Ứng dụng matlab arduino trong điều khiển động cơ xăng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.22 MB, 133 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ỨNG DỤNG MATLAB - ARDUINO TRONG ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ XĂNG
SVTH:
MSSV:
SVTH:
MSSV:
GVHD:
VŨ VĂN ĐẠT
16145359
BÙI THANH TÙNG
16145570
ThS. HUỲNH QUỐC VIỆT
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2020
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 ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ XĂNG
SVTH:
MSSV:
SVTH:
MSSV:
GVHD:
VŨ VĂN ĐẠT
16145359
BÙI THANH TÙNG
16145570
ThS. HUỲNH QUỐC VIỆT
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2020
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
TP. Hồ Chí Minh, ngày…tháng…năm ……
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: 1. VŨ VĂN ĐẠT
MSSV: 16145359
(E-mail: Điện thoại: 0963763502
2. BÙI THANH TÙNG
MSSV: 16145570
(E-mail: Điện thoại: 0379598667
Ngành: Công nghệ kĩ thuật ơ tơ
Khóa: 2016
Lớp: 161451
1. Tên đề tài: Ứng dụng matlab - arduino trong điều khiển động cơ xăng.
2. Nhiệm vụ đề tài
- Ơn tập tồn bộ kiến thức, tài liệu về lập trình Arduino, Matlab và tín hiệu cảm biến trên động
cơ.
- Kết nối giữa Matlab, Arduino và động cơ.
- Lập trình chương trình thu thập tín hiệu và điều khiển mô tơ kéo bướm ga nhằm để động cơ
dẫn động máy phát điện nạp về ac-quy.
- Thiết kế hộp phần cứng kết nối máy tính với động cơ để thu thập tín hiệu và điều khiển.
3. Sản phẩm của đề tài
- Hộp điều khiển động cơ.
- Mơ hình nạp cho ac-quy xe điện.
- File lập trình trên Arduino và giao diện trên AppDesigner.
- File báo cáo, đĩa CD file mềm, video thực nghiệm.
4. Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 22/03/2020
5. Ngày hồn thành nhiệm vụ: 19/08/2020
TRƯỞNG BỘ MƠN
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
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: VŨ VĂN ĐẠT
MSSV: 16145359
Hội đồng…………
Họ và tên sinh viên: BÙI THANH TÙNG
MSSV: 16145570
Hội đồng…………
Tên đề tài: Ứng dụng matlab - arduino trong điều khiển động cơ xăng.
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):
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
3. Đánh giá:
1.
2.
Điểm
tối đa
Mục đánh giá
TT
Hình thức và kết cấu ĐATN
Điểm đạt
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
học xã hội…
5
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
đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.
15
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 2020
Giảng viên hướng dẫn
((Ký, ghi rõ họ tên)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
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: VŨ VĂN ĐẠT
MSSV: 16145359
Họ và tên sinh viên: BÙI THANH TÙNG
MSSV: 16145570
Hội đồng…………
Hội đồng…………
Tên đề tài: Ứng dụng matlab - arduino trong điều khiển động cơ xăng.
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:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
5. Câu hỏi:
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
6. Đánh giá:
1.
2.
Điểm
tối đa
Mục đánh giá
TT
Hình thức và kết cấu ĐATN
Điểm đạt
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
học xã hội…
5
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
đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.
15
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 2020
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 điều khiển động cơ xăng.
Họ và tên sinh viên: VŨ VĂN ĐẠT
BÙI THANH TÙNG
MSSV: 16145359
MSSV: 16145570
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 2020
LỜI CẢM ƠN
Đề tài “Ứng dụng arduino – matlab trong điều khiển động cơ xăng ” là một đề tài
mới lạ. Trong khoảng thời gian ngắn với lượng kiến thức hạn chế, 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 hiên xin chân thành cảm ơn.
TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 08 năm 2020
Sinh viên thực hiện
Vũ Văn Đạt
Bùi Thanh Tùng
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 ac-quy.
2. Các hướng tiếp cận
-
Thông qua sự phát triển của cơng 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 thơng qua board Arduino Mega 2560, 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.
-
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 ac-quy.
-
Thu thập dữ liệu trực tiếp bằng Arduino sau đó truyền dữ liệu lên máy tính.
