421677-9 ทร ํัวาต421715-9 - department of electrical...

รายงานโครงการหมายเลข EE 2002-30

การควบคมดซมอเตอร สาหรบรถไฟฟ า

นายชต เครอพมาย เลขประจาตว 421677-9 นายเทพประภทร วองวฒน อนนต เลขประจาตว 421715-9

รายงานนเป นรายงาน งานโครงการของนกศกษาชนป ท4 ซงเสนอเป นสวนหนงใน

หลกสตรวศวกรรมศาสตรบณฑต

ภาควชาวศวกรรมไฟฟ า คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแก น

พ.ศ.2545

Project Report No. EE 2002-30

DC Motor Control for Electric Vehicle

Mr. Chit Kruapimai ID 421677-9 Mr. Thepprapat Wongwat-anan ID 421715-9 This is the report of fourth year project assignment submitted

in partial fulfillment of the requirement for the Degree of Bachelor of Engineering.

Department of Electrical Engineering

Faculty of Engineering, Khon Kaen University 2002

ใบประเมนผลงานโครงการ

การควบคมดซมอเตอร สาหรบรถไฟฟ า DC Motor Control for Electric Vehicle

นายชต เครอพมาย เลขประจาตว 421677-9 นายเทพประภทร วองวฒน อนนต เลขประจาตว 421715-9

อาจารย ทปรกษา

(อาจารย ดร. กฤษ เฉยไสย)

อาจารย ผรวมประเมนผล

(อาจารย ดร. ชยภฎ วรรธนะสาร)

(อาจารย ดร. สมฤทธ หงสะสตร)

ประเมนผล ณ วนท 13 กมภาพนธ 2546

กตตกรรมประกาศ

คณะผ จดทาโครงการใคร ขอขอบพระคณอาจารย ดร.กฤษ เฉยไสย อาจารย ทปรกษาโครงการ ผให คาปรกษาแนวทางแก ไขปญหา และเสนอแนะข อมลต างๆทเป นประโยชน ต อโครงการน อกทงขอขอบพระคณ เจ าหน าทภาควชาวศวกรรมเครองกลทให ความอนเคราะหในการยมเครองมอและอปกรณ เพอนาไปใช ในโครงการน ให สาเรจลล วงไปได ด วยด นายชต เครอพมาย นายเทพประภทร ว องวฒน อนนต

บทคดย อ

โครงการนได ทาการออกแบบและสร างรถจกรยานไฟฟ าทสามารถปรบความเรวได โดยโครงการนได ใช ดซมอเตอร ขนาด 24 V เป นตวขบเคลอนแทนการใช คนป น โดยได ตดตงมอเตอร ไว ทด านหลงของผขบขจกรยาน ซงทมอเตอร ได ตดเฟองขนาด 12 ฟ น เข ากบมอเตอร และได ตดเฟ องขนาด 20 ฟ น เข ากบล อหลงของรถจกรยาน และใชโซ เปนตวส งกาลงจากเฟองบนซงตดกบตวมอเตอร ไปยงเฟองล างซงตดกบล อหลงของรถจกรยาน และใช IC เบอร 555 เป นตวสร างสญญาณสเหลยมทสามารถปรบ Duty cycle ได ตงแต 1% ถง 99% เพอป อนให กบ MOSFET ซงทาหน าทเป นตว Switching ใหแก วงจรทใช ในการควบคมการไหลของกระแสเข าสมอเตอร (ถา Duty cycle มค าน อย กระแสกจะไหลได น อย มอเตอร จะหมนได ชา ทาให ความเรวน อย แต ถ า Duty cycle มค ามาก กระแสกจะไหลได มาก มอเตอร จะหมนได เรว ทาให ความเรวมมากขน) ซงรถจกรยานไฟฟ าน สามารถวงได ด วยความเรว ประมาณ 10 กโลเมตรต อชวโมง โดยทความเรวไม เปลยนแปลงเมอผ ขบขมนาหนกเพมมากขน และระยะเวลาในการใช งานของแบตเตอร อย ทประมาณ 30 นาท

ABSTRACT

The objective of this project is, to make the electric bicycle which is able to control the velocity. The DC motor 24[V] has been used to be a mechanical power source instead of human (rider) and installs the DC motor behind the rider. A chain is used to transfer the mechanical power source from 12 teeth gear installed to DC motor to 20 teeth gear installed to the back wheel drive. The controller used is IC555 to make square wave which can change duty cycle from 1% to 99% for feeding into the MOSFET and used the MOSFET to be a switching device to control the current. If the value of duty cycle decreases, the DC motor current and motor speed also decrease. On the other hand, the value of duty cycle increases, the DC motor current and motor speed also increase. The velocity of the electrical bicycle is 10 km/h and the velocity keeps stability, even though the weight of rider changes. The battery works 30 minutes long.

สารบญ

หน า บทคดย อ ก ABSTRACT ข สารบญ ค สารบญรป จ สารบญตาราง ซ บทท 1 บทนา 1 1.1 ความสาคญและความเป นมาของป ญหา 1 1.2 วตถประสงค โครงการ 1 1.3 ขอบข ายของโครงการ 1 1.4 แนวทางในการดาเนนงาน 2 1.5 ประโยชน ทคาดว าจะได รบ 2 บทท 2 วรรณกรรมทเกยวข อง 3 2.1 หลกการทางานของมอเตอร กระแสตรง 3 2.1.1 สมการแรงเคลอนแม เหลกไฟฟ าบนขดลวดตวนา 3 2.1.2 สมการแรงเคลอนไฟฟ าเหนยวนาของขดลวดตวนาทตดผ านสนามแม เหลก 4 2.1.3 กฎแรงดนของเคอร ชอฟฟ สาหรบวงจรมอเตอร ไฟฟ ากระตรงแบบเชงเส น 4 2.1.4 กฎของนวตนของการเคลอนทของตวนา 4 2.1.5 สมการของแรงเคลอนไฟฟ าเหนยวนา 5 2.1.6 สมการแรงบด 6 2.1.7 สมการของความเรว 7 2.1.8 หลกการทางานของมอเตอร แม เหลกถาวร 7 2.2 เครองกาเนดไฟฟ ากระแสตรง 9 2.3 หลกการเบองต นของวงจรสบ 10 2.4 การแปลงผน DC เป น DC 14 2.4.1 ชอบเปอร แปลงแรงดนให ลดลงโดยมโหลดเป นมอเตอร 14 2.4.2 การคานวณโดยใช คาเฉลยสาหรบ Buck Converter 16 2.4.3 ชอบเปอร แปลงแรงดนให เพมโดยมโหลดเป นแบตเตอร 17 2.4.4 การคานวณโดยใช คาเฉลยสาหรบ Boost Converter 19 2.5 ไอซเบอร 555 19

สารบญ (ต อ)

หน า บทท 3 การออกแบบรถจกรยานไฟฟ า 22 3.1โครงสร างรถจกรยานไฟฟ า 22 3.2 วงจรทใช ในการควบคมรถจกรยานไฟฟ า 26 3.2.1 วงจรหลก 26 3.2.2 วงจรควบคม 27 3.3 การทดลอง 29 3.3.1 อปกรณ ทใช ในการทดลอง 29 3.3.2 วธการทดลอง 29 บทท 4 ผลการทดลองและอภปรายผล 32 4.1 การวด voltage ของ V

GS (ch1)เทยบกบ V

DS (ch2) 32

4.2 ผลการทดลองทได จากการวดความเรวของรถจกรยาน 38 4.3 ระยะเวลาในการใช งานของแบตเตอร 39 บทท 5 สรปผลและข อเสนอแนะ 40 บรรณานกรม 41 ภาคผนวก 42

