ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

TP. Hồ Chí Minh, ngày ...... tháng ...... năm 2017

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Nguyễn Vạn An.

MSSV: 13145001

Họ tên sinh viên: Nguyễn Hoàng Anh.

MSSV: 13145008

Chuyên ngành: Sư Phạm kỹ thuật ô tô

Mã ngành đào tạo:..............................

Hệ đào tạo: Đại học chính quy

Mã hệ đào tạo:....................................

Khóa: 2013 – 2017

Lớp: 139450 B

Tên đề tài: Nghiên cứu và thiết kế bộ vi sai điện tử trên xe điện
Nhiệm vụ đề tài:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
..............................................................................................
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

SINH VIÊN

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

Nguyễn Hoàng Anh

MSSV: 13145008

Hội đồng:…………

Họ và tên sinh viên:

Nguyễn Vạn An

MSSV: 13145001

Hội đồng:…………

Tên đề tài: Nghiên cứu và thiết kế bộ vi sai điện tử trên xe điện
Ngành đào tạo: Sư phạm kĩ thuật ôtô
Họ và tên GV hướng dẫn: Nguyễn Trung Hiếu
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(khơng 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)
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

ii


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

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


3. Đánh giá:

Mục đánh giá

TT
1.

2.

Hình thức và kết cấu ĐATN

Điểm
tối đa
30

Đúng format với đầ y 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

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

50
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…
3.
4.

Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài
Sản phẩm cụ thể của ĐATN
Tổng điểm

Điểm đạt

được

5
10
10
100

4. Kết luận:
 Được phép bảo vệ
 Không được phép bảo vệ

iii


TP.HCM, ngày

tháng 07 năm 2017

Giảng viên hướng dẫn
((Ký, ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

Bộ môn ……………………………..

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên phản biện)
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Hoàng Anh

MSSV: 13145008 Hội đồng…………

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Vạn An

MSSV: 13145001 Hội đồng…………

Tên đề tài: Nghiên cứu và thiết kế bộ vi sai điện tử trên xe điện
Ngành đào tạo: Sư phạm kĩ thuật ôtô
Họ và tên GV phản biện: (Mã GV) ..................................................................................................
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:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

iv


5. Câu hỏi:
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................

6. Đánh giá:
Điểm
tối đa

TT

Mục đánh giá

1.


Hình thức và kết cấu ĐATN
Đúng format với đầ y đủ cả hình thức và nội dung của các
mục

2.

30
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 hợi…

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…
3.
4.

Điểm đạt
được

Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài
Sản phẩm cụ thể của ĐATN
Tổng điểm

5
10
10
100

7. Kết luận:
 Được phép bảo vệ
 Không được phép bảo vệ

TP.HCM, ngày

tháng 07 năm 2017

v


Giảng viên phản biện
((Ký, ghi rõ họ tên)

vi


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

XÁC NHẬN HỒN THÀNH ĐỒ ÁN
Tên đề tài: “Nghiên cứu và thiết kế bộ vi sai điện tử trên xe điện”

Họ và tên sinh viên:.......................................................................

MSSV: .............................................

........................................................................... MSSV: .............................................

Ngành: Sư Phạm Kỹ thuật 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 07 năm 2017

vii


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và rèn luyện tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
chúng em đã học được rất nhiều kiến thức bổ ích về chuyên môn lẫn kiến thức cuộc sống
từ các thầy cô, chúng em được các q thầy cơ tân tình chỉ dạy và giúp đỡ trong quá trình
học tập. Từ những kiến thức mà các quý thầy cô chỉ dạy giúp chúng em có nền tảng vơ
cùng vững chắc để hồn thành Đồ Án Tốt Nghiệp một cách tốt đẹp.
Chúng em xin chân thành cảm ơn các quý thầy cô trong bộ mơn Điện Tử Ơtơ cũng như
các thầy cơ trong khoa Cơ Khí Động Lực và những người đã dìu dắt chúng em, đã truyền
dạy cho chúng em những kiến thức về chuyên môn vô cùng quý báu, giúp chúng em tiếp
cận gần hơn và hiểu biết rõ hơn về ngành nghề mà mình đã chọn để chúng em có một nền
tảng kiến thức và hiểu biết vững chắc để bước vào đời.
Nhóm chúng em đặc biệt 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,
tạo điều khiện, 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 sự tìm tịi hiểu biết về lĩnh
vực mới, kiến thức mới để rồi cuối cùng hoàn thành được đồ án tốt nghiệp ngày hôm nay.
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 đồ án tốt nghiệp.
Mặc dù đã rất cố gắng và nỗ lực nhiều, nhưng do kiến thức ít ỏi của chúng em 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 25 tháng 07 năm 2017
Nhóm sinh viên thực hiện
NGUYỄN VẠN AN
NGUYỄN HOÀNG ANH

