THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP RA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN CỦA HÃNG TOYOTA INNOVA 2009

Trên ô tô thì hệ thống cung cấp điện đóng vai trò rất quan trọng nó cũng cấp toàn bộ hệ thống điện, phụ tải trên xe và cũng là một phần không thể thiếu trong kết cấu của ô tô. Trong thời gian học tập em được trang bị kiến thức chuyên ngành, để đánh giá quá trình học tập và rèn luyện. Em được bộ môn Công nghệ ô tô giao cho đồ án môn học với nội dung: “ THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP RA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN CỦA HÃNG TOYOTA INNOVA 2009 ”

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hưng Yên, Ngày tháng năm 2015

Ký tên

MỤC LỤC

CHƯƠN

I TỔNG QUAN HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN 4

1.1 Giới thiệu sơ bộ 4

1.1.1 Nhiệm vụ 4

1.1.2 Công dụng, yêu cầu hệ thống 4

1.1.3 Phân loại 4

1.1.4 Những thông số cơ bản hệ thống cung cấp điện 6

1.2 Các bộ phận của hệ thống cung cấp 9

1.2.1 Máy phát điện 9

1.2.2 Bộ chỉnh lưu 11

1.2.3 Bộ tiết chế IC 13

CHƯƠNG II: SƠ LƯỢC VỀ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ TRONG MẠCH 19

2.1 Tính toán lựa chọn linh kiện 19

2.1.1 Các linh kiện sử dụng trong mạch 19

2.1.2 Nguyên lý một số linh kiện chính 19

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNGMẠCH 29

3.1 Cơ sở lý thuyết về điều chỉnh điện áp máy phát trên ôtô 29

3.2 Thiết kế sơ đồ mạch 30

3.2.1 Sơ đồ khối của mạch 30

3.2.2 Sơ đồ nguyên lý từng khối 31

3.2.3 Sơ đồ mô phỏng Protues 33

3.2.4 Sơ đồ mạch in 34

3.2.5 Mô phỏng 3D 35

3.3 Lưu đồ thuật toán chương trình chính 35

3.4 Chương trình vi điều khiển AT89S52 37

3.5 Một số hình ảnh thực tế 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những thập niên gần đây công nghiệp hoá hiện đại hoá ngày càng phát triểnmạnh mẽ Kỹ thuật điện tử đã có những bước phát triển mạnh đặc biệt là trong kỹ thuậtđiều khiển tự động, kỹ thuật vi điều khiển

Ở nước ta hiện nay, việc lập trình ghép nối máy tính sử dụng vi điều khiển đã và đang làcông cụ được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực tự động hoá Nó phát triển nhanh chóng,

đã mang lại những thay đổi to lớn trong công nghệ cũng như trong đời sống hàng ngày.Trong lĩnh vực công nghệ ô tô cũng vậy, các phương pháp điều khiển điện tử cũng được

áp dụng hầu hết trên các hệ thống Nhằm cải tiến, hoàn thiện và nâng cao để đáp ứng mụctiêu chủ yếu là tăng năng suất, vận tốc, tăng tính kinh tế, nhiên liệu, tăng tiện nghi sửdụng cho hành khách

Trên ô tô thì hệ thống cung cấp điện đóng vai trò rất quan trọng nó cũng cấp toàn bộ hệthống điện, phụ tải trên xe và cũng là một phần không thể thiếu trong kết cấu của ô tô.Trong thời gian học tập em được trang bị kiến thức chuyên ngành, để đánh giá quá trìnhhọc tập và rèn luyện Em được bộ môn Công nghệ ô tô giao cho đồ án môn học với nộidung:

“ THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP RA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN CỦA HÃNG TOYOTA INNOVA 2009 ”

Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, cùng với những lời đóng góp ý kiếnchân thành từ các Thầy giáo cùng các bạn sinh viên, đặc biệt được sự hướng dẫn nhiệt

tình của thầy Phạm Văn Hải em đã hoàn thành được đồ án với thời gian quy định Tuy

nhiên, để có được sản phẩm có tính ổn định cao, đảm bảo về chất lượng là tương đối khókhăn Vì thời gian để hoàn thành đồ án này cũng có hạn, và tầm hiểu biết của em vẫn cònhạn chế… nên đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót, những khuyết điểm không mongmuốn.Em rất mong có được những ý kiến đóng góp quý báu, chân thành của quý thầy côcùng các bạn sinh viên để đề tài này được hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN

1.1 Giới thiệu sơ bộ

1.1.1 Nhiệm vụ.

Hệ thống cung cấp điện trên xe là một hệ thống rất quan trọng, nó ảnh hưởng rất lớnđến quá trình làm việc của xe Để cho xe có thể hoạt động ổn định và tiết kiệm đượcnhiên liệu thì hệ thống cung cấp điện phải tốt Tuy nhiên hệ thống cung cấp điện là không

cố định, nó thay đổi theo từng chế độ hoạt động của các phụ tải trên xe Tuy nhiên cùngvới sự phát triển của khoa học kỹ thuật để giúp người lái, người ngồi trên xe thỏa mái và

dễ chịu các nhà thiết kế xe đã thiết kế them các phụ tải, nên cần có một hệ thống cung cấpđiện có thể đáp ứng được điều đó

1.1.2 Công dụng, yêu cầu hệ thống.

a, Công dụng

Cung cấp điện áp một chiều ổn định ( 12V-14V ) cho tất cả hệ thống điện trên xe ô

tô trong mọi chế độ làm việc

b, Yêu cầu

Phải luôn tạo ra một điện áp ổn định (13,8V – 14,2V đối với hệ thống điện 14V)

trong mọi chế độ làm việc của phụ tải

- Máy phát phải có cấu trúc và kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhỏ, giá thành thấp vàtuổi thọ cao

- Có độ bền cao trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm lớn, có thể làm việc ở những vùng cónhiều bụi bẩn, dầu nhớt và độ rung động lớn

- Ít chăm sóc và bảo dưỡng

1.1.3 Phân loại.

Hệ thống cung cấp điện trên ô tô thường có hai dạng sơ đồ thông dụng như sau:

- Hệ thống cung cấp với máy phát điện một chiều ( hình 1.1)

1_Máy phát; 2_Bộ ắc qui; 3_Đồng hồ ampe; 4_ Bộ điều chỉnh điện.

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống cung cấp với máy phát một chiều.

- Hệ thống cung cấp với máy phát điện xoay chiều

1_Máy phát; 2_Bộ điều chỉnh điện; 3_Công tắt; 4_Đồng hồ ampe; 5_Phụ tải.

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống cung cấp với máy phát xoay chiều.

Hai sơ đồ tuy có cách nối dây khác nhau nhưng đều bao gồm hai nguồn năng lượng là ắcquy và máy phát mắc song song Tuỳ thuộc vào giá trị phụ tải và chế độ làm việc của ô tômáy kéo, mà ắc quy, máy phát sẽ riêng biệt hoặc đồng thời cả hai cung cấp năng lượngcho các bộ phận tiêu thụ (phụ tải)

Ngoài ra, trong hệ thống cung cấp còn có:

- Bộ điều chỉnh điện (BĐCĐ) làm nhiệm vụ: phân phối chế độ làm việc giữa ắc quy vàmáy phát; hạn chế và ổn định thế hiệu của máy phát để đảm bảo an toàn cho các trangthiết bị điện trên xe; hạn chế dòng điện của máy phát để đảm bảo an toàn cho các cuộndây của nó.

- Dụng cụ đo, kiểm tra: có thể là ampe kế hoặc đèn tín hiệu cho phép kiểm tra sự làm việccủa ắc quy thông qua gía trị dòng phóng hoặc nạp của nó

- Công tắc cắt mát: dùng để cắt cực âm của ắc quy với mát khi ô tô máy kéo không làmviệc

1.1.4 Những thông số cơ bản hệ thống cung cấp điện.

 Điện áp định mức: Phải bảo đảm U đm = 14V đối với những xe sử dụng hệ thống điện 12V, U đm = 28V đối với những xe sử dụng hệ thống điện 24V.

