Đồ án Xây dựng và điều khiển động cơ bldc xe đạp điện

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC XE ĐẠP ĐIỆN GVHD: ThS. Đỗ Đức Trí SVTH: Nguyễn Hữu Đức Thiện MSSV: 13141335 SVTH: Phạm Hữu Trí MSSV: 13141384 TP. Hồ Chí Minh – 26/1/2018 i BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC XE ĐẠP ĐIỆN GVHD: ThS. Đỗ Đức Trí SVTH: Nguyễn Hữu Đức Thiện MSSV: 13141335 SVTH: Phạm Hữu Trí MSSV: 13141384 TP. Hồ Chí Minh – 26/1/2018 ii TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH TP. HCM, ngày 29 tháng 9 năm 2017 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Hữu Đức Thiện MSSV: 13141335 Phạm Hữu Trí MSSV: 13141384 Chuyên ngành: CNKT Điện tử - Truyền thông Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2013 Lớp: 13141DT1 I. TÊN ĐỀ TÀI: Xây dựng và điều khiển động cơ bldc xe đạp điện. II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: Nhóm chọn động cơ BLDC sử dụng cảm biến Hall, sử dụng vi xử lý để nhận tín hiệu từ cảm biến và điều khiển động cơ BLDC. 2. Nội dung thực hiện:  NỘI DUNG 1: Nguyên lý động cơ BLDC.  NỘI DUNG 2: Các phương pháp điều khiển động cơ BLDC  NỘI DUNG 3: Thiết kế phần cứng hệ thống.  NỘI DUNG 4: Lập trình phần mềm và mô phỏng.  NỘI DUNG 5: Hoạt động thử và chỉnh sửa.  NỘI DUNG 6: Xây dựng mô hình xe đạp điện.  NỘI DUNG 7: Đánh giá kết quả thực hiện III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/10/2017 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/01/2018 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Đỗ Đức Trí CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH iii TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH TP. HCM, ngày 29 tháng 9 năm 2017 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên1:NGUYỄN HỮU ĐỨC THIÊN______Mssv: 13141335_____________ Lớp: 13141DT1________________________________ Họ tên sinh viên2:PHẠM HỮU TRÍ________________Mssv: 13141384_____________ Lớp: 13141DT1________________________________ Tên đề tài: Xây dựng và điều khiển động cơ bldc xe đạp điện. 1.MÔ TẢ MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI: Mục tiêu điều khiển được động cơ BLDC và sử dụng năng lượng mặt trời để sạc bình ắc-quy. Điều khiển động cơ BLDC thông qua vi điều khiển. 2.MÔ TẢ CÔNG VIỆC THỰC HIỆN CỦA TỪNG SINH VIÊN: Họ và tên sinh viên 1: NGUYỄN HỮU ĐỨC THIỆN Các công việc thực hiện trong hiện tại: STT NỘI DUNG CÔNG VIỆC 1 Tìm hiểu về động cơ BLDC, mạch nghịch lưu 3 pha và DSPIC. 2 Lập trình cho vi xử lý. 3 Thiết kế mô hình 4 Họ và tên sinh viên 2: PHẠM HỮU TRÍ Các công việc thực hiện trong hiện tại: STT NỘI DUNG CÔNG VIỆC 1 Tìm hiểu về động cơ BLDC, mạch nghịch lưu 3 pha và DSPIC. 2 Tính toán linh kiện và thiết kế phần cứng. 3 Thiết kế mô hình 4 Sinh viên 1 Sinh viên 2 (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) iv TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH TP. HCM, ngày 29 tháng 9 năm 2017 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: NGUYỄN HỮU ĐỨC THIỆN ......................................................... Lớp: 13141DT1 ............................................................. MSSV: 13141335 ...................... Họ tên sinh viên 2: PHẠM HỮU TRÍ ............................................................................. Lớp: 13141DT1 ............................................................. MSSV: 13141384 ...................... Tên đề tài: Xây dựng và điều khiển động cơ bldc xe đạp điện. Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD 02/10/2017- 08/10/2017 Nhận đề tài. 09/10/2017- 15/10/2017 Lựa chọn linh kiện, vẽ sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý khi tìm hiểu đến. 16/10/2017- 22/10/2017 Tìm hiểu bộ nghịch lưu cầu 3 pha, tấm pin năng lượng mặt trời, động cơ BLDC. 23/10/2017- 29/10/2017 Tìm hiểu về acquy, mạch chuyển điện từ pin năng lượng mặt trời xuống acquy. 30/10/2017- 05/11/2017 Tìm hiểu bộ xung kích, bộ cách ly, bộ xử lý trung tâm. 06/11/2017- 12/11/2017 Tìm hiểu tài liệu vi xử lý dùng để lập trình để phát xung. 13/11/2017- 19/11/2017 Tiến hành làm phần cứng và chạy thử khi câp nguồn. 20/11/2017- 26/11/2017 Kết nối vi điều khiển điều chỉnh xuất ra dạng xung mong muốn. 27/11/2017- 03/12/2017 Kết nối động cơ chạy thử theo cảm biến. 04/12/2017- 10/12/2017 Chạy thử sản phẩm ra môi trường thực tế. 11/12/2017- 17/12/2017 Sửa chữa và thiết kế lại khung xe. 18/12/2017- 24/12/2017 Hoàn thành phần cứng. 25/12/2017- 31/12/2017 Viết báo cáo. 01/01/2018- 07/01/2018 Hoàn thành bản báo cáo. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) v LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không hoàn toàn sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Người thực hiện đề tài NGUYỄN HỮU ĐỨC THIỆN – PHẠM HỮU TRÍ vi LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Đỗ Đức Trí – Các Thầy, Cô bộ môn Điện Tử Công Nghiệp, Phòng thí nghiệm D405 đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để nhóm chúng em hoàn thành tốt đề tài. Do kiến thức còn hạn chế nên có nhiều thiếu sót, trong quá trình nghiên cứu đề tài được Thầy chỉ những chỗ thiếu sót, chia sẻ kinh nghiệm của mình khi nhóm em sai. Em xin cảm ơn thầy. Em xin gửi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện – Điện – Tử đã hỗ trợ phòng thí nghiệm Điện tử công suất D405 tạo điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn cùng lớp 13141DT1 đã chia sẽ trao đổi kiến thức cũng như kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài NGUYỄN HỮU ĐỨC THIỆN – PHẠM HỮU TRÍ vii MỤC LỤC Trang bìa .................................................................................................................... i Nhiệm vụ đồ án ......................................................................................................... ii Lịch trình ................................................................................................................ iv Cam đoan ................................................................................................................. v Lời cảm ơn ............................................................................................................... vi Mục lục ................................................................................................................... vii Liệt kê hình .............................................................................................................. xi Liệt kê bảng ......................................................................................................... xiii Tóm tắt .................................................................................................................. xiv CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ......................................................................... 