Luận Văn Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển mô hình ô tô điện

Đồ án tốt nghiệp năm 2012
Đề tài: Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển mô hình ô tô điện


MỤC LỤC
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN .i
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI ii
LỜI CẢM ƠN iii
MỤC LỤC iv
DANH MỤC HÌNH . vii
DANH MỤC BẢNG xii
LỜI NÓI ĐẦU .1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Ô TÔ ĐIỆN 2
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG 3
1.2. CẤU HÌNH CỦA Ô TÔ ĐIỆN .3
1.3. NHU CẦU SỬ DỤNG Ô TÔ ĐIỆN PHỤC VỤ DU LỊCH VÀ SỬ DỤNG
TRONG CÁC SỞ Y TẾ. 5
1.3.1. Phương tiện cá nhân 5
1.3.2. Các phương tiện công cộng 7
1.3.3. Các phương tiện dùng chuyên biệt trong các lĩnh vực giải trí thể thao,
các lĩnh vực công nghiệp, các loại xe chuyên dùng trong các ngành .8
1.3.4. Các loại phương tiện dùng trong các lĩnh vựcchuyên dùng, vận
chuyển, nâng chuyển hàng hóa, phục vụ cho người tàntật 9
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .10
2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CÚU .11
2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .12
2.2.1. Các phương án thiết kế .12
2.2.1.1. Phương án 1 12
2.2.1.2. Phương án 2 13
2.2.1.4. Kết luận 15
2.3. THIẾT KẾ CHẾ TẠO PHẦN CƠ KHÍ 15
2.3.1. Động lực học bánh xe và khái niệm về sự trượt .15
2.3.2. Các lực cản chuyển động của ô tô 19
2.3.2.1. Lực cản lên dốc 19
2.3.2.2. Lực cản lăn .20
2.3.2.3. Lực cản không khí 20
v
2.3.2.4. Lực quán tính 21
2.3.3. Xác định công suất của động cơ điện và nguồnacquy .21
2.3.3.1. Xác định các thông số của động cơ điện 21
2.3.3.2. Xác định các thông số cho bộ nguồn ắc quy 24
2.3.3.3. Chọn ổ bi 24
2.3.3.4. Vật liệu chế tạo xe 25
2.3.3.5. Dụng cụ thực hiện 27
2.3.3.6. Chế tạo khung xe 30
2.4. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO PHẦN ĐIỀU KHIỂN 37
2.4.1. Động cơ Brushless DC Mortor .37
2.4.2. Khối LCD hiển thị 42
2.4.3. Khối giao tiếp bàn phím .43
2.4.4. Khối chân ga điều khiển .43
2.4.5. Giới thiệu về Vi điều khiển AVR .44
2.4.6. Sơ lược các linh kiện dùng trong mạch 56
2.4.7. Thiết kế mạch. 62
2.4.8. Qui trình chế tạo mạch điều khiển 72
2.5. GIẢI THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN .79
2.5.1. Giải thuật khối điều khiển trung tâm 79
2.5.2. Giải thuật khối điều khiển động cơ .80
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ .81
3.1. CHUẨN BỊ 82
3.2. THI CÔNG VÀ LẮP RÁP 83
3.2.1. Vẽ mạch in 83
3.2.2. In mạch lên mạch đồng .84
3.2.3. Hàn linh kiện và kiểm tra mạch 84
3.2.4. Lắp ráp các mạch lên khung .85
3.3. SẢN PHẨM THỰC TẾ 86
3.3.1. Hình ảnh các mạch 86
