Nghiên cứu, thiết kế phần mềm tương tác sử dụng cho băng thử động cơ điện công suất nhỏ

Đồ án thiết kế phần mềm tương tác cho băng thử động cơ điện tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Nguyễn Trung Hòa
• 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 phần mềm tương tác sử dụng cho băng thử động cơ điện công suất nhỏ
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết kế phần mềm băng thử động cơ điện tại HCMUTE

Sự phát triển mạnh mẽ của phương tiện giao thông xanh thúc đẩy nhu cầu kiểm định động cơ điện công suất nhỏ. Khoa Cơ khí Động lực tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã nghiên cứu giải pháp tự động hóa quá trình thử nghiệm này. Đề tài tập trung xây dựng phần mềm tương tác cho băng thử nhằm kiểm tra đặc tính vận hành của động cơ không chổi than BLDC. Hệ thống kết nối trực tiếp với bộ điều khiển Votol E1000 để giám sát điện áp, dòng điện, mô-men xoắn và tốc độ quay. Phần mềm đóng vai trò trung tâm thu thập dữ liệu và hỗ trợ người vận hành điều khiển trực quan trên máy tính. Cấu trúc phần mềm đáp ứng nhu cầu thực nghiệm giảng dạy, nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ xe điện. Giao diện trực quan giảm thiểu thao tác thủ công, hạn chế sai sót số liệu và nâng cao độ an toàn lao động trong phòng thí nghiệm. Việc làm chủ công nghệ đo kiểm giúp tối ưu hóa chi phí nghiên cứu và đào tạo kỹ sư ô tô chất lượng cao.

1.1. Bối cảnh phát triển xe điện và nhu cầu thử nghiệm động cơ

Xu hướng chuyển dịch năng lượng xanh tạo áp lực lớn lên ngành công nghiệp ô tô. Xe điện trở thành phương tiện thay thế chủ lực cho xe dùng động cơ đốt trong. Quá trình sản xuất và bảo dưỡng đòi hỏi các thiết bị kiểm tra công suất chuẩn xác. Động cơ điện công suất nhỏ xuất hiện phổ biến trên xe hai bánh và xe điện mini. Việc kiểm nghiệm động cơ giúp đánh giá hiệu suất, khả năng chịu tải và độ bền nhiệt. Băng thử động cơ truyền thống thường cồng kềnh, thiếu tính năng số hóa dữ liệu. Do đó, việc nghiên cứu phần mềm kiểm tra chuyên dụng là yêu cầu cấp thiết. Công trình này giải quyết bài toán hiện đại hóa phòng thực hành tại các cơ sở đào tạo kỹ thuật.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu và phạm vi ứng dụng của đề tài

Mục tiêu trọng tâm là thiết kế phần mềm giao diện máy tính thân thiện và bảo mật. Đề tài tập trung xây dựng module thu nhận tín hiệu từ vi điều khiển trung tâm STM32F407. Phạm vi thử nghiệm áp dụng trực tiếp cho động cơ BLDC ghép nối driver Votol E1000. Phần mềm hiển thị biểu đồ đồ thị thời gian thực về dòng điện, điện áp và mô-men xoắn. Người dùng có thể lưu trữ dữ liệu dưới dạng file số để phục vụ phân tích chuyên sâu. Kết quả nghiên cứu được triển khai trực tiếp tại phòng thí nghiệm Khoa Cơ khí Động lực. Sản phẩm đáp ứng tiêu chuẩn an toàn công nghiệp và nâng cao hiệu quả giảng dạy chuyên ngành ô tô.

II. Thách thức kỹ thuật khi thiết kế phần mềm băng thử động cơ điện

Quá trình thử nghiệm động cơ điện tiềm ẩn nhiều rủi ro kỹ thuật. Khi vận hành ở dải tốc độ cao hoặc tải nặng, động cơ dễ phát sinh hiện tượng quá dòng và quá nhiệt. Các hệ thống băng thử truyền thống thường ghi chép số liệu rời rạc qua đồng hồ kim. Phương pháp này dẫn đến độ trễ cao, sai số đọc và khó dựng đường đặc tính công suất. Bên cạnh đó, việc thiếu hụt cơ chế phản hồi an toàn tức thời có thể phá hỏng bộ nghịch lưu hoặc cháy cuộn dây stator. Khi xuất hiện sự cố mất tín hiệu cảm biến hoặc đứt cáp truyền thông, hệ thống không kịp thời ngắt tải. Việc đồng bộ hóa dữ liệu giữa các khối phần cứng khác nhau cũng đặt ra bài toán phức tạp. Cần có giải pháp phần mềm vừa bảo đảm tốc độ quét cao, vừa kiểm soát trạng thái hệ thống theo chu kỳ phần nghìn giây. Điều này đòi hỏi kiến trúc phần mềm phải xử lý đa luồng hiệu quả và phản ứng lập tức với các mã lỗi.

