Thiết kế và thi công xe lăn điện

ể thay thay thế cho các loại nguyên liệu hiện nay. Chúng ta sẽ khơng cĩ gì ngạc nhiên khi hệ thống xe điện ra đời và ngày càng phát triển trên thế giới hiện nay. Hầu hết các nhà sản xuất tập trung phát triển hệ thống xe điện phục vụ nhu cầu của “thượng đế”, và là những phương tiện phổ biến như: xe hơi điện, xe moto điện, xe đạp điện ,….Cơng nghệ ngày càng phát triển và hiện đại trong lĩnh vực thiết kế bộ điều khiển với nhiều tính năng cho xe điện, tạo nhiều thuận tiện cho việc điều khiển cũng như thích ứng với phương tiện sử dụng nguồn nguyên liệu mới này. Các loại xe điện cũng ngày càng được tân trang và thiết kế đẹp hơn, đồng thời cũng cĩ nhiều tính năng như các phương tiện chạy bằng xăng, dầu… Nhiều hãng xe hơi lớn như Mittshubisi, Toyota,…cũng đã bắt đầu chuyển hướng đầu tư qua các loại hình xe hơi điện cĩ kết cấu và hình dáng đẹp, đảm bảo các chức năng vận hành như xe hơi hiện tại. Hình 1.1 Chiếc xe hơi điện do hãng Mittshubisi sản xuất. Tuy nhiên trên thị trường hiện nay loại phương tiện xe điện phổ biến nhất lại là xe đạp điện, một số nước phát triển ở Châu Á cũng đã và đang phát triển mạnh loại phương tiện như xe đạp điện và xe motor điện...Việc phát triển hệ thống xe đạp điện dựa trên cơ sở nhu cầu thực tế của người sử dụng. Một xe điện nĩi chung, thì nhược điểm lớn nhất chính là nguồn điện cung cấp cho xe hoạt động, chính vì vậy việc phát triển các loại xe motor điện hay xe hơi điện lại kém phát triển hơn xe đạp điện. Chính vì các yếu tố về nguồn điện cung cấp, quãng đường di chuyển ngắn, phương tiện nhỏ gọn và tốc độ vừa phải là ưu điểm lớn để nghành sản xuất xe đạp điện ngày càng phát triển; Trung Quốc là một trong những nước phát triển mạnh cơng nghệ sản xuất xe đạp điện và xe motor điện. Nhiều loại xe đạp điện ra đời với nhiều chức năng và cĩ tính mỹ thuật cao. Hình 1.2 Một loại xe đạp điện leo núi. Kết cấu một chiếc xe đạp điện khá đơn giản, bao gồm: một khung xe đạp thơng thường, một động cơ đùm, một bộ điều khiển và bộ nguồn cung cấp, cùng với hệ thống truyền động như xích, líp,...Chính vì yếu tố đơn giản và thuận tiện trong việc dịch chuyển nên xe đạp điện dần được người tiêu dùng quan tâm và sử dụng ngày càng nhiều.Và nhu cầu đĩ cũng được người tiêu dùng tại Việt Nam (một đấc nước cĩ truyền thống gắn bĩ với chiếc xe đạp) ưa chuộng. Hình 1.3: Động cơ xe đạp điện được gắn với hệ thống xích, líp và các cơ cấu truyền động. Ngồi hệ thống xe đạp điện được phát triển khá mạnh hiện nay thì hệ thống xe máy điện cũng được các nhà sản xuất quan tâm như nhà sản xuất Vino hay Bianco của Yamaha. Họ đã bắt tay vào việc chế tạo các loại xe máy chạy bằng điện cĩ những chức năng tương tự như xe máy chạy bằng xăng. Theo một số tài liệu đươc nghiện cứu về tình hình phát triển hiện nay của xe điện tại Việt Nam ta thấy: “Những chiếc xe máy điện trên thị trường được thiết kế chủ yếu theo 2 mẫu xe của Yamaha là Bianco và Vino, một số giống loại xe máy tay ga hiện hành. Tuy chạy bằng điện nhưng nhà sản xuất vẫn để một nắp bình xăng giả phía sau cho giống với xe chạy bằng xăng. Do vậy hình thức loại xe này khá bắt mắt, nhất là cĩ nhiều màu sắc như vàng hay hồng, ít thấy ở xe máy thơng thường. Xe cũng được lắp vành đúc và giảm xĩc như xe gắn máy. Tuy nhiên, nếu quan sát kỹ sẽ thấy mặt đồng hồ nhìn khơng nét, cịn các chi tiết mà cũng khơng được sáng. Do bình ắc-quy khơng quá lớn nên các xe đều cĩ một cốp xe rất rộng dưới yên. Dưới gầm xe, thay vào chỗ của động cơ là một bình ắc-quy dùng để tạo năng lượng. Mỗi ắc-quy này cần chừng ít nhất 3 tiếng đồng hồ để nạp đầy, đủ để chạy một quãng đường chừng 80km, thích hợp với một người cĩ nhu cầu đi lại ở phạm vi hẹp. Xe cĩ thể đạt vận tốc khoảng 40km/ giờ. So với xe đạp điện, xe máy điện khác ở chỗ cĩ cơng suất lớn