BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ
  
NGUYỄN HỮU TIẾN
ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ NHA TRANG 07/2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ
  


Kết luận
Nha Trang, ngày tháng năm 2013
Cán bộ hướng dẫn
( ký và ghi rõ họ tên ) PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI Họ và tên sinh : NGUYỄN HỮU TIẾN
Lớp : 51CKCD
Chuyên ngành : Công nghệ kĩ thuật cơ điện tử
Đề tài: Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống lái, hệ thống điều khiển động cơ brushless
DC và nạp điện acquy từ máy phát ô tô Hybrid kiểu nối tiếp
Số trang: 120 Số chương :04
Hiện vật: 02 quyển báo cáo, 02 đĩa CD, 01 hệ thống lái ô tô Hybrid, 01 bộ điều khiển
động cơ brushless DC.

Trang 6
MỤC LỤC
MỤC LỤC 6
DANH MỤC BẢNG BIỂU 8
DANH MỤC HÌNH 9
LỜI NÓI ĐẦU 12
CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI Ô TÔ VÀ ĐỘNG CƠ BRUSHLESS
DC 14
1.1 Giới thiệu chung 15
1.1.1. Ôtô hybrid (ôtô lai) 15
1.2. Hệ thống lái trên xe ô tô 18
1.2.1 Vành tay lái 19
1.2.2 Trục lái 19
1.2.3. Cơ cấu trượt, nghiêng tay lái điều khiển điện 20
1.2.4. Cơ cấu lái 21
1.2.5. Cơ cấu dẫn động lái 21
1.3. Động cơ brushless DC 22
1.3.1. Khái niệm, đặc điểm 22
1.3.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ Brushless DC Mortor 23
CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 28
2.1 Phương pháp nghiên cứu 29
2.2 Nội dung nghiên cứu 29
2.2.1. Thiết kế hệ thống lái cho xe 29
2.2.2.Tính toán thiết kế hệ thống lái cho xe. 36
2.2.3. Tính toán và chọn động cơ điện 59
2.2.4. Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ 63
2.2.5. Hệ thống nạp điện acquy từ máy phát 81
CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 92
3.1. SẢN PHẨM THỰC TẾ 93
3.2. CHẠY THỬ VÀ KIỂM TRA ĐỘ ỔN ĐỊNH 96

Hình 1. 2 Hệ thống lai song song. 17
Hình 1. 3 Hệ thống lai hỗn hợp 17
Hình 1-4 Sơ đồ kết cấu hệ thống lái 18
Hình 1-5 Cách bố trí trục lái trên xe 18
Hình 1-6 Vành tay lái 19
Hình 1-7 Trục lái 20
Hình 1-8. Cơ cấu nghiêng, trượt tay lái 21
Hình 1-9. Bố trí đòn dẫn động lái 22
Hình 1.10. Sức phản điện động dạng hình thang 23
Hình 1.11. Mặt cắt bằng của một BLDC 23
Hình 1.12. Stator động cơ BLDC 24
Hình 1.13. Rotor động cơ BLDC 24
Hình 1.14. Động cơ brushless có cảm biến Hall 24
Hình 1.15. Nguyên lý của Hall Sensor khi không có từ trường 25
Hình 1.16. Nguyên lý của Hall Sensor khi có từ trường 25
Hình 1.17. Sơ đồ thể hiện sự đảo pha ở 3 đầu dây động cơ 26
Hình 1.18. Chiều của 6 trạng thái đảo pha của BLDC 26
Hình 1.19. Trạng thái của Hall sensor và 3 dây pha của BLDC 27
Hình 2-1 Cơ cấu lái bánh răng- thanh răng 30
Hình 2-2 Cơ cấu lái trục vít con lăn 32
Hình 2-3 Cơ cấu lái trục vít chốt quay 33
Hình 2-4 Cơ cấu lái trục vít - cung răng 34
Hình 2-5 Sơ đồ dẫn động lái 35
Hình 2-6 Dẫn động lái 3 khâu 35
Hình 2-7 Dẫn động lái 6 khâu. 36
Hình 2-8 Sơ đồ tính toán mômen cản quay vòng do tác dụng của lực cản lăn 39
Hình 2-9 Sơ đồ xác định mômen cản quay gây ra do lực ngang 39
Hình2-10 Sơ đồ quay vòng của ôtô 41
Hình 2-11 Sơ đồ quay vòng của ôtô 43
Trang 10

