ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP MÔN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ Ô TÔ Câu 1: Trình bày khái niệm về điều khiển. Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để đáp ứng của hệ thống “gần” với mục đích định trước. Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không cần sự tác động của con người. Trong những năm gần đây, các hệ thống điều khiển (HTĐK) càng có vai trò quan trọng trong việc phát triển và sự tiến bộ của kỹ thuật công nghệ và văn minh hiện đại.Thực tế mỗi khía cạnh của hoạt động hằng ngày đều bị chi phối bởi một vài loại hệ thống điều khiển. Dễ dàng tìm thấy hệ thống điều khiển máy công cụ, kỹ thuật không gian và hệ thống vũ khí, điều khiển máy tính, các hệ thống giao thông, hệ thống năng lượng, robot,... Ngay cả các vấn đề như kiểm toán và hệ thống kinh tế xã hội cũng áp dụng từ lý thuyết điều khiển tự động.Khái niệm điều khiển thật sự là một khái niệm rất rộng, nội dung quyển sách này chỉ đề cập đến lý thuyết điều khiển các hệ thống kỹ thuật.
Trang 1ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP MÔN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ Ô TÔ
Câu 1: Trình bày khái niệm về điều khiển.
Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để đáp ứng của hệ thống “gần” với mục đích định trước Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không cần sự tác động của con người
Trong những năm gần đây, các hệ thống điều khiển (HTĐK) càng có vai trò quan trọng trong việc phát triển và sự tiến bộ của kỹ thuật công nghệ và văn minh hiện đại.Thực tế mỗi khía cạnh của hoạt động hằng ngày đều bị chi phối bởi một vài loại hệthống điều khiển Dễ dàng tìm thấy hệ thống điều khiển máy công cụ, kỹ thuật không gian và hệ thống vũ khí, điều khiển máy tính, các hệ thống giao thông, hệ thống năng lượng, robot,
Ngay cả các vấn đề như kiểm toán và hệ thống kinh tế xã hội cũng áp dụng từ lý thuyết điều khiển tự động.Khái niệm điều khiển thật sự là một khái niệm rất rộng, nội dung quyển sách này chỉ đề cập đến lý thuyết điều khiển các hệ thống kỹ thuật
Câu 2: Nêu các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển.
Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Chú thích các ký hiệu viết tắt:
- r(t) (reference input): tín hiệu vào, tín hiệu chuẩn
- c(t) (controlled output): tín hiệu ra
- cht(t): tín hiệu hồi tiếp
- e(t) (error): sai số
- u(t) : tín hiệu điều khiển
Để thực hiện được quá trình điều khiển như định nghĩa ở trên, một hệ thống điều khiểnbắt buộc gồm có ba thành phần cơ bản là thiết bị đo lường (cảm biến), bộ điều khiển
và đối tượng điều khiển Thiết bị đo lường có chức năng thu thập thông tin, bộ điều khiển thực hiện chức năng xử lý thông tin, ra quyết định điều khiển và đối tượng điều khiển chịu sự tác động của tín hiệu điều khiển Hệ thống điều khiển trong thực tế rất đadạng, sơ đồ khối ở hình 1.1 là cấu hình của hệ thống điều khiển thường gặp nhất.Trở lại ví dụ lái xe đã trình bày ở trên ta thấy đối tượng điều khiển chính là chiếc xe, thiết bị đo lường là đồng hồ đo tốc độ và đôi mắt của người lái xe, bộ điều khiển là bộ não người lái xe, cơ cấu chấp hành là tay người lái xe Tín hiệu vào r(t) là tốc độ xe mong muốn (40km/h), tín hiệu ra c(t) là tốc độ xe hiện tại của xe, tín hiệu hồi tiếp
Trang 2cht(t) là vị trí kim trên đồng hồ đo tốc độ, sai số e(t) là sai lệch giữa tốc độ mong muốn
và tốc độ hiện tại, tín hiệu điều khiển u(t) là góc quay của tay ga
Một ví dụ khác như hệ thống điều khiển mực chất lỏng ở hình 1.2 dù rất đơn giản nhưng cũng có đầy đủ ba thành phần cơ bản kể trên Thiết bị đo lường chính là cái phao, vị trí của phao cho biết mực chất lỏng trong bồn Bộ điều khiển chính là cánh tayđòn mở van tùy theo vị trí hiện tại của phao, sai lệch càng lớn thì góc mở van càng lớn.Đối tượng điều khiển là bồn chứa, tín hiệu ra c(t) là mực chất lỏng trong bồn, tín hiệu vào r(t) là mực chất lỏng mong muốn Muốn thay đổi mực chất lỏng mong muốn ta thay đổi độ dài của đoạn nối từ phao đến cánh tay đòn
Hệ thống điều khiển mực chất lỏng
Câu 3: Trình bày công dụng, cấu tạo và của từng loại điôt.