1 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................. 2 1.2. MỤC TIÊU .................................................................................................. 3 1.3. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI ...................................................................................... 3 1.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ........................................................................ 3 1.5 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU .............................. 3 1.5.1 Phương pháp nghiên cứu ......................................................................... 3 1.5.2 Phương tiện nghiên cưu........................................................................... 3 1.6. BỐ CỤC ....................................................................................................... 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................ 5 2.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BLDC ............................................................ 5 2.2 CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ BLDC ............................................................. 8 2.2.1 Stator ....................................................................................................... 8 2.2.2 Rotor ...................................................................................................... 10 2.2.3 Cảm biến Hall (Hall sensor) .................................................................. 11 2.2.4 Bộ phận chuyển mạch điện tử (electronic commutator) ....................... 12 2.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BLDC ................................................ 13 2.4 CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ BLDC .................. 14 2.4.1 Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính) ................... 14 2.4.2 Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính) .......................... 15 viii 2.5 MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM VỀ ĐIỆN CỦA ĐỘNG CƠ BLDC ........................ 16 2.5.1 Mô-men điện từ ..................................................................................... 16 2.5.2 Đặc tính cơ và đặc tính làm việc của động cơ BLDC ........................... 16 2.5.3 Sức phản điện động ............................................................................... 17 2.6 MÔ HÌNH TOÁN VÀ PHUƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC .......................................................................................... 17 2.6.1 Mô hình toán ......................................................................................... 17 2.6.2 Mô-men điện từ ..................................................................................... 18 2.6.3 Phương trình động học của động cơ BLDC .......................................... 19 2.7 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC ......................... 20 2.7.1 Phương pháp điều khiển động cơ BLDC 3 pha .................................... 20 2.7.2 Điều khiển bằng phương pháp PWM .................................................... 23 2.8 LÝ THUYẾT BỘ NGHỊCH LƯU .............................................................. 23 2.8.1 Bộ nghịch lưu 1 pha .............................................................................. 23 a) Sơ đồ nguyên lý ...................................................................................... 23 b) Nguyên tắc hoạt động ............................................................................. 24 2.8.2 Sơ đồ đẩy kéo bộ nghịch lưu ................................................................. 25 a) Sơ đồ nguyên lý ...................................................................................... 25 b) Nguyên lý hoạt động .............................................................................. 25 2.8.3 Bộ nghịch lưu 3 pha .............................................................................. 26 2.9 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ....................................................................... 28 2.9.1 IC ổn áp LM2576 .................................................................................. 28 2.9.2 IC cách ly điện ....................................................................................... 28 2.9.3 IC ổn áp LM317 .................................................................................... 30 2.9.4 IC driver ................................................................................................ 30 2.9.5 Mosfet .................................................................................................... 32 2.9.6 Màn hình LCD16x02 ............................................................................ 33 2.9.7 Vi điều khiền ......................................................................................... 35 a) Ngắt của DSPIC30F4011 ....................................................................... 37 b) Cổng vào ra của DSPIC30F4011 ........................................................... 38 c) Các bộ định thời ...................................................................................... 38 d) Module chuyển đổi tương tự - số ADC 10bit ......................................... 39 ix e) Module PWM điều khiển động cơ ......................................................... 41 2.9.8 Module sạc ắc-quy ................................................................................ 42 2.9.9 ẮC-QUY(ACCU) .................................................................................. 42 a) Khái niệm ACCU ................................................................................... 42 b) Phân loại và cấu tạo Ắc-quy ................................................................... 43 2.9.10 Giới thiệu tay ga .................................................................................. 44 2.9.11 Tấm pin năng lượng mặt trời ............................................................... 44 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ............................................. 