Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình xe điện điều khiển chuyển động

Đồ án tốt nghiệp chi tiết quy trình thiết kế, chế tạo mô hình xe điện, phục vụ nghiên cứu hệ thống điều khiển chuyển động và vi sai điện tử.

• Tác giả: Trần Lê Thanh Minh
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Trung Hiếu
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình xe điện phục vụ nghiên cứu về điều khiển chuyển động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Thiết Kế Xe Điện Điều Khiển

Đồ án thiết kế, chế tạo mô hình xe điện điều khiển là một dự án học thuật quan trọng trong ngành công nghệ ô tô hiện đại. Ngày nay, ô nhiễm môi trường từ khí thải động cơ đốt trong đang là vấn đề nhức nhối của xã hội. Để giải quyết vấn đề này, các nhà chế tạo ô tô đã chuyển hướng sang sản xuất xe điện sạch. Dự án này tập trung vào nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình xe điện với mục tiêu phục vụ cho nghiên cứu về điều khiển chuyển động. Việc phát triển hệ thống điều khiển chuyển động hiện đại là bước đệm quan trọng hướng tới tương lai của xe tự lái. Đồ án này kết hợp giữa lý thuyết kỹ thuật và thực tiễn chế tạo, giúp sinh viên nắm vững các kiến thức chuyên môn về động cơ điện BLDC, vi sai điện tử và các công nghệ điều khiển tiên tiến.

1.1. Ý Nghĩa Của Đồ Án

Đồ án xe điện có ý nghĩa lớn trong việc phát triển công nghệ xanh và giảm thiểu ô nhiễm. Mô hình xe điện này cung cấp nền tảng thực tiễn để nghiên cứu các thuật toán điều khiển như PID control và hệ thống vi sai điện tử. Thông qua dự án này, sinh viên có cơ hội ứng dụng kiến thức lý thuyết vào thực tế, từ thiết kế CAD bằng CATIA đến lập trình ARM STM32 và mô phỏng MATLAB/Simulink.

1.2. Mục Tiêu Chính Của Đề Tài

Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế và chế tạo mô hình xe điện với hệ thống điều khiển chuyển động hiệu quả. Dự án hướng tới việc phát triển bộ vi sai điện tử để tối ưu hóa phân phối mô-men xoắn giữa các bánh xe. Ngoài ra, đồ án còn phục vụ nghiên cứu về điều khiển tự động và chuẩn bị kiến thức cho xe tự lái trong tương lai.

II. Các Thành Phần Kỹ Thuật Chính Của Xe Điện

Mô hình xe điện điều khiển được thiết kế với nhiều thành phần kỹ thuật tiên tiến để đạt hiệu suất tối ưu. Trái tim của xe là động cơ BLDC (Brushless DC Motor) - loại động cơ điện không chổi than có ưu điểm hiệu suất cao, độ tin cậy cao và bảo trì đơn giản. Hệ thống vi sai điện tử đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển phân phối lực kéo giữa các bánh xe, giúp xe vận hành ổn định trên các đường cong. Xe được trang bị bộ vi xử lý ARM STM32F407 để xử lý tín hiệu điều khiển và quản lý các hệ thống con. Ngoài ra, các cảm biến Hall được lắp trên động cơ BLDC để phát hiện vị trí rotor và điều khiển chính xác tốc độ. Hệ thống pin điện được thiết kế để cung cấp năng lượng ổn định cho các động cơ và mạch điều khiển.

2.1. Động Cơ BLDC Và Đặc Tính

Động cơ BLDC được chọn vì có hiệu suất cao (85-90%), mô-men xoắn lớn ngay từ lúc khởi động, và khả năng điều khiển chính xác. Cấu tạo BLDC gồm Stator (phần đứng yên với cuộn dây) và Rotor (phần quay với nam châm vĩnh cửu). Cảm biến Hall tích hợp giúp phát hiện vị trí góc của rotor, điều khiển giao hoán các cuộn dây một cách chính xác.