-
Bước đầu sạc tự động cho ac-quy.
ii
MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................... i
TÓM TẮT ................................................................................................................................ ii
MỤC LỤC ...............................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................... vii
DANH MUC CÁC HÌNH ....................................................................................................viii
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................................... xi
CHƯƠNG 1: TỞNG 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 THUYẾT ..................................................................................... 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. Ac-quy chì – axit.............................................................................................. 6
2.1.2.2. Ac-quy 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 ac-quy .................................................................................... 10
2.1.3.1. Phương pháp nạp bằng dịng khơng đổi ..................................................... 10
2.1.3.2. Phương pháp nạp bằng điện áp không đổi ................................................. 11
2.1.3.3. Phương pháp nạp dòng - áp ( 3 giai đoạn) ................................................. 12
2.2. Tổng quan về động cơ xăng Honda Wave FI_AT ................................................... 14
2.2.1. Giới thiệu động cơ xăng Honda Wave FI_AT .................................................. 14
2.2.2. Hệ thống phun nhiên liệu PGM_FI ................................................................... 15
iii
2.2.3. Lý thuyết cảm biến .............................................................................................. 17
2.2.3.1. Cảm biến CKP............................................................................................... 17
2.2.3.2. Cảm biến TP .................................................................................................. 18
2.2.3.3. Cảm biến EOT............................................................................................... 19
2.2.3.4. Cảm biến mực xăng ( FLS ) ......................................................................... 20
2.2.3.5. Cảm biến dòng điện ACS712 ....................................................................... 21
2.3. Hệ thống nạp điện trên ô tô ....................................................................................... 22
2.3.1. Khái quát .............................................................................................................. 22
2.3.1.1. Chức năng của hệ thống cung cấp điện ...................................................... 22
2.3.1.2. Cấu trúc của hệ thống cung cấp điện .......................................................... 23
2.3.1.3. Chức năng của máy phát điện xoay chiều .................................................. 24
2.3.2. Nguyên lý hoạt động của máy phát điện ........................................................... 25
2.3.2.1. Dòng điện xoay chiều 3 pha ......................................................................... 25
2.3.2.2. Bộ chỉnh lưu................................................................................................... 26
2.3.2.3. Bộ tiết chế....................................................................................................... 27
2.4. Ứng dụng vi điều khiển trong điều khiển động cơ .................................................. 29
2.4.1. Phương pháp điều xung PWM ........................................................................... 29
2.4.2. Ứng dụng của PWM trong điều khiển ............................................................... 29
2.5. Tổng quan về PID ....................................................................................................... 30
2.6. Tổng quan về động cơ DC ......................................................................................... 32
2.6.1. Động cơ DC .......................................................................................................... 32
2.6.2. Động cơ Faulhaber .............................................................................................. 32
2.7. Mơ hình hóa động cơ DC Faulhaber ........................................................................ 34
2.7.1. Tính tốn động học, xây dựng hàm truyền động cơ ......................................... 34
2.7.2. Mô phỏng điều khiển vị trí DC motor bằng matlab Simulink ........................ 36
2.7.2.1. Sơ đồ khối của mơ hình điều khiển vị trí động cơ DC.............................. 36
2.7.2.2. Kết quả của mơ phỏng .................................................................................. 37
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỘP ĐIỀU KHIỂN .............................................. 38
3.1. Sơ đồ tổng quát thu thập tín hiệu và điều khiển ..................................................... 38
3.1.1. Sơ đồ khối chức năng .......................................................................................... 38
3.1.2. Nội dung thiết kế bộ chấp hành .......................................................................... 39
3.2. Thiết kế hộp điều khiển ............................................................................................. 40
iv
3.2.1. Các linh kiện sử dụng .......................................................................................... 40
3.2.1.1. Điện trở .......................................................................................................... 40
3.2.1.2. Tụ gốm 104 .................................................................................................... 40
3.2.1.3. IC LM358 ....................................................................................................... 41
3.2.1.4. Mạch giảm áp DC LM2596 .......................................................................... 42
3.2.1.5. Mạch cầu L298N ........................................................................................... 43
3.2.1.6. Module relay 5V ............................................................................................ 44
3.2.2. Thiết kế mạch chuyển xung ................................................................................ 45