สารบญรป

หน า รปท 2.1 กฎมอซ ายของเฟลมมง 3 รปท 2.2 ความสมพนธ ระหวางสนามแม เหลกกบกระแสกระต น 5 รปท 2.3 วงจรสมมลของมอเตอร ไฟฟ ากระแสตรง 7 รปท 2.4 หลกการทางานของมอเตอร กระแสตรงแบบแม เหลกถาวร 8 รปท 2.5 วงจรอย างง ายของมอเตอร ไฟฟ ากระแสตรงแบบแม เหลกถาวร 9 รปท 2.6 วธกาเนดไฟฟ ากระแสตรง 9 รปท 2.7 วธกาเนดไฟฟ ากระแสตรงด วยค ากระแสทค อนข างคงท 10 รปท 2.8 วงจรพนฐานของวงจรสบ 11 รปท 2.9 วงจรพนฐานของวงจรสบ (ต อ) 11 รปท 2.10 วงจรสบทมโหลดเป นตวต านทาน 12 รปท 2.11 แรงดนไฟฟ าและกระแสทไหลเข าโหลดทเป นตวเหนยวนา 12 รปท 2.12 วงจรสบทมโหลดเป นมอเตอร ไฟฟ ากระแสตรง 13 รปท 2.13 วงจรสบทมโหลดเป นมอเตอร ไฟฟ ากระแสตรง (ต อ) 13 รปท 2.14 วงจร Step down Converter 14 รปท 2.15 วงจร Step down Converter เมอ switch on 14 รปท 2.16 วงจร Step down Converter เมอ switch off 15 รปท 2.17 ผลการ Simulate วงจร Step down Converter 16 รปท 2.18 วงจร Step up Converter 17 รปท 2.19 วงจร Step up Converter เมอคดช วง switch on 17 รปท 2.20 วงจร Step up Converter เมอคดช วง switch off 18 รปท 2.21 ผลการ Simulate วงจร Step up Converter 18 รปท 2.22 วงจร IC เบอร 555 19 รปท 2.23 สญญาณ Square wave 20 รปท 3.1 โครงสร างรถจกรยานไฟฟ า 22 รปท 3.2 มอเตอร ทป ดนาฝน (DC มอเตอร 24 V) พร อมชดทดรอบตดกบเฟ องบน 22 รปท 3.3 เฟ องบนขนาด 12 ฟ น ตดเข ากบชดทดรอบของมอเตอร 23 รปท 3.4 เฟ องล างขนาด 20 ฟ นยดตดกบล อหลงของรถจกรยาน 23 รปท 3.5 โซ ใช เปนตวส งกาลงจากมอเตอร ไปยงล อหลง 24 รปท 3.6 แบตเตอร 12 V 5Ah 2 ลก ต ออนกรมกน 24

สารบญรป(ต อ) หน า รปท 3.7 กล องชด control 25 รปท 3.8 ความต านทานแบบสไลต โดยตดตงบรเวณมอจบดานขวาของรถจกรยาน 25 รปท 3.9 วงจรหลก 26 รปท 3.10 วงจรควบคม 27 รปท 3.11 ลายวงจรของวงจรควบคม 28 รปท 3.12 ชดวงจรควบคม 29 รปท 3.13 RPM Meter 30 รปท 3.14 การใช RPM Meter ในการวดความเรวขณะไม มผ ขบข 30 รปท 3.15 การวดความเรวขณะมผ ขบข 31 รปท 4.1 กราฟระหว าง V

GS และ V

DS ท duty 1% 32

รปท 4.2 กราฟระหว าง VGS

และ VDS

ท duty 10% 33 รปท 4.3 กราฟระหว าง V

GS และ V

DS ท duty 20% 33


และ VDS


GS และ V

DS ท duty 40% 34


และ VDS


GS และ V

DS ท duty 60% 35


และ VDS


GS และ V

DS ท duty 80% 36


และ VDS


GS และ V

DS ท duty 99% 37

รปท 4.12 กราฟแสดงความสมพนธ ระหว าง duty(%) และ speed(km/hr) 38 รปท ก.1 วงจร Step down Converter ก-2 รปท ก.2 วงจร Step down Converter เมอ switch on ก-2 รปท ก.3 วงจร Step down Converter เมอ switch off ก-2 รปท ก.4 ผลการ Simulate วงจร Step down Converter ก-6 รปท ก.5 วงจร Step up Converter ก-7 รปท ก.6 วงจร Step up Converter เมอคดช วง switch on ก-7 รปท ก.7 วงจร Step up Converter เมอคดช วง switch off ก-7 รปท ก.8 ผลการ Simulate วงจร Step up Converter ก-11

สารบญตาราง

หน า ตารางท 4.1 การวดความเรวของรถจกรยาน ทนาหนก และ duty cycle ต างกน 38 ตารางท 4.2 ระยะเวลาในการใช งานของแบตเตอร 39

บทท 1 บทนา

1.1 ความเปนมาและความสาคญของปญหา เปนททราบกนดอยแลววาในปจจบนนามนมราคาสงมาก และประเทศไทยเปนอกหนงประเทศทมการใช นามนเปนปรมาณมาก การใชรถยนต รถจกรยานยนต มปรมาณทเพมมากขน สงผลใหปรมาณการใชนามนเพมขนดวย ถงแมจะมการรณรงคใหมการประหยดนามนแลวกตาม แตกยงไมไดผลเทาทควร ผลกระทบอกอยางหนงกคอปญหามลพษทถกปลอยออกมาจากยานพาหนะทเครองยนตเผาไหมไมสมบรณ ซงบอนทาลายสขภาพของมนษยมานาน ทงมลพษทางอากาศ และทางเสยง มาถงวนนเราตองตระหนกและใหความสาคญกบปญหามลพษดงกลาว เพอหยดการปลอยกาซพษทออกมาจากเครองยนต มวธทจะชวยไดคอการเปลยนตนกาลงยานพาหนะทใชเครองยนตมาเปนการใชพลงงานไฟฟาแทน

การใชจกรยานเปนอกวธหนงทชวยลดปญหามลพษและเปนการประหยดนามนได แตวาจกรยานในปจจบนยงอาศยแรงจากมนษยในการขบเคลอน ทาใหเกดความไมสะดวกสะบาย ดงนน จงไดเกดแนวคดทจะทารถจกรยานไฟฟาขน เพอทจะลดปญหามลพษ ลดการใชนามน และเพอเพมความสะดวกสบายใหแกผขบข โดยไมตองอาศยแรงของผขบขในการเคลอนทในขณะทใชพลงงานไฟฟา นอกจากนผขบขยงสามารถปดวงจรไฟฟาไวแลวปนจกรยานเองได โดยการขบเคลอนของจกรยานจะใชมอเตอรไฟฟากระแสตรงเปนตวขบเคลอน โดยใชการจายกระแสไฟฟาจากแบตเตอร และสามารถควาบคมความเรวของมอเตอรได 1.2 วตถประสงคโครงการ 1. เพอสรางรถจกรยานไฟฟาทใช DC Motor และหาวธการควบคม DC Motor อยางเหมาะสม 2. ศกษาการควบคม Torque ของ DC Motor 3. ศกษาวธ Electric Break Control Method (Regenerative Power Control) 4. ศกษา Low Voltage Inverter technology 1.3 ขอบขายของโครงการ 1. สรางรถจกรยานไฟฟา

2. สรางวงจรควบคม Voltage-Current โดยใช Inverter 3. สรางวงจร Electric Break Control 1.4 แนวทางในการดาเนนงาน 1. ศกษาโครงสรางรถจกรยานไฟฟา 2. ศกษาการใช Inverter 3. ศกษา Low Voltage Inverter Technology 4. ศกษาและออกแบบวงจร Electric Break 5. สรางโครงรถจกรยานไฟฟา 6. สรางวงจร Electric Break Control และวงจรการควบคม Torque 7. ทดสอบ ปรบปรงแกไข และประเมนผล 1.5 ประโยชนทคาดวาจะไดรบ 1. ไดเรยนรหลกการควบคม Torque ของ DC Motor 2. ไดเรยนรวธ Electric Break Control Method (Regenerative Power Control) 3. ไดเรยนร Low Voltage Inverter Technology 4. สรางรถไฟฟา เพอนาไปใชประโยชนได

