Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng của nhu cầu đi lại trong xã hội hiện đại cùng tình trạng cạn kiệt các nguồn nhiên liệu hóa thạch và ô nhiễm môi trường đã thúc đẩy sự phát triển của các phương tiện giao thông sử dụng năng lượng điện. Trong các dòng xe hai bánh, xe đạp điện thuần túy tồn tại nhược điểm lớn về giới hạn dung lượng nguồn cấp và không đáp ứng được nhu cầu vận động thể chất nhằm nâng cao sức khỏe. Đối với các đối tượng có thể lực hạn chế như người cao tuổi, người đang phục hồi chức năng hoặc học sinh, sinh viên di chuyển quãng đường dài, việc sử dụng xe đạp thông thường dễ gây quá tải thể lực. Xe đạp lai (xe đạp trợ lực điện) là giải pháp dung hòa giữa việc rèn luyện thể chất và hỗ trợ vận hành.

Các dòng xe đạp trợ lực thương mại trên thị trường thời điểm thực hiện đề tài chủ yếu sử dụng cảm biến đếm số vòng quay của đĩa xích dẫn để kích hoạt động cơ, dẫn đến độ trễ đáp ứng khi người điều khiển bắt đầu tác dụng lực. Đồ án tập trung nghiên cứu nguyên lý bù lực tức thời dựa trên lực căng xích kết hợp bộ điều khiển tự động vòng kín.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định:

  1. Mục tiêu chung: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển hoàn chỉnh ứng dụng cho xe đạp lai.
  2. Mục tiêu cụ thể:
    • Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC).
    • Tính toán, thiết kế và chế tạo mạch điều khiển công suất (Driver) cho động cơ BLDC.
    • Thiết kế và chế tạo cơ cấu cảm biến trợ lực cơ - điện.
    • Ứng dụng giải thuật điều khiển PID nhằm điều chỉnh chính xác mức độ trợ lực của động cơ theo lực đạp và tín hiệu ga.
    • Lựa chọn hệ thống nguồn cấp điện phù hợp cho toàn bộ hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Động cơ điện BLDC, cơ cấu cảm biến phản hồi lực trợ lực cơ khí - điện tử, giải thuật điều khiển vòng kín PID.
  • Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong việc tính toán lý thuyết, thiết kế phần cứng, lập trình điều khiển nhúng và chế tạo thực nghiệm mô hình xe đạp lai hoàn chỉnh tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (bảo vệ tháng 7/2015).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên hệ thống lý thuyết liên ngành Cơ khí - Điện tử - Tự động hóa:

  • Mô hình toán học động cơ BLDC: Động cơ ba pha kích từ bằng nam châm vĩnh cửu trên rotor và tích hợp 3 cảm biến Hall lệch nhau $60^\circ$ hoặc $120^\circ$ điện. Sức phản điện động được mô tả bởi công thức: $$E \approx N \cdot l \cdot r \cdot B \cdot \omega$$ Phương trình cân bằng điện áp pha trên mô hình mạch điện tương đương ba pha đối xứng đấu hình sao ($Y$): $$V_a = R \cdot i_a + (L - M) \frac{di_a}{dt} + e_a$$ Mô-men điện từ sinh ra từ công suất cơ và công suất điện: $$M = \frac{e_a i_a + e_b i_b + e_c i_c}{\omega}$$ Phương trình động học tổng quát của động cơ: $$M = (J_m + J_c)\frac{d\omega}{dt} + D\omega + M_c$$ Trong đó $J_m, J_c$ là mô-men quán tính của động cơ và tải, $D$ là hệ số ma sát nhớt, $M_c$ là mô-men cản của tải.
  • Lý thuyết bộ truyền xích và động lực học chuyển động: Phân tích lực căng xích gồm nhánh căng ($F_1$), nhánh chùng ($F_2 \approx 0$), lực vòng ($F_t = F_1 - F_2$), lực căng do lực ly tâm ($F_v = q_m v^2$) và lực căng ban đầu do độ võng xích ($F_o$). Tính toán lực cản tổng cộng $F_c$ chuyển động trên mặt phẳng ngang: $$F_c = (G_0 + G)\left(f + \frac{\mu R_{ct}}{R_b}\right)$$ với $G_0, G$ là trọng lượng cơ cấu và người lái, $f$ là hệ số ma sát lăn, $\mu$ là hệ số ma sát trượt ổ trục bánh xe, $R_{ct}$ là bán kính ổ trục và $R_b$ là bán kính bánh xe.
  • Lý thuyết điều khiển PID: Sử dụng bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ để xử lý sai lệch giữa tín hiệu lực đặt (từ tay ga và lực đạp) với tín hiệu phản hồi thực tế, áp dụng phương pháp hiệu chỉnh thông số Ziegler-Nichols để kiểm soát độ vọt lố (POT), thời gian xác lập và sai số xác lập.

