NGUYÊN CỨU MÔ PHỎNG BƯỚM GA ĐIỆN TỬ TRÊN TOYOTA CAMRY 2016

Bộ điều khiển trung tâm ECU bộ điều khiển điện là bướm ga điện tử kết hợp với các cảm biến khác trên xe, có thể điều khiển thời gian đóng / mở và góc mở bướm ga theo quy trình tùy theo t

-

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

TÊN ĐỀ TÀI: NGUYÊN CỨU MÔ PHỎNG BƯỚM GA ĐIỆN TỬ TRÊN TOYOTA CAMRY 2016

CBHD: Ts Nguyển Tuấn Nghĩa

MỤC LỤC

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

MỞ ĐẦU 1

TỔNG QUAN VỀ BƯỚM GA ĐIỆN TỬ 2

Đặt vấn đề và tính cấp thiết của đề tài 2

Đặt vấn đề 2

Tính cấp thiết của đề tài 2

Mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu 3

Mục tiêu của đề tài 3

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

Chức năng nhiệm vụ và phân loại hệ thống bướm ga 4

Chức năng nhiệm vụ của hệ thống bướm ga 4

Phân loại hệ thống điều khiển bướm ga 4

Hệ thống điều khiển bướm ga bằng cơ khí 4

Cấu tạo 4

Nguyên lý hoạt động 5

Hệ thống điều khiển bướm ga bằng điện tử 6

Cấu tạo 6

Nguyên lý hoạt động 6

MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 8

Hệ thống điều khiển bướm ga trên động cơ 2AR-FE 8

Giới thiệu về hệ thống ETCS-i 8

Cấu tạo và hoạt động của cổ họng gió 9

Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển bướm ga điện tử trên động cơ 2AR-FE 10

Chức năng dự phòng (chức năng an toàn) 13

Mạch điều khiển bướm ga 15

Kết cấu các bộ phận chính hệ thống bướm ga 18

Cảm biến vị trí bướm ga 18

Môtơ bướm ga 22

Ly hợp điện từ 24

Cơ cấu an toàn 24

ECU ( Electronic Control Unit) 25

Hệ thống điều khiển tốc độ không tải ISC 27

Giới thiệu tổng quan về tình hình nghiên cứu bướm ga điện tử trên xe ô tô: 29

Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển bướm ga tự động 32

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BƯỚM GA ĐIỆN TỬ 40

Giới thiệu phần mềm mô phỏng matlab/simulink 40

Tổng quan về Matlab 40

Môi trường lập trình Matlab 40

Công cụ mô phỏng trực quan Simulink 41

Thiết kế hệ thống điều khiển bướm ga thông minh 44

Điều khiển vòng kín hồi tiếp 44

Điều khiển Adaptive Sliding Mode 45

Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống điều khiển bướm ga bằng công cụ Matlab/Simulink 45

Mô hình hệ thống bướm ga điện tử điều khiển hồi tiếp 45

Mô hình hệ thống bướm ga Adaptive Sliding Mode 48

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 52

Tài liệu tham khảo 54

Phụ lục 1 56

Phụ lục 2 57

5 ISCV Van điều chỉnh : tốc độ không tải

7 ETCS-i Hệ Thống điều khiển bướm ga điện tử - thông

minh

9 TPS Cảm biến vị trí bướm ga

10 ECM Vi xử lý

12 TRC Điều khiển lực kéo

14 VVT-i Hệ thống phân phối khí tự động - thông minh

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1.Vị trí bướm ga được gắn trên ô tô 3

Hình 1.2 Bướm ga dẫn động bằng cơ khí 5

Hình 1.3 Bướm ga điều khiển điện tử 6

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển bướm ga điện tử 8

Hình 2.2 Cấu tạo cụm cổ họng gió 10

Hình 2.3 Sơ đồ mạch điện bộ chấp hành bướm ga 11

Hình 2.4 Góc mở bướm ga ứng với các chế độ 12

Hình 2.5 Mối quan hệ của các bộ phận giữ chức năng dự phòng 13

Hình 2.6 Hoạt động dự phòng khi cảm biến APPS bị hỏng 14

Hình 2.7 Các chế độ dự phòng khi cảm biến APPS bị hỏng 15

Hình 2.8 Sơ đồ khối mạch điều khiển bướm ga điện tử 16

Hình 2.9 Sơ đồ mạch điều khiển bướm ga 17

Hình 2.10 Cấu tạo cảm biến vị trí bướm ga loại phần tử Hall 19

Hình 2.11 Cảm biến vị trí bàn đạp ga 20

Hình 2.12 Cảm biển bướm ga loại Hall 21

Hình 2.13 Sơ đồ điện điều khiển môtơ DC 22

Hình 2.14 Sơ đồ mạch điện điều khiển ở chế độ đóng bướm ga 23

Hình 2.15 Sơ đồ khối hoạt động của ECU 25

Hình 2.16 Sơ đồ khối các hệ thống trong ECU với bộ vi xử lý 27

Hình 2.17 Trích hình 18 của tài liệu số [3] 29

Hình 2.18 Trích hình 2,4 của tài liệu số [4] 30

Hình 2.19 Trích hình 2, 3 của tài liệu số [5] 31

Hình 2.20 Tín hiệu góc đặt, góc đo 32

Hình 2.21 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bướm ga 32

Hình 3.1 Khối thư viện Simulink 42

Hình 3.2 Cửa sổ mô hình làm việc trên simulink 43

Hình 3.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bướm ga 43

Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển với vòng kín hồi tiếp 44

Hình 3.5 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Adaptive Sliding Mode 45

Hình 3.6 Bảng thông số lựa chọn 46

Hình 3.7 Sơ đồ mô phỏng hệ thống với điều khiển hồi tiếp 47

Hình 3.8 Kết quả mô phỏng hệ thống với điều khiển vòng hở với góc đặt 47

Hình 3.9 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bướm ga Adaptive Sliding Mode 48 Hình 3.10 Sơ đồ khối bướm ga 49

