Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình xe điện phụ vụ nghiên cứu về điều khiển chuyển động

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 Điêṇ Tử Ơ Tơ
TP. Hồ Chí Minh, ngày ...... tháng ...... năm 2018

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: 1. Trầ n Lê Thanh Minh
2. Lê Minh Phú

MSSV: 14145165
MSSV: 14145196

Chuyên ngành: Công nghê ̣ Kỹ thuâ ̣t ô tô

Mã ngành đào tạo:………...

Hệ đào tạo: Đa ̣i ho ̣c chính quy

Mã hệ đào tạo:……………

Khóa: 2014 - 2018

Lớp: 141451B

1.

Tên đề tài: Nghiên cứu thiế t kế và chế ta ̣o mô hình xe điê ̣n phục vụ nghiên cứu

về điều khiển chuyển động.
2.

Nhiệm vụ đề tài:

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

3.

Sản phẩm của đề tài:

...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
4. Ngày giao nhiệm vụ đề tài: ..................................
5. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ..................................
TRƯỞNG BỘ MÔN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

i

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 Điêṇ Tử Ô Tô

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
Tên đề tài: Nghiên cứu thiế t kế và chế ta ̣o mô hình xe điê ̣n phục vụ nghiên cứu về điều
khiển chuyển động.
Họ và tên sinh viên: 1. Trầ n Lê Thanh Minh.
2. Lê Minh Phú.

MSSV: 14145165
MSSV: 14145196

Ngành: Công nghê ̣ Kỹ thuâ ̣t ô tô
I. NHẬN XÉT
1. Về hin
̀ h thức triǹ h bày & tiń h hơ ̣p lý của cấ u trúc đề tài:
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
2. Về nô ̣i dung (đánh giá chấ t lượng tiể u luận, ưu/khuyế t điể m và giá tri ̣ thực tiễn)
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................

................................................................................................................................................
II. NHỮ NG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈ NH, BỔ SUNG
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
III. ĐỀ NGHI ̣VÀ ĐÁNH GIÁ
1.

Đề nghi ̣(cho phép bảo vê ̣ hay không): …………………………………………

2.

Điể m đánh giá (theo thang điể m 10): ……………………………………………
TP.HCM, ngày … tháng … năm 2018
Giảng viên hướng dẫn
(Ký, ghi rõ họ tên)
ii


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 Điêṇ Tử Ô Tô

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
Tên đề tài: Nghiên cứu thiế t kế và chế ta ̣o mô hình xe điê ̣n phục vụ nghiên cứu về điều
khiển chuyển động.
Họ và tên sinh viên: 1. Trầ n Lê Thanh Minh.
2. Lê Minh Phú.

MSSV: 14145165
MSSV: 14145196

Ngành: Công nghê ̣ Kỹ thuâ ̣t ô tô
I. NHẬN XÉT
1. Về hình thức trình bày & tính hơ ̣p lý của cấ u trúc đề tài:
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
2. Về nô ̣i dung (đánh giá chấ t lượng tiể u luận, ưu/khuyế t điể m và giá tri ̣ thực tiễn)
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
II. NHỮ NG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈ NH, BỔ SUNG
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
III. ĐỀ NGHI ̣VÀ ĐÁNH GIÁ
3.

Đề nghi ̣(cho phép bảo vê ̣ hay không): …………………………………………

4.

Điể m đánh giá (theo thang điể m 10): ……………………………………………
TP.HCM, ngày … tháng … năm 2018
Giảng viên phản biê ̣n
(Ký, ghi rõ họ tên)

iii


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 Điêṇ Tử Ơ Tơ

XÁC NHẬN HỒN THÀNH ĐỒ ÁN
Tên đề tài: Nghiên cứu thiế t kế và chế ta ̣o mô hình xe điê ̣n phục vụ nghiên cứu về điều
khiển chuyển động.
Họ và tên sinh viên: 1. Trầ n Lê Thanh Minh.
2. Lê Minh Phú.

MSSV: 14145165
MSSV: 14145196

Ngành: Công nghê ̣ Kỹ thuâ ̣t ô tô

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 2018

iv


LỜI CẢM ƠN
Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn các q thầy từ bộ mơn Điện Tử Ơ tơ, cũng
như các thầy cơ trong khoa Cơ Khí Động Lực, trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành
phố Hồ Chí Minh, những người đã dìu dắt chúng em trong suốt thời gian học tập. Được
các q thầy cơ tận tình chỉ dạy và giúp đỡ từ những kiến thức chuyên môn trong nhà
trường đến thực tiễn trong cuộc sống đã giúp chúng em tiếp cận gần hơn và hiểu biết rõ
hơn về ngành nghề mà mình đã chọn. Từ những nền tảng kiến thức và hiểu biết vững chắc
đó đã giúp chúng em hoàn thành tập đồ án này và là hành trang để chúng em bước vào đời.
Hơn hết nhóm gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thạc sĩ Giảng viên NGUYỄN TRUNG HIẾU
Giáo viên hướng dẫn đề tài, người thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo kịp thời, tạo điều
kiện, động viên và giúp đỡ chúng em rất nhiều về mặt tinh thần cũng như kiến thức để
chúng em vượt qua những ngày tháng khó khăn trong q trình thực hiện đồ án này.
Bên cạnh đó chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã hết lịng ủng hộ,
giúp đỡ và góp ý cho nhóm em trong suốt q trình thực hiện.
Mặc dù đã rất cố gắng và nỗ lực nhiều, nhưng do kiến thức ít ỏi cũng như thời gian nghiên
cứu là có hạn nên những thành quả đạt được khơng tránh khỏi những thiếu sót. Do đó

chúng em kính mong nhận được những sự đóng góp, chỉ dạy của quý thầy cơ để chúng em
hồn thiện đồ án được tốt hơn.
Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn!