Phương pháp nghiên cứu thực hiện qua việc phân tích mô hình giải tích, tính toán kết cấu cơ cấu chấp hành, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện tử nhúng, chế tạo board mạch và lập trình vi điều khiển, sau đó đo đạc thực nghiệm trên mô hình thực tế.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển xe đạp lai được tích hợp từ các khối phần cứng và giải thuật điều khiển chuyên dụng:

Thành phần khối Thiết bị / Linh kiện chính Chức năng kỹ thuật trong hệ thống
Vi điều khiển trung tâm PIC16F887 (Microchip) Kiến trúc RISC 8-bit, 35 lệnh, thạch anh ngoài 20 MHz; tiếp nhận tín hiệu từ ADC, thực thi thuật toán PID, giao tiếp LCD và xuất tín hiệu điều khiển.
Cơ cấu cảm biến trợ lực Đĩa xích phụ, tay quay, lò xo, cặp bánh răng, biến trở Biến đổi độ căng của nhánh xích dưới thành góc quay của tay quay qua định luật Hooke ($F_{dh} = K \Delta l$), truyền động qua bánh răng ($i = Z_2/Z_1$) để xoay biến trở, phản hồi điện áp analog về ADC.
IC điều khiển chuyên dụng MC33035 (Motorola/ON Semi) Giải mã tổ hợp 3 cảm biến Hall từ stator để đóng ngắt đúng thứ tự 6 van công suất điều khiển động cơ BLDC, bảo vệ quá dòng và điều tốc.
Mạch biến đổi DAC MCP4921 Nhận tín hiệu điều khiển số từ PIC16F887 qua chuẩn giao tiếp SPI và chuyển đổi thành điện áp analog điều khiển tốc độ cấp cho chân IC MC33035.
Cầu công suất & Kích van 6 MOSFET kênh N + Mạch kích FET Đóng ngắt các cuộn dây pha của động cơ BLDC theo tín hiệu từ IC MC33035.
Khối nguồn và ổn áp Acquy Chì - Axit (Pb-acid), IC LM7805, Zener 15V + Transistor BD139 Cung cấp nguồn động lực cho động cơ, hạ áp và ổn định mức 5V (1A) cho MCU và 15V cho mạch kích cổng MOSFET.
Khối hiển thị & Cảnh báo Text LCD 16x2, Mạch phân áp báo pin Hiển thị tốc độ vận hành, nhiệt độ và theo dõi trạng thái sụt áp của bình ắc quy.

Cơ chế điều khiển hoạt động theo chu trình kín: Khi người lái đạp xe, lực đạp tạo ra lực căng xích $F_1$, kéo đĩa xích phụ làm tay quay biến dạng lò xo một góc xác định. Trục tay quay kéo bánh răng dẫn động núm xoay của biến trở, tạo ra mức điện áp thay đổi tuyến tính đưa về bộ chuyển đổi ADC 10-bit trên vi điều khiển PIC16F887. Vi điều khiển kết hợp giá trị này với tín hiệu cài đặt từ tay ga (throttle), tính toán giá trị ngõ ra thông qua thuật toán PID rồi xuất dữ liệu đến IC DAC MCP4921 để cấp mức điện áp điều khiển cho IC MC33035, từ đó cấp xung kích mở cầu MOSFET lái động cơ BLDC trợ lực trực tiếp cho xe.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Đặt vấn đề

Trình bày tính cấp thiết của việc phát triển phương tiện giao thông xanh tiết kiệm năng lượng và hỗ trợ sức khỏe. Nêu rõ ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài trong việc ứng dụng công nghệ vi điều khiển vào thiết bị trợ lực cá nhân. Xác định rõ mục tiêu chung, 5 mục tiêu cụ thể, đối tượng nghiên cứu (động cơ BLDC, cơ cấu trợ lực, giải thuật PID), phạm vi đề tài và tóm tắt kết cấu đồ án gồm 6 chương.