viii


TÓM TẮT
Ngày nay nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng sạch đang tăng lên mạnh mẽ nguyên
do là vì các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và việc sử dụng nhiên liệu này
gây ra những ô nhiễm về mơi trường, hiệu ứng nhà kính, thiên tai, lũ lụt... Chính vì thế xe
điện ra đời để giải quyết vấn đề này. Những chiếc xe điện đầu tiên cịn thơ sơ sử dụng hộp
số và vi sai cơ khí nặng nề, chúng dần được cải tiến các hệ thống về cơ khí cũng như điện
tử để ngày càng hoàn thiện và đáp ứng được nhu cầu thực tế. Một phát minh khơng thể
khơng nhắc đến trong q trình cải tiến này là vi sai điện tử với nhiều ưu điểm: loại bỏ
được những chi tiết cồng kềnh, giá thành giảm, tăng cơng suất động cơ...
Vì những lí do trên, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu và thiết kế bộ vi sai điện tử trên
xe điện” .
➢

Vấn đề nghiên cứu:

➢ Tìm hiểu về MATLAB/SIMULINK và board STM32F4
➢ Thiết kế chế tạo xe điện sử dụng động cơ BLDC với chức năng vi sai điện tử

➢

Phương pháp giải quyết vấn đề:

➢ Sử dụng các nguồn tài liệu trên Internet để tìm hiểu về MATLAB/SIMULINK và cách
giao tiếp với board STM32F4.
➢ Ứng dụng board STM32F4 kết hợp với giải thuật PID để điều khiển hai bánh xe thực
hiện chức năng ci sai điện tử.
➢

Kết quả đạt được:

➢ Nắm được một số hàm cơ bản trong MATLAB/SIMULINK để có thể giao tiếp và lập
trình trên board STM32F4
➢ Hồn thành phần cơ khí của xe với các bộ phận như: khung sườn, bánh xe, cơ cấu lái,
phanh, bàn đạp ga, ghế ngồi, sàn xe. Vi sai điện tử của xe hoạt động như một chiếc vi
sai cơ khí thơng thường.

ix


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. viii
TÓM TẮT ...........................................................................................................................ix
MỤC LỤC ........................................................................................................................... x
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ................................................................ xii
DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................................ xiii
DANH MỤC CÁC BẢNG ...............................................................................................xiv
Chương 1. TỔNG QUAN .................................................................................................... 1

1.1.

Giới thiệu tổng quan .................................................................................................. 1

1.1.1. Lịch sử phát triển của vi sai điện tử. ...................................................................... 1
1.2.1. Giới thiệu về MATLAB/SIMULINK .................................................................... 3
1.2.2. Giới thiệu bo mạch STM32F407 ............................................................................ 4
1.2.3. Giới thiệu về động cơ BLDC ................................................................................. 5
1.2.3.1. Giới thiệu chung và so sánh. ............................................................................ 5
1.2.3.2. Ưu nhược điểm của BLDC .............................................................................. 6
1.2.3.3. Cấu tạo BLDC .................................................................................................. 7
1.2.3.4. Phần đứng yên Stator ....................................................................................... 8
1.2.3.5. Phần quay Rotor ............................................................................................... 9
1.2.3.6. Cảm biến vị trí Hall Sensor ............................................................................ 10
Chương 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ......................................................................... 12
2.1. Nghiên cứu lựa chọn động cơ ..................................................................................... 12
2.1.1. Ưu điểm của động cơ điện .................................................................................... 12
2.1.2. Chọn loại động cơ................................................................................................. 12
2.1.2.2. Động cơ không đồng bộ (Induction Motor - IM)........................................... 15
2.1.2.3. Động cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor - SynRM) ............ 15
2.1.2.4. Động cơ từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor - SRM) ...................... 16
2.1.2.5. Động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC motor - BLDC motor) . 17
2.1.3. Động cơ In-wheel .............................................................................................. 20
2.2. Nghiên cứu lý thuyết điều khiển ................................................................................. 22
2.2.1. Nghiên cứu thuật toán điều khiển bộ vi sai điện tử .............................................. 22
2.2.2. Thuật toán điều khiển PID .................................................................................... 23
Chương 3. TÍNH TỐN – THIẾT KẾ .............................................................................. 27
3.1. Tính tốn – Thiết kế khung sườn và cơ khí ................................................................ 27

