Xây dựng mạch đo và phần mềm thu thập, xử lý tín hiệu băng thử công suất bánh xe (word + bản vẽ)

Định nghĩa: Băng thử công suất là một thiết bị được sử dụng để đo momen và tốc độ từ đó có thể tính ra công suất của động cơ nổ, động cơ điện hay một thiết bị cóchuyển động quay, từ đó c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Xây dựng mạch đo và phần mềm thu thập, xử lý tín hiệu băng thử công suất bánh xe

2 Các số liệu ban đầu:

Tham khảo băng thử công suất MD – 1000

3 Nội dung các phần thiết kế và tính toán:

1 – Khảo sát hiện trạng băng thử MD – 1000 và đề xuất phương án phục hồi

2 – Xây dựng mạch xử lý tín hiệu cảm biến

3 – Xây dựng mô hình thuật toán đo công suất bánh xe

4 – Xây dựng phần mềm thu thập dữ liệu và xử lý tín hiệu

4 Các bản vẽ:

- Sơ đồ băng thử……….…… A0

- Xử lý tín hiệu cảm biến tốc độ… A0

- Xử lý tính hiệu cảm biến lực… A0

- Hệ thống điều khiển……… A0

- Thuật toán thử nghiệm công suất ngoài A0

- Thuật toán thử nghiệm vận tốc không đổi… …… A0

5 Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hữu Nam

6 Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 02/2009

7 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 05/2009 Ngày tháng … năm 2009

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN Cán bộ hướng dẫn thiết kế

(kí và ghi rõ họ tên) (ký và ghi tên họ tên)

Sinh viên đã hoàn thành và nộp toàn bộ thiết kế cho bộ môn

Ngày tháng năm 2009 (ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

Lời nói đầu……… 5

Chương I: KHẢO SÁT HIỆN TRẠNG BĂNG THỬ CÔNG SUẤT MD – 1000 VÀ ĐƯA RA PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ……… 6

1 Đặc điểm Băng thử công suất bánh xe……… 6

2 Nguyên lý hoạt động của Băng thử công suất……… 9

3 Cấu tạo Băng thử công suất bánh xe……… 13

4 Đánh giá hiện trạng Băng thử MD – 1000……… 17

5 Đề xuất phương án xử lý……… 18

Chương II: XÂY DỰNG MẠCH XỬ LÝ TÍN HIỆU……… 20

1 Cảm biến tốc độ……… 20

2.Cảm biến lực……… 25

3 Mạch nguồn cấp cho các mạch đo tín hiệu……… 31

Chương III: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐO CÔNG SUẤT BÁNH XE…… 33

1 Chế độ thử nghiệm Đặc tính kéo theo chế độ làm việc đặc tính ngoài của động cơ……… 33

2 Chế độ do vân tốc không đổi……… 39

Chương IV: XÂY DỰNG PHẦN MỀM THU THẬP DỮ LIỆU VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU……… 43

1 Nhiệm vụ của Phàn mềm……… 43

2 Cấu trúc phần mềm và giao diện làm việc……… 44

3 Phần cứng……… 47

4 Phần mềm……… 50

5 Một số chức năng của phần mềm……… 52

Kết luận……… 59

Phụ lục………60

Trong thời gian thực tập tốt nghiệp, em đã được tiếp xúc với Băng thử Công suất bánh xe MD – 1000 cho xe tải 2 cầu sau chủ động và hiện tại Băng thử này đang gặp trục trặc, cho ra kết quả không chính xác, ảnh hưởng tới hoạt động của cơ sở.

Sau thời gian tìm hiểu và làm việc với Băng thử, em được giao nhiệm vụ “Xây dựng mạch đo và Phần mềm thu thập, xử lý tín hiệu Băng thử Công suất bánh xe” Đây là một đề tài hoàn toàn mới, yêu cầu cần có thời gian nghiên cứu, khảo nghiệm và đánh giá lâu dài Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng do thời gian và kinh nghiệm bản thân có hạn nên bản đồ án này không tránh khỏi có các thiếu sót Em kính mong được các thầy và các bạn đóng góp ý kiến để đồ án được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn: PHẠM HỮU NAM đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn giúp em hoàn thành đồ án này.

Em xin chân thành cảm ơn các thầy trong bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng – Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội và các bạn trong bộ môn đã giúp em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành đồ án này.