3.1 - Diode Zener
* Cấu tạo :
Diode Zener có cấu tạo tương tự Diode thường nhưng có hai lớp bán dẫn P
- N ghép với nhau, Diode Zener được ứng dụng trong chế độ phân cực
ngược, khi phân cực thuận Diode zener như diode thường nhưng khi phân
cực ngược Diode zener sẽ gim lại một mức điện áp cố định bằng giá trị
ghi trên diode
Ký hiệu và ứng dụng của Diode zener trong mạch.
Sơ đồ trên minh hoạ ứng dụng của Dz, nguồn U1 là nguồn có điện áp thay đổi, Dz là diode ổn
áp, R1 là trở hạn dòng
Ta thấy rằng khi nguồn U1 > Dz thì áp trên Dz luôn luôn cố định cho dù nguồn U1 thay đổi.Khi nguồn U1 thay đổi thì dòng ngược qua Dz thay đổi, dòng ngược qua Dz có giá trị giới hạn khoảng 30mA
Thông thường người ta sử dụng nguồn U1 > 1,5 => 2
lần Dz và lắp trở hạn dòng R1 sao cho dòng ngược lớn nhất qua Dz
< 30mA
Trang 3Nếu U1 < Dz thì khi U1 thay đổi áp trên Dz cũng thay đổi Nếu U1> Dz thì khi U1 thay đổi => áp trên Dz không đổi.
3.2 - Diode Thu quang ( Photo Diode )
Diode thu quang hoạt động ở chế độ phân cực nghịch, vỏ diode có một miếng
thuỷ tinh để ánh sáng chiếu vào mối P - N , dòng điện ngược qua diode
tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng chiếu vào diode
Ký hiệu của Photo Diode
3.3 - Diode Phát quang ( Light Emiting Diode : LED )
Diodephát phang là Diode phát ra ánh sáng khi được phân cực thuận, điện áp
làm việc của LED khoảng 1,7 => 2,2V dòng qua Led khoảng từ 5mA đến
20mALed được sử dụng để làm đèn báo nguồn, đèn nháy trang trí, báo trạng thái có điện vv
3.4 - Diode Varicap ( Diode biến dung )
Diode biến dung là Diode có điện dung như tụ điện, và điện dung biến đổi khi ta thay đổi điện
áp ngược đặt vào Diode
Ứn dụng của Diode biến dung Varicap ( VD )
Trang 4Diode biến dung được sử dụng trong các bộ kênh Ti vi mầu, trong các mạch điều chỉnh tần số cộng hưởng bằng điện áp.
