(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (12.93 MB, 313 trang )

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô

Tên đề tài:

ỨNG DỤNG MATLAB - ARDUINO TRONG MÔ
PHỎNG, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN
SẠC CHO XE E-REV

SVTH:

NGUYỄN VŨ QUANG HUY

MSSV:

17145300

SVTH:

HỒ VŨ HÙNG

MSSV:

17145303

GVHD:

ThS. HUỲNH QUỐC VIỆT

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2021

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TP. HỒ CHÍ MINH

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

TP. Hồ Chí Minh, ngày…tháng…năm ……

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: 1. HỒ VŨ HÙNG

MSSV: 17145303

(E-mail: Điện thoại: 0393713195

2. NGUYỄN VŨ QUANG HUY

MSSV: 17145300

(E-mail: Điện thoại: 0942714542

Ngành: Công nghệ kĩ thuật ơ tơ

Khóa: 2017

Lớp: 171451

1. Tên đề tài: Ứng dụng Matlab - Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều
khiển sạc cho xe E-REV.
2. Nhiệm vụ đề tài
- Nghiên cứu tài liệu về lập trình Arduino, Matlab, tín hiệu cảm biến trên động cơ và hệ
thống sạc Acquy.
- Thiết kế hộp thu thập tín hiệu và điều khiển bộ sạc.
- Thiết kế giao diện hiển thị thông qua giao tiếp giữa Matlab và Arduino.
- Thực hiện mô phỏng Matlab Simulink.
3. Sản phẩm của đề tài
- Hộp thu thập tín hiệu và điều khiển bộ sạc
- Bản báo cáo đồ án tốt nghiệp.
4. Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 30/03/2021
5. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 25/08/2021
TRƯỞNG BỘ MÔN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

Bộ môn : ĐỘNG CƠ

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên hướng dẫn)
Họ và tên sinh viên: HỒ VŨ HÙNG

MSSV:17145303

Hội đồng…………

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN VŨ QUANG HUY

MSSV: 17145300

Hội đồng…………

Tên đề tài: Ứng dụng Matlab - Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho
xe E-REV.
Ngành đào tạo: Công nghệ kĩ thuật ô tô
Họ và tên GV hướng dẫn: GV.ThS HUỲNH QUỐC VIỆT
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

2. Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN (không đánh máy)
2.1.Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

2.2 Nội dung đồ án:
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

2.3.Kết quả đạt được:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

2.4. Những tồn tại (nếu có):
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

10

Tính cấp thiết của đề tài

10

Nội dung ĐATN

50

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa

5

học xã hội…
Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá

10

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình

15

đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.
Khả năng cải tiến và phát triển

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành…

5

3.

Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài

10

4.

Sản phẩm cụ thể của ĐATN

10

Tổng điểm

100

4. Kết luận:
 Được phép bảo vệ
 Không được phép bảo vệ
TP.HCM, ngày….tháng 08 năm 2021
Giảng viên hướng dẫn
((Ký, ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

Bộ môn : ĐỘNG CƠ

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên phản biện)
Họ và tên sinh viên: HỒ VŨ HÙNG

MSSV:17145303

Hội đồng…………

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN VŨ QUANG HUY

MSSV: 17145300

Hội đồng…………

Tên đề tài: Ứng dụng Matlab - Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho
xe E-REV.
Ngành đào tạo: Công nghệ kĩ thuật ô tô
Họ và tên GV hướng dẫn: GV.ThS HUỲNH QUỐC VIỆT
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

2. Nội dung đồ án:
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

3. Kết quả đạt được:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

4. Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

được

30

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục

10

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài

10

Tính cấp thiết của đề tài

10

Nội dung ĐATN

50

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa

5

học xã hội…
Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá

10

Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình

15

đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.
Khả năng cải tiến và phát triển

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành…

5

3.

Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài

10

4.

Sản phẩm cụ thể của ĐATN

10

Tổng điểm

100

7. Kết luận:
 Được phép bảo vệ

 Không được phép bảo vệ
TP.HCM, ngày … tháng 08 năm 2021
Giảng viên phản biện
((Ký, ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

XÁC NHẬN HỒN THÀNH ĐỒ ÁN
Tên đề tài: Ứng dụng Matlab - Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều
khiển sạc cho xe E-REV.
Họ và tên sinh viên: HỒ VŨ HÙNG
NGUYỄN VŨ QUANG HUY

MSSV: 17145303
MSSV:17145300

Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Ơ tơ
Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản
biện và các thành viên trong Hội đồng bảo vệ. Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnh
đúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức.