2.1. Yêu cầu khắt khe về tính năng an toàn vận hành hệ thống

An toàn là tiêu chuẩn hàng đầu trong thiết kế băng thử động cơ. Khi mất kết nối cảm biến đo mô-men, tốc độ hoặc điện áp, hệ thống phải ngắt mạch lập tức. Phần mềm kích hoạt trạng thái báo lỗi (Fault State) nhằm bảo vệ thiết bị thí nghiệm. Mọi relay tải bị ngắt đồng thời đèn LED cảnh báo đỏ bật sáng. Hệ thống chỉ cho phép tái khởi động sau quy trình thiết lập lại chuẩn mực. Thiết bị phải tích hợp cơ chế giám sát xung nhịp sống (heartbeat) liên tục giữa các vi mạch. Nếu thời gian chờ vượt ngưỡng cho phép, hệ thống tự động khóa lệnh. Nút dừng khẩn cấp vật lý luôn duy trì quyền ưu tiên cao nhất trong mọi tình huống.

2.2. Hạn chế về truyền nhận dữ liệu và đồng bộ giao tiếp

Giao tiếp giữa nhiều khối phần cứng thường đối mặt nguy cơ mất mát gói tin. Tốc độ truyền không tương thích gây tắc nghẽn đường truyền và làm sai lệch số liệu. Nhiễu điện từ từ động cơ công suất cao gây ảnh hưởng tín hiệu analog và kỹ thuật số. Việc thu nhận thông số mô-men và tốc độ đòi hỏi tần số lấy mẫu cao và tính toán tức thời. Nếu không kiểm tra mã CRC, phần mềm dễ nhận dữ liệu rác, dẫn đến vẽ đồ thị sai lệch. Bên cạnh đó, việc phối hợp đồng thời màn hình nhúng và giao diện máy tính đòi hỏi chuẩn hóa khung truyền. Bất kỳ sự cố trễ tín hiệu nào cũng làm suy giảm khả năng giám sát trực quan của chuyên gia.

III. Giải pháp thiết kế phần mềm băng thử động cơ điện chi tiết

Nhóm nghiên cứu áp dụng kiến trúc xử lý phân tầng để xây dựng hệ thống đo kiểm hoàn chỉnh. Tầng xử lý trung tâm sử dụng vi điều khiển STM32F407 đảm nhiệm việc đọc cảm biến và điều phối tín hiệu. Tầng hiển thị nhúng trang bị vi xử lý ESP32-S3 điều khiển màn hình LCD cục bộ. Tầng máy tính chạy phần mềm giao diện người dùng chuyên nghiệp phục vụ phân tích chuyên sâu. Giao thức CAN 2.0A với tốc độ 500 kbps kết nối trực tiếp vi điều khiển STM32F407 và module màn hình LCD. Cổng truyền thông UART tốc độ 115200 bps kết nối vi điều khiển với máy tính chủ. Khung truyền dữ liệu bổ sung mã kiểm tra CRC nhằm phát hiện lỗi toàn vẹn bit. Phần mềm máy tính phân tích gói tin, giải mã thông số vận hành và vẽ biểu đồ trực tiếp. Cấu trúc modul hóa cho phép nâng cấp tính năng mà không ảnh hưởng tới vận hành tổng thể. Mọi chu kỳ điều khiển đều được tối ưu hóa nhằm đáp ứng thời gian thực nghiêm ngặt.

3.1. Kiến trúc phân tầng và giao thức CAN kết hợp UART

Hệ thống triển khai mô hình mạng liên lạc công nghiệp có độ tin cậy cao. Chuẩn CAN 2.0A truyền nhận dữ liệu giữa STM32F407 và ESP32-S3 với tốc độ 500 kbps. Cấu trúc mạng CAN triệt tiêu xung nhiễu điện từ phát ra từ cuộn dây động cơ. Kênh UART tốc độ 115200 bps chịu trách nhiệm gửi dữ liệu từ vi điều khiển lên máy tính. Mỗi khung bản tin đều mang trường kiểm tra tính toàn vẹn CRC chặt chẽ. Cơ chế bắt tay hai chiều bảo đảm không bỏ sót gói tin khi băng thử đổi tải đột ngột. Nếu đường truyền ngắt quãng, phần mềm sẽ hiển thị cảnh báo ngay trên màn hình.

3.2. Thiết kế giao diện máy tính và thuật toán kiểm soát an toàn

Giao diện người dùng trên máy tính cung cấp bảng điều khiển trực quan sinh động. Màn hình phân bổ các khu vực hiển thị tốc độ, mô-men, dòng điện và điện áp riêng biệt. Đồ thị vận hành cập nhật tức thời theo tần số lấy mẫu của phần cứng. Phần mềm tích hợp thuật toán phân tích trạng thái và tự động nhận diện mã lỗi (fault code). Khi hệ thống gặp sự cố quá tải, phần mềm kích hoạt quy trình ngắt động cơ từ xa. Điều kiện kích hoạt tải mới chỉ hợp lệ khi tay ga đã trả về mức nhỏ nhất. Toàn bộ cơ chế an toàn vận hành tuân thủ nguyên tắc độc lập giữa phần mềm và phần cứng.