3.2.3. Thiết kế mạch thu thập tín hiệu báo xăng ......................................................... 47
3.2.4. Thiết kế mạch thu thập tín hiệu điện áp ac-quy. .............................................. 48
3.2.5. Thiết kế mạch sạc ac-quy .................................................................................... 50
3.2.5.1. Phương pháp phát điện sạc ac-quy ............................................................. 50
3.2.5.2. Mô phỏng mạch phát điện............................................................................ 50
3.2.6. Thiết kế thiết bị thu thập tín hiệu và điều khiển .............................................. 50
3.2.6.1. Các tín hiệu ngõ vào ...................................................................................... 50
3.2.6.2. Thiết kế mạch điều khiển ............................................................................. 51
3.2.6.3. Thi công thiết bị thu thập tín hiệu và điều khiển ....................................... 54
3.3. Thiết kế phần cơ khí................................................................................................... 55
3.3.1. Thiết kế miếng gá mơ tơ ...................................................................................... 55
3.3.2. Thiết kế bánh răng truyền động bướm ga ........................................................ 56
3.3.2.1. Tính tốn thơng số bộ bánh răng ................................................................ 56
3.3.2.2. Bộ bánh răng thực tế .................................................................................... 57
3.3.3. Thiết kế bộ truyền đai kéo máy phát ................................................................. 57
3.4. Thuật tốn điều khiển ............................................................................................... 58
3.4.1. Tiến trình thực hiện đọc tín hiệu ........................................................................ 58
3.4.2. Các lưu đồ thuật tốn .......................................................................................... 60
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG APP DESIGNER LẬP TRÌNH, THIẾT KẾ GIAO DIỆN
HIỂN THỊ .............................................................................................................................. 64
4.1. Giới thiệu chung về App Designer ............................................................................ 64
4.1.1. App Designer là gì?.............................................................................................. 64
4.1.2. Phương pháp để lập trình với App Designer .................................................... 65
4.2. Thao tác với App Designer ........................................................................................ 65
4.2.1. Khởi động App Desiger ....................................................................................... 65
v
4.2.2. Mô tả chức năng và giao diện App Designer .................................................... 66
4.3. Thiết kế giao diện nhận và hiển thị dữ liệu trên App Designer ............................. 71
4.3.1. Chu trình nhận dữ liệu trên App Designer ....................................................... 71
4.3.2. Thiết kế giao diện hiển thị ................................................................................... 72
4.3.2.1. Nội dung thiết kế ........................................................................................... 72
4.3.2.2. Kết quả thiết kế ............................................................................................. 72
CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ........................................... 75
5.1. Nội dung thực nghiệm ................................................................................................ 75
5.2. Tiến trình thực nghiệm .............................................................................................. 75
5.3. Kết quả thực nghiệm .................................................................................................. 75
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................... 85
6.1. Kết luận ....................................................................................................................... 85
6.2. Hướng phát triển ........................................................................................................ 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 86
PHỤ LỤC A: TỔNG QUAN VỀ ARDUINO ..................................................................... 87
1. Tổng quan về Arduino Mega 2560............................................................................... 87
1.1. Phần cứng của Arduino Mega 2560 ...................................................................... 87
1.2. Phần mềm Arduino IDE ........................................................................................ 89
2. Lập trình trên Arduino IDE ......................................................................................... 91
2.1. Ngơn ngữ lập trình trên Arduino .......................................................................... 91
2.2. Chương trình code .................................................................................................. 95
3. Bảng sai số kết quả vị trí bướm ga trong q trình hoạt động ............................... 106
PHỤ LỤC B: CHƯƠNG TRÌNH MATLAB APP DESIGNER ..................................... 108
1. Giao tiếp RS232 kết nối Matlab và Arduino ............................................................ 108
2. Chương trình code Matlab App Designer................................................................. 108
vi
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
vii
DANH MUC CÁC HÌNH
Trang
Hình 2.1.Mơ hình ơ tơ xe E - REV ........................................................................................... 4
Hình 2.2: Biểu dồ trạng thái sạc của xe E - REV ..................................................................... 5
Hình 2.3: Ac-quy chì - axit ....................................................................................................... 6
Hình 2.4: Ac-quy 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................................................................................... 13
Hình 2.10: Động cơ xăng Honda Wave FI_AT ...................................................................... 14