3.3.2. Các chi tiết cơ khí .88
3.3.3. Hệ thống mô hình .91
3.4. CHẠY THỬ VÀ KIỂM NGHIỆM ĐỘ ỔN ĐỊNH 93
3.4.1. Kiểm tra trươc khi đưa vào hoạt động 93
vi
3.4.1.1. Kiểm tra ắc quy 93
3.4.1.2. Kiểm tra mạch công suất 93
3.4.1.3. Kiểm tra phần cơ khí 95
3.4.1.4. Kiểm tra động cơ 95
3.4.2. Mô hình ô tô lúc hoạt động .96
3.4.2.1. Khi ô tô chạy thẳng đường bằng 96
3.4.2.2. Khi ô tô lên dốc 97
3.4.2.3. Khi ô tô xuống dốc .98
3.4.2.4. Khi ô tô vào khúc cua .98
3.5. BẢNG THÔNG SỐ SAU KHI CHẠY THỬ Ô TÔ ĐIỆN 99
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT .100
4.1. KẾT LUẬN .101
4.1.1. Kết quả đạt được .101
4.1.2. Kết quả chưa đạt được 101
4.2. ĐỀ XUÁT .101
4.2.1. Đề xuất phần cứng 101
4.2.2. Đề xuất phần mềm 101
4.2.4. Đề xuất cả hệ thống 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
vii
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Ô tô điện cổ điển 3
Hình 1.2. Ô tô điện hiện đại 4
Hình 1.3. Ô tô điện của hãng Nissan 5
Hình 1.4. Ô tô điện sử dụng ở Chicago .6
Hình 1.5. Xe đạp điện của Trung Quốc sản xuất 6
Hình 1.6. Tàu điện tự hành tốc độ cao tuyến Paris -Lyon 7
Hình 1.7. Tàu điện ngầm tiện dụng nhất ở Pháp. 7
Hình 1.8. Xe điện của hãng Mai Linh ở Đà Lạt 8
Hình 1.9. Xe điện sử dụng trong sân golf 9
Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát 11
Hình 2.2. Mô hình thiết kế 1 ô tô điện .12
Hình 2.3. Mô hình thiết kế 2 ô tô điện .13
Hình 2.4. Mô hình thiết kế 3 ô tô điện .14
Hình 2.5: Chuyển động thẳng của xe trên dốc 15
Hình 2.6. Mô hình một bánh .15
Hình 2.7. Lực tác dụng lên bánh xe và góc lăn lệch 16
Hình 2.8. Quan hệ giữa hệ số cản lăn và góc lăn lệch 17
Hình 2.9. Sự ảnh hưởng của độ chụm bánh xe .17
Hình 2.10. Góc doãng của bánh xe dẫn hướng .18
Hình 2.11. Tác dụng của trọng lực ô tô trên đường dốc 19
Hình 2.12. Khái niệm độ dốc của đường 19
Hình 2.13. Các lực tác dụng lên ô tô khi lên dốc .21
Hình 2.14. Ổ bi và cấu tạo bên trong ổ bi côn .24
Hình 2.15. Vật liệu thép 25
Hình 2.16. Que hàn 26
Hình 2.17. Các loại bulông – đai ốc 27
Hình 2.18. Máy cắt cầm bằng tay 27
Hình 2.19. Máy cưa .28
Hình 2.20. Máy hàn .28
Hình 2.21. Bản vẽ chế tạo của khung dưới của ô tô điện 30
Hình 2.22. Bản vẽ khung dưới của ô tô điện .31
viii
Hình 2.23. Bản vẽ chế tạo của khung gá đặt bánh sau 31
Hình 2.24. Bản vẽ khung gá đặt bánh sau .31
Hình 2.25. Bản vẽ chế tạo bát chữ U .32
Hình 2.26. Bản vẽ bát chữ U .32
Hình 2.27. Bản vẽ chế tạo khung bên ô tô .32
Hình 2.28. Bản vẽ khung bên ô tô .32
Hình 2.29. Bản vẽ chế tạo của cơ cấu giảm xóc trước 33
Hình 2.30. Bản vẽ cơ cấu giảm xóc trước .33
Hình 2.31. Bản vẽ cơ cấu giảm xóc sau 33