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng ... năm 2018
Nhóm sinh viên thực hiện
TRẦN LÊ THANH MINH
LÊ MINH PHÚ

v


TÓM TẮT
Ngày nay ô nhiễm môi trường đang là một vấn đề nhức nhói của xã hội mà ngun nhân
chính là từ các nhà máy, xí nghiệp đặc biệt là khí thải từ các phương tiện giao thơng sử
dụng động cơ đốt trong. Nhằm hạn chế vấn đề trên, các hãng xe đã thử nghiệm và chế tạo
ra các mẫu xe sử dụng các nguồn năng lượng sạch mà chủ yếu là các ô tô điện. Những
chiếc xe điện đầu tiên cịn thơ sơ sử dụng hê ̣ thớ ng lái, truyề n lực nặng nề, nguồn năng
lượng hạn chế, chúng dần dầ n được cải tiến hoàn thiện hơn với nhiều hệ thống hiện đại hỗ
trợ được người lái, một phát minh không thể không nhắc đến trong quá trình cải tiến này
là vi sai điện tử.
Với ưu điểm sử dụng nguồn năng lượng sạch, loại bỏ được những chi tiết cồng kềnh,
giá thành giảm, tăng công suất động cơ… dễ dàng nghiên cứu và phát triển các hệ thống
điều khiển chuyển động nhằm hướng tới các xe điện tự lái, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao
của con người trong tương lai.
Nắm được xu hướng phát triển của nền cơng nghiệp ơ tơ, nhóm chúng em quyết định
chọn đề tài “Nghiên cứu thiế t kế và chế ta ̣o mô hình xe điê ̣n phục vụ nghiên cứu về điều
khiển chuyển động” để thực hiện trong tập đồ án này.

vi

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................................v
TÓM TẮT ...........................................................................................................................vi
MỤC LỤC ........................................................................................................................ vii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ...................................................................x
DANH MỤC CÁC HÌ NH...................................................................................................xi
DANH MỤC CÁC BẢNG ...............................................................................................xiv
Chương 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ...................................................................................1
1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC ....................................1
1.2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ............................................................................1
1.3. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI ........................................................................................1
1.4. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ....................................................2
1.5. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN Ơ TÔ ĐIỆN .....................................3
1.6. GIỚI THIỆU VỀ VI SAI ĐIỆN TỬ .......................................................................10
1.7. GIỚI THIỆU VỀ CARSIM ....................................................................................11
1.8. GIỚI THIỆU VỀ MATLAB/SIMULINK .............................................................. 12
1.9. GIỚI THIỆU VỀ BOARD MẠCH ARM STM32F407 .........................................13
1.10. GIỚI THIỆU VỀ CATIA .....................................................................................14
1.11. GIỚI THIỆU CHUNG VÀ SO SÁNH ĐỘNG CƠ ĐIỆN ...................................15
1.12. GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ BLDC ..........................................................................16
1.12.1. Ưu và nhược điểm của BLDC ................................................................................. 16
1.12.2. Cấu tạo BLDC ......................................................................................................... 17
1.12.3. Phần đứng yên Stator .............................................................................................. 17
1.12.4. Phần quay Rotor ...................................................................................................... 19
1.12.5. Cảm biến vị trí Hall ................................................................................................. 19

Chương 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ......................................................................21

2.1. NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ ............................................................... 21
2.1.1. Ưu điểm của động cơ điện ...................................................................................... 21
2.1.2. Chọn loại động cơ ................................................................................................... 21
2.1.3. Động cơ In-Wheel ................................................................................................... 29

2.2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ ĐIỀU KHIỂN .................................................31

vii


2.2.1. Nghiên cứu thuật toán điều khiển bộ vi sai điện tử ................................................. 31
2.2.2. Thuật toán điều khiển PID ...................................................................................... 32

Chương 3. THIẾT KẾ XE ĐIỆN TRÊN CATIA VÀ THI CÔNG XE ĐIỆN............35
3.1. THIẾT KẾ XE ĐIỆN BẰNG PHẦN MỀM CATIA ..............................................35
3.1.1. Thiết kế tổng quan ................................................................................................... 35
3.1.2. Thiết kế khung chịu lực chính ................................................................................. 36
3.1.3. Thiết kế cầu sau ....................................................................................................... 37
3.1.4. Thiết kế cầu trước.................................................................................................... 38

3.2. THI CÔNG XE ĐIỆN ............................................................................................. 38
3.2.1. Thi công tổng quan .................................................................................................. 38
3.2.2. Gắp đỡ bánh xe cầu sau ........................................................................................... 39
3.2.3. Cơ cấu điều chỉnh gắp xe cầu trước ........................................................................ 40
3.2.4. Thi công hệ thống lái ............................................................................................... 40
3.2.5. Thi công sàn xe ....................................................................................................... 41
3.2.6. Thi công hệ thống treo ............................................................................................ 42
3.2.7. Thi công phanh ........................................................................................................ 43
3.2.8. Thiết kế bàn đạp ga ................................................................................................. 45
3.2.9. Thiết kế cần số lùi ................................................................................................... 45

