Thiết kế và thi công xe lăn điện

Hiện nay việc ứng dụng của công trình vào việc điều khiển tối ưu tốc độ xe lăn điện được áp dụng tương đối nhiều ở các nước phát triển, riêng ở nước ta cần được sử dụng rộng rãi hơn, một mặt để áp dụng khoa học kỹ thuật vào đời sống để không bị tụt hậu, mặt khác nhằm tạo điều kiện thích ứng tốt nhất cho những người khuyết tật, những con người khó khăn trong cuộc sống. Đề tài mang tính khoa học và khả năng ứng dụng thực tế cao, việc sử dụng bộ điều khiển tối ưu trong xe lăn điện đã góp phần tăng tính thuận tiện trong việc sử dụng cho người sử dụng, đồng thời tiết kiệm năng lượng hoạt động cho xe điện (tiết kiệm khoảng 15% tổng năng lượng tiêu hao trong quá trình vận hành xe).

doc61 trang | Chia sẻ: lylyngoc | Ngày: 20/11/2013 | Lượt xem: 2446 | Lượt tải: 9download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Thiết kế và thi công xe lăn điện, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
nguồn như điện áp hay các thơng số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thơng. Từ đĩ tạo ra các đặc tính cơ mới để cĩ những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu. Cĩ 2 phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ : - Phương pháp 1 : Biến đổi các thơng số đầu ra hay cịn gọi là thơng số được điều chỉnh là moment (M) và tốc độ () của động cơ. Cĩ nghĩa là làm thay đổi thơng số đầu ra bằng cách tác động lên thơng số đầu vào một cách rời rạc. Mỗi lần tác động ta cĩ một giá trị khơng đổi của thơng số đầu vào và tương ứng ta được một đường đặc tính cơ (nhân tạo). Khi động cơ làm việc, các nhiễu loạn sẽ tác động vào hệ (như phụ tải thay đổi, điện áp nguồn dao động …). Nhưng thơng số đầu vào vẫn giữ khơng đổi nên điểm làm việc của động cơ chỉ di chuyển trên một đường đặc tính cơ. Người ta gọi dạng điều chỉnh này là “điều chỉnh bằng tay” hoặc “điều chỉnh vịng hở” hoặc “điều chỉnh khơng tự động”. - Phương pháp 2 : Biến đổi các thơng số đầu vào hay cịn gọi là thơng số điều chỉnh điện trở phần ứng Rư (hoặc Rfư), từ thơng (hoặc điện áp kích từ Ukt ; dịng điện kích từ Ikt) và điện áp phần ứng Uư . Cĩ nghĩa là nhờ sự thay đổi liên tục của thơng số đầu vào theo mức độ sai lệch của thơng số đầu ra so với giá trị định trước, nhằm khắc phục độ sai lệch đĩ. Như vậy khi cĩ tác động của nhiễu làm ảnh hưởng đến thơng số đầu ra, thì thơng số đầu vào sẽ thay đổi và đơng cơ sẽ cĩ một đường đặc tính cơ khác, điểm làm việc của động cơ sẽ dịch chuyển từ đường đặc tính nhân tạo này sang đường đặc tính nhân tạo khác và vạch ra một đường đặc tính cơ của hệ điều chỉnh tự động. Việc thay đổi tự động thơng số đầu vào được thực hiện nhờ mạch phản hồi ; mạch này lấy tín hiệu từ thơng số đầu ra hoặc một thơng số nào đĩ liên quan đến đầu ra, đưa trở lại gây tác động lên thơng số đầu vào, tạo thành một hệ cĩ liên hệ kín giữa đầu ra và đầu vào. Vì vậy người ta gọi hệ này là hệ “điều chỉnh vịng kín” hoặc “điều chỉnh tự động”. Vì vậy ta khảo sát sự điều chỉnh tốc độ động cơ DC theo phương pháp thứ hai. Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều cĩ nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác. Khơng những nĩ cĩ khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển khá đơn giản hơn, đồng thời lại đạt được chất lượng điều chỉnh cao trong dãy điều chỉnh tốc độ rộng. Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá chất lượng hệ thống điều chỉnh tốc độ. Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và căn cứ vào các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền động điện : A - Hướng điều chỉnh tốc độ. Hướng điều chỉnh tốc độ là ta cĩ thể điều chỉnh để cĩ được tốc độ lớn hơn hay bé hơn so với tốc độ cơ bản (là tốc độ làm việc) của động cơ điện trên đường đặc tính cơ tự nhiên. B - Phạm vi điều chỉnh tốc độ (dãy điều chỉnh tốc độ). Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỷ số giữa tốc độ lớn nhất nmax và tốc độ bé nhất nmin mà người ta cĩ thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tải là định mức : D = nmax/nmin. Trong đĩ : nmax : được giới hạn bởi độ bền cơ học. nmin : được giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ. Thơng thường người ta chọn nmin làm đơn vị. Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụ thuộc vào từng yêu cầu của hệ thống, khả năng của từng phương pháp điều chỉnh. C - Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ. Độ cứng : . Khi càng lớn tức càng lớn và nhỏ, nghĩa là độ ổn định tốc độ càng lớn khi phụ tải thay đổi nhiều. Phương pháp điều chỉnh tốc độ tốt nhất là phương pháp mà giữ nguyên hoặc nâng cao độ cứng của đường đặc tính cơ. Hay nĩi cách khác càng lớn thì càng tốt. D - Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ. Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, cĩ nhiều cấp tốc độ. Độ liên tục khi điều chỉnh tốc độ được đánh giá bằng tỷ số giữa hai cấp tốc độ kề nhau : = ni/ni+1 . Trong đĩ : ni : tốc độ điều chỉnh thứ cấp i. ni+1 : tốc độ điều chỉnh thứ cấp i+1. Với ni và ni+1 đều lấy tại một giá moment nào đĩ. tiến càng gần 1 càng tốt, phương pháp điều chỉnh tốc độ càng liên tục. Lúc này 2 cấp tốc độ đều bằng nhau, khơng cĩ nhảy cấp hay cịn gọi là điều chỉnh tốc độ vơ cấp. 1 hệ thống điều chỉnh cĩ cấp. Hệ chỉ cĩ thể làm việc ổn định tại một số giá trị của tốc độ trong dãy điều chỉnh tốc độ. E - Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ. Hệ thống truyền động điện khi cĩ chất lượng cao là một hệ thống cĩ hiệu suất làm việc của động cơ là cao nhất, khi tổn hao năng lượng Pphu ở mức thấp nhất. F - Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ. Hệ thống điều chỉnh tốc độ truyền động điện cĩ tính kinh tế cao nhất là một hệ thống điều chỉnh phải thoả mãn tối đa các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Đồng thời hệ thống phải cĩ giá thành thấp nhất, chi phí bảo quản vận hành thấp nhất, sử dụng thiết bị phổ thơng nhất và các thiết bị máy mĩc cĩ thể dễ dàng thay thế khi bảo trì. 2.2.2 Phương pháp điều khiển xe lăn điện: Trong đề tài này nhĩm sinh viên áp dụng sự thay đổi điện áp trên động cơ để làm thay đổi tốc độ xe lăn điện. Với phương pháp điều khiển làm thay đổi độ rộng xung áp trên động cơ xe lăn ta cĩ thể dễ dàng hiệu chỉnh tốc độ động cơ theo từng chế độ cụ thể. Hình 2.6: Xung áp điều khiển tốc độ xe lăn điện . Trong các mạch điều khiển tốc độ xe điện hiện nay trên thị trường thơng thường cĩ hai phương pháp làm