Hình 2.41. Sơ đồ nguyên lý khối đảo chiều động cơ 79
Hình 2.42. Sơ đồ mạch in khối đảo chiều động 80
Hình 2.43. Sơ đồ giải thuật điều khiển BLDC 81
Trang 11
Hình 2.44. Sơ đồ khối hệ thống nạp điện 81
Hình 2.45. Máy phát điện 82
Hình 2.46. Các chi tiết của roto 82
Hình 2.47. Stato của máy phát 83
Hình 2.48. Sơ đồ nguyên lí sinh điện 83
Hình 2.49. Sơ đồ nguyên lí dòng điện xoay chiều 3 pha 84
Hình 2.50. Sơ đồ chuyển đổi điện 84
Hình 2.51. Điốt cầu 10A 85
Hình 2.52. Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cấp cho mạch điều khiển 85
Hình 2.53. Sơ đồ mạch in khối nguồn 86
Hình 2.54. Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển và các header kết nối 86
Hình 2.55. Sơ đồ nguyên lý khối LCD 87
Hình 2.56. Sơ đồ nguyên lý khối đọc ADC 88
Hình 2.57. Sơ đồ nguyên lý khối điều chế xung PWM 89
Hình 2.58. Sơ đồ mạch in toàn mạch 90
Hình 2.59. Sơ đồ giải thuật nạp điện acquy 91
Hình 3.1. Mô hình hoàn thiện 93
Hình 3.2. Hệ thống lái nhìn từ trước 93
Hình 3.3. Bộ điều khiển đảo chiều BLDC 94
Hình 3.4. Mạch công suất điều khiển BLDC 94
Hình 3.5. Bộ điều khiển nạp điện acquy 95
Hình 3.6. khớp các đăng 95
Hình 3.7. Kiểm tra ắc quy 96
Hình 3.8. Kiểm tra bộ điều khiển 97
Hình 3.9. Kiểm tra hệ thống điện 97
Hình 3.10. Kiểm tra động cơ 98