Hình 2.11: Sơ đồ mạch điện hệ thống PGM-FI ...................................................................... 16
Hình 2.12: Sơ đồ cảm biến CKP ............................................................................................. 17
Hình 2.13: Cảm biến TP ......................................................................................................... 18
Hình 2.14: Đường đặc tính cảm biến TP ................................................................................ 18
Hình 2.15: Cảm biến EOT ...................................................................................................... 19
Hình 2.16: Đường đặc tính cảm biến EOT ............................................................................. 19
Hình 2.17: Cảm biến báo xăng ............................................................................................... 20
Hình 2.18: Đường đặc tính cảm biến mực xăng .................................................................... 20
Hình 2.19: Cảm biến dịng điện ACS 712 .............................................................................. 21
Hình 2.20: Đường đặc tính cảm biến dịng ACS 712 ............................................................. 22
Hình 2.21: Hệ thống cung cấp điện trên ơ tơ .......................................................................... 23
Hình 2.22: Sơ đồ hệ thống nạp trên ơ tơ ................................................................................. 23
Hình 2.23: Cấu tạo máy phát .................................................................................................. 25
Hình 2.24: Ngun lý dịng điện xoay chiều .......................................................................... 26
Hình 2.25: Cấu tạo bộ chỉnh lưu máy phát ............................................................................. 26
Hình 2.26: Dịng điện xoay chiều 3 pha ................................................................................. 27
Hình 2.27: Đường đặc tính bộ điều áp IC ............................................................................... 28
Hình 2.36: Chu kỳ xung PWM ............................................................................................... 29
Hình 2.37: Sơ đồ khồi bộ PID................................................................................................. 31
Hình 2.38: Động cơ DC .......................................................................................................... 33
Hình 2.39: Sơ đồ mơ hình hóa động cơ DC ............................................................................ 34
Hình 2.40: Mơ phỏng điều khiển vị trí DC motor .................................................................. 36
Hình 2.41: Kết quả mơ phỏng điều khiển vị tri DC motor ..................................................... 37
Hình 3.1: Tổng quan giao tiếp Arduino Matlab ...................................................................... 38
Hình 3.2: Sơ đồ khối bộ giao tiếp ........................................................................................... 39
Hình 3.3: Tụ gốm 104 ............................................................................................................. 40
Hình 3.4: Sơ đồ mạch IC LM358 ........................................................................................... 42
Hình 3.5: Bộ giảm áp DC LM2596 ........................................................................................ 42
Hình 3.6: Mạch cầu L298N .................................................................................................... 43
viii
Hình 3.7: Module Relay 5V .................................................................................................... 44
Hình 3.8: Đặc tính xung cảm biến CKP ................................................................................. 45
Hình 3.9: Mạch mơ phỏng trên Protues .................................................................................. 46
Hình 3.10: Thiết kế mạch in ................................................................................................... 46
Hình 3.11: Đồ thị dạng xung sau khi chuyển.......................................................................... 47
Hình 3.12: Mạch chuyển xung thực tế .................................................................................... 47
Hình 3.13: Mạch cảm biến mực xăng ..................................................................................... 48
Hình 3.14: Mạch thu thập tín hiệu điện áp ac-quy .................................................................. 49
Hình 3.15: Mạch thu thập điện áp ac-quy thực tế ................................................................... 49
Hình 3.16: Mạch phát điện...................................................................................................... 50
Hình 3 17: Chân thu thập tín hiệu điện áp .............................................................................. 51
Hình 3.18: Mạch điều khiển rờ-le khởi động .......................................................................... 52
Hình 3.19: Mạch điều khiển rờ-le tắt máy .............................................................................. 52
Hình 3.20: Mạch điều khiển kích từ máy phát........................................................................ 53
Hình 3.21: Mạch điều khiển mơ tơ bướm ga .......................................................................... 53
Hình 3.22: Mạch thu thập tín hiệu và điều khiển.................................................................... 54
Hình 3.23: Hộp điều khiển thực tế .......................................................................................... 55
Hình 3.24: Miếng gá mơ phỏng trên Auto CAD .................................................................... 55
Hình 3.25: Miếng gá mơ tơ thực tế ......................................................................................... 56
Hình 3.26: Bộ bánh răng kéo bướm ga thực tế ....................................................................... 57
Hình 3.27: Bộ truyền đai kéo máy phát .................................................................................. 57
Hình 3.28: Chu trình đọc tín hiện dạng điện áp ...................................................................... 58
Hình 3.29: Chu trình đọc tín hiệu dạng xung.......................................................................... 58