45 3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................. 45 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ..................................................................... 46 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối ................................................................................. 46 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch ..................................................................... 48 a) Thiết kế khối xử lý trung tâm ................................................................. 48 b) Thiết kế khối kích Mosfet ...................................................................... 49 c) Thiết kế khối công suất ........................................................................... 50 d) Thiết kế khối nguồn 12V kích Mosfet ................................................... 51 e) Thiết kế khối nguồn 5V .......................................................................... 52 f) Khối hiển thị ............................................................................................ 52 3.3 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN MẠCH........................................................ 53 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................... 54 4.1 THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................................ 54 4.1.1 Thi công board mạch.............................................................................. 54 4.1.2 Lắp ráp và kiểm tra ................................................................................ 56 4.2 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG........................................................................... 56 4.2.1 Lưu đồ giải thuật .................................................................................... 56 4.2.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ................................................... 60 a) Giới thiệu về CCS ................................................................................... 60 b) Chương trình hệ thống ............................................................................ 61 4.2.3 Phần mềm mô phỏng mạch điện tử ........................................................ 61 x CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ - NHẬN XÉT- ĐÁNH GIÁ .............................. 63 5.1 Kết quả ........................................................................................................ 63 5.1.1 kết quả dạng sóng ................................................................................... 63 5.1.2 Kết quả xe đạp điện ................................................................................ 64 5.1.3 Kết quả khi xe kéo tải ............................................................................ 65 5.1.4 Kết quả khi sạc bình ắc-quy ................................................................... 66 5.2 Nhận xét ...................................................................................................... 66 5.3 Đánh giá ...................................................................................................... 67 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. ........................ 68 6.1 Kết luận ....................................................................................................... 68 6.2 Hướng phát triển ......................................................................................... 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 69 PHỤ LỤC ..................................................................................................... 71 xi LIỆT KÊ HÌNH Hình Trang Hình 1.1: Môi trường bị ô nhiễm .............................................................................. 1 Hình 1.2: Các phương tiện sử dụng điện ................................................................... 2 Hình 2.1: Cấu tạo của 2 loại động cơ một chiều ....................................................... 5 Hình 2.2: Động cơ một chiều .................................................................................... 6 Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ. ........................................................ 8 Hình 2.4: Stator của động cơ BLDC. ........................................................................ 9 Hình 2.5: Hai dạng sóng của sức điện động. ............................................................. 9 Hình 2.6: Các loại Rotor động cơ BLDC. ................................................................. 10 Hình 2.7: Động cơ BLDC cấu trúc nằm ngang. ........................................................ 11 Hình 2.8: Sơ đồ cấp điện cho các cuộn dây Stator. ................................................... 13 Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lí làm việc của động cơ BLDC.......................................... 14 Hình 2.10: Thứ tự chuyển mạch và chiều quay của từ trường Stator. ...................... 14 Hình 2.11: : Chuyển mạch hai cực tính của động cơ BLDC. ................................... 16 Hình 2.12: Đặc tính của động cơ BLDC. .................................................................. 16 Hình 2.13: Mô hình mạch điện của động cơ BLDC. ................................................ 18 Hình 2.14: Tín hiệu cảm biến Hall, sức phản điện động và dòng điện pha. ............. 21 Hình 2.15: Thứ tự cấp điện cho các cuộn dậy tương ứng với cảm biến Hall. .......... 22 Hình 2.16: Giản đồ xung điều khiển PWM kênh trên............................................... 23 Hình 2.17: Sơ đồ mạch nguyên lý nghịch lưu cầu 1 pha. ......................................... 23 Hình 2.18: Nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu 1 pha. ...................................... 24 Hình 2.19: Sơ đồ đẩy kéo mạch nghịch lưu .............................................................. 25 Hình 2.20: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu 3 pha. ................................................ 26 Hình 2.21: : Đồ thị dạng sóng điều khiển ................................................................. 26 Hình 2.22: Sơ đồ điều khiển ...................................................................................... 27 Hình 2.23: IC LM2576. ............................................................................................. 28 Hình 2.24: IC HCPL 2