thay đổi độ rộng xung áp như sau: Thay đổi độ rộng xung áp điều khiển tốc độ xe điện dùng biến trở. Thay đổi độ rộng xung áp điều khiển tốc độ xe điện dùng Hall_Sensor. Ở mỗi cách thức điều khiển tốc độ xe lăn đều cĩ những tiện lợi riêng, tuy vậy việc sử dụng Hall_sensor để điều khiển tốc độ xe lăn điện sẽ đạt được tốc độ ổn định và độ bền cơ học cao. A - Thay đổi độ rộng xung áp điều khiển tốc độ xe điện dùng biến trở: Biến trở mắc trong mạch được nối với tay ga điều khiển bên ngồi, khi vặn tay ga làm thay đổi giá trị điện trở bên trong mạch sẽ dẫn đến thay đổi giá trị điện áp của mạch, tín hiệu áp thay đổi này được đưa vào ngõ RA1/AN1 của IC 16F876A, qua xử lý tín hiệu điều khiển sẽ được xuất ra điều khiển thay đổi tốc độ xe điện. Khác với cách điều khiển tốc độ của một động cơ thơng thường, việc điều khiển tốc độ xe lăn điện khĩ khăn và phức tạp hơn nhiều. Chúng ta khơng đơn thuần chỉ thay đổi điện áp của động cơ mà cần phải lập trình sao cho tốc độ động cơ thay đổi trong một khoảng thời gian trì hỗn nhất định gọi là bước tăng (đơn vị: sec), mỗi bước tăng dài hay ngắn quyết định sự thay đổi tốc độ động cơ nhanh hay chậm. Mỗi bước tăng là một xung điều khiển tốc độ động cơ, ta cĩ thể tăng các nấc của bước tăng từ 0 đến 255. Vậy thời gian để đạt được tốc độ tối đa của xe lăn trong một chế độ hoạt động (cĩ chọn trước) là: T = Thời gian tăng một bước × Số bước cực đại. Nếu bước tăng quá ngắn sẽ làm cho động cơ thay đổi tốc độ đột ngột, do vậy dễ gây ngã và sốc cho người sử dụng. Cịn nếu bước tăng quá dài sẽ tạo khoảng thời gian ì quá lâu, động cơ sẽ khơng nhạy trong việc thay đổi tốc độ, gây mất thời gian và tạo sự nhàm chán cho người sử dụng. Chính vì vậy việc lập trình tạo ra một bước tăng phù hợp sẽ đảm bảo tối ưu trong việc điều khiển tốc độ động cơ. B - Thay đổi độ rộng xung áp điều khiển tốc độ xe điện dùng Hall_Sensor: Khác với phương pháp dùng biến trở, khi dùng Hall_Sensor ta cĩ thể thay đổi trực tiếp giá trị điện áp cấp cho động cơ, mỗi Hall_Sensor được mắc giữa hai đầu từ trường cố định, tùy vào vị trí tương đối của Hall_sensor ta cĩ những giá trị điện áp khác nhau. Cách điều khiển tốc độ động cơ cho xe lăn điện tương tự như dùng biến trở .Tuy nhiên khi dùng Hall_Sensor trong điều khiển, chúng ta sẽ giảm đi sự ma sát của hệ thống khi thay đổi giá trị điện trở, do vậy bộ nguồn sẽ cĩ độ bền cao hơn so với khi dùng biến trở thơng thường. Cảm biến Hall là một bộ biến đổi làm thay đổi điện áp ngõ ra dựa trên sự thay đổi của từ trường. Cảm biến Hall được dùng cho các cơng tắc tương tự, máy đo tốc độ và dị vị trí, và các dịng điện ứng dụng. Nhìn một cách đơn giản nhất cảm biến Hall như là một bộ biến đổi Analoge, làm thay đổi các giá trị điện áp thực. Với một giá trị từ trường biết trước và khoảng dịch chuyển của cảm biến Hall ta cĩ thể suy ra giá trị điện áp tức thời ngay tại thời điểm đĩ. Nếu dùng kết hợp nhiều cảm biến thì mối quan hệ giữa các từ trường cần được quan tâm. Dịng điện chạy trong cuộn dây và sinh ra từ trường làm biến thiên dịng điện và cảm biến Hall cĩ thể dùng để đo dịng điện tại thời điểm tức thời . Cụ thể như cảm biến kết hợp với một cuộn dây hay những tấm thép từ xung quanh cuộn cảm thì cĩ thể đo được dịng điện. Thơng thường một cảm biến Hall kết hợp với dịng điện chạy trong thiết bị để làm khĩa đĩng ngắt kỹ thuật số (on/off). Trong đề tài này, cảm biến Hall được sử dụng như một thiết bị để thay đổi Analog tín hiệu điện áp cung cấp vào mạch điều khiển. Mỗi Hall_sensor đều cĩ một khoảng điện áp (theo quy định của nhà sản xuất) để cĩ thể thay đổi tín hiệu analog đưa vào điều khiển. Qua khảo sát thực tế và thử nghiệm nhiều lần, ta đo được mức điện áp thay đổi trong cảm biến Hall là từ 2,7V đến 4,8V. Trên cơ sở đĩ ta quy định mức xung trong chương trình điều khiển thay đổi cho phù hợp với từng loại tay ga hay nĩi cách khác là cho từng loại cảm biến Hall khác nhau. Hình 2.7 Cảm biến Hall và nguyên tắc hoạt động Hall_sensor được kết hợp tạo thành hệ thống tay ga, việc điều chỉnh tay ga tăng hay giảm sẽ tác động trực tiếp đến điện áp điều khiển xe lăn điện. Mỗi Hall_sensor được cấu tạo như sau: Phạm vi thay đổi của Hall_Sensor N S N S Hình 2.8: Cấu tạo của một Hall_sensor Hình 2.9 Ứng dụng của Hall_sensor 2.3 Các chế độ hoạt động của xe lăn điện: Khác với các loại xe lăn điện thơng thường, với bộ điều khiển kết nối với hệ thống cơ khí được thiết kế tương đối hồn hảo ta cĩ thể vận hành và điều khiển được xe lăn hoạt động khá tốt. Do sử dụng nguồn điện Acquy trong quá trình vận hành nên khi hoạt động, xe lăn điện càng tiết kiệm năng lượng càng mang lại hiệu quả hoạt động cao hơn. Đồng thời nhằm tạo ra sự thuận lợi và tối ưu nhất trong việc điều khiển, nhĩm sinh viên đã lập trình cho bộ nguồn với 3 chế độ hoạt động, đây cũng là điểm mới và mang tính thích nghi cao của đề tài, các chế độ như sau: Chạy chậm. Chạy ở đường bằng phẳng. Chạy ở đường dốc. 2.3.1 Chế độ chạy chậm: Chế độ hoạt động chạy chậm được lập trình nhằm phù hợp cho việc di chuyển xe trong những khu vực đơng người, khĩ di chuyển ví dụ: siêu thị, hội trường…. Trong chế độ này, nhĩm sinh viên đã khảo sát sơ bộ điều kiện di chuyển cho phù hợp và lập trình vận tốc tối đa trong chế độ này là 6 Km/h chiếm tỉ lệ 23,1% cơng suất tối đa của bộ nguồn cung cấp. 0% 23,1% 0 max ˜6Km/h Ga Hình 2.10 Biểu đồ điều khiển tay ga ở chế độ chạy chậm. Với chế độ này vừa đảm bảo cho người sử dụng điều khiển xe một cách an toàn vừa đảm bảo tiết kiệm năng lượng cho xe. Theo tính tốn số liệu khi hoạt động ở chế độ chạy chậm chúng ta cĩ thể tiết kiệm được khoảng 10% năng lượng tiêu hao so với khi cho xe hoạt động liên tục ở chế độ chạy đường bằng phẳng. Với những lợi thế về năng lượng như trên, việc lựa chọn chế độ hoạt động hợp lý: sẽ giúp người sử dụng tiết kiệm tối đa về năng lượng. 