Hình 3.11 Kết quả mô phỏng điều khiển Adaptive Sliding Mode với góc đặt 40° 49

Hình 3.12 Trích hình số 16 [3] kết quả mô phỏng với tín hiệu dạng step 50

Hình 3.13 Bảng tổng kết các phương pháp điều khiển 50

MỞ ĐẦU

Hiện nay, bướm ga điện tử đã dần thay thế bướm ga điều khiển bằng dây

cáp cơ khí Với ngành ô tô đã có những bước tiến về khoa học, kỹ thuật như:

điều khiển điện tử, kỹ thuật bán dẫn,… Tìm ra phương pháp điều khiển có độ

chính cao, phù hợp để đáp ứng nhanh

Thông qua việc làm đề tài này đã góp phần cho sinh viên củng cố lại các

kiến thức đã được học tập và nghiên cứu về ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô tại

trường Đại Học Công nghiệp Hà Nội

Với học phần Đồ án , em xin lựa chọn đề tài : “ Nghiên cứu mô phỏng bướm

ga điện tử trên TOYOTA CAMRY 2016” để tìm hiểu sâu hơn về hệ thống cũng

như củng cố kiến thức cho bản thân Được sự hướng dẫn của thầy : Nguyễn

Tuấn Nghĩa, em đã hoàn thành đồ án của mình Đồ án của em gồm 4 chương :

Chương 1 : Tổng quan về bướm ga điện tử

Chương 2 : Mô hình hóa hệ thống

Chương 3 : Mô phỏng hệ thống điều khiển bướm ga điện tử

Chương 4 : Kết luận và hướng phát triển

Do thời gian, điều kiện nghiên cứu, và trình độ còn nhiều hạn chế cho

nên em không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự góp ý,

và giúp đỡ của quý thầy cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo : Nguyễn Tuấn Nghĩa cùng các

thầy trong bộ môn đã giúp em hoàn thành được học phần này!

Em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, Ngày Tháng Năm 2022

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Trọng Nam

TỔNG QUAN VỀ BƯỚM GA ĐIỆN TỬ

Đặt vấn đề và tính cấp thiết của đề tài

Đặt vấn đề

Trong thời kì công nghiệp, hóa hiện đại hóa đất nước các ngành đều có những bước phát triển Trong đó ngành ô tô có những bước phát triển rất nhanh chóng và được phát triển trong nhiều ngành kinh tế như: vận tải, du lịch, Bên cạnh để đảm bảo phát triển gắn liền với hài hòa với môi trường, giảm phát thải, giảm nồng độ chất độc hại trong khí thải

Do đó gần đây các nhà sản xuất ô tô đã dần thay thế bướm ga điều khiển bằng cơ khí mà thay vào đó là bướm ga điều khiển điện tử kết hợp với hệ thống điều khiển phun xăng nhằm tối ưu việc sử dụng nhiên liệu, giảm phát thải ra môi trường, đảm bảo tính an toàn, nâng cao công suất động cơ,…

Tính cấp thiết của đề tài

So với bướm ga cơ khí thì bướm ga điện tử có nhiều ưu điểm hơn hẳn (bướm ga cơ khí dễ bị kẹt, độ rơ của các khớp nối, ) Loại bỏ hiện tượng kẹt hoặc bó hay xảy ra với cơ cấu bướm ga điều khiển bằng cơ khí do lò xo bướm

ga không thể hồi về.Điều này ngăn cản bướm ga đóng lại( gây hiệu ứng chạy quá ở động cơ) Bướm ga điều khiển điện tử cũng nhằm giảm khí thải và cải thiện mức độ tiêu hao nhiên liệu ở động cơ Ưu điểm chính của bướm ga điều khiển điện tử là động cơ có thể kết hợp kiểm soát mô-men xoắn với kiểm soát hành trình, kiểm soát lực kéo và kiểm soát độ ổn định

Bộ điều khiển trung tâm ECU (bộ điều khiển điện) là bướm ga điện tử kết hợp với các cảm biến khác trên xe, có thể điều khiển thời gian đóng / mở và góc mở bướm ga theo quy trình tùy theo trạng thái hoạt động của động cơ Điều kiện hoạt động thực tế và hệ số an toàn của động cơ và xe Ví dụ, nếu hệ số bám đường của xe kém, xe đi vào góc nhỏ, buồn ngủ hoặc người lái xe có nồng

độ cồn cao, ECU sẽ thu thập thông tin này thông qua các cảm biến Nó có thể

từ đó Kiểm soát tốc độ tối đa của xe nhờ bướm ga điện tử

Mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài

Phân tích cấu tạo của bướm ga điện tử của ô tô để tìm ra cách điều khiển bướm ga điện tử của ô tô tốt hơn Điều chỉnh hoặc kết hợp các phương pháp này, chẳng hạn như sử dụng kỹ thuật điều khiển PID và bộ bù thích hợp, hoặc phương pháp backstepping,bám trượt (Sliding Mode) và thêm các thông số mới để kiểm soát phản ứng thời gian thực của hệ thống, bám sát vị trí mong muốn của chân ga

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: bộ bướm ga điện tử trên xe Toyota Camry

Hình 1.1.Vị trí bướm ga được gắn trên ô tô Phạm vi thực hiện: Xác định bộ bướm ga của ô tô, xác định các giai đoạn phi tuyến của hệ thống, xây dựng các mô hình toán học và mô phỏng trong phần mềm Matlab / Simulink

Chúng tôi đề xuất các giải pháp điều khiển và mô phỏng hệ thống trên máy tính Thực hiện các thử nghiệm xác minh

Chức năng nhiệm vụ và phân loại hệ thống bướm ga

Chức năng nhiệm vụ của hệ thống bướm ga

Với động cơ thì không khí đi vào trong thông qua bướm ga Khi nhấn chân ga thì bướm ga sẽ được mở ra, tùy thuộc vào mức độ nhấn của bàn đạp ga

và cho phép không khí đi vào ống nạp Cho đến nay, hầu hết các bướm ga được người lái điều khiển trực tiếp thông qua dây cáp Ngoài ra, hệ thống điều khiển

tự động (Cruise Control) cũng làm thêm phương pháp điều khiển cơ, phát sinh nhiều vấn đề liên quan đến cơ cấu bướm ga Đó là lý do tại sao trong nhiều năm gần đây, bướm ga dẫn động điện và điều khiển điện tử thông qua ECU làm cho

cơ chế điều tiết đơn giản hơn

Thân bướm ga truyền thống (cơ) thường được trang bị cảm biến bướm

ga Cảm biến vị trí bướm ga được gắn trên thân bướm ga Cảm biến này chuyển độ mở bướm ga thành tín hiệu điện áp và gửi đến ECU

Nhiệm vụ chính của hệ thống điều khiển bướm ga trên xe ô tô là:

+ Các chế độ làm việc như: chế độ cầm chừng, 1 phần tải hay toàn tải

sẽ được đánh giá

+ Điều chỉnh tỉ lệ không khí - nhiên liệu phù hợp

+ Ứng với các chế độ hoạt động khác nhau sẽ có công suất động cơ phù hợp + Cắt nhiên liệu khi giảm tốc đột ngột

Phân loại hệ thống điều khiển bướm ga

Người ta phân loại theo phương pháp điều khiển, cấu tạo, hoạt động khi phân loại hệ thống điều khiển bướm ga

+ Hệ thống điều khiển bướm ga bằng cơ khí

+ Hệ thống điều khiển bướm ga bằng điện tử

Hệ thống điều khiển bướm ga bằng cơ khí

Cấu tạo

Bướm ga được dẫn động bằng cơ khí là một phần bộ phận cấu tạo của

bộ chế hòa khí Với các xe đời cũ bộ chế hòa khí thường được sử dụng Cơ cấu bướm ga bao gồm các bộ phận chính như sau:lò xo hồi vị, các chốt định

vị, bàn đạp ga được lắp trong khoang cabin của ô tô, cánh bướm ga, chốt dẫn đông

Cơ cấu bướm ga trong hình ảnh trên hoạt động như một van điều khiển

bộ chế hòa khí Khi động cơ chạy, cả bướm ga và van gió đều mở, không khí được hút từ trên cao vào và đi qua họng khuếch tán Tại đây, vùng tiết diện lưu thông bị thu hẹp khiến khí lưu thông nhanh hơn, áp suất giảm xuống, đồng thời tạo ra chân không hút nhiên liệu từ buồng phao qua đường nhiên liệu chính và phun ra dưới dạng tia Do đó, xăng được phun vào dòng khí tốc độ cao, trộn với không khí và bay hơi tạo thành hỗn hợp khí dễ cháy Lượng không khí được hút vào từ bộ chế hòa khí phụ thuộc vào độ mở của van tiết lưu Độ mở bướm ga càng lớn thì lượng không khí đi qua càng nhiều Điều

này có nghĩa là luồng không khí trong họng khuếch tán sẽ nhanh hơn và lượng xăng được hút vào nhiều hơn Do đó, bướm ga có thể điều khiển hoạt động của động cơ ở nhiều chế độ tải khác nhau tùy theo điều kiện làm việc Điều khiển bướm ga được thực hiện thông qua bàn đạp và hệ thống truyền động cơ khí

Hệ thống điều khiển bướm ga bằng điện tử

Cấu tạo

Bộ bướm ga điều khiển điện tử (ETC), hoặc bộ truyền động điều biến bướm ga (TAC), thay thế các bướm ga được điều khiển bằng dây cáp hoặc thanh kết nối trong nhiều ô tô hiện đại ngày nay Thanh hoặc cáp kết nối điều khiển cơ khí giữa bàn đạp ga và thân bướm ga đã được thay thế bằng cảm biến vị trí bướm ga và thân bướm ga hoạt động điện tử Bướm ga điện tử chứa các thành phần chính là cảm biến vị trí bướm ga, ECU động cơ và mô

tơ điều khiển bướm ga

Hình 1.3 Bướm ga điều khiển điện tử

1-Cảm biến vị trí bàn đạp ga, 2-Bướm ga, 3-Cảm biến vị trí bướm ga,

4-Mô tơ, 5-ECU động cơ

Nguyên lý hoạt động

Bướm ga điều khiển điện tử loại bỏ kẹt thường xuất hiện trong cơ cấu bướm ga điều khiển cơ khí do lò xo bướm ga không quay trở lại Khi người

lái vận hành bàn đạp ga trong cabin, cảm biến vị trí bàn đạp và cảm biến vị trí bướm ga sẽ nhận tín hiệu và gửi đến ECU động cơ ECU động cơ gửi tín hiệu đến mô tơ bướm ga để điều khiển việc đóng mở bướm ga [1] ECU có thể xử

lý các lựa chọn tốt nhất bằng bàn đạp ga thông minh hơn người lái, đặc biệt nếu xe mất lực kéo hoặc mất kiểm soát khi bắt đầu di chuyển Người lái có thể không phản ứng đủ nhanh, vì vậy máy tính điều khiển được tích hợp trên xe

sẽ đóng một phần ga để tăng độ bám đường và giảm độ trượt của bánh xe Điều khiển tốc độ chạy không tải của bướm ga điều khiển điện được cung cấp bởi một van điều khiển lượng khí nạp ở chế độ chạy không tải độc lập trên thân của cụm bướm ga Điều này cho phép không khí đi qua cánh bướm ga

MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG

Hệ thống điều khiển bướm ga trên động cơ 2AR-FE

Giới thiệu về hệ thống ETCS-i

Ngày nay, với xu hướng phát triển chung của thị trường toàn cầu, ngành công nghiệp ô tô đang phát triển nhanh chóng để phù hợp nhu cầu của người

sử dụng, với việc ứng dụng mạnh mẽ công nghệ điều khiển tự động vào ô tô, việc sửa chữa, bảo dưỡng định kì Nó đang dần thay thế cơ chế điều khiển cơ học bắt buộc Ô tô ngày càng có nhiều hệ thống điều khiển điện tử, mang lại nhiều thuận lợi trong việc điều khiển, sửa chữa, bảo dưỡng và đặc biệt là điều khiển điện tử Được thực hiện một cách chính xác và ổn định, nó đã giúp chiếc

xe thải ra ít chất thải độc hại làm ô nhiễm nó hơn Nó giúp tiết kiệm môi trường, nhiên liệu và kiểm soát từng chế độ hoạt động của xe (Electronic Throttle Control System intelligent–ETCS-i) trên động cơ 2AR-FE của dòng xe Camry của hãng Toyota nhằm đem lại những trải nghiệm tuyệt vời

Hình 2.1 Sơ đồnguyên lý của hệ thống điều khiển bướm ga điện tử

1- Cảm biến vị trí bàn đạp ga, 2- Bướm ga, 3- Cảm biến vị trí bướm ga, 4- Mô

tơ bướm ga, 5- ABS,TRAC,VSC ECU, 6-Phun nhiên liệu, 7- Đánh lửa,

8- Điều khiển hành trinh, 9- Đo lưu lượng khí, 10- ECM

Hệ thống điều khiển bướm ga điện động cơ 2AR-FE (ETCS-i-Electronic Throttle control system) là một hệ thống điều khiển điện được kết nối trực tiếp giữa bàn đạp ga và cánh bướm ga Nghiên cứu về hệ thống điều khiển bướm ga điện tử đã được đề xuất trong gần 10 năm, nhưng nó mới chỉ được sử dụng trong dòng xe Toyota Camry trong vài năm gần đây

Ở hệ thống ETCS-i, khác với hệ thống ga truyền thống được điều khiển trực tiếp từ bàn đạp ga thông qua cáp nối và lò xo hồi vị, cáp nối là một cụm chi tiết gọi là cảm biến vị trí và cơ cấu chấp hành được tích hợp bên trong thân bướm ga Bao gồm:một mô tơ điện một chiều để tạo lực kéo, lò xo hồi vị, bánh răng giảm tốc [2]

Góc mở của bướm ga thông thường được điều khiển trực tiếp bởi dây nối giữa bàn đạp ga và bướm ga để đóng mở Hệ thống này loại bỏ sự cần thiết của dây cáp và ECU động cơ sử dụng một mô tơ điều khiển bướm ga để điều khiển độ mở của bướm ga đến giá trị tối ưu theo mức độ nhấn của bàn đạp ga Ngoài ra, góc mở của bàn đạp ga được phát hiện bởi cảm biến vị trí bàn đạp ga,

và độ mở của bướm ga được phát hiện bởi cảm biến vị trí bướm ga

Hệ thống ECTS-i bao gồm cảm biến vị trí bướm ga, ECU động cơ và cổ họng gió Cổ họng gió bao gồm các bộ phận như bướm ga, mô tơ điều khiển bướm ga và cảm biến vị trí bướm ga và 1 số bộ phận khác [1]

Cấu tạo và hoạt động của cổ họng gió

Cổ họng gió bao gồm bướm ga, cảm biến vị trí bướm ga dùng để phát hiện góc mở của bướm ga, môtơ bướm ga để mở và đóng bướm ga, và một lò

xo hồi để trả bướm ga về một vị trí cố định Ứng dụng một mô tơ điện một chiều trên mô tơ bướm ga giúp tiêu thụ ít năng lượng và có độ nhạy tốt

Hình 2.2 Cấu tạo cụm cổ họng gió 1- Bướm ga; 2-Cảm biến vị trí bướm ga; 3- Bánh răng giảm tốc; 4-Ly

hợp từ; 5-IC; 6-Mô tơ bướm ga; 7-Cánh bướm ga ECU động cơ điều khiển góc mở và hướng dòng điện chạy qua mô tơ điều khiển bướm ga, quay hoặc giữ mô tơ, đóng mở bướm ga thông qua một loạt các bánh răng giảm tốc Việc mở bướm ga thực tế được phát hiện bởi cảm biến vị trí bướm ga và các thông số của nó được đưa trở lại ECU động cơ Nếu không có dòng điện chạy qua động cơ, lò xo hồi vị sẽ mở bướm ga về vị trí cố định (khoảng 7 độ) Tuy nhiên, ở chế độ chạy không tải, bướm ga đóng lại nhỏ hơn vị trí cố định Khi ECU động cơ phát hiện sự cố, nó sẽ bật đèn báo hỏng trên bảng đồng hồ và ngắt nguồn điện cho động cơ, nhưng bướm ga vẫn được giữ ở góc mở khoảng 7 độ, vì vậy bạn có thể lái xe an toàn nơi trọn Mô hình đầu tiên với hệ thống ETCS-i sử dụng ly hợp từ giữa mô tơ và bướm ga Nó

có thể được sử dụng để kết nối và ngắt kết nối với mô tơ

Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển bướm ga điện tử trên động cơ 2AR-FE

Hệ thống điều khiển bướm ga điện tử có một mạch cấp nguồn riêng biệt Nếu điện áp + B được theo dõi và điện áp thấp (nhỏ hơn 4V), ECU sẽ xác định rằng ETCS bị lỗi và cắt dòng điện đến cơ cấu chấp hành bướm ga Khi điện áp

trở nên không ổn định, ETCS cũng vậy Do đó, nếu điện áp thấp, dòng điện bộ chấp hành sẽ bị cắt

Hình 2.3 Sơ đồ mạch điện bộ chấp hành bướm ga Nếu sửa chữa được thực hiện và hệ thống trở lại bình thường, ECU sẽ hút dòng điện qua bộ truyền động bướm ga để cho phép nó khởi động Chế độ điều khiển ETCS-i điều khiển độ mở của bướm ga đến giá trị tối ưu tùy theo

độ nhấn của bàn đạp ga Động cơ về cơ bản sử dụng chế độ bình thường, nhưng

có thể sử dụng công tắc điều khiển để chuyển sang chế độ công suất cao hoặc lái xe trên đường trơn trượt