Hình 2.32. cơ cấu giảm xóc trước và sau bằng khi hoàn thành 34
Hình 2.33. hệ thống lái ô tô .35
Hình 2.34. khớp các đăng và khớp cầu .35
Hình 2.35. hệ thống phanh 36
Hình 2.36. Sức phản điện động dạng hình thang 37
Hình 2.37. Mặt cắt bằng của một BLDC .38
Hình 2.38. Stator động cơ BLDC 38
Hình 2.39. Rotor động cơ BLDC 39
Hình 2.40. Động cơ Brushless có cảm biến Hall 39
Hình 2.41. Nguyên lý của Hall Sensor khi không có từ trường 39
Hình 2.42. Nguyên lý của Hall Sensor khi có từ trường .40
Hình 2.43. Sơ đồ thể hiện sự đảo pha ở 3 đầu dây động cơ 40
Hình 2.44. Chiều của 6 trạng thái đảo pha của BLDC 41
Hình 2.45. Trạng thái của Hall sensor và 3 dây pha của BLDC .41
Hình 2.46. Khối LCD hiển thị .42
Hình 2.47. bàn phím keypad 4x4 .43
Hình 2.48. chân ga điều khiển .43
Hình 2.49. Cấu trúc bộ nhớ của AVR .45
Hình 2.50. Thanh ghi 8 bit .46
Hình 2.51. Register file .46
Hình 2.52. Cấu trúc bên trong của AVR .48
Hình 2.53. Cấu trúc chân trong PORT của Vi điều khiển AVR .48
Hình 2.54. Thanh ghi DDRA 49
Hình 2.55. Thanh ghi PORTA .49
ix
Hình 2.56. Thanh ghi PINA 49
Hình 2.57. Sơ đồ khối bộ Timer/Counter 8bit .50
Hình 2.58. Sơ đồ khối bộ Timer/Counter 16 bit 51
Hình 2.59. Thanh ghi TCCR0 .51
Hình 2.60. Thanh ghi TCNT0 .52
Hình 2.61. Thanh ghi 0CR0 52
Hình 2.62. Thanh ghi mặt nạ ngắt .53
Hình 2.63. Thanh ghi cờ ngắt 53
Hình 2.64. Sơ đồ thời gian của chế độ so sánh .54
Hình 2.65. Sơ đồ chân của ATMEGA 32 54
Hình 2.66. Hình dạng bên ngoài của ATMEGA32 .55
Hình 2.67. Cấu tạo và hình dáng của DIODE bán dẫn. 56
Hình 2.68. Điện trở 56
Hình 2.69. Biểu diễn điện trở 57
Hình 2.70. Tụ điện phân cực và không phân cực 58
Hình 2.71. Ký hiệu của Transistor .59
Hình 2.72. Transistor .59
Hình 2.73. Linh kiện OPTO 59
Hình 2.74. Linh kiện IRF9540 60
Hình 2.75. Linh kiện IR2101 .60
Hình 2.76. Linh kiện IRF3205 61
Hình 2.77. Sơ đồ chân của RƠLE .61
Hình 2.78. RƠLE 8 chân .61
Hình 2.79. Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cấp cho mạch điều khiển .62
Hình 2.80. Sơ đồ mạch in khối nguồn .63
Hình 2.81. Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển và các header kết nối 63
Hình 2.82. Sơ đồ khối kết nối cảm biến hall và biếntrở . 64
Hình 2.83. Sơ đồ nguyên lý bàn phím keypad 4X4 64
Hình 2.84. Sơ đồ nguyên lý khối LCD 65
Hình 2.85. Sơ đồ nguyên lý khối LED 66
Hình 2.86. Sơ đồ mạch in khối LED .66
Hình 2.87. Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển động cơ Brushless DC 67
Hình 2.88. Sơ đồ mạch in khối điều khiển động cơ 68
x
Hình 2.89. Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển công tắcvô lăng lái .69
Hình 2.90. Sơ đồ mạch in khối điều khiển công tắc 70