Chủ tịch Hội đồng:

Giảng viên hướng dẫn:

Giảng viên phản biện:

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2021

LỜI CẢM ƠN
Đề tài “Ứng dụng Matlab - Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều
khiển sạc cho xe E-REV” là một đề tài mới lạ. Trong hoàn cảnh dịch covid đã kéo dài liên
tục trong 2 năm qua, thời gian làm việc của nhóm bị gián đoạn liên tục, hoàn thành xong
đề tài xem như là một thành cơng lớn của nhóm. Để hồn thành xong đề tài cả nhóm đã
phải cố gắng rất nhiều và cùng với sự trợ giúp đắc lực đến từ giáo viên hướng dẫn, nhóm
thực hiện xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Huỳnh Quốc Việt, người đã tận tình
hướng dẫn, chia sẻ tài liệu và đưa ra các góp ý để đề tài của nhóm có thể hồn thiện tốt
hơn. Trong q trình thực hiện đồ án nhóm đã gặp khơng ít khó khăn về cả phần cứng lẫn
phần mềm nhưng nhờ sự hướng dẫn góp ý quý báu của thầy mà nhóm có thể giải quyết
được vấn đề.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy phản biện đã nhận xét cụ thể và đóng góp
những ý kiến quý báu để đồ án được hoàn thiện hơn.
Để có thể thực hiện được đề tài thì kinh nghiệm tích lũy từ 4 năm đại học rất quan
trọng, qua đó nhóm xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong trường Đại học Sư phạm Kỹ
thuật Thành phố Hồ Chí Minh và đặc biệt là các thầy cơ trong Khoa Cơ khí Động lực đã
giúp nhóm có được kiến thức trong việc học và có thể áp dụng vào việc làm sau này.
Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè trong lớp và tất cả bạn bè, tuy các bạn cũng
bận làm đồ án nhưng cũng dành thời gian nhiệt tình giúp đỡ và đóng góp ý kiến khi nhóm
gặp khó khăn.
Xin chúc các thầy cơ ln dồi dào sức khỏe, tràn đầy năng lượng và có thật nhiều
niềm vui, hạnh phúc trong cuộc sống. Nhóm thực hiện xin chân thành cảm ơn.
TP. Hồ Chí Minh, ngày…tháng 08 năm 2021
Sinh viên thực hiện
Hồ Vũ Hùng
Nguyễn Vũ Quang Huy

i

TÓM TẮT
1. Vấn đề nghiên cứu
-

Giao tiếp Matlab - Arduino và động cơ.

-

Điều khiển bướm ga xe máy bằng mô tơ DC servo Faulhaber.

-

Hệ thống điều khiển đông cơ xe gắn máy Honda Wave RSX FI_AT.

-

Phần mềm Arduino - Matlab.

-

Lý thuyết và ứng dụng lập trình trong điều khiển bướm ga điện tử và thu thập tín hiệu
cảm biến động cơ, điện áp Acquy.

-

Mô phỏng, thiết kế và chế tạo các chức năng điều khiển sạc cho xe E-REV.

2. Các hướng tiếp cận

-

Thông qua sự phát triển của công nghệ điều khiển qua máy tính và ứng dụng cơng nghệ
đó trong học tập và nghiên cứu trong trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

-

Dựa vào tài liệu tham khảo và khóa học trước cùng với sự hỗ trợ, hướng dẫn và cung
cấp tài liệu của thầy Huỳnh Quốc Việt.

3. Cách giải quyết vấn đề
-

Nắm rõ nguyên lý hoạt động của cảm biến và cách đọc hiểu sơ đồ mạch điện động cơ.

-

Lập trình thu thập tính hiệu các cảm biến thông qua board Arduino Mega 2560,
Arduino Uno, giao tiếp Arduino với Matlab để điều khiển động cơ trên máy tính.

-

Nghiên cứu lý thuyết về phương pháp điều khiển PID vị trí động cơ DC servo.

-

Nghiên cứu phương pháp cân bằng bị động trên Acquy.

-

Tham khảo tài liệu có sẵn trên Internet, ý kiến bạn bè, cộng đồng mạng và đặc biệt là
thầy hướng dẫn.

4. Một số kết quả đạt được
-

Thiết kế được mạch khởi động và tắt động cơ, mạch điều khiển bướm ga và mạch
chuyển xung để đo tốc độ động cơ, mạch thu thập tín hiệu điện áp Acquy.

-

Thu thập dữ liệu trực tiếp bằng Arduino sau đó truyền dữ liệu lên máy tính.

-

Thiết kế được mạch cân bằng bị động Acquy.

-

Mô phỏng được bộ điều khiển sạc trên Matlab Simulink.

