Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế phương tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC

Tài liệu đồ án thiết kế xe điện cá nhân sử dụng động cơ BLDC. Trình bày chi tiết về kết cấu cơ khí, mạch điều khiển và giải pháp cho giao thông đô thị.

• Tác giả: Trần Mạnh Cường
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Trung Hiếu
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Thiết Kế Phương Tiện Di Chuyển Cá Nhân Sử Dụng Động Cơ BLDC
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Thiết kế Xe Điện Mini với Động cơ BLDC

Đồ án thiết kế xe điện mini sử dụng động cơ BLDC (Brushless DC Motor) là một giải pháp đổi mới trong lĩnh vực giao thông nội thành. Với sự phát triển của công nghệ điện tử và nhu cầu giảm thiểu ô nhiễm môi trường, xe điện mini BLDC trở thành phương tiện di chuyển cá nhân lý tưởng. Đề tài này được thực hiện bởi nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM nhằm giải quyết tình trạng tắc đường và ô nhiễm không khí trong nội thành. Thiết kế phương tiện di chuyển cá nhân này kết hợp công nghệ động cơ BLDC tiên tiến, mạch điều khiển thông minh và hệ thống treo hiện đại, tạo nên một sản phẩm an toàn, tiện lợi và thân thiện với môi trường.

1.1. Nhu cầu và Tính Cấp Thiết của Đề tài

Trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng, nhu cầu di chuyển cá nhân xe điện mini ngày càng tăng cao. Động cơ BLDC cung cấp hiệu suất cao, tiếng ồn thấp và không khí thải, khiến nó trở thành giải pháp tối ưu. Sự phát triển của phương tiện di chuyển bền vững giúp giảm tắc đường, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường sống.

1.2. Mục tiêu Chính của Đồ án

Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế và chế tạo mô hình xe điện mini sử dụng động cơ BLDC hiệu quả. Dự án tập trung vào nghiên cứu nguyên lý hoạt động BLDC, thiết kế khung xe bền vững, xây dựng mạch điều khiển thông minh và tích hợp hệ thống treo an toàn cho người sử dụng.

II. Cấu tạo và Nguyên lý Hoạt động của Động cơ BLDC

Động cơ BLDC (Brushless DC Motor) là một loại động cơ điện hiện đại khác biệt với động cơ truyền thống. Thay vì sử dụng chổi than (brush) để chuyển mạch dòng điện, BLDC sử dụng các linh kiện điện tử như MOSFET hoặc IGBT để điều khiển dòng điện vào cuộn dây. Nguyên lý hoạt động động cơ BLDC dựa trên tương tác giữa từ trường thay đổi và nam châm vĩnh viễn gắn trên rotor. Cảm biến Hall được sử dụng để phát hiện vị trí của nam châm, từ đó điều khiển thứ tự kích thích các cuộn dây một cách chính xác. Xe điện mini BLDC hoạt động với hiệu suất cao, độ bền lâu dài và khả năng điều chỉnh tốc độ chính xác thông qua mạch điều khiển PWM (Pulse Width Modulation).

2.1. Cảm biến Hall sensor trong Động cơ BLDC

Cảm biến Hall-sensor là thiết bị quan trọng trong động cơ BLDC, giúp phát hiện vị trí từ trường của nam châm rotor. Khi nam châm quay qua cảm biến, nó tạo ra tín hiệu điện áp để điều khiển mạch gắn (commutation). Trong xe điện mini, cảm biến Hall giúp đảm bảo sự hoạt động mịn mà, hiệu suất cao và tăng tuổi thọ của động cơ.

2.2. Hệ thống Điều khiển PID cho Động cơ BLDC

Thuật toán điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là phương pháp điều khiển tiêu chuẩn trong phương tiện di chuyển cá nhân. Hệ thống PID điều chỉnh tốc độ động cơ BLDC dựa trên sai số giữa tốc độ mong muốn và tốc độ thực tế, đảm bảo xe điện mini chạy ổn định và an toàn.

III. Thiết kế Cơ khí và Hệ thống Điều khiển Xe Điện Mini

Thiết kế cơ khí của xe điện mini BLDC bao gồm nhiều thành phần quan trọng. Khung xe được chế tạo từ vật liệu nhẹ nhưng bền, đảm bảo độ cứng và an toàn cho người sử dụng. Động cơ HUB motor được gắn trực tiếp vào bánh xe, giảm thất thoát công suất và tăng hiệu suất truyền động. Hệ thống treo bánh sau sử dụng các lò xo và giảm xóc để cải thiện độ êm ái khi chạy trên đường xấu. Mạch điều khiển chính của phương tiện di chuyển cá nhân integrates Arduino board, module Bluetooth, và các linh kiện điều khiển công suất. Mạch nguồn LM2596 cung cấp điện áp ổn định cho các thiết bị điều khiển, đảm bảo hoạt động độc lập và an toàn của từng bộ phận.

