Thiết kế hệ thống điều khiển cụm truyền động ô tô điện

Chương I MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề Trước tình trạng ô nhiễm môi trường, tài nguyên dầu mỏ đang ngày ngày cạn kiệt, giá xăng dầu ngày càng tăng, việc đưa ra chiến lược phát triển những chiếc ô tô sử dụng năng lượng điện không gây ô nhiễm ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Cụm truyền động là một trong những cụm chi tiết quan trọng của ô tô điện. Việc thiết kế hệ thống điều khiển cụm truyền động góp phần nâng cao tính ưu việt của ô tô cũng là mối quan tâm hàng đầu của nhà sản xuất. Hệ thống truyền động có nhiệm vụ truyền mômen xoắn từ động cơ đến bánh xe chủ động, thay đổi tốc độ xe... Để góp phần ứng dụng những kiến thức đã học vào việc giải quyết các vấn đề thực tế. Được sự chấp thuận của ban chủ nhiệm Khoa Cơ Khí – Công Nghệ Trường Đại Học Nông Lâm TP. HCM, cùng sợ hỗ trợ giúp đỡ của Trung Tâm Nghiên Cứu Triển Khai Khu Công Nghệ Cao TP. HCM. Em tiến hành thực hiện đề tài : “Thiết kế hệ thống điều khiển cụm truyền động ô tô điện.” 1.2. Mục đích và giới hạn đề tài 1.2.1. Mục đích Mục đích chung: Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều của cụm truyền động ô tô điện. Từ mục đích chung của luận văn cần thực hiện những nội dung sau: Thực hiện phần cứng: -Tính toán và chọn các chi tiết của cụm truyền động ô tô điện. -Tính toán thiết kế và chế tạo mạch nguồn cung cấp. -Thiết kế mạch điều khiển, lập trình cho hệ thống điều khiển. -Tính toán, thiết kế và chế tạo mạch công suất. Thực hiện phần mềm: -Thiết kế và viết phần mềm xử lí tín hiệu, hiển thị tốc độ lên LCD, điều khiển tốc độ động cơ. 1.2.2. Giới hạn đề tài Trong đề tài, đối tượng điều khiển là cụm truyền động của ô tô điện có sức chứa 10 người, lưu thông trong công viên. Vì thời gian có hạn nên đề tài giới hạn: thiết kế mạch điều khiển cho động cơ điện một chiều của cụm truyền động ô tô điện. Hướng chính của đề tài là: thiết kế hệ thống điều khiển cho cụm truyền động ô tô điện phục vụ cho việc nghiên cứu không đi sâu vào phần chế tạo máy. Chương 2 TỔNG QUAN 2.1. Giới thiệu tổng quát về hệ thống truyền động ô tô điện Hệ thống truyền động là hệ thống tập hợp tất cả các cơ cấu nối từ động cơ đến bánh xe chủ động. Bao gồm: các cơ cấu truyền, cắt đổi chiều quay, biến đổi giá trị mômen truyền. 2.1.1. Nhiệm vụ -Nối và nhả lực. -Chọn các tỉ số truyền. -Làm đổi chiều quay. -Cân bằng lực cho các bánh truyền động để quay. 2.1.2.Sơ đồ khối cụm truyền động ô tô điện 2.1.3.Phân loại: Theo phương pháp biến đổi các tỷ số truyền: truyền lực có cấp: là truyền lực có tỉ số truyền cố định, việc thay đổi tỉ số truyền theo dạng bậc thang. Truyền lực vô cấp: là truyền lực có tỉ số truyền biến đổi liên tục, tùy thuộc vào chế độ làm việc của động cơ và mặt cản đường. 2.1.4.Sơ đồ bố trí cụm truyền động trên ô tô điện Thông thường cụm truyền động được bố trí như sau: * Động cơ, ly hợp, hộp số chính, cầu chủ động, trục các đăng, bánh xe. * Động cơ, ly hợp, hộp số chính, hộp phân phối, cầu chủ động, trục các đăng, khớp nối bánh xe. Trong phạm vi đề tài chủ yếu nghiên cứu hệ thống truyền động trên ô tô điện dạng xe du lịch và có sơ đồ bố trí như hình 2.1. Hình 2.1: Sơ đồ khối cụm truyền động ô tô điện Từ sơ đồ khối mô hình cụm truyền động ô tô điện cơ bản gồm có: -Mạch điều khiển -Động cơ điện -Ly hợp -Hộp số -Bộ truyền lực chính -Cơ cấu vi sai và hai bánh chủ động. 2.2.Động cơ điện một chiều 2.2.1.Công dụng Trong ô tô điện động cơ điện được dùng để thay thế động cơ xăng, ly hợp và hộp số. Động cơ điện gồm có động cơ điện một chiều và động cơ điện xoay chiều. Ô tô điện thường sử dụng động cơ điện một chiều vì : - Mạch điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ điện một chiều chế tạo dễ dàng hơn. - Ô tô điện sử dụng nguồn điện một chiều, nên khi sử dụng động cơ điện một chiều không cần phải có bộ chuyển đổi từ một chiều sang xoay chiều, 2.2.2.Cấu tạo: Cấu tạo của một máy điện gồm 3 phần chính: 1-Stator với cực từ (phần cảm) 2-Rotor và dây quấn (phần ứng) 3-Cổ góp – chổi than Hình 2.2: Các thành phần cơ bản của động cơ điện một chiều - Stator Stator còn gọi là phần cảm có nhiệm vụ tạo ra từ thông chính trong máy, thường được chế tạo bằng gang hay thép đúc. Hình 2.3: Stato của động cơ điện một chiều - Rotor Rotor còn được gọi là phần ứng, gồm lõi thép và dây quấn phần ứng. Hình 2.4: Lá thép rôto - Cổ góp – chổi than Cổ góp – chổi than có nhiệm vụ truyền điện giữa phần ứng của máy điện với thiết bị bên ngoài. Khi hoạt động ở chế độ máy phát điện cổ góp còn có nhiệm vụ chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều trước khi đưa ra mạch điện ngoài. Hình 2.5 Cổ góp và chổi than 2.2.3 Nguyên lý hoạt động Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên tác dụng của từ trường lên khung dây dẫn có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường. Hình 2.6 Lực từ F tác dụng lên khung dây dẫn abcd đặt trong từ trường. 2.2.4. Phân loại Phân loại gồm hai loại chính là kích từ độc lập và nối tiếp 2.2.4.1. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập Khi nguồn điện một chiều có công suất lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ song song Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý nối dây động cơ điện một chiều kích từ song song Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý đấu dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập. 2.2.4.2. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng. Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý đấu dây động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. Trong đề tài chọn mô hình sử động cơ điện một chiều kích từ độc lập vì độ ổn định cao, công suất của nguồn môt chiều và mômen mở máy không lớn lắm. 2.2.5. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều Từ phương trình đặc tính cơ, và cơ điện của động cơ điện một chiều Ta nhận thấy tốc độ phụ thuộc vào 3 thông số là : R,, U. Do đó có 3 phương pháp cơ bản để điều khiển là: -Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng của động cơ. -Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông -Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp phần ứng. 2.2.5.1 Thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng của động cơ. Uu= const , Ru=const, = const, Rf= var Thay đổi điện trở mạch phần ứng bằng cách mắc thêm một điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng và thay đổi điện trở Rf thì tốc độ động cơ sẽ thay đổi theo. =const =var 0<Rp1<Rp2<Rp3... Hình 2.10:Đặc tính cơ khi tăng điện trở phụ mạch phần cứng. Nhận xét: Với cùng một mômen Mc khi điện trở phụ thay đổi làm cho < tức tốc độ thấp hơn tốc độ định mức. Phương pháp này cho hiệu suất thấp 2.2.5.2 Thay đổi từ thông Uu= const , Ru, Rf= const, = var Đề thay đổi từ thông thay đổi dòng điện kích từ nhờ biến trở Rkt mắc ở mạch kích từ động cơ. Vì chỉ có thể tăng điện trở kích từ nhờ Rkt nên từ thông kích từ chỉ có thể thay đổi về phía giảm so với từ thông định mức tăng làm cho từ thông giảm xuống Hình 2.11: Đồ thị đặc tính cơ Hình 2.12: Đồ thị đặc tính cơ điện Nhận xét: Nếu từ thông giảm sẽ làm cho tốc độ tăng vọt và mômen giảm nhanh, làm cho hệ số quá tải giảm. Vì vậy phương pháp này làm cho động cơ làm việc kém ổn định. 2.2.5.3 Thay đổi giá trị điện áp phần ứng của động cơ. Hình 2.13: Điều khiển động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. Điều khiển động cơ điện một chiều đặc tính cơ điện của hệ thống ở trạng thái xác lập Trong đó: Eb: U điều khiển K: hệ số cấu tạo động cơ : Từ thông định mức Rud: Điện trở của mạch phần ứng Rb: Điện trở trong của bộ điều khiển Hình 2.14: Phạm vi điều chỉnh điện áp phần ứng Đồ thị cho thấy các đường đặc tính song song với nhau. Điều này cho thấy khi điện áp phần ứng tăng hoặc giảm thì tốc độ động cơ sẽ tăng hoặc giảm xuống tương ứng với một phủ tải nhất định. Nhận xét: Đường đặc tính có hệ số góc không đổi nên tốc độ được điều chỉnh tương đối ổn định. Trong 3 phương pháp trên chọn phương pháp điều khiển tốc độ dộng cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng phương pháp thay đổi giá trị điện áp phần ứng vì -Tốc độ được điều chỉnh tương đối ổn định. -Phương pháp này điều chỉnh được vô cấp tốc độ -Dải điều chỉnh tốc độ phương pháp này rất lớn. 2.2.5.4 Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều bằng phương pháp điều rộng xung. Hình 2.15:Phương pháp điều rộng xung Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên chu kì T. Giá trị trung bình của điện áp khi thay đổi độ rộng là: Ud= Trong đó đặt: là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ. Theo phương pháp này tần số băm xung sẽ là hằng số. Phương pháp này điều chỉnh bằng cách đóng ngắt động cơ vào nguồn cung cấp có chu kì. Khi đóng động cơ vào nguồn cung cấp, năng lượng được đưa từ nguồn vào động cơ. Năng lượng chủ yếu được truyền qua trục của động cơ, phần còn lại được tích tụ ở dạng động năng và năng lượng điện từ. Khi ngắt động cơ ra khỏi nguồn thì hệ truyền động vẫn tiếp tục làm việc nhờ năng lượng tích lũy trong đó. Ưu điểm của phương pháp này là: điều chỉnh tốc độ và đảo chiều dễ dàng, tiết kiệm năng lượng, kinh tế và hiệu quả cao. Độ rộng xung sẽ được điều khiển nhờ vi xử lí. 2.2.6.Điều khiển đảo chiều quay động cơ điện một chiều Trong sơ đồ hình 2.19 là mạch cầu H. Khi đóng khóa K1 thì đột cơ chạy theo chiều thuận. Khi đóng khóa K2 thì động cơ quay theo chiều nghịch. Hình 2.16: Đảo chiều động cơ DC bằng mạch cầu H 2.3.Ly hợp Ly hợp là một cụm của cụm truyền động nằm giữa động cơ và hộp số chính. 2.3.1.Nhiệm vụ: -Tạo khả năng đóng ngắt mạch truyền lực từ động cơ đến bánh xe chủ động. Ly hợp đảm bảo đóng ngắt êm dịu nhằm giảm tải trọng động và thực hiện trong thời gian ngắn. -Khi chịu tải quá lớn, ly hợp đóng vai trò như một cơ cấu an toàn nhằm tránh quá tải cho hệ thống truyền động và động cơ. -Khi có hiện tượng cộng hưởng (rung động lớn) ly hợp có nhiệm vụ dập tắt nhằm nâng cao chất lượng truyền lực. 2.3.2.Yêu cầu: -Truyền được mômen quay từ động cơ đến hệ thống truyền lực mà không bi trược trong điều kiện cho phép. +Các điều kiện: Mms>Mq hay Mma =.Ma => =>1 Trong đó Mms: momen ma sát của ly hợp. Mq: momen quay của động cơ. : hệ số dự trữ của ly hợp. Thông thường: * Đối với xe du lịch =1,3 - 1,75. * Đối với ô tô vận tải = 1,6 - 2,25. * Đối với máy kéo = 2 - 4. -Khi nối ly hợp được thực hiện một cách êm dịu, không gây ra va đập. -Khi tách dứt khoát, nhanh chóng. Nghĩa là cắt hoàn toàn truyền động từ động cơ đến hệ thống truyền động trong thời gian ngắn nhất. -Cấu tạo đơn giản, sử dụng, chăm sóc và điều khiển dễ dàng. -Moment quán tính của các chi tiết thụ động phải nhỏ để giảm lực va đập lên bánh răng. -Các bề mặt ma sát thoát nhiệt tốt, đảm bảo sự làm việc bình thường. -Khi cắt ly hợp lực tác dụng lên bàn đạp nhẹ. 2.3.3. Phân loại: Có nhiều cách để phân loại ly hợp : *Phân loại theo truyền động từ trục động cơ đến trục ly hợp: -Ly hợp ma sát: truyền động nhờ ma sát. -Ly hợp thủy lực: truyền động nhờ vào chất lỏng. -Ly hợp điện từ: truyền động nhờ lực điện từ. *Theo đĩa ma sát: -Ly hợp một đĩa. -Ly hợp hai đĩa. -Ly hợp nhiều đĩa. *Theo phương pháp sinh lực ép trên đĩa ma sát: -Loại lò xo: lực ép sinh ra lò xo. -Loại ly tâm: lực ép sinh ra do lực ly tâm của trọng khối quay. -Loại bán ly tâm: kết hợp hai loại trên. *Theo phương pháp điều khiển ly hợp: -Cơ khí. -Thủy lực. -Có cường hóa. Các loại ô tô du lịch có hộp số cơ khí hầu như sử dụng ly hợp ma sát một đĩa dùng lò xo ép. Ly hợp lò xo có thể là ly hợp lò xo xoắn hoặc ly hợp lò xo màng. Hiện nay ly hợp lò xo màng được sử dụng nhiều hơn vì: -Giảm được kích thước của các cơ cấu ly hợp. -Do không có chi tiết lắp ở vòng ngoài , bộ ly hợp nên việc cân bằng tương đối dễ dàng. -Vì không có chi tiết vòng ngoài nên loại trừ được các lực ly tâm-> giảm sức đè lên đĩa ma sát ở vận tốc cao. 2.4. Hộp số 2.4.1. Công dụng -Nhằm thay đổi tỉ số truyền và mômen xoắn tự động phù hợp với mômen cản thay đổi nhằm tận dụng công suất tối đa động cơ. -Giúp cho xe thay đổi được chiều chuyển động. -Đảm bảo cho xe dừng tại chỗ mà không cần ngắt nguồn động cơ điện hoặc tách ly hợp. 2.4.2. Yêu cầu -Có dãy tỉ số truyền phù hợp nhằm nâng cao tính năng động lực học. -Phải có hiệu suất truyền lực cao cao, không có tiếng ồn khi làm việc. 2.4.3. Phân loại Theo phương pháp thay đổi tỉ số truyền, hộp số được chia thành hộp số có cấp và hộp số vô cấp. -Hộp số có cấp +Sơ đồ động học gồm có: -Loại trục cố định (hộp số hai trục, hộp số ba trục...) -Loại có trục không cố định (hộp số hành tinh một, cấp, hai cấp...) +Dãy số truyền gồm có: -Một dãy tỷ số truyền (3 số, 4 số, 5 số..) -Hai dãy tỷ số truyền. +Phương pháp sang số gồm có: -Hộp số điều khiển bằng tay. -Hộp số tự động. -Hộp số vô cấp được chia theo: +Hệ số thủy lực (hệ số thủy lực, hệ số thủy động) +Hộp số điện. +Hộp số ma sát. 2.4.4 Số cấp và tỉ số truyền của của hộp số 2.4.4.1. Số cấp của hộp số Hình 2.17: Đường cong của đặc tính truyền động. - Đồ thị hình trình bày các đường cong tính năng truyền động chỉ rõ mối quan hệ giữa lực dẫn động và tốc độ xe từ số 1 tới số 6. A là đường cong lý tưởng khi chuyển số. Phần gạch chéo là phần mômen xoắn sử dụng không có hiệu quả khi chuyển số. -Khi xe có ít tay số thì phần này sẽ mở rộng và hộp số không được sử dụng trong thực tế. Ngược lại nếu hộp số có quá nhiều tay số thì các đường cong tay số sẽ gần đường A (đường cong lý tưởng), làm giảm phần mômen xoắn không hiệu quả, nhưng hộp số sẽ rất phức tạp khi thiết kế và lái xe gặp nhiều khó khăn khi vận hành. 2.4.4.2. Tỷ số truyền của hộp số Hình 2.18:: Tỷ số truyền của hộp số Tỷ số truyền: i12= n1/n2 = Z2/Z1 Z2: Số răng của bánh răng bị động. Z1: Số răng của bánh răng chủ động. n1: Số vòng quay của bánh răng chủ động. n2: Số vòng quay của bánh răng bị động. Tỷ số truyền giảm: i>1 (Z2>Z1). Trong hộp số tương ứng với các số 1,2 Tỷ số truyền không đổi ( tỷ số truyền thẳng): i=1 (Z2=Z1). Trong hộp số tương ứng với số 3. 2.4.5.Hộp số ba cấp: -Hộp số 3 cấp thường dùng cho ô tô du lịch vì điều kiện sử dụng của ô tô này khác với ô tô tải. Yêu cầu của ô tô du lịch là đơn giản, vận tốc lấy đà nhanh. Nếu tăng số cấp thì công suất được sử dụng tốt hơn kho lấy đà nhưng số lần gài dẫn đến tăng sự phức tạp khi điều khiển và tăng thời gian lấy đà. - Có khả năng tạo số truyền thẳng bằng cách nối trực tiếp trục sơ cấp với trục thứ cấp. Khi đó, các bánh răng, ổ trục và trục trung gian hầu như được giảm tải hoàn toàn nên giảm được mài mòn, tiếng ồn và giảm mất mát công suất. - Ở các số truyền khác, mômen truyền qua hai cặp bánh răng do đó có thể tạo được tỷ số truyền lớn với kích thước bánh răng khá nhỏ gọn, nhờ đó giảm kích thước, trọng lượng hộp số nên dễ dàng bố trí trên khung xe. -Hộp số ba trục có số truyền thẳng. Khi dùng số truyền này, công suất động cơ được sử dụng tốt hơn, giảm mài mòn, tiếng ồn và trục trung gian hầu như được giảm tải hoàn toàn. -Có thể thay đổi tốc độ chuyển động của ôtô bằng cách thay đổi tỷ số truyền của hộp số thông qua các cặp bánh răng ăn khớp. Khi tốc độ đầu ra của hộp số chậm thì mômen của nó sinh ra sẽ cao để ôtô vượt chướng ngại vật và leo dốc dễ dàng. Ngược lại khi tốc độ đầu ra của hộp số càng nhanh thì mômen ở đầu ra của hộp số bé, được sử dụng cho ô tô hoạt động ở tốc độ cao. -Trục thứ cấp B được đặt đồng tâm so với trục sơ cấp A. Đầu trước trục thứ cấp đặt trong ổ bi kim phía sau trục sơ cấp. Trên trục trung gian có bốn bánh răng, các bánh răng này thường được chế tạo liền khối. Ở hộp số này có hai bánh răng luôn ăn khớp với nhau. (1) và (9), (2) và (8). Đều là những bánh răng trụ nghiêng. Trong hộp số có bộ đồng tốc để gài số truyền (II) và (III), khối bánh di động (3) để gài số 1 và sô lùi. -Các số truyền động: Số 1: A -1-9-8-2-bộ đồng tốc-B Số 2: A-1-9-7-4-B Số 3: A- bộ đồng tốc - B (Số truyền thẳng) Số lùi: A-1-9-6-5-4-B Hình 2.19 : Sơ đồ động hộp số 3 cấp. 2.6.Bộ truyền lực chính 2.6.1.Công dụng: Bộ truyền lực chính hay truyền lưc trung gian có tác dụng làm tăng tỉ số truyền hoặc mômen quay của hệ thống truyền lực của ô tô. 2.6.2.Yêu cầu: -Đảm bảo tỉ số truyền cần thiết, kích thước và trọng lượng nhỏ. -Có hiệu suất cao khi vận tốc góc và nhiệt độ thay đổi. 2.6.3.Phân loại: - Theo số lượng cặp bánh răng ăn khớp, truyền lực chính gồm có: loại đơn và loại kép. + Loại kép: Có hai cặp bánh răng ăn khớp. Bộ truyền lực chính dạng kép, có hai dạng bánh răng ăn khớp : cặp bánh răng (1,2) dang côn xoắn và cặp bánh răng (3,4) dạng răng thẳng hoặc nghiêng. Hình 2.20: Bộ truyền lực chính loại kép có hai cặp bánh răng 1,2. Cặp bánh răng côn xoắn hoặc hypôít 3,4. Cặp bánh răng trục thẳng hoặc nghiêng 5.Cơ cấu vi sai + Loại đơn: Chỉ có một cặp bánh răng ăn khớp thường được sử dụng trên các xe ô tô có tải trọng nhỏ. Hình 2.21: Bộ truyền lực chính loại đơn, dạng bánh răng côn xoắn 1.Bánh răng chủ động 2.Bánh răng bị động. Hình 2.22 :: Bộ truyền lực chính loại đơn, dạng bánh răng hypôít 2.6.4. Bộ truyền lực chính loại đơn, dạng bánh răng côn xoắn Ưu điểm: Cầu có cấu trúc nhỏ gọn hơn, giảm