x



3.1.1. Thiết kế tổng quan ................................................................................................ 27
3.1.2. Khung chịu lực chính ........................................................................................... 27
3.1.3. Gắp đỡ bánh xe cầu sau ........................................................................................ 28
3.1.4. Cơ cấu điều chỉnh góc đặt bánh xe cầu trước ....................................................... 29
3.1.5. Cơ cấu lái .............................................................................................................. 29
3.2. Thiết kế bộ điều khiển ................................................................................................ 30
3.2.1. Thiết kế cảm biến góc lái...................................................................................... 30
3.2.2. Thiết kế cảm biến bướm ga .................................................................................. 32
3.2.3. Sơ đồ thuật tốn .................................................................................................... 33
3.2.3.1. Khối tính tốn tốc độ góc EDS ...................................................................... 34
3.2.3.2. Bộ điều khiển PID .......................................................................................... 35
3.2.3.3. Khối đọc tín hiệu tốc độ góc bánh xe............................................................. 36
Chương 4. CHẾ TẠO – THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ............................................... 39
4.1. Chế tạo và thi công ..................................................................................................... 39
4.1.1. Thi công phanh ..................................................................................................... 39
4.1.2. Thi công điện thân xe ........................................................................................... 40
4.2. Quá trình thử nghiệm và đánh giá .............................................................................. 43
4.2.1. Kết quả nghiệm thu phần cơ khí ........................................................................... 43
4.2.2. Thử nghiệm khi xe chạy thẳng (góc lái bằng khơng) ........................................... 44
4.2.3. Thử nghiệm khi xe quay vòng .............................................................................. 47
Chương 5. Kết luận và định hướng phát triển ................................................................... 51
5.1. Những kết quả đạt được: ............................................................................................. 51
5.2. Hạn chế chế của đề tài ................................................................................................ 51
5.3. Hướng phát triển đề tài ............................................................................................... 51
PHỤ LỤC........................................................................................................................... 52
1. Hướng dẫn cài đặt thư viện WaijungBlockset vào thư viện Matlab/Simulink .............. 52
2. Hướng dẫn kết nối USB UART CP2102 ....................................................................... 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 57


xi


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
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

xii


DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Xe AUTO 21EV ................................................................................................. 1
Hình 1. 2. Chiếc xe nghiên cứu bởi Xunqi zhou ................................................................. 2
Hình 1. 3. Động cơ In-wheell .............................................................................................. 2
Hình 1.4. Bo mạch STM32F407 .......................................................................................... 4
Hình 2.1. So sánh đặc tính làm việc của động cơ điện ...................................................... 13
Hình 2.3. Động cơ điện 1 chiều ......................................................................................... 14
Hình 2.5. Cấu trúc động cơ từ trở đồng bộ- SynRM ......................................................... 16
Hình 2.6. Động cơ từ trở thay đổi ...................................................................................... 17
Hình 2.7. Đồ thị dạng sức phản điện động của BLDC ...................................................... 17
Hình 2.8. Đồ thị thể hiện độ nhấp nhô moment của động cơ BLDC ................................ 18
Hình 2.9. So sánh cấu trúc của động cơ SPM và IPM ....................................................... 19

Hình 2.10. Đặc tính moment vủa động cơ IPM ................................................................. 20
Hình 2.11. Động cơ BLDC trang bị cho xe điện ............................................................... 21
Hình 2.12. Mơ phỏng cấu trúc xoay vịng ......................................................................... 22
Hình 2.13. Sơ đờ khớ i bơ ̣ điề u khiể n PID .......................................................................... 24
Hình 2.14 Mu ̣c tiêu điề u khiể n của bô ̣ PID ....................................................................... 24
Hình 2.15. Sơ đờ khớ i bơ ̣ điề u khiể n chỉ có P ................................................................... 24
Hình 2.16 Sơ đồ khố i bô ̣ điề u khiể n chỉ có I ..................................................................... 25
Hình 2.17. Sơ đờ khớ i bô ̣ điề u khiể n chỉ có D ................................................................... 25
Hình 3.1. Khung xe sau khi hồn chỉnh ............................................................................. 28
Hình 3.2. Bản vẽ gắp đỡ cầu sau ....................................................................................... 28
Hình 3.3. Cơ cấu điều chỉnh gắp xe cầu trước ................................................................... 29
Hình 3.4. Cơ cấu lái sau khi hồn thành ............................................................................ 30
Hình 3.5. Biến trở cơng nghiệp .......................................................................................... 31
Hình 3.6. Cảm biến góc lái trên xe .................................................................................... 31
Hình 3.7. Cảm biến bướm ga gắn trên xe .......................................................................... 32
Hình 3.8. Sơ đồ thuật tốn điều khiển trên mỗi bánh xe ................................................... 33
Hình 3.9. Sơ đồ khối điều khiển 02 bánh .......................................................................... 34
Hình 3.10. Chương trình được viết trên Matlab/Smulink.................................................. 34
Hình 3.11. Chương trình bộ EDS trên Matlab/ Simulink .................................................. 35
Hình 3.12. Đồ thị tín hiệu khi qua bộ điều khiển PI .......................................................... 35
Hình 3.13. Khối encoder read ............................................................................................ 36
Hình 3.14. Hai khối đo tốc độ bánh xe .............................................................................. 37
Hình 3.15. Khối tính tốc độ góc ......................................................................................... 38
Hình 4.1. Tang trống ban đầu ............................................................................................ 39
Hình 4.2. Moayo sau đi được gia cơng và gắn đĩa phanh .................................................. 40
Hình 4.3. Cơ cấu phanh hồn chỉnh ................................................................................... 40
Hình 4.4. Cơng tắc ấn xoay cơng nghiệp ........................................................................... 41
Hình 4.5. Hộp điện chứa bộ điều khiển ............................................................................. 42
Hình 4.6. Cơng tắc nguồn .................................................................................................. 42
Hình 4.7. Cơng tắc số lùi ................................................................................................... 43