hơn, do đĩ cĩ tốc độ cao hơn. Tuy nhiên, do dáng xe “nhái” theo kiểu xe ga của các hãng nổi tiếng, nên khơng cĩ bàn đạp, khi hết điện, người sử dụng chỉ cịn cách... dắt bộ. Về mặt kỹ thuật, xe máy điện được vận hành theo nguyên lý truyền động, dạng động cơ điện một chiều truyền động bằng trục chính của động cơ qua hộp giảm tốc để kéo xe thơng qua xích hoặc bánh răng với năng lượng lấy từ bình ắc-quy khơ được đặt bên trong thân xe. Bình ắc-quy dùng cho xe điện được nạp bằng nguồn điện từ 90 đến 204V. Với xe điện sản xuất trong nước, bình ắc-quy được sử dụng thường là hàng của Nhật, cĩ độ trữ lâu, chất lượng ổn định. Ngược lại bình ắc-quy xe điện nhập từ Trung Quốc hay bị hư, chảy nước và cháy. Khi chọn mua, nên lưu ý xem xét kỹ bình ắc-quy vì đây là một trong những bộ phận quan trọng của xe điện. Mang xe đi bảo hành 2 đến 3 tháng/lần để đảm bảo an tồn cho xe, đồng thời khơng nên để bánh xe mềm quá, cũng khơng nên bơm bánh xe căng quá. Nếu khơng cần thiết nên tránh lắp thêm cịi nhạc, đèn nháy, máy hát... vì sẽ làm ảnh hưởng đến bình ắc–quy ” Hình 1.4: Một số mẫu xe điện hiện nay tại Việt Nam Vai trị và cơng dụng của xe lăn điện hiện nay: Hiện nay hệ thống xe điện phát triển khá mạnh trên cơ sở đĩ việc nghiên cứu và cho ra đời chiếc xe lăn điện làm phương tiện đi lại phục vụ cho người khuyết tật là một yêu cầu phù hợp và khả thi trong việc mở rộng và phát triển hệ thống xe lăn điện trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Hiện nay cũng cĩ một số hãng xe lăn nổi tiếng cũng đã đầu tư và phát triển xe lăn điện nhằm phục vụ nhu cầu của người tiêu dùng như hãng xe lăn Kiến Tường…Nhìn chung các mẫu xe lăn cĩ kiểu dáng đẹp và phù hợp với thị hiếu của các đối tượng người tiêu dùng. Một số mẫu xe lăn điện hiện nay như: Hình 1.5 Xe lăn điện Kiến Tường một chỗ ngồi Hình 1.6 Xe lăn điện Kiến Tường hai chỗ ngồi. Nhìn chung hệ thống xe lăn điện hiện nay tuy chưa thực sự phát triển mạnh vì nhu cầu sử dụng của người tiêu dùng nhưng trong tương lai đây là một trong những ngành khá phát triển. yếu tố hạn chế của xe điện là bộ nguồn cung cấp cho xe khơng đủ lâu để đáp ứng nhu cầu khi di chuyển xa, thế nhưng nếu chúng ta nghiên cứu và vận dụng nguồn năng lượng mặt trời cung cấp cho xe thì đây lại là yếu tố thúc đẩy ngành sản xuất này phát triển mạnh mẽ. CHƯƠNG 2 - NỘI DUNG ĐIỀU KHIỂN XE LĂN ĐIỆN 2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ xe lăn điện: 2.1.1 Ảnh hưởng của điện áp đến tốc độ của xe lăn điện: Điện áp là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình điều khiển động cơ của xe lăn điện, giá trị điện áp ngõ ra điều khiển cao hay thấp quyết định tốc độ động cơ chậm hay nhanh. Vì vậy để điều khiển động cơ chạy ổn định, thì ta phải điều khiển điện áp ngõ ra một cách tuyến tính. n(vịng/phút) Điện áp(Volt) nđm Uđm Hình 2.1: Đồ thị vận tốc thay đổi ứng với điện áp Ứng với một điện áp ngõ ra ta cĩ thể quy định bằng một giá trị tốc độ nào đĩ của động cơ (Ví dụ: ứng với 1V điện áp ngõ ra động cơ đạt tốc độ là 5 vịng/phút), vì vậy muốn điều chỉnh được tốc độ động cơ ta cần điều chỉnh giá trị điện áp vào động cơ. 2.1.2 Ảnh hưởng của các điều kiện ngoại cảnh đến tốc độ xe lăn điện: Các điều kiện ngoại cảnh là một trong những yếu tố làm thay đổi khá lớn tốc độ của xe lăn điện. Tùy thuộc vào điều kiện ngoại cảnh và địa hình khác nhau thì tốc độ xe sẽ khác nhau. Trong điều kiện cĩ sức cản lớn thì tốc độ động cơ sẽ bị chậm lại (ví dụ khi xe lên dốc), ngược lại tốc độ động cơ sẽ được tăng thêm tốc độ (ví dụ như xe khi xuống dốc). Việc điều chỉnh tốc độ động cơ cũng tùy thuộc vào hồn cảnh khi xe vận hành, ở những nơi cần chạy chậm thì ta phải điều chỉnh tốc độ động cơ ở giá trị phù hợp, ở địa hình khĩ khăn thì tốc độ động cơ sẽ được điều chỉnh tăng lên. Do vậy để ổn định động cơ đạt tốc độ theo ý muốn của người sử dụng địi hỏi cĩ một bộ điều khiển phù hợp và ổn định. 2.