3.2.10. Thiết kế cảm biến góc lái ........................................................................................ 46
3.2.11. Thi cơng điện thân xe .............................................................................................. 48

Chương 4. TÍNH TỐN, LẬP TRÌNH VÀ MƠ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN
CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE ĐIỆN TRÊN MATLAB/SIMULINK VÀ CARSIM .....50
4.1. TÍNH TỐN VÀ LẬP TRÌNH VI SAI ĐIỆN TỬ TRÊN SIMULINK ................50
4.1.1. Sơ đồ thuật toán ....................................................................................................... 50
4.1.2. Khối tính tốn tốc độ góc EDS................................................................................ 52
4.1.3. Bộ điều khiển PID ................................................................................................... 53
4.1.4. Khối đọc tín hiệu tốc độ góc bánh xe ...................................................................... 55
4.1.5. Khối đọc tín hiệu bàn đạp ga, góc lái và đo dịng điện 2 bánh xe. .......................... 57
4.1.6. Khối điều khiển tốc độ bánh xe............................................................................... 59
4.1.7. Khối đọc tín hiệu cơng tắc số tiến và lùi. ................................................................ 60
4.1.8. Khối điều khiển số tiến và lùi.................................................................................. 60

4.2. MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE TRÊN CARSIM .........61
4.2.1. Xây dựng và thiết lập số liệu để mô phỏng trên CARSIM ..................................... 61
4.2.2. Giao tiếp giữa CarSim và Matlab/Simulink ............................................................ 66
4.2.3. Mô phỏng và đánh giá ............................................................................................. 66

viii


Chương 5. QUÁ TRÌNH THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU
KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE ĐIỆN....................................................................75
5.1. KẾT QUẢ NGHIỆM THU PHẦN CƠ KHÍ ..........................................................75
5.2. THỬ NGHIỆM KHI XE CHẠY THẲNG ............................................................. 76
5.3. THỬ NGHIỆM KHI XE QUAY VÒNG................................................................ 78
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN .......................................82
6.1. NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT DƯỢC ..........................................................................82

6.2. HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI .......................................................................................82
6.3. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............................................................................82
PHỤ LỤC ..........................................................................................................................83
1. Hướng dẫn cài đặt thư viện WaijungBlockset vào thư viện Matlab/Simulink .........83
2. Hướng dẫn kết nối USB UART CP2102...................................................................86
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 87

ix


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
ECU: Electronic Control Unit (Bộ điều khiển điện tử)
EPS: Electric Power Steering (Hệ thống trợ lực lái điện)
TP.HCM: Thành Phố Hồ Chí Minh.
BLDC: Brushless DC Motor (động cơ một chiều không chổi than).
ĐCĐMC: Động cơ điện một chiều.
IM: Induction Mortor (động cơ không đồng bộ).
SynRM: Synchronous Reluctance Motor – SynRM (động cơ từ trở đồng bộ).
SRM: Switched Reluctance Motor (động cơ từ trở thay đổi).
IPM: Interior Permanent Magnet Motor (động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu).
EDS: Electronic Diferenttial System

x


DANH MỤC CÁC HÌ NH
Hình 1. 1 Con đường phát triển của xe điện ........................................................................3
Hình 1. 2 Mơ hình xe điện đầu tiên được phát minh bởi Robert Anderson ........................3
Hình 1. 3 Mơ hình xe điện phát minh bởi Robert Davidson vào năm 1838 ........................4
Hình 1. 4 Thomas Parker phát minh ra chiếc xe điện đầu tiên vào năm 1884 ....................4

Hình 1. 5 Morrison và hành khách trên xe điện của ơng năm 1891 ....................................5
Hình 1. 6 Bài báo viết về xe điện Riker năm 1896 .............................................................. 5
Hình 1. 7 Xe điện La Jamias Contente 1899 .......................................................................5
Hình 1. 8 Xe điện Phaeton de Wood 1902 ..........................................................................6
Hình 1. 9 Xe điện Buick Skylark General Motors (GM) 1972 ...........................................6
Hình 1. 10 Xe điện Vanguard-Sebring CitiCar 1974 ..........................................................7
Hình 1. 11 Xe điện GM EV1 1990 ......................................................................................8
Hình 1. 12 Xe điện Pinifarina Blue Car 2009 ......................................................................8
Hình 1. 13 Xe điện của hãng xe California Tesla Motors ...................................................9
Hình 1. 14 Mơ hình điều khiển vi sai điện tử cho xe điện có động cơ In-Wheel ..............10
Hình 1. 15 Phần mềm CarSim ...........................................................................................11
Hình 1. 16 Phần mềm MATLAB & SIMULINK .............................................................. 12
Hình 1. 17 Board mạch ARM STM32F407 ......................................................................13
Hình 1. 18 Phần mềm thiết kế CATIA V5-R21 ................................................................ 14
Hình 1. 19 Hai dạng sức phản điện động của BLDC ........................................................18
Hình 1. 20 Hai dạng sức phản điện động của BLDC ........................................................19
Hình 2. 1 So sánh đặc tính làm việc của động cơ điện ......................................................22
Hình 2. 2 Sơ đồ các loại động cơ có thể sử dụng cho xe ơ tơ điện ....................................22
Hình 2. 3 Động cơ điện 1 chiều .........................................................................................23
Hình 2. 4 Động cơ khơng đồng bộ .....................................................................................24
Hình 2. 5 Cấu trúc động cơ từ trở đồng bộ- SynRM .........................................................25
Hình 2. 6 Động cơ từ trở thay đổi ......................................................................................26
Hình 2. 7 Đồ thị dạng sức phản điện động của BLDC ......................................................26
Hình 2. 8 Đồ thị thể hiện độ nhấp nhô Mô-men của động cơ BLDC ................................ 27
Hình 2. 9 So sánh cấu trúc của động cơ SPM và IPM .......................................................28
Hình 2. 10 So sánh điện cảm dọc trục và ngang trục giữa SPM và IPM ..........................28
Hình 2. 11 Đặc tính Mơ-men vủa động cơ IPM ................................................................ 29
Hình 2. 12 Động cơ BLDC trang bị cho xe điện ............................................................... 30
Hình 2. 13 Mơ phỏng cấu trúc xoay vịng .........................................................................31
Hình 2. 14 Sơ đờ khớ i bơ ̣ điề u khiể n PID ..........................................................................33