IV. Đánh giá ứng dụng phần mềm băng thử động cơ điện trong thực tế

Kết quả nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM khẳng định tính khả thi vượt trội của phần mềm băng thử động cơ điện. Hệ thống vận hành ổn định trong suốt các bài kiểm tra với tải thực tế. Tốc độ thu nhận và hiển thị tín hiệu đạt độ trễ cực thấp, đáp ứng tiêu chuẩn nghiên cứu chuyên sâu. Giao diện trực quan hỗ trợ giảng viên và sinh viên nắm bắt các quy luật cơ điện một cách sinh động. Dữ liệu trích xuất từ phần mềm là cơ sở chuẩn xác để tối ưu thuật toán điều khiển động cơ BLDC. Mô hình này giúp tiết kiệm kinh phí đầu tư thiết bị ngoại nhập đắt tiền. Đồng thời, việc làm chủ công nghệ phần mềm tạo nền tảng vững chắc để mở rộng cho các dòng xe điện công suất lớn hơn. Đề tài đóng góp thiết thực cho công tác đào tạo kỹ sư ô tô chất lượng cao.

4.1. Hiệu quả triển khai trong công tác đào tạo kỹ thuật ô tô

Ứng dụng phần mềm vào chương trình đào tạo mang lại giá trị thực tiễn cao. Sinh viên trực tiếp thao tác trên thiết bị thí nghiệm hiện đại, củng cố kiến thức lý thuyết về động cơ điện và bộ điều khiển. Việc quan sát biểu đồ đặc tính ngoài giúp người học nắm vững phương pháp kiểm tra công suất xe điện. Hệ thống lưu trữ dữ liệu tự động phục vụ đắc lực cho các bài báo cáo thí nghiệm và nghiên cứu khoa học. Sự trực quan của phần mềm rút ngắn thời gian làm quen với các thiết bị đo kiểm. Mô hình này nâng cao chất lượng nguồn nhân lực kỹ thuật đáp ứng nhu cầu thị trường.

4.2. Khả năng mở rộng và định hướng phát triển công nghệ

Nền tảng phần mềm sở hữu tính linh hoạt cao trong việc mở rộng quy mô. Hệ thống có thể nâng cấp để tương thích với các dòng động cơ công suất lớn dùng cho ô tô điện. Các thuật toán tối ưu hóa điều khiển động cơ có thể tích hợp trực tiếp vào phần mềm máy tính. Trong tương lai, hệ thống hướng tới việc kết nối điện toán đám mây để quản lý dữ liệu thử nghiệm từ xa. Mô hình kiểm tra tự động hóa hoàn toàn cũng là mục tiêu khả thi để đưa vào dây chuyền sản xuất công nghiệp. Nghiên cứu mở ra hướng đi tự chủ công nghệ đo kiểm phương tiện giao thông thông minh.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trước bối cảnh biến đổi khí hậu và nguy cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch, ngành giao thông vận tải đang chuyển dịch sang các phương tiện sử dụng năng lượng điện nhằm giảm phát thải khí nhà kính và bảo vệ môi trường đô thị. Tại Việt Nam, thị trường phương tiện giao thông chạy điện, đặc biệt là xe máy điện đến từ các nhà sản xuất như VinFast, Dat Bike, Yadea, đang phát triển mạnh mẽ. Trong quy trình nghiên cứu, phát triển và sản xuất động cơ điện cho phương tiện giao thông, việc đo kiểm và đánh giá các đặc tính vận hành như công suất, mô-men xoắn, tốc độ, dòng điện và điện áp trước khi thương mại hóa là một yêu cầu kỹ thuật bắt buộc.

Băng thử động cơ điện là công cụ thực nghiệm để xác định các thông số vận hành và xây dựng đường đặc tính tải của động cơ. Đồ án "Nghiên cứu, thiết kế phần mềm tương tác sử dụng cho băng thử động cơ điện công suất nhỏ" được thực hiện bởi sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô, Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh nhằm mục tiêu nâng cấp hệ thống điều khiển và tự động hóa thu thập dữ liệu cho mô hình băng thử động cơ xe máy điện cỡ nhỏ sẵn có tại phòng thí nghiệm.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định theo ba nhiệm vụ:

1. Kế thừa mô hình cơ khí - điện sẵn có, thiết kế lại sơ đồ mạch điện điều khiển và phát triển phần mềm điều khiển cho toàn bộ mô hình băng thử.
2. Thi công phần cứng hệ thống điều khiển trung tâm của mô hình băng thử.
3. Thi công phần mềm giao diện điều khiển và giám sát trên máy tính cá nhân để tương tác, thu thập dữ liệu từ hệ thống điều khiển.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC) loại in-wheel ba pha công suất khoảng 3000 W dùng cho xe máy điện, kết hợp bộ điều khiển động cơ thương mại Votol EM100 và hệ thống tải máy phát điện trở.
• Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống điều khiển của đồ án không can thiệp vào cấu trúc thuật toán điều khiển chuyển mạch bên trong driver Votol mà giao tiếp điều khiển giá trị tay ga thông qua tín hiệu điện áp tương tự (DAC). Hệ thống thực hiện các chức năng cơ bản của một băng thử bao gồm: điều khiển tay ga, đóng cắt 4 cấp tải, thu thập và hiển thị các thông số dòng điện, điện áp, mô-men xoắn, tốc độ vòng quay trên màn hình LCD tại chỗ và giao diện máy tính từ xa.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên các nền tảng lý thuyết về truyền động điện, hệ thống đo lường cảm biến và kỹ thuật điều khiển nhúng:

• Nguyên lý động cơ BLDC: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có sức phản điện động hình thang, sử dụng các cảm biến hiệu ứng Hall để xác định vị trí góc của rô-to phục vụ chuyển mạch 6 bước (6-step commutation), cấp điện tuần tự cho các cuộn dây pha của stato.
• Bộ điều khiển Votol EM100: Đóng vai trò là mạch công suất cầu ba pha, nhận tín hiệu điều khiển điện áp tương tự (0 - 5 V hoặc qua bộ phân áp) để thay đổi điện áp cấp cho động cơ BLDC và hỗ trợ các tính năng bảo vệ phần cứng.
• Phần cứng vi điều khiển STM32F407 Discovery: Trang bị vi xử lý ARM Cortex-M4 32-bit (tần số hoạt động 168 MHz, 210 DMIPS, 1 MB Flash, 192 KB SRAM, tích hợp FPU), đảm nhiệm việc điều phối ngoại vi gồm bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC 12-bit kết hợp DMA), bộ chuyển đổi số - tương tự (DAC 12-bit), các bộ định thời (Timer) ở chế độ đo độ rộng xung (Input Capture) để xác định tốc độ.
• Chuẩn truyền thông CAN và UART: Mạng CAN 2.0A (chuẩn 11-bit identifier, tốc độ 500 kbps) được sử dụng để truyền dữ liệu chống nhiễu lên màn hình LCD; chuẩn UART (tốc độ 115200 bps, khung dữ liệu có mã kiểm tra CRC) dùng để kết nối với máy tính cá nhân.
• Hệ điều hành thời gian thực (RTOS): Quản lý đa nhiệm, phân chia mức độ ưu tiên giữa các tác vụ lấy mẫu cảm biến, truyền thông và giám sát an toàn.
• Công cụ phát triển phần mềm giao diện: Khung phần mềm Qt Creator (sử dụng ngôn ngữ C++) trên máy tính và Squareline Studio cho màn hình nhúng ESP32-S3.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được áp dụng thông qua việc thiết kế tích hợp phần cứng - phần mềm, lắp ráp mạch giao tiếp trung gian nhiều tầng, lập trình vi điều khiển STM32F407, sau đó hiệu chuẩn các cảm biến (dòng điện, điện áp, tốc độ, mô-men) bằng máy hiện sóng (oscilloscope) và thiết bị đo chuyên dụng trước khi tiến hành thử nghiệm tải thực tế ở 4 cấp độ.

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật phân nhóm từ chức năng đến an toàn vận hành:

Nhóm yêu cầu	Mã yêu cầu	Nội dung tiêu chuẩn kỹ thuật
Chức năng (FR)	FR-01, FR-02, FR-03	Cho phép điều khiển động cơ qua driver Votol EM100 ở hai chế độ: Trực tiếp (Standalone) và Phần mềm (UI); đo đạc thời gian thực tốc độ (RPM), mô-men xoắn, dòng tổng, dòng máy phát, áp nguồn, áp máy phát; chuyển đổi 4 mức tải.
Phi chức năng (NFR)	NFR-01, NFR-03	Độ trễ cập nhật dữ liệu thời gian thực lên LCD và máy tính không vượt quá 200 ms; lưu trữ các thông số hiệu chuẩn trong bộ nhớ cố định.
Phần cứng (HR)	HR-01, HR-03, HR-07	Vi điều khiển STM32F407VGT6; 2 cảm biến dòng Hall WCS1800 (35 A); 2 cầu phân áp (R1 = 200 kΩ, R2 = 10 kΩ); cảm biến mô-men Burster 8645; cảm biến tốc độ Hall; hệ thống nguồn đa mức (3V, 5V, 9V, 24V, 51V).
Phần mềm & Giao tiếp (SR/IR)	SR-02, SR-03, IR-01	Giao tiếp CAN 2.0A (500 kbps) với LCD ESP32-S3; giao tiếp UART (115200 bps) có mã CRC với UI Qt; giao diện máy tính hỗ trợ xuất dữ liệu ra file định dạng CSV.
An toàn (SAF)	SAF-01, SAF-02, SAF-06	Cơ chế kiểm tra tín hiệu duy trì (heartbeat); phát hiện mất kết nối cảm biến/thiết bị hiển thị thì ngắt động cơ, nhả relay tải, bật LED đỏ cảnh báo; nút dừng khẩn cấp (Emergency Stop) vật lý.

Kiến trúc phần cứng điều khiển trung tâm được tổ chức theo khối module:

1. Khối nguồn: Nguồn chuyển mạch AC-DC và các mạch hạ áp DC-DC cung cấp các cấp điện áp: 51 V (cấp cho driver động cơ), 24 V (cấp cho relay đóng cắt tải điện trở dây may so), 9 V, 5 V và 3.3 V (cấp cho mạch vi điều khiển, các cảm biến và mạch truyền thông).
2. Khối cảm biến và đo lường: Tín hiệu mô-men xoắn từ cảm biến Burster 8645 đưa vào kênh ADC của STM32F407; hai cảm biến WCS1800 đo dòng tiêu thụ của driver và dòng sinh ra từ máy phát tải đưa vào hai kênh ADC; hai mạch phân áp (tỉ số phân áp 10/210) hạ mức điện áp nguồn và điện áp máy phát về dải đo dưới 3.3 V của ADC. Tín hiệu xung từ cảm biến tốc độ Hall được đưa vào chân Timer Input Capture.
3. Khối chấp hành và phụ trợ: Kênh DAC1 của STM32F407 xuất điện áp tương tự để thay đổi ga trên driver Votol EM100; các chân GPIO xuất mức logic điều khiển đóng ngắt cuộn hút các relay 24 VDC để thay đổi tổ hợp điện trở tải.