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ xe điện: 2.2.1 Khái niệm phương pháp điều khiển động cơ điện: Điều khiển tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thơng số nguồn như điện áp hay các thơng số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thơng. Từ đĩ tạo ra các đặc tính cơ mới để cĩ những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu. Cĩ 2 phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ : - Phương pháp 1 : Biến đổi các thơng số đầu ra hay cịn gọi là thơng số được điều chỉnh là moment (M) và tốc độ () của động cơ. Cĩ nghĩa là làm thay đổi thơng số đầu ra bằng cách tác động lên thơng số đầu vào một cách rời rạc. Mỗi lần tác động ta cĩ một giá trị khơng đổi của thơng số đầu vào và tương ứng ta được một đường đặc tính cơ (nhân tạo). Khi động cơ làm việc, các nhiễu loạn sẽ tác động vào hệ (như phụ tải thay đổi, điện áp nguồn dao động …). Nhưng thơng số đầu vào vẫn giữ khơng đổi nên điểm làm việc của động cơ chỉ di chuyển trên một đường đặc tính cơ. Người ta gọi dạng điều chỉnh này là “điều chỉnh bằng tay” hoặc “điều chỉnh vịng hở” hoặc “điều chỉnh khơng tự động”. - Phương pháp 2 : Biến đổi các thơng số đầu vào hay cịn gọi là thơng số điều chỉnh điện trở phần ứng Rư (hoặc Rfư), từ thơng (hoặc điện áp kích từ Ukt ; dịng điện kích từ Ikt) và điện áp phần ứng Uư . Cĩ nghĩa là nhờ sự thay đổi liên tục của thơng số đầu vào theo mức độ sai lệch của thơng số đầu ra so với giá trị định trước, nhằm khắc phục độ sai lệch đĩ. Như vậy khi cĩ tác động của nhiễu làm ảnh hưởng đến thơng số đầu ra, thì thơng số đầu vào sẽ thay đổi và đơng cơ sẽ cĩ một đường đặc tính cơ khác, điểm làm việc của động cơ sẽ dịch chuyển từ đường đặc tính nhân tạo này sang đường đặc tính nhân tạo khác và vạch ra một đường đặc tính cơ của hệ điều chỉnh tự động. Việc thay đổi tự động thơng số đầu vào được thực hiện nhờ mạch phản hồi ; mạch này lấy tín hiệu từ thơng số đầu ra hoặc một thơng số nào đĩ liên quan đến đầu ra, đưa trở lại gây tác động lên thơng số đầu vào, tạo thành một hệ cĩ liên hệ kín giữa đầu ra và đầu vào. Vì vậy người ta gọi hệ này là hệ “điều chỉnh vịng kín” hoặc “điều chỉnh tự động”. Vì vậy ta khảo sát sự điều chỉnh tốc độ động cơ DC theo phương pháp thứ hai. Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều cĩ nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác. Khơng những nĩ cĩ khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển khá đơn giản hơn, đồng thời lại đạt được chất lượng điều chỉnh cao trong dãy điều chỉnh tốc độ rộng. Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá chất lượng hệ thống điều chỉnh tốc độ. Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và căn cứ vào các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền động điện : A - Hướng điều chỉnh tốc độ. Hướng điều chỉnh tốc độ là ta cĩ thể điều chỉnh để cĩ được tốc độ lớn hơn hay bé hơn so với tốc độ cơ bản (là tốc độ làm việc) của động cơ điện trên đường đặc tính cơ tự nhiên. B - Phạm vi điều chỉnh tốc độ (dãy điều chỉnh tốc độ). Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỷ số giữa tốc độ lớn nhất nmax và tốc độ bé nhất nmin mà người ta cĩ thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tải là định mức : D = nmax/nmin. Trong đĩ : nmax : được giới hạn bởi độ bền cơ học. nmin : được giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ. Thơng thường người ta chọn nmin làm đơn vị. Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụ thuộc vào từng yêu cầu của hệ thống, khả năng của từng phương pháp điều chỉnh. C - Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ. Độ cứng : . Khi càng lớn tức càng lớn và nhỏ, nghĩa là độ ổn định tốc độ càng lớn khi phụ tải thay đổi nhiều. Phương pháp điều chỉnh tốc độ tốt nhất là phương pháp mà giữ nguyên hoặc nâng cao độ cứng của đường đặc tính cơ. Hay nĩi cách khác càng lớn thì càng tốt. D - Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ. Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, cĩ nhiều cấp tốc độ. Độ liên tục khi điều chỉnh tốc độ được đánh giá bằng tỷ số giữa hai cấp tốc độ kề nhau : = ni/ni+1 . Trong đĩ : ni : tốc độ điều chỉnh thứ cấp i. ni+1 : tốc độ điều chỉnh thứ cấp i+1. Với ni và ni+1 đều lấy tại một giá moment nào đĩ. tiến càng gần 1 càng tốt, phương pháp điều chỉnh tốc độ càng liên tục. Lúc này 2 cấp tốc độ đều bằng nhau, khơng cĩ nhảy cấp hay cịn gọi là điều chỉnh tốc độ vơ cấp. 1 hệ thống điều chỉnh cĩ cấp. Hệ chỉ cĩ thể làm việc ổn định tại một số giá trị của tốc độ trong dãy điều chỉnh tốc độ. E - Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ. Hệ thống truyền động điện khi cĩ chất lượng cao là một hệ thống cĩ hiệu suất làm việc của động cơ là cao nhất, khi tổn hao năng lượng Pphu ở mức thấp nhất. F - Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ. Hệ thống điều chỉnh tốc độ truyền động điện cĩ tính kinh tế cao nhất là một hệ thống điều chỉnh phải thoả mãn tối đa các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Đồng thời hệ thống phải cĩ giá thành thấp nhất, chi phí bảo quản vận hành thấp nhất, sử dụng thiết bị phổ thơng nhất và các thiết bị máy mĩc cĩ thể dễ dàng thay thế khi bảo trì. 2.2.2 Phương pháp điều khiển xe lăn điện: Trong đề tài này nhĩm sinh viên áp dụng sự thay đổi điện áp trên động cơ để làm thay đổi tốc độ xe lăn điện. Với phương pháp điều khiển làm thay đổi độ rộng xung áp trên động cơ xe lăn ta cĩ thể dễ dàng hiệu chỉnh tốc độ động cơ theo từng chế độ cụ thể. Hình 2.6: Xung áp điều khiển tốc độ xe lăn điện . Trong các mạch điều khiển tốc độ xe điện hiện nay trên thị trường thơng thường cĩ hai phương pháp làm thay đổi độ rộng xung áp như sau: Thay đổi độ rộng xung áp điều khiển tốc độ xe điện dùng biến trở. Thay đổi độ rộng xung áp điều khiển tốc độ xe điện dùng Hall_Sensor. Ở mỗi cách thức điều khiển tốc độ xe lăn đều cĩ những tiện lợi riêng, tuy vậy việc sử dụng Hall_sensor để điều khiển tốc độ xe lăn điện sẽ đạt được tốc độ ổn định và độ bền cơ học cao. A - Thay đổi độ rộng xung áp điều khiển tốc độ xe điện dùng biến trở: Biến trở mắc trong mạch được nối với tay ga điều khiển bên ngồi, khi vặn tay ga làm thay đổi giá trị điện trở bên trong mạch sẽ dẫn đến thay đổi giá trị điện áp của mạch, tín hiệu áp thay đổi này được đưa vào ngõ RA1/AN1 của IC 16F876A, qua xử lý tín hiệu điều khiển sẽ được xuất ra điều khiển thay đổi tốc độ xe điện. Khác với cách điều khiển tốc độ của một động cơ thơng thường, việc điều khiển tốc độ xe lăn điện khĩ khăn và phức tạp hơn nhiều. Chúng ta khơng đơn thuần chỉ thay đổi điện áp của động cơ mà cần phải lập trình sao cho tốc độ động cơ thay đổi trong một khoảng thời gian trì hỗn nhất định gọi là bước tăng (đơn vị: sec), mỗi bước tăng dài hay ngắn quyết định sự thay đổi tốc độ động cơ nhanh hay chậm. Mỗi bước tăng là một xung điều khiển tốc độ động cơ, ta cĩ thể tăng các nấc của bước tăng từ 0 đến 255. Vậy thời gian để đạt được tốc độ tối đa của xe lăn trong một chế độ hoạt động (cĩ chọn trước) là: T = Thời gian tăng một bước × Số bước cực đại. Nếu bước tăng quá ngắn sẽ làm cho động cơ thay đổi tốc độ đột ngột, do vậy dễ gây ngã và sốc cho người sử dụng. Cịn nếu bước tăng quá dài sẽ tạo khoảng thời gian ì quá lâu, động cơ sẽ khơng nhạy trong việc thay đổi tốc độ, gây mất thời gian và tạo sự nhàm chán cho người sử dụng. Chính vì vậy việc lập trình tạo ra một bước tăng phù hợp sẽ đảm bảo tối ưu trong việc điều khiển tốc độ động cơ. B - Thay đổi độ rộng xung áp điều khiển tốc độ xe điện dùng Hall_Sensor: Khác với phương pháp dùng biến trở, khi dùng Hall_Sensor ta cĩ thể thay đổi trực tiếp giá trị điện áp cấp cho động cơ, mỗi Hall_Sensor được mắc giữa hai đầu từ trường cố định, tùy vào vị trí tương đối của Hall_sensor ta cĩ những giá trị điện áp khác nhau. Cách điều khiển tốc độ động cơ cho xe lăn điện tương tự như dùng biến trở .Tuy nhiên khi dùng Hall_Sensor trong điều khiển, chúng ta sẽ giảm đi sự ma sát của hệ thống khi thay đổi giá trị điện trở, do vậy bộ nguồn sẽ cĩ độ bền cao hơn so với khi dùng biến trở thơng thường. Cảm biến Hall là một bộ biến đổi làm thay đổi điện áp ngõ ra dựa trên sự thay đổi của từ trường. Cảm biến Hall được dùng cho các cơng tắc tương tự, máy đo tốc độ và dị vị trí, và các dịng điện ứng dụng. Nhìn một cách đơn giản nhất cảm biến Hall như là một bộ biến đổi Analoge, làm thay đổi các giá trị điện áp thực. Với một giá trị từ trường biết trước và khoảng dịch chuyển của cảm biến Hall ta cĩ thể suy ra giá trị điện áp tức thời ngay tại thời điểm đĩ. Nếu dùng kết hợp nhiều cảm biến thì mối quan hệ giữa các từ trường cần được quan tâm. Dịng điện chạy trong cuộn dây và sinh ra từ trường làm biến thiên dịng điện và cảm biến Hall cĩ thể dùng để đo dịng điện tại thời điểm tức thời . Cụ thể như cảm biến kết hợp với một cuộn dây hay những tấm thép từ xung quanh cuộn cảm thì cĩ thể đo được dịng điện. Thơng thường một cảm biến Hall kết hợp với dịng điện chạy trong thiết bị để làm khĩa đĩng ngắt kỹ thuật số (on/off). Trong đề tài này, cảm biến Hall được sử dụng như một thiết bị để thay đổi Analog tín hiệu điện áp cung cấp vào mạch điều khiển. Mỗi Hall_sensor đều cĩ một khoảng điện áp (theo quy định của nhà sản xuất) để cĩ thể thay đổi tín hiệu analog đưa vào điều khiển. Qua khảo sát thực tế và thử nghiệm nhiều lần, ta đo được mức điện áp thay đổi trong cảm biến Hall là từ 2,7V đến 4,8V. Trên cơ sở đĩ ta quy định mức xung trong chương trình điều khiển thay đổi cho phù hợp với từng loại tay ga hay nĩi cách khác là cho từng loại cảm biến Hall khác nhau. Hình 2.7 Cảm biến Hall và nguyên tắc hoạt động Hall_sensor được kết hợp tạo thành hệ thống tay ga, việc điều chỉnh tay ga tăng hay giảm sẽ tác động trực tiếp đến điện áp điều khiển xe lăn điện. Mỗi Hall_sensor được cấu tạo như sau: Phạm vi thay đổi của Hall_Sensor N S N S Hình 2.8: Cấu tạo của một Hall_sensor Hình 2.9 Ứng dụng của Hall_sensor 2.3 Các chế độ hoạt động của xe lăn điện: Khác với các loại xe lăn điện thơng thường, với bộ điều khiển kết nối với hệ thống cơ khí được thiết kế tương đối hồn hảo ta cĩ thể vận hành và điều khiển được xe lăn hoạt động khá tốt. Do sử dụng nguồn điện Acquy trong quá trình vận hành nên khi hoạt động, xe lăn điện càng tiết kiệm năng lượng càng mang lại hiệu quả hoạt động cao hơn. Đồng thời nhằm tạo ra sự thuận lợi và tối ưu nhất trong việc điều khiển, nhĩm sinh viên đã lập trình cho bộ nguồn với 3 chế độ hoạt động, đây cũng là điểm mới và mang tính thích nghi cao của đề tài, các chế độ như sau: Chạy chậm. Chạy ở đường bằng phẳng. Chạy ở đường dốc. 2.3.1 Chế độ chạy chậm: Chế độ hoạt động chạy chậm được lập trình nhằm phù hợp cho việc di chuyển xe trong những khu vực đơng người, khĩ di chuyển ví dụ: siêu thị, hội trường…. Trong chế độ này, nhĩm sinh viên đã khảo sát sơ bộ điều kiện di chuyển cho phù hợp và lập trình vận tốc tối đa trong chế độ này là 6 Km/h chiếm tỉ lệ 23,1% cơng suất tối đa của bộ nguồn cung cấp. 0% 23,1% 0 max ˜6Km/h Ga Hình 2.10 Biểu đồ điều khiển tay ga ở chế độ chạy chậm. Với chế độ này vừa đảm bảo cho người sử dụng điều khiển xe một cách an toàn vừa đảm bảo tiết kiệm năng lượng cho xe. Theo tính tốn số liệu khi hoạt động ở chế độ chạy chậm chúng ta cĩ thể tiết kiệm được khoảng 10% năng lượng tiêu hao so với khi cho xe hoạt động liên tục ở chế độ chạy đường bằng phẳng. Với những lợi thế về năng lượng như trên, việc lựa chọn chế độ hoạt động hợp lý: sẽ giúp người sử dụng tiết kiệm tối đa về năng lượng. 