Sinh viên Nguyễn Thanh Tùng

Chương I KHẢO SÁT HIỆN TRẠNG BĂNG THỬ CÔNG SUẤT

MD – 1000 VÀ ĐƯA RA PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ

1 Đặc điểm Băng thử công suất bánh xe:

1.1 Định nghĩa:

Băng thử công suất là một thiết bị được sử dụng để đo momen và tốc độ

từ đó có thể tính ra công suất của động cơ nổ, động cơ điện hay một thiết bị cóchuyển động quay, từ đó cho phép xác định các thông số khác của nó

Băng thử công suất đóng một vai trò to lớn trong ngành công nghiệp xe

Nó cho phép đánh giá khả năng hoạt động của các xe mới sản xuất hoặc đánhgiá các thông số khác của xe như khí thải, chuẩn đoán trạng thái xe

Hình 1.1: Sơ đồ Băng thử công suất xe 2 cầu sau chủ động

1.2 Đặc điểm của Băng thử:

Băng thử công suất Ô tô 2 cầu sau chủ động thuộc loại ChassisDynanometer là thiết bị được sử dụng để mô phỏng đặt tải lên xe thử nghiệm

Hệ thống này bao gồm kết cấu cơ khí, cơ – điện và điện tử được sử dụng để môphỏng tải thật đặt lên xe trong phòng thí nghiệm

Băng thử sử dụng Phanh điện từ - PAU để hấp thụ momen truyền từbánh xe tới con lăn và chuyển hóa năng lượng hấp thụ này thành nhiệt Bộ điềukhiển điện tử của hệ thống sử dụng loại điều khiển có hồi tiếp (PID) để điềukhiển quá trình hấp thụ năng lượng này, mà thực chất là tải tác động lên xe thửnghiệm

Một số thông số cơ bản của Băng thử MD – 1000 theo tài liệu MD – 1000

Series Maintenance & Service Manual:

Công suất: Làm việc liên tục ở mức 500 mã lực

Công suất làm việc lớn nhất 1200 mã lực

Giá trị đo được 2000 mã lực

Bộ phận gây tải: Phanh điện từ làm mát bằng gió MDK – 400

Hệ thống điều khiển: Máy tính và Phần mềm MD – 7000

Có khả năng điều khiển bằng tay từ xa

Con lăn: Đường kính con lăn 452 mm

Khoảng cách con lăn 762 mm

Chiều dài trục: Khoảng cách 2 cầu xe 1168 – 1524 mm

Vận tốc làm việc: Lớn nhất 200km/h

Liên tục 175km/h

Bộ nâng hạ: Giữa 2 con lăn cầu giữa, sử dụng hệ thống khí nén

Nguồn điện cung cấp: 230VAC ba pha, 60Hz, 40A

120VAC một pha, 60Hz, 15A cho máy tính

Hình 1.2: Sơ đồ bố trí mẫu của Băng thử MD – 1000

2 Nguyên lý hoạt động của Băng thử công suất:

2.1 Nguyên lý hoạt động của Băng thử công suất bánh xe:

Công suất của ôtô được xác định thông qua vận tốc của bánh xe ( v bx) và

lực kéo tiếp tuyến (F k ):

k bx

N F v 

Quá trình thử nghiệm Đường cong công suất ngoài của bánh xe ô tô đượcxác định khi bướm ga mở hoàn toàn và khi ô tô chất đầy tải Trong quá trinh thửnghiệm các bánh xe chủ động của xe thử nghiệm được đặt giữa con lăn chủđộng và con lăn bị động Bánh xe chủ động làm quay các con lăn chủ động Conlăn chủ động được nối với bộ PAU

Khi xe chuyển động, bánh xe quay sẽ làm cho con lăn chủ động quay, và

do đó làm cho Rotor của PAU quay theo PAU hoạt động theo nguyên tắc dòngđiện Fucô tạo ra mômen cản để cản chuyển động của các con lăn chủ động, vàsinh ra các chế độ tải và chế độ tốc độ khác nhau trong khi thử Do bộ phận gâytải PAU được thiết kế đặt theo kiểu động cơ đặt treo, khi PAU gây tải lên bánh

xe, momen bánh xe truyền tới sẽ tạo nên Momen phản ứng tại vỏ của “động cơđặt treo” hay tại Stator của PAU Để ngăn cản không cho Stator quay tự do, trênStator của PAU có một cánh tay đòn gắn với cảm biến lực cho phép xác địnhđược Momen phản ứng trên Stator

Bằng cách xác đinh được Momen phản ứng trên Stator có thể tính toánngược trở lại được Momen kéo tại bánh xe hay là tính được Lực kéo tiếp tuyếntrên bánh xe

Số vòng quay của bánh xe chủ động của xe được xác định như sau:

n bx=n cl × r cl

r bx

Đường truyền công suất từ động cơ tới Bánh xe chủ động:

Động cơ  Hộp số  Các Đăng  Cầu chủ động  Bánh xe chủ động

Công suất phát ra tại bánh xe:

N k=N e η tl=N f+N ω ± N i ± N j

Trong đó: Nk – Công suất kéo phát ra tại bánh xe, kW

Ne – Công suất động cơ, kW

N f – Công suất tiêu hao do lực cản lăn, kW

N ω – Công suất tiêu hao do lực cản không khí, kW

N i – Công suất tiêu hao do lực cản dốc, kW

N j – Công suất tiêu hao do lực cản quán tính, kW

η tl – Hiệu suất của hệ thống truyền lực

Trong trường hợp Ô tô chuyển động trên đường bằng, không có gia tốc,phương trình cân bằng công suất của ô tô có dạng sau:

Hình 1.3: Sơ đồ tính lực tương tác giữa con lăn và bánh xe

Do có góc đặt giữa trục bánh xe và trục con lăn chủ động, nên công suấtphản ứng trên Stator thu được là công suất mà bánh xe truyền tới trên trục conlăn: N=F k v bx=G φ φ v bx

Trên băng thử phần công suất bánh xe truyền cho trục con lăn:

Momen phản ứng của Stator:

Trong đó: Mbx – Momen tại Bánh xe chủ động, Nm

Mms – Momen ma sát trong HT truyền lực Băng thử, Nm

η HT – Hiệu suất truyền lực trong HT truyền lực Băng thử

Từ công thức tính cơ bản trên, có thể tính ra Công suất kéo tạibánh xe chủ động theo công thức sau:

3 Cấu tạo Băng thử công suất bánh xe:

Băng thử công suất bánh xe là một tổ hợp hoàn chỉnh gồm nhiều bộ phận cơkhí, điện, điện tử kết hợp lại nhằm thử nghiệm xe và thu thập các kết quả thửnghiệm Cấu tạo băng thử gồm các bộ phận chính sau:

3.1 Kết cấu cơ khí:

Kết cấu cơ khí của Băng thử là bộ phận quan trọng nhất của băng thử.Kết cấu cơ khí của Băng thử bao gồm: Khung dầm đỡ toàn bộ Băng thử, Hệthống con lăn và Các ổ lăn

Phần khung dầm đỡ của băng thử bao gồm các dầm thép kết nối với

nhau tạo thành Để dễ dàng cho quá trình vận chuyển, dầm thép này được chiathành 2 khối cơ bản: dầm trái và dầm phải Các dầm thép được nối với nhaubằng cách hàn hoặc nối bulông

Hệ thống con lăn của Băng thử gồm có 6 con lăn chia thành 2 bộ con lăn

chủ động và 1 bộ con lăn bị động Khi xe đi vào thử nghiệm, cầu giữa của xe sẽnằm đè lên 1 bộ con lăn chủ động và 1 bộ con lăn bị động, cầu sau sẽ nằm trên

bộ con lăn chủ động còn lại Để nối 2 con lăn tạo thành bộ con lăn, giữa 2 conlăn có khớp nối răng 2 bộ con lăn chủ động được nối liên động với nhau bằngđai răng

Các con lăn được đặt trên các gối ổ đỡ được bắt chặt trên phần khungdầm Kích thước con lăn: Đường kính D = 452 mm, chiều rộng : W = 965 mm

Ổ lăn được sử dụng trong Băng thử MD – 1000 là loại gối ổ lăn Ổ lăn

được bắt trên khung giá đỡ chính của băng thử và điều chỉnh độ đồng tâm bằngcác bulông đặt 2 bên ổ

3.2 Bộ phận tạo tải – Phanh điện từ:

Bộ phanh điện từ - PAU hoạt động dựa trên nguyên tắc dòng điện xoáy

hay dòng điện Phucô

Nguyên tắc dòng điện xoáy hay dòng điệu Phucô là chuyển động năngcủa vật chuyển động thành nhiệt năng Bằng cách tạo ra một trường tĩnh điện và

sức từ sinh ra trong đĩa kim loại đang chuyển động, gọi là dòng Phucô hay dòngđiện xoáy, những dòng điện này sẽ sinh ra một lực chống lại sự chuyển độngcủa đĩa kim loại.

Hình 1.4: Phanh điện từ làm mát bằng gió

Nếu như từ trường thay đổi thì lực hay mômen chống lại sự quay của đĩakim loại cũng thay đổi Và các thực nghiệm đã chứng minh rằng, nếu sử dụngnam châm điện để tạo ra từ trường, dòng điện cấp cho nam châm tỷ lệ thuận vớilực cản sinh ra Đây chính là nguyên tắc chế tạo và điều khiển bộ phanh điện từPAU

Bộ phanh điện từ - PAU sử dụng trong Băng thử MD – 1000 là loạiphanh điện từ làm mát bằng gió Gồm có 2 phần:

- Phần Rotor: là phần gắn với bộ con lăn chủ động thông qua khớp nối Ngoài

ra Rotor được chế tạo bề mặt phía ngoài có dạng cánh quạt gió có tác dụng làmmát phanh điện từ trong quá trình hoạt động

- Phần Stator: là phần tạo ra từ trường tĩnh điện Phần Stator có chứa các cuộn

dây Phần khung của Stator được đặt trên ổ bi, tạo cho bộ PAU có dạng “Động

cơ đặt treo” Stator chính là phần sinh ra Momen phản ứng ứng với Momen từ

bánh xe truyền tới Trên vỏ Stator có gắn cảm biến lực để xác định Momen phảnứng này.