2.2. Hệ Thống Vi Sai Điện Tử

Vi sai điện tử (Electronic Differential) là hệ thống điều khiển tiên tiến giúp tối ưu phân phối mô-men xoắn giữa bánh trái và bánh phải. Khi xe rẽ cong, hệ thống này giảm tốc độ bánh ngoài và tăng tốc độ bánh trong, giúp xe vào cong an toàn và giảm hao mòn lốp. Thuật toán điều khiển PID được lập trình trên STM32 để điều chỉnh tốc độ từng bánh một cách linh động và chính xác.

III. Quá Trình Thiết Kế Và Chế Tạo Mô Hình

Quá trình thiết kế xe điện bắt đầu từ khối tạo mô hình 3D bằng phần mềm CATIA. Đội ngũ dự án đã thiết kế tổng thể khung sườn để chịu lực tối ưu và giảm khối lượng. Khung chịu lực chính được tính toán kỹ lưỡng để chịu được ngoại lực từ các động cơ In-Wheel (động cơ lắp trong bánh). Cầu trước và cầu sau được thiết kế riêng biệt với tính năng hỗ trợ lái tối ưu. Sau khi hoàn tất thiết kế CAD, nhóm tiến hành thi công các chi tiết cơ khí bằng các vật liệu chịu lực cao. Hệ thống treo, hệ thống phanh và hệ thống lái được lắp ráp cẩn thận để đảm bảo an toàn và độ chính xác cao. Dây điện trên thân xe được bố trí khoa học để tránh can thiệp nhiễu từ các nguồn điện mạnh.

3.1. Thiết Kế Trên CATIA

Phần mềm CATIA được sử dụng để tạo mô hình 3D chi tiết của xe điện. Thiết kế khung sườn chính được tối ưu hóa để giảm trọng lượng nhưng vẫn chịu lực tốt. Thiết kế cầu trước tích hợp hệ thống lái với các liên kết cơ học chính xác. Thiết kế cầu sau tập trung vào lắp đặt động cơ In-Wheel một cách hiệu quả.

3.2. Thi Công Và Lắp Ráp

Giai đoạn thi công gồm gia công và lắp ráp các chi tiết theo bản vẽ thiết kế. Gắp đỡ bánh xe cầu sau được gia công chính xác để quay êm. Hệ thống lái với bàn đạp ga và cần số được thi công chắc chắn. Hệ thống treo được lắp ráp để hấp thụ xung động từ mặt đường. Tất cả các kết nối điện được kiểm tra kỹ lưỡng trước bước thử nghiệm.

IV. Hệ Thống Điều Khiển Và Mô Phỏng

Hệ thống điều khiển chuyển động là phần không thể thiếu để tối ưu hóa hiệu suất xe. Bộ vi xử lý ARM STM32F407 được lập trình để thực thi các thuật toán điều khiển phức tạp như PID control. Mô phỏng trên MATLAB/Simulink giúp xác minh các thuật toán trước khi triển khai trên phần cứng thực tế. Phần mềm CarSim được sử dụng để mô phỏng động học xe trong các tình huống lái khác nhau. Thông qua giao tiếp giữa CarSim và MATLAB/Simulink, đội ngũ có thể kiểm định thuật toán điều khiển trong môi trường ảo trước khi thử nghiệm trên xe thực. Quá trình kiểm tra bao gồm kiểm tra tốc độ, kiểm tra lái cong, kiểm tra tăng tốc và kiểm tra phanh an toàn.

4.1. Lập Trình Thuật Toán Điều Khiển

Thuật toán PID được lập trình trên SIMULINK để điều chỉnh tốc độ mỗi bánh xe. Khối tính toán tốc độ góc từ cảm biến Hall được xử lý để cung cấp phản hồi chính xác. Bộ điều khiển PID được tinh chỉnh với các hệ số Kp, Ki, Kd tối ưu. Khối đọc tín hiệu từ bàn đạp ga và góc lái được lập trình để chuyển đổi tín hiệu analog thành lệnh điều khiển digital.

