng làm từ thông thay đổi liên tục.
Nghiên cứu cách truyền tải công suất từ động cơ lên máy phát điện
Động cơ BLDC, với kích thước nhỏ gọn và mô-men xoắn cao, đang ngày càng được ưa chuộng và lựa chọn để thay thế cho động cơ một chiều có chổi than (DC Motor) Hình 2.53 minh họa sơ đồ khối thu thập dữ liệu từ băng thử động cơ điện, cho thấy sự phát triển và ứng dụng của công nghệ này trong ngành công nghiệp.
Hình 2.54 Sơ đồ mạch tượng trưng động cơ BLDC
Dòng điện qua mỗi pha của động cơ BLDC được xác định như sau:
- R1, R2, R3 là kháng trở của các cuộn dây
- L1, L2, L3 là điện cảm của các cuộn dây
- E1, E2, E3 là điện áp cảm ứng trong mỗi cuộn dây
Cuộn dây Stator của động cơ BLDC được kết nối theo hình sao, do đó không thể xác định hiệu điện thế giữa dây pha và dây trung tính Thay vào đó, hiệu điện thế giữa hai dây pha có thể được tính toán thông qua một công thức cụ thể.
Hình 2.55 Mạch đấu sao của cuộn dây động cơ BLDC
Giả định rằng động cơ BLDC là một hệ thống cân bằng với cấu trúc đối xứng (R1 = R2 = R3 và L1 = L2 = L3), từ công thức (4) và (5), trong một hệ thống đối xứng có điểm trung tính, các dòng pha cần thỏa mãn phương trình i1 + i2 + i3 = 0.
Từ công thức (6) ta có thể suy ra : i3 = – i1 – i2 (7) Thay công thức (7) vào công thức (5) ta được:
Từ công thức (4) và công thức (8), ta có thể tính được dòng điện ở các pha 1 và 2 như sau: di 1 dt = 1 3L (2V12 + V23 – 3Ri1 – E23 – 2E12) (9)
Khi động cơ hoạt động, mô-men điện từ trên trục không thay đổi, do đó để duy trì mô-men xoắn ổn định, mỗi pha cần sinh ra suất điện động (back EMF) phù hợp với dòng điện ở pha đối xứng Khi tốc độ động cơ tăng, điện áp cảm ứng trong cuộn dây cũng tăng theo Mối tương quan giữa suất điện động (back EMF) E và tốc độ động cơ ω được thể hiện qua phương trình sau.
- Ke là hằng số điện động
- ω là tốc độ của động cơ (rad/s)
- ϴ là vị trí của rotor so với cảm biến Hall
Hình 2.56 dòng điện pha và giá trị sức điện động Emf
Hàm F(ϴ) trong phương trình có dạng sóng hình thang, với biên độ tối đa là 1 và biên độ tối thiểu là -1 Công suất điện từ của động cơ được truyền đến Rotor được tính bằng tổng các tích giữa các dòng trong pha và các suất điện động tương ứng.
Pe = E1i1 + E2i2 + E3i3 (12) Mặt khác công suất điện được tính bởi công thức:
Từ công thức (12) và công thức (13), ta có:
Mme ω = E1i1 + E2i2 + E3i3 (14) Bên cạnh đó mô – men điện từ bằng tích của hằng số mô – men và dòng điện pha, vì thế:
Với: Kt là hằng số mô – men của động cơ
Máy phát điện hoạt động tương tự như động cơ điện một chiều, nhưng khác biệt ở chỗ nó chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện Kết nối đồng trục giữa máy phát điện và động cơ BLDC thông qua khớp nối mềm đảm bảo tỷ số truyền tốc độ quay là 1:1 Khi máy phát điện được kích từ bằng bình acquy và kết nối với điện trở tải, Rotor trở thành nam châm điện, tạo ra từ trường xung quanh Động cơ quay làm cho trục máy phát quay, từ trường của Rotor xuyên qua cuộn Stator, gây ra sự biến thiên và tạo ra sức điện động (Emf) theo định luật Faraday – Lenz.
- ∆𝐵𝐴: sự thay đổi của từ thông
- ∆𝑡: sự thay đổi của thời gian
Sức điện động (Emf) trong công thức trên thể hiện dòng điện (I) và từ trường (B) chống lại sự thay đổi của nó Giả sử sức điện động được sinh ra trong cuộn Stator là E, với kháng trở của cuộn dây là r và điện trở tải là Rload, tất cả được kết nối như hình 2.57, trong đó dòng điện chạy qua là I.