3.3 Hệ thống đo và thu thập dữ liệu:

Hệ thống đo và thu thập dữ liễu đóng vai trò quan trọng trong việc quátrình thử nghiệm xe Hệ thống đo cho phép thu thập các kết quả đo một cách tựđộng và truyền về máy tính để xử lý kết quả đo

Hệ thống đo của Băng thử công suất bao gồm 2 loại cảm biến là cảm biếnlực và cảm biến tốc độ

- Cảm biến lực (Loadcell) là cảm biến đo lực phản ứng sinh ra trên Stator

của Phanh điện từ Cảm biến lực của Băng thử là cảm biến kéo nén đượctreo trên cánh tay đòn trên vỏ Stator Băng thử MD – 1000 có 2 cảm biếncho 2 bộ Phanh điện từ

- Cảm biến tốc độ trên Băng thử MD – 1000 là loại cảm biến loại cảm

ứng, điện áp ra của cảm biến cho phép xác định được tốc độ quay củacon lăn

3.4 Hệ thống điều khiển:

Hệ thống điều khiển hoạt động cùng với hệ thống đo tạo thành tổ hợp đođiều khiển cho băng thử, cho phép người sử dụng băng thử vận hành quá trìnhthử nghiệm một cách tự động và đơn giản

Kết hợp với kết quả đo từ Hệ thống đo, Hệ thống điều khiển sẽ truyềncác tín hiệu qua Mạch điều khiển trong hộp điều khiển tới điều khiển Phanhđiện từ bằng cách tăng giảm lực phanh

Mạch điều khiển bao gồm 2 phần chính:

- Mạch nhận tín hiệu: nhận tín hiệu điều khiển Phanh điện từ từ máy tínhtới mạch cách ly

- Mạch cách ly và điều khiển: là mạch điều khiển trực tiếp Phanh điện từ,nhận tín hiệu điều khiển từ Mạch nhận tín hiệu

4.2 Bộ phận tạo tải – Phanh điện từ:

Phanh điện từ - PAU có yêu cầu khe hở giữa Rotor và Phần ứng trênStator một khoảng nhất định, phần Đĩa Rotor bị rỉ sét, có thể khe hở này khôngđảm bảo đúng yêu cầu kĩ thuật do đó cần có các đánh giá kỹ hơn về Phanh điện

từ để có thể đưa ra kết quả chính xác hơn

4.3 Hệ thống đo, thu thập dữ liệu và Hệ thống điều khiển:

Phần Mạch điều khiển và Phần mềm là một phần rất quan trọng trongBăng thử, mạch đo và điều khiển băng thử nằm trong một tổng thể Hộp điềukhiển

Tình trạng hiện tại kết quả thử nghiệm không chính xác, do đó có thể cóhỏng hóc hoặc sai sót trong 2 bộ phận này

Ưu điểm: Nếu nghiên cứu đạt kết quả tốt thì kết quả này sẽ cho phép nắm

vững công nghệ thử nghiệm công suất xe, không chỉ với xe 2 cầu sau chủ động

Nhược điểm: Thời gian nghiên cứu lâu dài, yêu cầu phải có khảo nghiệm,

đánh giá để đạt được độ chính xác mong muốn

Tuy nhiên do thời gian và trình độ sinh viên hiện còn hạn chế, trongkhuôn khổ đồ án này, sinh viên sẽ chỉ nghiên cứu một số phần của phương án

xử lý, giúp phục hồi một số chức năng cơ bản nhất của băng thử:

- Xây dựng nguyên lý thử nghiệm cho băng thử công suất

- Xây dựng mạch đo và gửi tín hiệu đo được về máy tính

- Xây dựng phần mềm thu thập và xử lý tín hiệu

Trên băng thử MD – 1000 có sử dụng 2 loại cảm biến thu thập dữ liệutrong quá trình thử nghiệm:

Cảm biến tốc độ được gắn trực tiếp vào Rotor của Phanh điện từ nhằm

đo tốc độ của Rotor, đồng thời là tốc độ con lăn

Cảm biến lực gắn trên cánh tay đòn trên Stator của Phanh điện từ, cho

phép đo lực kéo tác dụng lên cảm biến , từ đó xác định được momen phản ứngsinh ra trên vỏ Stator

1 Cảm biến tốc độ:

1.1 Cấu tạo:

Băng thử MD – 1000 sử dụng cảm biến tốc độ kiểu cảm ứng Cấu tạo củacảm biến này bao gồm 2 bộ phận chính:

- Đĩa cảm biến: đĩa cảm biến được gắn tại đầu trục ra của Phanh điện

từ, do đó đĩa cảm biến có tốc độ quay bằng với tốc độ quay của RotorPhanh điện từ hay bằng tốc độ quay của con lăn chủ động Đĩa cảmbiến của băng thử MD -1000 có tổng cộng 120 răng

- Cuộn cảm ứng: gồm có cuộn dây được cuốn trên lõi nam châm vĩnh

cửu

Cuộn dây cảm ứng gần sát răng của đĩa cảm biến Khoảng cách từ đầucuộn cảm ứng tới răng của đĩa cảm biến sẽ quyết định độ nhạy cũng như độ lớncủa suất điện động cảm ứng sinh ra trong cuộn dây