3.5 - Diode xung
Trong các bộ nguồn xung thì ở đầu ra của biến áp xung , ta phải dùng Diode xung để chỉnh lưu diode xung là diode làm việc ở tần số cao khoảng vài chục KHz , diode nắn điện thông thường không thể thay thế vào vị trí diode xung được, nhưng ngựơc lại diode xung có thể thaythế cho vị trí diode thường, diode xung có giá thành cao hơn diode thường nhiều lần Về đặc điểm , hình dáng thì Diode xung không có gì khác biệt với Diode thường, tuy nhiên Diode xung thường có vòng dánh dấu đứt nét hoặc đánh dấu bằng hai vòng
Ký hiệu của Diode xung
Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối
tiếp giáp P-N , nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận , nếu
ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược về phương diện cấu tạo
Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau
Cấu tạo Transistor
Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực , lớp giữa gọi
là cực gốc ký hiệu là B ( Base ), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ
tạp chất thấp
Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát (
Emitter ) viết tắt là E, và cực thu hay cực góp ( Collector )
Trang 5viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P )
nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho
nhau được
* Xét hoạt động của Transistor NPN
Mạch khảo sát về nguyên tắc hoạt
động của transistor NPN
Ta cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó (+) nguồn vào cực C và (-) nguồn vào cực E
Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào hai cực B
và E , trong đó cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E
Khi công tắc mở , ta thấy rằng, mặc dù hai cực C và E
đã được cấp điện nhưng vẫn không có dòng điện chạy qua mối C E ( lúc
này dòng IC = 0 )
Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điện chạy từ (+) nguồn UBE qua công tắc => qua R hạn dòng => qua mối BE về cực (-) tạo thành dòng IB
Ngay khi dòng IB xuất hiện => lập tức cũng có dòng IC chạy qua mối CE làm bóng đèn phát sáng, và dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB
Như vậy rõ ràng dòng IC hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB và phụ thuộc
theo một công thức
IC = β.IB
Trong đó IC là dòng chạy qua mối CE
IB là dòng chạy qua mối BE
β là hệ số khuyếch đại của Transistor
Trang 6Giải thích : Khi có điện áp UCE nhưng các điện tử và lỗ trống không thể vượt qua
mối tiếp giáp P-N để tạo thành dòng điện, khi xuất hiện dòng IBE
do lớp bán dẫn P tại cực B rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp, vì vậy số
điện tử tự do từ lớp bán dẫn N ( cực E ) vượt qua tiếp giáp sang lớp
bán dẫn P( cực B ) lớn hơn số lượng lỗ trống rất nhiều, một phần nhỏ
trong số các điện tử đó thế vào lỗ trống tạo thành dòng IB còn phần lớn số điện tử bị hút về phía cực C dưới tác dụng của điện áp UCE => tạo thành dòng ICE chạy qua Transistor
* Xét hoạt động của Transistor PNP
Sự hoạt động của Transistor PNP hoàn toàn tương tự Transistor NPN nhưng cực tính của các nguồn điện UCE và UBE ngược lại Dòng IC đi từ E sang C còn dòng IB đi từ
E sang B
Câu 5: Trình bày công dụng, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt
độ nước làm mát.
Dùng để xác định nhiệt độ động cơ, có cấu tạo là một điện trở nhiệt
a) Nguyên lý hoạt động: Điện trở nhiệt là một phần tử cảm nhận thay đổi điện trở theo nhiệt độ Nó được làm bằng vật liệu bán dẫn nên có hệ số nhiệt điện trở âm Khi nhiệt
độ tăng điện trở giảm và ngược lại, khi nhiệt độ giảm thì điện trở tăng Các loại cảm biến nhiệt độ hoạt động cùng nguyên lý nhưng mức hoạt động và sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ có khác nhau Sự thay đổi giá trị điện trở sẽ làm thay đổi giá trị điện áp được gửi đến ECU động cơ trên nền tảng cầu phân áp
Mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Điện áp 5V qua điện trở chuẩn (điện trở này có giá trị không đổi theo nhiệt độ) đến cảm biến rồi trở về ECU về mass Như vậy điện trở chuẩn và nhiệt điện trở trong cảm biến tạo thành một cầu phân áp.Điện áp điểm giữa cầu được đưa đến bộ chuyển đổi tínhiệu tương tự - số (bộ chuyển đổi ADC – Analog to Digital converter)
Khi nhiệt độ động cơ thấp, giá trị điện trở cảm biến cao và điện áp gửi đến bộ biến đổi ADC lớn Tín hiệu điện áp được chuyển đổi thành một dãy xung vuông và được giải
mã nhờ bộ vi xử lý để thông báo cho ECU động cơ biết động cơ đang lạnh Khi động
cơ nóng, giá trị điện trở cảm biến giảm kéo theo điện áp đặt giảm, báo cho ECU động
cơ biết là động cơ đang nóng
b) Cấu tạo:
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát có cấu tạo dạng trụ rỗng có ren ngoài, bên trong có lắp một điện trở bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm
Trang 7Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Mạch điện cảm biến nước làm mát
Đường đặc tính tuyến của cảm biến nhiệt độ nước
Câu 6: Trình bày công dụng, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến vị trí bướm ga.