2.3.2 Chế độ chạy đường bằng phẳng: Khi hoạt động ở chế độ chạy đường bằng phẳng việc điều chỉnh tốc độ xe lăn điện sẽ đạt được tốc độ tối đa. Trong đề tài nhĩm sinh viên lập trình cho tốc độ tối đa của xe lăn điện là 26 Km/h, điều khiển xe lăn chạy nhanh hay chậm tuỳ thuộc vào cách điều khiển tay ga của người sử dụng. Đây là chế độ hoạt động thơng thường của xe lăn điện, ở chế độ này việc đảm bảo cho động cơ xe lăn đạt được tốc độ ổn định và bảo đảm tính an tồn cao trong việc vận hành xe. 0% 100% 0 max ˜26Km/h Ga Hình 2.11 Biểu đồ điều khiển tay ga ở chế độ chạy đường bằng phẳng Ở chế độ chạy đường bằng phẳng, tốc độ xe lăn đạt được giá trị tối đa, đồng thời bảo vệ quá dịng thấp(<= 20A), ít tiêu hao năng lượng do cơng vơ ích sinh ra, đây là chế độ hoạt động tốt nhất cho động cơ xe. 2.3.3 Chế độ chạy đường dốc: Cũng như khi hoạt động ở chế độ chạy đường bằng phẳng, chạy ở chế độ đường dốc tốc độ xe lăn điện vẫn đạt giá trị tối đa là 26 Km/h, tuy nhiên phần năng lượng tiêu hao để đạt được giá trị tối đa của tốc độ xe là khá lớn vì ảnh hưởng của cơng vơ ích gây ra. Khi di chuyển trong địa hình dốc và cao sẽ cĩ nhiều yếu tố cản trở sự di chuyển của xe, do vậy để đạt được tốc độ tối đa là 26Km/h khơng những địi hỏi cĩ một lực kéo lớn mà mạch điều khiển phải cĩ khả năng bảo vệ quá dịng cao(gần 50A) Chính vì thế ở chế độ hoạt động thứ ba này địi hỏi cĩ một năng lượng khá lớn mới cĩ thể đảm bảo được tốc độ tối đa của động cơ. Trong điều kiện sử dụng nguồn điện acquy là nguồn điện chính trong tồn bộ hoạt động của bộ điều khiển thì đây là một bất lợi khá lớn. Với yêu cầu đĩ tác giả đã thiết kế mạch và lập trình điều khiển cho PIC 16F876A hình thành một chế độ hoạt động vừa đảm bảo được tốc độ tối đa của động cơ, vừa bảo đảm khả năng quá dịng và đặc biệt là giảm việc tiêu hao năng lượng. Đĩ cũng là tính tối ưu và ưu thế vượt trội của xe lăn điện so với những chiếc xe lăn thơng thường. 0% 100% 0 max ˜26Km/h Ga Hình 2.12 Biểu đồ điều khiển tay ga ở chế độ chạy đường dốc. Đối với những xe lăn thơng thường khi leo dốc mức năng lượng tiêu hao là khá lớn, với việc sử dụng bộ điều khiển tối ưu vào điều khiển xe lăn điện chúng ta cĩ thể tiết kiệm trên 5% mức năng lượng tiêu hao. Tuy vậy do những bất lợi về yếu tố năng lượng (ở chế độ hoạt động này mức năng lượng tiêu hao cần thiết trong cùng một khoảng thời gian và trong cùng một tốc độ điều khiển cao hơn chế độ xe chạy ở đường bằng phẳng là 6,5%), người sử dụng phải hạn chế vận hành chế độ hoạt động này trong những trường hợp khơng cần thiết để bộ nguồn hoạt động bền hơn, ít tiêu hao năng lượng hơn. 2.4 Các lỗi được cảnh báo trong quá trình hoạt động của xe lăn điện Hệ thống đèn led cảnh báo là một trong những lợi thế và là một yếu tố cần thiết trong quá trình vận hành xe lăn điện. Nhờ hệ thống đèn cảnh báo người sử dụng sẽ dễ dàng nhận biết được những lỗi và các trạng thái của các yếu tố như mức pin, độ nhạy của cảm biến, động cơ…tạo sự an tồn và tin cậy cho người sử dụng. Do đĩ hệ thống cảnh báo hoạt động cĩ ổn định hay khơng quyết định tính năng tin cậy cho xe lăn điện. 2.4.1 Cảnh báo mức pin (acquy): Bộ điều khiển hoạt động dựa trên nguồn điện được cấp chính từ acquy, chính vì vậy đảm bảo cho nguồn acquy luơn ổn định là điều kiện tiên quyết để mạch hoạt động tốt hay khơng tốt. Chính vì vậy khi xe hoạt động chúng ta cần biết được năng lượng hiện đang sử dụng cho xe là bao nhiêu, trên nhu cầu đĩ tác giả đã lập trình và đưa các mức cảnh báo mức pin bằng sáu LED như sau : Khi acquy đầy sáu LED sẽ sáng đều, khi mức pin giảm dần đồng thời số LED sẽ tắt dần từ 6 đến 1. Khi Acquy sắp hết, cịn khoảng 2 nấc pin (LED 1 và LED 2 sáng) thì hai đèn LED sẽ nhấp nháy liên tục, LED tắt sau khi nguồn vượt qua ngưỡng quy định. Với những tín hiệu cảnh báo trên ta cĩ thể xác định chính xác mức pin của bộ nguồn đạt ở mức nào để cĩ thể dễ dàng điều chỉnh cho hợp lý. 2.4.2 Cảnh báo lỗi động cơ: Một yếu tố tiếp theo quyết định xe điện hoạt động ổn định hay khơng chính là động cơ của xe, động cơ xe hoạt động tốt đảm bảo về độ rung cũng như sự ổn định cơng suất thì xe lăn sẽ hoạt động tốt. Đây cũng là một vấn đề quan tâm của người sử dụng. Tác giả đã nghiên cứu và lập trình đưa ra tín hiệu cảnh báo trên sáu LED. Khi cĩ hiện tượng khơng ổn định trong quá trình hoạt động của động cơ (quá tải, quá dịng…), mạch điều khiển trong bộ nguồn sẽ nhận được tín hiệu và xuất giá trị làm cho sáu đèn LED chớp tắt liên tục. Các LED sẽ sáng lại bình thường (ứng với mức pin) khi sự cố đã được xử lý. 2.4.3 Cảnh báo lỗi cơng suất điều khiển: Cũng như các yếu tố trên, cơng suất của mạch điều khiển cũng ảnh hưởng khá lớn đến sự hoạt động của xe lăn điện, cơng suất được đảm bảo thì động cơ sẽ chạy đúng yêu cầu của người sử dụng. Cơng suất là yếu tố chịu ảnh hưởng của dịng và áp, và đây là những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ động cơ. Do vậy chúng ta cần phải xác định chính xác lỗi này. Tác giả đã nghiên cứu và lập trình đưa ra tín hiệu cảnh báo trên sáu LED: khi cĩ hiện tượng mất ổn định về cơng suất điều khiển, mạch trong bộ điều khiển sẽ nhận tín hiệu và xuất ra giá trị làm chớp tắt liên tục LED1 và LED6. 2.4.4 Cảnh báo quá dịng định mức: Trong chế độ hoạt động bình thường hoặc chế độ chạy chậm, thơng thường khả năng quá dịng trong mạch khá thấp(<=20A), tuy vậy khi chuyển sang chế độ hoạt động chạy ở đường dốc thì khả năng quá dịng của mạch tăng cao (<50A), nếu khơng cĩ mạch bảo vệ quá dịng thì sẽ hỏng bộ điều khiển. Lỗi này người sử dụng cần đặt biệt lưu ý và cẩn thận tối đa khi vận hành. Cũng từ đĩ tác giả đã lập trình cảnh báo trên 6 LED như sau: Khi cĩ hiện tượng quá dịng trong bộ điều khiển, LED 3 sẽ nhấp nháy liên tục. 2.5 Quy trình điều khiển xe lăn điện Nhằm đảm bảo an tồn và thuận tiện cho người sử dụng, bộ điều khiển được thiết kế và gắn vào đầu trước của xe lăn điện, điều này cũng tạo cảm giác dễ dàng cho việc điều chỉnh hướng chạy của xe. Trước khi khởi động xe ta cần lựa chọn chế độ hoạt động của xe đã được lập sẵn như: chạy chậm, chạy đường bằng phẳng, chạy đường dốc. Để đảm bảo sự an tồn trước khi vận hành xe, tác giả đã đề ra quy trình khởi động xe như sau: BĨP THẮNG NHẢ THẮNG GIẢM GA LÊN GA Hình 2.13 Quy trình khởi động xe lăn điện. Khi khởi động cần làm đúng trình tự trên thì xe lăn mới hoạt động được, việc làm đúng trình tự trên sẽ đảm bảo được hai vấn đề sau: Kiểm tra được thắng xe cĩ hoạt động tốt hay khơng bằng quy trình bĩp và nhả thắng. Kiểm tra sự hoạt động của tay ga trước khi vận hành xe lăn điện bằng quy trình lên ga và giảm ga. CHƯƠNG 3 - GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F876 VÀ PHƯƠNG PHÁP LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN XE LĂN ĐIỆN. 3.1 Vi điều khiển PIC họ 16F87X, đặt trưng là PIC 16F876: PIC16F876 là một vi điều khiển được chế tạo theo cơng nghệ RISC của hãng Microchip, cĩ 28 chân. Hình 3.1 Sơ đồ chân của 16F876 Các thơng số chính của 16F876A: - Tập lệnh: gồm 35 lệnh đơn, gần