Hình 2. 15 Sơ đồ khối bộ điều khiển chỉ có P ...................................................................33
Hình 2. 16 Sơ đồ khố i bô ̣ điề u khiể n chỉ có I ....................................................................34
Hình 2. 17 Sơ đờ khớ i bơ ̣ điề u khiể n chỉ có D ...................................................................34
Hình 3. 1 Mơ phỏng thiết kế xe điện của nhóm trước đã thi cơng trên CATIA ................35
Hình 3. 2 Thiết kế mới của xe điện trên phần mềm CATIA .............................................36
Hình 3. 3 Khung chịu lực chính thiết kế trên phần mềm CATIA......................................36
Hình 3. 4 Thiết kế cầu sau trên phần mềm CATIA ...........................................................37
Hình 3. 5 Thiết kế cầu sau trên phần mềm CATIA ...........................................................38
xi


Hình 3. 6 Hình ảnh chiếc xe điện sau khi hồn chỉnh .......................................................39
Hình 3. 7 Bản vẽ gắp đỡ cầu sau .......................................................................................39
Hình 3. 8 Cơ cấu điều chỉnh gắp xe cầu trước ...................................................................40
Hình 3. 9 Cơ cấu lái sau khi hồn thành ............................................................................41
Hình 3. 10 Sàn xe được đổ bằng sợi composite.................................................................41
Hình 3. 11 Hệ thống treo cầu trước ...................................................................................42
Hình 3. 12 Hệ thống treo cầu sau.......................................................................................42
Hình 3. 13 Tang trống ban đầu ..........................................................................................43
Hình 3. 14 Moayo sau đi được gia cơng và gắn đĩa phanh ................................................44
Hình 3. 15 Cơ cấu phanh hồn chỉnh .................................................................................44
Hình 3. 16 Hệ thống phanh tay được trang bị trên xe........................................................44
Hình 3. 17 Bàn đạp ga gắn trên xe .....................................................................................45
Hinh 3. 18 Cần số lùi được lắp trên xe ..............................................................................46
Hinh 3. 19 Biến trở công nghiệp ........................................................................................47
Hinh 3. 20 Cảm biến góc lái trên xe ..................................................................................47
Hinh 3. 21 Sơ đồ mạch điện nối dây các thiết bị ............................................................... 48
Hinh 3. 22 Công tắc cấp nguồn trực tiếp cho mạch ...........................................................48
Hinh 3. 23 Công tắc xoay ấn công nghiệp .........................................................................49
Hinh 3. 24 Hộp điện được lắp đặt trên xe ..........................................................................49

Hình 4. 1 Sơ đồ thuật tốn điều khiển trên mỗi bánh xe ...................................................50
Hình 4. 2 Sơ đồ khối điều khiển 2 bánh ............................................................................51
Hình 4. 3 Chương trình được viết trên Matlab/Simulink ..................................................51
Hình 4. 4 Chương trình tính tốn EDS ..............................................................................52
Hình 4. 5 Chương trình tính tốn EDS bên bánh trái ........................................................52
Hình 4. 6 Chương trình tính tốn EDS bên bánh phải .......................................................53
Hình 4. 7 Bộ tính tốn điều khiển bằng thuật tốn PID ....................................................54
Hình 4. 8 Khối Encoder Read ............................................................................................ 55
Hình 4. 9 Hai khối đo tốc độ bánh xe ................................................................................56
Hình 4. 10 Khối tính tốc độ góc.........................................................................................56
Hình 4. 11 Khối lọc nhiễu ..................................................................................................57
Hình 4. 12 Khối Regular ADC ..........................................................................................57
Hình 4. 13 Khối tính tốn góc lái .......................................................................................58
Hình 4. 14 Khối tính tốn tốc độ góc (giá trị mong muốn) ...............................................58
Hình 4. 15 Khối tính tốn dịng điện ra 2 động cơ ............................................................ 59
Hình 4. 16 Khối Regular DAC ..........................................................................................59
Hình 4. 17 Khối Digital Input ............................................................................................ 60
Hình 4. 18 Khối điều khiển số tiến và lùi ..........................................................................60
Hình 4. 19 Cho ̣n thơng số kích thước dựa trên mơ hình thực tế........................................61
Hình 4. 20 Khung xe được thay đồi từ phần mềm CATIA ...............................................62
Hình 4. 21 Bánh xe được thay đổi từ phần mêm CATIA ..................................................62
Hình 4. 22 Loại bỏ một số chi tiết không cần thiết............................................................ 63
Hình 4. 23 Mơ phỏng xe điện trong CARSIM sau khi thay đổi ........................................63
Hình 4. 24 Thiết lập các thơng số kỷ thuật cho trước ........................................................64
xii