Chương 2: Tổng quan về xe đạp lai

Cung cấp lịch sử hình thành và tiến trình phát triển của xe đạp từ phát minh Draisienne (1817) của Baron Karl von Drais, bổ sung bàn đạp của Heinrich Fischer (1849) đến các biến thể hiện đại (Road, Mountain, Touring, Hybrid, Folding bike). Trình bày tổng quan cấu tạo xe đạp lai bao gồm: động cơ BLDC, bộ điều khiển trung tâm, cơ cấu trợ lực, bình ắc quy Pb-acid, màn hình hiển thị Text LCD 16x2 và chuẩn giao tiếp truyền thông nối tiếp UART/RS232 giữa PIC16F887 với máy tính. Đồng thời, chương khảo sát các dòng xe đạp trợ lực thương mại của Nhật Bản gồm Yamaha Pas City S ($30\text{ km/h}$, cự ly $>40\text{ km}$), Panasonic EX BE-ENE ($46\text{ km}$ điện thuần, $66\text{ km}$ trợ lực) và Nishiki ($35\text{ km/h}$, $100\text{ km}$ trợ lực), từ đó chỉ ra hạn chế của cảm biến vòng quay truyền thống và đề xuất hướng cải tiến đo độ căng xích.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Thiết lập cơ sở toán học và kỹ thuật phục vụ tính toán:

  • Lý thuyết động cơ BLDC: biểu thức sức phản điện động, mô hình toán học ba pha rút gọn, phương trình mô-men điện từ, phương trình động học và đặc tính cơ.
  • Cơ học truyền động xích: công thức tính các thành phần lực căng xích ($F_1, F_2, F_t, F_v, F_o, F_r$) và phương pháp tính công suất phụ tải tĩnh, mô-men cản di chuyển trên phương ngang.
  • Bổ sung định luật Hooke tính lò xo và công thức tỉ số truyền bộ truyền bánh răng.
  • Cấu trúc phần cứng vi điều khiển PIC16F887: ngắt đổi trạng thái Port B (on-change interrupt), cấu hình các bộ định thời Timer 0, Timer 1, Timer 2, module chuyển đổi ADC 10-bit và khối truyền nhận UART.
  • Cơ sở lý thuyết điều khiển PID, ý nghĩa các khâu $K_p, K_i, K_d$, phương pháp Ziegler-Nichols và đặc tính của IC chuyên dụng MC33035, IC DAC MCP4921, cấu tạo và đường đặc tuyến của MOSFET công suất kênh N.

Chương 4: Giải pháp điều khiển xe đạp lai

Phân tích yêu cầu kỹ thuật của hệ thống và lập luận lựa chọn động cơ BLDC. Khảo sát, so sánh 3 phương án cảm biến lực trợ lực:

  1. Cảm biến từ: cấu tạo đơn giản nhưng có độ trễ do phụ thuộc tốc độ quay của đĩa xích.
  2. Cảm biến Loadcell: độ chính xác cao nhưng mạch khuếch đại phức tạp, giá thành cao và khó gá đặt cơ khí bền vững trên khung xe đạp.
  3. Cơ cấu đo độ căng xích: sử dụng đĩa xích phụ tì lên xích truyền động, kết nối tay quay lò xo và biến trở qua bánh răng.

Tác giả chọn giải pháp đo độ căng xích nhờ ưu điểm phản hồi lực tức thời ngay khi đạp chân, kết cấu cơ khí chắc chắn, chi phí hợp lý. Chương cũng xác lập sơ đồ khối điều khiển tổng thể, phương pháp đóng ngắt cầu 6 van FET và trình tự các bước thực hiện đồ án.