như các lệnh được thực hiện trong một chu kỳ lệnh (một chu kì lệnh bằng 4 lần chu kỳ xung clock) ngoại trừ các lệnh rẻ nhánh thực hiện trong 2 chu kì lệnh. - Tần số hoạt động: 0 – 20MHz, chu kỳ lệnh ở tần số 20MHz là 200ns - Bộ nhớ chương trình (FLASH ROM): 8Kx14bit - Bộ nhớ dữ liệu: gồm 368 byte RAM và 256 byte EEPROM - Điện áp làm việc: 2V đến 5VDC - Dịng điện điều khiển: 25mA cho cả mức HIGH và LOW - Số nguồn ngắt: 13 - Chức năng WATCHDOG hoạt động với bộ dao động RC bên trong vi điều khiển. - PIC16F876A cĩ 3 bộ timer, trong đĩ timer0 và timer2 8 bit, timer1 16 bit - Cĩ 5 kênh chuyển đổi tương tự số (ADC) 10 bit - 2 bộ PWM với độ phân giải 10 bit - Chỉ cĩ khả năng giao tiếp nối tiếp. Hình 3.2 Hình dáng và kích thước của PIC 16F876. Cấu trúc các cổng vào/ra : 􀀦 PORT A: gồm 6 chân điều khiển vào/ ra được đa hợp với 5 kênh ADC (AN0 đến AN4), cấu trúc các chân RA0-RA3 và RA5: Hình 3.3 Cấu trúc các chân RA0-RA3 và RA5. Khi được cấu hình như các kênh ADC các tín hiệu này chỉ là ngõ vào điện áp analog, trạng thái ngõ vào khi đọc luơn ở logic 0. Khi khơng sử dụng như các kênh ADC thì các tín hiệu này được cấu hình như các ngõ ra hoặc ngõ vào tùy thuộc vào bit điều khiển hướng TRISA, nếu bit TRISA =1: tín hiệu tương ứng là ngõ vào (vì lúc này 2 mosfet N và P đều ngưng dẫn), nếu bit TRISA =0: tín hiệu tương ứng là ngõ ra, trạng thái logic ở ngõ ra phụ thuộc vào bit dữ liệu là 1, thơng qua data FF và TRIS latch, ngõ ra cổng OR ở mức 0, mosfet P dẫn cung cấp Vdd đến ngõ ra, trong khi đĩ ngõ ra cổng AND là 0 nên mosfet kênh N ngưng dẫn, ta được ngõ ra ở mức 1. Ngược lại, nếu bit data là 0 thì mosfet P ngưng dẫn trong khi đĩ mosfet N dẫn kéo ngõ ra về lg 0. Tín hiệu RA4 trong port A được đa hợp giữa nguồn cấp xung clock từ bên ngồi cho bộ timer0. Khi được cấu hình như một I/O sẽ được điều khiển bởi tín hiệu TRISA tương ứng, nếu TRISA = 1: ngõ ra cổng AND là logic 0 nên mosfet N ngưng dẫn, RA4 là ngõ vào, ngược lại: RA4 sẽ là ngõ ra cực thu để hở (open collector) và mức logic phụ thuộc data bit, nếu data bit là 1 thì mosfet N ngưng dẫn, do đĩ ngõ ra gần như cách ly nên thực tế thường dùng một điện trở ngồi kéo lên (pull up resistor), giá trị điện trở phụ thuộc vào dịng mức cao cần điều khiển, tuy nhiên khơng được vượt quá 25mA. Xem hình sau: Hình 3.4 Cấu trúc bên trong chân RA4 􀀦 PORT B: Cấu trúc của RB0 đến RB3: Hình 3.5 Cấu trúc chân từ RB0 đến RB3 Cĩ thể định cấu hình các tín hiệu này như là ngõ ra hoặc ngõ vào phụ thuộc bit TRISB tương ứng. Nếu là ngõ ra thì mosfet P luơn ngưng dẫn, tín hiệu ra phụ thuộc ngõ ra của bộ đệm, nếu là ngõ vào và nếu bit RBPU (bit 7 trong thanh ghi OPTION_REG) là 0 thì mosfet P dẫn tương đương một điện trở vài kilo ohm kéo ngõ vào lên nguồn (weak pullup resistor) để tăng dịng HIGH input. Các tín hiệu RB4 đến RB7 cĩ cấu trúc như sau: Hình 3.6 Cấu trúc chân từ RB4 đến RB7 Cấu trúc các chân này tương tự như RB0-RB3 tuy nhiên khi được cấu hình như ngõ vào thì sự thay đổi trạng thái logic tại bất kì một trong 4 chân này cũng sẽ tạo ra sự kiện ngắt (interrupt on_change RB) 􀀦 PORT C: Cấu trúc của RC0 – RC2 và RC5-RC7, trong các tín hiệu này đáng quan tâm nhất là RC6 và RC7 do được đa hợp với các đường USART là TxD và RxD dùng trong trao đổi dữ liệu nối tiếp. Xem hình sau: Hình 3.7 Cấu trúc của RC0 – RC2 và RC5-RC7 Cấu trúc của RC3 và RC4: Hình 3.8 Cấu trúc của RC3 và RC4 3.2 Cấu trúc các lệnh và phương pháp lập trình điều khiển cho Pic bằng ngơn ngữ VisuaC. Các tập lệnh PIC. A - DELAY_MS(time) Cú pháp : delay_ms(time) Tham số : time - 0~255 nếu time là một biến số, 0~65535 nếu time là hằng số Trị trả về : khơng Chức năng : Tạo code để thực hiện delay một thời gian định trước. Thới gian tính bằng milisecond. Hàm này sẽ thực hiện một số lệnh nhằm delay 1 thời gian yêu cầu. Hàm này khơng sử dụng bất kỳ timer nào. Nếu sử dụng ngắt (interupt), thời gian thực hiện các lệnh trong khi ngắt khơng được tính vào thới gian delay. Yêu cầu : #uses delay. B - DELAY_US(time) Cú pháp : delay_us(time) Tham số : time - 0~255 nếu time là một biến số, 0~65535 nếu time là hằng số Trị trả về : khơng Chức năng : Tạo code để thực hiện delay một thời gian định trước. Thời gian tính bằng microsecond. Hàm này sẽ thực hiện một số lệnh nhằm delay 1 thời gian yêu cầu. Hàm này khơng sử dụng bất kỳ timer nào. Nếu sử dụng ngắt (interupt), thời gian thực hiện các lệnh trong khi ngắt khơng được tính vào thời gian delay. Yêu cầu : #uses delay C - SETUP_ADC() Cú pháp : setup_adc(mode) Tham số : mode – mode chuyển đổi Analog ra Digital bao gồm ADC_OFF : tắt chức năng sử dụng A/D ADC_CLOCK_INTERNAL : thời gian lấy mẫu bằng clock, clock là thời gian clock trong IC ADC_CLOCK_DIV_2 : thời gian lấy mẫu bằng clock/2 ADC_CLOCK_DIV_8 : thời gian lấy mẫu bằng clock/8 ADC_CLOCK_DIV_32 : thời gian lấy mẫu bằng clock/32 Trị trả về : khơng Chức năng : Định cấu hình cho bộ biến đổi A/D Yêu cầu : các hằng số phải được định nghĩa trong device file PIC18F452.h D -SETUP_ADC_PORTS() Cú pháp : setup_adc_ports(value) Tham số : value – hằng số được định nghĩa như sau NO_ANALOGS : khơng sử dụng cổng analog ALL_ANALOG : RA0 RA1 RA2 RA3 RA5 RE0 RE1 RE2 Ref=Vdd ANALOG_RA3_REF : RA0 RA1 RA2 RA5 RE0 RE1 RE2 Ref=RA3 A_ANALOG : RA0 RA1 RA2 RA3 RA5 Ref=Vdd A_ANALOG_RA3_REF : RA0 RA1 RA2 RA5 Ref=RA3 RA0_RA1_RA3_ANALOG : RA0 RA1 RA3 Ref=Vdd RA0_RA1_ANALOG_RA3_REF : RA0 RA1 Ref=RA3 ANALOG_RA3_RA2_REF : RA0 RA1 RA5 RE0 RE1 RE2 Ref=RA2,RA3 ANALOG_NOT_RE1_RE2 : RA0 RA1 RA2 RA3 RA5 RE0 Ref=Vdd ANALOG_NOT_RE1_RE2_REF_RA3 : RA0 RA1 RA2 RA5 RE0 Ref=RA3 ANALOG_NOT_RE1_RE2_REF_RA3_RA2 : RA0 RA1 RA5 RE0 Ref=RA2,RA3 A_ANALOG_RA3_RA2_REF : RA0 RA1 RA5 Ref=RA2,RA3 RA0_RA1_ANALOG_RA3_RA2_REF : RA0 RA1 Ref=RA2,RA3 RA0_ANALOG : RA0 RA0_ANALOG_RA3_RA2_REF : RA0 Ref=RA2,RA3 Trị trả về : khơng Chức năng : Xác định cổng dùng để nhận tín hiệu analog Yêu cầu : các hằng số phải được định nghĩa trong device file PIC18F452.h E - SETUP_ADC_CHANNEL() Cú pháp : setup_adc_channel(chân) Tham số : chan : 0~7 – chọn pin để lấy tín hiệu Analog bao gồm 1 : pin A0 2 : pin A1 3 : pin A2 4 : pin A5 5 : pin E0 6 : pin E1 7 : pin E2 Trị trả về : khơng Chức năng : Xác định pin để đọc giá trị Analog bằng lệnh READ_ADC() Yêu cầu : khơng. value = READ_ADC() Cú pháp : value = read_adc() Tham số : khơng Trị trả về : 8 hoặc 10 bit value = 0~255 nếu dùng A/D 8 bit (int) value = 0~1023 nếu dùng A/D 10 