- Tạo ra một nét mới để khẳng định nguồn nhân lực của con người Việt Nam.
Trang 13
Sau một thời gian nghiên cứu tìm hiểu về đề tài với sự nỗ lực của bản thân
cùng
với sự giúp đỡ tận tình của quý thầy cô trong nhà trường và các bạn trong lớp,
em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp với thời
gian
đúng quy
định. Em xin chân thành
cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Nhận, Th.S Vũ Thăng Long và các thầy trong bộ môn
Cơ – điện tử đã tận tình
chỉ bảo, giúp
đỡ
em trong suốt quá trình thực hiện đồ án để
em hoàn thành được đồ
án
này. Em xin cảm ơn tập thể các bạn lớp 51CKCD đã
đóng góp những ý kiến quý
báu
cho đồ
án được hoàn thiện hơn.
Mặc dù đã hết sức cố gắng, nhưng do kiến thức và thời gian có hạn, thiếu kinh
nghiệm thực tế, đồ án thiết kế này chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Em
rất mong nhận được nhiều hơn nữa ý kiến phê bình của các thầy cô giáo để em hoàn
thiện thêm kiến thức của mình. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!
1.1 Giới thiệu chung
1.1.1. Ôtô hybrid (ôtô lai)
Xuất hiện từ đầu những năm 1990 và cho đến nay, ôtô hybrid đã luôn được
nghiên cứu và phát triển như là một giải pháp hiệu quả về tính kinh tế và môi trường.
Trong thời gian gần đây, các nhà sản xuất ô tô hàng đầu trên thế giới như Toyota,
Honda, đã tung ra thị trường những thế hệ ô tô mới có hiệu suất cao và giảm đáng kể
lượng chất thải gây ô nhiểm môi trường được gọi là “ô tô lai” (Hybrid - Car). Có thể
nói, công nghệ lai là chìa khoá mở cánh cửa tiến vào kỷ nguyên mới của những chiếc ô
tô, đó là ô tô không gây ô nhiễm môi trường hay còn gọi là ô tô sinh thái (the ultimate
eco-car).
Tuỳ theo sự phối hợp giữa động cơ nhiệt và động cơ điện mà có ba dạng hệ
thống kết nối sau đây được sử dụng.
Kiểu lai nối tiếp: Động cơ điện truyền lực đến bánh xe, công việc duy nhất của
động cơ nhiệt là sẽ kéo máy phát điện để phát sinh ra điện năng nạp cho ăc quy hoặc
cung cấp cho động cơ điện . Kiểu lai này được mô tả như ở hình 1- 1.
Dòng điện sinh ra chia làm hai phần, một để sạc bình ắc quy và một sẽ dùng chạy
động cơ điện.
Động cơ điện ở đây có vai trò như một máy phát điện (tái sinh năng lượng) khi
xe xuống dốc và thực hiện quá trình phanh.
Ưu điểm: Động cơ đốt trong sẽ không khi nào hoạt động ở chế độ không tải nên
giảm được ô nhiễm môi trường, động cơ đốt trong có thể chọn ở chế độ hoạt động tối
ưu, phù hợp với các loại ôtô. Mặt khác động cơ nhiệt chỉ hoạt động nếu xe chạy đường
dài quá quãng đường đã quy định dùng cho ăcquy. Sơ đồ này có thể không cần hộp số.
Nhược điểm: Tuy nhiên, tổ hợp ghép nối tiếp còn tồn tại những nhược điểm như:
Kích thước và dung tích ắc quy lớn hơn so với tổ hợp ghép song song, động cơ đốt
trong luôn làm việc ở chế độ nặng nhọc để cung cấp nguồn điện cho ắc quy nên dễ bị
quá tải.

Bộ chuyển
đổi điện
Ắc quy
Môtơ điện

Bánh xe chủ
động
Trang 17

Hình 1. 2 Hệ thống lai song song.
Ưu điểm: Công suất của ôtô sẽ mạnh hơn do sử dụng cả hai nguồn năng lượng, mức
độ hoạt động của động cơ điện ít hơn động cơ nhiệt nên dung lượng bình ắc quy nhỏ
và gọn nhẹ, trọng lượng bản thân của xe nhẹ hơn so với kiểu ghép nối tiếp và hỗn hợp.
Nhược điểm: Động cơ điện ( máy điện) cũng như bộ phận điều khiển mô tơ điện có kết
cấu phức tạp, giá thành đắt và động cơ nhiệt phải thiết kế công suất lớn hơn kiểu lai
nối tiếp. Tính ô nhiễm môi trường cũng như tính kinh tế nhiên liệu không cao.
Kiểu lai hỗn hợp :