บทท 2

วรรณกรรมทเกยวของ 2.1 หลกการทางานของมอเตอรกระแสตรง

อาศยหลกการของปฏกรยาของสนามแมเหลกจากขดลวดสนามแมเหลกและขดลวดอารเมเจอร ซงจะเกดเมอมกระแสไฟฟาไหลผานขดลวดตวนานน แรงทเกดขนในขดลวดตวนาทมกระแสไหลผาน และวางอยในสนสามแมเหลก เราสามารถทจะหาแรงทเกดขนในขดลวดตวนาไดโดยจะมทศทางดงรปท 2.1

รปท 2.1 กฎมอซายของเฟลมมง

จากรปท 2.1 จะใชกฎมอซายของเฟลมมงในการหาทศทางการเคลอนทของตวนาไดดงน โดยการกางนวหวแมมอ นวช และนวกลางใหตงฉากซงกนและกน จะไดวานวหวแมมอแสดงทศการเคลอนทของตวนา นวชแสดงทศทางของสนามแมเหลก และนวกลางแสดงทศทางของการไหลของกระแส และสมการทประยกตใชกบมอเตอรไฟฟากระแสตรง มดงน 2.1.1 สมการแรงเคลอนแมเหลกไฟฟาบนขดลวดตวนา สมการแรงเคลอนแมเหลกไฟฟาบนขดลวดตวนา มสมการดงน F = i(LxB) นวตน โดย F = แรงทเกดขนในขดลวดตวนา B = ความหนาแนนของเสนแรงแมเหลกไฟฟา i = กระแสไฟฟาทไหลผานขดลวด L = ความยาวของลวดตวนา 2.1.2 สมการแรงเคลอนไฟฟาเหนยวนาของขดลวดตวนาทตดผานสนามแมเหลก สมการแรงเคลอนไฟฟาเหนยวนาของขดลวดตวนาทตดผานสนามแมเหลก มสมการดงน e = (vxB)L โวลต โดย e = แรงเคลอนไฟฟาเหนยวนา v = ความเรวของตวนาทตดกบสนามแมเหลก B = ความหนาแนนของสนามแมเหลก 2.1.3 กฎแรงดนของเคอรชอฟฟสาหรบวงจรมอเตอรไฟฟากระตรงแบบเชงเสน กฎแรงดนของเคอรชอฟฟสาหรบวงจรมอเตอรไฟฟากระตรงแบบเชงเสน มสมการดงน V = e + Ri โวลต 2.1.4 กฎของนวตนของการเคลอนทของตวนา กฎของนวตนของการเคลอนทของตวนา มสมการดงน

F = dtdv

m + bv นวตน

โดย m = มวลของแทงตวนา

dtdv = อตราเรง

bv = แรงเสยดทานเนองจากความเฉอย และมสมการทเกดขนภายในมอเตอรซงมสมการดงน 2.1.5 สมการของแรงเคลอนไฟฟาเหนยวนา (Electromotive Force Equation)

สมการของแรงเคลอนไฟฟาเหนยวนาในอารเมเจอรสามารถหาไดจากกฎของฟาราเดยซงมสมการดงน

e = a60

NZPφ โวลต

โดย e = แรงเคลอนไฟฟาเหนยวนา φ = เสนแรงแมเหลกไฟฟาตอขว P = จานวนขวแมเหลก Z = จานวนลวดตวนาของอารเมเจอร N = ความเรวรอบของอารเมเจอร a = จานวนทางขนาน ( a = p เมอพนขดลวดแบบแลป,a = 2 เมอพนขดลวดแบบเวฟ) หรอ

e = a2

ZP mπφω โวลต

e = Kaφωm โวลต

ωm = 60

n2π เรเดยนตอวนาท

Ka = a2

ZPπ

ในกรณการปรบกระแสฟลดอยในชวงทเปนเชงเสนของกราฟสนามแมเหลก และเสนแรงแมเหลกจะเปนสดสวนโดยตรงกบกระแสทปอนดงรปท 2.2

รปท 2.2 ความสมพนธระหวางสนามแมเหลกกบกระแสกระตน

ดงนนจะไดความสมพนธของเสนแรงแมเหลกและกระแสกระตนสนามแมเหลกซงมสมการดงน φ α I f φ = KfIf เวเบอร โดย Kf = คาคงทของขดลวดสนามแมเหลก If = กระแสไหลผานสนามแมเหลก ดงนน e = Kfφωm โวลต e = KaKfIfωm โวลต เมอให K = KaKf แลว e = KIfωm โวลต โดย K = คาคงทของมอเตอร Kf = คาคงทของวงจรฟลด Ka = คาคงทของวงจรอารเมเจอร 2.1.6 สมการแรงบด (Torque Equation)

กาลงกลทเกดขนในมอเตอร ไดมาจากการทอารเมเจอรหมนดวยความเรว ωm และไดแรงบด Tm นนคอ Tg,ωm ดงนน แรงบดทเกดขนจากแมเลกไฟฟาในอารเมเจอรและแรงบดทเกดขนมานเปนผลมาจากการไหลของกระแสอารเมเจอร Ia และแรงดนไฟฟาเหนยวนาในอารเมเจอรคอ e และทาใหไดกาลงกลทอารเมเจอรคอ eIa ดงนน Pg = Tgωm วตต eIa = Tgωm Tg =

ωm

aIe นวตน-เมตร

แตวา e = KIfωm โวลต ดงนน

Tg = ωω

m

amf IIK นวตน-เมตร

∴จะไดสมการแรงบดดงน Tg = KIfIa นวตน-เมตร Tg = KaφIa นวตน-เมตร

2.1.7 สมการของความเรว เราสามารถเขยนวงจรของมอเตอรไฟฟากระแสตรงแบบกระตนแยก ซงเปนวงจรทงายตอการศกษาไดดงน

ในสภแรงเคลอน

รปท 2.3 วงจรสมมลของมอเตอรไฟฟากระแสตรง าวะคงตวของมอเตอรไฟฟากระแสตรงเราสามารถทจะคานวณหาสมการไฟฟาในวงจรอารเมเจอรไดดงน

Va = Ea + IaRa โวลต

เมอ Ea = Kaφωm โวลต ดงนน

ωm = φ

−

KRIV

a

aaa เรเดยนตอวนาท

ถาการใชงานในยานสนามแมเหลกเปนเชงเสนจะไดสมการความเรวเปน ωm =

IRIV

f

aaaK− เรเดยนตอวนาท

2.1.8 หลกการทางานของมอเตอรแมเหลกถาวร

มอเตอรแมเหลกถาวรใชสนามแมเหลกหลกจากแมเหลกถาวร และใชแมเหลกไฟฟาเปนสนามทตยภมหรอฟลกซอารเมเจอร รปแสดงหลกการทางานของมอเตอรแมเหลกถาวร กระแสไหลจากขดลวดอารเมเจอรจากแหลงจายแรงดนกระแสตรงจะทาใหอารเมเจอรเปนแมเหลก ขวแมเหลกของอารเมเจอรจะมขวตรงขามกบสนามหลก ทาใหอารเมเจอรมการหมนดงรป อารเมเจอรหมนตามเขมนาฬกา เมอขวอารเมเจอรอยในแนวเดยวกบสนามหลก แปรงถานจะอยในชองวางของคอมมวเตเตอรจะไมมกระแสไหลผานในขดลวดอารเมเจอร ดงนนแรงแมเหลกจะเปนแรงผลกกน ดงแสดงในรป ความเฉอยจะทาใหอารเมเจอรผานจดนวทรล คอมมวเตเตอรจะกลบทศของกระแสในอารเมเจอร เมอขวแมเหลกตรงกนขามตรงกน จงทาใหขวแมเหลกของอารเมเจอรจะกลบขวเมอเมอขวเหมอนกน ของอารเมเจอรและสนามหลกอยตรงกนจะทาใหเกดการผลกกน จงทาใหขดลวดอารเมเจอรหม
นไดอยางตอเนอง ดงรปท 2.4