bit (long int) Chức năng : Đọc giá trị Digital từ bộ biến đổi A/D. Các hàm setup_adc(), setup_adc_ports() và set_adc_channel() phải được dùng trước khi dùng hàm read_adc(). Đối với PIC18F452, bộ A/D mặc định là 8 bit. Để sử dụng A/D 10 bit ta phải dùng thêm lệnh. #device PIC18F452 *=16 ADC=10 ngay từ đầu chương trình. Yêu cầu : khơng. F - SET_TIMER0() Cú pháp : set_rtcc() set_timer0() Tham số : 8 bit, value = 0~255 Trị trả về : khơng Chức năng : Đặt giá trị ban đầu cho real time clock/counter. Tất cả các biến đều đếm tăng. Khi giá trị timer vượt quá 255, value được đặt trở lại 0 và đếm tiếp tục (…, 254, 255, 0, 1, 2, …) Yêu cầu : khơng. G - SETUP_TIMER1() Cú pháp : setup_timer_1(mode) Tham số : mode - tham số như sau T1_DISABLED : tắt timer1 T1_INTERNAL : xung clock của timer1 bằng 1/4 xung clock nội của IC (OSC/4) T1_EXTERNAL T1_EXTERNAL_SYNC T1_CLK_OUT : enable xung clock ra T1_DIV_BY_1 : 65535-(samplingtime(s)/(4/20000000)) timemax = 13.1ms T1_DIV_BY_2 : 65535-(samplingtime (s)/(8/20000000)) timemax =26.2ms T1_DIV_BY_4 :65535-(samplingtime(s)/(16/20000000)) timemax = 52.4ms T1_DIV_BY_8 :65535-(samplingtime(s)/(32/20000000)) timemax = 104.8ms Trị trả về : khơng Chức năng : Khởi động timer 1. Sau đĩ timer 1 cĩ thể được ghi hay đọc dùng lệnh set_timer1() hay get_timer1(). Timer 1 là 16 bit timer. Với xung clock là 20MHz, timer 1 tăng 1 đơn vị sau mỗi 1,6us và tràn sau 104,8576ms. Yêu cầu : các hằng số phải được định nghĩa trong device file PIC18F452.h H - SET_TIMER1() Cú pháp : set_timer1() Tham số : 16 bit, value = 0~65535 Trị trả về : khơng Chức năng : Đặt giá trị ban đầu cho real time clock/counter. Tất cả các biến đều đếm tăng. Khi giá trị timer vượt quá 65535, value được đặt trở lại 0 và đếm tiếp tục (…, 65534, 65535, 0, 1, 2, …) Yêu cầu : khơng. I - SETUP_TIMER2() Cú pháp : setup_timer_2(mode,period,postscale) Tham số : mode - tham số như sau T2_DISABLED : tắt timer2 T2_DIV_BY_1 T2_DIV_BY_4 T2_DIV_BY_16 Period – 0~255 qui định khi giá trị clock được reset Postscale – 1~16 qui định số lần reset timer trước khi ngắt (interupt) Trị trả về : khơng Chức năng : Khởi động timer 2. mode qui định số chia xung clock. Sau đĩ timer 2 cĩ thể được ghi hay đọc dùng lệnh set_timer2() hay get_timer2(). Timer 1 là 8 bit counter/timer. Yêu cầu: các hằng số phải được định nghĩa trong device file PIC18F452.h K - SET_TIMER2() Cú pháp : set_timer2(value) Tham số : 8 bit, value = 0~255 Trị trả về : khơng Chức năng : Đặt giá trị ban đầu cho real time clock/counter. Tất cả các biến đều đếm tăng. Khi giá trị timer vượt quá 255, value được đặt trở lại 0 và đếm tiếp tục (…, 254, 255, 0, 1, 2, …) Yêu cầu: khơng. L - SET_PWM1_DUTY(value) SET_PWM2_DUTY(value) Cú pháp : set_pwm1_duty(value) Tham số : value cĩ thể là biến hay hằng số với 8 hay 16 bit Trị trả về : khơng Chức năng : xác định % thời gian trong 1 chu kỳ, PWM ở mức cao Yêu cầu : khơng Ví dụ: set_pwm1_duty(512): đặt 50% mức cao (50% duty) M - SETUP_CCP1() SETUP_CCP2() Cú pháp : setup_ccp1(mode) setup_ccp2(mode) Tham số : mode là hằng số như sau long CCP_1; #byte CCP_1 = 0x15 #byte CCP_1_LOW = 0x15 #byte CCP_1_HIGH = 0x16 long CCP_2; #byte CCP_2 = 0x1B #byte CCP_2_LOW = 0x1B #byte CCP_2_HIGH = 0x1C Tắt CCP CCP_OFF Đặt CCP ở chế độ capture CCP_CAPTURE_FE Nhận cạnh xuống của xung CCP_CAPTURE_RE Nhận cạnh lên của xung CCP_CAPTURE_DIV_4 Nhận xung sau mỗi 4 xung vào CCP_CAPTURE_DIV_16 Nhận xung sau mỗi 16 xung vào Đặt CCP ở chế độ compare CCP_COMPARE_SET_ON_MATCH Output high on compare CP_COMPARE_CLR_ON_MATCH Output low on compare CP_COMPARE_INT Interrupt on compare CCP_COMPARE_RESET_TIMER Reset timer on compare Đặt CCP ở chế độ PWM CCP_PWM Mở PWM CCP_PWM_PLUS_1 CCP_PWM_PLUS_2 CCP_PWM_PLUS_3 Trị trả về : khơng Chức năng : Khởi động CCP. Bộ đếm CCP cĩ thể được thực hiện thơng qua việc sử dụng CCP_1 và CCP_2. CCP hoạt động ở 3 mode. Ở capture mode, CCP copy giá trị đếm timer 1 vào CCP_x khi cổng vào nhận xung. Ở compare mode, CCP thực hiện 1 tác vụ chỉ định trước khi timer 1 và CCP_x bằng nhau. Ở chế độ PWM, CCP tạo một xung vuơng. Yêu cầu : các hằng số phải được định nghĩa trong device file PIC18F452.h N - EXT_INT_EDGE() Cú pháp : ext_int_edge(source,edge) Tham số : source: giá trị mặc định là 0 cho PIC18F452 edge: H_TO_L cạnh xuống 5V0V L_TO_H cạnh lên 0V5V Trị trả về : khơng Chức năng : Qui định thời điểm ngắt tác động : cạnh lên hay xuống. Yêu cầu : các hằng số phải được định nghĩa trong device file PIC18F452.h O - #INT_xxx Cú pháp : #INT_AD Kết thúc biến đổi A/D #INT_BUSCOL Xung đột bus #INT_CCP1 Capture or Compare on unit 1 #INT_CCP2 Capture or Compare on unit 2 #INT_EEPROM Kết thúc viết vào EEPROM #INT_EXT Ngắt ngồi #INT_LOWVOLT Low voltage detected #INT_PSP Parallel Slave Port data in #INT_RB Port B any change on B4-B7 #INT_RDA RS232 receive data available #INT_RTCC Timer 0 (RTCC) overflow #INT_SSP SPI or I2C activity #INT_TBE RS232 transmit buffer empty #INT_TIMER1 Timer 1 overflow #INT_TIMER2 Timer 2 overflow Mục đích : Khởi tạo hàm ngắt. Hàm ngắt cĩ thể khơng cĩ bất kỳ tham số nào. Trình biên dịch tạo code để nhảy đến hàm ngắt khi lệnh ngắt thực hiện. Trình biên dịch cũng tạo nên code để lưu trữ trạng thái của CPU và xĩa cờ ngắt. Dùng lệnh NOCLEAR sau #INT_xxx để khơng xĩa cờ ngắt này. Trong chương trình , phải dùng lệnh ENABLE_INTERRUPTS(INT_xxxx) cùng với lệnh ENABLE_INTERRUPTS(GLOBAL) để khởi tạo ngắt. P - ENABLE_INTERRUPTS() Cú pháp : enable_interrupts(level) Tham số : level - một trong các hằng số sau GLOBAL INT_RTCC INT_RB INT_EXT INT_AD INT_TBE INT_RDA INT_TIMER1 INT_TIMER2 INT_CCP1 INT_CCP2 INT_SSP INT_PSP INT_BUSCOL INT_LOWVOLT INT_EEPROM Trị trả về : khơng Chức năng : Khởi tạo ngắt tại mức quy định bởi level. Một thủ tục ngắt (interrupt procedure) cần được định nghĩa. Mức tồn cục (GLOBAL level) khơng khởi tạo bất kỳ ngắt chỉ định nào mà chỉ khởi tạo các biến ngắt đươc đã khởi tạo trước đĩ. Yêu cầu : phải dùng với #int_xxx 3.2.2 Những bước chuẩn bị khi làm việc với PIC. Sau khi các bạn đã lựa chọn được chip phù hợp với mục đích sử dụng thì cơng việc tiếp theo là chuẩn bị: Mạch nạp Phần mềm để biên dịch => debug/ program 3.2.3 Mạch nạp. Mạch nạp (programmer) cĩ hỗ trợ chức năng real time debug cho PIC và sử dụng cho PIC hiện nay thơng dụng nhất là ICD2. Sau đây là hình ảnh mạch một số mạch ICD2 trên thị trường. Sản phẩm thương mại của Microchip Sản phẩm