Hình 3.30: Chu trình gửi dữ liệu ............................................................................................. 59
Hình 3.31: Lưu đồ thuật tốn điều khiển mở máy .................................................................. 60
Hình 3.32: Lưu đồ thuật tốn điều khiển tắt máy ................................................................... 61
Hình 3.33: Lưu đồ thuật tốn điều khiển kích từ máy phát .................................................... 62
Hình 3.34: Lưu đồ thuật tốn điều khiển bướm ga ................................................................. 63
Hình 4.1: Sơ đồ khối App Designer ........................................................................................ 64
Hình 4.2: Giao diện mở đầu AppDesigner ............................................................................. 66
Hình 4.3: Cửa sổ thiết kế đồ họa trong AppDesigner ............................................................. 68
Hình 4.4: Cửa sổ lập trình đối tượng trong AppDesigner ...................................................... 68
Hình 4.5: Hộp thoại Inspector ................................................................................................. 69
Hình 4.6: Chu trình nhận dữ liệu ............................................................................................ 71
Hình 4.7: Chu trình tách dữ liệu và hiển thị trong AppDesigner ............................................ 71
Hình 4.8: Giao diện hiển thị dang đồng hồ và điều khiển chương trình................................. 72
Hình 4.9: Giao diện nút điều khiển ......................................................................................... 73
Hình 4.10: Giao diện nút điều khiển ....................................................................................... 73
Hình 4.11: Giao diện hiển thị giá trị điện áp ac-quy............................................................... 73
Hình 4.12: Giao diện hiển thị tín hiệu theo đồ thị .................................................................. 73
Hình 4.13: Giao diện chương trình ......................................................................................... 74
Hình 5.1: Kết quả thực nghiệm 1 ............................................................................................ 76
Hình 5.2: Kết quả thực nghiệm 2 ............................................................................................ 78
ix
Hình 5.3: Kết quả thực nghiệm 3 ............................................................................................ 80
Hình 5.4: Kết quả thực nghiệm 3 ............................................................................................ 81
Hình 5.5: Kết quả thực nghiệm 4 ............................................................................................ 83
Hình 5.6: Kết quả thực nghiệm 4 ............................................................................................ 84
Hình A.1: Board Arduino Mega2560 ..................................................................................... 87
Hình A.2: Giao diện phần mềm Arduino IDE ........................................................................ 89
Hình A.3: Hộp thoai trong phần mềm Arduino IDE .............................................................. 90
Hình A.4: Cơng cụ trong Arduino IDE ................................................................................... 91
x
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1: Bảng thông số động cơ Wave RSX FI-AT............................................................. 14
Bảng 2.2: Thông số hệ thống nhiên liệu ................................................................................. 15
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật tụ gốm 104 ................................................................................ 41
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật IC LM358 ................................................................................. 41
Bảng 3.3: Thông số kĩ thuật bộ hạ áp DC LM2596 ................................................................ 42
Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật mạch cầu L298N ...................................................................... 43
Bảng 3.5: Thông số kĩ thuật module relay 5V ........................................................................ 44
Bảng 3.6: Các thành phần của mạch chuyển xung ................................................................. 45
Bảng 3.7: Các thành phần của mạch thu thập tín hiệu điện áp ac-quy ................................... 48
Bảng 3.8: Các thành phần mạch thu thập tín hiệu và điều khiển ............................................ 54
Bảng 3.9: Bảng chuyển thang giá trị cảm biến ....................................................................... 58
Bảng 4.1: Các công cụ trong AppDesigner ............................................................................ 66
Bảng 4.2: Các thuộc tính trong hơp thoại Inspector ............................................................... 69
Bảng A.1: Cổng giao tiếp với phần cứng trên Arduino Mega2560 ........................................ 88
Bảng A.2: Cấu trúc hàm trong Arduino[9] ............................................................................. 91
Bảng A.3:Bảng kết quả vị trí bướm ga ................................................................................. 106
xi
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, MercedesBenz 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 mơ 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 môi 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 Arduino – Matlab
trong điều khiển động cơ xăng” với động cơ Wave RSX FI-AT như là một nguồn công suất
để kéo máy phát nạp điện cho bộ ac-quy của mơ hình xe hybrid. Nhóm chúng em đã phối hợp
với một nhóm khác để tạo ra mơ hình xe hybrid nối tiếp để phục vụ nhu cầu nói trên. Hi vọng
đề tài này sẽ là địn 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. Từ đó sử dụng cơng suất động cơ để kéo máy phát điện
nạp điện cho bộ ac-quy trên mô hình xe hybrid kiểu nối tiếp một cách tự động. 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 (ngắt khởi động khi động cơ đã nổ) khi có tín hiệu điện áp gửi về thấp
cần sạc ( 55V) và tắt máy khi tín hiệu cường độ dịng điện xấp xỉ 0 (A).