4.2. Mô Phỏng Trên CarSim

CarSim cung cấp mô hình động học xe chi tiết để mô phỏng hành vi lái. Xây dựng số liệu mô phỏng bao gồm thông số khối lượng, chiều dài cơ sở, bán kính bánh xe. Giao tiếp giữa CarSim và Matlab cho phép kiểm định thuật toán điều khiển trong các kịch bản lái khác nhau. Mô phỏng và đánh giá kết quả giúp tối ưu hóa các tham số điều khiển trước bước thử nghiệm thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC Trong nước: Xe điện đang là xu hướng phát triển của các doanh nghiệp lớn để đáp ứng với nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng, nhưng lại ít đề tài nghiên cứu dùng các lý thuyết điều khiển khác nhau: PID, Fuzzy, LQR, Neural Network… để điều khiển các hệ thống thông minh để ứng dụng trên đó, một trong đó là hệ thống vi sai điện tử. Thông qua điều khiển tốc độ của động cơ BLDC, vi sai điện tử cũng đặt ra nhiều vấn đề khó khăn đối với lý thuyết điều khiển cũng như thiết bị điều khiển chúng.

Ngoài nước: Có nhiều công trình nghiên cứu vể các hệ thống điều khiển tự động nhưng chủ yếu là thiết kế hoàn chỉnh một module điều khiển duy nhất từ phần xử lý tín hiệu, xử lý và tính toán trung tâm, công suất, … 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Môn học ứng dụng điều khiển tự động trên ô tô là môn học được áp dụng cho sinh viên năm 3 ngành công nghệ kỹ thuật ô tô của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM. Môn học này trang bị cho sinh viên các kiến thức về hệ thống điều khiển tự động. Tuy nhiên, môn học vẫn thiếu những ví dụ minh họa, những thiết bị thực nghiệm để giảng dạy, đặc biệt là các hệ thống trên xe điện.

Trong thực tế, xe điện được trang bị các hệ thống điều khiển tự động hơn là các xe sử dụng động cơ đốt trong truyền thống. Vi sai điện tử là một điển hình, giúp việc điều khiển xe được dễ dàng hơn nhưng nó chưa được áp dụng rộng rãi do còn chưa được tối ưu hóa, Từ vấn đề trên, chúng em thấy cần thiết phải nghiên cứu về vi sai điện tử nhằm phục vụ cho nhu cầu học tập, nghiên cứu cũng như là tài liệu, thiết bị thực hành cho các khóa sau. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI  Tìm hiểu về CATIA, MATLAB/SIMULINK, CARSIM và board ARM STM32F4.  Tìm hiểu về lịch sử và một số công nghệ điều khiển chuyển động trên xe điện.

 Thiết kế xe trên CATIA và chế tạo xe điện sử dụng động cơ BLDC với chức năng vi sai điện tử.  Mô phỏng động cơ BLDC và hệ thống vi sai điện tử bằng phần mềm 1 MATLAB/SIMULINK.  Mô phỏng xe trên phần mềm CARSIM với chức năng vi sai điện tử.  Thiết kế thuật toán trên MATLAB/SIMULINK điều khiển mô hình thực nghiệm.

PHƯƠNG PHÁP VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU  Phương pháp giải quyết vấn đề:  Sử dụng các nguồn tài liệu trên Internet để tìm hiểu về CATIA, CARSIM, MATLAB/SIMULINK, cách giao tiếp với board STM32F4, và các công nghệ điều khiển chuyển động trên xe điện.  Ứng dụng CATIA để thiết kế ra mô hình xe điện.  Ứng dụng kỹ thuật cơ khí để chế tạo mô hình xe điện.  Ứng dụng CARSIM để mô phỏng xe điện thực hiện chức năng vi sai điện tử.

 Ứng dụng board STM32F4 kết hợp với giải thuật PID để điều khiển hai bánh xe thực hiện chức năng vi sai điện tử.  Tiến hành thu thập các tín hiện góc lái, tốc độ bánh xe, dòng điện cung cấp cho 2 động cơ BLDC để phục vụ nghiên cứu chuyển động.  Phạm vi nghiên cứu:  Điều khiển tốc độ động cơ BLDC.  Điều khiển vi sai điện tử.

 Đánh giá kết quả lý thuyết và kết quả thực nghiệm dựa trên mô phỏng trên CARSIM và mô hình thực tế.  Đưa ra nhận xét và đề xuất hướng phát triển của đề tài. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN Ô TÔ ĐIỆN Chiếc xe chạy điện đầu tiên được phát minh vào năm 1834, và được thương mại hóa lần đầu tiên vào năm 1852. Nhưng các mô-đen này không sử dụng pin sạc điện.

