Đề cương ôn tập + Đáp án đề thi _ Cơ điện tử ô tô cơ bản

Đề cương ôn tập + Đáp án đề thi _ Cơ điện tử ô tô cơ bản Chương 1: Tổng Quan 1. Hệ thống cơ điện tử: Cơ điện tử là sự tích hợp bởi 3 lĩnh vực: Kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin, cơ khí. Thiết bị cơ điện tử: Là thiết bị công nghệ cơ khí được điều khiển bằng các thiết bị điện tử có lập trình, độ tích hợp cao. Thiết bị công nghệ cơ khí: là cơ cấu máy công tác, thực hiện các thao tác quá trình công nghệ Cảm biến : • Cảm nhận các tín hiệu điều khiển vào ra • Cảm biến giúp đo đạc các giá trị • Cảm biến giới hạn cảm nhận với đại lương vật lý cần đo Cơ cấu chấp hành • Dùng để di chuyển hoặc điều khiển một cơ cấu hay hệ thống Bộ vi xử lý • Linh kiện điện tử được chế tạo từ các transitor thu nhỏ tích hợp trên một vi mạch tích đơn. • Bộ xử lý tính toán và xử lý tín hiệu từ cảm biến và xuất ra kết quả. Phần mềm điều khiển • Đưa ra các cách thức

- Thiết bị công nghệ cơ khí:

là cơ cấu máy công tác, thực hiện các thao tác quá trình công nghệ

- Cảm biến :

 Cảm nhận các tín hiệu điều khiển vào ra

 Cảm biến giúp đo đạc các giá trị

 Cảm biến giới hạn cảm nhận với đại lương vật lý cần đo

2 Lịch sử của hệ thống cơ điện tử

Antilock Braking (ABS)

Traction Control Systems (TCS) Hệ thống kiểm soát độ bám đường

Vehicle Dynamics Control (VDC) Hệ thống cân bằng động

Electronic Stability Program (ESP) Hệ thống cân bằng điện tử

Electronically Controlled Suspension (ECS) Hệ thống treo điện tử

Electric Parking Brake (EPB) Hệ thống phanh đỗ điện tử tự động

Tyre Pressure Monitoring System (TPMS) Hệ thống giám sát áp suất lốp

Vào đầu những năm 1960, thiết bị điện tử trên ô tô chỉ là thiết bị radio

- Hệ thống cơ điện tử đầu tiên ứng dụng trên ô tô là hệ thống đánh lửa điện tử vào cuối những năm 1970

- Những năm cuối 1970, hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh ABS được ứng dụng trên ô tô

- Hệ thống điều khiển chống trượt quay TCS (traction control system) được phát triển trên ô tô vào giữa những năm 1990

- Hiện nay trên ô tô sử dụng hệ thống điều khiển ổn định của ô tô ESC (electronic stability control)

- Hầu như các hệ thống cần điều khiển trên ô tô đều đã được điều khiển tự động,

kế cả điều khiển hướng chuyển động trong suốt hành trình của xe (từ điểm khởi hành đến điểm kết thúc xác định trước) - Trên ô tô hiện nay, các bộ vi xử lý 8, 16,

32 và 64 bít được sử dụng để thực hiện các chức năng điều khiển khác nhau Các

bộ vi điều khiển với các bộ nhớ EEPROM/EPROM và nhiều thiết bị chức năng khác như ADC, PWM, Timer,… được tích hợp trong chip dần được ứng dụng trên

ô tô Các bộ vi điều khiển loại 64, 32bit dùng cho điều khiển động cơ, hệ thống truyền lực, túi khí; loại 16bit dùng cho ABS, TCS, VSC, hệ thống điều hòa không khí… và loại 8bit hiện chỉ dùng để điều khiển ghế, cửa, gương… Các hệ thống cơ điện tử trên ô tô hiện đang được phát triển theo hướng hoàn toàn tự động nhằm nâng cao tính năng an toàn, tính thân thiện với môi trường, tính tiện nghi Các hệ thống điều khiển bằng điện và các hệ thống mạng không dây để truyền thông giữa

ô tô với các trung tâm điều độ giao thông và với các ô tô khác đang được nghiên cứu ứng dụng

Trình tự chung để thiết kế phát triển một hệ thống cơ điện tử:

Bước 1: nghiên cứu thiết kế tính toán thiết bị công nghệ

Bước 2: xây dựng mô hình để xác định các ứng xử tĩnh và động lực học của hệ thống,

Bước 3: đề xuất sách lược điều khiển, lập trình điều khiển 6

Bước 4: mô phỏng hệ thống trên máy tính và hiệu chỉnh sách lược điều khiển, Bước 5: xây dựng mô hình vật lý

Bước 6: lập chương trình, xây dựng phần mềm điều khiển cho hệ thống

Bước 7: mô phỏng hệ thống và hiệu chỉnh phần mềm điều khiển

Chương 2: Cảm biến dùng trên ô tôCảm biến : là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lý, hóa học hay sinh học của môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệuđiện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó

Phân loại cảm biến:

Cảm biến thường phân biệt theo đại lượng đo được: cảm biến vị trí, cảm biến vận tốc, cảm biến gia tốc, cảm biến lực, cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ, …

Cảm biến còn được phân loại theo nguyên lý hình thành nên cảm biến thành: Cảm biến điện trở, cảm biến điện dung, cảm biến điện cảm, cảm biến quang điện…1.Đặc tính của cảm biến

THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA CẢM BIẾN

Hàm truyền của cảm biến (Transfer function): thể hiện quan hệ của tín hiệu ra theođại lượng kích thích vào cảm biến trong điều kiện lý tưởng (không có sai số) Quan

hệ này còn được gọi là đặc tính chuẩn của cảm biến

Đặc tính tuyến tính: s =a +bm,

Cảm biến phi tuyến thường được tuyến tính hóa quanh một giá trị m0 nhất định: b

= ds(m0 )/dm

Độ nhạy b:

Độ nhạy của cảm biến: b =∆s/∆m hoặc b =

Để phép đo đạt độ chính xác cao cảm biến cần có độ nhạy không đổi Thường giá trị của độ nhạy b được cho tương ứng với điều kiện làm việc cụ thể của cảm biến

Thời gian đáp ứng (response time): Là thông số đặc trưng cho khả năng theo kịp của tín hiệu ra theo tín hiệu vào về mặt thời gian.

Độ tuyến tính của cảm biến: Cảm biến tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải đó, độ nhạy không phụ thuộc vào giá trị đại lượng đo Tuyến tính hóa là

sự hiệu chỉnh (bằng cách lắp thêm vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh) để tín hiệu

ra nhận được tỷ lệ với giá trị đại lượng đo

Dải đo được (Span hay Full-scale input): là phạm vi thay đổi giá trị củađại lượng cần đo mà cảm biến có thể cảm nhận được Nó thể hiệnkhoảng đo lớn nhất mà cảmbiến có thể đo được với sai số chấp nhận được

Dải tín hiệu ra (full-scale output): là độ chênh đại số của giá tín trị hiệura khi đo giá trị đo cực đại và cực tiểu của dải đo

Độ chính xác (accuracy): thể hiện sai số lớn nhất của kết quả đo Sai số của bộ cảmbiến được phân biệt thành sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên

Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được Sai số hệ thống thường do sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng không tốt gây ra, cụ thể là:

 Do nguyên lý của cảm biến

 Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng

 Do đặc tính của bộ cảm biến

 Do điều kiện và chế độ sử dụng

 Do xử lý kết quả đo

Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định Người ta

có thể dự đoán được một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhưng không thể

dự đoán được độ lớn và dấu của nó

 Các nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên:

 Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị

 Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên

 Do sai số khi chuẩn cảm biến

Định chuẩn (calibration): Định chuẩn cảm biến là việc xác định các giá trị định lượng của đặc tính cảm biến (xác lập mối quan hệ giữa giá trị cúa tín hiệu ra và giátrị của đại lượng đo có tính đến các yếu tố ảnh hưởng)

Phương pháp định chuẩn cảm biến: thực hiện các phép đo nhằm xác định giá trị tínhiệu ra tương ứng với các giá trị đã biết chính xác của đại lượng cần đo

Hai phương pháp định chuẩn: định chuẩn đơn giản và định chuẩn nhiều lần.