2.3.2 Chế độ chạy đường bằng phẳng: Khi hoạt động ở chế độ chạy đường bằng phẳng việc điều chỉnh tốc độ xe lăn điện sẽ đạt được tốc độ tối đa. Trong đề tài nhĩm sinh viên lập trình cho tốc độ tối đa của xe lăn điện là 26 Km/h, điều khiển xe lăn chạy nhanh hay chậm tuỳ thuộc vào cách điều khiển tay ga của người sử dụng. Đây là chế độ hoạt động thơng thường của xe lăn điện, ở chế độ này việc đảm bảo cho động cơ xe lăn đạt được tốc độ ổn định và bảo đảm tính an tồn cao trong việc vận hành xe. 0% 100% 0 max ˜26Km/h Ga Hình 2.11 Biểu đồ điều khiển tay ga ở chế độ chạy đường bằng phẳng Ở chế độ chạy đường bằng phẳng, tốc độ xe lăn đạt được giá trị tối đa, đồng thời bảo vệ quá dịng thấp(<= 20A), ít tiêu hao năng lượng do cơng vơ ích sinh ra, đây là chế độ hoạt động tốt nhất cho động cơ xe. 2.3.3 Chế độ chạy đường dốc: Cũng như khi hoạt động ở chế độ chạy đường bằng phẳng, chạy ở chế độ đường dốc tốc độ xe lăn điện vẫn đạt giá trị tối đa là 26 Km/h, tuy nhiên phần năng lượng tiêu hao để đạt được giá trị tối đa của tốc độ xe là khá lớn vì ảnh hưởng của cơng vơ ích gây ra. Khi di chuyển trong địa hình dốc và cao sẽ cĩ nhiều yếu tố cản trở sự di chuyển của xe, do vậy để đạt được tốc độ tối đa là 26Km/h khơng những địi hỏi cĩ một lực kéo lớn mà mạch điều khiển phải cĩ khả năng bảo vệ quá dịng cao(gần 50A) Chính vì thế ở chế độ hoạt động thứ ba này địi hỏi cĩ một năng lượng khá lớn mới cĩ thể đảm bảo được tốc độ tối đa của động cơ. Trong điều kiện sử dụng nguồn điện acquy là nguồn điện chính trong tồn bộ hoạt động của bộ điều khiển thì đây là một bất lợi khá lớn. Với yêu cầu đĩ tác giả đã thiết kế mạch và lập trình điều khiển cho PIC 16F876A hình thành một chế độ hoạt động vừa đảm bảo được tốc độ tối đa của động cơ, vừa bảo đảm khả năng quá dịng và đặc biệt là giảm việc tiêu hao năng lượng. Đĩ cũng là tính tối ưu và ưu thế vượt trội của xe lăn điện so với những chiếc xe lăn thơng thường. 0% 100% 0 max ˜26Km/h Ga Hình 2.12 Biểu đồ điều khiển tay ga ở chế độ chạy đường dốc. Đối với những xe lăn thơng thường khi leo dốc mức năng lượng tiêu hao là khá lớn, với việc sử dụng bộ điều khiển tối ưu vào điều khiển xe lăn điện chúng ta cĩ thể tiết kiệm trên 5% mức năng lượng tiêu hao. Tuy vậy do những bất lợi về yếu tố năng lượng (ở chế độ hoạt động này mức năng lượng tiêu hao cần thiết trong cùng một khoảng thời gian và trong cùng một tốc độ điều khiển cao hơn chế độ xe chạy ở đường bằng phẳng là 6,5%), người sử dụng phải hạn chế vận hành chế độ hoạt động này trong những trường hợp khơng cần thiết để bộ nguồn hoạt động bền hơn, ít tiêu hao năng lượng hơn. 2.4 Các lỗi được cảnh báo trong quá trình hoạt động của xe lăn điện Hệ thống đèn led cảnh báo là một trong những lợi thế và là một yếu tố cần thiết trong quá trình vận hành xe lăn điện. Nhờ hệ thống đèn cảnh báo người sử dụng sẽ dễ dàng nhận biết được những lỗi và các trạng thái của các yếu tố như mức pin, độ nhạy của cảm biến, động cơ…tạo sự an tồn và tin cậy cho người sử dụng. Do đĩ hệ thống cảnh báo hoạt động cĩ ổn định hay khơng quyết định tính năng tin cậy cho xe lăn điện. 2.4.1 Cảnh báo mức pin (acquy): Bộ điều khiển hoạt động dựa trên nguồn điện được cấp chính từ acquy, chính vì vậy đảm bảo cho nguồn acquy luơn ổn định là điều kiện tiên quyết để mạch hoạt động tốt hay khơng tốt. Chính vì vậy khi xe hoạt động chúng ta cần biết được năng lượng hiện đang sử dụng cho xe là bao nhiêu, trên nhu cầu đĩ tác giả đã lập trình và đưa các mức cảnh báo mức pin bằng sáu LED như sau : Khi acquy đầy sáu LED sẽ sáng đều, khi mức pin giảm dần đồng thời số LED sẽ tắt dần từ 6 đến 1. Khi Acquy sắp hết, cịn khoảng 2 nấc pin (LED 1 