Kiến trúc phần mềm điều khiển trên vi điều khiển STM32F407 hoạt động dựa trên mô hình máy trạng thái hữu hạn (State Machine) kết hợp hệ điều hành thời gian thực FreeRTOS, bao gồm 5 trạng thái chính:

• Initialization (Khởi tạo): Kiểm tra thiết bị ngoại vi, thiết lập thông số ban đầu và kiểm tra an toàn hệ thống.
• Standby (Chờ): Động cơ dừng, tải ngắt, hệ thống đợi lệnh chuyển sang chế độ hoạt động.
• Standalone (Vận hành tại chỗ): Cho phép người vận hành điều khiển trực tiếp tốc độ và mức tải bằng các nút bấm cơ học trên bảng điều khiển mô hình.
• UI (Vận hành qua phần mềm): Chuyển quyền điều khiển ga, mức tải sang phần mềm Qt trên máy tính cá nhân qua đường truyền UART.
• Fault (Lỗi/Sự cố): Tự động kích hoạt khi có sự cố mất kết nối cảm biến, vượt ngưỡng dòng áp, hoặc mất tín hiệu heartbeat từ màn hình/máy tính; vi điều khiển lập tức hạ DAC về mức 0 V, ngắt toàn bộ relay tải và hiển thị mã lỗi (FaultCode) dạng bitmask.

Phần mềm giao diện tại trạm hiển thị sử dụng màn hình cảm ứng điện dung 7 inch ESP32-S3-Touch-LCD-7 (độ phân giải 800×480) được thiết kế qua phần mềm Squareline Studio, hỗ trợ các trang: Init, Standby, Standalone, đồ thị thời gian thực (tốc độ - mô-men, điện áp - dòng điện), UI và Fault. Trên máy tính, giao diện Qt cung cấp các tab chức năng: "Connection" (quản lý cổng COM), "Setup" (cài đặt cấu hình và hệ số cảm biến), "Data Analysis" (vẽ đồ thị, thống kê tham số), "Data Debug" và "Help".

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Chương 1 trình bày lý do lựa chọn đề tài dựa trên nhu cầu cấp thiết về thử nghiệm động cơ xe điện trong nước; phân tích các nghiên cứu trong nước (như nghiên cứu thiết kế băng thử của Lý Tấn Vương, Phan Tấn Đạt sử dụng LabVIEW) và ngoài nước (hệ sinh thái bộ điều khiển VESC và công cụ phần mềm cấu hình VESC Tool do Benjamin Vedder phát triển). Chương này cũng xác định rõ 3 mục tiêu cụ thể, 5 nội dung trong phương pháp nghiên cứu và giới hạn phạm vi đề tài vào các động cơ xe máy điện cỡ nhỏ sử dụng driver ngoài.

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nội dung chương 2 hệ thống hóa lý thuyết về cấu tạo, phân loại và nguyên lý chuyển mạch 6 bước của động cơ BLDC dùng cảm biến Hall. Giới thiệu thông số driver Votol E1000/EM100 (điện áp 48V/60V/72V, dòng điện định mức 50A); nguyên lý các cảm biến: cảm biến tốc độ Hall, cảm biến mô-men Burster 8645, cảm biến dòng Hall WCS1800 (đo dòng tối đa 35 A), mạch cầu phân áp (R1 = 200 kΩ, R2 = 10 kΩ). Giới thiệu phần cứng vi điều khiển STM32F407VGT6 (cấu hình GPIO, ADC 12-bit, DAC 12-bit, Timer, DMA), chuẩn truyền thông mạng CAN Standard Frame (11-bit ID) và UART; khái niệm và vai trò lập lịch của hệ điều hành thời gian thực RTOS; framework phát triển giao diện Qt Creator và màn hình cảm ứng ESP32-S3-Touch-LCD-7.

Chương 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Chương này đưa ra bảng yêu cầu hệ thống chi tiết (Functional, Non-functional, Hardware, Software, Safety, Interface). Phân tích sơ đồ khối phần cứng kế thừa từ mô hình cũ và các cải tiến nâng cấp với STM32F407. Thiết lập sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trung tâm, phân bổ và mapping các chân GPIO, ADC, DAC, CAN, UART trên STM32F407. Thiết kế kiến trúc phần mềm phân tầng, xây dựng máy trạng thái (State Machine) với 5 trạng thái (Init, Standby, Standalone, UI, Fault), phân chia thứ tự ưu tiên các tác vụ trong RTOS. Xây dựng cấu trúc data frame truyền thông cho mạng CAN và UART có kèm mã kiểm tra CRC; thiết kế giao diện đồ họa cho màn hình ESP32-S3 và phần mềm Qt trên máy tính.