Hệ thống bướm ga có nhiều chế độ hoạt động khác nhau, bao gồm:

- Điều khiển phi tuyến (non-linear control)

Điều khiển phi tuyến tính nghĩa là ECU điều khiển hoạt động của cánh bướm ga dựa trên nhiều yếu tố như tốc độ dịch chuyển của chân ga, tốc độ động

cơ, tốc độ xe, tình trạng mặt đường để động cơ hoạt động bình thường đạt hiệu quả tốt hơn Ở trạng thái trượt, bướm ga được điều khiển nhằm mục đích ổn định xe

- Điều khiển giảm giật khi sang số

Cánh bướm ga được điều khiển cùng lúc với điều khiển hộp số tự động trong quá trình chuyển số để giảm va đập trong quá trình chuyển số(khi lên hay xuống)

- Điều khiển tốc độ cầm chừng

ECU điều khiển hoạt động của bướm ga để duy trì tốc độ cầm chừng nhất định

- Điều khiển lực kéo TRC

Là một phần của hệ thống TRC, khi ECU nhận được tín hiệu từ hộp điều khiển ABS & TRC, bướm ga sẽ đóng nếu bánh lái bị trượt Trên đường trơn trượt (chẳng hạn như đường tuyết), bạn có thể thấy công suất động cơ giảm tương ứng với lực của bàn đạp ga Bạn phải đạp ga sâu hơn Tuy nhiên, trong tình huống trơn trượt, van tiết lưu mở lớn sẽ tạo ra nhiều điện hơn, nhưng mặt đường sẽ không thể nhận hết lực (do hệ số ma sát thấp), gây ra hiện tượng trượt

Do đó, khi nhận được tín hiệu điều khiển ABS và TRC, ECU sẽ điều khiển van tiết lưu và từ từ đóng lại cho đến khi nó không còn nhận được tín hiệu đóng trượt từ ABS và TRC để chống trượt xe

Hình 2.4 Góc mở bướm ga ứng với các chế độ

- Điều khiển hỗ trợ chống trượt (VSC -Vehicle skid control)

Bằng cách thay đổi độ mở bướm ga với tín hiệu từ ECU ABS & TRC, hoạt động của VSC trở nên hiệu quả hơn

- Điều khiển chạy tự động

Hệ thống ga điện tử hỗ trợ kiểm soát lái xe tự động Nhờ hệ thống bướm

ga điện tử, bộ điều khiển hành trình được tích hợp vào ECU Khi người lái cài đặt chế độ lái tự động, việc điều khiển ga hoàn toàn phụ thuộc vào tín hiệu từ điều khiển hành trình ECU

Chức năng dự phòng (chức năng an toàn)

Khi ECU động cơ phát hiện có điểm bất thường hệ thống ETCS-i, nó sẽ bật chỉ báo hư hỏng trên bảng điều khiển để cảnh báo cho người lái xe Mạch cảm biến ở cảm biến vị trí bàn đạp ga gồm hệ thống chính và phụ Khi một biến thể cảm biến bị lỗi và ECU phát hiện sự chênh lệch điện áp bất thường trong tín hiệu giữa hai biến thể cảm biến, ECU cơ học sẽ chuyển sang chế độ hoạt động hạn chế Chuyển sang hoạt động bị hạn chế, các mạch khác được sử dụng

để tính toán góc của bàn đạp ga và xe đang vận hành với độ mở bướm ga hạn chế hơn bình thường Ngoài ra, nếu cả hai mạch đều bị lỗi, ECU động cơ sẽ đặt bướm ga ở chế độ không tải Xe này chỉ chạy trong phạm vi không tải

Hình 2.5 Mối quan hệ của các bộ phận giữ chức năng dự phòng Cảm biến vị trí bướm ga cũng có hai mạch cảm biến là chính và phụ Nếu mạch cảm biến bị lỗi và ECU động cơ phát hiện điện áp bất thường giữa hai mạch phát hiện, ECU động cơ sẽ cắt dòng điện đến động cơ điều khiển bướm ga và chuyển sang chế độ hoạt động hạn chế Lúc này bướm gamở một

góc không đổi nhờ lò xo hồi vị, lượng phun nhiên liệu và thời điểm đánh lửa được điều khiển bởi tín hiệu bàn đạp ga Công suất động cơ bị hạn chế nghiêm trọng, nhưng chiếc xe vẫn có thể tiếp tục lái Khi ECU động cơ phát hiện lỗi trong hệ thống động cơ điều khiển bướm ga, nó sẽ hoạt động như thể cảm biến

vị trí bướm ga khi bị hư hỏng [1]

Hoạt động dự phòng trong trường hợp cảm biến bàn đạp ga APPS bị hỏng:

Hình 2.6 Hoạt động dự phòng khi cảm biến APPS bị hỏng

Khi có bất thường về tín hiệu cảm biến bàn đạp ga Chế độ dự phòng của ECU sẽ bắt đầu hoạt động Nếu một trong hai tín hiệu từ cảm biến bàn đạp ga

bị hỏng, hệ thống sẽ điều khiển bướm ga hoạt động trong giới hạn từ vị trí không tải đến vị trí mở là 25% độ mở bướm ga tối đa và giữ cho động cơ hoạt động Xe có thể tiếp tục chạy đến trạm sửa chữa Tuy nhiên, nếu cả tín hiệu VPA và VPA2 của cảm biến APPS đều bị mất, ECU sẽ nhận biết rằng bàn đạp

ga đang ở vị trí thấp nhất và sẽ điều khiển động cơ hoạt động ở chế độ cầm chừng

Hình 2.7 Các chế độ dự phòng khi cảm biến APPS bị hỏng

Hoạt động dự phòng trong trường hợp cảm biến bướm ga (TPS) bị hỏng:

Nếu tín hiệu cảm biến vị trí bướm ga bị mất, hệ thống dự phòng cũng sẽ bắt đầu hoạt động Ở trạng thái này, khi nhiệt độ động cơ đạt đến nhiệt độ hoạt động, tốc độ cầm chừng của động cơ trở nên cao hơn bình thường Tuy nhiên, nếu người lái nhấn chân ga sâu, cánh bướm ga sẽ di chuyển Đồng thời, hệ thống phun xăng và đánh lửa cũng được điều chỉnh để ECU hoạt động ở chế

độ dự phòng

Mạch điều khiển bướm ga

Tín hiệu từ cảm biến bàn đạp ga được đưa đến bộ vi xử lý, bộ vi xử lý sẽ gửi tín hiệu ra để điều khiển mạch công suất làm quay mô tơ cánh bướm ga Đồng thời, có tín hiệu phản hồi từ cảm biến vị trí bướm ga để bộ vi xử lý so sánh nhằm điều khiển cánh bướm ga chính xác hơn Khi các tín hiệu kiểm soát hành trình hoặc kiểm soát lực kéo được truyền đi, bộ vi xử lý cũng sẽ điều khiển các cánh bướm ga ứng các chế độ đó

Hình 2.8 Sơ đồ khối mạch điều khiển bướm ga điện tử

Tín hiệu từ cảm biến bàn đạp ga được đưa đến bộ vi xử lý, bộ vi xử lý sẽ gửi tín hiệu ra để điều khiển mạch công suất làm quay mô tơ cánh bướm ga Đồng thời, có tín hiệu phản hồi từ cảm biến vị trí bướm ga để bộ vi xử lý so sánh nhằm điều khiển bướm ga chính xác hơn Khi các tín hiệu kiểm soát hành trình hoặc kiểm soát lực kéo được truyền đi, bộ vi xử lý cũng sẽ điều khiển các cánh bướm ga ứng với các chế độ đó

Tín hiệu tương tự từ cảm biến vị trí bướm ga và cảm biến vị trí bàn đạp

ga được bộ chuyển đổi A/D chuyển thành tín hiệu kỹ thuật số trước khi gửi đến

bộ vi xử lý [2] Quá trình chuyển đổi được điều khiển bởi sự kết hợp của vi điều khiển AT89S52 và bộ chuyển đổi ADC0808

Tín hiệu đầu vào là tín hiệu được chuyển thành tín hiệu số Sau khi chuyển đổi sang tín hiệu kỹ thuật số, bộ vi xử lý sẽ so sánh tín hiệu kỹ thuật số của cảm biến vị trí chân ga với tín hiệu kỹ thuật số của cảm biến vị trí bàn đạp

ga để cho phép bộ vi xử lý điều khiển bướm ga Nếu có tín hiệu kiểm soát hành trình hoặc kiểm soát độ bám đường trong khi thực hiện việc này, bộ xử lý sẽ

ưu tiên chạy chế độ kiểm soát hành trình hoặc kiểm soát độ bám đường Data1

là tín hiệu kỹ thuật số của cảm biến vị trí bướm ga, và data2 là tín hiệu kỹ thuật

số của cảm biến vị trí bàn đạp ga sau khi được chuyển đổi từ tín hiệu tương tự

Thành phần mạch điện điều khiển bướm ga:

Hình 2.9 Sơ đồ mạch điều khiển bướm ga

- Mạch ổn áp – cấp nguồn

Cần có mạch ổn áp vì mạch điều khiển sử dụng nguồn điện từ acquy, sử dụng nguồn điện áp 12V, các mạch xử lý và hiển thị phải sử dụng điện áp chuẩn

là 5V Điện áp yêu cầu do đó cần có mạch ổn áp

- Mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số ADC

Mạch chuyển đổi sử dụng ADC 0808 để chuyển đổi tín hiệu tương tự từ đầu vào với sự thay đổi điện áp của cảm biến vị trí bướm ga và cảm biến vị trí bàn đạp ga thành tín hiệu số cấp cho bộ vi xử lý hiểu Kết nối giữa mạch chuyển đổi A / D và vi điều khiển được thực hiện bởi một bus 8 bit, có thêm một số bit

bổ sung để báo hiệu bắt đầu và kết thúc quá trình chuyển đổi

- Mạch xử lý (CPU)

Mạch vi xử lý sử dụng vi điều khiển AT89S52 làm trung tâm điều khiển

và xử lý tín hiệu Nhiệm vụ chính là nhận tín hiệu từ bộ chuyển đổi A / D, tín hiệu kiểm soát hành trình và kiểm soát lực kéo để điều khiển độ mở bướm ga

phù hợp Ngoài ra, vi điều khiển AT 89S52 còn tham gia vào quá trình chọn kênh của mạch chuyển đổi A/D và hiển thị trên LCD

-Mạch hiển thị

Mạch hiển thị LCD sử dụng LCD L1682 Nhiệm vụ này là hiển thị% mở bướm ga,% mở bàn đạp ga và tín hiệu LCD chế độ vận hành

- Mạch công suất

Mạch nguồn có nhiệm vụ chính là điều khiển động cơ làm quay các mô

tơ cánh bướm ga Điều này bao gồm bóng bán dẫn công suất TIP 142 hoạt động

ở chế độ ngắt và dẫn bão hòa tương ứng với chế độ không tải và hoạt động của động cơ Điện áp cung cấp cho động cơ giống như điện áp của acquy 12V

-Mạch quản lý

Mạch quản lý có nhiệm vụ điều khiển van tiết lưu hoạt động ở chế độ kiểm soát hành trình và chế độ kiểm soát lực kéo Các chân của vi điều khiển nhận tín hiệu điều khiển từ các nút và thực hiện các chế độ hoạt động của hệ thống kiểm soát hành trình và kiểm soát lực kéo

Kết cấu các bộ phận chính hệ thống bướm ga

Cảm biến vị trí bướm ga

Cảm biến vị trí bướm ga được gắn vào cổ họng gió Cảm biến này chuyển

độ mở bướm ga thành điện áp và gửi đến ECU động cơ dưới dạng tín hiệu mở bướm ga (VTA)