 Công suất máy phát: Phải đảm bảo cung cấp điện cho tất cả các tải điện trên xe hoạt

động Thông thường, công suất của các máy phát trên ôtô hiện nay vào khoảng P mf = 700 – 1500W.

 Dòng điện cực đại: Là dòng điện lớn nhất mà máy phát có thể cung cấp

Thông thường I max = 70 – 140A.

 Tốc độ cực tiểu và tốc độ cực đại của máy phát: nmax, nmin phụ thuộc vào tốc độ củađộng cơ đốt trong

n   n iTrong đó:

i: tỉ số truyền ( i = 1,5 - 2)

Hiện nay trên xe đời mới sử dụng máy phát cao tốc nên tỉ số truyeµn i cao hơn

n i : tốc độ cầm chừng của động cơ

 Nhiệt độ cực đại của máy phát t o

max:Là nhiệt độ tối đa mà máy phát có thể hoạt động

 Điện áp hiệu chỉnh: Là điện áp làm việc của bộ tiết chế U hc = 13,8 – 14,2V (với hệ thống 12V), và U hc = 27 – 28V (với hệ thống 28V).

Sơ đồ hệ thống cung cấp điện trên ôtô

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống cung cấp điện tổng quát.

Ph t i liên t cụ tải liên tục ải liên tục ụ tải liên tục

T i ho t đ ng gián đo n ải liên tục ạt động gián đoạn ộng gián đoạn ạt động gián đoạn trong th i gian dàiời gian dài

T i ho t đ ng gián đo n ải liên tục ạt động gián đoạn ộng gián đoạn ạt động gián đoạn trong th i gian ngắnời gian dài

Radio12W

Đèn trầ,n 5W Motor g t nạt động gián đoạn ước c

60WĐèn kích

thước c 4x12W Motor điê,u

khi n kínhển kính

4 x 30W

Kh i đ ng đi n ởi động điện ộng gián đoạn ệ thống đánh 1000WĐèn đ uậu

4 x 55W

Xống kính120W

Mố,i thuốc85WĐèn pha

2 x 45W

Motor điê,u khi n antẽnển kính65W

Đèn soi bi n ển kính

số 2 x 3W

Motor phun

nước ửa 25Wc r a kính 45W

1.2 Các bộ phận của hệ thống cung cấp.

1.2.1 Máy phát điện.

Công dụng.

Máy phát là nguồn điện chính trên ô tô máy kéo, nó có nhiệm vụ:

- Cung cấp điện cho tất cả các phụ tải;

- Nạp điện cho ắc quy ở các số vòng quay trung bình và lớn của động cơ.

Phân loại.

Máy phát trên ô tô máy kéo, theo tính chất dòng điện phát ra có thể chia làm hai loại

chính:

Máy phát điện một chiều

Máy phát điện xoay chiều

- Máy phát điện một chiều, theo tính chất điều chỉnh chia ra:

+ Loại điều chỉnh trong (bằng chổi điện thứ ba)

+ Loại điều chỉnh ngoài (bằng bộ điều chỉnh điện kèm theo)

Các máy phát điện một chiều loại điều chỉnh trong có kết cấu đơn giản, có khả nănghạn chế và tự động điều chỉnh dòng điện máy phát theo số vòng quay Tuy vậy nó cónhiều nhược điểm như:

 Phải luôn luôn nối mạch điện với ắc quy chúng mới làm việc được

 Cản trở việc điều chỉnh thế hiệu của máy phát

 Làm giảm tuổi thọ của ắc quy

Do đó loại máy phát này hiện nay ít thấy Vì vậy giáo trình chỉ đề cập đến loại máy phátđiều chỉnh ngoài

- Máy phát điện xoay chiều, theo phương pháp kích thích chia ra:

+ Loại kích thích bằng nam châm vĩnh cửu

+ Loại kích thích kiểu điện từ (bằng nam châm điện)

So với máy phát một chiều thì máy phát xoay chiều có nhiều ưu điểm hơn, vì nó không có vòng đổi điện và cuộn dây rô to đơn giản hơn.