kích thước cầu sau.vì số răng đồng thời ăn khớp lớn hơn loại răng thẳng nên làm việc êm dịu Nhược điểm: Lực dọc trục lớn và thay đổi theo phương chiều quay bánh răng làm cho ô đỡ nhanh hỏng và gây hiện tượng mỏi. Nếu chiều xoắn cùng chiều quay bánh răng( khi đi lùi) dễ gây hiện tượng kẹt răng. 2.6.5. Bộ truyền lực chính loại đơn, dạng bánh răng hypôit Bộ truyền hypôít có trục bánh răng chủ động dặt lệch tâm 1 khoảng e so với tâm trục bị động. Ưu điểm: -Giảm ồn hơn loại bánh răng thường và có hiệu suất cao. -Nâng cao độ bền cho bộ truyền do diện tích tiếp xúc lớn. -Tăng độ em dịu của bộ truyền. Nhược điểm: Xảy ra sự trượt giữa các răng tăng theo cả chiều dài và mặt cạnh. vì vậy, cần phải dùng dầu bôi trơn đặc biệc dau nay tạo nên mặt răng mọt lớp màng vững chắc. -Đòi hỏi phải lắp chính xác và bánh răng chủ động phải có điểm tựa vững chắc do có sự trượt theo chiều cao và chiều dọc răng Bộ truyền lực chính loại đơn, dạng bánh răng hypôít được sử dụng rộng rãi hơn dạng bánh răng côn xoắn. 2.7.Cơ cấu vi sai 2.7.1.Công dụng -Truyền mômen của động cơ tới các bánh xe. -Là cơ cấu giảm tốc cuối cùng trước khi mômen xoắn truyền tới các bánh xe. -Truyền mômen xoắn tới bánh xe trong khi cho phép chúng quay với tốc độ khác nhau. Trên ô tô điện thường sử dụng cơ cấu vi sai bánh răng côn. 2.7.2.Cấu tạo Cơ cấu vi sai bánh răng côn là một cơ cấu hành tinh gồm có: Bánh răng 1,2 lắp cố định bán hay nữa trục 3,4 bằng rãnh then hoa, hai bánh răng 5,6 còn gọi là bánh răng hành tinh luôn luôn ăn khớp với bán trục 7 và 8, có thể tự quay xung quanh đường tâm của nó nhờ trục 9 và 10, hộp vi sai gắn bánh răng 11 ăn khớp với bánh răng 12 của bộ truyền lực chính. Hình 2.23: Cơ cấu vi sai 2.7.3.Nguyên lý hoạt động Nếu ô tô chuyển động thẳng trên đường bằng phẳng, quãng đường lăn loặc lực cản ở hai bánh chủ động là như nhau , thì tốc độ quay của bán trục trái 3 (n3) và bán trục phải 4 (n4) và vỏ vi sai nvs bằng nhau: n3=n4=nvs hay n3+n4=2.nvs Trong trường hợp này trục 3 và 4 quay cùng với vỏ vi sai và hai bánh răng hành tinh 5,6 , không có chuyển động tương đối so với hai bánh răng bán trục 3 và 5. Nếu ô tô chuyển động trên đường vòng, ví dụ sang trái, quãng đường lăn hoặc lực cản lăn ở hai bánh xe chủ động sẽ khác nhau. Lúc này bánh răng hành tinh 5,6 vừa quay quanh trục 8 và 9, vừa lăn trên hai bánh răng bán trục 1 và 2. Do lực cản của bánh xe chủ động phía trong đường vòng tăng truyền đến, qua bán trục 4, làm cho bánh răng 2 giảm tốc độ quay với trị số là: n5 Trong đó: n5 -tốc độ quay của bánh răng hành tinh 10; Z5 -số răng của bánh răng bán trục 4. Đồng thời bánh răng bán trục 3 cũng được tăng thêm tốc độ quay với trị số n5. làm cho tốc độ quay của hai bán trục trái 3 và phải 4 là: n1=nvs - n5. n3=nvs + n5. hay n1 + n3 = 2nvs Như vậy tốc độ quay của hai bán trục trái (n1) và phải (n3) khi ô tô chuyển động thẳng cũng như chạy vào đường đều bằng hai lần tốc độ quay của vỏ vi sai (2.nvs). Trong trường hợp nếu một bán trục bị hãm hoàn toàn (ví dụ bán trục trái bị hãm) thì tốc độ quay n1 bằng không (n1=0) và n1 bằng hai lần tốc độ quay của vỏ vi sai (n3=2nvs). 2.8. Tra cứu linh kiện điện tử 2.8.1. LM7805 Hình 2.24: Sơ đồ chân và hình dạng của LM7805. IC 7805 là IC ổn định điện áp đầu ra ở mức +5V. IC này được lắp trên mạch nguồn, để tạo ra nguồn điện áp +5V. Nguồn điện áp này sẽ cung cấp cho vi điều khiển. Sơ đồ chân LM7805: Chân số 1 là chân điện áp vào, chân số 2 nối mass, chân số 3 điện áp ra. 2.8.2. MOSFET IRF 540: Transistor là một linh kiện thường được sử dụng như một thiết bị khuyếch đại hoặc một khóa điện tử. Transistor là khối đơn vị cơ bản xây dựng nên cấu trúc mạch ở máy tính điện tử và tất cả các thiết bị điện tử hiện đại khác. Vì đáp ứng nhanh và chính xác nên các transistor được sử dụng trong nhiều ứng dụng tương tự và số, như khuyếch đại, đóng cắt, điều chỉnh điện áp, điều khiển tín hiệu, tạo dao động… Hình 2.25 : Sơ đồ chân và hình dạng IRF540 Bảng 2.1 :Các số thông số của IRF540 Ký hiệu Thông số Max Đơn vị ID (TC =250 C) Dòng cực máng liên tục,VGS =10 V 28 A ID (TC =1000 C) Dòng cực máng liên tục. VGS = 10V A IDM Dòng cực máng kiểu xung (ngắt dẫn) A PD Công suất tiêu tán hệ số giảm tải tuyến tính Hệ số giảm tải tuyến tính W W/độ C VGS Điện áp Gs V 2.8.2. MOSFET IRF 9540: Là loại mosfet kênh P cũng có khả năng chuyển mạch nhanh hàng triệu giây, có thể hoạt động ở chế độ đóng ngắt liên tục. Hình 2.26 : Sơ đồ chân và hình dạng IRF9540 Bảng 2.2 :Các số thông số của IRF9540 Ký hiệu Thông số Max Đơn vị ID (TC =250 C) Dòng cực máng liên tục,VGS =10 V -13 A ID (TC =1000 C) Dòng cực máng liên tục. VGS = 10V -16 A IDM Dòng cực máng kiểu xung (ngắt dẫn) -76 A PD (TC = 250 C) Công suất tiêu tán hệ số giảm tải tuyến tính 140 W Hệ số giảm tải tuyến tính 1.0 W/độ C VGS Điện áp Gs +-20 V 2.8.3. OPTO PC817 Hình 2.27 : Sơ đồ chân và hình dạng OPTO PC817 OPTO PC817 được dùng để cách ly quang giữa mạch công suất với mạch điều khiển. Để tránh quá dòng làm hỏng vi điều khiển. Sơ đồ chân PC 817: Chân số 1 là chân anod, chân số 2 chân catod, chân số 3 dòng điện vào chân số 4 dòng điện đi ra. Khi chân 1 nhận tín hiệu 5V từ điều khiển thì chân 3,4 sẽ dẫn dòng điện. 2.9. IC ADC 0804 2.9.1.Giới thiệu chung ADC 0804 Bộ chuyển đổi ADC là một trong những thiết bị được sử dụng rộng rãi nhất để thu dữ liệu. Các đại lượng vật lý được chuyển về dòng điện và điện áp ở dạng liên tục thông qua các cảm biến. Do đó cần phải có bộ chuyển đổi tương tự sang số sao cho vi điều khiển có thể đọc được chúng. IC ADC được sử dụng phổ biến hiện là ADC0804. Dưới đây là hình vẽ sơ đồ chân của ADC 0804 Hình 2.28 : Sơ đồ chân và hình dáng của ADC0804. 