3.1. Kết cấu và Bas gá Bánh Trước

Kết cấu xe điện mini được thiết kế với trọng tâm thấp để tăng ổn định. Bas gá bánh trước sử dụng vòng bi chất lượng cao, cho phép quay nhẹ nhàng. Động cơ BLDC được đặt ở vị trí tối ưu để cân bằng trọng lượng, giúp phương tiện di chuyển cá nhân chạy ổn định và dễ kiểm soát.

3.2. Mạch Điều khiển và Kết nối Bluetooth

Mạch điều khiển chính sử dụng Arduino để xử lý tín hiệu từ cảm biến và điều khiển động cơ BLDC. Module Bluetooth cho phép người dùng điều khiển xe điện mini từ xa qua smartphone. Sơ đồ khối kết nối Bluetooth đảm bảo giao tiếp ổn định giữa thiết bị điều khiển và mạch điều khiển xe, nâng cao trải nghiệm người dùng.

IV. Kết quả Thử nghiệm và Triển vọng Phát triển

Sau khi hoàn thành các công đoạn gia công, lắp ghép và hiệu chuẩn, xe điện mini BLDC đã đạt được những kết quả đáng khích lệ. Phương tiện di chuyển cá nhân này hoạt động ổn định, an toàn và hiệu quả về năng lượng. Động cơ BLDC cung cấp mô-men xoắn mạnh mẽ, cho phép xe điện mini tăng tốc nhanh và chạy với tốc độ ổn định. Thử nghiệm trên đường thực tế cho thấy khả năng leo dốc tốt, độ bền cao và thời gian sạc phù hợp cho các chuyến đi ngắn trong nội thành. Tuy nhiên, dự án vẫn còn một số hạn chế như dung lượng pin có thể tăng thêm và hệ thống phanh cần cải tiến để đảm bảo an toàn tuyệt đối. Các phương pháp khắc phục đã được đề xuất và sẵn sàng triển khai trong các phiên bản nâng cấp tiếp theo.

4.1. Phương pháp Thử nghiệm và Đánh giá

Mục đích của việc thử nghiệm là xác minh hiệu suất động cơ BLDC trong điều kiện thực tế. Phương pháp thử nghiệm bao gồm kiểm tra tốc độ, mô-men xoắn, tuổi thọ pin và độ an toàn. Các chỉ số hiệu suất được ghi lại và so sánh với các tiêu chuẩn kỹ thuật để đánh giá chất lượng xe điện mini.

4.2. Hạn chế Khắc phục và Đề xuất Phát triển

Hạn chế trong quá trình thực hiện đồ án bao gồm dung lượng pin giới hạn và hệ thống phanh cần cải thiện. Phương pháp khắc phục đề xuất tăng kích thước pin, nâng cấp hệ thống phanh và bổ sung đèn chiếu sáng. Đề xuất phát triển đồ án hướng tới tích hợp GPS, hệ thống định vị thông minh và nâng cấp phương tiện di chuyển cá nhân để phục vụ tốt hơn cho người dùng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHƢƠNG TIỆN DI CHUYỂN CÁ NHÂN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ BLDC SVTH : TR ẦN MẠNH CƢỜNG MSSV : 13145047 SVTH : TRƢƠNG THÁI TRANG MSSV : 13145283 KHÓA : 2013-2017 GVHD : ThS. NGUYỄN TRUNG HIẾU Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 7 năm 2017 LỜI CẢM ƠN  Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu thực hiện đề tài “Thiết kế phƣơng tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC”, chúng em đã nhận đƣợc nhiều sự quan tâm giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của quý Thầy Cô Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh và bạn bè. Với lòng biết ơn chân thành và sâu sắc, chúng em xin đƣợc gởi lời cảm ơn đến: Thầy Th.S Nguyễn Trung Hiếu, giảng viên Bộ Môn Điện Ô Tô - Khoa Cơ Khí Động Lực - Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, theo dõi và chỉ bảo chúng em suốt thời gian thực hiện đề tài.

Đồng thời chúng em cũng xin chân thành cảm ơn Thầy Th.S Lê Quang Vũ đã tạo điều kiện cho chúng e mƣợn Phòng Thí Nghiệm Điều Khiển Tự Động trên Ô Tô để làm nơi thực hiện đề tài. Quý Thầy Cô trong Khoa cơ khí động lực và đặc biệt là các quý Thầy trong Bộ Môn Điện Ô Tô đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tạo điều kiện cho nhóm em trong thời gian thực hiện đề tài. Quý Thầy Cô trong Khoa Cơ Khí Động Lực Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh đã chỉ dạy, truyền đạt kiến thức về các môn đại cƣơng cũng nhƣ các môn chuyên ngành, giúp chúng em có đƣợc cơ sở lý thuyết vững vàng để chúng em có thể hoàn thành đề tài. Các bạn sinh viên, đã trao đổi đóng góp ý kiến giúp đỡ chúng tôi trong thời gian vừa qua.