Hình 2.57 Mạch kết nối giữa điện trở tải và kháng trở cuộn dây
Lúc này điện áp đo được ở hai đầu điện trở tải là V, ta có sự tương quan giữa các đại lượng trên là:
Vì điện trở tải (Rload) được mắc nối tiếp với kháng trở ( r ) cuộn dây, theo định luật Ohm ta có:
Ứng dụng định luật Lenz cho thấy rằng lực từ sinh ra trong cuộn dây dẫn kín khi đặt trong từ trường biến thiên có xu hướng cản trở chuyển động của Rotor, và lực này có độ lớn tương ứng với sự biến đổi của từ trường.
- F: lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn kín (N)
Điện trở tải (Rload) là một giá trị hằng số, và lực điện từ (F) tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện (I) Để thay đổi giá trị lực từ, ta chỉ cần điều chỉnh lượng từ thông xuyên qua cuộn Stator bằng cách thay đổi tốc độ quay của trục Rotor hoặc tốc độ quay của động cơ.
Vỏ máy phát điện gắn liền với Stator, khi lực từ xuất hiện, vỏ có xu hướng quay theo chiều lực tác dụng Load cell được đặt ở vị trí hấp thụ lực do vỏ máy phát quay, tương ứng với lực từ tác dụng vào cuộn Stator Khi lực tác động lên Load cell, nó sẽ gửi tín hiệu điện áp về máy tính để thu thập dữ liệu Mô-men do vỏ máy phát tác dụng lên Load cell được xác định trong quá trình này.
- Mload: là mô – men tải (N.m)
- F: lực do Load cell thu được (N)
- R: khoảng cách từ vỏ máy phát đến điểm tác dụng lên Load cell (m)
Dựa vào giá trị mô-men Mload và mô-men của động cơ Mme, chúng ta nhận thấy rằng hai giá trị này là bằng nhau.
Giới thiệu phần mềm Inventor
Autodesk Inventor, phát triển bởi công ty phần mềm Autodesk tại Mỹ, là phần mềm chuyên dụng cho thiết kế 3D, cho phép tạo ra các bản vẽ chi tiết Đây là công cụ thiết yếu cho các nhà thiết kế, đặc biệt trong lĩnh vực cơ khí và linh kiện sản phẩm Phần mềm giúp người dùng kiểm soát các linh kiện, thuộc tính và chức năng của sản phẩm, giảm thiểu nhu cầu về mô hình vật lý và tiết kiệm chi phí trong quá trình thay đổi thiết kế so với phương pháp truyền thống.
Autodesk Inventor cung cấp một môi trường thiết kế tương tự như AutoCAD, hỗ trợ tập tin DWG và cho phép người dùng chuyển đổi từ bản vẽ 2D sang mô hình 3D Phần mềm này được sử dụng phổ biến trong việc tạo nguyên mẫu kỹ thuật số, tích hợp các mẫu từ bản vẽ 2D AutoCAD với dữ liệu 3D để hình thành sản phẩm ảo.
Kỹ sư có thể thiết kế và mô phỏng sản phẩm mà không cần tạo mẫu vật lý nhờ 56 cách này Người dùng có thể tận dụng các công cụ thiết kế 3D cơ khí trong Inventor để nghiên cứu và đánh giá mô hình một cách thuận tiện và hiệu quả Phần mềm cũng cung cấp nhiều công cụ và tính năng khác nhằm nâng cao năng suất làm việc.
Autodesk Inventor giúp kết nối thiết kế, kỹ thuật và sản xuất, rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm Phần mềm này giảm chi phí sản xuất thông qua việc tạo mẫu và thử nghiệm ảo, từ đó hạn chế lỗi và giảm thiểu lao động thủ công Nhờ đó, chu kỳ sản xuất được tăng tốc, giúp đưa sản phẩm ra thị trường nhanh hơn.
Hình 2.58 Logo của phần mềm Autodesk Inventor
CÁC THIẾT BỊ THU THẬP DỮ LIỆU
Cảm biến Loadcell
Loadcell là thiết bị cảm biến chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện, dựa trên khái niệm "strain gage" - cấu trúc biến dạng đàn hồi khi chịu lực, tạo ra tín hiệu điện tỉ lệ với sự biến dạng Thiết bị này thường được sử dụng để cảm ứng các lực lớn, tĩnh hoặc biến thiên chậm, và một số loại Loadcell còn được thiết kế đặc biệt để đo lực tác động mạnh tùy thuộc vào cấu trúc của nó.