-

Bước đầu sạc tự động cho Acquy.

ii

MỤC LỤC
Trang

LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................... i
TÓM TẮT ............................................................................................................................ ii
MỤC LỤC...........................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................................viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................................. ix
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................... xiv
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................... 1
1.1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................................... 1
1.2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................................. 1
1.3. Mục tiêu đề tài ........................................................................................................... 2
1.4. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................................ 2
1.5. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................... 2
1.6. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................. 3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THÚT .................................................................................... 4
2.1. Mơ hình Extended-range electric vehicle.................................................................. 4
2.1.1. Khái niệm ........................................................................................................... 4
2.1.2. Nguồn năng lượng sử dụng trên xe điện ............................................................ 6
2.1.2.1. Acquy chì – axit ........................................................................................... 6
2.1.2.2. Acquy Lithium-ion ...................................................................................... 6
2.1.2.3. Pin nhiên liệu – Fuel Cell ............................................................................ 7
2.1.2.4. Siêu tụ điện – Ultra Capacitor...................................................................... 8
2.1.2.5. Nguồn năng lượng hỗn hợp trên xe Hybrid ................................................. 9
2.1.3. Phương pháp nạp Acquy .................................................................................... 9
2.1.3.1. Phương pháp nạp bằng dịng khơng đổi ...................................................... 9
2.1.3.2. Phương pháp nạp bằng điện áp khơng đổi ................................................. 10
2.1.3.3. Phương pháp nạp dịng - áp 3 giai đoạn .................................................... 11
2.2. Hệ thống nạp điện trên ô tô ..................................................................................... 14
2.2.1. Khái quát ........................................................................................................... 14
2.2.1.1. Chức năng của hệ thống cung cấp điện ..................................................... 14

2.2.1.2. Cấu trúc của hệ thống cung cấp điện ......................................................... 14
2.2.1.3. Chức năng của máy phát điện xoay chiều ................................................. 15
2.2.2. Nguyên lý hoạt động của máy phát điện .......................................................... 16
iii

2.2.2.1. Dòng điện xoay chiều 3 pha ...................................................................... 16
2.2.2.2. Bộ chỉnh lưu ............................................................................................... 17
2.2.2.3. Bộ tiết chế .................................................................................................. 19
2.3. Hệ thống quản lý Acquy ....................................................................................... 21
2.3.1. Khái quát về hệ thống quản lý Acquy ........................................................... 21
2.3.2. Một số chức năng cụ thể của hệ thống quản lý Acquy .................................. 22
2.3.2.1.

Quản lý các thơng số tính tốn trên hệ thống Acquy .............................. 22

2.3.2.2.

Quản lý trạng thái nạp của Acquy .......................................................... 23

2.3.2.3.

Quản lý độ sâu xả của Acquy ................................................................. 23

2.3.2.4.

Cân bằng dung lượng của hệ thống Acquy ............................................. 25

2.4. Tổng quan về động cơ xăng Honda Wave FI_AT .................................................. 27
2.4.1. Giới thiệu động cơ xăng Honda Wave FI_AT ................................................. 27

2.4.2. Hệ thống phun nhiên liệu PGM_FI .................................................................. 28
2.4.3. Lý thuyết cảm biến ........................................................................................... 30
2.4.3.1. Cảm biến CKP ........................................................................................... 30
2.4.3.2. Cảm biến TP .............................................................................................. 31
2.4.3.3. Cảm biến EOT ........................................................................................... 32
2.4.3.4. Cảm biến mực xăng ( FLS ) ....................................................................... 33
2.4.3.5. Cảm biến dòng điện ACS712 .................................................................... 33
2.5. Ứng dụng vi điều khiển trong điều khiển động cơ .................................................. 34
2.5.1. Phương pháp điều xung PWM ......................................................................... 34
2.5.2. Ứng dụng của PWM trong điều khiển .............................................................. 35
2.6. Tổng quan về PID ................................................................................................... 35
2.7. Tổng quan về động cơ DC ...................................................................................... 37
2.7.1. Động cơ DC ...................................................................................................... 37
2.7.2. Động cơ Faulhaber ........................................................................................... 38
2.8. Mơ hình hóa động cơ DC Faulhaber ....................................................................... 39
2.8.1. Tính tốn động học, xây dựng hàm truyền động cơ ......................................... 39
2.8.2. Mô phỏng điều khiển vị trí DC motor bằng matlab Simulink .......................... 41
2.8.2.1. Sơ đồ khối của mơ hình điều khiển vị trí động cơ DC .............................. 41
2.8.2.2. Kết quả của mô phỏng ............................................................................... 42
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỘP ĐIỀU KHIỂN ............................................... 43
3.1. Sơ đồ tổng quát thu thập tín hiệu và điều khiển ...................................................... 43
3.1.1. Sơ đồ khối chức năng ....................................................................................... 43
3.1.2. Nội dung thiết kế bộ chấp hành ........................................................................ 44
iv

3.2. Thiết kế hộp điều khiển ........................................................................................... 44
3.2.1. Các linh kiện sử dụng ....................................................................................... 44
3.2.1.1. Điện trở ...................................................................................................... 44
3.2.1.2. Tụ gốm 104 và tụ hóa ................................................................................ 45