ộ
ng

Bộ chuyển
đổi điện
Môtơ điện

Ắc quy
Dòng cơ năng
Dòng điện năng
Bánh xe chủ

động
Trang 18
Hệ thống này kết hợp cả hai hệ thống nối tiếp và song song nhằm tận dụng tối đa
các lợi ích được sinh ra. Hệ thống lai nối tiếp này có một bộ phận gọi là "thiết bị phân
chia công suất" chuyển giao một tỷ lệ biến đổi liên tục công suất của động cơ nhiệt và
động cơ điện đến các bánh xe chủ động. Tuy nhiên xe có thể chạy êm dịu chỉ với một
mình động cơ điện. Hệ thống này chiếm ưu thế trong việc chế tạo xe hybrid. Kiểu lai
này được mô tả như ở hình 1 - 3.
1.2. Hệ thống lái trên xe ô tô
Hệ thống lái trên ô tô ngày nay rất đa dạng và phong phú về nguyên lí cũng như
kết cấu, tuy nhiên về cơ bản chúng có 4 bộ phận chính sau đây : vành lái, cơ cấu lái,
trục lái, dẫn động lái.
Hình 1-4 Sơ đồ kết cấu hệ thống lái
bảo giảm rung động trong hệ thống lái, không gây rung, ồn trong buồng điều khiển cơ cấu
điều khiển hệ thống lái cần có kết cấu gọn, bố trí hợp lí, đồng thời có khả năng đàn hồi tốt
theo phương dọc xe để hạn chế tổn thương có thể xẩy ra khi gặp tai nạn. Hiện nay kết cấu
trục lái rất đa dạng, đa số các xe sử dụng loại trục gẫy được cấu tạo từ các trục có các khớp
các đăng nối trục
Hình 1-7 Trục lái

1.2.3. Cơ cấu trượt, nghiêng tay lái điều khiển điện.

Cơ cấu điều khiển điện cho phép trượt và nghiêng tay lái. Cơ cấu này cho phép
người lái lựa chọn vị trí vành lái để thích hợp với vị trí ngồi của người lái xe. Điều
này rất quan trọng vì trong quá trình lái xe thời gian dài người lái sẽ rất mệt mỏi, một
Trang 21
cơ cấu lái tạo cho người lái sự thoải mái sẽ làm giảm bớt sự mệt mỏi và làm giảm
nguy cơ xảy ra tai nạn trên đường.

Hình 1-8. Cơ cấu nghiêng, trượt tay lái
1.2.4. Cơ cấu lái
Cơ cấu lái có chức năng biến chuyển động quay của trục lái thành chuyển động
thẳng dẫn đến các đòn kéo dẫn hướng.
Cơ cấu lái sử dụng trên các xe ô tô hiện nay rất đa dạng tuy nhiên để đảm bảo
thực hiện tốt được chức năng trên thì chúng phải đảm bảo được các yêu cầu sau:
+Tỉ số truyền của cơ cấu lái phải đảm bảo phù hợp với từng loại ô tô.
+Có kết cấu đơn giản, tuổi thị cao và giá thành thấp, dễ dàng tháo lắp và điều chỉnh.

hình thang này là yếu để xác định một động cơ BLDC chứ không phải các yếu tố
khác như Hall sensor, bộ chuyển mạch điện tử (Electronic Commutator), .v.v.

Hình 1.10. Sức phản điện động dạng hình thang

1.3.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ Brushless DC Mortor
Cấu tạo :
Động cơ BLDC hiện nay có hai loại:
- Động cơ BLDC không có sensor (Hall sensor) gọi là sensorless BLDC
- Động cơ BLDC có sensor (Hall sensor) gọi là “sensor BLDC”
a. Cấu tạo động cơ sensorless BLDC:
Hình 1.11. Mặt cắt bằng của một BLDC

Trang 24
- Stator: bao gồm các lõi sắt (các lá thép kĩ thuật điện ghép cách điện với nhau)
và dây quấn.Cách quấn dây của BLDC khác so với cách quấn dây động cơ xoay chiều
3 pha thông thường, sự khác biệt này tạo nên sức phản điện động dạng hình thang.

Hình 1.12. Stator động cơ BLDC

- Rotor: Gồm các cặp nam châm gắn cách đều nhau


Hình 1.16. Nguyên lý của Hall Sensor khi có từ trường Trang 26
Nguyên lý đảo pha các cuộn dây của BLDC Hình 1.17. Sơ đồ thể hiện sự đảo pha ở 3 đầu dây động cơ

c. Điều khiển động cơ BLDC
- Nguyên lý điều khiển động cơ BLDC là đảo pha ở 3 đầu dây động cơ theo 6