Khi chọn cảm biến cần lưu ý đến 3 yếu tố:

 Yếu tố môi trường làm việc của CB (như nhiệt độ, độ ẩm, chất ăn mòn, bụi bẩn, kích thước, độ rung xóc, nguồn nuôi, …

 Yếu tố kinh tế (giá thành, tính sắn có trên thị trường, tuổi thọ)

 Yếu tố thông số đặc trưng quan trọng của CB (thông số cần đo, như dải đo,

độ phân giải, độ chính xác, độ nhạy, thời gian đáp ứng,…)

Nói chung việc chọn cảm biến thỏa mãn tất cả các yếu tố nói trên là rất khó Tùy từng trường hợp cụ thể để chọn cảm biến thích hợp, đảm bảo khả năng làm việc.2.Các cảm biến : phân loại, sử dụng nguyên lý ntn

Thay đổi tín hiệu điện áp đầu ra theo từng vị trí

Có nhiều loại theo các nguyên tắc khác nhau: cảm biến điện trở thay đổi (biến trở),cảm biến điện dung, cảm biến điện cảm, cảm biến quang điện…

Biến trở (Potentionmeter)

Cảm biến lưu lượng nap Cảm biến vị trí bướm ga

Cảm biến chuyển vị - Cảm biến điện dung: có thể dùng để đo các chuyển động tịnhtiến theo hướng tiệm cận hay song song giữa các bản cực Dải đo được cỡ mm

Cảm biến chuyển vị - Cảm biến cảm ứng xoay chiều (Inductive Position Sensors):

Cảm biến chuyển vị - Cảm biến Hall:

Cho dòng điện chạy qua một thanh dẫn đặt trong từ trường, lực lorent sẽ đẩy Electron di chuyển xuống dưới tạo ra chênh lệch điện áp 2 đầu

Có 2 loại cảm biến Hall: cảm biến tuyến tính và cảm biến xung (chuyển mạch), được sử dụng phổ biến để phát hiện từ trường, vị trí và chuyển vị của vật rắn

Sử dụng cho các ứng dụng phát hiện độ gần, định vị, phát hiện tốc độ và cảm biến hiện tại

Cảm biến điện trở :

Thay đổi điện trở tạo ra các tín hiệu đầu ra khác nhau

Cảm biến điện dung

Thay đổi điện dung của cảm biến khi khoảng cách góc hay góc đến vật thể kim loạithay đổi

 Dùng để đi các chuyển động tịnh tiến theo hướng tiệm cận hay song song giữa các bản cực Dải đo được cỡ mm

 Trên ô tô ứng dụng ở bình xăng, thùng nhiên liệu

 Cấu hình mạch điện cảm biến chuyển bị biến trở

Cảm biến cả ứng xoay chiều (tuyến tính)

 Gồm: 1 lõi thép non và 3 cuốn dây

 Vout=Va-Vb

Cảm biến Hall: Cảm biến vị trí bướm ga

Phân loại: Cảm biến tuyền tính, cảm biến xung

Chức năng: Phát hiện từ trường, vị trí

Nguyên lý:

Dựa trên nguyên tắc hiệu ứng Hall Là một hiệu ứng vật lý được thực hiện khi áp dụng một từ trường vuông góc lên một thanh Hall đang có dòng điện chạy qua2.3 Cảm biến vận tốc

Vận tốc có thể được xác định bằng cách vi phân chuyển vị theo thời gian

Cảm biến vận tốc sử dụng hiệu ứng điện từ

Cảm biến Quang điện : Ứng dụng trong tìm vị trí, đo khoảng cách, tốc độ, đếm

Encorder tương đôi, Encorder tuyệt đối

 Encorder tương đối: có độ phân giải tốt, cấu tạo đơn giản, không có bộ nhớ, đơn vị: vòng/ xung

Độ phân giải của Encoder (Góc nhỏ nhất)

tương đối là số lượng xung trên 1 vòng

Tăng độ phân giải ta có thể đặt 2 đĩa lệch

nhau

Nhận biết chiều quay của encoder tương

đối: Theo chiều kim đồng hồ (01-11;

11-10 ; 11-10-00), Ngược chiều kim đồng hồ (

01-00; 10-11; 01-00)