Cảm biến vị trí bướm ga được lắp trên cổ họng gió Cảm biến này biến đổi góc mở bướm ga thành điện áp, được truyền đến ECU động cơ như tín hiệu mở bướm ga (VTA)
Ngoài ra, một số thiết bị truyền một tín hiệu IDL riêng biệt Các bộ phận khác xác định
nó lúc tại thời điểm chạy không tải khi điện áp VTA này ở dưới giá trị chuẩn.Hiện nay, có 2 loại, loại tuyến tính và loại có phần tử Hall được sử dụng Ngoài ra, đầu ra 2
hệ thống được sử dụng để tăng độ tin cậy
1 Loại tiếp điểm
Loại cảm biến vị trí bướm ga này dùng tiếp điểm không tải (IDL) và tiếp điểm trợ tải
Trang 8(PSW) để phát hiện xem động cơ đang chạy không tải hoặc đang chạy dưới tải trọng lớn
Khi bướm ga được đóng hoàn toàn, tiếp điểm IDL đóng ON và tiếp điểm PSW ngắt
Như trình bày trong hình minh họa, cảm biến này gồm có 2 con trượt và một điện trở,
và các tiếp điểm cho các tín hiệu IDL và VTA được cung cấp ở các đầu của mỗi tiếp
điểm
Khi tiếp điểm này trượt dọc theo điện trở đồng thời với góc mở bướm ga, điện áp này
Trang 9được đặt vào cực VTA theo tỷ lệ thuận với góc mở của bướm ga.
Khi bướm ga được đóng lại hoàn toàn, tiếp điểm của tín hiệu IDL được nối với các cực IDL và E2
+ Các cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính hiện nay có các kiểu không có tiếp điểm IDL hoặc các kiểu có tiếp điểm IDL nhưng nó không được nối với ECU động cơ Các kiểu này dùng tín hiệu VTA để thực hiện việc điều khiển đã nhớ và phát hiện trạng thái chạy không tải
+ Một số kiểu sử dụng tín hiệu ra hai hệ thống (VTA1, VTA2) để tăng độ tin cậy
Câu 7: Trình bày công dụng, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu cánh gạt.
Trang 10Khi không khí đi qua cảm biến lưu lượng khí nạp này từ bộ lọc khí, nó đẩy tấm đo mở
ra cho đến khi lực tác động vào tấm đo cân bằng với lò xo phản hồi Chiết áp, được nốiđồng trục với tấm đo này, sẽ biến đổi thể tích không khí nạp thành một tín hiệu điện áp(tín hiệu VS) được truyền đến ECU động cơ
Câu 8: Trình bày công dụng, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất khí quyển.
Câu 9: Trình bày công dụng, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến tốc độ kiểu từ trở.
Cấu tạo:
Nguyên lý hoạt động của cảm biến tốc độ kiểu từ trở:
Cảm biến này được lắp trong hộp số, hoặc hộp số phụ, và được dẫn động bằng bánh răng chủ động của trục thứ cấp Như được thể hiện trong hình minh họa, cảm biến này được gắn vào và gồm có một HIC (Mạch tích hợp lai) có một MRE và các vòng từ tính
Trang 11Điện trở MRE sẽ thay đổi theo chiều của lực từ đặt vào MRE Khi chiều của lực
từ thay đổi theo vòng quay của nam châm gắn vào vòng từ tính này, đầu ra của MRE sẽ có một dạng sóng AC như thể hiện ở hình minh họa Bộ so trong cảm biến này biến đổi dạng sóng AC này thành tín hiệu số và truyền nó đi Tần số của dạng sóng này được xác định bằng số cực của các nam châm gắn vào vòng
từ tính Có 2 loại vòng từ tính, loại 20 cực và loại 4 cực, tuỳ theo kiểu xe Loại
20 cực sinh ra một dạng sóng 20 chu kỳ (nói khác đi, 20 xung trong mỗi vòng quay của vòng từ tính này), và loại 4 cực sinh ra dạng sóng 4 chu kỳ Trong một
số kiểu xe, tín hiệu từ cảm biến tốc độ đi đồng hồ táp lô trước khi đến ECU động cơ, và trong các kiểu xe khác, tín hiệu từ cảm biến tốc độ này đến thẳng ECU của động cơ Các mạch ra của cảm biến tốc độ gồm có loại điện áp ra và loại biến trở
Câu 10: Trình bày công dụng, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến oxy.