Hình 4. 25 Thơng số đầu ra của xe ....................................................................................65
Hình 4. 26 Thơng số đầu vào của xe..................................................................................65
Hình 4. 27 Chương trình giao tiếp giữa Carsim và Simulink ............................................66

Hình 4. 28 Biểu đồ góc đánh lái của xe (φ=0.85) .............................................................. 66
Hình 4. 29 Biểu đồ quỹ đạo xe (φ=0.85) ...........................................................................67
Hình 4. 30 Biểu đồ thể hiện Yaw rate của xe (φ=0.85) .....................................................67
Hình 4. 31 Biểu đổ cận tốc của xe (φ=0.85) ......................................................................68
Hình 4. 32 Biểu đồ thể hiện độ trượt của 4 bánh xe (φ=0.85) ...........................................68
Hình 4. 33 Biểu đồ thể hiện vận tốc bánh xe (φ=0.85) ......................................................69
Hình 4. 34 Biểu đồ thể hiện gia tốc dọc của ngang của xe (φ=0.85).................................69
Hình 4. 35 Biểu đồ thể hiện gia tốc dọc của dọc của xe (φ=0.85).....................................70
Hình 4. 36 Biểu đổ góc lái của xe (φ=0.5).........................................................................70
Hình 4. 37 Biểu đồ thể hiện quỹ đạo của xe (φ=0.5) .........................................................71
Hình 4. 38 Biểu đồ thể hiện Yaw rate của xe (φ=0.5) .......................................................71
Hình 4. 39 Biểu đồ thể hiện tốc độ của xe (φ=0.5) ............................................................ 72
Hình 4. 40 Biểu đồ thể hiện độ trượt của 4 bánh xe (φ=0.5) .............................................72
Hình 4. 41 Biểu đồ thể hiện tốc độ 4 bánh xe (φ=0.5) .....................................................73
Hình 4. 42 Biều đồ thể hiện độ trượt bên của xe (φ=0.5) ..................................................73
Hình 4. 43 Biểu đồ thể hiện gia tốc ngang của xe (φ=0.5) ................................................74
Hình 4. 44 Biểu đồ thể hiện gia tốc dọc của xe (φ=0.5) ....................................................74
Hình 5. 1 Chiếc xe sau khi hồn thành ..............................................................................75
Hình 5. 2 Board điều khiển ................................................................................................ 76
Hình 5. 3 Đồ thị hiển thị tốc độ góc khi góc lái bằng khơng .............................................77
Hình 5. 4 Đồ thị thể hiện dòng điện của hai bánh xe .........................................................77
Hình 5. 5 Tín hiệu góc lái khi xe quay vịng......................................................................78
Hình 5. 6 Kích thước đoạn đường quay vịng trái & phải .................................................79
Hình 5. 7 Đoạn đường quay vịng trái trên thực tế ...........................................................79
Hình 5. 8 Đoạn đường quay vịng phải trên thực tế..........................................................80
Hình 5. 9 Tốc độ góc của hai bánh xe khi quay vịng .......................................................80
Hình 5. 10 Đồ thi ̣gia tố c do ̣c khi quay vòng .....................................................................81
Hình 5. 11 Đờ thi ̣gia tớ c ngang khi quay vòng .................................................................81
Hình 7. 1 Giao diện Website Waijung Blockset (1) ..........................................................83
Hình 7. 2 Giao diện Web Waijung Blockset (2) ................................................................ 83

Hình 7. 3 Biểu tượng phần mềm Matlab/Simulink............................................................ 84
Hình 7. 4 Thư viện phần mềm Simulink (1) ......................................................................84
Hình 7. 5 Thư viện phần mềm Simulink (2) ......................................................................85
Hình 7. 6 Khối Demo trong Simulink................................................................................85
Hình 7. 7 Kết nối UART với máy tính ..............................................................................86

xiii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1 Bảng so sánh giữa động cơ BLDC và động cơ thường .....................................15
Bảng 3. 1 Bảng kích thước xe điện ....................................................................................35
Bảng 4. 1 Giá trị Kp, Ki, Kd cho mỗi bánh xe ..................................................................54

xiv


Chương 1. TỞNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1.

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Trong nước: Xe điện đang là xu hướng phát triển của các doanh nghiệp lớn để đáp ứng
với nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng, nhưng lại ít đề tài nghiên cứu dùng các lý
thuyết điều khiển khác nhau: PID, Fuzzy, LQR, Neural Network… để điều khiển các hệ
thống thơng minh để ứng dụng trên đó, một trong đó là hệ thống vi sai điện tử. Thông qua
điều khiển tốc độ của động cơ BLDC, vi sai điện tử cũng đặt ra nhiều vấn đề khó khăn đối
với lý thuyết điều khiển cũng như thiết bị điều khiển chúng.
Ngồi nước: Có nhiều cơng trình nghiên cứu vể các hệ thống điều khiển tự động nhưng
chủ yếu là thiết kế hoàn chỉnh một module điều khiển duy nhất từ phần xử lý tín hiệu, xử

lý và tính tốn trung tâm, cơng suất, …
1.2.

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Môn học ứng dụng điều khiển tự động trên ô tô là môn học được áp dụng cho sinh viên
năm 3 ngành công nghệ kỹ thuật ô tô của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM. Môn
học này trang bị cho sinh viên các kiến thức về hệ thống điều khiển tự động. Tuy nhiên,
môn học vẫn thiếu những ví dụ minh họa, những thiết bị thực nghiệm để giảng dạy, đặc
biệt là các hệ thống trên xe điện.
Trong thực tế, xe điện được trang bị các hệ thống điều khiển tự động hơn là các xe sử
dụng động cơ đốt trong truyền thống. Vi sai điện tử là một điển hình, giúp việc điều khiển
xe được dễ dàng hơn nhưng nó chưa được áp dụng rộng rãi do cịn chưa được tối ưu hóa,
Từ vấn đề trên, chúng em thấy cần thiết phải nghiên cứu về vi sai điện tử nhằm phục
vụ cho nhu cầu học tập, nghiên cứu cũng như là tài liệu, thiết bị thực hành cho các khóa
sau.
1.3.

MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

 Tìm hiểu về CATIA, MATLAB/SIMULINK, CARSIM và board ARM STM32F4.
 Tìm hiểu về lịch sử và một số công nghệ điều khiển chuyển động trên xe điện.
 Thiết kế xe trên CATIA và chế tạo xe điện sử dụng động cơ BLDC với chức năng vi
sai điện tử.
 Mô phỏng động cơ BLDC và hệ thống vi sai điện tử bằng phần mềm

1


MATLAB/SIMULINK.

 Mô phỏng xe trên phần mềm CARSIM với chức năng vi sai điện tử.
 Thiết kế thuật toán trên MATLAB/SIMULINK điều khiển mơ hình thực nghiệm.
1.4.

PHƯƠNG PHÁP VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

 Phương pháp giải quyết vấn đề:
 Sử dụng các nguồn tài liệu trên Internet để tìm hiểu về CATIA, CARSIM,
MATLAB/SIMULINK, cách giao tiếp với board STM32F4, và các công nghệ điều
khiển chuyển động trên xe điện.
 Ứng dụng CATIA để thiết kế ra mơ hình xe điện.
 Ứng dụng kỹ thuật cơ khí để chế tạo mơ hình xe điện.
 Ứng dụng CARSIM để mơ phỏng xe điện thực hiện chức năng vi sai điện tử.
 Ứng dụng board STM32F4 kết hợp với giải thuật PID để điều khiển hai bánh xe thực
hiện chức năng vi sai điện tử.
 Tiến hành thu thập các tín hiện góc lái, tốc độ bánh xe, dòng điện cung cấp cho 2 động
cơ BLDC để phục vụ nghiên cứu chuyển động.
 Phạm vi nghiên cứu:
 Điều khiển tốc độ động cơ BLDC.
 Điều khiển vi sai điện tử.
 Đánh giá kết quả lý thuyết và kết quả thực nghiệm dựa trên mơ phỏng trên CARSIM
và mơ hình thực tế.
 Đưa ra nhận xét và đề xuất hướng phát triển của đề tài.

2


1.5.

LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN Ơ TƠ ĐIỆN

Chiếc xe chạy điện đầu tiên được phát minh vào năm 1834, và được thương mại hóa lần
đầu tiên vào năm 1852. Nhưng các mô-đen này không sử dụng pin sạc điện. Năm 1859,
pin sạc axit chì được Gaston Plante phát minh ra và sau đó được tiếp nối bởi Camille Faure,
đã cho phép xe điện có một thành cơng chưa từng thấy ở thế kỷ 19.

Hình 1. 1 Con đường phát triển của xe điện
Chiếc xe điện đầu tiên xuất hiện vào khoảng 1830 (1832-1839). Người đầu tiên phát
minh ra chiếc xe điện là Robert Anderson, một doanh nhân người Scotland. Lúc đó, chiếc
xe điện cịn rất thơ sơ.

Hình 1. 2 Mơ hình xe điện đầu tiên được phát minh bởi Robert Anderson

3


Khoảng năm 1835, ông Thomas Davenport (người Mỹ) chế tạo ra một đầu máy điện
nhỏ. Khoảng năm 1838 ông Robert Davidson (người Scotland) cho ra đời một mơ hình
tương tự có thể chạy tới vận tốc 6 km/h. Nhưng cả hai sáng chế đều khơng sử dụng pin có
thể sạc lại.

Hình 1. 3 Mơ hình xe điện phát minh bởi Robert Davidson vào năm 1838
Năm 1884, chúng ta thấy trong bức ảnh này ông Thomas Parker ngồi trên một chiếc xe
điện, đây có thể được coi là chiếc xe điện đầu tiên trên thế giới. Bức ảnh được công bố vào

Hình 1. 4 Thomas Parker phát minh ra chiếc xe điện đầu tiên vào năm 1884
4


tháng 4 năm 2009 bởi người cháu trai Graham Parker.