2.9.2. Đặc điểm của ADC 0804 IC ADC0804 làm việc với điện áp +5V và có độ phân giải là 8 bít. Thời gian chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số xung đồng hồ được cấp tới chân CLK và CLK IN nhưng không nhanh hơn 110 S. 2.9.3. Chức năng các chân của ADC 0804 -Chân : là chân chọn Chip, đầu vào tích cực mức thấp được sử dụng để kích hoạt Chip ADC0804. Để truy cập ADC0804 thì chân này phải ở mức thấp. - RD (Read): Chân số 2, là một tín hiệu vào, tích cực ở mức thấp. Các bộ chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân và giữ nó ở một thanh ghi trong. RD được sử dụng để có dữ liệu đã được chyển đổi tới đầu ra của ADC0804. Khi CS = 0 nếu có một xung cao xuống thấp áp đến chân RD thì dữ liệu ra dạng số 8 bit được đưa tới các chân dữ liệu (DB0 – DB7). - WR (Write): Chân số 3, đây là chân vào tích cực mức thấp được dùng để báo cho ADC biết bắt đầu quá trình chuyển đổi. Nếu CS = 0 khi WR tạo ra xung cao xuống thấp thì bộ ADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin về số nhị phân 8 bit. Khi việc chuyển đổi hoàn tất thì chân INTR được ADC hạ xuống thấp. - CLK IN và CLK R: CLK IN (chân số 4), là chân vào nối tới đồng hồ ngoài được sử dụng để tạo thời gian.Tuy nhiên ADC0804 cũng có một bộ tạo xung đồng hồ riêng. Để dùng đồng hồ riêng thì các chân CLK IN và CLK R (chân số 19) được nối với một tụ điện và một điện trở (như hình 2.33). Khi ấy tần số được xác định bằng biểu thức: Hình 2.29 : Kiểm tra ADC ở chế độ chạy tự do. - Ngắt INTR (Interupt): Chân số 5, là chân ra tích cực mức thấp. Bình thường chân này ở trạng thái cao và khi việc chuyển đổi hoàn tất thì nó xuống thấp để báo cho CPU biết là dữ liệu chuyển đổi sẵn sàng để lấy đi. Sau khi INTR xuống thấp, cần đặt CS = 0 và gửi một xung cao xuống thấp tới chân RD để đưa dữ liệu ra. - Vin(+) và Vin(-): Chân số 6 và chân số 7, đây là 2 đầu vào tương tự vi sai, trong đó Vin = Vin(+) – Vin(-). Thông thường Vin(-) được nối tới đất và Vin(+) được dùng làm đầu vào tương tự và sẽ được chuyển đổi về dạng số. - Vcc: Chân số 20, là chân nguồn nuôi +5V. Chân này còn được dùng làm điện áp tham chiếu khi đầu vào Vref/2 để hở. - Vref/2: Chân số 9, là chân điện áp đầu vào được dùng làm điện áp tham chiếu. Nếu chân này hở thì điện áp đầu vào tương tự cho ADC0804 nằm trong dải 0 - +5V. Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến Vin khác với dải 0 - +5V. Chân Vref/2 được dùng để thực hiện các điện áp đầu ra khác 0 - +5V. 2.10.LCD 1602 Trong những năm gần đây LCD đang ngày càng được sử dụng rộng rãi thay thế dần các đèn Led. Hình 2.30 : Hình dáng và sơ đồ chân của LCD 1602 Bảng 2.3: Kí hiệu và chức năng các chân của LCD 1602 Chân Kí hiệu Mức logic I/O Chức năng 1 VSS - - Nguồn (GND) 2 VCC - - Nguồn (+5V) 3 VEE - - Chỉnh độ tương phản 4 RS 0/1 I RS=0 chon thanh ghi lệnh. RS=1 chọn thanh ghi dữ liệu. 5 R/W 0/1 I R/W=1 đọc dữ liệu. R/W=0 ghi 6 E 1,1->0 I/O Cho phép 7 DB0 0/1 I/O Bus dữ liệu 0 8 DB1 0/1 I/O Bus dữ liệu 1 9 DB2 0/1 I/O Bus dữ liệu 2 10 DB3 0/1 I/O Bus dữ liệu 3 11 DB4 0/1 I/O Bus dữ liệu 4 12 DB5 0/1 I/O Bus dữ liệu 5 13 DB6 0/1 I/O Bus dữ liệu 6 14 DB7 0/1 I/O Bus dữ liệu 7 2.11. Vi điều khiển họ MSC-51 2.11.1.Giới thiệu chung Hiện nay, vi điều khiển được ứng dụng để điều khiển các máy móc, thiết bị có qui mô sản xuất vừa và nhỏ. Với những tính năng mới và mạnh được tích hợp trong vi điều khiển mang số hiệu 89Sxx của hãng Atmel. Do đó, trong đề tài này chọn vi điều khiển 89S51 để nghiên cứu và ứng dụng vào thiết hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều. Dưới đây là hình vẽ sơ đồ chân của họ MCS-51 Hình 2.31: 89C51 và sơ đồ chân. 2.11.2. Đặc điểm của vi điều khiển 89C51 Điện áp nguồn nuôi: 4.5V ÷ 5.5V. Có 4 Kbyte bộ nhớ EFROM bên trong dùng để lưu chương trình vi điều khiển. Có 128 Byte RAM nội. 4 Port xuất nhập (Input/Output) 8 bit. Có khả năng giao tiếp truyền dữ liệu nối tiếp. Có thể giao tiếp được 64 Kbyte bộ nhớ Eprom bên ngoài dùng để lưu chương trình điều khiển . Có thể giao tiếp với 64 Kbyte bộ nhớ bên ngoài dùng để lưu dữ liệu.. Có các lệnh xử lí bit. Có 210 bit có thể truy xuất từng bit. Có lệnh nhân và chia. Có 2 bộ định thời gian. Có 2 bộ đếm Counter 16 bit. 2.11.3. Chức năng các chân của vi điều khiển 89C51 Vi điều khiển 89C51 có tất cả 40 chân có chức năng như các đường xuất nhập. Trong đó có 24 chân có tác dụng kép (có nghĩa là 1 chân 2 chức năng), mỗi đường có thể hoạt động như đường xuất nhập điều khiển hoặc là thành phần của các bus dữ liệu và bus địa chỉ để tải địa chỉ và dữ liệu khi giao tiếp với bộ nhớ ngoài. a. Các port: Port 0 là port có 2 chức năng với số thứ tự chân 32-39. Trong các hệ thống điều khiển đơn giản sử dụng bộ nhớ mở rộng bên trong không dùng bộ nhớ mở rộng bên ngoài thì Port 0 được dùng làm các đường điều khiển IO (Input-Output). Trong các hệ thống điều khiển sử dụng bộ nhớ sử dụng bên ngoài thì Port 0 có chức năng là bus địa chỉ và bus dữ liệu AD7-AD0. Port 1 với số thứ tự chân 1-8. Các chân được kí hiệu P1.0, P1.1, P1.2,...P1.7 có thể dùng cho giao tiếp với các thiết bị ngoài để điều khiển xuất nhập, port 1 không có chức năng khác. Port 2 là port có 2 chức năng với số thứ tự chân 21-28. Trong các hệ thống vi điều khiển đơn giản sử dụng bộ nhớ bên trong không sử dụng bộ nhớ bên ngoài thì port 2 được dùng làm các đường vi điều khiển IO (Input-Output). Trong các hệ thống điều khiển lớn sử dụng bộ nhớ mở rộng bên ngoài thì port 2 có chức năng là bus địa chỉ cao A8-A15. Port 3 là port có 2 chức năng với số thứ tự chân 10-17. Các chân của port này có nhiều chức năng. +P3.0 /RxD: Ngõ vào nhận dữ liệu nối tiếp. +P3.1/TxD: Ngõ vào xuất dữ liệu nối tiếp. +P3.2/: Ngõ vào ngắt cứng thứ 0. +P3.3/: Ngõ vào ngắt cứng thứ 1. +P3.4/T0: Ngõ vào của TIMER/COUNTER thứ 0. +P3.5/T1: Ngõ vào của TIMER/COUNTER thứ 1. + P3.6/: Tín hiệu điều khiển ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài. + P3.7/: Tín hiệu điều khiển đọc dữ liệu từ bộ nhớ ngoài. b. Các ngõ tín hiệu điều khiển: Ngõ tín hiệu PSEN (Program store enable): PSEN là tín hiệu ngõ ra ở chân 29 có tác dụng cho phép đọc bộ nhớ chương trình mở rộng thường nối đến chân OE (Output Enable) của Eprom cho phép đọc mã lệnh. PSEN ở mức thấp trong thời gian vi điều khiển 89S51 lấy lệnh.Các mã lệnh của chương trình đọc từ Eprom qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh bên trong 89S51 để giải mã lệnh. Khi 89S51 thi hành chương trình trong EPROM thì PSEN ở mức logic 1. Ngõ tín hiệu ( External Access ): Tín hiệu vào ở chân 31 thường nối lên mức 1 hoặc mức 0. Nếu nối lên mức logic 1 (+5V) thì vi điều khiển 89S51 sẽ thi hành chương trình từ EFROM nội trong khoảng địa chỉ thấp 4 Kbyte. Nếu nối với mức logic 0 (mass) thì vi điều khiển 89S51 sẽ thi hành chương trình từ bộ nhớ mỡ rộng. Ngõ tín hiệu RST (Reset) : Ngõ vào RST ở chân 9 là ngõ vào của 89S51. Khi ngõ vào tín hiệu này đưa lên mức cao ít nhất là 2 chu kì máy, các thanh ghi bên trong được nạp những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống. Khi cấp điện cho hệ thống thì mạch tự Reset. Các ngõ vào bộ dao động XTAL1, XTAL2: Bộ dao động được tích hợp bên trong 89S51, khi sử dụng 89S51 người ta chỉ cần kết nối thêm tụ thạch anh. Tần số tụ thạch anh thường được sử dụng cho 89S51 là 12 MHz. Chân 40 (Vcc) được nối lên nguồn 5V. 2.11.4.Tìm hiểu phần mềm SPKT-C5.2 Hiện nay, có nhiều ngôn ngữ lập trình cho vi điều khiển. Tùy vào thế mạnh mỗi người lập trình mà chọn một ngôn ngữ lập trình riêng cho mình. Trong luận văn này, em chọn hợp ngữ ASEMBLY để lập trình cho vi điều khiển 89C51. Phần mềm SPKT rất dễ sử dụng, lập trình linh hoạt giảm bớt thời gian lập trình. Giao diện chính bao gồm Thanh Menu bar Thanh Tool bar Vùng không gian dành cho viết chương trình Hình 2.32: Giao diện chính của phần mềm SPKT Cách xác lập các chế độ của chương trình: : Assemble: Chuyển từ file *.asm sang file *.hex và ngược lại. : Clear Write: Xóa chíp và nạp 2.11.5 Tìm hiểu mạch nạp cho vi điều khiển 89C51 Sử dụng cổng song song Hình 2.33: Mạch nạp 8051 giao tiếp qua cổng song song Sử dụng cổng USB Đặc điểm mạch nạp giao tiếp qua cổng USB      - Mạch nạp USB giao tiếp với PC qua cổng USB, sử dụng chip USB chuyên dụng     - Mạch chuyển đổi điện áp đơn giản, mạch in một lớp     - Nguồn: lấy nguồn +5V trực tiếp từ PC qua cáp USB (không sử dụng nguồn ngoài)     - Cho phép nạp nhiều loại chip trên cùng một ZIF socket 40 pin     - Tự động tìm Port, tự động nhận dạng chip     - Tự động xoá trước khi nạp, kiểm tra quá trình nạp     - Tốc độ truyền dữ liệu: 57600 bps, 8 bits, no parity, 1 stop, no flow control     - Nạp chip với chế độ Page Write cực nhanh     - Phần mềm Microcontroller_V3.0 sử dụng trên mọi Windows 98, Me, NT, 2000, XP Hình 2.34: Mạch nạp 8051 giao tiếp qua cổng USB Chương 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU Địa điểm và thời gian thực hiện đề tài Địa điểm Phòng thí nghiệm trung tâm nghiên cứu và triển khai khu công nghệ cao HCM. 3.1.2 Thời gian Đề tài đã tiến hành từ 16 tháng 03 năm 2011 đến 30 tháng 05 năm 2011. Quá trình thực hiện nghiên cứu, thiết kế và hoàn thiện mạch điều khiển từ ngày 10 tháng 4 năm 2011 đến ngày 23 tháng 5 năm 2011. Thời gian còn lại là hoàn thành bài luận văn. 3.2 Đối tượng nghiên cứu Tính toán và chọn mô hình cụm truyền động ô tô điện Thiết kế mạch điều khiển động cơ điện một chiều của cụm truyền động ô tô điện. 3.3 Phương pháp thực hiện đề tài 3.3.1 Phương pháp thực hiện phần điện tử -Tính toán chọn mô hình điều khiển. -Tính toán thiết kế mạch: Dùng vi điều khiển 8051 để điều khiển tốc độ động cơ DC, chiều quay của động DC có thể đảo chiều thông qua nút nhấn. Tốc độ của động cơ được điều chỉnh thông qua một biến giao tiếp với vi điều khiển qua bộ chuyển đổi ADC. Vận tốc thật của động cơ được encoder truyền về vi điều khiển và được hiển thị trên LCD. Người điều khiển có thể dựa vào tốc độ hiện trên LCD để điều chỉnh biến trở cho phù hợp. -Vẽ mạch nguyên lý. -Kiểm tra từng khối mạch. -Vẽ mạch in. -Gia công mạch điều khiển. 3.3.2 Phương pháp thực hiện phần mềm. Dựa vào yêu cầu điều khiển vẽ lưu đồ giải thuật. Viết chương trình điều khiển. Chạy mô phỏng bằng Proteus. Kiểm tra và hiệu chỉnh chương trình. Nạp cho vi điều khiển và chạy thử chương trình. Kiểm tra và hiệu chỉnh chương trình cho đến khi đạt yêu cầu. 3.4 Phương tiện thực hiện đề tài Các tài liệu và giáo trình nghiên cứu liên quan. Máy tính cá nhân. Máy chụp ảnh. Máy khoan. Máy hàn chì. Đồng hồ VOM. Các dụng cụ phụ trợ khác. Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1. Tính toán và chọn thông số các chi tiết của cụm truyền động ô tô điện. 4.1.1.Chọn các thông số chung của ô tô điện. Tải trọng ô tô điện: Tải trọng của ô tô điện được xác định theo công thức tải trọng ô tô du lịch. G=G0 + A.n + Gh [4.1] Trong đó: G0 -Trọng lượng bản thân xe. Chọn G0=700 [Kg]= 6867[N] A -Trọng lượng trung bình của một người. Chọn A=60 [Kg]= 588,6[N] n -Số chỗ ngồi trong xe, kể cả người lái. Chọn n=10 Gh-Trọng lượng hành lí. Chọn Gh=100 [Kg]=981[N] Do đó: G=6867+588,6.10+981=13734 [N] Vận tốc: Vận tốc lớn nhất : Vmax 30km/h Điều kiện lưu thông: : xe chạy trong công viên hoặc trong khu du lịch, đường nhựa hoặc bê tông loại tốt - Dựa vào bảng 4.1 chọn hệ số cản lăn: f=0,015 Bảng 4.1: Hệ số cản lăn của ô tô và máy kéo. Loại đường Hệ số cản lăn Đường nhựa và bê tông -Đặc biệc tốt -Tốt Đường rải đá Đường đất -Khô, bằng phẳng -Sau khi mưa Đường cát Đường đất sau khi cày 0,012 - 0,015 0,015 - 0,018 0,030 - 0,040 0,030 - 0,050 0,050 - 0,150 0,100 - 0,300 0,120 - 0,130 - Dựa vào bảng 4.2 chọn hệ số bám =0,8 Bảng 4.2: Hệ số bám . Loại đường Hệ số bám Đường nhựa và bê tông -Khô và sạch -Ướt và dính bùn Đường đất -Pha sét, khô -Ẩm ướt Đường cát -Khô -Ẩm ướt 0,70 - 0,80 0,35 -0,45 0,50 - 0,60 0,30 -0,40 0,20 - 0,30 0,40 - 0,50 - Độ dốc: Chọn độ dốc 10% tức góc nghiêng α ≈ 6o - Bán kính thiết kế của lốp xe: chọn r= 200 [mm] -Dựa vào bảng 4.3 + Hệ số cản không khí K = 0,20 - 0,35 [ N.s2/ m4] chọn k = 0,25 [ N.s2/ m4] +Diện tích cản chính diện F: F = 1,6 ÷ 2,8 [m2], chọn F=2 [m2] +Diện tích cản chính diện F: F = 1,6 ÷ 2,8 [m2], chọn F=2 [m2] Bảng 4.3: Hệ số cản K, diện tích cản chính diện F và nhân tố W Loại ô tô K [ N.s2/ m4] F [m2] W[ N.s2/ m2] Du lịch (xe con) Vận tải Chở khách (buyt) Đua (thể thao) 0,20 - 0,35 0,60 - 0,70 0,25 -0,40 0,13 - 0,15 1,60 - 2,80 3,00 - 5,00 4,50 - 6,50 1,00 -1,30 0,30 - 0,90 1,80 - 3,50 1,00 - 2,60 0,13 - 0,18 - Hiệu suất hệ thống : =1 4.1.2.Tính toán chọn động cơ điện Phương trình cân bằng lực kéo của ô tô điện trong trường hợp tổng quát Pk = Pf + Pω ± Pi ± Pj ; [4.2] Trong đó: Pk - lực kéo tiếp tuyến phát ra ở các bánh xe chủ động; Pf  - lực cản lăn; Pω - lực cản không khí; Pi - lực cản dốc; Pj - lực cản quán tính. Tính cho trường hợp xe lên dốc (cho độ dốc là 10%): sinα = 0,1 => α ≈ 6o Hình 4.1: Các lực tác dụng lên ô tô trong trường hợp tổng quát - Lực cản lăn được tính: Pf = f.Z1 + f.Z2 = G.cosα.f [4.3] Trong đó: Pf - lực cản lăn; Z1,Z2-phản lực pháp tuyến của đường tác dụng lên bánh xe trước và sau; G- là trọng lượng của ô tô; Do đó Pf =0,015.13734.cos6o = 204,9 [N]. - Lực cản không khí: Pω = k.F.v2= 0,25.2.8,332= 34,69 [N]. - Lực cản lên dốc được tính: Pi = G.sinα - sinα là độ dốc của mặt đường, nếu độ dốc là 10% (sinα = 0,1), Pi = 13734.0,1 =1373,4 [N]. -Lực quán tính: Pj = [4.4] với a là gia tốc của xe. Chọn gia tốc a = 0,5(m/s2) Pj = = 700 [N]. Từ những tính toán trên, thay các giá trị tính được vào biểu thức [4.2] ta có: Pk= 204,9 +34,69+ 1373,4 + 700 =2313 (N) Thực tế phương trình cân bằng lực kéo của ô tô điện không nhất thiết phải xuất hiện 4 lực cản cùng lúc. +Trong trường hợp ô tô lên dốc chạy đều và vận tốc nhỏ, có thể bỏ qua lực quán tính và lực cản không khí Pk1 = Pf + Pi = 204,09 + 1373,4 = 1577,5(N) +Trong trường hợp ô tô chạy ở đường bằng xe chạy ở tốc độ tối đa thì xem như không tồn tại lực cản lên dốc và lực quán tính. Pk2 = Pf + Pω = 204,09 + 34,69 = 238,78(N) Công suất cực đại của động cơ được xác định trong trường hợp xe chạy với vận tốc cực đại. Mặc dù trong trường hợp lên dốc lực cản lớn hơn nhưng nếu chạy với tốc độ chậm thì công suất phụ tải sẽ bé hơn. Và công suất cản của ô tô điện: Nk = Pk2. v [4.5] Nk= 238,78. 8,33 = 1989(W) Hiệu suất động cơ điện η=0.9 Công suất của động cơ điện Nkdc = [4.6] Nkdc [W] -Chọn thông số động cơ điện + Điện áp sử dụng: DC24V + Công suất động cơ điên chọn là: Nedc= 2300 W + Hiệu suất trung bình của động cơ điện là 90% + Dòng định mức là 100 A + Số vòng quay: 600 vòng/phút + Mômen xoắn cực đại: Memax= [4.7] Memax= [Nm] 4.1.3.Tính toán vận tốc lớn nhất ô tô điện Động cơ điện phát ra công suất cực đại khi đạt được số vòng quay định mức. Vận tốc của ô tô cực đại khi động cơ động cơ đạt được số vòng quay định mức đồng thời lực kéo do động cơ sinh ra phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám. Phương trình cân bằng công suất của ô tô điện khi ô tô đạt tốc độ cao nhất. Nk = Nedc.. = [4.7] Trong đó Nf -công suất kéo ở bánh chủ động Nf = [4.8] -công suất cản gió = [4.9] Ni-công suất tiêu hao cho cản dốc của đường Nj - công suất tiêu hao cho cản tăng tốc do vận tốc ô tô đạt cao nhất khi chạy đường bằng nên =0 từ biểu thức 1=> 2,3.0,9.1 = + Giải phương trình ta được: vmax = 9,8 (m/s) = 35,3 (km/h) Nedcmax =2300 (W) thỏa điều kiện lực bám [4.10] ; với φ là hệ số bám, chọn φ = 0,7,vận tốc cực đại của ôtô là: 35,3 (km/h). 4.1.4 Xác định tỷ số truyền của bộ truyền lực chính Tỷ số truyền của bộ truyền lực chính io được xác định từ tốc độ cực đại của ô tô: io=. [4.11] Trong đó: rb - bán kính của bánh xe; ih - tỉ số truyền của hộp số chính; chọn ih=1 ip- tỉ số truyền của hộp số phụ; chọn ip=1 nmax - số vòng quay lớn nhất của động cơ vmax - tốc độ cực đại của ô tô io= 4.1.5 Xác định tỷ số truyền của hộp số. Tỷ số truyền của số truyền I phải đảm bảo cho xe khắc phục được lực cản lớn nhất của đường: ihI ³ [4.12] Mặt khác để đảm bảo cho điều kiện bám: ih I £ [4.13] Trong đó: ymax :hệ số cản lớn nhất của đường, ymax= 0,3 G, Gj :trọng lượng toàn bộ và trọng lượng bám của ô tô m : hệ số phân tải trọng động m = 1,2 : hệ số bám =0,8 Gj =Gcđ . m =1,2. 7500=9000 [N] Trong đó: Gcđ- là trọng lượng phân bố lên cầu chủ động Suy ra chọn Gcđ =7500(N) Từ điều kiện [4.12]: ih I ³ Từ điều kiện [4.13]: ih I £ ta có : 4,2 < IhI < 8,82 Do đó: chọn ih I = 5 là tỷ số truyền số thấp. Số cấp chọn n=3 * Xác định tỉ số truyền các tay số trung gian Tỉ số truyền các tay số trung gian của hộp số xác định theo cấp số điều hòa được xác định theo các công thức sau [2]: [4.14] = = Theo phân tích và tính toán trên, kết hợp với số liệu tìm hiểu, ta có: ih1= 5 ; n = 3;ih2 =1,67 ; ih3 =1,78 Trong đó: ih1- tỉ số truyền tay số 1 ih2- tỉ số truyền tay số 2 ih3- tỉ số truyền tay số 3 (tỉ số truyền tay số cao nhất của hộp số). n-số cấp của hộp số 4.1.6.Tỷ số truyền của hệ thống truyền động ứng với điều kiện lực kéo lớn nhất tại bánh xe: it=ih.ip.io [4.15] it =5.1.5,95= 29,75 Kiểm tra tỉ số truyền theo điều kiện lực kéo lớn nhất tại bánh xe : Momen cản lớn nhất tại bánh xe : MCbxx = FMD.rbx = 1557.0,2 = 311,4 (Nm) Momen kéo lớn nhất tại bánh xe : MKbx = MM . iH . h = 36,6. 