Hình 4.8. Chiếc xe sau khi hồn tất ................................................................................... 44
xiii


Hình 4.9. Board điều khiển ................................................................................................ 45
Hình 4.10. Đồ thị thể hiện tín hiệu tốc độ góc trước và sau khi lọc nhiễu ........................ 45
Hình 4.11. Đồ thị hiển thị tốc độ góc khi góc lái bằng khơng ........................................... 46
Hình 4.12. Đồ thị thể hiện dòng điện của hai bánh xe ....................................................... 47
Hình 4.14. Tín hiệu góc lái khi xe quay vịng.................................................................... 47
Hình 4.15. Kích thước đoạn đường quay vịng .................................................................. 48
Hình 4.16. Đoạn đường quay vịng trái trên thực tế ......................................................... 48
Hình 4.17. Đoạn đường quay vịng phải trên thực tế ........................................................ 49
Hình 5.1. Giao diện trang web waijungblockset (1) .......................................................... 52
Hình 5.2. Giao diện trang web waijungblockset (2) .......................................................... 52
Hình 5.3. Biểu tượng phần mềm Matlab/Simulnk ............................................................. 53
Hình 5.4. Thư viện phần mềm Simulink (1) ...................................................................... 54
Hình 5.5. Thư viện phần mềm Simulink (2) ...................................................................... 54
Hình 5.6. Khối demo trong Simulink ................................................................................ 55
Hình 5.7. Kết nối UART với máy tính .............................................................................. 56
Hình 5.8. Khối UART trong simulink ............................................................................. 56

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Bảng so sánh giữa động cơ BLDC và động cơ thường ....................................... 5
Bảng 3. 1. Bảng kích thướng xe điện ................................................................................. 27
Bảng 3.2. Giá trị Kp, Ki cho mỗi bánh xe ......................................................................... 36

xiv


Chương 1. TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu tổng quan
1.1.1. Lịch sử phát triển của vi sai điện tử.
Một số nghiên cứu mơ hình vi sai điện tử.
➢ Với việc sử dụng động cơ In-whell để sử dụng trong xe điện để thiết kế bộ vị sai
điện tử. Nên số lượng mô hình nghiên cứu về vi sai điện tử ở trong nước rất ít. Các
nghiên cứu vi sai điện tử trong nước chỉ nghiên cứu bộ điều khiển vi sai cơ khí dành
cho xe điện.
-

Các mơ hình nghiên cứu vi sai điện tử tiêu biểu trên thế giới
➢ Xe đô thi AUTO 21 EV
•

Xe đơ thị AUTO 21EV là loại xe đô thị chạy bằng bốn bánh chủ động, được nghiên
cứu và phát triển bới trường đại học Waterloo.

Hiǹ h 1.1. Xe AUTO 21EV
•

Xe AUTO 21EV sử dụng bộ điều khiển mờ để điều khiển. Tận dụng được bốn bánh
là bốn bánh chủ động, động cơ nằm trong bánh. Hệ thống điều khiển sử dụng hệ
thống phanh thủy lực để kiểm sốt trượt lốp, với việc nhận tín hiệu góc lái để điều
khiển lực kéo khi quay vòng trên các bánh xe. Hiệu suất của bộ điều khiển đã được
kiểm chứng qua các lần thử nghiệm bằng cách sử dụng mô hình điều khiển trong
mơi trường mơ phỏng. Và bộ điều khiển cho chiếc xe AUTO 21EV đã được thực
hiện trên mơ hình thực tế. Với việc thử nghiệm nhiều lần và điều chỉnh bộ điều
khiển đã hoàn chỉnh vào năm 2015.