trên thị trường việt nam (HCM) Đối với mạch ICD2 của microchip, đây là sản phẩm thương mại do đĩ vận hành rất ổn định. Tuy nhiên giá cả khá cao so với mạch nạp “thiết kế” tại VN. 3.2.4 Các bước cơ bản để nạp chương trình vào PIC. Bước 1 : Mở phần mềm Microsoft VisuaC++ và viết chương trình. Ví dụ chương trình bật sáng và tắt một LED ở cổng C. Bước 2 : Chuyển file sang dạng *.HEX bằng cách dùng phần mềm biên dịch PIC C Compiler. Chương trình đã báo hồn tất. Bước 3 : Mở phần mềm SUPERPRO for WIN9X/ME/NT/2K/XP và chọn PIC thích hợp để nạp chương trình. Đường dẫn : chọn Select à Microchip à PIC… Bước 4 : Mở file ví dụ chương trình bật sáng và tắt một LED ở cổng C.hex trên phần mềm SUPERPRO for WIN9X/ME/NT/2K/XP . Đường dẫn : File à Load (Ctrl+O)… à đường dẫn chọn vi dụ (file *.HEX) Bước 5: Nạp chương trình để chạy vào PIC. Đường dẫn : Program à Erase_Chip à Program Chọn các thơng sớ trong mục Configuration. Nhấn nút OK để kết thúc quá trình nạp. CHƯƠNG 4 - THIẾT KẾ, THI CƠNG VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO XE LĂN ĐIỆN 4.1 Sơ đồ khối tổng quát mơ hình xe lăn điện: Đồ án thiết kế và thi cơng xe lăn tập trung vào nghiên cứu phương pháp điều khiển cho xe lăn điện bao gồm các yếu tố vận hành an toàn, thuận tiện cho người sử dụng và đồng thời tiết kiệm năng lượng cung cấp từ bình acquy. Đồ án đặt ra các chế đợ làm việc trong thực tế của xe điện và điều khiển thích nghi tốc độ trong từng trường hợp cụ thể, từ đĩ ta cĩ thể dễ dàng điều khiển xe theo yêu cầu, tạo ra điều kiện an toàn và dễ sử dụng cho người khuyết tật. Yếu tố vận hành an tồn được đồ án cụ thể hĩa bằng tính năng của bộ điều khiển qua hệ thống cảnh báo tự động bằng bộ đèn Led giúp người điều khiển dễ dàng phát hiện ra những lỗi cần được khắc phục nhanh chĩng và chính xác. NGUỒN DC 36V BỘ ĐIỀU KHIỂN DRIVER DC MOTOR 36V/250W MÀN HÌNH HIỂN THỊ CÁC THƠNG TIN HỆ THỐNG VÀ CẢNH BÁO HỒI TIẾP Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển xe lăn điện Hình 4.2 Xe lăn điện đã được thi cơng Trên đây là sơ đồ và hình ảnh các khối cấu tạo của bộ điều khiển cũng như sơ lược tổng quan về xe lăn điện. Ngồi phần cơ khí như: khung xe lăn, động cơ đùm, tay ga, tay thắng…Bộ điều khiển cho xe lăn điện cĩ các khối sau: khối hiển thị, khối điều khiển chính, bộ nguồn, sạc nguồn và các mạch điều khiển liên quan… 4.2 Cấu tạo và chức năng từng khối trong mơ hình điều khiển xe lăn điện: 4.2.1 Cấu tạo và chức năng các phần cơ khí liên quan: Chiếc xe lăn điện được thiết kế trên cơ sở chiếc xe lăn truyền thống kết hợp hệ thống cơ khí của xe điện với tính năng sáng tạo và thiết kế một mơ hình hồn thiện, cĩ thiết kế mỹ thuật đẹp đảm bảo tính tiện nghi cho việc điều khiển. Chúng ta cĩ thể tham khảo một số bộ phận cơ khí (phần mơ hình của cơng trình) như: A – Động cơ xe: Xe được thiết kế phù hợp với việc sử dụng động cơ đùm trong điều khiển. Động cơ được cấu tạo đơn giản, nhỏ gọn phù hợp cho việc thiết kế xe điện, động cơ cĩ giá trị điện áp định mức là 36V, cơng suất 250W và khá thơng dụng trong các loại hình xe điện hiện tại đang hiện hành trên thị trường. Động cơ đươc bĩ gọn trong một bánh xe, và được gắn vào bánh trước của xe lăn để phù hợp trong việc điều khiển. Hình 4.3 Động cơ Đùm được dùng làm phần cơ khí chính để điều khiển B – Bộ nguồn cung cấp: Một phần khơng thể thiếu trong quá trình vận hành xe lăn điện, đồng thời cũng là yếu tố đáng quan tâm nhất của các nhà sản xuất đĩ là bộ nguồn cung cấp cho xe hoạt động. Bộ nguồn này được hình thành trên cơ sở kết hợp 3 bình ắc quy cĩ giá trị 12V để hình thành nguồn 36V cung cấp cho động cơ, dịng định mức của bộ nguồn từ 5A đến 8A. Việc sử dụng nguồn điện ắc quy làm nguồn cung cấp mang lại một ưu điểm khá lớn trong việc điều khiển đĩ là nguồn cung cấp ổn định và đảm bảo yếu tố cơng suất khi động cơ hoạt động. Hình 4.4 Bộ nguồn cung cấp chính cho xe lăn điện C – Hệ thống tay ga và thắng: Tay ga của xe dựa trên hiệu ứng và tác động của cảm biến Hall, dựa trên sự thay đổi của phần cơ khí tay ga, thơng qua cảm biến Hall cĩ thể làm thay đổi trực tiếp giá trị điện áp cung cấp cho động cơ xe hoạt động. Tùy thuộc vào cách lập trình cũng như các chế độ hoạt động của xe mà sự thay đổi của tay ga sẽ làm thay đổi giá trị điện áp cung cấp cho động cơ nhiều hay ít. Cũng đã được nhắc đến trong phần gới thiệu cảm biến Hall, “bước tăng ”thực sự đĩng vai trị quan trọng trong việc đảm bảo tính năng điều khiển an tồn và điều hịa cho xe lăn điện. Tay ga được cấu tạo dựa trên sự thay đổi của cảm biến Hall. Khi vặn tay ga ta sẽ thay đổi từ chuyển động quay sang sự thay đổi của cảm biến Hall và đưa tín hiệu vào bộ điều khiển. Thiết kế hệ thống tay ga dựa theo thơng số của cảm biến Hall, khi tay ga ở vị trí min điện áp ra ở bộ điều khiển là: Vmin = 2,7 V. Khi tay ga ở vị trí max, giá trị điện áp ngõ ra là Vmax = 4,8V Dây nguồn (+) Dây nguồn (-) Dây tín hiệu vào bộ ĐK TAY GA A B Tín hiệu từ tay thắng Hình 4.5 Hệ thống tay ga và thắng của xe lăn điện. Tay thắng cũng đĩng vai trị khá quan trọng trong việc điều khiển động cơ xe lăn. Ngồi vai trị chính là phần cơ khí nhăm hãm tốc độ của xe khi muốn dừng lại, thì tín hiệu từ tay thắng là tín hiệu điều khiển được dùng để ngắt tồn bộ nguồn cung cấp cho động cơ xe. Khi tiếp điểm A,B từ tay thắng đĩng lại(đựa theo đặc điểm của cơng tắc hành trình) tương ứng trong mạch điều khiển tín hiệu sẽ ngắt mối nối, tạo tín hiệu đưa vào bộ điều khiển. Tín hiệu thắng là điều kiện dùng để kiểm tra điều kiện cần để khởi động động cơ, nếu tín hiệu này khơng thực sự đảm bảo yêu cầu khơng những khơng thể khởi động được xe lăn điện mà cịn cĩ thể dẫn đến cháy và hỏng động cơ cũng như gây lỗi cho bộ điều khiển. D – Phần khung của xe lăn: Phần cơ khí này khơng cĩ gì đặc biệt ngồi bộ khung của một chiếc xe lăn truyền thống hiện đang được sử dụng, dưới dạng xe 3 bánh (bánh trước được dùng để điều khiển). Phần khung xe được kết hợp bố trí đèn chiếu cũng như bộ nguồn cung cấp cho động cơ xe. 4.2.2 Cấu tạo, tính tốn và thiết kế các mạch liên quan cho các khối chức năng của bộ điều khiển: 4.2.2.1 Mạch điều khiển chính và hiển thị cảnh báo: a. Sơ đờ mạch: Hình 4.7: Sơ đồ mạch điều khiển chính và hiển thị cảnh báo Trong sơ đồ mạch điều khiển chính, IC16F876A đĩng vai trị quyết định việc điều khiển, là linh kiện quan trọng nhất của bộ nguồn. Các tín hiệu điều khiển được vào các ngõ vào của PIC 16F876A để xử lý sau đĩ xuất các giá trị xung áp điều khiển tồn bộ hệ thống. Pic 16F876A sử dụng thạch anh 20MHz để tạo xung do vậy ta cĩ một chu kỳ máy là T = Đồng thời TL431(mợt transistor có khả năng điều chỉnh điện áp, đĩng vai trị ổn áp trong mạch kết hợp với cầu phân áp tạo nên nguồn áp ổn định cho PIC 16F876A , tạo một giá trị Vref (điện áp chuẩn ) phục vụ cho việc lập trình điều khiển động cơ. Hệ thống đèn LED (gồm 6 LED) đĩng vai trị cảnh báo các lỗi trong quá trình vận hành xe lăn điện. Ta cĩ cách tính điện áp ngõ ra của TL431 như sau: Vout = Vref × = 2,5 × 2 = 5V 4.2.2.2 Mạch đo tín hiệu quá dịng: a. Sơ đờ mạch: Hình 4.8: Mạch đo tín hiệu quá dịng b. Nguyên lý hoạt đợng của mạch: Đây là mạch khuyếch đại DC Khi quá dịng, dịng điện được ổn định thơng qua cuộn dây sau đĩ được đưa qua mạch trừ của opam OP07, tín hiệu sau khi so sánh sẽ được đưa vào vi điều khiển để xử lý, đồng thời vi xử lý ra lệnh cho các cơ cấu chấp hành thực thi cơng việc phù hợp để xử lý lỗi. Ta cĩ cách tính tốn các thơng số mạch như sau: Đặt Va là điện áp ngõ vào cộng của OP07 ta được : Va – Vi = (5 – Vi )× R34/(R36+R34) Suy ra Va = ((5-Vi) ×R34/(R36+R34)) + Vi Mặt khác Va = Vb Mà Vo = Vb(R42 + R45)/R45 Ta tính Av = Vo/Vi = [{ ((5-Vi) ×R34/(R36+R34)) + Vi}×(R42 + R45)/R45]/ Vi Triệt tiêu Vi hai vế ta cĩ giá trị Av theo R Chọn các giá trị R như R34 = 180K R36 = 10K Ta suy ra Av của mạch Tương tự ta cũng cĩ R42 = 27K R44 = 10K R45 = 10K 4.2.2.3 Mạch bảo vệ khi xảy ra sự cố: a. Sơ đờ mạch: Hình 4.9: Mạch bảo vệ khi xảy ra sự cố. b. Nguyên lý hoạt đợng của mạch: Khi mạch hoạt động bình thường, Q7 ngưng dẫn tín hiệu ra ở ngõ Protect ở mức 0, nguồn pin cung cấp kích cho Q6 dẫn, đĩng relay cho mạch hoạt động. Khi cĩ sự cố xảy ra tín hiệu sẽ đưa vào vi điều khiển xử lý, sau đĩ vi điều khiển xuất tín hiệu ngõ ra chân Protect là mức 1, do vậy Q7 dẫn và Q6 ngưng dẫn nên relay bị ngắt, tắt nguồn cung cấp cho mạch.Các linh kiện điện tử được sự dụng như C828, D468 đĩng vai trị như các khĩa đĩng ngắt và kích dẫn bằng tín hiệu điện áp. Chọn các giá trị điện trở như: R43 = Vbe1/ Ib = 0,7/ 80.Ic1 ~ 47K Chọn R43 = 47K Tuơng tự ta cĩ : R37 = 36 /(Ic 1– Ib2) = 47K Chọn R40 = 2K2. 4.2.2.4 Mạch cho phép chọn lựa các chế độ hoạt động của xe lăn điện: a. Sơ đờ mạch: Chọn chế độ chạy nhanh, chậm: Hình4.10: mạch thay đổi chế độ chạy nhanh, chậm Với các giá trị điện trở như sau: R32 = R31 = 5 / Ic = 10K Chọn chế độ chạy đường bằng phẳng, đường dốc: Hình4.11: mạch thay đổi chế độ chạy đường phẳng, đường dốc b. Nguyên lý hoạt đợng của mạch: Ta cĩ thể chọn các chế độ hoạt động của xe lăn điện bằng cách dùng cơng tắt gạt. Đối với mạch chọn tốc độ khi gạt cơng tắt, chân 1 và 2 sẽ được nối lại với nhau , cực B của transistor C828 ở mức 1 nên dẫn, đưa tín hiệu qua bộ điều khiển. Đối với chế độ chạy nhanh, chậm : Mức logic 0: Chọn chế độ chạy nhanh(26km/h). Mức logic 1: Chọn chế độ chạy chậm(6km/h). Thơng thường nếu khơng chọn chế độ thì mạch tự hiểu là mức 0, tức là ở chế độ chạy nhanh. Trong mạch chọn chế độ chạy đường bằng phẳng / đường dốc thì khi gạt nút điều khiển thì tiếp điểm 1,2 hở ra, tín hiệu áp ở cực B của transistor C828 là mức 1 , do vậy kích dẫn đồng thời đưa tín hiệu vào vi điều khiển xử lý. Đối với chế độ chạy đường bằng phẳng, đường dốc(26km/h): Mức logic 0: Chọn chế độ chạy đường bằng phẳng (khả năng quá tải ít hơn). Mức logic 1: chọn chế độ chạy đường dốc(khả năng quá tải nhiều hơn). Tương tự chế độ chọn trên, nếu khơng gạt cơng tắc chọn thì mạch hiểu là đang ở chế độ chạy đường bằng phẳng. Các giá trị điện trở tính tốn tương tự như các mạch cĩ transistor C828 Ta cĩ được các giá trị điện trở cần thiết 4.2.2.5 Mạch động lực của xe lăn điện: a. Sơ đờ mạch: Hình 4.12: mạch động lực của xe lăn điện b. Nguyên lý hoạt đợng của mạch: Sau khi lựa chọn các chế độ hoạt động và kiểm tra an tồn và đảm bảo động cơ xe hoạt động tốt, vi điều khiển sẽ xuất tín hiệu điện áp qua IC LM555 tạo ra tín hiệu xung điều khiển, các tín hiệu xung kích cĩ độ rộng xung lớn hay nhỏ phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển của tay ga dưới tác động của Hall_sensor, càng lên ga thì xung áp càng lớn, do vậy tốc độ xe càng cao.Mosfet Z48A đĩng vai trị như một khĩa cách ly giữa mạch động lực và mạch điều khiển của động cơ, đồng thời Mostfet cĩ khả năng chịu dịng cao đảm bảo về mặt cơng suất cũng như khả năng chịu dịng, chịu nhiệt khi động cơ hoạt động. Diode D2 đĩng vai trị “làm nhụt ” điện áp ngược qua Mostfet khi ngưng dẫn, sau đĩ tụ C5 và R14 làm triệt tiêu tồn bộ điện áp ngược sinh ra, bảo vệ cho Mosfet và động cơ. 4.2.2.6 Mạch điều khiển bĩp, nhả thắng xe lăn điện: Khi tác động cơng tắc thắng (bĩp tay thắng), tín hiệu điều khiển đĩng ngắt transistor C828 đồng thời cho phép tín hiệu vào vi điều khiển xử lý và ra lệnh cho cơ cấu chấp hành hoạt động. Hình 4.13: mạch điều khiển thắng xe lăn điện. Việc bĩp, nhả thắng cũng là một khâu quan trọng trong quy trình khởi động xe lăn điện, đồng thời thắng hoạt động tốt hay khơng ảnh hưởng đến sự an tồn cho người sử dụng. Do vậy cần lưu ý và kiểm tra kĩ thắng trước khi vận hành xe lăn điện. Khi chưa bĩp thắng, cực B của transistor C828 ở mức 0, do vậy trasistor Q2 khơng dẫn. Khi bĩp thắng, cực B của Q2 ở mức 1 do vậy Q2 dẫn, đồng thời đưa tín hiệu áp vào PIC 16F87A để xuất tín hiệu điều khiển. 4.2.2.7 Mạch tạo tín hiệu từ Hall_sensor và biến trở đưa vào IC 16F876A: a. Sơ đờ mạch: Hình 4.14 : Mạch tạo tín hiệu từ Hall_Sensor và biến trở đưa vào IC 16F876A b. Nguyên lý hoạt đợng của mạch: Khi xe hoạt đợng bình thường giá trị điện áp vào OP07 là Vin = U+ Khi thay đổi Hall_sensor (vặn tay ga) sẽ làm thay đổi giá trị điện áp ngõ vào của opam OP07 khi đĩ ta cĩ : Vi(+) =[(1,2 ÷ 4,8 V) (R13+R15)] / (R12+R13+R15) = 1÷ 4,1V Ta cĩ Vi(+) = V’ Khi đĩ ta cĩ V’ = 5 *R10/(R10 + R6) Mà : V’ – Vout = (V-Vout)R2/(R2 + R1). Suy ra Vout = (V’/R2) – (Vi (+)(R2+R1))/R2 Từ đĩ ta cĩ Av = Vout / Vin = [(V’/R2) – (Vi (+)(R2+R1))/R2] / Vi(+) Chọn Av cho mạch Dựa trên Av và tính tốn được từ mạch ta cĩ các thơng số điện trở sau: R8 = R9 = R12 = R13 = R15 = 15K R6 =10K R10 = 2k7 Khi cảm biến khơng thay đổi , tín hiệu của ngõ ra tai chân số 6 của OP07 sẽ qua vi điều khiển và xuất ra giá trị điện áp là 0V tại chân 13 (PWM) → Xe khơng hoạt động. 4.2.2.8 Mạch đo mức pin: a. Sơ đờ mạch: Hình 4.15:Mạch đo mức pin b.Nguyên lý hoạt đợng của mạch: Khác những mạch trên OP07 