3.2.1.3. Mạch giảm áp DC LM2596 ....................................................................... 47
3.2.1.4. Mạch cầu H XY-160D L298N................................................................... 48
3.2.1.5. Module relay 5V ........................................................................................ 49
3.2.1.6. Module Opto cách ly 2 kênh PC817 ......................................................... 50
3.2.2. Thiết kế mạch chuyển xung .............................................................................. 51
3.2.3. Thiết kế mạch thu thập tín hiệu báo xăng......................................................... 53
3.2.4. Thiết kế mạch thu thập tín hiệu điện áp Acquy. ............................................... 54
3.2.5. Thiết kế mạch cân bằng dung lượng Acquy ..................................................... 55
3.2.6. Thiết kế mạch sạc Acquy.................................................................................. 58
3.2.6.1. Phương pháp phát điện sạc Acquy............................................................. 58
3.2.6.2. Mô phỏng mạch phát điện ......................................................................... 58
3.2.7. Thiết kế thiết bị thu thập tín hiệu và điều khiển ............................................... 58
3.2.7.1. Các tín hiệu ngõ vào .................................................................................. 58
3.2.7.2. Thiết kế mạch điều khiển ........................................................................... 59
3.2.7.3. Thi cơng thiết bị thu thập tín hiệu và điều khiển ....................................... 61
3.3. Thiết kế phần cơ khí ................................................................................................ 63
3.3.1. Thiết kế miếng gá mô tơ ................................................................................... 63
3.3.2. Thiết kế bánh răng truyền động bướm ga ......................................................... 63
3.3.2.1. Tính tốn thông số bộ bánh răng ............................................................... 63
3.3.2.2. Bộ bánh răng thực tế .................................................................................. 64
3.3.3. Thiết kế bộ truyền đai kéo máy phát ................................................................ 64
3.4. Thuật toán điều khiển ............................................................................................. 66
3.4.1. Tiến trình thực hiện đọc tín hiệu ...................................................................... 66
3.4.2. Các lưu đồ thuật toán ........................................................................................ 68
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG APP DESIGNER LẬP TRÌNH, THIẾT KẾ GIAO DIỆN
HIỂN THỊ .......................................................................................................................... 72
4.1. Giới thiệu chung về App Designer .......................................................................... 72
4.1.1. App Designer là gì? .......................................................................................... 72
4.1.2. Phương pháp để lập trình với App Designer .................................................... 73
4.2. Thao tác với App Designer ..................................................................................... 73

4.2.1. Khởi động App Designer .................................................................................. 73
v

4.2.2. Mô tả chức năng và giao diện App Designer ................................................... 74
4.3. Thiết kế giao diện nhận và hiển thị dữ liệu trên App Designer .............................. 78
4.3.1. Chu trình nhận dữ liệu trên App Designer ....................................................... 78
4.3.2. Thiết kế giao diện hiển thị ................................................................................ 80
4.3.2.1. Nội dung thiết kế ........................................................................................ 80
4.3.2.2. Kết quả thiết kế .......................................................................................... 80
CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .................................................. 84
5.1. Nội dung thực hiện .................................................................................................. 84
5.2. Tiến trình thực hiện ................................................................................................. 84
5.2.1. Bài toán thực tiễn và hướng giải quyết ............................................................. 84
5.2.1.1. Thời điểm khởi động sạc ........................................................................... 84
5.2.1.2. Điện áp và dòng sạc ................................................................................... 85
5.2.1.3. Giám sát và cân bằng Acquy ..................................................................... 85
5.2.1.4. Thời điểm kết thúc ..................................................................................... 86
5.2.1.5. Giám sát quá trình sạc song song với sử dụng xe ...................................... 87
5.2.2. Xây dựng chương trình mơ phỏng Simulink .................................................... 87
5.3. Kết quả mơ phỏng ................................................................................................... 90
5.3.1. Mơ phỏng q trình khởi động sạc ................................................................... 90
5.3.2. Mơ phỏng q trình sạc .................................................................................... 93
5.3.3. Mơ phỏng q trình giám sát và cân bằng Acquy ............................................ 97
5.3.4. Mơ phỏng q trình kết thúc sạc ...................................................................... 99
5.3.5. Mơ phỏng q trình sạc song song với sử dụng xe ........................................ 102
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................ 106
6.1. Kết luận ................................................................................................................. 106
6.2. Hướng phát triển.................................................................................................... 106
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 107

PHỤ LỤC A: TỔNG QUAN VỀ ARDUINO ................................................................. 108
1. Tổng quan về Arduino Mega 2560 .......................................................................... 108
1.1. Phần cứng của Arduino Mega 2560 .................................................................. 108
1.2. Phần mềm Arduino IDE .................................................................................... 110
2. Lập trình trên Arduino IDE ...................................................................................... 112
2.1. Ngơn ngữ lập trình trên Arduino ....................................................................... 112
2.2. Chương trình code ............................................................................................. 115
PHỤ LỤC B: CHƯƠNG TRÌNH MATLAB APP DESIGNER ..................................... 130
1. Giao tiếp RS232 kết nối Matlab và Arduino ............................................................ 130
vi