1



➢ Năm 2010 nhóm nghiên cứu Xunqi zhou, Shengjin Li, Yong Zhou, Zongde Fang,
đã nghiên cứu chế tạo vi sai điện tử sử dụng động cơ in-wheel. Nghiên cứu nhiều
điều kiện làm viêc của động cơ như tốc độ không đổi, tăng tốc và giảm tốc khi xoay
vòng. Kêt quả nghiên cứu chứng mình rằng hệ thống tăng hiệu suất cho xe.

Hình 1. 2. Chiếc xe nghiên cứu bởi Xunqi zhou

Hình 1. 3. Động cơ In-wheell

2


1.2.1. Giới thiệu về MATLAB/SIMULINK
MATLAB/SIMULINK là một chương trình viết cho máy tính PC hoạt động trong mơi
trường MS-DOS và mơi trường WINDOWS nhằm hỗ trợ cho lập trình, các tính tốn khoa
học và kỹ thuật được thiết kế với công ty “The MATHWORKS”.
Thuật ngữ MATLAB được viết tắt của hai từ MATRIX và LABORATORY. MATLAB
được điều khiển với các tập lệnh, tác động qua bàn phím. Nó cho phép tính tốn số với ma
trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thơng tin, thực hiện thuật tốn, tạo các giao diện người
dùng và liên kết với những chương trình máy tính viết trên nhiều ngơn ngữ lập trình khác.
Matlab giúp đơn giản hóa việc giải quyết các bài tốn tính tốn kĩ thuật so với các ngơn
ngữ lập trình truyền thống như C, C++, và Fortran. Các câu lệnh trong MATLAB rất mạnh
và có những vấn đề chỉ cần một câu lệnh là đủ giải quyết bài toán. Mơ phỏng trong
MATLAB sẽ cho ta hình ảnh tọa độ không gian hai chiều (2D) và ba chiều (3D).
SIMULINK là một phần mềm mở rộng của MATLAB (1 Toolbox của Matlab) dùng để
mơ hình hóa, mơ phỏng và phân tích một hệ thống động. Nó cho phép mơ tả hệ thống tuyến
tính, hệ phi tuyến, các mơ hình trong miền thời gian liên tục, hay gián đoạn hoặc một hệ
gồm cả liên tục và gián đoạn. SIMULINK cung cấp cho người dung một giao diện đồ họa
dễ sử dụng. Việc xây dựng mơ hình chỉ cần sử dụng thao tác “nhấn và kéo” chuột. Với giao

diện đồ họa ta có thể xây dựng mơ hình và khảo sát mơ hình một cách trực quan hơn.
MATLAB/SIMULINK được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xử lý tín hiệu và
ảnh, truyền thông, thiết kế điều khiển tự động, đo lường kiểm tra, phân tích mơ hình tài
chính, hay tính tốn sinh học. Với hàng triệu kĩ sư và nhà khoa học làm việc trong môi
trường công nghiệp cũng như ở môi trường hàn lâm, MATLAB/SIMULINK là ngơn ngữ
của tính tốn khoa học.

3


1.2.2. Giới thiệu bo mạch STM32F407
Bo mạch STM32F407 Discovery là một loại kit thuộc họ vi điều khiển ARM. Dòng ARM
Cortex KIT STM32FE Discovery là một bộ xử lí thế hệ mới đưa ra một kiến trúc chuẩn
cho nhu cầu đa dạng về cơng nghê. Nó được úng dụng vào rất nhiều thị trường khác nhau
bao gồm các ứng dụng doanh nghiệp, mạng gia đình, cộng nghệ mạng khơng dây và các
hệ thống ơ tơ.
Bo mạch STM32F407 Discovery có vi điều khiển chính là STM43F04VGT6
microcontroller tích hợp với chip 32-bit ARM Cortex-M4F, 1MB bộ nhớ Flash,192Kb
RAM. Bo mạch tích hợp sẵn mạch nap ST-LINK/V2 và các cảm biến khác như cảm biến
gia tốc LIS302DL, bộ xử lý âm thanh MP45DT02, đèn led thơng báo trạng thái nguồn, nút
nhấn, nút Reset.