Có hai loại hiện đang được sử dụng: loại tuyến tính và loại có phần tử Hall

Động cơ 2AR-FE của Toyota lắp trên xe Camry sử dụng cảm biến vị trí bướm ga được trang bị phần tử Hall

Hình 2.10 Cấu tạo cảm biến vị trí bướm ga loại phần tử Hall

1- Bướm ga, 2- Trục bướm ga, 3- Các nam châm, 4- IC Hall Cảm biến vị trí bướm ga loại phần tử Hall bao gồm một mạch IC Hall bao gồm các phần tử Hall và một nam châm quay xung quanh nó Nam châm được gắn vào trục bướm ga và quay cùng với bướm ga

Khi bướm ga mở, các nam châm quay cùng lúc, thay đổi vị trí của các nam châm Khi đó, IC Hall phát hiện sự thay đổi từ thông do sự thay đổi vị trí nam châm và tạo ra điện áp đầu ra hiệu ứng Hall từ các cực VTA1 và VTA2 theo sự thay đổi [2] Tín hiệu này được gửi đến ECU động cơ như một tín hiệu

mở bướm ga Tín hiệu từ cảm biến này là tín hiệu phản hồi gửi đến ECU báo

vị trí thực của bướm ga Điều này làm cho ECU điều khiển độ mở bướm ga cho phù hợp

Cảm biến này có hai mạch, mỗi mạch truyền tín hiệu VTA1 và VTA2 VTA1 là để phát hiện sự mở bướm ga, và VTA2 là để phát hiện sự cố của VTA1

Điện áp tín hiệu cảm biến này thay đổi từ 0V đến 5V tương ứng với độ

mở của bướm ga, và khi bướm ga đóng, dòng điện chạy đến cực VTA của ECU Khi điện áp đầu ra của cảm biến giảm xuống và van tiết lưu mở, điện áp đầu ra của cảm biến tăng lên ECU tính toán độ mở bướm ga dựa trên tín hiệu này và điều khiển bộ truyền động bướm ga theo sự điều khiển của người lái Những tín hiệu này cũng được sử dụng để hiệu chỉnh tỷ lệ nhiên liệu không khí, hiệu chỉnh mức tăng công suất và kiểm soát lượng nhiên liệu

Cảm biến này không chỉ phát hiện chính xác độ mở của bướm ga mà còn

áp dụng phương pháp không tiếp điểm và có cấu tạo đơn giản nên là cảm biến không dễ bị hỏng hóc Ngoài ra, để duy trì độ tin cậy của cảm biến này, nó phát

ra tín hiệu từ hai hệ thống có đặc tính khác nhau [1]

+ Đóng hoàn toàn bướm ga: Vị trí bướm ga (VTA1) theo tỷ lệ phần trăm

Cảm biến vị trí bàn đạp ga

Hình 2.11 Cảm biến vị trí bàn đạp ga Cảm biến vị trí bàn đạp ga (APP) được gắn vào giá đỡ bàn đạp ga và có hai mạch cảm biến, VPA (chính) và VPA2 (phụ) Cảm biến này là loại không tiếp xúc Nó sử dụng các yếu tố hiệu ứng từ để cung cấp tín hiệu chính xác ngay

cả trong các điều kiện hoạt động khắc nghiệt như tốc độ cao và tốc độ rất thấp Một điện áp được áp dụng cho các cực ECU, VPA và VPA2, điện áp này thay đổi từ 0V đến 5V tương ứng với góc mở của bàn đạp ga Tín hiệu từ VPA được

sử dụng để phát hiện góc mở của bàn đạp ga và được sử dụng để điều khiển động cơ dấu hiệu

VPA2 hiển thị trạng thái của dòng VPA và được sử dụng để kiểm tra APP ECU giám sát độ mở bướm ga thực tế (độ mở bướm ga) thông qua các tín hiệu từ VPA và VPA2, và điều khiển bộ truyền động bướm ga theo các tín hiệu này

Khi người lái nhấn bàn đạp ga, tín hiệu điện áp APPS thay đổi và tín hiệu này được gửi đến ECU, nơi vị trí hiện tại của bàn đạp ga được xác định Đối với động cơ 2AR-FE, cả hai cảm biến đều cung cấp tín hiệu điện áp tăng lên,

do đó, tín hiệu điện áp gửi đến ECU sẽ khác nhau tùy thuộc vào thiết kế của từng nhà sản xuất động cơ

Khi điện áp ra của cảm biến là 0V, tức là khi không có tín hiệu điều khiển thì điện áp điều khiển lấy từ cảm biến vị trí bàn đạp ga, nhưng khi khởi động máy thì điện áp đặt vào hệ thống là 0,5V tương ứng với góc ga Độ mở để duy trì hoạt động ở góc mở là 70 hoạt động ở chế độ garanty

Điện áp đầu ra của cảm biến vị trí bướm ga tỷ lệ với góc đạp của bàn đạp

ga Điện áp đầu ra của cảm biến là 4,5V, tương ứng với góc đạp tối đa của bàn đạp ga và góc mở hoàn toàn của bướm ga

Hình 2.12 Cảm biển bướm ga loại Hall

Môtơ bướm ga

Mô tơ là động cơ điện một chiều do ECU điều khiển ECU điều khiển hướng quay và lượng dòng điện đi vào động cơ bằng mạch điều khiển xung Nếu có vấn đề gì đó xảy ra với hệ thống, ECU sẽ ngắt kết nối điều khiển và lò

xo hồi vị của bướm ga đóng cánh bướm ga lại Tình trạng này xảy ra khi dòng điện mạch động cơ quá cao hoặc quá thấp ECU điều khiển hướng quay và lượng dòng điện cần thiết cho động cơ tiết lưu hoạt động để điều chỉnh vị trí bướm ga Mô tơ bướm ga có thể hoạt động ở một trong các chế độ sau:

Mạch mô tơ bướm ga bao gồm bốn transistor điều khiển, các mạch MO

và MC Tranzito cấp nguồn (tranzito dương) và tranzito đấu nối mass cho mô

tơ Điều này cho phép ECU điều khiển dòng điện chạy qua mô tơ

Một mạch xung dùng để điều khiển tốc độ vận hành và điều khiển bướm

ga tại một vị trí xác định Tỷ lệ khoảng thời gian xung ở mức cao và mức thấp

là khác nhau cho mỗi hoạt động Điều khiển kết hợp TRC, đồng hồ khoảng thời gian cao được giảm xuống Giới hạn của điều khiển này là vị trí nhàn rỗi Nếu

lúc này độ mở bướm ga quá lớn, ECU sẽ ngắt xung điều khiển và đóng bướm

ga nhanh chóng

- Vị trí dự phòng:

Khi không có dòng điện cấp đến mô tơ, lò xo hồi bướm ga giữ cho hệ thống bướm ga ở vị trí dự phòng Điều này xảy ra khi khóa điện ở vị trí OFF hoặc khi ECU phát hiện lỗi trong hệ thống ETC Trong trường hợp hệ thống bị lỗi, sẽ không có đường dây và bộ ly hợp để bật nguồn Lúc này, động cơ bị tách khỏi cánh phóng xạ và cản trở hoạt động của nó Ở trạng thái này, khi nhiệt độ đạt đến nhiệt độ hoạt động nhất định, tốc độ không tải trở nên nhanh hơn bình thường Tuy nhiên, nếu người lái xe ấn sâu vào bàn đạp ga thì cánh bướm ga

sẽ di chuyển

- Điều khiển đóng bướm ga

Lúc này, đường dây điện được nối từ cực MC đến cực MO của ECU Chiều của dòng điện, được thể hiện như trong hình vẽ

Hình 2.14 Sơ đồ mạch điện điều khiển ở chế độ đóng bướm ga

- Chế độ dự phòng:

Khi bướm ga ở vị trí dự phòng, MO là transitor dươngvà MC là transistor

âm, cho phép dòng điện chạy từ MO đến MC của ECU, như thể hiện trong hình

để tăng độ mở bướm ga

Khi bướm ga ở dưới vị trí dự phòng, chiều dòng điện được cung cấp giống như khi cánh bướm ga đóng Dòng điện chạy từ cực MC qua động cơ xuống đất tại chân MO của ECU Tuy nhiên, xung điều khiển lúc này bị giảm xuống kết hợp với độ căng của lò xo làm tăng độ mở bướm ga

- Điều khiển giữ bướm ga:

Để cố định goc mở bướm ga, ECU cung cấp đủ dòng điện cho lực từ do

mô tơ tạo ra để chống lại lực căng của lò xo

- Điều khiển tốc độ cầm chừng:

Bướm ga được điều chỉnh để duy trì tốc độ cầm chừng mong muốn Nếu cần mở bướm ga ở vị trí ban đầu ở tốc độ không tải, thì mạch đóng bướm ga sẽ được kích hoạt

Khi tốc độ không tải giảm xuống dưới giá trị quy định, người ta tăng độ

mở bướm ga để tăng tốc độ động cơ Nếu tốc độ không tải vượt quá vị trí ban đầu và cần mở bướm ga, thì mạch mở bướm ga sẽ được kích hoạt

Ly hợp điện từ

Bộ ly hợp điện từ được cài đặt trong hệ thống điều khiển bướm ga điện

tử Ở chế độ bình thường, ly hợp từ kết nối thân bướm ga với mô tơ bướm ga Hoạt động của ly hợp từ được điều khiển bởi điện áp xung để giảm tiêu thụ năng lượng Nếu có vấn đề gì đó xảy ra với hệ thống bướm ga điện tử, ECU sẽ nhả điều khiển ly hợp từ tính Điều này xảy ra khi cường độ dòng điện của mạch quá cao hoặc quá thấp

Cơ cấu an toàn

Cơ chế này hoạt động khi hệ thống bướm ga điện tử hoạt động không hiệu quả và đèn kiểm tra sáng để thông báo cho người lái Khi đó, không có điện trong động cơ điều khiển bướm ga và ly hợp điện từ, nên trường hợp này được gọi là chế độ an toàn (limp mode), nhờ lò xo giật để đóng bướm ga lại Khi bướm ga hoạt động ở chế độ này, cần điều khiển an toàn sẽ giới hạn van

tiết lưu mở một góc nhỏ, làm giảm tốc độ và công suất động cơ ngoại trừ van ISC (điều khiển công tắc không tải), và hệ thống điều khiển hành trình không hoạt động

ECU ( Electronic Control Unit)

Với vai trò là bộ phận điều khiển và xử lý điện tử trung tâm, nó thực chất

là một máy tính điện tử nhận và xử lý tín hiệu theo một chương trình nhất định

Cơ cấu chấp hành luôn đảm bảo tuân thủ các lệnh của ECU và đáp ứng các tín hiệu phản hồi từ cảm biến Hoạt động của hệ thống điều khiển động cơ mang lại sự chính xác và thích ứng cần thiết để giảm thiểu các chất độc hại trong khí thải và mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ [2] ECU cũng đảm bảo đầu ra tối

ưu ở chế độ vận hành động cơ và giúp chẩn đoán động cơ một cách có hệ thống trong trường hợp có sự cố Kiểm soát động cơ bao gồm hệ thống kiểm soát nhiên liệu, góc đánh lửa, phân phối góc cam, ga tự động

Hình 2.15 Sơ đồ khối hoạt động của ECU

Bộ điều khiển, máy tính, ECU, hay hộp đen là tên gọi khác của mạch điều khiển điện tử Nói chung, đây là sự kết hợp của các vi mạch và các thành phần phụ trợ được sử dụng để nhận dạng tín hiệu, lưu trữ thông tin, tính toán, xác định chức năng hoạt động và truyền tín hiệu thích hợp Các thành phần điện

tử của ECU nằm trong mạch in Thành phần công suất giai đoạn cuối, trong đó

bộ truyền động được điều khiển, được lắp với khung kim loại ECU để làm mát