2. Chương trình code Matlab App Designer ................................................................ 130

vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Tên viết tắt

Tên đầy đủ

PID

Proportional-Integral-Derivative

Matlab

MATrix LABoratory

TP

Throttle position (tín hiệu vị trí
bướm ga)

E1

Ground

RPM

Revolution Per Minute

Arduino IDE

Phần mềm lập trình cho Arduino

ECU

Electronic Control Unit

USB

Universal Serial Bus

PWM

Pulse Width Modulation

HVBAT

High Voltage Battery

BAT

Battery

CS

Current Sensor

FLS

Fuel Level Sensor

EOT

Engine Oil Temperature

CKP

Crankshaft Position

SOHC

Single Overhead Camshaft

PGM-FI

Programmed-Fuel Injection

ICE

Internal Combustion Engine

ICEV

Internal Combustion Engine Vehicle

BEV

Battery Electric Vehicle

SOC

State-of-Charge

RS232

Recommended Standard 232

E-REV

Extended – Range Electric Vehicle

DOD

Depth-of-discharge

SOH

State-of-health

viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Trang
Hình 2. 1: Mơ hình ơ tơ xe E - REV .................................................................................... 4
Hình 2. 2: Biểu đồ trạng thái sạc của xe E - REV ............................................................... 5
Hình 2. 3: Acquy chì - axit................................................................................................... 6
Hình 2. 4: Acquy Lithium Ion .............................................................................................. 7
Hình 2. 5: Pin nhiên liệu ...................................................................................................... 8
Hình 2. 6: Siêu tụ điện ......................................................................................................... 9
Hình 2. 7: Đường đặc tính nạp với dịng điện khơng đổi .................................................. 10
Hình 2. 8: Đường đặc tính nạp áp khơng đổi ..................................................................... 11
Hình 2. 9: Đường đặc tính nạp hỗn hợp............................................................................. 12
Hình 2. 10: Hệ thống cung cấp điện trên ơ tơ .................................................................... 14
Hình 2. 11: Sơ đồ hệ thống nạp trên ơ tơ ........................................................................... 15
Hình 2. 12: Cấu tạo máy phát ............................................................................................ 16
Hình 2. 13: Ngun lý dịng điện xoay chiều .................................................................... 17
Hình 2. 14: Cấu tạo bộ chỉnh lưu máy phát ....................................................................... 18
Hình 2. 15: Dịng điện xoay chiều 3 pha ........................................................................... 18
Hình 2. 16: Đường đặc tính bộ điều áp IC ......................................................................... 19
Hình 2. 17: Hệ thống quản lý Acquy trên các dòng xe điện và Hybrid ............................. 22
Hình 2. 18: Một số chức năng của hệ thống quản lý Acquy.............................................. 23
Hình 2. 19: Mối quan hệ giữa Trạng thái nạp và Độ sâu xả .............................................. 24
Hình 2. 20: Độ sâu xả cho phép của Acquy chì và Acquy Lithium .................................. 24
Hình 2. 21: So sánh 2 phương pháp cân bằng dung lượng ................................................ 26
Hình 2. 22: Động cơ xăng Honda Wave FI_AT ................................................................ 27

Hình 2. 23: Sơ đồ mạch điện hệ thống PGM-FI ................................................................ 29
Hình 2. 24: Sơ đồ cảm biến CKP ....................................................................................... 30
Hình 2. 25: Cảm biến TP ................................................................................................... 31
Hình 2. 26: Đường đặc tính cảm biến TP .......................................................................... 31
Hình 2. 27: Cảm biến EOT ................................................................................................ 32
Hình 2. 28: Đường đặc tính cảm biến EOT ....................................................................... 32
Hình 2. 29: Cảm biến báo xăng ......................................................................................... 33
ix

Hình 2. 30: Đường đặc tính cảm biến mực xăng ............................................................... 33
Hình 2. 31: Cảm biến dịng điện ACS 712 ........................................................................ 34
Hình 2. 32: Đường đặc tính cảm biến dịng ACS 712 ....................................................... 34
Hình 2. 33: Chu kỳ xung PWM ......................................................................................... 35
Hình 2. 34: Sơ đồ khối bộ PID........................................................................................... 36
Hình 2. 35: Động cơ DC FAULHABER ........................................................................... 38
Hình 2. 36: Sơ đồ mơ hình hóa động cơ DC ...................................................................... 39
Hình 2. 37: Mơ phỏng điều khiển vị trí DC motor ............................................................ 41
Hình 2. 38: Kết quả mơ phỏng điều khiển vị trí DC motor ............................................... 42
Hình 3. 1: Tổng quan giao tiếp Arduino Matlab ................................................................ 43
Hình 3. 2: Sơ đồ khối bộ giao tiếp ..................................................................................... 44
Hình 3. 3: Điện trở cơng suất ............................................................................................. 45
Hình 3. 4: Tụ gốm 104 ....................................................................................................... 46
Hình 3. 5: Tụ hóa 100uF-100V .......................................................................................... 46
Hình 3. 6: Bộ giảm áp DC LM2596 .................................................................................. 47
Hình 3. 7: Mạch cầu H XY-160D L298 ............................................................................ 48
Hình 3. 8: Module Relay 5V .............................................................................................. 49
Hình 3. 9: Linh kiện Opto PC817 ...................................................................................... 50
Hình 3. 10: Module Opto cách ly 2 kênh PC817 ............................................................... 50
Hình 3. 11: Đặc tính xung cảm biến CKP ......................................................................... 51