Chương 5: Tính toán thiết kế bộ điều khiển xe đạp lai

Trình bày toàn bộ quá trình tính toán và thiết kế kỹ thuật:

  • Tính chọn công suất động cơ BLDC và các thông số tải thực tế.
  • Phân tích lực tác dụng lên nhánh xích, đĩa xích dẫn, đĩa xích phụ và tính toán lò xo cơ cấu trợ lực.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý và mạch in (PCB) mạch điều khiển trung tâm sử dụng PIC16F887, mạch chuyển đổi DAC MCP4921, mạch công suất dùng cầu MOSFET kênh N, mạch kích cổng FET (driver gate), mạch phân áp cảnh báo pin và mạch ổn áp nguồn (LM7805 tạo nguồn 5V/1A, diode Zener 15V kết hợp transistor BD139 tạo nguồn 15V).
  • Thiết lập giải thuật điều khiển vòng kín PID trên vi điều khiển.

Chương 6: Kết quả thực nghiệm và đánh giá

Trình bày kết quả chế tạo phần cứng (board điều khiển hoàn chỉnh, cơ cấu trợ lực gá trên khung, xe đạp lai hoàn thiện) và kết quả thử nghiệm thông số PID. Phân tích đồ thị đáp ứng thực nghiệm của hệ thống với các bộ thông số điều khiển khác nhau ($K_p = 50, K_d = 1, K_i = 0$; $K_p = 200, K_d = 0, K_i = 0$; $K_p = 150, K_d = 0, K_i = 0$; $K_p = 130, K_d = 5, K_i = 0$), đưa ra đánh giá về chất lượng hoạt động thực tế của xe.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã chế tạo thành công sản phẩm xe đạp lai thực tế với các thông số kỹ thuật được kiểm chứng qua thực nghiệm:

Chỉ tiêu kỹ thuật / Thực nghiệm Kết quả đạt được trong đồ án
Dải điều chỉnh bù lực trợ lực $0% - 100%$ tùy chỉnh theo mức đặt của người điều khiển
Vận tốc tối đa đạt được $> 25\text{ km/h}$
Cự ly vận hành liên tục $50\text{ km}$ cho một chu kỳ nạp ắc quy
Bộ thông số PID thử nghiệm tiêu biểu Khảo sát đáp ứng hệ thống tại $K_p = 130, K_d = 5, K_i = 0$ và $K_p = 50, K_d = 1, K_i = 0$
Sản phẩm phần cứng hoàn chỉnh Board điều khiển tích hợp PIC16F887 + MC33035 + cầu MOSFET; Bộ cơ cấu trợ lực căng xích; Mô hình xe đạp lai tích hợp LCD 16x2

Các đóng góp chính của đề tài bao gồm:

  • Thiết kế và chế tạo thành công cơ cấu trợ lực phản hồi trực tiếp lực đạp dựa trên nguyên lý biến dạng lò xo do độ căng xích, khắc phục nhược điểm phản hồi trễ của các loại cảm biến đếm xung đĩa xích truyền thống.
  • Làm chủ quy trình tính toán, thiết kế và chế tạo mạch điều khiển công suất chuyên dụng cho động cơ BLDC kết hợp IC MC33035 và vi điều khiển PIC16F887.
  • Xây dựng và ứng dụng thành công giải thuật điều khiển PID vòng kín vào việc điều tiết công suất trợ lực của động cơ theo thời gian thực.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Nguồn cấp điện sử dụng ắc quy Chì - Axit (Pb-acid) có trọng lượng bản thân lớn, làm tăng tổng khối lượng của xe và giảm hiệu suất năng lượng tổng thể so với các dòng pin hiện đại.
  • Cơ cấu trợ lực cơ khí đo lực căng xích sử dụng lò xo và biến trở cơ học, chịu ảnh hưởng của ma sát cơ khí và rung lắc khi xe vận hành trên đường gồ ghề.