Vì kiến thức bản thân còn hạn chế, trong quá trình thực tập, hoàn thiện đề tài này chúng em không tránh khỏi những sai sót, kính mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp từ quý Thầy Cô để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn. Sau cùng, chúng em xin kính chúc quý Thầy Cô trong Khoa Cơ Khí Động Lực-Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, chúc Thầy Cô luôn dồi dào sƣc khỏe, đạt đƣợc nhiều thành công trong công việc và cuộc sống. i Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn! Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 07 năm 2017 Nhóm sinh viên thực hiện Trần Mạnh Cường - Trương Thái Trang ii TÓM TẮT Trong thời kỳ đất nƣớc hội nhập và phát triển đòi hỏi con ngƣời phải hoạt động di chuyển nhiều hơn đồng nghĩa với nhu cầu sử dụng phƣơng tiện lƣu thông đặc biệt là xe máy cao hơn, nên dãn dễ đến tình trạng ùn tắc giao thông, ô nhiễm khói bụi khi tham gia giao thông trong nội thành.

Yêu cầu đặt ra là cần phải có 1 phƣơng tiện thay thế đảm bảo an toàn cũng nhƣ tình trạng tiếng ồn, ô nhiễm khi tham gia lƣu thông trong nội thành. Phƣơng tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC với thiết kế nhỏ gọn, tiện lợi có thể mang theo là phƣơng pháp hợp lý. Nhằm khắc phục đƣợc tình trạng kẹt xe khi sử dụng phƣơng tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC thay thế thay thế xe máy trong việc lƣu thông trong nội thành. Nhận ra đƣợc thực trạng đó, dƣới sự phân công và hƣớng dẫn của Thầy Th.S Nguyễn Trung Hiếu, chúng em đã chọn đề tài thiết kế phƣơng tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC.

 Vấn đề nghiên cứu: - Tìm hiểu phƣơng thức hoạt động của đông cơ BLDC. - Thiết kế chế tạo mô hình xe di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC.  Phƣơng pháp giải quyết vấn đề: - Sừ dụng các nguồn tài liệu trên Internet để tìm hiểu về động cơ BLDC, cách kết nối cũng nhƣ phƣơng thức truyền giữa các thiết bị module. - Tìm vật liệu để thi công khung sƣờn xe, bas gá động cơ trƣớc, chế hệ thống treo cho bánh lựa phía sau.

 Kết quả đạt đƣợc: - Nắm đƣợc một số kiến thức cơ bản về lập trình. - Hoàn thành mô phƣơng tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC. iii MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN .iii MỤC LỤC. iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU.

vii DANH MỤC CÁC HÌNH. viii DANH MỤC CÁC BẢNG. xi Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI.

Thực trạng và tính cấp thiết của đề tài. Giới thiệu về động cơ điện BLDC. Giới thiệu chung và so sánh. Ƣu nhƣợc điểm của BLDC.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của BLDC. Nguyên lý hoạt động. Cảm biến vị trí Hall-sensor. Động cơ điện HUB motor.

Sơ đồ thuật toán điều khiển. Nguyên lý điều khiển. Sơ đồ mạch điều khiển trên xe:. Thuật toán điều khiển PID.

Kết nối 2 module Blutooth và giao tiếp giữa 2 board Arduino. Giới thiệu về module Bluetooth. Sơ đồ khối kết nối Bluetooth. Giao tiếp giữa 2 board Arduino.

Thiết kế tổng quan. Kết cấu xe. Bas gá bánh trƣớc. Hệ thống treo bánh sau.

Mạch điều khiển. Mạch điều khiển chính. Mạch nguồn LM2596. Sau khi hoàn thành các công đoạn gia công và lắp ghép.

Mục đích của việc thử nghiệm. Phƣơng pháp thử nghiệm. Mục tiêu đạt đƣợc sau đồ án. Hạn chế trong quá trình thực hiện đồ án.

Phƣơng pháp khắc phục. Đề xuất phát triển đồ án. 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 56 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU BLDC Brushless DC Motor DAC Digital Analog Converter ĐCMC Động Cơ Một Chiều GTO Gate turn-off thyristor IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field-EffectTransistor PID Propotional Integral Derivative RPM Revolutions Per Minute vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.

Sơ đồ cấu tạo rotor và stator. Đồ thị hình dạng sức phản điện động của BLDC. Quá trình cung cấp dòng luân phiên các cực trên stator. Động cơ trang bị cho xe WALKCAR.

Sơ đồ truyền động công suất trên xe. Sơ đồ nguyên lý điều khiển. Hình mô phỏng động học của xe khi chuyển hƣớng. Xung từ cảm biến Hall trên bánh xe gửi về bộ điều khiển.