รปท 2.4 หลกการทางานของมอเตอรกระแสตรงแบบแมเหลกถาวร

ทศทางการหมนของมอเตอร สามารถหาไดจากการไหลของกระแสผานอารเมเจอร การกลบทศของอารเมเจอรจะทาใหการหมนกลบทศ ลกษณะสาคญของมอเตอรกระแสตรงคอ สามารถควบคมอตราเรวได อตราเรวของมอเตอรแมเหลกถาวรจะเปนสดสวนโดยตรงกบคาแรงดนทใหกบอารเมเจอร ฉะนนถาแรงดนอารเมเจอรสงจะทาใหไดอตราเรวของมอเตอรสงดวย

วงจรอยางงายของมอเตอรกระแสตรงแมเหลกถาวรแสดงไดดงรปท 2.5 มแมเหลกถาวรเปนตวสรางสนามแมเหลกหลกซงมคาคงท จากวงจรจะไดสมการดงน

Tm = kTIa นวตน-เมตร Ea= kEωm โวลต Vt = Ea + RaIa โวลต เมอ kT = ktφf และ kE = keφf จากสมการขางบนจะไดสมการความเรวในฟงกชนของ Tm เมอกาหนดให Vt คงท

ωm = kE

1 (Vt – kR

T

a Tem) เรเดยนตอวนาท

รปท 2

2.2 เครองกาเนดไฟฟาก

.5 วงจรอยางงายของมอเตอรไฟฟากระแสตรงงแบบแมเหลกถาวร

ระแสตรง

เครองกาเนดไฟฟากระแสตรงตองใชคอมมวเตเตอรดงทเหนงายๆในรปท 2.6 คอมมวเตเตอรดงกลาวแบงเปนครงทรงกระบอกสองครงตามยาวตดตรงเขากบลวดตวนา ขณะลวดตวนาหมนคอมมวเตเตอรกหมนตามไปดวย พรอมกน กระแสแลนออกจากคอมมวเตเตอรไปไดดวย มแปรงถานกดไว ไฟฟาแลนผานแปรงถานออกไปสวงจรภายนอกไดทนท ในขณะทลวดตวนาหมนตดเสนแรงแมเหลกในครงรอบทหนง กระแสจะแลนจากคาศนยสคาสงสด แลวกลบลงคาศนยในทศทางหนง หากจะใหกระแสในครงรอบทสองแลนอยในทศทางเดยวกบครงรอบแรก คอมมวเตเตอรจะตองหมนผานไปทอกขาง สงกระแสผานออกทแปรงถานตวใหมทขางนน กระแสกจะสามารถแลนตามออกไปในทศเดยวกน ดวยคาทเปลยนจากศนยเปนคาสงสด แลวลดเปนคาศนยเมอครบหนงรอบ เปนเชนนเรอยๆไป ก ะแสทไดเปนกระแสทไหลทศทางเดยวกจรง แตจานวนกระแสมากและนอยเปลยนแปลงตลอดเวลาเปนคลนกระแ อยางหนก

โเตเตอรปท 2แตไม

รส

รปท 2.6 วธกาเนดไฟฟากระแสตรง

ดยปกตชดลวดตวนาตองมหลายชด ใหหมนตดเสนแรงแมเหลกตดตอกนไป และใชคอมมวรหลายๆชดตดตอกน ไฟฟากระแสตรงทไดจะเกดขนตอเนองกนเปนคลนทเลกลง ดงแสดงใน.7 ใหสงเกตวาบนทนอารเมเจอร จะมคอมมวเตเตอรเปนชนบรอนซทองแดงวางอยตดๆกน ตอเนองถงกนได โดยจะตองมฉนวนกนระหวางซคอมมวเตเตอรมใหรวถงกนไดเปนอนขาด

รปท 2.7 วธกาเนดไฟฟากระแสตรงดวยคากระแสทคอนขางคงท

2.3 หลกการเบองตนของวงจรสบ (chopper) หลกการเบองตนของวงจรสบสามารถพจารณาจากวงจรพนฐาน ดงแสดงในรป 2.8 ในวงจรประกอบดวยแหลงจายไฟฟากระแสตรง สวตชและโหลดเปนตวความตานทาน วงจรทใชงานจรงๆจะใชเพาเวอรทรานซสเตอร ทาหนาทแทนสวตช

เมอเปดสวตช แรงดนทโหลดจะเทากบแรงดนทแหลงจาย เมอปดสวตช แรงดนทโหลดจะตกสศนย แรงดนเฉลยทโหลดจะเปลยนแปลงตามระยะเวลาการเปด-ปดสวตช จงเรยกวธนวาชอปเปอร ถาชวงเวลาทสวตชเปด-ปด เปลยนแปลงแตกตางกนกจะทาใหแรงดนทโหลด (V0) และกระแสทโหลดเปลยนแปลง ซงคาแรงดนเฉลย (average voltage) จะมความสมพนธกบแรงดนไฟฟาของแหลงจายดงน

V0(ave) = TVon

sT

= TT

TVoffon

ons+

โดย Ton = ระยะเวลาทสวตชปด Toff = ระยะเวลาทสวตชปด T = ระยะเวลาในหนงไซเคล = Ton + Toff

ลกษณะการเปด-ปดสวตชในวงจรสบขนพนฐานในรปสามารถแบงออกได 3 ลกษณะคอ 1. Ton เปลยนแปลง และ Toff เปลยนแปลง แต T คงท เรยกการทางานลกษณะนวา วธการเปลยนแปลงความกวางของพลส (Pulse width modulation) รปรางของแรงดนเอาตพต ดงแสดงในรปท 2.9(ข) แรงดนทโหลดจะลดลงเมอ Ton นอยลง 2. Ton คงท และ Toff เปลยนแปลง แต T เปลยนแปลง เรยกการทางานลกษณะเชนนวา วธการเปลยนแปลงความถ (Frequency modulation) ดงแสดงรปรางของเอาตพตดงรปท 2.9(ค) แรงดนทโหลดจะลดลงเมอ Toff มากขน 3. เปนลกษณะการทางานของการเปลยนแปลงความกวางของพลส และการเปลยนแปลงความถ

ถาวงจรสบมโหลดเปนตวตานทาน กระแสทไหลเขาโหลดจะมลกษณะรปรางเหมอนกบ

แรงดนทโหลด ดงแสดงในรปท 2.9 แตถาโหลดเปนตวเหนยวนากระแสทไหลเขาโหลดจะไหล

อยางตอเนองโดยตอไดโอด ดงแสดงในรป 2.10

รปท 2.8 วงจรพนฐานของวงจรสบ

รปท 2.9 วงจรพนฐานของวงจรสบ

ในรปท 2.10 เปนวงจรสบทมโหลดเปนตวตานทาน และตวเหนยวนา (LF) และม Flywheel-diode (DF) เมอสวตช S1 ON กระแสจะไหลจากแหลงจายเขาโหลด โดยกระแสจะคอยๆเพม เมอสวตช S1 OFF กระแสจะไหล ผานไดโอดและจะเกดแรงดนทโหลดในทศทางตรงขาม (Vα-di) ทาใหไดโอด DF ไดรบ forward bias นากระแสจากโหลด ดงทแสดงการไหลของกระแสในรปท 2.11

รปท 2.10 วงจรสบทมโหลดเปนตวตานทาน

รปท 2.11 แรงดนไฟฟาและกระแสทไหลเขาโหลดทเปนตวเหนยวนา วงจรสบใชในการชวยลดกระแสในการเรมเดนมอเตอรไฟฟากระแสตรง ซงใชแทนการเรมเดนเครองโดยการตอความตานทานอนกรมกบอารเมเจอร เปนการลดแรงดนไฟฟาและกระแสในชวงเรมเดนเครอง วงจรสบยงเปนวงจรทใชในการปรบและควบคมมอเตอรไฟฟากระแสตรงได และยงใชเปนแหลงจายไฟฟากระแสตรงทสามารถควบคมใหมแรงดนคงทได หรอควบคมกระแสเขาโหลดใหคงทได วงจรสบทมโหลดเปนมอเตอรกระแสตรงดงแสดงในรปท 2.12 ในรปท 2.13 (ข) เปนลกษณะทกระแสไหลในโหลดไมตอเนอง ในรปท 2.13 (ค) กระแสไหลในโหลดอยางตอเนอง