1.2 Nguyên lý hoạt động:

Cảm biến cảm ứng điện từ là loại cảm biến phát diện, tín hiệu phát ra có

đầu răng của Rotor quét qua cuộn dây, từ thông móc vòng qua cuộn cảm biếnthiên làm xuất hiện một suất điện động cảm ứng trong cuộn dây

Suất điện động xuất hiện trong cuộn dây có biên độ và tần số phụ thuộcvào tốc độ quay của đĩa cảm biến

Tần số của suất điện động trong cuộn dây:

f = n × N

60 Hz

Trong đó: f – Tần số của suất điện động cảm ứng, Hz

N – Số răng của đĩa cảm biến

n – Tốc độ quay của đĩa cảm biến, vòng/phút

Như vậy, bằng cách xác định được tần số của cảm biến tốc độ, hoàn toàn

có thể xác định được tốc độ quay của cảm biến

Hình 2.1: Cấu tạo và nguyên lý của Cảm biến tốc độ

1.3 Thiết kế Mạch đo Tốc độ:

Dựa trên nguyên lý hoạt động của Cảm biến tốc độ, sơ đồ khối của quátrình xử lý, xác định tốc độ sau:

Hình 2.2: Sơ đồ khối quá trình xử lý tín hiệu từ cảm biến tốc độ

Trong khảo sát thực tế, xác định được cảm biến tốc độ trên Băng thử MD– 1000 lại cho ra tín hiệu dạng xung vuông với mức logic 0 – 1 tương ứng vớiđiện áp 7V – 12V Do vậy có thể khẳng định tín hiệu trong cảm biến tốc độ củaBăng thử MD – 1000 đã có tích hợp sẵn một bộ khuếch đại/so sánh chuyển đổitín hiệu thành xung vuông

Do tín hiệu đưa về từ cảm biến là dạng xung vuông điện áp làm việc(+12VDC) cao hơn điện áp làm việc của VĐK ATmega8 (5VDC), thực hiệnviệc chuẩn xung thông qua một IC thuật toán LM324, chuyển về tín hiệu xungvuông điện áp logic là 0V – 5V

Mục tiêu sử dụng mạch đo tốc độ không chỉ cho cảm biến trên băng thử

MD – 1000, mà còn sử dụng được cho nhiều loại cảm biến tốc độ khác nhau, do

đó việc chuẩn xung trên IC LM324 sử dụng mạch so sánh ngưỡng

điều chỉnh biến trở là: 2.916 k Ω 2.084 k Ω ≈ 7 V

5 V

Bộ đếm được sử dụng là Ngắt ngoài (INT1) của VĐK ATmega8, mỗi khitín hiệu xung gửi về từ IC LM324, một ngắt ngoài xảy ra, biến đếm Count (P)

sẽ được tăng thêm 1

Hoạt động song song với Bộ đếm này là một bộ Ngắt định thời (Timer),sau một khoảng thời gian định trước T, Bộ đếm sẽ tạo ra một Ngắt báo tràn

Timer, khi đó thực hiện phép toán để có thể tính ra được vận tốc vòng của conlăn, cũng như là vận tốc dài của bánh xe theo công thức sau:

n – Vận tốc vòng của con lăn chủ động, vòng/phút

P – Số xung đếm được trong thời gian T

T – Thời gian đếm xung, s

N – Số răng đĩa cảm biến

r – Bán kính bánh xe, mm

Hình 2.4: Cảm biến tốc độ trên Băng thử MD - 1000

2 Cảm biến lực:

2.1 Cấu tạo:

Cấu tạo của Cảm biến lực (Loadcell) là loại cảm biến dây điện trở đo,được mắc theo dạng mạch cầu đo (mạch cầu Wheatstone) được sử dụng để đolực kéo hoặc đo momen uốn

Mạch cầu đo thường sử dụng có 2 loại:

- Loại làm việc một nhánh: điện áp ra đo được là một đường phi tuyến

- Loại làm việc hai nhánh: điện áp ra đo được tuyến tính

Kết cấu cơ bản nhất của cảm biến lực gồm 4 điện trở mắc theo dạngmạch cầu, trong đó có 1 điện trở Rx hoặc 2 điện trở mắc 2 nhánh có giá trị thayđổi tương ứng với lực tác dụng vào cảm biến

Hình 2.5: Mạch cầu điện trở làm việc 1 nhánh

Cảm biến lực sử dụng trong Băng thử MD – 1000 là loại cảm biến kéo nén loại S, cho phép lực kéo nén lên tới 10.000N

Hình 2.6: Cảm biến lực trên Băng thử MD - 1000

2.2 Nguyên lý hoạt động:

Nguyên lý hoạt động của cảm biến lực là dựa trên sự biến đổi của điệntrở Rx tương ứng với Lực tác dụng vào cảm biến, làm cho sự cân bằng của mạchcầu bị thay đổi, dẫn tới hiệu điện thế giữa 2 điểm B và D thay đổi tương ứngtheo

Đo sự thay đổi hiệu điện thế này cho phép chúng xác định được lực tácdụng lên cản biến, cũng như biết được hướng của lực tác dụng