Hướng mở rộng nghiên cứu:

  • Nghiên cứu thay thế nguồn cấp từ ắc quy Pb-acid sang pin công nghệ mới (như pin Lithium-ion) nhằm giảm trọng lượng khung xe và kéo dài cự ly hành trình.
  • Cải tiến, tối ưu hóa kích thước cơ cấu cảm biến trợ lực nhỏ gọn hơn, nâng cao độ bền và độ nhạy cơ khí.
  • Nâng cấp giải thuật điều khiển tự động thích nghi để tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ theo từng loại địa hình di chuyển.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Tự động hóa, Kỹ thuật Điện - Điện tử: Tham khảo phương pháp tính toán và thiết kế mạch công suất điều khiển động cơ BLDC sử dụng IC MC33035 kết hợp vi điều khiển PIC16F887.
  • Người nghiên cứu phương tiện giao thông chạy điện cỡ nhỏ: Tham khảo thiết kế cơ cấu đo lực căng xích biến thiên và phương pháp chuyển đổi tín hiệu lực cơ học sang tín hiệu điều khiển số.
  • Học viên thực hiện đồ án điều khiển nhúng: Kế thừa tài liệu phân tích chi tiết cấu hình các ngoại vi của PIC16F887 (ADC, Timer 0/1/2, UART, On-change interrupt) và kỹ thuật lập trình điều khiển PID thời gian thực.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu cảm biến trợ lực trong đồ án hoạt động theo nguyên lý nào?

Cơ cấu sử dụng một đĩa xích phụ gá trên tay quay, tì vào nhánh xích truyền động dưới nhờ lực kéo của lò xo. Khi người lái đạp xe, lực căng xích tăng lên làm tay quay xoay một góc tỉ lệ với độ lớn lực đạp (theo định luật Hooke). Trục tay quay liên kết với cặp bánh răng để xoay núm biến trở, làm thay đổi điện áp đầu ra gửi về kênh ADC của vi điều khiển PIC16F887.

2. Vì sao đề tài không sử dụng cảm biến trợ lực dạng đếm xung từ trên đĩa xích như các xe thương mại thông thường?

Cảm biến trợ lực dạng từ chỉ phát hiện được vận tốc góc (số vòng quay) của đĩa xích, do đó yêu cầu người điều khiển phải đạp bàn đạp quay được một khoảng thời gian/góc quay nhất định thì hệ thống mới nhận biết để kích hoạt động cơ, gây ra độ trễ đáp ứng trợ lực. Phương pháp đo lực căng xích cho phép phát hiện lực đạp tức thời ngay tại thời điểm bắt đầu nhấn pê-đan.

3. Vai trò của IC MC33035 và IC MCP4921 trong hệ thống là gì?

IC MC33035 là IC chuyên dụng nhận tín hiệu phản hồi từ 3 cảm biến Hall trên stator động cơ BLDC để giải mã và kích mở đúng thứ tự 6 van công suất MOSFET lái động cơ. IC MCP4921 là bộ chuyển đổi số sang tương tự (DAC) 12-bit nhận tín hiệu điều khiển từ PIC16F887 qua giao tiếp SPI, sau đó xuất điện áp analog tương ứng cấp vào chân điều khiển tốc độ của MC33035.

4. Kết quả thực nghiệm của mô hình xe đạp lai đạt các chỉ số kỹ thuật nào?

Mô hình xe đạp lai hoàn thiện đạt khả năng bù lực linh hoạt từ $0%$ đến $100%$ theo nhu cầu người lái, tốc độ vận hành tối đa trên $25\text{ km/h}$ và khả năng chạy liên tục trên quãng đường $50\text{ km}$ cho một lần nạp ắc quy.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và chế tạo bộ điều khiển xe đạp lai" của sinh viên Nguyễn Thanh Hoàn và Nguyễn Văn Dũng đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đặt ra trong việc nghiên cứu lý thuyết động cơ BLDC, thiết kế mạch phần cứng điều khiển nhúng và chế tạo cơ cấu đo lực căng xích. Hệ thống sử dụng vi điều khiển PIC16F887 kết hợp IC MC33035 và giải thuật PID vòng kín đã giúp xe đạt khả năng bù lực chính xác từ $0 - 100%$, tốc độ trên $25\text{ km/h}$ và cự ly vận hành $50\text{ km}$. Đề tài đóng góp giải pháp kỹ thuật thực tiễn cho việc phát triển các phương tiện giao thông cá nhân thân thiện với môi trường và hỗ trợ rèn luyện thể chất.