Hình 3.1 Một số loại Loadcell
3.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Loadcell bao gồm hai thành phần chính: "Strain gage" và "Load" Strain gage là một điện trở đặc biệt, kích thước nhỏ như móng tay, có khả năng thay đổi điện trở khi bị biến dạng Nó được cấp nguồn điện ổn định và được gắn chặt lên Load, là một thanh kim loại đàn hồi chịu tải.
Hình 3.2 Cấu tạo cảm biến Loadcell
Loadcell hoạt động theo nguyên lý cầu điện trở Wheatstone, trong đó giá trị lực tác dụng tỷ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng Sự thay đổi này dẫn đến tín hiệu điện áp tỷ lệ, cho phép đo lường chính xác lực tác động.
3.1.3 Thông số kỹ thuật cơ bản
Thông số kỹ thuật đại diện cho chất lượng và khả năng hoạt động một cách tối ưu nhất của Loadcell:
- Độ chính xác: cho biết phần trăm chính xác trong phép đo Độ chính xác phụ thuộc tính chất phi tuyến, độ trễ, độ lặp
- Công suất định mức: giá trị khối lượng lớn nhất mà Loadcell có thể đo được
Dải bù nhiệt độ là khoảng nhiệt độ mà đầu ra của Loadcell được điều chỉnh Nếu nhiệt độ nằm ngoài khoảng này, đầu ra sẽ không đảm bảo đúng theo các thông số kỹ thuật đã được cung cấp.
- Cấp bảo vệ: được đánh giá theo thang đo IP ( ví dụ IP65: chống được độ ẩm và bụi)
- Điện áp: giá trị điện áp làm việc của Loadcell ( thông thường đưa ra giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất, ví dụ 5 – 15 V)
- Độ trễ: hiện tượng trễ khi hiển thị kết quả dẫn tới sai số trong kết quả Thường được đưa ra dưới dạng % của tải trọng
- Trở kháng đầu vào: trở kháng được xác định thông qua S- và S+ khi Loadcell chưa kết nối vào hệ thống hoặc ở chế độ không tải
- Điện trở cách điện: thông thường đo tại dòng DC 50V Giá trị cách điện giữa lớp vỏ kim loại của Loadcell và thiết bị kết nối dòng điện
- Giá trị ra: kết quả đo được (đơn vị mV)
- Trở kháng đầu ra: cho dưới dạng trở kháng đo được giữa Ex+ và Ex- trong điều kiện Loadcell chưa kết nối hoặc hoạt động ở chế độ không tải
- Quá tải an toàn: là công suất mà Loadcell có thể vượt quá ( ví dụ 125% công suất)
Hệ số tác động của nhiệt độ là một đại lượng quan trọng được đo trong điều kiện có tải, phản ánh sự thay đổi công suất của Loadcell khi nhiệt độ thay đổi Chẳng hạn, nếu hệ số này là 0.01%/100°C, điều đó có nghĩa là khi nhiệt độ tăng thêm 100°C, công suất đầy tải của Loadcell sẽ tăng lên 0.01%.
- Hệ số tác động của nhiệt độ tải điểm 0: giống như trên nhưng đo ở chế độ không tải
Có thể phân loại Loadcell như sau:
- Phân loại Loadcell theo lực tác động: chịu kéo (shear Loadcell), chịu nén (compression Loadcell), dạng uốn ( bending), chịu xoắn ( tension Loadcell)
- Phân loại theo hình dạng: dạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu, dạng chữ S
- Phân loại theo kích thước và khả năng chịu tải: bé, vừa, lớn
Một ứng dụng khá phổ biến của Loadcell là được sử dụng trong các loại cân điện tử hiện nay
Cân kỹ thuật với độ chính xác cao và cân xe tải có trọng tải lớn đều đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp.
Trong ngành công nghệ cao hiện nay, loại Loadcell cỡ nhỏ đã được cải tiến về công nghệ và tính ứng dụng Thiết bị này được gắn vào đầu ngón tay robot, giúp xác định độ bền kéo và lực nén khi robot cầm nắm hoặc nâng các vật thể.
Trong các nhà máy công nghiệp, việc phân phối đồng đều trọng lượng sản phẩm là rất quan trọng Các Loadcell được thiết kế đặc biệt để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng tự động hóa, giúp đảm bảo việc phân phối trọng lượng chính xác và hiệu quả.