รปท 2.12 วงจรสบทมโหลดเปนมอเตอรไฟฟากระแสตรง

รปท 2.13 วงจรสบทมโหลดเปนมอเตอรไฟฟากระแสตรง (ตอ)

2.4 การแปลงผน DC เปน DC (DC – DC Converter)

2.4.1 ชอบเปอรแปลงแรงดนใหลดลงโดยมโหลดเปนมอเตอร วงจรพนฐานของชอบเปอรแปลงแรงดน dc ใหตาลง (แปลงแรงดนเอาตพตใหมคาตากวาแรงดนอนพต) โดยมโหลดเปน motor มลกษณดงรปท 2.14

V1 24.0

SW

1

L1 3.9m R1 6.0

+- DC

M1

D1

รปท 2.14 วงจร Step down Converter

การทางานของชอปเปอรประเภทนแบงออกเปน 2 โหมด 1. ขณะสวทชเปด (on) กระแสจะไหลจากแหลงจายไปยงโหลด

V1 24.0

L1 3.9m R1 6.0

+- DC

M1

รปท 2.15 วงจร Step down Converter เมอ switch on เมอคดชวง switch ON จะไดสมการ

Vin = dtdi

L L + VR

iL = ∫ − dt)(L1 VV Rin

VR = iL * R VL = Vin - VR Vo = VL + VR Diode Vd = Vin Id = 0 2. ขณะสวทชปด (off) คา Vs = 0 และ ไดโอด (D1) ไดรบไบอสตรง ดงนนกระแสทโหลด L จะไหลผาน D1 ไปยงโหลด (R) อยางตอเนองจนกระทงสวทชเปดอกครงหนง ดงนน จงทาใหกระแสทโหลดมความตอเนอง [กรณถาอนดกเตนซของโหลด (L) มปรมาณมาก กจะทาใหกระแสทโหลดไหลอยางตอเนองไดเชนกน]

L1 3.9m R1 6.0

+- DC

M1

D1

รปท 2.16 วงจร Step down Converter เมอ switch off

เมอคดชวง switch OFF จะไดสมการ

dtdi

L L = - VR

iL = ∫ − dt)(L1 VR

VR = iL * R VL = Vd - VR Vo = VL + VR Diode If iL > 0 iL = iL Vd = 0 Else iL = 0 Vd = Vo

รปท 2.17 ผลการ Simulate วงจร Step down Converter

2.4.2 การคานวณโดยใชคาเฉลยสาหรบ Buck Converter กาหนดให Ts = ton + toff

แรงดนครอม L = 0

= dtTs

0LV∫ dt

t on

0LV∫ + dt

T

t

s

on

VL∫ = 0

จะได ( Vin – Vo ) * ton = Vo * ( Ts – ton ) จดรปสมการไดเปน

VV

in

o = Tt

s

on = duty

เมอคดจาก Power Pin = Po Vin*iin = Vo*io จะได

iiin

o = VV

o

in = duty1

2.4.3 ชอบเปอรแปลงแรงดนใหเพมโดยมโหลดเปนแบตเตอร วงจรชอปเปอรพนฐานทใชในการแปลงแรงดน dc ใหสงขน (แปลงแรงดนเอาตพฒใหมคาสงกวาแรงดนอนพต) มลกษณะดงรปท 2.18

Vgen 24.0

L1 3.9m R1 6.0

SW1 E (Batt) 24.0

D1

รปท 2.18 วงจร Step up Converter เมอสวทช SW1 เปดเปนเวลา t1 กระแสทอนดกเตอรจะเพมขนและเกบพลงงานไวในตวอนดกเตอรถาสวตชปดเปนเวลา t2 พลงงานทเกบในอนดกเตอรจะถายโอนผานไดโอด D1 ไปยงโหลด จากนนกระแสทอนดกเตอรจงคอยๆ ลดลง การทางานของชอปเปอรประเภทนแบงออกเปน 2 โหมด

1. เมอคดชวง switch ON จะไดรปเปนดงน

Vgen 24.0

L1 3.9m

R1

6.0

E (Batt) 24.0D1

รปท 2.19 วงจร Step up Converter เมอคดชวง switch on เมอคดชวง switch ON จะไดสมการ

iL = ∫ − dt)(L1 VV Rgen

VR = iL * R VL = Vgen - VR Vo = E

Diode Vd = - Vo Id = 0 2. เมอคดชวง switch OFF จะไดรปเปนดงน

Vgen 24.0

L1 3.9m R1 6.0

E (Batt) 24.0

D1

รปท 2.20 วงจร Step up Converter เมอคดชวง switch off เมอคดชวง switch OFF จะไดสมการ

iL =

VR = iL * R Vo = E Diode If iL > 0 iL = iL Vd = 0 Else

iL = 0 Vd = Vgen - E

รปท 2.21 ผลการ Simulate วงจร Step up Converter

2.4.4 การคานวณโดยใชคาเฉลยสาหรบ Boost Converter กาหนดให Ts = ton + toff

แรงดนครอม L = 0 Vin*ton + ( Vin – Vo )*toff = 0

นา Ts หารตลอดจะได Vin* Ttt

s

offon )( + = Vo* Tt

s

off

VV

in

o = tToff

s = duty11−

เมอคดจาก Power Pin = Po Vin*iin = Vo*io

iiin

o = VV

o

in = 1-duty

2.5 ไอซเบอร 555 (Timer IC)

ในทนจะใชไอซเบอร 555 ในรปของ วงจร Astable Multivibrator ซงเปนวงจรสราง Square wave ตามความถทตองการ

รปท 2.22 วงจร IC เบอร 555

รปท 2.23 สญญาณ Square wave

รปท 2.23 สญญาณ Square wave

หลกการทางานของวงจรคอ C จะทาการ Charge ผาน RA , RB และ Discharge ผาน RB Transistor Q1 ลง Ground C จะทาการ Charge และ Discharge ระหวาง VCC/3 ถง 2VCC/3 จะทาใหเกดเอาทพทเปน Square wave ชวง C Charge ทาใหเกดเอาทพทเปนโลจก “1” ชวง C Discharge ทาใหเกดเอาทพทเปนโลจก “0” การวเคราะหเวลาในการ Charge C และ Discharge C เวลาในการ Charge C จาก 0 ถง VCC /3 ใชเวลา t1

…………………..(1) )e1(V)t(V RC/tCCC

−−=

)e1(V3

V RC/1tCC

CC −−=

405.032ln

RCt 1 −==−

………………….(2) RC405.0t1 = เวลาในการ Charge C จาก 0 ถง 2VCC /3 ใชเวลา t2

…………………..(1) )e1(V)t(V RC/tCCC

−−=

)e1(V3V2 RC/2t

CCCC −−=

098.131ln

RCt 2 −==−

………………….(3) RC098.1t 2 = RC)405.0098.1(ttT 121 −=−= RC693.0T1 = แต R = RA + RB

…………….(4) C)RR(693.0T BA1 += เวลาในการ Discharge C จาก 2VCC /3 ถง VCC /3 ใชเวลา T2

…………………..(5) )e(V)t(V RC/tC

−=

)e1(3V2

3V RC/2TCCCC −−=

)RC(69.031ln)RC(T2 ==

)RC(69.0T2 = แต R = RB

…………….(6) C)R(69.0T B2 = 21 TTT += C)R2R(69.0T BA += ความถของ Square wave

C)R2R(69.0

1fBA +

= ……………….(7)

บทท 3

การออกแบบรถจกรยานไฟฟา 3.1 โครงสรางรถจกรยานไฟฟา โครงสรางรถจกรยานไฟฟา ไดทาการดดแปลงโครงรถจกรยาน โดยนามอเตอรปดนาฝน ( DC Motor 24 V ) พรอมกบชดทดรอบ มาตดตงไวบรเวณ ดานหลงของรถจกรยาน ซงไดใชเหลกแผนเปนตวยดระหวางมอเตอร กบโครงรถจกรยาน ทาใหสามารถถอดมอเตอร เขา-ออกได และไดนาเฟองบนมาตดเขากบชดทดรอบของมอเตอร ( เฟองบนมขนาด 14 ฟน ) สวนเฟองลาง ใชเฟองขนาด 20 ฟนยดตดกบลอหลง ของรถจกรยาน และใชโซเปนตวสงกาลงจากมอเตอรไปยงลอหลง