Hình 2.91. Sơ đồ nguyên lý khối đảo chiều động cơ 71
Hình 2.92. Sơ đồ mạch in khối đảo chiều động 71
Hình 2.93. Màn hình làm việc của ORCAD CAPTURE 72
Hình 2.94. Tạo một project mới 73
Hình 2.95. Định khổ giấy cho bản vẽ 74
Hình 2.96. Thêm thư viện 74
Hình 2.97. Lấy linh kiện ra cho bản vẽ .75
Hình 2.98. Linh kiện sau khi đã được lấy ra .75
Hình 2.99. Thay đổi tên linh kiện 76
Hình 2.100. Sơ đồ mạch in 77
Hình 2.101. Sau khi gỡ bỏ lớp giấy in .77
Hình 2.102. Mạch in sau khi rửa .78
Hình 2.103. Lưu đồ giải thuật khối ĐK trung tâm 79
Hình 2.104. Lưu đồ giải thuật khối điều khiển BLDC 80
Hình 3.1. Vẽ mạch in trên Layout .83
Hình 3.2. In mạch lên mạch đồng 84
Hình 3.3. Hàn linh kiện vào mạch .84
Hình 3.4. Lắp mạch lên khung 85
Hình 3.5. Kiểm tra mạch .85
Hình 3.6. Mạch đảo chiều động cơ 86
Hình 3.7. Mạch công suất điều khiển BLDC 86
Hình 3.8. Bộ điều khiển trung tâm 87
Hình 3.9. Tổng quát bộ điều khiển trung tâm .87
Hình 3.10a. Bu lông ren mịn .88
Hình 3.10b. Bu lông SUS 88
Hình 3.11a. Vòng bi đỡ .88
Hình 3.11b. Ổ bi côn .88
Hình 3.12. Ốc vít .89
Hình 3.13. Bát chữ U .89
Hình 3.14. Khớp các đăng .90
Hình 3.15. Hệ thống treo trước và bộ đánh lái 90
xi
Hình 3.16. Hệ thống treo sau .91
Hình 3.17. Toàn bộ hệ thống .92
Hình 3.18. Kiểm tra ắc quy .93
Hình 3.19. Kiểm tra bộ điều khiển 94
Hình 3.20. Kiểm tra hệ thống điện 94
Hình 3.21. Kiểm tra phần cơ khí .95
Hình 3.22. Kiểm tra động cơ .95
Hình 3.23. Khi ô tô chạy tiến đường bằng 96
Hình 3.24. Ô tô chạy lùi 97
Hình 3.25. Ô tô đang lên dốc 97
Hình 3.26. Ô tô xuống hết dốc 98
Hình 3.27. Ô tô cua phải 98
Hình 3.28. Ô tô cua trái .99
xii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Cấu hình các chân của cổng .50
Bảng 2. Bảng chọn chế độ hoạt động của Timer .51
Bảng 3. Chế độ so sánh không PWM 52
Bảng 4. Cách đọc giá trị điện trở .57
Bảng 5. Bảng thông số tương quang giữa khối lượng và vận tốc .99
1
LỜI NÓI ĐẦU
Ở các nước phát triển cuộc chạy đua tìm nguồn năng lượng sạch cho ô tô nói
chung đã từ lâu. Theo xu thế chung, đứng đầu danh sách là ô tô chạy điện tiếp theo là
ô tô lai, ô tô chạy bằng pin nhiên liệu là ứng viênthứ ba của cuộc chạy đua. Về mặt
nhiên liệu cho động cơ nhiệt, chất lượng của các loại nhiên liệu lỏng truyền thống sẽ
được nâng cao, các loại nhiên liệu khí sẽ được áp dụng rộng rãi trên ô tô, nhiên liệu
khí hydro cho ô tô chưa có triển vọng ứng dụng do công nghệ và giá thành.
Sự phát triển của ô tô sử dụng điện và pin nhiên liệu phụ thuộc vào khả năng
phát triển, hoàn thiện các loại động cơ truyền thống và sử dụng các nguồn nhiên liệu
sạch thay thế các nguồn nhiên liệu lỏng hiện nay đểlàm giảm ô nhiễm môi trường.