Trong cầu đường, Loadcell đóng vai trò quan trọng trong việc cảnh báo độ an toàn của cầu treo Chúng được lắp đặt trên các dây cáp để đo sức căng và sức ép chân cầu trong nhiều điều kiện giao thông và thời tiết khác nhau Dữ liệu thu thập được sẽ được gửi đến hệ thống xử lý số liệu, từ đó có thể truy xuất qua điện thoại, máy tính hoặc LCD Nhờ vào đó, việc cảnh báo về độ an toàn của cầu được thực hiện kịp thời, giúp xác định các biện pháp sửa chữa cần thiết.
Cảm biến dòng ACS758LCB-100B-PFF-T 100A
Cảm biến dòng ACS758LCB-100B-PFF-T 100A là cảm biến dùng để do dòng AC và
Cảm biến hiệu ứng Hall được ứng dụng phổ biến trong điều khiển động cơ, phát hiện tải và quản lý bộ biến tần Thiết bị này hoạt động bằng cách đo dòng điện chạy qua ống dẫn đồng, từ đó xuất ra tín hiệu tuyến tính tương ứng với dòng điện.
Hình 3.4 Cảm biến dòng ACS758
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của cảm biến ACS758
Nhà sản xuất Allegro MicroSystems
Giới hạn dòng đo 100A (AC/DC)
Loại cảm biến Hiệu ứng Hall có vòng lặp mở
Số chân 5 Điện áp hoạt động 3 – 5.5 V
Tín hiệu điện đầu ra 2.5V Độ chính xác ± 1% Độ nhạy 20mV/A
Sơ đồ mạch và chân của cảm biến
Hình 3.5 Sơ đồ mạch và chân cảm biến ACS758
Bản vẽ cắt của cảm biến
Hình 3.6 Bản vẽ cắt cảm biến ACS758.
Cảm biến tốc độ bánh xe
Cảm biến tốc độ bánh xe là thiết bị đo tốc độ không tiếp xúc, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống kiểm soát phanh Chức năng chính của cảm biến này là ngăn ngừa hiện tượng hãm cứng phanh khi cần giảm tốc đột ngột Cảm biến được lắp đặt bên trên hoặc bên cạnh bánh xe, sử dụng vòng xung gắn vào các bộ phận như trục bánh xe, đĩa phanh, khớp CV hoặc trục truyền động, đảm bảo độ chính xác trong việc đo tốc độ quay.
Hình 3.7 Vị trí cảm biến tốc độ bánh xe
Cảm biến tốc độ bánh xe được chia thành hai loại chính: cảm biến điện từ và cảm biến Hall, trong đó cảm biến điện từ phổ biến hơn Cảm biến Hall hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall, khi một điện áp xuất hiện trên dây dẫn có dòng điện chạy qua khi có từ trường vuông góc Chúng ghi nhận sự thay đổi trong từ trường và gửi tín hiệu sóng vuông đến bộ điều khiển Việc kết hợp cảm biến bán dẫn với mạch điện tử giúp bảo vệ cảm biến khỏi xung điện áp và từ trường của nam châm vĩnh cửu Cảm biến Hall thường ghi lại tốc độ bánh xe thông qua các bánh răng hoặc bộ mã hóa từ được gắn trên trục bánh xe, đĩa hoặc ổ trục.
Hình 3.8 Cảm biến tốc độ bánh xe (Hall).
Board Arduino Uno
Arduino UNO R3 là phiên bản thứ ba của kit Arduino UNO, được thiết kế để lập trình các ứng dụng điều khiển phức tạp Nó sở hữu cấu hình mạnh mẽ với bộ nhớ ROM, RAM và Flash, cùng với nhiều ngõ vào ra digital I/O, trong đó có nhiều ngõ hỗ trợ xuất tín hiệu PWM Bên cạnh đó, Arduino UNO R3 còn có khả năng đọc tín hiệu analog và hỗ trợ các chuẩn giao tiếp đa dạng như UART, SPI và TWI (I2C).
Hình 3.10 Các chân của Arduino
Bảng 3.2 Các thông số của Arduino Uno R3
Vi điều khiển Atmega328P Điện áp hoạt động 5V Điện áp cấp (hoạt động tốt) 7 – 12V Điện áp cấp (giới hạn) 6 – 12V
Chân I/O digital 14 (có 6 chân xuất xung PWM)
Dòng điện mỗi chân I/O 20mA
Bộ nhớ Flash 32kB (Atmega328P) – trong đó 0.5kB dùng cho bootloader
Tốc độ xung nhịp 16 MHz
3.4.1 Sơ đồ chân của Atmega328P
Hình 3.11 Sơ đồ chân Atmega328P của Arduino
Các chân I/O digital (chân 2-13) được sử dụng để nhập và xuất tín hiệu số thông qua các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() Điện áp hoạt động tối đa cho các chân này là 5V, với dòng điện tối đa 20mA; việc cấp dòng quá 40mA có thể gây hư hỏng cho vi điều khiển.