Năm 1891, ông William Morrison (người Mỹ) chế tạo thành công chiếc xe điện thực sự
đầu tiên.
Vào năm 1896, chiếc xe điện mang tên Ricker của ông Andrew Riker giành chiến thằng
trong một cuộc đua xe.

Hình 1. 5 Morrison và hành khách trên xe điện của ơng năm 1891

Hình 1. 6 Bài báo viết về xe điện Riker năm 1896
Vào năm 1899 tại Bỉ, một công ty đã chế tạo ra “La Jamais Contente” chiếc xe điện đầu
tiên chạy với tốc độ trên 100 km/h (có thể đạt đến 105 km/h). Chiếc xe được điều khiển
bởi Camille Jenatzy (người Bỉ) và được trang bị lốp xe của hãng Michelin. Xe mạng hình
dạng như một quả ngư lơi.

Hình 1. 7 Xe điện La Jamias Contente 1899
Vào năm 1900, xe điện bắt đầu thời kỳ hoàng kim. Hơn một phần ba số xe chạy trên
5


đường là xe chạy điện, phần còn lại là xe chạy xăng, dầu và hơi nước.
Năm 1902, ra đời chiếc xe Phaeton de Wood có thể chạy được quãng đường dài 29 km
với tốc độ 22,5 km/h và có giá chi phí là 2.000 USD.

Hình 1. 8 Xe điện Phaeton de Wood 1902
Năm 1912, sản xuất xe điện đạt đến đỉnh cao. Nhưng sự ra đời của chiếc xe chạy xăng
Ford Model T vào năm 1908 đã bắt đầu thu hút được sự chú ý của công chúng. Vào năm
1918, Cơng ty xe điện Anderson giới thiệu một mơ hình xe điện mới ở Detroit.
Trong những năm 1920, một số yếu tố dẫn đến sự suy giảm của xe điện. Có thể kể ra
như: phạm vi hoạt động của xe điện còn quá ngắn, tốc độ chạy còn quá thấp, xe chưa đạt
được cơng suất mong đợi, sự sẵn có của dầu mỏ, và giá xe điện cao gấp đôi xe chạy xăng
do hàng Ford sản xuất.

Năm 1966, Quốc hội Mỹ đề xuất việc sản xuất xe điện để giảm ô nhiễm không khí. Phần
lớn công chúng Mỹ ủng hộ, và nhất là trong bối cảnh tăng giá của xăng và dầu năm 1973
(cú sốc dầu lửa đầu tiên: OPEC cấm vận chống lại Hoa Kỳ). Như vậy, động lực thúc đẩy
phát triển xe điện là có. Tuy nhiên, thực sực vẫn chưa có gì cất cánh.
Năm 1972, ơng Victor Wouk cha để của dòng xe Hybrid (xe lai điện) đã chế tạo ra chiếc
xe Hybrid đầu tiên, mang tên Buick Skylark General Motors (GM).

Hình 1. 9 Xe điện Buick Skylark General Motors (GM) 1972

6


Năm 1974, ra đời chiếc xe Vanguard-Sebring CitiCar, giống như một xe điện dành cho
sân Golf, và được giới thiệu tại Hội nghị chuyên đề xe điện ở Washington (Electric Vehicle
Symposium de Washington, D.C). Xe có thể chạy được quãng đường dài 64 km với tốc độ
48 km/h. Năm 1975, công ty Vanguard-Sebring CitiCar là nhà sản xuất thứ sáu của Mỹ
nhưng bị giải thể một vài năm sau đó.

Hình 1. 10 Xe điện Vanguard-Sebring CitiCar 1974
Năm 1976, Quốc hội Mỹ phê chuẩn chương trình “Electric and Hybrid Vehicle
Research, Development, and Demonstration Act.”, với mục đích thúc đẩy sự phát triển của
công nghệ pin mới, động cơ và linh kiện hybrid.
Ngay từ năm 1988, ông Roger Smith chủ tịch của GM đã triển khai một quỹ nghiên cứu
dành riêng cho sự phát triển của một chiếc xe điện mới, đó là dòng xe EV1.Năm 1990 tiểu
bang California bỏ phiếu cho chương trình Zero Emission Vehicle (Xe khơng phát khí thải
ơ nhiễm), một kế hoạch dự tính khoảng 2% xe ơtơ sẽ khơng phá khí thải ơ nhiễm vào năm
1988 và 10% vào năm 2003. Cùng năm đó, Giám đốc điều hành của GM giới thiệu phiên
bản xe hai chỗ ngồi “Impact” tại triển lãm Los Angeles Auto Show.
Giữa năm 1996 và 1998 GM sản xuất 1.117 xe điện đời EV1, 800 xe trong số đó được
dủng cho thuê với một hợp đồng 3 năm.

7


Hình 1. 11 Xe điện GM EV1 1990
Tuy nhiên, đến năm 2000 xe điện sẽ lại chết một lần nữa.
Năm 2002, GM và DaimlerChrysler theo kiện California Air Resources Board (CARB)
để hủy bỏ luật Zero Emission Vehicle (ZEV) của năm 1990. Tổng thống Mỹ George Bush
tham gia với họ.
Năm 2003-2004, là sự kết thúc của dòng xe EV1. GM đã cho thu hồi tất cả các xe để
hủy, bất chấp nhiều cuộc biểu tình.