รปท 3.1 โครงสรางรถจกรยานไฟฟา

รปท 3.2 มอเตอรทปดนาฝน (DC Motor 24 V) พรอมชดทดรอบตดกบเฟองบน

รปท 3.3 เฟองบนขนาด 12 ฟน ตดเขากบชดทดรอบของมอเตอร

รปท 3.4 เฟองลางขนาด 20 ฟนยดตดกบลอหลงของรถจกรยาน

สวนแบบรเวณตรงกลางตขนาด 4#

รปท 3.5 โซทาหนาทเปนตวสงกาลงจากมอเตอรไปยงลอหลง

ตเตอร ใชแบตเตอรรถจกรยานยนต ขนาด 12 V 5 Ah 2 ลก ตออนกรมกน แลวนาไปตดตงวถง รถจกรยาน และกลองชดcontrol จะตดบรเวณเหนอแบตเตอร สายไฟทใชในวงจรหลก ม

รปท 3.6 แบตเตอร 12 V 5 Ah 2 ลก ตออนกรมกน

ตวปรบควาจากกลองชดควบคม

รปท 3.7 กลองชด control

มเรวใชความตานทานแบบสไลดโดยตดตงบรเวณมอจบดานขวาของรถจกรยานโดยตอสายมา

รปท 3.8 ความตานทานปรบคาไดแบบสไลตโดยตดตงบรเวณมอจบดานขวาของรถจกรยาน 3.2 วงจรทใชในการควบคมรถจกรยานไฟฟา 3.2.1 วงจรหลก (Main circuit)
รปท 3.9 วงจรหลก (Main circuit)

จากรปท 3.9 จะเหนไดวา MOSFET ซงทางานเปนตว switching เปด-ปด กระแสใหแกมอเตอร เมอใชวงจรปรบ duty cycle โยงเขาสขา gate ของ MOSFET เมอวงจรปรบ duty cycle ทางาน (V=12 volt) ขาgate ของ MOSFET กจะทางานดวย ในทน MOSFET จะทาการปดวงจรลง ทาใหมกระแสไหลผานมอเตอร จงทาใหมอเตอรทางาน ซงเมอมอเตอรทางานแลว โวลทเตจทงหมดจะไปตกครอมตวมอเตอร และเมอวงจร duty cycle ไมทางาน (V=0 volt) MOSFET กจะไมทางานดวย จงเปนการเปดวงจร ทาใหโวลทเตจทงหมด ตกครอมทตวMOSFET ดงนน VDS จงมลกษณะตรงขามกบโวลทเตจของวงจร duty control สวน diode มหนาททาใหมอเตอรทางาน ไดอยางมประสทธภาพมากขน คาความตานทาน 500 โอหม มไวเพอจากดกระแสทไหลผานในตว IC และคาความตานทาน 10k โอหม มไวเสมอนการตอลง ground ของวงจร เพอปองกนการผดพลาด 3.2.2 วงจรควบคม (Duty Control) เปนการออกแบบวงจร Astable Multivibrator ใหไดความถ 50Hz และสามารถปรป Duty cycle ไดตงแต 1% ถง 99%

รปท 3.10 วงจรควบคม (Duty control)

จากรปท 3.10 จะไดสมการ …………………(1) C)RR(69.0T X11 +=

………………….(2) C)RR(69.0T Y32 +=

C)RRR(69.0TTT 32121 ++=+= …………..(3) ตองการผลตความถ f = 50Hz C)R+R+R(69.0=mSec20=T 321

ดงนน

C10x20=)R+R+R(69.0

3

321

-

……………….(4)

เลอก C = 0.27 µF (R1+R2+R3) = 107.35K Ω จากสมการ (1) เมอปรปคา R2 ให RX = 0 T1 = 1% Duty cycle = 0.01(20) mSec ………………..(5) C)R(69.0=mSec2.0 1

จากสมการ (2) เมอปรปคา R2 ให RX = R2

T1 = 99% Duty cycle = 0.99(20) mSec ………………..(6) C)R+R(69.0=mSec8.19 21

สมการ ( )( ) 1

21

RR+R=99=

56

211 R+R=R99 เลอก R2 (ความตานทานปรบคาได) = 100 K Ω R1 = 1 K Ω จากสมการ (5)

F27.0=k1x69.0

)mS20(01.0=C µ

เลอก C = 0.27 µF

จากสมการ (4) C10x1)RRR(

3

321

−

=++

R3 = 6 K Ω เมอเราไดคา R1=1K Ω R2=100K Ω R3=6K Ω C=0.27 µF แลวหลงจากนนจงนาไปลงบนแผนวงจร โดยใชโปรแกรม Potel ในการออกแบบ จะไดลายวงจร ดงรปท 3.11

แล

3.3 การท 3.3 3.3

รปท 3.11 ลายวงจรของวงจรควบคม

ะเมอไดลายวงจรออกมาแลว จากนนจงนาอปกรณตางๆ มาเชอมตอลงบนลายวงจรดงรปท 3.12

รปท 3.12 ชดวงจรควบคม

ดลอง

.1 อปกรณทใชในการทดลอง 1. oscilloscope 2. เครองวดความเรวรอบ 3. นาฬกาสาหรบจบเวลา 4. ตลบเมตร

.2 วธการทดลอง

1. ทาการปอนไฟ DC 12 V ใหกบชดควบคม และปอนไฟ DC 24 V ใหกบมอเตอรแลว วด voltage ของ VGS (ch1) เทยบกบ VDS (ch2) ในขณะทไมมผขบข (no load) โดยปรบคาของ duty ตงแตคาตาสดจนถงคาสงสด แลวทาการบนทกภาพ 2. วดความเรวของรถจกรยานไฟฟา ในขณะทไมมผขบข และในขณะทมผขบข เปรยบเทยบคากนโดยมการปรบคา duty cycle ตงแต 1% ถง 99% ซงการวดในขณะทไมมผขบขนนจะใช RPM meter ในการวดความเรวรอบของลอ และในขณะทมผขบข จะใชระยะทาง 50 เมตรในการจบเวลาเพอหาความเรว 3. วดระยะเวลาในการใชงานของแบตเตอรทงสองสภาวะ

รปท 3.13 RPM Meter

รปท 3.14 การใช RPM Meter ในการวดความเรวขณะไมมผขบข

รปท 3.15 การวดความเรวขณะมผขบข

บทท 4 ผลการทดลองและอภปรายผล

เมอทาการทดลองดงทกลาวไวแลวในบทท 3 ผลการทดลองดงกลาวมรายละเอยดดงตอไปน 4.1 การวด voltage ของ VGS (ch1)เทยบกบ VDS (ch2) MOSFET ซงทางานเปนตว switching เปด-ปด กระแสใหแกมอเตอร เมอใชวงจรปรบ duty cycle โยงเขาสขา gate ของ MOSFET เมอวงจรปรบ duty cycle ทางาน (V=12 volt) ขาgate ของ MOSFET กจะทางานดวย ในทน MOSFET จะทาการปดวงจรลง ทาใหมกระแสไหลผานมอเตอร จงทาใหมอเตอรทางาน ซงเมอมอเตอรทางานแลว โวลทเตจทงหมดจะไปตกครอมตวมอเตอร และเมอวงจร duty cycle ไมทางาน (V=0 volt) MOSFET กจะไมทางานดวย จงเปนการเปดวงจร ทาใหโวลทเตจทงหมด ตกครอมทตวMOSFET ดงนน VDS จงมลกษณะตรงขามกบโวลทเตจของวงจร ดงผลการทดลอง