-
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 ac-quy mô hình xe
điện.
-
Thu thập được tín hiệu từ cảm biến, xử lý và điều khiển động cơ.
-
Hiển thị dữ liệu động cơ lên giao diện trên máy tinh thông 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 tín hiệu bằng
Arduino.
-
Thiết kế giao diện Matlab để hiện thị những thông số của động cơ và ac-quy.
-
Thiết kế phần cứng để đảm bảo an tồn việc kết nối board Arduino và các tín hiệu từ cảm
biến và xung cần thu thập, điều khiển.
-
Thiết kế bộ nạp phù hợp với ac-quy 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 điều khiển bướm ga điện tử.
-
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
1.6. Nội dung nghiên cứu
Với sự định hướng của giáo viên hướng dẫn, nhóm đã thực hiện đề tài theo các giai đoạn sau:
Giai đoạn 1: Nghiên cứu các tài liệu phần mềm liên quan đến đề tài
- Lập trình về Arduino làm các ứng dụng cơ bản có liên quan đến đề tài.
- Lập trình về Matlab thực hiện hiển thị kết quả đơn giản.
- Nắm cơ bản các hệ thống liên quan trên mạch điện xe Honda Wave RSX AT-FI.
- Ôn lại kiến thức về hệ thống điều khiển động cơ và các cảm biến.
Giai đoạn 2: Thiết kế phần cứng, phần mềm cho đề tài nghiên cứu và nghiên cứu điều khiển
bướm ga điện tử.
- Thiết kế phần cứng là bộ điều khiển bướm ga và các mạch thu nhận tín hiệu.
- Thiết kế phần mềm là hồn thành chương trình trên phần mềm Arduino và Matlab để thu
thập dữ liệu ổn định, đồng thời điều khiển bướm ga theo chương trình cài đặt cho trước.
Giai đoạn 3: Tiến hành thu thập tín hiệu, điều khiển bàn đạp ga và viết thuyết minh.
- Nổ máy xe và thực hiện thu thập, truyền dữ liệu đi điều khiển.
- Làm video về quá trình thực hiện kết quả đề tài thực nghiệm.
- Viết thuyết minh bằng Word.
- Viết báo cáo bằng Powerpoint để thuyết trình.
- Hồn tất đề tài.
3
CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Mơ hình Extended-range electric vehicle
2.1.1. Khái niệm
Extended-range electric vehicle (E-REV) là một phương tiện chạy bằng điện, với tất cả
năng lượng được cung cấp bởi một động cơ điện, nhưng có một ICE nhỏ để tạo ra năng lượng
điện bổ sung. Ngoài ra, nó có thể được xem như là hybrid nối tiếp với pin lớn hơn nhiều, cụ
thể là, 10-20 kWh.
Hình 2.1.Mơ hình ơ tơ xe E - REV
Khi pin được xả đến một mức nhất định, ICE sẽ được bật để chạy một máy phát, lần
lượt, cung cấp năng lượng cho động cơ điện hoặc sạc lại pin. Với sự sắp xếp này, giới hạn
phạm vi vốn có trong BEV có thể được khắc phục. Đối với khoảng cách vừa phải, E-REV có
thể hoạt động ở chế độ chạy hồn tồn bằng điện và sau đó sạch sẽ và tiết kiệm năng lượng
như BEV (không giống như hybrid song song và các dòng hybrid khác với pin nhỏ hơn và
lượng điện rất hạn chế).