Hình 3. 12: Mạch mơ phỏng trên Protues .......................................................................... 52
Hình 3. 13: Thiết kế mạch in ............................................................................................. 53
Hình 3. 14: Đồ thị dạng xung sau khi chuyển.................................................................... 53
Hình 3. 15: Mạch chuyển xung thực tế .............................................................................. 53
Hình 3. 16: Mạch cảm biến mực xăng ............................................................................... 54
Hình 3. 17: Mạch thu thập tín hiệu điện áp Acquy ............................................................ 55
Hình 3. 18: Mạch nguyên lý hoạt động của phương pháp cân bằng bị động .................... 56
Hình 3. 19: Mạch cân bằng dung lượng hệ thống 5 Acquy ............................................... 57
Hình 3. 20: Mạch cân bằng dung lượng hệ thống 5 Acquy thực tế ................................... 57
Hình 3. 21: Mạch phát điện cho hệ thống 5 Acquy ........................................................... 58
Hình 3. 22: Chân thu thập tín hiệu điện áp ........................................................................ 59
x

Hình 3. 23: Mạch điều khiển relay khởi động ................................................................... 60
Hình 3. 24: Mạch điều khiển relay tắt máy ........................................................................ 60
Hình 3. 25: Mạch điều khiển kích từ máy phát .................................................................. 61
Hình 3. 26: Mạch điều khiển mơ tơ bướm ga .................................................................... 61
Hình 3. 27: Mạch thu thập tín hiệu và điều khiển.............................................................. 62
Hình 3. 28: Miếng gá mơ phỏng trên Auto CAD .............................................................. 63
Hình 3. 29: Miếng gá mơ tơ thực tế ................................................................................... 63
Hình 3. 30: Bộ bánh răng kéo bướm ga thực tế ................................................................. 64
Hình 3. 31: Bộ truyền đai kéo máy phát ............................................................................ 65
Hình 3. 32: Chu trình đọc tín hiện dạng điện áp ................................................................ 66
Hình 3. 33: Chu trình đọc tín hiệu dạng xung.................................................................... 66
Hình 3. 34: Chu trình gửi dữ liệu ....................................................................................... 67
Hình 3. 35: Lưu đồ thuật tốn điều khiển mở máy ............................................................ 68
Hình 3. 36: Lưu đồ thuật toán điều khiển tắt máy ............................................................. 69
Hình 3. 37: Lưu đồ thuật tốn điều khiển kích từ máy phát .............................................. 70
Hình 3. 38: Lưu đồ thuật tốn điều khiển bướm ga ........................................................... 71

Hình 4. 1: Sơ đồ khối App Designer .................................................................................. 72
Hình 4. 2: Giao diện mở đầu AppDesigner ....................................................................... 74
Hình 4. 3: Cửa sổ thiết kế đồ họa trong AppDesigner ....................................................... 76
Hình 4. 4: Cửa sổ lập trình đối tượng trong AppDesigner ................................................ 76
Hình 4. 5: Hộp thoại Inspector ........................................................................................... 77
Hình 4. 6: Chu trình nhận dữ liệu ...................................................................................... 79
Hình 4. 7: Chu trình tách dữ liệu và hiển thị trong AppDesigner ...................................... 79
Hình 4. 8: Giao diện hiển thị dạng đồng hồ và điều khiển chương trình........................... 80
Hình 4. 9: Giao diện nút điều khiển ................................................................................... 81
Hình 4. 10: Giao diện hiển thị giá trị điện áp Acquy ......................................................... 81
Hình 4. 11: Giao diện hiển thị tín hiệu theo đồ thị ............................................................ 82
Hình 4. 12: Giao diện tồn bộ chương trình ...................................................................... 83
Hình 5. 1: Lưu đồ thuật tốn khởi động ............................................................................. 85
Hình 5. 3: Lưu đồ thuật tốn cân bằng............................................................................... 86
Hình 5. 4: Lưu đồ thuật toán kết thúc sạc .......................................................................... 86
xi