trong mạch này đĩng vai trị là mạch đệm, do vậy giá trị điện áp là khơng đổi Biến trở tinh chỉnh được chọn là 10K, khi thay nguồn cung cấp thay đổi → làm thay đổi giá trị điện trở → làm thay đổi giá trị điện áp tại U+. Tín hiệu điện áp ngõ ra được hồi tiếp về tại chân số 2 → giá trị điện áp của U-. Khi đĩ mạch tiếp tục so sánh: Tín hiệu sau khi được so sánh sẽ xuất ra tại chân số 6 của OP07 để đưa vào vi điều khiển. Từ những thay đổi của giá trị điện áp của bộ nguồn sẽ làm thay đổi các mức đèn báo hiệu trên bộ điều khiển. Điện áp ngõ vào OP07 được tính theo cơng thức : Vin = 36(R11+R1)/(R11+10K) Nhằm bảo đảm tính cân đối của mạch cũng như tín hiệu áp ra của mạch được ổn định sau khi cân chỉnh ta chọn R11= 22K, biến trở tinh chỉnh R = 10K 4.2.2.9 Mạch tạo nguồn: Nguồn 36V cung cấp cho động cơ là nguồn cĩ cơng suất lớn, giá trị điện áp 63n định và cĩ dịng định mức cao(trong đề tài này chọn bình acquy cĩ dịng định mức là 5A), do vậy mạch nguồn cũng phải ổn định. R1 là điện trở cơng suất cĩ khả năng chịu dịng lớn, thích hợp với việc thiết kế nguồn cĩ dịng cao , chọn R1 = 100/10W. D1 là diode Zenner 12V đĩng vai trị ồn áp và tạo nguồn 12V cho mạch. D1 dẫn bão hịa nếu dịng qua nĩ lớn hơn định mức (Iz max = 0,45A) Ta chọn R3 = (36V – 12V*2)/ 0,45 = 2K2 Tụ C1 và C2 đĩng vai trị lọc áp DC để điện áp ngõ ra được phẳng. R2 là điện trở cơng suất kết hợp với cuộn L1 cĩ tác dụng ổn định dịng, theo thơ số tính tĩan của mạch, ta chọn R2 = 33/3W. Nguồn 12V qua ổn áp 7805 tạo nguồn 5V cung cấp cho mạch. 4.3 Một số hình ảnh của bộ điều khiển sau khi đã hồn thành: HỆ THỐNG HIỂN THỊ VÀ CẢNH BÁO LỖI Hình 4.16: Hệ thống đèn LED cảnh báo lỗi IC PIC 16F876A DÙNG ĐỂ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN Hình 4.17: IC PIC 16F876A được sử dụng lập trình trong bộ điều khiển 4.4 Giải thuật và lập trình điều khiển bộ điều khiển tối ưu cho xe lăn điện: 4.1.1 Lưu đồ giải thuật: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CHÍNH START ĐỌC ADC ĐỂ KHỞI ĐỘNG XE HIỂN THỊ CÁC TRẠNG THÁI CHỌN CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CHẠY CHẬM CHẠY ĐỊA HÌNH DỐC CHẠY BÌNH THƯỜNG (CHẠY NHANH, ĐỊA HÌNH PHẲNG) CHỌN CHẠY CHẬM CHỌN ĐỊA HÌNH N KIỂM TRA KHỞI ĐỘNG XE Y KHỞI ĐỘNG XE ĐỌC PIN ĐỌC QUÁ DỊNG Y Y N N LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT KIỂM TRA KHỞI ĐỘNG XE START BĨP THẮNG ĐỌC ADC HALL_SENSOR MIN KTRA 1 NHẢ THẮNG ĐỌC ADC HALL_SENSOR MAX KTRA 2 Y Y Y N N N Y ĐỌC PIN CHỌN CHẾ ĐỘ HĐ HT PIN N Y N N Y LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT KIỂM TRA CÁC LỖI CỦA HỆ THỐNG KIỂM TRA CÁC LỖI HỆ THỐNG KIỂM TRA QUÁ DỊNG HIỂN THỊ TÍN HIỆU CẢNH BÁO QUÁ DỊNG KIỂM TRA PIN(DƯỚI 2 MỨC PIN) KIỂM TRA ĐỘNG CƠ HIỂN THỊ TÍN HIỆU CẢNH BÁO QUÁ DỊNG HIỂN THỊ TÍN HIỆU CẢNH BÁO QUÁ DỊNG Y N Y Y N N 4.4.2 Chương trình điều khiển: (Phụ Lục) CHƯƠNG 5 – KẾT LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 5.1 Kết quả hoạt động của bộ điều khiển: Bằng thực nghiệm nhằm xem xét kết quả và đánh giá cơng trình, tác giả đã lập trình cài đặt cho bộ điều khiển với các thơng số hoạt động như sau: Chế độ chạy chậm: tốc độ điều khiển tối đa là 6km/h, khả năng quá dịng rất nhỏ. Chế độ chạy đường bằng phẳng: tốc độ điều khiển tối đa là 26km/h, khả năng quá dịng cao hơn( khoảng <= 20A). Chế độ chạy đường dốc: tốc độ điều khiển tối đa là 26km/h, khả năng quá dịng của mạch cao(khoảng <=50A). Trong ba chế độ hoạt động trên mức tiêu hao năng lượng được sắp xếp theo thứ tự giảm dần như sau: Chạy đường dốc Chạy chậm Chạy đường bằng phẳng > > Hình 5.1 So sánh mức tiêu hao năng lượng ở mỗi chế độ hoạt động Bước tăng trong các chế độ hoạt động được chọn là 10 ms, do đĩ thời gian để cĩ thể tăng tốc tối đa trong mỗi chế độ hoạt động là: T = Thời gian tăng một bước × Số bước cực đại. = 10 ms X 255 = 2,55 sec. Bộ sạc điện hoạt động tương đối ổn định, tuy nhiên cơng suất chưa cao, tạo nguồn điện chưa đủ để cĩ thể cung cấp nguồn ngược trở lại cho động cơ hoạt động. Hình 5.2 Xe lăn điện sau khi đã được gắn bộ điều khiển tối ưu. Mơ hình xe lăn điện hoạt động đúng theo yêu cầu và các chế độ hoạt động của xe. Người sử dụng luơn cĩ được cảm giác an tồn và dễ dàng hơn khi vận hành xe lăn điện với bộ điều khiển tối ưu. Mơ hình chạy ổn định, ít tiêu hao năng lượng cho Acquy, đồng thời việc chuyển từ chế độ chuyển động này sang chế độ chuyển động khác được thực hiện dễ dàng thơng qua cơng tắc gạt điều khiển. Tuy nhiên cơng trình cịn một số hạn chế sau: Do dùng nguồn năng lượng chủ yếu là Acquy nên việc điều tiết năng lượng vận hành trong một thời gian dài sẽ làm tiêu hao hết, vì vậy phải bảo trì và sạc điện định kì cho bình điện. Phần cơ khí thiết kế chưa tốt nên cịn một số khâu chưa đạt được ỵếu tố mỹ thuật. 5.2 Hướng phát triển của đề tài. Hướng phát triển của đề tài là ứng dụng thực tế rộng rãi trong việc sử dụng bộ điều khiển tối ưu tốc độ cho xe lăn điện và các hệ thống xe điện khác. Sử dụng kết hợp giữa nguồn năng lượng acquy và năng lượng mặt trời nhằm tạo ra một bộ nguồn liên tục cung cấp cho xe hoạt động, bằng cách thiết kế những tấm hấp thu năng lượng mặt trời được bố trí bên trên hệ thống mái che, từ đĩ cĩ thể tạo ra nguồn năng lượng liên tục cung cấp cho động cơ hoạt động. Sử dụng Hall_Sensor thay cho biến trở nhằm đảm bảo độ bền cơ và dễ dàng hơn trong việc điều khiển tốc độ xe. 5.3 Kết luận của đề tài Hiện nay việc ứng dụng của cơng trình vào việc điều khiển tối ưu tốc độ xe lăn điện được áp dụng tương đối nhiều ở các nước phát triển, riêng ở nước ta cần được sử dụng rộng rãi hơn, một mặt để áp dụng khoa học kỹ thuật vào đời sống để khơng bị tụt hậu, mặt khác nhằm tạo điều kiện thích ứng tốt nhất cho những người khuyết tật, những con người khĩ khăn trong cuộc sống. Đề tài mang tính khoa học và khả năng ứng dụng thực tế cao, việc sử dụng bộ điều khiển tối ưu trong xe lăn điện đã gĩp phần tăng tính thuận tiện trong việc sử dụng cho người sử dụng, đồng thời tiết kiệm năng lượng hoạt động cho xe điện (tiết kiệm khoảng 15% tổng năng lượng tiêu hao trong quá trình vận hành xe). Cơng trình thiết kế bộ điều khiển xe lăn thơng minh đã được thiết kế thi cơng tương đối hồn chỉnh, nhĩm nghiên cứu mong trong thời gian tới sẽ sản suất phục vụ những người anh em khuyết tật, giúp họ dễ dàng hội nhập hơn trong cuộc sống.

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docthiet_ke_va_thi_cong_xe_lan_dien_4978.doc
Luận văn liên quan