Năm 1859, pin sạc axit chì được Gaston Plante phát minh ra và sau đó được tiếp nối bởi Camille Faure, đã cho phép xe điện có một thành công chưa từng thấy ở thế kỷ 19. 1 Con đường phát triển của xe điện Chiếc xe điện đầu tiên xuất hiện vào khoảng 1830 (1832-1839). Người đầu tiên phát minh ra chiếc xe điện là Robert Anderson, một doanh nhân người Scotland. Lúc đó, chiếc xe điện còn rất thô sơ.

2 Mô hình xe điện đầu tiên được phát minh bởi Robert Anderson 3 Khoảng năm 1835, ông Thomas Davenport (người Mỹ) chế tạo ra một đầu máy điện nhỏ. Khoảng năm 1838 ông Robert Davidson (người Scotland) cho ra đời một mô hình tương tự có thể chạy tới vận tốc 6 km/h. Nhưng cả hai sáng chế đều không sử dụng pin có thể sạc lại. 3 Mô hình xe điện phát minh bởi Robert Davidson vào năm 1838 Năm 1884, chúng ta thấy trong bức ảnh này ông Thomas Parker ngồi trên một chiếc xe điện, đây có thể được coi là chiếc xe điện đầu tiên trên thế giới.

Bức ảnh được công bố vào Hình 1. 4 Thomas Parker phát minh ra chiếc xe điện đầu tiên vào năm 1884 4 tháng 4 năm 2009 bởi người cháu trai Graham Parker. Năm 1891, ông William Morrison (người Mỹ) chế tạo thành công chiếc xe điện thực sự đầu tiên. Vào năm 1896, chiếc xe điện mang tên Ricker của ông Andrew Riker giành chiến thằng trong một cuộc đua xe.

5 Morrison và hành khách trên xe điện của ông năm 1891 Hình 1. 6 Bài báo viết về xe điện Riker năm 1896 Vào năm 1899 tại Bỉ, một công ty đã chế tạo ra “La Jamais Contente” chiếc xe điện đầu tiên chạy với tốc độ trên 100 km/h (có thể đạt đến 105 km/h). Chiếc xe được điều khiển bởi Camille Jenatzy (người Bỉ) và được trang bị lốp xe của hãng Michelin. Xe mạng hình dạng như một quả ngư lôi.

7 Xe điện La Jamias Contente 1899 Vào năm 1900, xe điện bắt đầu thời kỳ hoàng kim. Hơn một phần ba số xe chạy trên 5 đường là xe chạy điện, phần còn lại là xe chạy xăng, dầu và hơi nước. Năm 1902, ra đời chiếc xe Phaeton de Wood có thể chạy được quãng đường dài 29 km với tốc độ 22,5 km/h và có giá chi phí là 2. 8 Xe điện Phaeton de Wood 1902 Năm 1912, sản xuất xe điện đạt đến đỉnh cao.

Nhưng sự ra đời của chiếc xe chạy xăng Ford Model T vào năm 1908 đã bắt đầu thu hút được sự chú ý của công chúng. Vào năm 1918, Công ty xe điện Anderson giới thiệu một mô hình xe điện mới ở Detroit. Trong những năm 1920, một số yếu tố dẫn đến sự suy giảm của xe điện. Có thể kể ra như: phạm vi hoạt động của xe điện còn quá ngắn, tốc độ chạy còn quá thấp, xe chưa đạt được công suất mong đợi, sự sẵn có của dầu mỏ, và giá xe điện cao gấp đôi xe chạy xăng do hàng Ford sản xuất.

Năm 1966, Quốc hội Mỹ đề xuất việc sản xuất xe điện để giảm ô nhiễm không khí. Phần lớn công chúng Mỹ ủng hộ, và nhất là trong bối cảnh tăng giá của xăng và dầu năm 1973 (cú sốc dầu lửa đầu tiên: OPEC cấm vận chống lại Hoa Kỳ). Như vậy, động lực thúc đẩy phát triển xe điện là có. Tuy nhiên, thực sực vẫn chưa có gì cất cánh.