รปท 4.1 กราฟระหวาง VGS และ VDS ท duty 1%


รปท 4.11 กราฟระหวาง VGS และ VDS ท duty 99% 4.2 ผลการทดลองทไดจากการวดความเรวของรถจกรยาน ทาการวดความเรวของรถจกรยานในขณะทไมมผขบข(no load) และมผขบขโดยใชผขบข 2 คน นาหนก 65Kg และ 80Kg ซงทาการปรบคา duty cycle แลวทาการบนทกผลไดดงน ตารางท 4.1 การวดความเรวของรถจกรยาน ทนาหนก และ duty cycle ตางกน

Duty(%) Speed(km/hr)

no load load(65Kg) load(80Kg)

0 0 0 0

10 1.31 0 0

20 5.96 0 0

30 8.19 3.87 3.6

40 9.31 5 4.53

50 10.13 6.19 5.45

60 10.54 7.19 5.75

70 10.87 7.71 7.17

80 11.07 8.11 7.52

90 11.11 8.65 8.14

100 11.21 8.78 8.37

จากผลทไดจากตารางนามาเขยนกราฟแสดงความสมพนธไดดงรปท 4.12

-5

0

5

10

15

0 50 100 150Duty (%)

Spee

d(km/

hr) no loadload(65Kg)load(80Kg)

รปท 4.12 กราฟแสดงความสมพนธระหวาง duty(%) และ speed(km/hr) จากกราฟจะเหนไดวาทนาหนกตางกนกจะสงผลตอรถจกรยานไฟฟา โดยถานาหนก เพมมากขน จะทาใหความเรวลดลงไดเชนกน แตความเรวจะลดลงไมมากนก 4.3 ระยะเวลาในการใชงานของแบตเตอร ตารางท 4.2 ระยะเวลาในการใชงานของแบตเตอร

นาหนก(Kg) เวลา(นาท) 65Kg 32 80Kg 28

จากตารางท 4.2 จะเหนไดวา เวลาทใชตางกนเลกนอย โดยนาหนกนอยกวา จะใชไดนานกวา

บทท 5 สรปผลและขอเสนอแนะ

จากการออกแบบ สราง และทดสอบรถจกรยานไฟฟาโดยทาการสรางรถจกรยานไฟฟา ทสามารถปรบความเรวไดนนสามารถสรปไดดงน 1. ออกแบบและสรางโครงจกรยานไฟฟา เพอใหสามารถเคลอนทไดแทนการใชคนปน 2. ออกแบบชดวงจรควบคมโดยใช IC เบอร 555 เปนตวสรางสญญาณ square wave เพอนาไปขบMOSFET ททางานเปนตว switching ของวงจร 3. รถจกรยานไฟฟา สามารถวงไดดวยความเรวประมาณ 10 km/hr โดยแบตเตอรสามารถใชงานไดนานประมาณ 30 นาท 4. การเปลยนแปลงนาหนกของผขบข ไมมผลตอความเรวของรถจกรยานไฟฟามากนก

ปญหาและขอเสนอแนะ 1. โครงการนใชมอเตอรทมขนาดเลกเกนไป ทาใหรถจกรยานไฟฟาวงไดชา ดงนนจงควรเลอกใชมอเตอร ทมกาลงสง ประมาณ 150 วตตขนไป 2. ควรเพมวงจรอดประจไฟฟาใหแกแบตเตอรเพอยดอายการใชงาน แตเนองจากมอเตอรทใชในโครงการน มเกยรอยในตวทาใหไมสามารถออกแบบใหมอเตอรทาหนาทเปนเจนเนอรเรเตอร เพอใชในการอดประจไฟฟาใหแกแบตเตอรได 3. ควรใชแบตเตอรแหงเนองจากนาหนกเบา ใหกระแสทมากกวา และสามารถใชงานไดนานกวา

บรรณานกรม

1. ชยยงค แกวมงคล และ นภทร วจนเทพนทร., 2540. อเลกทรอนกสกาลง 1. พมพครงท 1. ปทมธาน:สกายบก.

2. บญญศกด ใจจงกจ., 2522. มอเตอรไฟฟา:อนกรมเครองตนกาลง 4. พมพครงท 2. กรงเทพฯ:

สานก3.บรการวชาการ และ วจย สถาบนเทคโนโลยพระจอมเกลา วทยาเขตพระนครเหนอ. 3. มงคล ทองสงคราม., 2543. อเลกทรอนกสกาลง. พมพครงท 4. กรงเทพฯ:ว เจ พรนตง. 4. Mohan,Undeland and Robbins., 1995. Power Electronic. USA:John Wiley

& Sons,Inc. 5. P.C. Sen., 1996. Principles of Electric Machine and Power Electronic.

USA:John Wiley & Sons,Inc.

ภาคผนวก

ภาคผนวก ก การ Simulate วงจร Step down และ Step up Converter

การ Simulate วงจร Step down Converter วงจรพนฐานของชอบเปอรแปลงแรงดน dc ใหตาลง (แปลงแรงดนเอาตพตใหมคาตากวาแรงดนอนพต) โดยมโหลดเปน motor มลกษณดงรปท ก.1

V1 24.0

SW

1

L1 3.9m R1 6.0

+- DC

M1

D1

รปท ก.1 วงจร Step down Converter

ขณะสวทชเปด (on) กระแสจะไหลจากแหลงจายไปยงโหลดดงรป ก.2

V1 24.0

L1 3.9m R1 6.0

+- DC

M1

รปท ก.2 วงจร Step down Converter เมอ switch on

ขณะสวทชปด (off) คา Vs = 0 และ ไดโอด (D1) ไดรบไบอสตรง ดงนนกระแสทโหลด L จะไหลผาน D1 ไปยงโหลด (R-C) อยางตอเนองจนกระทงสวทชเปดอกครงหนง ดงนน จงทาใหกระแสทโหลดมความตอเนองดงรปท ก.3

L1 3.9m R1 6.0

+- DC

M1

D1

รปท ก.3 วงจร Step down Converter เมอ switch off

Flow Chart Start

N

Y

iL=0; Vd=0; Vo=0; VL=0; VR=0; i 0

Gate

สรางสญญาณ on/off Gate

Il >

t= t + dt

t>ted

on off

iL = iL + ∫ − dt)(L1 VR

stop

iL = iL +

∫ − dt)(L1 VV Rin

VR = iL * R VL = Vin - VR Vo = VL + VR
Y N
Vd=VinId= 0

0

iL = iLVd = 0

iL =0 Vd = Vo

VR = iL * R VL = Vd - VR Vo = VL + VR

การเขยนโปรแกรมโดยใช Matlab %%%Step down circuit%% clear; %% Parameter%% R=6; L=3.9e-3; vi=24; fs=20e3; duty=0.4; ts=1/fs; ton=duty*ts; %% initalization Start %% dt=1e-6; tend=100*ts; il=0; vd=0; vR=0; vo=0; vl=0; io=0; %% Program %% inx=1; for t=0:dt:tend %% Gate wavefrom%% vg=sign(ton-rem(t,ts)); if vg>0 %% on circuit il=il+(vi-vR)/L*dt; vR=il*R; vl=vi-vR; vd=vi; vo=vl+vR; else %%% off circuit il=il+(-vR)/L*dt; if il>0 %% diode check il=il; vd=0; else il=0; vd=vo; end vR=il*R; vl=vd-vR; vo=vl+vR; end %% Data save %% vgtab(inx)=vg; vdtab(inx)=vd; vltab(inx)=vl; votab(inx)=vo; iltab(inx)=il; ttab(inx)=t; inx=inx+1; end %% Data plot %% figure(1); clf;

subplot(4,1,1); grid on; hold on; plot(ttab,(vgtab+1)*50); plot(ttab,vgtab) plot(ttab,vltab,'r'); plot(ttab,votab,'g'); subplot(4,1,2);grid on; hold on; plot(ttab,iltab); subplot(4,1,3);grid on; hold on; plot(ttab,vltab); subplot(4,1,4);grid on; hold on; plot(ttab,votab); ตวอยางการ Simulate

เมอกาหนดให L = 3.9mH R = 6Ω duty = 0.4 Vin = 24 fs = 20 kHz จะไดผลการ Simulate ดงน