Các yếu tố cần quan tâm để xem xét gồm dự báo chất lượng của hệ thống vận chuyển
khách công cộng và giá thành của pin nhiên liệu vớicác loại nhiên liệu thay thế khác
để đạt cùng mức độ giảm khí thải độc hại.
Theo xu hướng đó, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo ô tô điện là một việc vô
cùng cấp thiết, để giảm mức độ ô nhiễm môi trường ngày càng lớn trên thế giới hiện nay.
Đề tài‘‘Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển mô hình ô tô điện’’là một đề
tài nhằm mục đích khảo sát thiết kế ô tô chạy hoàn toàn bằng năng lượng điện, đặt nền
tảng cho việc thiết kế và sản xuất một kiểu ô tô mang nhãn hiệu Việt Nam phù hợp với
điều kiện giao thông trong nước, giá thành vừa phải, có hiệu suất sử dụng năng lượng
cao và mức độ phát ô nhiễm thấp,gần như bằng không,góp phần thực hiện nhiệm vụ
cấp bách nói trên nhằm đẩy nhanh tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.
Đề tài này có ý nghĩa trong công cuộc đổi mới và sáng tạo để thiết kế hoàn
chỉnh và chế tạo một ô tô sinh thái tại Việt Nam với mục tiêu hướng tới là:
- Nâng cao điều kiện sống của người dân.
- Tiết kiệm năng lượng và giảm ô nhiễm môi trường trong giao thông vận tải.
- Tạo ra mặt hàng công nghiệp đặc thù mang lợi thế cạnh tranh lớn.
Tạo ra một nét mới để khẳng định nguồn nhân lực của con người Việt Nam.
2
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN Ô TÔ ĐIỆN
3
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG
Ô tô điện sử dụng động cơ điện cho lực kéo, acquy,pin nhiên liệu cung cấp
nguồn năng lượng tương ứng cho động cơ điện.
Ô tô điện có nhiều ưu điểm hơn các loại phương tiệnsử dụng động cơ đốt
trong, chẳng hạn như không phát thải khí ô nhiễm, hiệu suất cao, độc lập với nguồn
năng lượng từ dầu mỏ, yên tĩnh và hoạt động trơn tru. Các nguyên tắt hoạt động cơ bản
giữa ô tô điện và phương tiện sử dụng động cơ đốt trong tương tự nhau.Tuy nhiên, một
số khác biệt giữa phương tiện sử dụng động cơ đốt trong và ô tô điện, chẳng hạn như
sử dụng một bồn chứa xăng so với nguồn pin, động cơđốt trong so với động cơ điện,
và khác nhau về yêu cầu truyền dẫn.
1.2. CẤU HÌNH CỦA Ô TÔ ĐIỆN
Trước đây, các xe điện chủ yếu được chuyển đổi từ các ô tô thông thường bằng
cách thay thế động cơ đốt trong và thùng nhiên liệuvới một động cơ điện và pin trong
khi giữ lại tất cả các thành phần khác, như trong hình 1.1. Nhược điểm như: khối
lượng lớn, tính linh hoạt và hiệu suất thấp là những nguyên nhân làm cho xe điện khó
áp dụng rộng rãi. Hiện nay, ô tô hiện đại được tạo ra có chủ ý dựa vào nguyên bản của
thân và khung sườn được thiết kế riêng. Điều này đáp ứng các yêu cầu về cấu trúc duy
nhất cho ô tô và làm cho các nguồn động lực đẩy bằng điện được sử dụng linh hoạt
hơn.
Hình 1.1. Ô tô điện cổ điển
4
Một ô tô điện cơ bản được minh họa trong hình 1.2. Nó bao gồm ba hệ thống
chủ yếu: hệ động lực điện, hệ thống năng lượng, và hệ thống phụ trợ.