Hình 2.7: Đặc tính cảm biến thực qua thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy:

- Điện áp ra của cảm biến lực cho kết quả là một đường cong tuyến tínhvới các giá trị thử nghiệm ban đầu

- Khi tăng 100N lực tác dụng thì giá trị điện áp ra tăng tương ứng0.3mV

Điện áp ra của cảm biến quá nhỏ, dẫn tới sự thay đổi điện áp rất nhỏ, từđặc điểm của cảm biến có thể xác định được điện áp ra lớn nhất ứng với giá trị10.000N lực tác dụng lên cảm biến là 3.10 = 30mV Các bộ đọc ADC bìnhthường không có khả năng nhận biết được sự thay đổi này của điện áp

Do đó cần phải thiết kế một bộ khuếch đại đủ lớn tín hiệu đảm bảo bộđọc ADC có thể đọc được Chọn hệ số khuếch đại là 100, khi điện áp của cảmbiến biến thiên trong khoảng 0 – 30mV thì điện áp ra sau bộ khuếch đại biếnthiên trong khoảng 0 – 3V

Bộ ADC trên VĐK là bộ ADC 10bit, điện áp so sánh V ref=3.2 V có giátrị điện áp nhỏ nhất mà VĐK có thể đọc được:

V min= 3.2

1024=0.003125(V )Ứng với giá trị điện áp nhỏ nhất này, giá trị lực đo được trên cảm biếnlực mà bộ ADC vẫn đọc được:

F min=V min × 1000

0.3 =

0.003125× 1000

0.3 =10.41667(N )Chọn IC khuếch đại chuyên dụng có độ trôi thấp AD620 để làm bộ khuếch đại điện áp ra đối với mạch đo Lực

- Độ trôi của điện áp thấp: lớn nhất 0.6 μVV /0C

- Hoạt động với tần số 120kHz (hệ số khuếch đại G = 100)

Theo datasheet của IC AD620 điện trở mắc tại 2 chân RG(1)-RG(8) của

IC cho phép chọn hệ số khuếch đại G Điện trở RG được tính theo công thức:

R G=49.4 k Ω

G−1

Do đó với hệ số khuếch đại chọn G = 100, có được RG = 499Ω

Hình 2.8: Mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến lực

Tính toán chọn mạch lọc nhiễu cho cảm biến lực:

Trong mạch đo cảm biến lực, do tín hiệu từ cảm biến lực đưa về rất nhỏ,

cỡ mV, do đó những ảnh hưởng bên ngoài như nhiễu do điện trường, nhiễu donguồn cung cấp Việc xử lý lọc nhiễu này sẽ giúp tránh các sai số giúp cho kếtquả đo mất độ chính xác và tin cậy Do đó khi thiết kế mạch khuếch đại tín hiệu,thường tín hiệu trước khi đưa về cho VĐK đọc tín hiệu sẽ được đưa qua một bộlọc nhiễu

Các tác nhân gây nhiễu trên băng thử chưa có điều kiện để xác định trongthực tế, do đó ở đây chỉ sử dụng mạch lọc nhiễu tần số thấp (low-pass filter)thường sử dụng khi đọc tín hiệu ADC

Hình 2.9: Mạch lọc nhiễu tần số thấp trước khi đưa về VĐK

Đối với mạch lọc nhiễu Low-pass filter này, tín hiệu gửi về sẽ được duytrì dưới một tần số nhất định gọi là “tần số cắt”, nếu tín hiệu gửi về dao độngtrong khoảng tần số lớn hơn “tần số cắt”, tín hiệu sẽ bị coi là nhiễu và được lọc

bỏ chỉ cho các tín hiệu có tần số nhỏ hơn “tần số cắt” đi qua

là các mạch lọc nhiễu Low-pass, công thức tính tương tự, giá trị được tính toán

sơ bộ, trong thực tế đưa vào sử dụng sẽ được thay đổi cho phù hợp

3 Mạch nguồn cấp cho các mạch đo tín hiêu:

Nguồn cung cấp là một bộ phận quan trọng của mạch điện cũng như điện

tử Ngày nay, việc sử dụng các IC nguồn giúp giảm thiểu công việc của người

kỹ sư thiết kế rất nhiều

Đối với Mạch đo tốc độ và Mạch đo lực, tín hiệu sau khi được xử lý đềuđược đưa về VĐK xử lý và truyền về máy tính Mạch đo tốc độ, Mạch đo lực,

và Mạch VĐK đều phải có một bộ nguồn cung cấp hoạt động

Đối với Mạch đo tốc độ, yêu cầu phải có 1 nguồn +12VDC cấp cho cảmbiến tốc độ, 1 nguồn +5VDC cấp cho IC thuật toán LM324

Đối với Mạch đo lực, yêu cầu phải có 1 nguồn đối xứng ±12VDC cấpcho 2 IC khuếch đại AD620, nguồn +10VDC tạo nguồn kích thích cho Cảmbiến lực