 Encorder tuyệt đối: Chỉ dung để đo góc, độ phân giản khác nhau : 4 bít-4 dãy – 4 mã là 22.5 độ

Độ phân giải của Encoder tuyệt đối tính theo bit (theo mã nhị phân)

Ví dụ: 4bit thì độ phân giải tức là góc nhỏ nhất là: 360/24= 22,5

2.4 Cảm biến gia tốc

Phương pháp đo

Cảm biến gõ (Knock Sensor): khi xẩy ra hiện tượng gõ trong xi lanh, thành xi lanh

bị rung động làm phần tử piezoelectric biến dạng và tạo ra sức điện động

MAP: Cảm biến đo áp suất đường ống nạp2.7 Cảm biến nhiệt độ

 Dựa theo nguyên lý nhiệt điện trở - Thermistor hoặc theo nguyên lý sức nhiệt điện động Thermocouples

EGR: Cảm biến tuần hoàn khí thải

IAT: Cảm biến lưu lượng khí nạp ECT: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát2.8 Tính toán

Trong đó n: số lượng sung trong 1 chu kì , t: thời gian

đo tác động ở đầu vào của mạch

Mạch khuếch đại đảo: Khuêch đại tín hiệu đầu ra ngược pha với tín hiệu đầu vào

Gia công tín hiệu: Gia công tín hiệu là việc chỉnh sửa tín hiệu để sử dụng hiệu quả hơn Khi gia công tín hiệu cần chú ý các điểm sau:

Tốc độ lấy mẫu tín hiệu

Lọc tín hiệu

Bo mạch trao đổi dữ liệu: Lấy mẫu rời rạc hóa: Tần số lấy mẫu phải lớn hơn 2 lần tần số của tín hiệu

Chuyển đổi dữ liệu:

ADC: Analog to Digital Converter

DAC: Digital to Analog Converter

ADC:

Tín hiệu đầu vào sẽ được giữ hoặc lấy mẫu tùy theo công tắc đóng mở để đưa về dạng Digital.

Sử dụng mạch so sánh để chuyển đổi sang Digital

Sử dụng mạch FLASH ADC

DAC:

Mạch cộng đảo (trọng số ko đổi) Mạch cộng đảo ( trọng số thay đổi)

Giá trị đầu vào là các mã nhị phân sau khi đi qua bộ này sẽ tính được output là gì trị Analog

Chương 3: Cơ cấu chấp hành

Cơ cấu chấp hành; các thông số, dạng khóa điện, tranzito, rơ le, động cơ điện, tính toán định lượng ( sung, )

Hệ thống cơ điện tử gồm có 5 thành phần:

 Thiết bị công nghệ cơ khí ( đối tượng được điều khiển)

 Cảm biến ( nhận biết trạng thái điều khiển)

 Cơ cấu chấp hành

 Bộ điều khiển (lõi là vi xử lý)

 Phần mềm điều khiển

3.1 Khái niệm cơ cấu chấp hành

- Dùng để di chuyển hoặc điều khiển một cơ cấu hay hệ thống

- Nhận tín hiệu từ bộ điều khiển tác động vào thiết bị cơ khí nhằm tạo ra sự thay đổi Cần nguồn năng lượng phụ trợ

- Phân loại cơ cấu chấp hành

 Công suất tiêu thụ (bao gồm cả dạng nguồn nuôi)

 Ngoài ra, ma sát và độ dơ trong cơ cấu cũng là yếu tố

3.3Khóa điện và rơ le

Rơ le: là một chuyển mạch hoạt động bằng điện Dòng điện chạy qua cuộn dây củarơ-le tạo ra một từ trường hút lõi sắt non làm thay đổi công tắc chuyển mạch Dòngđiện qua cuộn dây có thể được bật hoặc tắt, vì thế rơ-le có hai vị trí chuyển mạchqua lại

Rơ le được sử dụng phổ biến ở các bo mạch điều khiển tự động, chuyên dụng đểđóng cắt những cái dòng điện lớn mà những hệ thống mạch điều khiển không thểtrực tiếp can thiệp thì người ta sẽ sử dụng rơ le để đóng cắt dòng điện cao rơ le córất nhiều hình dáng và kích thước và chân cắm khác nhau.