Chương 4. THI CÔNG VÀ TRIỂN KHAI HỆ THỐNG

Trình bày quy trình chế tạo, lắp ráp phần cứng thực tế gồm bộ bo mạch điều khiển trung tâm nhiều tầng, bố trí driver Votol, các relay 24 VDC và khối nguồn AC-DC trên khung mô hình. Triển khai lập trình phần mềm nhúng trên môi trường STM32CubeIDE cho STM32F407, cấu hình các file header và hàm điều khiển. Thiết kế và nạp chương trình giao diện cho ESP32-S3 bằng Squareline Studio. Xây dựng mã nguồn hoàn chỉnh cho ứng dụng Qt trên máy tính với đầy đủ các tab chức năng kết nối, cấu hình, gỡ lỗi và phân tích dữ liệu.

Chương 5. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ

Ghi nhận quy trình đo kiểm chuẩn bị và thực hiện trên mô hình. Kiểm tra tính chính xác của các cảm biến đo lường thông qua việc đối chiếu tín hiệu từ cảm biến tốc độ với máy đo tốc độ chuyên dụng; kiểm tra điện áp offset và giá trị dòng điện của cảm biến WCS1800 bằng máy hiện sóng oscilloscope và đồng hồ đo vạn năng; kiểm tra tỉ lệ suy giảm của cầu phân áp đo điện áp nguồn Votol và máy phát. Vận hành mô hình ở các điều kiện tải từ mức 0 (không tải) đến mức 4, ghi nhận và phân tích sự thay đổi của các đồ thị điện áp, dòng điện, mô-men và tốc độ vòng quay.

Chương 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Tổng kết các kết quả đạt được về phần cứng bo mạch, phần mềm nhúng và hai giao diện hiển thị. Đưa ra các kiến nghị cải tiến về khả năng mở rộng hệ thống tải điện tử, thuật toán tự động hóa đo kiểm và tích hợp các chu trình kiểm tra xe chuẩn hóa trong các giai đoạn phát triển tiếp theo.

---

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã chế tạo và tích hợp hoàn chỉnh hệ thống điều khiển, đo đạc và tương tác cho băng thử động cơ điện công suất nhỏ, đạt được các kết quả thực nghiệm sau:

Thông số kiểm tra	Thiết bị/Phương pháp đối chứng	Kết quả ghi nhận trên hệ thống	Đánh giá độ tin cậy
Tốc độ động cơ (RPM)	Máy đo tốc độ chuyên dụng và xung trên oscilloscope	Xung vuông đo được qua chân Input Capture của Timer khớp với tần số quay thực tế của máy đo ngoài.	Hệ thống phản hồi chính xác tốc độ quay tức thời.
Dòng điện động cơ & máy phát	Đồng hồ đo cường độ dòng điện chuyên dụng	Giá trị offset ban đầu của cảm biến WCS1800 khi không tải được đo và bù trừ; dòng điện đo qua ADC tương thích với đồng hồ đo.	Đảm bảo tuyến tính trong dải đo danh định 0 - 35 A.
Điện áp nguồn Votol & máy phát	Máy hiện sóng oscilloscope đo trực tiếp và đo sau cầu phân áp	Cầu phân áp (200 kΩ / 10 kΩ) hạ điện áp nguồn 51 V và điện áp máy phát về mức an toàn (< 3.3 V) đưa vào ADC.	Tỉ số phân áp chính xác, đồ thị bám sát điện áp thực.
Vận hành tải (Mức 0 - 4)	Chuyển mạch tổ hợp relay điện trở dây may so	Khi tăng từ mức không tải lên các mức tải 1, 2, 3, 4: dòng điện máy phát tăng dần, tốc độ động cơ suy giảm tương ứng với đặc tính cơ.	Đồ thị ghi nhận thời gian thực trên LCD và PC ổn định.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài:

• Chuyển đổi mô hình băng thử động cơ điện từ vận hành thủ công sang hệ thống điều khiển tự động hóa bán phần sử dụng vi điều khiển STM32F407 kết hợp hệ điều hành thời gian thực RTOS.
• Xây dựng hệ thống giám sát hai lớp độc lập: hiển thị tại chỗ thông qua mạng CAN với màn hình cảm ứng ESP32-S3 và giám sát/điều khiển từ xa thông qua giao tiếp UART kết nối phần mềm Qt trên máy tính.
• Thiết lập cơ chế bảo vệ an toàn chủ động (Fault State) kết hợp heartbeat và bitmask lỗi, tự động cô lập động cơ và ngắt tải khi xảy ra sự cố phần cứng hoặc đứt gãy kết nối truyền thông.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

• Hệ thống điều khiển vi điều khiển chưa can thiệp sâu vào thuật toán điều khiển góc kích pha của động cơ BLDC mà hoàn toàn phụ thuộc vào bộ điều khiển Votol EM100 thông qua tín hiệu tay ga tương tự.
• Công suất thử nghiệm bị giới hạn bởi cấu hình động cơ in-wheel và dải đo của cảm biến dòng điện WCS1800 (tối đa 35 A).
• Các cấp tải được thay đổi theo 4 mức nấc rời rạc thông qua đóng cắt relay điện trở, chưa tạo ra được dải tải biến thiên liên tục hoặc mô phỏng chính xác các lực cản môi trường động học phức tạp.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Nghiên cứu thay thế cụm điện trở thụ động bằng bộ hấp thụ công suất điện tử (electronic load) có khả năng điều khiển dòng tải liên tục và hồi năng lượng.
• Tích hợp các chu trình lái tiêu chuẩn của phương tiện giao thông (như WLTP hoặc NEDC) vào phần mềm điều khiển để kiểm tra mức tiêu hao năng lượng của động cơ trong các điều kiện làm việc mô phỏng thực tế.
• Mở rộng giao thức truyền thông không dây để lưu trữ và quản lý dữ liệu thử nghiệm tập trung.