4
Đối với khoảng cách xa hơn, E-REV sử dụng ICE để giữ cho pin được sạc, nhưng
tiêu thụ nhiên liệu ít hơn đáng kể so với ICEV thơng thường vì hai lý do sau:
• Động cơ của E-REV nhỏ hơn đáng kể so với ICEV thơng thường - nó chỉ cần đáp ứng
nhu cầu năng lượng trung bình vì cơng suất cao nhất được cung cấp bởi bộ pin. Mặt
khác, động cơ của một ICEV, cũng phải bao gồm các đợt tăng cơng suất cực đại, ví dụ:
tăng tốc.
• Động cơ của E-REV hoạt động ở tốc độ không đổi, hiệu quả cao; trong khi đó ICEV
cho dù chạy ở tốc độ thấp hoặc cao, trong cả hai trường hợp, hiệu quả của nó thấp.
Các chế độ khác nhau của hoạt động E-REV được hiển thị sơ đồ trong hình 2.62. Chiếc
xe bắt đầu hành trình với pin SoC gần 100%. Tất cả sức mạnh của xe được cung cấp bởi động
cơ điện, chỉ lấy năng lượng từ pin, và khơng có khí thải cục bộ. Pin được sạc lại một phần sau
mỗi lần phanh tái sinh hoạt động. Khi ắc quy cạn kiệt so với SoC đã được định sẵn - được
đánh dấu trong hình 2.62 ở ba mức độ nghiêm trọng tăng dần, viz., Xanh lục, cam và đỏ - xe
chuyển sang chế độ extended-range. Trong khi xe đang hoạt động ở chế độ này, ICE được bật
và khi cần thiết để giữ pin trong vùng SoC được đánh dấu bằng các đường đứt nét màu xanh
lá cây và đỏ. Sau hành trình, pin SoC được sạc đầy 100% với nguồn điện lấy từ lưới điện.[7]
Hình 2.2: Biểu dồ trạng thái sạc của xe E - REV
5
• Ưu điểm : Động cơ đốt trong sẽ không hoạt động ở chế độ không tải nên giảm được ô
nhiễm môi trường. Động cơ đốt trong có thể chọn ở chế độ hoạt động tối ưu, phù hợp
với các loại ô tô. Mặt khác động cơ nhiệt chỉ hoạt động nếu xe chạy đường dài quá
quãng đường quy định dùng cho ác quy. Sơ đồ này có thể khơng cần hộp số.
• Nhược điểm : Kích thước và dung tích ac-quy lớn. Động cơ đốt trong ln làm việc
trong ở chế độ nặng để cung cấp nguồn điện cho ac-quy nên dễ bị quá tải, tuổi thọ giảm.
2.1.2. Nguồn năng lượng sử dụng trên xe điện
2.1.2.1. Ac-quy chì – axit
Ac-quy chì – axit là một trong những kiểu ac-quy đầu tiên trên thế giới, nó được sử
dụng rất phổ biến vì giá thành rẻ, vận hành an tồn. Tuy nhiên, loại ac-quy này có mật độ năng
lượng thấp nên rất nặng, tuổi thọ kém ( khoảng 3 năm với điều kiện vận hành đúng tiêu chuẩn
), nạp chậm và khó tái chế. Hơn nữa, chì là một chất có hại đối với sức khỏe, nên sau khi hết
thời hạn sử dụng không được thu gom và tái chế đúng cách thì ac-quy chì có thể trở thành
thảm họa mơi trường. Mặc dù ac-quy chì – axit cịn tồn tại rất nhiều nhược điểm nhưng nó vẫn
chiếm đến 79% thị phần ac-quy trong năm 2008.
Hình 2.3: Ac-quy chì - axit
2.1.2.2. Ac-quy Lithium-ion
Ac-quy Lithium – Ion là dòng ac-quy đang được sử dụng phổ biến trong các loại ô tô
điện đang và sắp được thương mại hóa vì nó có mật độ năng lượng cao nhất trong các loại ac6