Hệ động lực điện bao gồm: Hệ thống điều khiển xe, bộ chuyển đổi điện, các
động cơ điện, truyền động cơ khí, và bánh chủ động.
Hệ thống năng lượng bao gồm nguồn năng lượng bộ phận quản lý năng lượng,
và bộ phận tiếp năng lượng điện.
Hệ thống phụ trợ bao gồm trợ lực lái, điều hòa, nguồn cung cấp năng lượng phụ trợ.
Dựa trên các yếu tố đầu vào điều khiển từ chân ga và bàn đạp phanh, hệ thống
điều khiển xe cung cấp tín hiệu điện thích hợp cho bộ chuyển đổi năng lượng điện có
chức năng điều chỉnh dòng điện giữa điện động cơ vànguồn năng lượng. Những
nguồn năng lượng được tái sinh trong quá trình phanh có thể được nạp vào nguồn năng
lượng chính. Hầu hết pin EV dễ dàng có khả năng tiếp nhận nguồn năng lượng tái sinh
này.
Hình 1.2. Ô tô điện hiện đại
Chân
g
Phanh
5
Bộ phận quản lý năng lượng cùng với bộ phận điều khiển kiểm soát hoạt động
phanh tái sinh và phục hồi năng lượng của nó. Nó cũng kết hợp với các bộ phận tiếp
năng lượng để kiểm soát quá trình này và giám sát việc sử dụng các nguồn năng lượng.
Nguồn cung cấp năng lượng phụ có chức năng cung cấpnăng lượng cần thiết
với các điện áp khác nhau cho tấc cả các thành phậnphụ của xe như: điều hòa không
khí, trợ lực lái, hệ thống đèn chiếu sáng
1.3. NHU CẦU SỬ DỤNG Ô TÔ ĐIỆN PHỤC VỤ DU LỊCH VÀ SỬ DỤNG
TRONG CÁC SỞ Y TẾ.
Xe điện là loại phương tiện giao thông đã có từ rấtlâu của thế kỷ trước, và được
sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới trong nhiều loại phương tiện. Đặc biệt ngày nay, xe
điện không còn đơn thuần là xe điện công cộng và tàu điện như thế kỷ trước nữa. Ngày
nay xe điện được ứng dụng trên nhiều loại phương tiện, các phương tiện này dùng
động cơ điện để làm xe chuyển động. Có thể liệt kê một số loại xe điện theo lĩnh vực
và theo cách sử dụng của chúng như sau:
1.3.1. Phương tiện cá nhân:
+ Xe ô tô điện : Xe điện sử dụng nguồn điện acqui, dùng năng lượng mặt trời.
Các loại xe này được ứng dụng trên cả ô tô cá nhân,ô tô tải, ô tô tải phục vụ công cộng.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Hữu Cẩn (2005), Lý thuyết ô tô máy kéo, NXB KHKT.
[2]. Võ Minh Chính (2007), Điện tử công suất, NXB KHKT.
[3]. Trần Văn Hùng, Thiết kế Board giao tiếp, Trường ĐH Nha Trang.
[4]. Nguyễn Ngọc Nhuần, Nguyên lý máy, Trường ĐH Nha Trang.
[5]. Phạm Hùng Thắng, Hướng dẫn chế tạo máy, Trường ĐH Nha Trang.
[6]. Ngô Diên Tập, Kỹ thuật vi điều khiển với AVR, NXB KHKT.
[7]. Ngô Diên Tập, Vi Điều Khiển Với Lập Trình C, NXB KHKT.
[8]. Đỗ Xuân Thụ, Kỹ thuật điện tử, NXB Giáo Dục.
[9].www.tuhocavr.net
[10].www.hocdelam.org
[11].www.atmel.com
[12].www.alldatasheet.com
[13].www.cdtvn.vn
[14].www.spkt.net
[15].www.bachkhoaforum.net
[16].www.tudonghoa.net
[17].www.autohui.net