I. Thiết kế bộ điều khiển xe đạp lai tại HCMUTE Tổng quan
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và chế tạo bộ điều khiển xe đạp lai tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE) tập trung vào việc phát triển một hệ thống hỗ trợ người dùng trong quá trình đạp xe. Xe đạp lai điện, hay còn gọi là xe đạp trợ lực, là trọng tâm nghiên cứu. Mục tiêu chính là tạo ra một bộ điều khiển hiệu quả, giúp người dùng tiết kiệm sức lực, đặc biệt hữu ích cho người già hoặc người có sức khỏe hạn chế. Thiết kế bộ điều khiển xe đạp điện này áp dụng công nghệ vi điều khiển hiện đại, kết hợp với các cảm biến để tối ưu hóa hiệu suất và trải nghiệm người dùng. Nghiên cứu bao gồm việc khảo sát các loại xe đạp điện hỗ trợ, phân tích nguyên lý hoạt động bộ điều khiển xe đạp điện, thiết kế mạch điện, lập trình vi điều khiển, và cuối cùng là kiểm tra, đánh giá sản phẩm.
1.1 Khảo sát và phân tích xe đạp lai
Phần này tập trung vào việc khảo sát xe đạp lai hiện có trên thị trường. Nghiên cứu đánh giá các ưu điểm và nhược điểm của các mẫu xe hiện tại, từ đó xác định các yêu cầu kỹ thuật cho thiết kế bộ điều khiển xe đạp điện mới. Các yếu tố được xem xét bao gồm: hiệu suất động cơ, độ bền, khả năng chống nước, trọng lượng, và giá thành. Xe đạp lai điện được phân tích dựa trên nguyên lý hoạt động, bao gồm cách thức động cơ điện hỗ trợ người đạp, hệ thống cảm biến đo lực đạp, và thuật toán điều khiển. Thiết kế điện tử cho phần điều khiển cần được tối ưu để đạt được hiệu quả hỗ trợ tối đa cho người dùng, đồng thời đảm bảo an toàn và độ tin cậy cao. Nghiên cứu cũng đề cập đến xu hướng công nghệ hiện đại trong lĩnh vực xe đạp điện và các cộng nghệ điều khiển hiện đại, nhằm đưa ra những giải pháp tối ưu cho sản phẩm. Thị trường xe đạp điện hiện nay được phân tích để xác định nhu cầu và định hướng phát triển sản phẩm.
1.2 Thiết kế mạch điện và phần cứng
Phần này tập trung vào thiết kế mạch điện tử của bộ điều khiển. Việc lựa chọn các linh kiện điện tử phù hợp là rất quan trọng, đảm bảo tính hiệu quả và độ bền của sản phẩm. Sơ đồ mạch điện được thiết kế chi tiết, bao gồm các thành phần chính như: vi điều khiển (PIC16F887), mạch điều khiển động cơ BLDC, mạch xử lý tín hiệu từ cảm biến, và mạch nguồn. Thiết kế mạch điện tử cần đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất, độ tin cậy, và an toàn điện. Mạch điện tử công suất cần được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho động cơ, đồng thời tránh quá tải và hư hỏng. Cơ cấu trợ lực cũng được thiết kế sao cho hiệu quả và bền bỉ. Việc lựa chọn cảm biến trợ lực phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác của hệ thống. Các linh kiện bộ điều khiển xe đạp điện cần đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng cao. Thiết kế phần cứng tổng thể cần được tối ưu về kích thước, trọng lượng, và chi phí sản xuất.
II. Phần mềm và thuật toán điều khiển
Phần này tập trung vào việc phát triển phần mềm cho bộ điều khiển. Lập trình bộ điều khiển xe đạp điện sử dụng vi điều khiển PIC16F887, bao gồm việc cài đặt các thuật toán điều khiển, xử lý tín hiệu từ cảm biến, và điều khiển động cơ. Giải thuật PID được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ một cách chính xác và ổn định. Lập trình nhúng cần được tối ưu hóa để giảm thiểu thời gian xử lý và tăng hiệu suất hoạt động. Phần mềm thiết kế bộ điều khiển xe đạp điện cần có giao diện thân thiện, dễ sử dụng, và cho phép người dùng điều chỉnh các thông số hoạt động của xe. Vi điều khiển đóng vai trò trung tâm, nhận tín hiệu từ cảm biến và điều khiển động cơ dựa trên thuật toán đã lập trình. Phần mềm cần đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy cao.
2.1 Thuật toán điều khiển PID
Thuật toán PID là một trong những thuật toán điều khiển được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp tự động hóa. Trong đồ án này, thuật toán PID được áp dụng để điều khiển tốc độ động cơ của xe đạp lai. Việc tối ưu hóa các thông số PID (Kp, Ki, Kd) là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất điều khiển tối ưu. Phương pháp Ziegler-Nichols hoặc các phương pháp khác có thể được sử dụng để xác định các thông số PID phù hợp. Kiểm tra và hiệu chỉnh các thông số PID được thực hiện thông qua quá trình thử nghiệm thực tế. Việc phân tích đáp ứng hệ thống sau khi điều chỉnh PID giúp đánh giá hiệu quả của thuật toán. Mục tiêu tối ưu hóa là đạt được độ chính xác cao, thời gian đáp ứng nhanh, và độ ổn định tốt của hệ thống. Mô phỏng thuật toán PID trước khi cài đặt vào hệ thống giúp giảm thiểu thời gian và chi phí thực nghiệm.
2.2 Giao diện người dùng và kiểm thử
Giao diện người dùng được thiết kế đơn giản, dễ sử dụng. Người dùng có thể dễ dàng điều chỉnh các chế độ trợ lực, giám sát trạng thái hoạt động của xe. Kiểm tra và đánh giá hiệu suất của bộ điều khiển được thực hiện thông qua các bài kiểm tra thực tế trên xe đạp lai hoàn chỉnh. Dữ liệu thu thập từ quá trình thử nghiệm được sử dụng để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển. Các chỉ số đánh giá bao gồm: tốc độ tối đa, phạm vi hoạt động, thời gian hoạt động liên tục, độ chính xác của hệ thống điều khiển, và độ an toàn. Quá trình kiểm thử đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, đáng tin cậy, và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đã đề ra. Báo cáo thử nghiệm được lập để tổng kết kết quả và rút ra các kết luận. Ứng dụng thực tiễn của bộ điều khiển được đánh giá dựa trên hiệu quả sử dụng trong điều kiện thực tế.
III. Kết luận và ứng dụng
Đồ án Thiết kế bộ điều khiển xe đạp lai tại HCMUTE đã thành công trong việc thiết kế và chế tạo một bộ điều khiển hiệu quả cho xe đạp lai. Bộ điều khiển này sử dụng vi điều khiển PIC16F887 và thuật toán PID, giúp tối ưu hóa hiệu suất và trải nghiệm người dùng. Kết quả thử nghiệm cho thấy bộ điều khiển hoạt động ổn định và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đã đề ra. Sản phẩm này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn, đặc biệt hữu ích cho người già và người có sức khỏe hạn chế. Giải pháp tiết kiệm năng lượng của xe đạp lai góp phần bảo vệ môi trường. Nghiên cứu này đóng góp vào việc phát triển công nghệ xe đạp điện tại Việt Nam.