và LED 2 sáng) thì hai đèn LED sẽ nhấp nháy liên tục, LED tắt sau khi nguồn vượt qua ngưỡng quy định. Với những tín hiệu cảnh báo trên ta cĩ thể xác định chính xác mức pin của bộ nguồn đạt ở mức nào để cĩ thể dễ dàng điều chỉnh cho hợp lý. 2.4.2 Cảnh báo lỗi động cơ: Một yếu tố tiếp theo quyết định xe điện hoạt động ổn định hay khơng chính là động cơ của xe, động cơ xe hoạt động tốt đảm bảo về độ rung cũng như sự ổn định cơng suất thì xe lăn sẽ hoạt động tốt. Đây cũng là một vấn đề quan tâm của người sử dụng. Tác giả đã nghiên cứu và lập trình đưa ra tín hiệu cảnh báo trên sáu LED. Khi cĩ hiện tượng khơng ổn định trong quá trình hoạt động của động cơ (quá tải, quá dịng…), mạch điều khiển trong bộ nguồn sẽ nhận được tín hiệu và xuất giá trị làm cho sáu đèn LED chớp tắt liên tục. Các LED sẽ sáng lại bình thường (ứng với mức pin) khi sự cố đã được xử lý. 2.4.3 Cảnh báo lỗi cơng suất điều khiển: Cũng như các yếu tố trên, cơng suất của mạch điều khiển cũng ảnh hưởng khá lớn đến sự hoạt động của xe lăn điện, cơng suất được đảm bảo thì động cơ sẽ chạy đúng yêu cầu của người sử dụng. Cơng suất là yếu tố chịu ảnh hưởng của dịng và áp, và đây là những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ động cơ. Do vậy chúng ta cần phải xác định chính xác lỗi này. Tác giả đã nghiên cứu và lập trình đưa ra tín hiệu cảnh báo trên sáu LED: khi cĩ hiện tượng mất ổn định về cơng suất điều khiển, mạch trong bộ điều khiển sẽ nhận tín hiệu và xuất ra giá trị làm chớp tắt liên tục LED1 và LED6. 2.4.4 Cảnh báo quá dịng định mức: Trong chế độ hoạt động bình thường hoặc chế độ chạy chậm, thơng thường khả năng quá dịng trong mạch khá thấp(<=20A), tuy vậy khi chuyển sang chế độ hoạt động chạy ở đường dốc thì khả năng quá dịng của mạch tăng cao (<50A), nếu khơng cĩ mạch bảo vệ quá dịng thì sẽ hỏng bộ điều khiển. Lỗi này người sử dụng cần đặt biệt lưu ý và cẩn thận tối đa khi vận hành. Cũng từ đĩ tác giả đã lập trình cảnh báo trên 6 LED như sau: Khi cĩ hiện tượng quá dịng trong bộ điều khiển, LED 3 sẽ nhấp nháy liên tục. 2.5 Quy trình điều khiển xe lăn điện Nhằm đảm bảo an tồn và thuận tiện cho người sử dụng, bộ điều khiển được thiết kế và gắn vào đầu trước của xe lăn điện, điều này cũng tạo cảm giác dễ dàng cho việc điều chỉnh hướng chạy của xe. Trước khi khởi động xe ta cần lựa chọn chế độ hoạt động của xe đã được lập sẵn như: chạy chậm, chạy đường bằng phẳng, chạy đường dốc. Để đảm bảo sự an tồn trước khi vận hành xe, tác giả đã đề ra quy trình khởi động xe như sau: BĨP THẮNG NHẢ THẮNG GIẢM GA LÊN GA Hình 2.13 Quy trình khởi động xe lăn điện. Khi khởi động cần làm đúng trình tự trên thì xe lăn mới hoạt động được, việc làm đúng trình tự trên sẽ đảm bảo được hai vấn đề sau: Kiểm tra được thắng xe cĩ hoạt động tốt hay khơng bằng quy trình bĩp và nhả thắng. Kiểm tra sự hoạt động của tay ga trước khi vận hành xe lăn điện bằng quy trình lên ga và giảm ga. CHƯƠNG 3 - GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F876 VÀ PHƯƠNG PHÁP LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN XE LĂN ĐIỆN. 3.1 Vi điều khiển PIC họ 16F87X, đặt trưng là PIC 16F876: PIC16F876 là một vi điều khiển được chế tạo theo cơng nghệ RISC của hãng Microchip, cĩ 28 chân. Hình 3.1 Sơ đồ chân của 16F876 Các thơng số chính của 16F876A: - Tập lệnh: gồm 35 lệnh đơn, gần như các lệnh được thực hiện trong một chu kỳ lệnh (một chu kì lệnh bằng 4 lần chu kỳ xung clock) ngoại trừ các lệnh rẻ nhánh thực hiện trong 2 chu kì lệnh. - Tần số hoạt động: 0 – 20MHz, chu kỳ lệnh ở tần số 20MHz là 200ns - Bộ nhớ chương trình (FLASH ROM): 8Kx14bit - Bộ nhớ dữ liệu: gồm 368 byte RAM và 256 byte EEPROM - Điện áp làm việc: 2V đến 5VDC - Dịng điện điều khiển: 25mA cho cả mức HIGH và LOW - Số nguồn ngắt: 13 - Chức năng WATCHDOG hoạt động với bộ dao động