---

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật cho sinh viên và học viên ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô, Kỹ thuật cơ điện tử, Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa đang thực hiện các nghiên cứu liên quan đến xe điện và thiết bị kiểm nghiệm truyền động điện.

Các nội dung có giá trị ứng dụng cao bao gồm:

• Phương pháp phân tích và xây dựng bảng yêu cầu hệ thống kỹ thuật chuẩn mực (FR, NFR, HR, SR, SAF, IR) cho một mô hình thí nghiệm tích hợp cơ - điện - điều khiển.
• Sơ đồ nguyên lý và kỹ thuật ghép nối vi điều khiển STM32F407 với các cảm biến công nghiệp (mô-men xoắn Burster 8645, cảm biến dòng WCS1800) và driver động cơ công suất lớn.
• Thiết kế máy trạng thái hữu hạn và cấu trúc phân chia tác vụ trong hệ điều hành thời gian thực RTOS phục vụ thu thập dữ liệu và xử lý ngắt an toàn.
• Cấu trúc đóng gói khung dữ liệu truyền thông công nghiệp CAN 2.0A và UART có kiểm tra lỗi, cùng mã nguồn phát triển giao diện điều khiển đa nền tảng bằng Qt Creator và Squareline Studio.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống băng thử sử dụng những chuẩn giao tiếp nào và phân bổ cụ thể cho các thiết bị nào?
Hệ thống sử dụng hai chuẩn giao tiếp chính: chuẩn CAN 2.0A với tốc độ truyền 500 kbps (sử dụng khung tiêu chuẩn 11-bit identifier) dùng để truyền nhận dữ liệu thời gian thực giữa vi điều khiển trung tâm STM32F407 và màn hình cảm ứng ESP32-S3-Touch-LCD-7; chuẩn UART với tốc độ baud 115200 bps (khung dữ liệu có chứa mã kiểm tra CRC) dùng để kết nối và trao đổi lệnh điều khiển giữa STM32F407 và máy tính cá nhân chạy giao diện Qt.

2. Động cơ thử nghiệm được điều khiển bằng driver nào và vi điều khiển điều chỉnh mức ga bằng phương thức gì?
Động cơ thử nghiệm là động cơ BLDC ba pha in-wheel (công suất khoảng 3000 W), được điều khiển công suất bởi driver Votol EM100 (hoặc dòng E1000). Vi điều khiển STM32F407 không can thiệp vào thuật toán chuyển mạch bên trong mà điều khiển mức ga thông qua bộ chuyển đổi số - tương tự (DAC 12-bit), xuất ra tín hiệu điện áp tương tự biến thiên để thay thế biến trở tay ga cơ học.

3. Hệ thống nguồn điện trên mô hình băng thử được phân chia thành những cấp điện áp nào?
Hệ thống tích hợp các bộ nguồn chuyển mạch AC-DC và các module hạ áp DC-DC để cung cấp 5 mức điện áp riêng biệt: 51 V (cung cấp nguồn chính cho driver động cơ), 24 V (cấp nguồn điều khiển cuộn hút của các relay đóng cắt tải), 9 V, 5 V và 3.3 V (cung cấp cho vi điều khiển STM32F407, màn hình ESP32-S3, các cảm biến và mạch thu phát CAN/UART).

4. Trạng thái an toàn (Fault State) được kích hoạt trong những tình huống nào và quy trình xử lý ra sao?
Trạng thái Fault State tự động được kích hoạt khi hệ thống phát hiện mất kết nối với bất kỳ cảm biến nào (mô-men, tốc độ, dòng điện, điện áp), mất tín hiệu kiểm tra định kỳ (heartbeat) với màn hình LCD hoặc máy tính, hoặc khi người vận hành nhấn nút dừng khẩn cấp (Emergency Stop). Khi vào trạng thái này, vi điều khiển lập tức hạ giá trị DAC về 0 V để dừng động cơ, ngắt toàn bộ relay của 4 mức tải, bật LED đỏ cảnh báo và gửi mã lỗi dạng bitmask (FaultCode) hiển thị chi tiết lên LCD và UI. Hệ thống chỉ cho phép vận hành lại sau khi sự cố đã được khắc phục và thực hiện đúng quy trình khởi tạo.