Sơ đồ mạch remote mô phỏng trên phần mềm protus. Sơ đồ mạch điều khiển chính trên xe. Sơ đồ giải thuật PID. Đồ thị tốc độ bánh xe điều khiển bằng PID.

Module HC-05 và module HC-06. Sơ đồ nối chân HC-05 với Arduino. Sơ đồ nối chân HC-05 với Arduino. Sơ đồ giao diện UART.

Sơ đồ đƣờng truyền dữ liệu. Hình chiếu bằng của xe. Hình chiếu cạnh của xe. Hình chiếu bằng từ dƣới lên của xe.

Ảnh xe nhìn từ trên xuống. Ảnh xe nhìn từ góc 3/4 phía trƣớc. Ảnh xe nhìn từ góc 3/4 phía sau. Ảnh xe nhìn từ phía sau.

Tấm carbon cốt sợi thủy tinh. Hình khung sau khi gia công trên máy CNC. Bảng vẽ kích thƣớc bas gắn bánh trƣớc. Bas gắn bánh trƣớc sau khi hoàn thành.

Bản vẽ bas gắn vào khung sƣờn. Bản vẽ bas gắn với bánh xe. Kích thƣớc lò xo. Bản vẽ trục liên kết giữa 2 bas.

Hình ảnh mô phỏng bộ tăng đơ. Hình ảnh mô phỏng góc nghiêng β. Hình ảnh mô phỏng hệ thống treo trên solidwork. Hình ảnh hệ thống treo bánh sau khi hoàn thiện.

Sơ đồ bộ điều khiển. Ảnh Joystick thực tế. Mạch điều khiển chính. Sơ đồ dây trên mạch driver.

Mạch nguồn LM2596. Mạch điều khiển sau khi hoàn thành. Hình ảnh mặt dƣới của xe. Hình ảnh xe nhìn từ góc 3/4 phía sau.

Hình ảnh xe nhìn từ góc 3/4 phía trƣớc. Hình ảnh xe nhìn từ phía sau. Đồ thị thể hiện tốc độ của 2 động cơ khi xe đi thẳng không tải. Đồ thị thể hiện tốc độ của 2 động cơ khi xe đi thẳng có tải.

Đồ thị thể hiện tốc độ của 2 động cơ khi xe rẽ trái. Đồ thị thể hiện tốc độ của 2 động cơ khi xe rẽ phải. 53 x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2. So sánh đặc điểm giữa BLDC với động cơ thông thƣờng.

Bảng giá trị kích thƣớc xe. Thông số kỹ thuật mạch LM2596. Thông số kỹ thuật IC MCP4921. Thông số kỹ thuật Accu.

46 xi Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Thực trạng và tính cấp thiết của đề tài. Vấn đề ùn tắc giao thông, ô nhiễm môi trƣờng vẫn luôn là mối quan tâm hàng đầu và cấp bách với toàn thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng.

Điền hình là tại nội thành các trung tâm thành phố lớn. Tính đến ngày 15/11/2016, thành phố đang quản lý hơn 7,8 triệu phƣợng tiện chƣa kể hơn 1 triệu phƣơng tiện biển số các tỉnh chạy hàng ngày lƣu thông trên địa bàn. Cùng với đó, thành phố có hơn 11.000 xe hợp đồng dƣới 9 chỗ và 2.764 xe buýt hoạt động hằng ngày. Trong 11 tháng năm 2016 trên địa bàn tp.hcm đã xảy ra 27 vụ ùn tắc giao thông trong giờ cao điểm.

Tốc độ lƣu thông của phƣơng tiện vào giờ cao điểm khu vực trung tâm thành phố chỉ đạt 19,3km/h. Để giải quyết vấn đề thì có một số kiến nghị ban hành về việc cấm xe máy trong nội thành. Việc ban hành cấm xe máy trong nội thành là một giải pháp tất yếu nhằm giảm tình trạng ùn tắc giao thông, tiếng ồn cũng nhƣ giảm đáng kể lƣợng khí thải ra môi trƣờng góp phần bảo vệ môi trƣờng tự nhiên, môi trƣờng sống, môi trƣờng để đất nƣớc phát triển bền vững. Tuy nhiên trong thời kỳ đất nƣớc hội nhập và phát triển đòi hỏi con ngƣời phải hoạt động di chuyển nhiều hơn đồng nghĩa với nhu cầu sử dụng phƣơng tiện lƣu thông đặc biệt là xe máy cao hơn, nên dãn dễ đến tình trạng ùn tắc giao thông.

Yêu cầu đặt ra là cần phải có 1 phƣơng tiện thay thế đảm bảo an toàn cũng nhƣ tình trạng tiếng ồn, ô nhiễm khi tham gia lƣu thông trong nội thành.