Hình 5. 6: Mơ hình mơ phỏng ............................................................................................ 87
Hình 5. 7: Mơ phỏng PID................................................................................................... 87
Hình 5. 8: Mơ phỏng động cơ xăng ................................................................................... 88
Hình 5. 9: Mơ phỏng máy phát điện .................................................................................. 88
Hình 5. 10: Mơ phỏng Acquy ............................................................................................ 89
Hình 5. 11: Mơ phỏng mạch cân bằng Acquy ................................................................... 89
Hình 5. 12: Mơ phỏng hệ thống truyền lực ........................................................................ 90
Hình 5. 13: Mức SOC giảm xuống dưới 40% ................................................................... 91
Hình 5. 14: Sự thay đổi của độ mở bướm ga ..................................................................... 91
Hình 5. 15: Sự thay đổi của tốc độ động cơ xăng .............................................................. 92
Hình 5. 16: Điện áp phát ra của máy phát điện .................................................................. 92
Hình 5. 17: Dịng sạc của từng Acquy ............................................................................... 94

Hình 5. 18: SOC của từng Acquy ...................................................................................... 94
Hình 5. 19: Dịng sạc của từng Acquy ............................................................................... 95
Hình 5. 20: SOC của từng Acquy ...................................................................................... 95
Hình 5. 21: Dịng sạc của từng Acquy ............................................................................... 96
Hình 5. 22: SOC của từng Acquy ...................................................................................... 96
Hình 5. 23: Mức SOC của từng Acquy .............................................................................. 97
Hình 5. 24: Dịng sạc của từng Acquy ............................................................................... 98
Hình 5. 25: SOC của từng Acquy ...................................................................................... 98
Hình 5. 26: Dịng sạc của từng Acquy ............................................................................... 99
Hình 5. 27: Mức SOC lớn hơn 75% ................................................................................ 100
Hình 5. 28: Sự thay đổi của độ mở bướm ga ................................................................... 101
Hình 5. 29: Sự thay đổi của tốc độ động cơ xăng ............................................................ 101
Hình 5. 30: Sự thay đổi của dịng sạc Acquy ................................................................... 102
Hình 5. 31: Tốc độ mong muốn của xe ............................................................................ 103
Hình 5. 32: Dòng điện cần thiết cung cấp cho động cơ điện ........................................... 103
Hình 5. 33: Tốc độ mong muốn và tốc độ thực tế của xe ................................................ 104
Hình 5. 34: Dịng điện của Acquy ................................................................................... 104
Hình 5. 35: Mức SOC của Acquy .................................................................................... 105
Hình A. 1: Board Arduino Mega2560 ............................................................................. 108
xii

Hình A. 2: Giao diện phần mềm Arduino IDE ................................................................ 110
Hình A. 3: Hộp thoại trong phần mềm Arduino IDE ...................................................... 111
Hình A. 4: Cơng cụ trong Arduino IDE ........................................................................... 112

xiii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang
Bảng 2. 1: Bảng thông số động cơ Wave RSX FI-AT....................................................... 27
Bảng 2. 2: Thông số hệ thống nhiên liệu ........................................................................... 28
Bảng 3. 1: Thông số kỹ thuật tụ gốm 104 .......................................................................... 46
Bảng 3. 2: Thông số kỹ thuật tụ hóa 100uF-100V............................................................. 47
Bảng 3. 3: Thơng số kĩ thuật bộ hạ áp DC LM2596 .......................................................... 48
Bảng 3. 4: Thông số kỹ thuật mạch cầu L298N ................................................................ 48
Bảng 3. 5: Thông số kĩ thuật module relay 5V .................................................................. 49
Bảng 3. 6: Các thành phần của mạch chuyển xung ........................................................... 52
Bảng 3. 7: Các thành phần của mạch thu thập tín hiệu điện áp Acquy ............................. 55
Bảng 3. 8: Các thành phần mạch thu thập tín hiệu và điều khiển ...................................... 61
Bảng 3. 9: Bảng chuyển thang giá trị cảm biến ................................................................. 66
Bảng 4. 1: Các công cụ trong AppDesigner ...................................................................... 74
Bảng 4. 2: Các thuộc tính trong hơp thoại Inspector ......................................................... 77
Bảng A. 1: Cổng giao tiếp với phần cứng trên Arduino Mega2560 ................................ 109
Bảng A. 2: Cấu trúc hàm trong Arduino ......................................................................... 112