Hình 1.4. Bo mạch STM32F407

4


1.2.3. Giới thiệu về động cơ BLDC
1.2.3.1. Giới thiệu chung và so sánh.
- Động cơ điện một chiều (ĐCMC) cho đến ngày nay vẫn chiếm một vị trí quan trọng

trong hệ điều chỉnh tự động truyền động điện. Động cơ điện một chiều thơng thường
có hiệu suất cao và các đặc tính của chúng thích hợp trong hệ thống địi hỏi có độ chính
xác cao vùng điều khiển rộng và quy luật điều chỉnh phức tạp. Tuy nhiên, hạn chế duy
nhất là trong cấu tạo của động cơ cần có cổ góp và chổi than, những thứ này dễ bị mịn
và u cầu bảo trì, bảo dưỡng thường xun.
- Để khắc phục nhược điểm này người ta chế tạo loại động cơ không cần bảo dưỡng bằng
cách thay thế chức năng của cổ góp và chổi than bởi cách chuyển mạch sử dụng thiết
bị bán dẫn (chẳng hạn như biến tần sử dụng transitor công suất chuyển mạch theo vị trí
rotor). Những động cơ này được biết đến như là động cơ đồng bộ kích thích bằng nam
châm vĩnh cửu hay cịn gọi là động cơ một chiều khơng chổi than BLDC (Brushless
DC Motor). Do khơng có cổ góp và chổi than nên động cơ này khắc phục được hầu hết
các nhược điểm dễ bị mịn, bảo dưỡng, bảo trì thường xuyên của động cơ một chiều
thông thường.
- Mặc dù người ta nói rằng đặc tính tĩnh của động cơ BLDC và ĐCMC thơng thường
hồn tồn giống nhau, thực tế chúng có những khác biệt đáng kể ở một vài khía cạnh.
Khi so sánh hai loại động cơ này về mặt công nghệ hiện tại, ta thường đề cập tới sự
khác nhau hơn là sự giống nhau giữa chúng.
Bảng 1.1. Bảng so sánh giữa động cơ BLDC và động cơ thường

Nội dung

Động cơ một chiều thông
thường

Động cơ một chiều không
chổi than( BLDC)

Cấu trúc cơ khí

Mạch kích từ nằm trên stator


Mạch kích từ nằm trên rotor

Đáp ứng nhanh và dễ điều khiển

Đáp ứng chậm hơn. Dễ bảo
dưỡng (thường không yêu cầu
bảo dưỡng)

Tính năng đặc
biệt

5


Sơ đồ nối dây

Nối vòng tròn.
Đơn giản nhất là nối Δ

Cao áp: Ba pha nối Y hoặc
Δ. Bình thường: Dây cuốn 3
pha nối Y có điểm trung tính
nối đất hoặc 4 pha. Đơn giản
nhất: nối 2 pha

Phương pháp
xác định vị trí
roto


Tự động xác định bằng chổi
than

Sử dụng cảm biến vị trí: phần
tử Hall, cảm biến quang học
(optical encoder)

Phương pháp
đảo chiều

Đảo chiều điện áp nguồn (cấp
cho phần ứng hoặc mạch kích
từ)

Sắp xếp lại thứ tự của các tín
hiệu logic

- Khi nói về chức năng của động cơ điện, không được quên ý nghĩa của dây quấn và sự
đổi chiều. Đổi chiều là q trình biến đổi dịng điện một chiều ở đầu vào thành dòng
xoay chiều và phân bố một cách chính xác dịng điện này tới mỗi dây quấn ở phần ứng
động cơ.
- Ở động cơ một chiều thông thường, sự đổi chiều được thực hiện bởi cổ góp và chổi
than, thay đổi vị trí để đảo chiều dịng điện cấp vào. Ngược lại, ở động cơ một chiều
không chổi than, động cơ BLDC, đổi chiều được thực hiện bằng cách sử dụng các thiết
bị bán dẫn như transitor, MOSFET, GTO, IGBT.
1.2.3.2. Ưu nhược điểm của BLDC
- Ưu điểm
➢ Sử dụng chuyển mạch điện tử nên gần như không bị ảnh hưởng bởi ma sát.
➢ Động cơ có tuổi thọ cao, hoạt động bền bỉ, hầu như không bị hư hỏng.
➢ Các cuộn dây phần ứng được đặt trên Stator nên thuận lợi cho việc làm mát.

➢ Mật độ công suất lớn hơn động cơ một chiều truyền thống.
➢ Đặc tính tốc độ/moment tuyến tính tốt.