Năm 1972, ông Victor Wouk cha để của dòng xe Hybrid (xe lai điện) đã chế tạo ra chiếc xe Hybrid đầu tiên, mang tên Buick Skylark General Motors (GM). 9 Xe điện Buick Skylark General Motors (GM) 1972 6 Năm 1974, ra đời chiếc xe Vanguard-Sebring CitiCar, giống như một xe điện dành cho sân Golf, và được giới thiệu tại Hội nghị chuyên đề xe điện ở Washington (Electric Vehicle Symposium de Washington, D. Xe có thể chạy được quãng đường dài 64 km với tốc độ 48 km/h. Năm 1975, công ty Vanguard-Sebring CitiCar là nhà sản xuất thứ sáu của Mỹ nhưng bị giải thể một vài năm sau đó.

10 Xe điện Vanguard-Sebring CitiCar 1974 Năm 1976, Quốc hội Mỹ phê chuẩn chương trình “Electric and Hybrid Vehicle Research, Development, and Demonstration Act.”, với mục đích thúc đẩy sự phát triển của công nghệ pin mới, động cơ và linh kiện hybrid. Ngay từ năm 1988, ông Roger Smith chủ tịch của GM đã triển khai một quỹ nghiên cứu dành riêng cho sự phát triển của một chiếc xe điện mới, đó là dòng xe EV1.Năm 1990 tiểu bang California bỏ phiếu cho chương trình Zero Emission Vehicle (Xe không phát khí thải ô nhiễm), một kế hoạch dự tính khoảng 2% xe ôtô sẽ không phá khí thải ô nhiễm vào năm 1988 và 10% vào năm 2003. Cùng năm đó, Giám đốc điều hành của GM giới thiệu phiên bản xe hai chỗ ngồi “Impact” tại triển lãm Los Angeles Auto Show. Giữa năm 1996 và 1998 GM sản xuất 1.117 xe điện đời EV1, 800 xe trong số đó được dủng cho thuê với một hợp đồng 3 năm.

11 Xe điện GM EV1 1990 Tuy nhiên, đến năm 2000 xe điện sẽ lại chết một lần nữa. Năm 2002, GM và DaimlerChrysler theo kiện California Air Resources Board (CARB) để hủy bỏ luật Zero Emission Vehicle (ZEV) của năm 1990. Tổng thống Mỹ George Bush tham gia với họ. Năm 2003-2004, là sự kết thúc của dòng xe EV1.

GM đã cho thu hồi tất cả các xe để hủy, bất chấp nhiều cuộc biểu tình. 12 Xe điện Pinifarina Blue Car 2009 8 Tại Pháp, tháng 3 năm 2009, công ty Vincent Bolloré thông báo phát hành trong năm 2010 xe điện Pinifarina Blue Car thuê bao tháng với giá 330€. Ngày nay, sự nhận thức chung về môi trường ngày càng lớn mạnh, do đó thị trường xe ô tô điện có cơ hội mới để tăng trưởng. Năm 2010, hãng xe California Tesla Motors đã thành công gia nhập thị trường chứng khoán với hơn 200 triệu USD, và đạt được tăng trưởng hơn 36,7% trong vòng một năm.

13 Xe điện của hãng xe California Tesla Motors Mặc dù vậy, với những gì Tesla đã làm được trên thế giới, các chuyên gia trong ngành nhận định, xe điện sẽ trở nên thông dụng trong khoảng một thập kỷ tới. Và có thể trong tương lai, dòng xe điện vốn lạ lẫm với đa phần người Việt sẽ xuất hiện thường xuyên hơn trên đường phố Việt Nam. GIỚI THIỆU VỀ VI SAI ĐIỆN TỬ Trong ngành kỹ thuật ô tô, vi sai điện tử là một dạng của vi sai cung cấp Mô-men yêu cầu cho mỗi bánh lái và cho phép tốc độ ở các bánh xe khác nhau. Nó được sử dụng thay cho sự khác biệt cơ khí trong các hệ thống multi-drive.

Khi vào cua, bánh xe bên trong và bên ngoài quay ở tốc độ khác nhau, bởi vì bánh xe bên trong mô tả một bán kính quay nhỏ hơn. Bộ vi sai điện tử sử dụng tín hiệu góc lái của vô lăng và tín hiệu tốc độ động cơ để điều khiển công suất cho mỗi bánh xe để bánh xe được cung cấp cùng với Mô-men xoắn mà họ cần.