5. Vi điều khiển STM32F407 sử dụng các khối ngoại vi nào để đọc dữ liệu từ các cảm biến đo lường?
STM32F407 sử dụng các bộ định thời (Timer) ở chế độ Input Capture để đo khoảng cách giữa hai cạnh xung từ cảm biến tốc độ Hall nhằm tính toán tốc độ vòng quay (RPM). Đối với tín hiệu tương tự từ cảm biến mô-men xoắn Burster 8645, hai cảm biến dòng điện WCS1800 và hai mạch cầu phân áp (200 kΩ / 10 kΩ), vi điều khiển sử dụng các kênh ADC 12-bit kết hợp với bộ điều khiển truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA) để thu thập dữ liệu liên tục mà không gây chiếm dụng tài nguyên xử lý của CPU.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế phần mềm tương tác sử dụng cho băng thử động cơ điện công suất nhỏ" đã hoàn thành việc nâng cấp mô hình băng thử kế thừa thông qua việc thiết kế mới bo mạch điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển STM32F407 kết hợp hệ điều hành thời gian thực RTOS. Hệ thống đã tích hợp thành công cấu trúc thu thập dữ liệu cảm biến đa kênh, mạng truyền thông CAN 2.0A kết nối màn hình cảm ứng ESP32-S3 và chuẩn UART kết nối phần mềm giám sát Qt trên máy tính, đảm bảo khả năng vận hành ổn định qua 4 mức tải với cơ chế bảo vệ an toàn tin cậy. Kết quả của đồ án cung cấp một nền tảng thực nghiệm và tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh phục vụ công tác giảng dạy, nghiên cứu đặc tính động cơ điện cho phương tiện giao thông tại Khoa Cơ khí Động lực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan đề tài - Chương 2: Cơ sở lý thuyết - Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển - Chương 4: Thi công và triển khai hệ thống - Chương 5: Thực nghiệm và kết quả - Chương 6: Kết luận và kiến nghị 5 Chương 2. Tổng quan về băng thử động cơ điện công suất nhỏ Băng thử động cơ điện công suất nhỏ là hệ thống chuyên dùng để kiểm tra, đánh giá các đặc tính kỹ thuật, hiệu suất và khả năng vận hành của động cơ điện trong điều kiện thực tế. Mô hình băng thử sử dụng trong đề tài này được phát triển kế thừa từ đồ án của các nhóm sinh viên khóa trước [19], sau đó được nâng cấp với vi điều khiển STM32F407 làm trung tâm điều khiển, bổ sung chức năng tự động thu thập, xử lý dữ liệu và giao diện hiển thị trực quan. Băng thử động cơ điện công suất nhỏ là một hệ thống thí nghiệm tích hợp, cho phép kiểm tra các thông số vận hành như công suất, mô-men xoắn, tốc độ, hiệu suất và khả năng chịu tải của động cơ điện trong điều kiện thực tế.

Cấu trúc băng thử cơ bản gồm các thành phần chính: động cơ điện cần thử nghiệm, bộ điều khiển (driver), tải (máy phát điện và điện trở công suất lớn), cảm biến đo lường (mô-men, tốc độ, dòng, áp), hệ thống thu thập dữ liệu và giao diện hiển thị. Quy trình vận hành băng thử bắt đầu từ việc cấp nguồn và tín hiệu điều khiển cho động cơ, động cơ truyền mô-men sang tải thông qua liên kết cơ khí. Các cảm biến thu thập dữ liệu, hệ thống đo lường sẽ xử lý và lưu lại các thông số quan trọng, phục vụ cho việc phân tích, đánh giá và tối ưu hóa động cơ điện công suất nhỏ. Việc sử dụng băng thử giúp xác định chính xác đặc tính động cơ, đảm bảo động cơ đáp ứng tốt yêu cầu ứng dụng và nâng cao độ tin cậy cho các sản phẩm điện - cơ khí.1 Mô hình băng thử trong môi trường 3D 6 Hình 2.2 Động cơ điện BLDC và máy phát điện Hình 2.3 Điện trở công suất (dây may so) 7 2.

Các thành phần chính của hệ thống băng thử Hệ thống băng thử động cơ điện được xây dựng bao gồm nhiều thành phần phần cứng khác nhau, phối hợp với nhau để thực hiện các chức năng điều khiển, giám sát, đo lường và hiển thị thông số vận hành của động cơ BLDC. Mỗi thành phần đảm nhận một vai trò quan trọng nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, chính xác và an toàn. Các thành phần chính của hệ thống bao gồm: - Động cơ điện BLDC (Brushless DC Motor): Là đối tượng thử nghiệm chính của hệ thống, được điều khiển bởi driver và giám sát các thông số vận hành như tốc độ, dòng điện, mômen và điện áp. - Driver điều khiển động cơ (Votol E1000): Đảm nhiệm việc điều khiển hoạt động của động cơ BLDC dựa trên tín hiệu điều khiển từ MCU trung tâm (STM32F407).

- Máy phát điện: Được liên kết cơ khí với động cơ để tạo tải, đồng thời cho phép đánh giá hiệu năng động cơ trong các điều kiện tải khác nhau. - Tải điện (Resistor Load): Bao gồm các điện trở công suất và hệ thống relay đóng/cắt để thay đổi mức tải lên động cơ thông qua máy phát. - Cảm biến đo lường: Cảm biến momen (Torque sensor), cảm biến dòng điện (Current sensor), cảm biến điện áp (Voltage divider), cảm biến tốc độ (Speed sensor). - MCU trung tâm (STM32F407 Discovery): Đóng vai trò thu thập dữ liệu cảm biến, điều khiển driver động cơ, relay tải, thực hiện các thuật toán điều khiển và giao tiếp với thiết bị ngoại vi như LCD hoặc Laptop.