6


➢ Tỷ lệ công suất/khối lượng cao.
➢ Tỷ lệ moment/quán tính lớn nên tăng/giảm tốc nhanh.
➢ Hiệu suất cao do sử dụng nam châm vĩnh cửu.
➢ Kết cấu nhỏ gọn nên dễ dàng thiết kế, tính tốn, thi cơng cũng như có thể tháo lắp
khi cần thiết.
➢ Dải tốc độ rộng.
➢ Dao động moment nhỏ, ngay cả ở tôc độ thấp nên giúp điều khiển chính xác hơn.
- Nhược điểm
➢ Do động cơ BLDC được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên giá thành đắt đỏ.
Nhưng với nam châm vĩnh cửu giá thành khá cao nhưng về lâu dài với sự phát triển
cơng nghệ hiên nay thì vấn đề này sẽ giải quyết và giá thành nam châm vĩnh cửu
sẽ giảm dần.
➢ Động cơ BLDC phải được điều khiển bằng một bộ điều khiển riêng với điện ngõ
ra dạng xung vuông và cảm biến Hall được đặt bên trong động cơ để xác định vị
trí rotor.
1.2.3.3. Cấu tạo BLDC
- BLDC gồm 02 phần chính cơ bản, là rotor và stator.
➢ Rotor là phần xoay, chính là phần lõi đặt ở phía trong và được nối trực tiếp đến
trục dẫn động. Rotor được cấu tạo bởi một dãy các nam châm vĩnh cửu.
➢ Stator là phần đứng yên, được gắn chặt với phần vỏ động cơ. Stator được cấu tạo
bởi một loạt các cuộc dây được quân quanh các lõi sắt từ, cấu tạo từ các lá thép kĩ
thuật ghép cách điện với nhau. Các cuộn dây trong stator thường được quấn thành
hình tam giác hay hình sao.
- Cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than rất giống một loại động cơ xoay

chiều đó là động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu.
- Dây quấn stator tương tự như dây quấn stator của động cơ xoay chiều nhiều pha và
rotor bao gồm một hay nhiều nam châm vĩnh cửu. Điểm khác biệt cơ bản của động cơ
7


một chiều không chổi than so với động cơ xoay chiều đồng bộ là nó kết hợp một vài
phương tiện để xác định vị trí của rotor (hay vị trí của cực từ) nhằm tạo ra các tín hiệu
điều khiển bộ chuyển mạch điện tử. Việc xác định vị trí rotor được thực hiện thơng qua
cảm biến vị trí, hầu hết các cảm biến vị trí rotor (cực từ) là phần tử Hall, tuy nhiên cũng
có một số động cơ sử dụng cảm biến quang học. Mặc dù hầu hết các động cơ chính thống
và có năng suất cao đều là động cơ ba pha, động cơ một chiều không chổi than hai pha
cũng được sử dụng khá phổ biến vì cấu tạo và mạch truyền động đơn giản.
1.2.3.4. Phần đứng yên Stator
- Khác với động cơ một chiều thông thường, stator của BLDC chứa dây quấn phần ứng.
Dây quấn phần ứng có thể là hai pha, ba pha hay nhiều pha nhưng thường là dây quấn
ba pha.
- Dây quấn ba pha có hai sơ đồ nối dây, đó là nối theo hình sao Y hoặc hình tam giác Δ.
- Stator của động cơ BLDC được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện với các cuộn dây
được đặt trong các khe cắt xung quanh chu vi phía trong của stator. Theo truyền thống
cấu tạo stator của động cơ BLDC cũng giống như cấu tạo của các động cơ cảm ứng
khác. Tuy nhiên, các bối dây đƣợc phân bố theo cách khác.
- Hầu hết tất cả các động cơ một chiều khơng chổi than có 3 cuộn dây đấu với nhau theo
hình sao hoặc hình tam giác. Mỗi một cuộn dây được cấu tạo bởi một số lượng các bối
dây nối liền với nhau. Các bối dây này được đặt trong các khe và chúng được nối liền
nhau để tạo nên một cuộn dây. Mỗi một trong các cuộn dây được phân bố trên chu vi
của stator theo trình tự thích hợp để tạo nên một số chẵn các cực. Cách bố trí và số rãnh
của stator của động cơ khác nhau thì cho chúng ta số cực của động cơ khác nhau.
- Sự khác nhau trong cách nối liền các bối dây trong cuộn dây stator tạo nên sự khác
nhau của hình dáng sức phản điện động. Động cơ BLDC có 2 dạng sức phản điện động

là dạng hình sin và dạng hình thang. Cũng chính vì sự khác nhau này mà tên gọi của
động cơ cũng khác nhau, đó là động cơ BLDC hình sin và động cơ BLDC hình thang.
Dịng điện pha của động cơ tương ứng cũng có dạng hình sin và hình thang. Điều này
làm cho momen của động cơ hình sin phẳng hơn nhưng đắt hơn vì phải có thêm các bối
dây mắc liên tục. Cịn động cơ hình thang thì rẻ hơn nhưng đặc tính momen lại nhấp
nhơ do sự thay đổi điện áp của sức phản điện động là lớn hơn.
8