Đối với Mạch VĐK đọc tín hiệu và truyền về máy tính, cần phải cónguồn +5VDC cung cấp cho Mạch, đồng thời phải có 1 nguồn so sánh cho bộđọc ADC của VĐK, ở đây chọn nguồn so sánh là +3.2VDC

Tổng hợp các yêu cầu trên, Mạch nguồn thiết kế bao gồm các yêu cầu sau:

- Nguồn +12VDC cấp cho Cảm biến tốc độ

- Nguồn +5VDC cấp cho IC LM324 và Mạch VĐK

- Nguồn đối xứng ±12VDC cấp cho IC khuếch đại AD620

- Nguồn so sánh +3.2VDC cấp cho bộ ADC

Đối với nguồn +12VDC và nguồn +5VDC chọn IC nguồn 7812 và 7805làm nguồn cấp

Đối với nguồn đối xứng ±12VDC và nguồn +3.2VDC chọn IC nguồn cóthể thay đổi được giá trị LM317 và LM337 làm nguồn cấp

Hình 2.10: Mạch nguồn cấp cho các mạch đo tín hiệu và mạch truyền dữ liệu

Theo các tài liệu hướng dẫn sử dụng của băng thử MD – 1000, băng thử

MD – 1000 và phần mềm MD – 7000 cho phép người sử dụng tiến hành các bàithử nghiệm trên xe như:

- Thử nghiệm Đặt lực không đổi

- Thử nghiệm Vận tốc không đổi

- Thử nghiệm Công suất không đổi

- Thử nghiệm Giả lập chạy trên đường

- Thử nghiệm Đường công suất ngoài

- Thử nghiệm với chế độ lực được đặt trước

Do hạn chế về thời gian, sinh viên được giao nhiệm vụ xây dựng thuậttoán cho các bài thử nghiệm sau:

- Thử nghiệm Đặc tính kéo của xe ở chế độ làm việc đặc tính ngoài củađộng cơ

- Thử nghiệm Vận tốc không đổi

1 Thử nghiệm Đặc tính kéo của xe ở chế độ làm việc đặc tính ngoài của động cơ:

1.1 Đồ thị Đường công suất ngoài:

Đồ thị cân bằng công suất lý thuyết của Ô tô được xây dựng dựa trênquan hệ giữa công suất phát ra của động cơ và các công suất cản trong quá trình

Ô tô chuyển động, phụ thuộc vào vận tốc của Ô tô

Theo công thức lý thuyết, Công suất này được tính từ động cơ tới bánh

xe, thông qua hệ thống truyền lực truyền tới bánh xe Tại mỗi tay số, một đườngcong công suất tính toán theo lý thuyết Tổ hợp lại có được đồ thị cân bằng côngsuất ngoài của ô tô

V(km/h) Vmax

V1V2V1V4

Nk2 Nk3

Nk4Ne

Nf +Nw

Nf

N (ml)

Hình 3.1: Đồ thị Cân bằng công suất lý thuyết

1.2 Mô hình thuật toán Bài thử nghiệm Đặc tính kéo của xe:

Trong thực tế Băng thử công suất lại chỉ đo được Momen phản ứng trênStator, hay tính được công suất trên bánh xe, do đó thực tế Công suất đo đượctrên Băng thử là Công suất phản ứng trên Stator (N p ư)

Công suất này thực tế bằng Công suất phát ra tại bánh xe trừ đi phầnCông suất tiêu hao do ma sát trong hệ thống truyền lực của Băng thử:

N bx=N p ư+N ms

Để tính ra được công suất kéo của bánh xe thực tế phát huy, còn cần phải

kể tới công suất cản lăn và công suất cản không khí khi xe chạy trên đường

N k=N bx−N f−N ω

Trong đó: Nk – Công suất kéo phát ra tại bánh xe, kW

Nbx – Công suất bánh xe phát ra, kW

Nw – Công suất cản gió, kW

Bước 1: Khi đưa xe vào thử nghiệm, ngưởi sử dụng đã phải chọn chế độ thử

nghiệm:

- Chế độ thử nghiệm đường công suất ngoài (bướm ga mở hoàn toàn) hay chế

độ thử nghiệm đường công suất cục bộ

- Các thông số hình học của xe, bán kính bánh xe cần thiết để tính đượcmomen và công suất cản gió, và lực cản lăn chuẩn để tính momen và côngsuất cản lăn ở các tốc độ và quy đổi từ công suất trục con lăn N 'ra công suấtbánh xe N bx

Có nhiều thông số ảnh hưởng tới lực cản lăn, trong đó tốc độ đóng mộtvai trò vô cùng quan trọng, khi tốc độ xe <80km/h hệ số cản lăn gần như khôngthay đổi, có thể coi như hằng số Do đó thông thường, đối với từng loại lốp vàloại đường, thường có hệ số cản lăn chuẩn f0 hay lực cản lăn tại tốc độ v =80km/h để xác định Khi vận tốc xe >80km/h, công thức tính hệ số cản lăn đượcxác định như sau:

Trong đó: Nf – Công suất cản lăn, W

G – Trọng lượng của Ô tô, N

α – Góc dốcCông suất Ô tô tiêu hao cho lực cản không khí phụ thuộc vào bậc 3 củavân tốc cũng như hình dáng khí động học của Ô tô:

N ω=W v3

Trong ó:đó: Nw – Công suất cản gió, W

W – Nhân tố cản không khí, N s2/m2

Thông thường nhân tốc cản không khí được tính theo công thức:

W = K.FTrong đó: K – Hệ số cản không khí phụ thuộc vào hình dạng khí động học

của xe

F – Diện tích cản chính diện, F = B.H

Hình 3.2: Bước 1 trong Bài thử nghiệm Đường công suất ngoài

Sau khi cung cấp đầy đủ các thông tin thử nghiệm, người lái xe sẽ cho xechạy, phanh điẹn từ dã được đặt trước một giá trị lực cản đảm bảo 2 điều kiện:

- Lực này không quá lớn khiến cho xe bị chết máy

- Lực này không quá nhỏ khiến cho xe chạy tốc độ vòng tua quá cao

Hệ thống điều khiển sẽ tự động điều chỉnh lực phanh điện từ sao cho vậntốc xe bằng vận tốc nhỏ nhất của tay số thử nghiệm đã được người sử dụng đặttrước Quá trình này diễn ra một cách tự động cho tới khi người sử dụng đạt tớichế độ thử nghiệm: đo đường công suất ngoài hay đường công suất cục bộ

Bước 2: Thu thập và xử lý số liệu:

Đối với Băng thử, thực tế chúng cho phép xác định được Momen phảnứng hay Công suất phản ứng trên Stator của Phanh điện từ, mà Momen hayCông suất này được tính thông qua hai thông số: lực tác dụng lên Cảm biến lực

và vận tốc vòng quay của trục con lăn chủ động

về cho máy tính xử lý

Hình 3.3: Bước 2 trong Bài thử nghiệm Đường công suất ngoài

Trong khi người lái vẫn giữ chân ga đúng với chế độ thử nghiệm, Hệthống điều khiển sẽ tự động điều khiển giảm lực phanh điện từ dần dần, khiếncho vận tốc xe tăng dần Hệ thống thu thập dữ liệu liên tục đọc các giá trị cảmbiến và phần mềm xử lý tính toán Phần mềm sẽ hiển thị toàn bộ các thông sốcần thiết về quá trình thử nghiệm này trên màn hình Quá trình này diễn ra chotới khi vận tốc xe bằng vận tốc lớn nhất của tay số thử nghiệm, khi đó Hệ thốngđiều khiển sẽ thông báo cho người sử dụng quá trình thu thập dữ liệu đã xong,ngưởi lái xe có thể tắt máy, dừng xe Phanh điện từ ngừng hoạt động Người sử

Kết quả thu được cần phải chuyển đổi từ công suất trục con lăn thànhcông suất bánh xe:

N bx 1= N1'

cosΥ1và N bx 2= N2'

cosΥ2

Trong đó: Υ – góc giữa trục con lăn và bánh xe, các góc Υ1, Υ2 được tính

theo công thức sau: sin Υ1= D1

1.3 Ý nghĩa của Bài đo thử nghiệm Công suất bánh xe:

- Bài thử nghiệm Công suất bánh xe phép người sử dụng đánh giá khả năngkéo của xe đối với điều kiện hoạt động trên đường trong điều kiện phòng thínghiệm

- Bài thử nghiệm Công suất bánh xe cũng cho phép đánh giá hiệu suất của hệthống truyền lực qua việc đánh giá kết quả thử nghiệm trên Băng thử với kếtquả thử nghiệm Công suất động cơ ở cùng điều kiện

- Bài thử nghiệm Công suất bánh xe giúp cho các nhà thiết kế có thể đánh giáđúng sản phẩm mình mới thiết kế để có thể có các điều chỉnh phù hợp, cũngnhư đánh giá lại chất lượng một chiếc xe đã qua sửa chữa, cải tiến so vớithông số chuẩn ban đầu của nó

2 Chế độ đo vận tốc không đổi:

Mục tiêu của chế độ đo vận tốc không đổi là nhằm xác định các thông sốđộng lực học của xe tại một số điểm đặc biệt của xe ở các tay số, từ đó có thểđánh giá, và xây dựng đường đặc tính cục bộ của xe.

Ngoài ra bài thử nghiệm chế độ đo vận tốc không đổi cũng giúp chongười sử dụng đánh giá đúng khả năng làm việc của Băng thử: khả năng điềukhiển lực của Phanh điện từ nhằm giúp cho xe đạt và giữ tốc độ như mongmuốn nhanh nhất do đó có thể hiệu chỉnh các thông số điều khiển nhằm giúpcho Băng thử hoạt động tốt hơn

Bước 1: Trước khi bắt đầu quá trình đo, cần cung cấp thông tin thử nghiệm:

Vận tốc thử nghiệm