19,75.0,95 = 686,7 (Nm) Ta thấy MKbx > MCbx . Vậy chỉ cần một tỉ số truyền duy nhất xe có thể hoạt động ở mọi chế độ khi chạy ở vận tốc cực đại và cả khi vượt dốc. Nên tỷ số truyền chung của hệ thống truyền lực là iH = 29,75 4.1.7.Khả năng leo dốc của ô tô điện Độ dốc cực đại được xác định theo điều kiện lực bám và theo điều kiện lực cản cân bằng với mômen kéo cực đại của động cơ. Theo điều kiện lực bám ta có: G.φ.cosα = G.f.cosα + G.sinα [4.16] 0,7.cosα = 0,015.cosα + sinα tgα = 0,68 α = 34 Theo điều kiện của lực bám, ôtô có thể leo lên được độ dốc tối đa có góc bằng 340 hay độ dốc 53%. Theo điều kiện lực kéo cực đại của ôtô ta có: = G.f.cosα + G.sinα [4.17] Với MMmax = 20 (Nm) là mômen cực đại của ô tô điện, ih = 1 là tỷ số truyền của hệ thống truyền lực, rbx = 0,2 (m) là bán kính bánh xe và η = 1 là hiệu suất của hệ thống truyền lực. Thay các giá trị vào biểu thức ta được: = 13734.0,015.cosα + 13734.sinα Giải phương trình lượng giác trên ta được α ≈ 19,5 4.2 Tính toán thiết kế phần điện tử 4.2.1 Sơ đồ khối tổng quát mạch điều khiển Từ yêu cầu tín hiệu điều khiển, cơ cấu chấp hành và yêu cầu điều khiển ta xây dựng sơ đồ tổng quát của mạch điện bao gồm 5 khối thành phần: Khối mạch nguồn, khối vi điều khiển, khối tín hiệu điều khiển gồm nút nhấn - biến trở và ADC, khối mạch công suất động cơ, khối mạch hiển thị. KHỐI VI ĐIỀU KHIỂN 8051 Khối tín hiệu điều khiển Khối hiển thị Khối mạch nguồn Khối mạch công suất và động cơ DC Hình 4.3: Sơ đồ khối mạch điều khiển. 4.2.2 Thiết kế mạch nguồn Mạch nguồn 5V: Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo nguồn +5V. 4.2.3 Thiết kế mạch nhận tín hiệu điều khiển Tốc độ của động cơ được điều chỉnh bằng biến trở có nút xoay. Giá trị của biến trở được làm thay đổi điện áp vào của ADC. ADC 0804 chuyển đổi giá trị điện áp thành giá nhị phân nhớ vào thanh ghi trong sau đó chuyển đến vi điều khiển. Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý mạch nhận tín hiệu điều khiển. 4.2.4.Thiết kế khối nhận tín hiệu phản hồi (đếm số vòng quay) Khi động cơ quay được một vòng thì Led thu phát hồng ngoại sẽ tạo ra một xung cấp cho vi điều khiển. LM358 sẽ tạo xung vuông cấp cho vi điều khiển. Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý khối nhận tín hiệu phản hồi. 4.2.4. Thiết kế mạch khối vi điều khiển Mạch vi điều khiển sẽ nhận tín hiệu vào là các nút nhấn, biến trở, tốc độ động cơ và xuất tín hiệu băm xung điều khiển động cơ. Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển dùng 89C51. 4.2.5.Thiết kế mạch hiển thị LCD Khối hiển thị LCD sẽ hiển thị tốc độ động cơ, thể dựa vào thông tin hiển thị trên LCD để điều chỉnh tốc độ của động cơ (số vòng/phút). Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị. 4.2.6.Thiết kế mạch công suất điều khiển động cơ một chiều Mạch cầu H điều khiển động cơ khi giao tiếp vi điều khiển với thiết bị bên ngoài như động cơ có hiệu điện thế cao (khoảng 24V) mà các ic lại sử dụng nguồn 5v. ở đây việc nối mass chung sẽ gay ra hiện tượng tạp sóng đa hài và nhiễu làm mất sự chính xác của vi điều khiển chuyển đổi ADC, và trong trường hợp này việc sử dụng nguồn rieng sẽ bảo dam cho mạch giao tiếp tốt và không bị nhiễu bên cạnh đó việc cấp xung cho động cơ được thực hiện thông qua OPTO, IRF 2807 nhằm ổn dịnh dòng và không gây nguy hiểm cho FET Yêu cầu của mạch nguồn cấp xung : Điện áp cấp cho động cơ khoảng 24V Mức đo ổn áp cao, không bị nhiễu, trong quá trình đo. Đủ dòng cung cấp cho tải Xung ổn định và không nhiễu. Hình 4.9: Sơ đồ nguyên lý mạch công suất điều khiển động cơ một chiều . 4.3. Thực hiện phần mềm 4.3.1. Lưu đồ giải thuật Để cho việc viết chương trình cho vi điều khiển dễ dàng cần phải có lưu đồ giải thuật.Lưu đồ giải thuật giúp cho việc xử lý lỗi một cách nhanh chóng. Lưu đồ giải thuật tiến hành sau khi hoàn thành mạch điều khiển và lựa chọn xong mô hình cơ khí. Chương trình được viết bằng hợp ngữ Asembly. Hợp ngữ là ngôn ngữ có vị trí giữa ngôn ngữ máy và ngôn ngữ cấp cao. hợp ngữ thay thế các mã nhị phân của ngôn ngữ bằng các mã gợi nhớ giúp dễ lập trình. Begin Điều chỉnh giá trị ở ngõ vào ADC thông qua biến trở ? Nhỏ hơn giá trị cho phép Xuất tín hiệu 1 điều khiển động cơ Tăng độ rộng xung Giảm độ rộng xung Lớn hơn giá trị cho phép Lấy tín hiệu từ cảm biến đưa ra giá trị vận tốc ra LCD Điều chỉnh độ rộng xung theo giá trị ở ngõ ra ADC -w 4.3.2. Viết chương trình điều khiển Chương trình được viết bằng phần mềm pro studio, dựa vào lưu đồ giải thuật đã được thiết lập. Giải thuật tính toán và chương trình điều khiển được trình bài ở phần phụ lục. Hình 4.9: Chương trình cho vi điều khiển. Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1 Kết luận Sau thời gian thực hiện xong đề tài này, các phần đã thực hiện được bao gồm: thiết kế hệ thống điều khiển đông cơ điện một chiều của cụm truyền động ô tô điện 10 chỗ ngồi lưu thông trong công viên, thiết kế mạch điều khiển, viết chương trình điều khiển. Phần cứng điện tử: board mạch hoạt động tốt, khả năng chống nhiễu cao, hoạt động ổn định, vi điều khiển xử lý kết quả nhanh chính xác. Phần mềm: viết được chương trình điều khiển tốc độ có thể đảo chiều quay động cơ điện một .chiều của cụm truyền động. Do thời gian thực hiện đề tài ngắn, các vấn đề cần thực hiện của đề tài thuộc loại mới, lượng công việc thực hiện nhiều. Nên chắc chắn không trách khỏi sai sót trong luận văn này. 5.2. Đề nghị Tiến hành thiết kế, chế tạo thành phần khác của ô tô điện như khung, vỏ xe, bộ phận dẫn hướng ..v..v để có thể khảo nghiệm thực tế hệ thống điều khiển cụm truyền động ô tô điện.