 Sử dụng một vài rơ-le để cung cấp các chức năng logic đơn giản như

‘AND,’ ‘NOT,’ hoặc ‘OR’ cho điều khiển tuần tự hoặc khóa liên động an toàn

Phân loại theo nguyên lý hoạt động

 Rơ le có tiếp điểm: loại này tác động lên mạch bằng cách đóng mở các tiếp điểm

 Rơ le không tiếp điểm (rơle tĩnh): loại này tác động bằng cách thay đổi đột ngột các tham số của cơ cấu chấp hành mắc trong mạch điều khiển như: điệncảm, điện dung, điện trở

Transitor: Loại linh kiện bán dẫn chủ động, thường được sử dụng như một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử

 Transistor dùng với mục đích khuếch đại có vẻ như gần gũi hơn khi chúngđược dùng trong điện thoại, TV để khuếch đại âm thanh và hình ảnh hay cácthiết bị điện tử khác.

Ưu điểm:

 Transistor có lượng tiêu thụ điện năng không lớn, độ trễ gần như không cókhi khởi động và không chứa chất độc hại bởi chúng không có bộ phận làmnóng cathode

 Với kích thước nhỏ và nhẹ hơn sản phẩm được tối ưu hơn rất nhiều

 Với những thiết bị hiện đại thì rất phù hợp cho transistor phát huy vai trò bởichúng sử dụng mức điện áp hoạt động nhỏ gần bằng với pin tiểu

 Transistor còn có hiệu suất cao và tuổi thọ dài, ít bị vỡ nên chúng khá được

Mosfet có cấu trúc bán dẫn, cho khả năng điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ

 G (Gate): cực cổng, cực điều khiển này được cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn Còn lại bởi một lớp điện môi rất mỏng, nhưng có độ cách điện cực lớn (dioxit-silic)

 S (Source): cực nguồn

 D (Drain): cực máng đón các hạt mang điện

Mosfet có điện trở giữa cực G – S và giữa cực G – D là vô cùng lớn; còn điện trở giữa cực D – S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G – S (UGS)

Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, ngược lại khi điện áp UGS > 0 thì RDS càng nhỏ (do hiệu ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm)

– Mosfet hoạt động ở 2 chế độ đóng – mở do một phần tử với các hạt mang điện cơbản, chính vì thế mà Mosfet có thể đóng – cắt với tần số rất cao Để đảm bảo thời gian đóng cắt ngắn thì vấn đề điều khiển lại là một vấn đề quan trọng.

Ứng dụng: điều khiển Mosfet liên tục đóng – ngắt và tạo thành dòng điện biến thiên chạy qua cuộn sơ cấp Từ đó sinh ra từ trường biến thiên cảm ứng lên các cuộn thứ cấp và tạo ra điện áp

3.4 Cơ Cấu chấp hành điện từ

Cơ cấu chấp hành loại này biến đổi năng lượng điện thành năng lượng từ trường, tạo ra lực từ để tác dụng lên thiết bị công nghệ Các loại cơ cấu chấp hành điện từ:

 Nam châm điện,

 Van điện từ,

 Động cơ điện

Van điện từ: Sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để hoạt động Khi dòng điện

đi qua cuộn dây thì nó sẽ sinh ra một dòng từ trường Dòng từ trường này sẽ hút pittông lên trên Pit tông rời khỏi vị trí ban đầu sẽ giúp cho dòng lưu chất đi qua hoặcchặn hoàn toàn dòng lưu chất

Do sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ nên van đóng mở rất nhanh, gần như tứcthì Vì vậy chúng được sử dụng nhiều trong các hệ thống cấp lưu lượng chính xác.Việc đóng ngắt tức thời giúp kiểm soát lưu lượng gần như một cách tuyệt đối

Dùng thêm các cảm biến để điều khiển van một cách tối

ưu

Đông cơ điện :

Động cơ quay lắc: Sử dụng hiệu ứng điện từ để lắc

trong 1 góc nào đó, sử dụng trong điều chỉnh gương

cơ điện một chiều là kết cấu cổ góp phức tạp, kém tin cậy, cần có nguồn một chiều.Động cơ kích từ song song: Stato và roto đều dùng điện và mắc song song nhau

Động cơ kích từ nối tiếp: Stato và roto đều dùng điện và mắc nối nhau