Hình 1. 12 Xe điện Pinifarina Blue Car 2009
8


Tại Pháp, tháng 3 năm 2009, công ty Vincent Bolloré thông báo phát hành trong năm
2010 xe điện Pinifarina Blue Car thuê bao tháng với giá 330€.
Ngày nay, sự nhận thức chung về môi trường ngày càng lớn mạnh, do đó thị trường xe
ơ tơ điện có cơ hội mới để tăng trưởng. Năm 2010, hãng xe California Tesla Motors đã
thành cơng gia nhập thị trường chứng khốn với hơn 200 triệu USD, và đạt được tăng
trưởng hơn 36,7% trong vịng một năm.

Hình 1. 13 Xe điện của hãng xe California Tesla Motors
Mặc dù vậy, với những gì Tesla đã làm được trên thế giới, các chuyên gia trong ngành
nhận định, xe điện sẽ trở nên thông dụng trong khoảng một thập kỷ tới. Và có thể trong
tương lai, dịng xe điện vốn lạ lẫm với đa phần người Việt sẽ xuất hiện thường xuyên hơn
trên đường phố Việt Nam.

9

1.6.

GIỚI THIỆU VỀ VI SAI ĐIỆN TỬ

Trong ngành kỹ thuật ô tô, vi sai điện tử là một dạng của vi sai cung cấp Mô-men yêu
cầu cho mỗi bánh lái và cho phép tốc độ ở các bánh xe khác nhau. Nó được sử dụng thay
cho sự khác biệt cơ khí trong các hệ thống multi-drive. Khi vào cua, bánh xe bên trong và
bên ngoài quay ở tốc độ khác nhau, bởi vì bánh xe bên trong mơ tả một bán kính quay nhỏ
hơn. Bộ vi sai điện tử sử dụng tín hiệu góc lái của vơ lăng và tín hiệu tốc độ động cơ để
điều khiển công suất cho mỗi bánh xe để bánh xe được cung cấp cùng với Mơ-men xoắn
mà họ cần.

Hình 1. 14 Mơ hình điều khiển vi sai điện tử cho xe điện có động cơ In-Wheel
Những hệ thống này, thường với một động cơ trên mỗi bánh xe, cần một bộ điều khiển
cấp cao bổ sung mà thực hiện nhiệm vụ tương tự như một sự khác biệt cơ khí.
EDS có một số lợi thế hơn bộ vi sai cơ khí:


Đơn giản - tránh các bộ phận cơ khí bổ sung như hộp số hoặc ly hợp



Mô-men độc lập cho mỗi bánh xe cho phép các tính năng bổ sung (ví dụ, kiểm sốt
kéo, kiểm sốt ổn định );



Reconfigurable - nó có khả năng lập trình để bao gồm các tính năng mới hoặc điều

chỉnh theo sở thích của người lái xe;



Cho phép phanh tái tạo phân phối ;



Mô-men xoắn không giới hạn bởi bánh xe với lực kéo nhỏ nhất, vì nó có sự khác biệt
cơ học.



Thời gian đáp ứng nhanh hơn và chính xác về Mơ-men cho mỗi bánh xe.

10


1.7.

GIỚI THIỆU VỀ CARSIM

Phần mềm CarSim được xây dựng và phát triển bởi cơng ty Mechanical Simulation
Corporation có trụ sở tại Ann Arbor, Michigan, chuyên cung cấp các ứng dụng mô phỏng
tương tác 3D. Ra đời vào năm 1996, đến nay CarSim cùng với các phần mềm tính tốn
TruckSim, BikeSim được cung cấp cho hơn 30 nhà sản xuất, 150 trường đại học và các
nhóm nghiên cứu trên tồn thế giới. CarSim mô phỏng các chuyển động của xe đua, xe chở
khách, xe tải nhẹ, và các loại xe tiện ích. Được dùng để thiết kế, phát triển, và kiểm định
các hệ thống trên xe.
CarSim với hệ thống dữ liệu hình ảnh mơ phỏng sống động, hơn 800 phương trình phân

tích tính tốn, đồ thị và có khả năng xuất ra dưới dạng file Matlab, Excel, ... Với giao diện
hiện đại, người dùng có thể chạy một thử nghiệm mơ phỏng, hay xem đồ thị đặc tính với
chỉ mơ ̣t click chuột. Các đồ thị và mô phỏng là công cụ phân tích linh hoạt và tương tác
cao, có thể dễ dàng xuất và chèn vào các bản báo cáo, hay thuyết trình Power Point. Các
phép tốn được sử dụng trong CarSim được xây dựng từ cơ sở lý thuyết cũng như đã qua
kiểm nghiệm thực tế chặt chẽ. CarSim sử dụng chương trình VehicleSim Lisp để tổng hợp,
phân tích các phương trình tính tốn, cung cấp các phương trình phi tuyến tính chính xác
cho các mơ phỏng phức tạp để tối ưu hóa tính tốn. Ngồi ra, các cơng cụ hỗ trợ và mở
rộng như Matlab/Simulink, LabVIEW, viết trên nền Visual Basic, C+ và các ngơn ngữ lập
trình khác giúp người dùng cố thể dễ dàng sử dụng các tùy chọn, hoặc mô phỏng các thành
phần lốp xe, phanh, hệ thống dẫn động.

Hình 1. 15 Phần mềm CarSim
11