xiv

CHƯƠNG 1: TỞNG QUAN
1.1. Lý do chọn đề tài
Có thể nói thị trường ơ tơ Việt Nam vẫn có sự tham gia của các dòng xe Hybrid, tuy
nhiên số lượng vơ cùng ít ỏi. Xe Hybrid tại Việt Nam cũng khơng nằm trong diện ưu đãi
để có thể thu hút được khách hàng. Một vài cái tên như Lexus RX 450h, Lexus LS600h,
Mercedes-Benz S400 Hybrid, Toyota Prius hay Toyota Camry phiên bản Hybrid nhập
Mỹ... đã tham gia thị trường ô tô Việt từ nhiều năm trước nhưng đến giờ gần như đã lu mờ.
Thêm nữa ở Việt Nam, với mô hình giao thơng hỗn hợp, các mẫu xe Hybrid đều có
thể đảm đương được nhiệm vụ và giúp chủ nhân di chuyển liên tục với quãng đường xa
hơn. Với tình trạng kẹt xe thường xuyên ở nước ta, xe phải liên tục dừng và chạy ở tốc độ

thấp, động cơ điện với công suất không cao, nhưng với mô men xoắn lớn ở vịng quay thấp
vẫn có thể thoải mái di chuyển, giảm một lượng lớn khí thải ra mơi trường.
Nên việc ứng dụng những ưu điểm của xe Hybrid để xây dựng một mơ hình học tập
vừa giúp các em khóa sau tìm hiểu kỹ hơn về dịng xe này vừa có thể di chuyển đi lai trong
trường là một dự án thiết thực. Vì vậy nhóm chúng em xin chọn đề tài “Ứng dụng Matlab
- Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe E-REV” với động
cơ Wave RSX FI-AT như là một nguồn công suất để kéo máy phát nạp điện cho bộ Acquy
của mơ hình xe Hybrid. Thêm vào đó, bộ Acquy cũng cần giám sát thông qua một bộ điều
khiển. Hi vọng đề tài này sẽ là đòn bẩy để giúp nhóm chúng em nghiên cứu sâu về điều
khiển tự động các hệ thống trên xe, đặc biệt là trên các dịng xe Hybrid thơng minh hiện
nay.
1.2. Mục đích nghiên cứu
Điều khiển tự động động cơ và từ đó sử dụng công suất động cơ để kéo máy phát
điện nạp điện cho bộ Acquy trên mơ hình xe Hybrid kiểu nối tiếp một cách tự động. Tiếp
đó, hệ thống cân bằng Acquy sẽ hoạt động để giám sát và bảo vệ Acquy. Bên cạnh đó,
xây dựng chương trình mơ phỏng để kiểm tra và đánh giá các điều kiện thực tế. Cuối
cùng là thiết kế giao diện hiển thị đầy đủ dữ liệu động cơ và mơ hình xe.

1

1.3. Mục tiêu đề tài
-

Tự động khởi động (sau đó ngắt khởi động khi động cơ đã nổ) khi có tín hiệu điện áp
gửi về thấp cần sạc (54V ≈ 40%SOC) và tắt máy khi tín hiệu điện áp ứng với 75%
SOC là 68V.

-

Lập trình điều khiển góc mở bướm ga động cơ, qua đó ổn định góc mở bướm ga thích
hợp để duy trì tốc độ động cơ, có thể kéo máy phát điện đủ để nạp cho bộ Acquy mơ
hình xe điện.

-

Thu thập được tín hiệu từ cảm biến, xử lý và điều khiển động cơ.

-

Trong quá trình sạc, tiến hành cân bằng dung lượng của hệ thống 5 Acquy.

-

Mô phỏng bộ điều khiển sạc trên Matlab Simulink và phân tích kết quả.

-

Hiển thị dữ liệu động cơ và hệ thống Acquy lên giao diện trên máy tính thơng qua phần
mềm Matlab AppDesigner.

1.4. Đối tượng nghiên cứu
-

Tìm hiểu sử dụng được các ứng dụng cơ bản nhất của hai phần mềm Arduino và
Matlab.

-

Ôn lại kiến thức chuyên ngành về điều khiển động cơ và các cảm biến có trên động cơ.

-

Lập trình chương trình thu thập tín hiệu các cảm biến và chương trình giả lập tín hiệu
bằng Arduino.

-

Thiết kế giao diện Matlab để hiển thị những thông số của động cơ và Acquy.

-

Thiết kế phần cứng để đảm bảo an toàn việc kết nối board Arduino và các tín hiệu từ
cảm biến và xung cần thu thập, điều khiển.

-

Thiết kế bộ sạc và cân bằng dung lượng phù hợp với Acquy mơ hình xe điện.

1.5. Phương pháp nghiên cứu
Ứng dụng phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết để có cơ sở kiến thức cho đề tài:
-

Nghiên cứu những ứng dụng cơ bản nhất của hai phần mềm Arduino và Matlab rồi sau
đó dần đi vào mục đích nghiên cứu chính của đề tài là thiết kế bộ sạc Acquy.

-

Tham khảo nhiều nguồn tài liệu từ trên mạng và sách giáo trình liên quan đến đề tài về
các phần mềm và các giao tiếp khác. Đặt biệt được sự hướng dẫn chu đáo từ thầy

hướng dẫn và việc trao đổi kiến thức cùng các nhóm khác và các bạn khóa trước.

2

(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về