Hình 1.5. Hai dạng sức phản điện động của BLDC
- Động cơ một chiều khơng chổi than thường có các cấu hình 1 pha, 2 pha và 3 pha.
Tương ứng với các loại đó thì stator có số cuộn dây là 1, 2 và 3. Phụ thuộc vào khả
năng cấp cơng suất điều khiển, có thể chọn động cơ theo tỷ lệ điện áp.
- Các động cơ nhỏ hơn hoặc bằng 48V được dùng trong máy tự động, robot, các cơ cấu
chuyển động nhỏ.
- Các động cơ trên 100V được dùng trong các thiết bị cơng nghiệp, tự động hóa và các
ứng dụng công nghiệp.
1.2.3.5. Phần quay Rotor
- Rotor được cấu tạo từ các nam châm vĩnh cửu. Số lượng đôi cực dao động từ 2 đến 8
với các cực Nam (S) và Bắc (N) xếp xen kẽ nhau
- Dựa vào yêu cầu về mật độ từ trường trong rotor, chất liệu nam châm thích hợp được
chọn tương ứng. Nam châm Ferrite thường được sử dụng.
- Khi công nghệ phát triển, nam châm làm từ hợp kim ngày càng phổ biến. Nam châm
Ferrite rẻ hơn nhưng mật độ thông lượng trên đơn vị thể tích lại thấp. Trong khi đó, vật
liệu hợp kim có mật độ từ trên đơn vị thể tích cao và cho phép thu nhỏ kích thước của
rotor nhưng vẫn đạt được momen tương tự. Do đó, với cùng thể tích, momen của rotor
có nam châm hợp kim luôn lớn hơn rotor nam châm Ferrite.

9



Hình 1.6. Hai dạng sức phản điện động của BLDC
1.2.3.6. Cảm biến vị trí Hall Sensor
- Khơng giống như động cơ một chiều dùng chổi than, chuyển của động cơ một chiều
không chổi than được điều khiển bằng điện tử. Tức là các cuộn dây của stator sẽ được
cấp điện nhờ sự chuyển mạch của các van bán dẫn công suất.
- Để động cơ làm việc, cuộn dây của stator được cấp điện theo thứ tự. Tức là tại một
thời điểm thì khơng ngẫu nhiên cấp điện cho cuộn dây nào cả mà phụ thuộc vào vị trí
của rotor động cơ ở đâu để cấp điện cho đúng. Vì vậy điều quan trọng là cần phải biết
vị trí của roto để tiến tới biết được cuộn dây stator tiếp theo nào sẽ được cấp điện theo
thứ tự cấp điện.
- Vị trí của rotor được đo bằng các cảm biến sử dụng hiệu ứng Hall được đặt ẩn trong
stator. Hầu hết tất cả các động cơ một chiều không chổi than đều có cảm biến Hall đặt
ẩn bên trong stato ở phần đuôi trục (trục phụ) của động cơ.
- Mỗi khi các cực nam châm của rotor đi qua khu vực gần các cảm biến Hall, các cảm
biến sẽ gửi ra tín hiệu cao hoặc thấp ứng với khi cực Bắc hoặc cực Nam đi qua cảm
biến.
- Dựa vào tổ hợp của các tín hiệu từ 3 cảm biến Hall, thứ tự chuyển mạch chính xác được
xác định.

10


- Tín hiệu mà các cảm biến Hall nhận được sẽ dựa trên hiệu ứng Hall. Đó là “khi có một
dòng điện chạy trong một vật dẫn được đặt trong một từ trường, từ trường sẽ tạo ra một
lực nằm ngang lên các điện tích di chuyển trong vật dẫn theo hướng đẩy chúng về một
phía của vật dẫn”.
- Số lượng các điện tích bị đẩy về một phía sẽ cân bằng với mức độ ảnh hưởng của từ
trường. Điều này dẫn đến xuất hiện một hiệu điện thế giữa 2 mặt của vật dẫn. Sự xuất
hiện của hiệu điện thế có khả năng đo được này được gọi là hiệu ứng Hall, lấy tên người

tìm ra nó vào năm 1879.

11