Đối với chức năng làm sạch khí xả tối đa của động cơ có TWC (bộ trung hoà khí
xả 3 thành phần) phải duy trì tỷ lệ không khí-nhiên liệu trong một giới hạn hẹp xoay quanh tỷ lệ không khí-nhiên liệu lý thuyết.
Cảm biến oxy phát hiện xem nồng độ ôxy trong khí xả là giàu hơn hoặc nghèo hơn tỷ
lệ không khí - nhiên liệu lý thuyết Cảm biến này chủ yếu được lắp trong đường ống
Trang 12xả, nhưng vị trí lắp và số lượng khác nhau tuỳ theo kiểu động cơ.
Cảm biến oxy có một phần tử làm bằng ziconi ôxit (ZrO2), đây là một loại gốm.Bên
trong và bên ngoài của phần tử này được bọc bằng một lớp platin mỏng Không khíchung quanh được dẫn vào bên trong của cảm biến này, và phía ngoài của cảm biến lộ
ra phía khí thải Ở nhiệt độ cao (400°C [752°F] hay cao hơn), phần tử zirconi tạo ramột điện áp như là do sự chênh lệch lớn giữa các nồng độ của ôxy ở phía trong và phía
ngoài của phần tử zirconi này
Ngoài ra, platin tác động như một chất xúc tác để gây ra phản ứng hóa học giữa oxy vàcácbon monoxit (CO) trong khí xả.Vì vậy, điều này sẽ làm giảm lượng oxy và tăng
Trang 13tính nhạy cảm của cảm biến.
Khi hỗn hợp không khí - nhiên liệu nghèo, phải có oxy trong khí xả sao cho chỉ có mộtchênh lệch nhỏ về nồng độ của oxy giữa bên trong và bên ngoài của phần tử zirconi
Do đó, phần tử zirconi sẽ chỉ tạo ra một điện áp thấp (gần 0V) Ngược lại, khi hỗn hợp không khí - nhiên liệu giàu, hầu như không có oxy trong khí xả.Vì vậy, có sự khác biệtlớn về nồng độ oxy giữa bên trong và bên ngoài của cảm biến này để phần từ zirconi tạo ra một điện áp tương đối lớn (xấp xỉ 1 V) Căn cứ vào tín hiệu OX do cảm biến nàytruyền đến, ECU động cơ sẽ tăng hoặc giảm lượng phun nhiên liệu để duy trì tỷ lệ không khí - nhiên liệu trung bình ở tỷ lệ không khí - nhiên liệu lý thuyết.Một số cảm biến oxy zirconi có các bộ sấy để sấy nóng phần từ zirconi.Bộ sấy này cũng được ECUđộng cơ điều khiển.Khi lượng không khí nạp thấp (nói khác đi, khi nhiệt độ khí xả thấp), dòng điện được truyền đến bộ sấy để làm nóng cảm biến này
Câu 11: Trình bày công dụng, vẽ sơ đồ và nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển đánh lửa sớm điện tử (ESA).
- Công dụng : Hệ thống ESA là một hệ thống dùng ECU động cơ để xác
định thời điểm đánh lửa dựa vào các tín hiệu từ các cảm biến khác nhau
Số tín hiệu vào càng nhiều thì việc xác định góc đánh lửa sớm tối ưu càng chính xác
- Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển đánh lửa sớm điện tử (ESA):
ECU động cơ xác định thời điểm đánh lửa dựa vào tín hiệu góc quay trụckhuỷu (G), tín hiệu tốc độ động cơ (NE) và các tín hiệu từ các cảm biến khác
Khi đã xác định được thời điểm đánh lửa, ECU động cơ gửi tín hiệu IGTđến IC đánh lửa
Trong khi tín hiệu IGT được chuyển đến để bật IC đánh lửa, dòng điện
sơ cấp chạy vào cuộn dây đánh lửa này Trong khi tín hiệu IGT tắt đi, dòng điện sơ cấp và từ thông giảm đột ngột Trên cuộn thứ cấp của bô bin sẽ sinh ra một hiệu điện thế vào khoảng từ 15KV à 40KV Đồng thời, tín hiệu IGF được gửi đến ECU động cơ
Hình 4 : Sơ đồ mạch điện mô tả hoạt động của ESA