รปท ก.4 ผลการ Simulate วงจร Step down Converter

การ Simulate วงจร Step up Converter วงจรชอปเปอรพนฐานทมโหลดเปนแบตเตอร มลกษณะดงรปท ก.5

Vgen 24.0

L1 3.9m R1 6.0

SW

1 E (Batt) 24.0D1

รปท ก.5 วงจร Step up Converter

เมอคดชวง switch ON จะไดรปเปนดงรปท ก.6

Vgen 24.0

L1 3.9m

R1

6.0

E (Batt) 24.0D1

รปท ก.6 วงจร Step up Converter เมอคดชวง switch on

เมอคดชวง switch OFF จะไดรปเปนดงรปท ก.7

Vgen 24.0

L1 3.9m R1 6.0

E (Batt) 24.0

D1

รปท ก.7 วงจร Step up Converter เมอคดชวง switch off

Flow Chart Start

N

Y

Gate

สรางสญญาณ on/off Gate

t= t + dt

t>ted

stop on off

iL = iL+

iL=0; Vd=0; Vo=0; VL=0; VR=0;

iL = iL + ∫ − dt)(L1 VV Rgen

VR = iL * R VL = Vgen - VR Vo = E
Y N
Vd= -

VoId= 0

Il > 0

iL = iLVd = 0

iL =0 Vd = Vgen-

E

VR = iL *R V = E

การเขยนโปรแกรมโดยใช Matlab

%%%Step up circuit%% clear; %% Parameter%% R=6; L=3.9e-3; ; vi=24; E=24; fs=20e3; duty=0.4; ts=1/fs; ton=duty*ts; %% initalization Start %% dt=1e-6; tend=100*ts; il=0; vd=0; vo=0; vl=0; vR=0; i2=0; i3=0; %% Program %% inx=1; for t=0:dt:tend %% Gate wavefrom%% vg=sign(ton-rem(t,ts)); if vg>0 %% on circuit il=il+((vi-vR)/L)*dt; i2=il; i3=0; vR=il*R; vo=E; vl=vi-vR; vd=-vo; else %%% off circuit il=il+((vi-E-vR)/L)*dt; i2=0; i3=il; if il>0 %% diode check il=il; vd=0; else il=0; vd=vi-E; end vR=il*R;

vo=E; vl=vi-vd-E-vR; end %% Data save %% vgtab(inx)=vg; vdtab(inx)=vd; vltab(inx)=vl; votab(inx)=vo; iltab(inx)=il; i2tab(inx)=i2; i3tab(inx)=i3; ttab(inx)=t; inx=inx+1; end %% Data plot %% figure(1); clf; subplot(6,1,1); grid on; hold on; plot(ttab,(vgtab+1)*50); plot(ttab,vgtab) plot(ttab,vltab,'r'); plot(ttab,votab,'g'); subplot(6,1,2);grid on; hold on; plot(ttab,vltab); subplot(6,1,3);grid on; hold on; plot(ttab,iltab); subplot(6,1,4);grid on; hold on; plot(ttab,i2tab); subplot(6,1,5);grid on; hold on; plot(ttab,i3tab); subplot(6,1,6);grid on; hold on; plot(ttab,votab);

ตวอยางการ Simulate เมอกาหนดให L = 3.9mH R = 6Ω duty = 0.4 Vin = 24 v E = 24 v fs = 20 kHz จะไดผลการ Simulate ดงน

รปท ก.8 ผลการ Simulate วงจร Step up Converter

การควบคมดซมอเตอรสาหรบรถไฟฟาDC Motor Control for Electric Vehicle

อาจารยทปรกษาอาจารย ดร. กฤษ เฉยไสย

อาจารย ดร. สมฤทธ หงสะสตรอาจารย ดร. ชยภฎ วรรธนะสาร

นาเสนอโดยนายชต เครอพมาย 421677-9นายเทพประภทร วองวฒนอนนต 421715-9

ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตรมหาวทยาลยขอนแกน

หลกการและเหตผล

ปจจบนนามนมราคาสงปญหามลพษความไมสะดวกสบาย

วตถประสงคของโครงการเพอสรางรถจกรยานไฟฟาศกษาการควบคม Torque ของดซมอเตอร

ประโยชนทคาดวาจะไดรบ

ไดเรยนรหลกการควบคม Torque ของดซมอเตอรสรางรถจกรยานไฟฟา เพอนาไปใชประโยชนได

การออกแบบรถจกรยานไฟฟา

โครงสรางรถจกรยานไฟฟาวงจรทใชในการควบคมรถจกรยานไฟฟา

โครงสรางรถจกรยานไฟฟา

ปญหาของโครงสรางจกรยาน

มอเตอรทใชมกาลงไมพอมอเตอรทใชมชดทดรอบ จงไมสามารถ

Charge Batterry ไดมเฉพาะชดควบคม Speed

แนวทางแกไข• ใชมอเตอรทมประสทธภาพสงขน

วงจรทใชในการควบคมรถจกรยานไฟฟา

วงจรหลก ( Main Circuit )วงจรควบคม ( Duty Control )

วงจรหลก (Main circuit)

MOSFET ซงทางานเปนตว switching เปด-ปด กระแสใหแกมอเตอร

วงจรควบคม (Duty Control)

ความถ 50Hz และสามารถปรบ Dutycycle ไดตงแต 1% ถง 99%

Discharge7

Out3

Vcc8 4

Reset

Thres6

IC 555

Trig2

Cont5

GND1

Vo (t)

R2

CVc(t)

Vcc=15V

R3

C2=0.1uF

+

-

R1

RX

RY

• วงจร Astable

Multivibrator

สรางสญญาน

Square wave

12 V

C = 0.27 uF

R1 = 1k Ohm

R2=100k Ohm

R3=6k Ohm

• รปของวงจร

• กลองชดControl

• ความตานทานปรบคาไดโดยตดไวบรเวณมอจบดานขวาของจกรยาน

อปกรณทใชในการทดลองoscilloscopeเครองวดความเรวรอบนาฬกาสาหรบจบเวลาตลบเมตร

วธการทดลองวด voltage ของ VGS (ch1)เทยบกบ VDS (ch2)วดความเรวของรถจกรยานไฟฟา ในขณะทไมมผขบข และในขณะทมผขบขวดระยะเวลาในการใชงานของแบตเตอรทงสอง

ผลการทดลองกราฟท Duty Cycle 10%

Speed(km/hr)no load load(65Kg) load(80Kg)

1.31 0 0

CH1

CH2

กราฟท Duty Cycle 90%

CH1

Speed(km/hr)no load load(65Kg) load(80Kg)

11.11 8.65 8.14

CH2

กราฟแสดงความสมพนธระหวาง duty(%) และ speed(km/hr)

-2

0

2

4

6

8

10

12

0 20 40 60 80 100 120Duty (%)

Spee

d(km/

hr)

no load

load(65Kg)

load(80Kg)

ระยะเวลาในการใชงานของแบตเตอร

2880Kg3265Kg

เวลา(นาท)นาหนก(Kg)

สรปผลและขอเสนอแนะ

ออกแบบและสรางจกรยานไฟฟา เพอใหสามารถเคลอนทไดแทนการใชคนปนออกแบบชดวงจรควบคมโดยใช IC เบอร 555 เปนตวสรางสญญาณ square wave แบบปรบ Duty Cycle ได เพอนาไปขบMOSFET ททางานเปนตวswitching ของวงจร รถจกรยานไฟฟา สามารถวงไดดวยความเรวประมาณ 10 km/hr โดยแบตเตอรสามารถใชงานไดนานประมาณ 30 นาท

มอเตอรปดนาฝนมาตดตงบรเวณดานหลงของจกรยานนาเฟองบนมาตดตงเขากบชดทดรอบของมอเตอร

แบตเตอร 12 V 5 Ah 2 ลก ตออนกรมกน

• เฟองลางขนาด 20 ฟน ยดตดกบลอหลงของจกรยาน

• ใชโซเปนตวสงกาลงจากมอเตอรไปยงลอ

421677-9 ทร ํัวาต421715-9 - department of electrical...

Documents