RC bên trong vi điều khiển. - PIC16F876A cĩ 3 bộ timer, trong đĩ timer0 và timer2 8 bit, timer1 16 bit - Cĩ 5 kênh chuyển đổi tương tự số (ADC) 10 bit - 2 bộ PWM với độ phân giải 10 bit - Chỉ cĩ khả năng giao tiếp nối tiếp. Hình 3.2 Hình dáng và kích thước của PIC 16F876. Cấu trúc các cổng vào/ra : 􀀦 PORT A: gồm 6 chân điều khiển vào/ ra được đa hợp với 5 kênh ADC (AN0 đến AN4), cấu trúc các chân RA0-RA3 và RA5: Hình 3.3 Cấu trúc các chân RA0-RA3 và RA5. Khi được cấu hình như các kênh ADC các tín hiệu này chỉ là ngõ vào điện áp analog, trạng thái ngõ vào khi đọc luơn ở logic 0. Khi khơng sử dụng như các kênh ADC thì các tín hiệu này được cấu hình như các ngõ ra hoặc ngõ vào tùy thuộc vào bit điều khiển hướng TRISA, nếu bit TRISA =1: tín hiệu tương ứng là ngõ vào (vì lúc này 2 mosfet N và P đều ngưng dẫn), nếu bit TRISA =0: tín hiệu tương ứng là ngõ ra, trạng thái logic ở ngõ ra phụ thuộc vào bit dữ liệu là 1, thơng qua data FF và TRIS latch, ngõ ra cổng OR ở mức 0, mosfet P dẫn cung cấp Vdd đến ngõ ra, trong khi đĩ ngõ ra cổng AND là 0 nên mosfet kênh N ngưng dẫn, ta được ngõ ra ở mức 1. Ngược lại, nếu bit data là 0 thì mosfet P ngưng dẫn trong khi đĩ mosfet N dẫn kéo ngõ ra về lg 0. Tín hiệu RA4 trong port A được đa hợp giữa nguồn cấp xung clock từ bên ngồi cho bộ timer0. Khi được cấu hình như một I/O sẽ được điều khiển bởi tín hiệu TRISA tương ứng, nếu TRISA = 1: ngõ ra cổng AND là logic 0 nên mosfet N ngưng dẫn, RA4 là ngõ vào, ngược lại: RA4 sẽ là ngõ ra cực thu để hở (open collector) và mức logic phụ thuộc data bit, nếu data bit là 1 thì mosfet N ngưng dẫn, do đĩ ngõ ra gần như cách ly nên thực tế thường dùng một điện trở ngồi kéo lên (pull up resistor), giá trị điện trở phụ thuộc vào dịng mức cao cần điều khiển, tuy nhiên khơng được vượt quá 25mA. Xem hình sau: Hình 3.4 Cấu trúc bên trong chân RA4 􀀦 PORT B: Cấu trúc của RB0 đến RB3: Hình 3.5 Cấu trúc chân từ RB0 đến RB3 Cĩ thể định cấu hình các tín hiệu này như là ngõ ra hoặc ngõ vào phụ thuộc bit TRISB tương ứng. Nếu là ngõ ra thì mosfet P luơn ngưng dẫn, tín hiệu ra phụ thuộc ngõ ra của bộ đệm, nếu là ngõ vào và nếu bit RBPU (bit 7 trong thanh ghi OPTION_REG) là 0 thì mosfet P dẫn tương đương một điện trở vài kilo ohm kéo ngõ vào lên nguồn (weak pullup resistor) để tăng dịng HIGH input. Các tín hiệu RB4 đến RB7 cĩ cấu trúc như sau: Hình 3.6 Cấu trúc chân từ RB4 đến RB7 Cấu trúc các chân này tương tự như RB0-RB3 tuy nhiên khi được cấu hình như ngõ vào thì sự thay đổi trạng thái logic tại bất kì một trong 4 chân này cũng sẽ tạo ra sự kiện ngắt (interrupt on_change RB) 􀀦 PORT C: Cấu trúc của RC0 – RC2 và RC5-RC7, trong các tín hiệu này đáng quan tâm nhất là RC6 và RC7 do được đa hợp với các đường USART là TxD và RxD dùng trong trao đổi dữ liệu nối tiếp. Xem hình sau: Hình 3.7 Cấu trúc của RC0 – RC2 và RC5-RC7 Cấu trúc của RC3 và RC4: Hình 3.8 Cấu trúc của RC3 và RC4 3.2 Cấu trúc các lệnh và phương pháp lập trình điều khiển cho Pic bằng ngơn ngữ VisuaC. Các tập lệnh PIC. A - DELAY_MS(time) Cú pháp : delay_ms(time) Tham số : time - 0~255 nếu time là một biến số, 0~65535 nếu time là hằng số Trị trả về : khơng Chức năng : Tạo code để thực hiện delay một thời gian định trước. Thới gian tính bằng milisecond. Hàm này sẽ thực hiện một số lệnh nhằm delay 1 thời gian yêu cầu. Hàm này khơng sử dụng bất kỳ timer nào. Nếu sử dụng ngắt (interupt), thời gian thực hiện các lệnh trong khi ngắt khơng được tính vào thới gian delay. Yêu cầu : #uses delay. B - DELAY_US(time) Cú pháp : delay_us(time) Tham số : time - 0~255 nếu time là một biến số, 0~65535 nếu time là hằng số Trị trả về : khơng Chức năng : Tạo code để thực hiện delay một thời gian định trước. Thời gian tính bằng microsecond. Hàm này sẽ thực hiện một số lệnh nhằm delay 1 thời gian ._.