- Analog: Uno có 6 chân Input analog (A0 – A5), độ phân giải mỗi chân là 10 bit (0 –
1023) Các chân này dùng để đọc tín hiệu điện áp 0 – 5V (mặc định) tương ứng với 1024 giá trị, sử dụng hàm analogRead()
- PWM: các chân được đánh số 3, 5, 6, 9, 10, 11; có chức năng cung cấp xung PWM (8 bit) thông qua hàm analogWrite()
- UART: Atmega328P cho phép truyền dữ liệu thông qua hai chân 0 (RX) và chân 1 (TX)
Có hai cách cấp nguồn chính cho bo mạch Uno: cổng USB và jack DC
Giới hạn điện áp cung cấp cho board Uno là từ 6 đến 20V, nhưng dải điện áp lý tưởng để sử dụng là từ 7 đến 12V, với mức tốt nhất là 9V Nếu nguồn cấp dưới 7V, điện áp tại chân 5V có thể bị giảm xuống thấp hơn mức yêu cầu.
5V và mạch có thể hoạt động không ổn định; nếu nguồn cấp lớn hơn 12V có thể gây nóng bo mạch hoặc có thể bị hỏng
Các chân nguồn trên Uno:
- Vin: chúng ta có thể cấp nguồn cho Uno thông qua chân này Cách cấp nguồn này ít được sử dụng
- 5V: Chân này có thể cho nguồn 5V từ bo mạch Uno Việc cấp nguồn vào chân này hay
“chân 3.3V” đều có thể phá hỏng mạch
- 3.3V: Chân này cho nguồn 3.3V và dòng điện tối đa là 50mA
Mạch chuyển đổi ADC 24bit HX711
Đây là module chuyển đổi tương tự số ADC: Độ phân giải 24bit và giao tiếp 2 dây với vi điều khiển: 2 chân SCK (Clock) và DT (Data)
- Tốc độ lấy mẫu: 10 – 80 SPS ( có thể tùy chỉnh)
- Độ phân giải điện áp: 40mV
Do tín hiệu đầu ra của Loadcell rất nhỏ, chỉ khoảng 1 – 3mV, nên cần sử dụng bộ chuyển đổi ADC với độ phân giải phù hợp để có thể đọc được tín hiệu điện áp này.
Màn hình LCD 2004 tích hợp I2C
Hình 3.13 Màn hình LCD 2004 tích hợp I2C
Màn hình LCD 2004 là màn hình hiển thị 20 kí tự 4 dòng Được sử dụng để hiển thị các thông số của các cảm biến truyền tín hiệu về
Thông số kỹ thuật của màn hình LCD 2004:
- LCD: 2004 kí tự (HD44780) hiển thị thông thường
- Điện áp hoạt động 5VDC
Bảng 3.3 Các chân của màn hình LCD 2004
Chân Ký hiệu Mô tả Giá trị
3 VO Điều khiển độ sáng màn hình
4 RS Lựa chọn thanh ghi RS=0 (mức thấp) chọn thanh ghi lệnh
RS=1 (mức cao) chọn thanh ghi dữ liệu
5 RW Chọn thanh ghi đọc/viết dữ liệu
RW=0 thanh ghi viết RW=1 thanh ghi đọc
6 E Enable(Cho phép ghi vào
7 D0 Chân truyền dữ liệu 8bit
8 D1 Chân truyền dữ liệu 8bit
9 D2 Chân truyền dữ liệu 8bit
10 D3 Chân truyền dữ liệu 8bit
11 D4 Chân truyền dữ liệu 4/8bit
12 D5 Chân truyền dữ liệu 4/8bit
13 D6 Chân truyền dữ liệu 4/8bit
14 D7 Chân truyền dữ liệu 4/8bit
15 VDD Cực dương đèn LED nền 5V
16 K Cực âm đèn LED nền 0V
Thông số kỹ thuật của I2C:
- Điện áp hoạt động 2.5 – 6VDC
- Hỗ trợ màn hình: LCD1602, 1604, 2004 (driver HD44780)
- Địa chỉ mặc định: 0x3F (có thể điều chỉnh ngắn mạch chân A0, A1, A2)
- Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt
- Tích hợp biến trở xoay chiều điều chỉnh độ tương phản cho LCD