Hình 1.5:Cấu tạo máy phát điện xoay chiều kích thích kiều điện từ

 Stator (phần ứng).

Hình 1.6: Cấu tạo Stator.

+ Rôto: gồm hai chùm cực hình móng (2- hình 2.13 hay 1 và 4- hình 2.13) lắp then trên

trục Giữa các chùm cực có cuộn dây kích thích 3 đặt trên trục qua ống lót bằng thép Cácđầu của cuộn dây kích thích được nối với các vòng tiếp điện 9 gắn trên trục máy phát.Trục của rôto được đặt trên các ổ bi lắp trong các nắp 6 và 7 bằng hợp kim nhôm

Hình 1.7: Cấu tạo Rôto.

1,2_Các nữa rô to trái và phải; 3_Cuộn kích từ; 4_Các má cực; 5_Đầu ra cuộn kích thích; 6_Then; 7_Đai ốc và vòng đệm; 8_Trục lắp các vòng tiếp điểm; 9_Các vòng tiếp

chiều hoặc máy điện đồng bộ Bộ chỉnh lưu còn dùng để chuyển đổi điện xoay chiềuthành dạng một chiều để truyền tải đi xa.

Hình 1.10: Bộ chỉnh lưu 14 diod.

1 Accu; 2 Cuộn kích (G); 3 Cuộn dây stator; 4 Diode chỉnh lưu (+);

5 Diode chỉnh lưu (-); 6 Diode trio; 7 Các diode công suất; 8 Diode chỉnh lưu dòng

trung hòa; 9 Tụ điện; 10 Đầu cuối của cuộn dây máy phát (W).

Hoạt động của bộ chỉnh lưu: Trên hình 2.38 là sơ đồ của máy phát chỉnh lưu 3 pha có bộ

nắn dòng mắc theo sơ đồ nắn dòng 2 nửa chu kỳ, 3 pha Các cuộn dây stator được đấudạng sao Với kiểu mắc này thì quan hệ giữa điện áp và cường độ dòng điện trên dây vàtrên pha là:

U n = 3 UΦvà I n = IΦ

Ta giả thiết rằng tải của máy phát là điện trở thuần

Điện áp tức thời trên các pha A, B, C là:

Hình 1.11: Sơ đồ chỉnh lưu máy phát 3 pha và điện áp sau khi chỉnh lưu

1.2.3 Bộ tiết chế IC

Chức năng

Điều chỉnh điện áp ra của máy phát sao cho phù hợp với mọi chế độ của động cơ.

Hình 1.12: Điều khiển đầu ra bằng bộ điều áp IC.

Hoạt động bình thường.

Hình 1.13: Chế độ hoạt động bình thường khi động cơ tắt.

(1) Khi bật khoá điện lên vị trí ON, động cơ tắt máy điện áp ắc qui được đặt vào cực

IG Kết quả là mạch M.IC bị kích hoạt và Tranzisto Tr1 được mở ra làm cho dòng kích từchạy trong cuộn dây rôto ở trạng thái này dòng điện chưa được tạo ra do vậy bộ điều áplàm giảm sự phóng điện của ắc qui đến mức có thể bằng cách đóng ngắt Tranzisto Tr1ngắt quãng ở thời điểm này điện áp ở cực P = 0 và mạch M.IC sẽ xác định trạng thái này

và truyền tín hiệu tới Tranzisto Tr2 để bật đèn báo nạp

(2) Khi máy phát đang phát điện (điện áp thấp hơn điện áp điều chỉnh) :

Động cơ khởi động và tốc độ máy phát tăng lên, mạch M.IC mở Tranzisto Tr1 để chodòng kích từ đi qua và do đó điện áp ngay lập tức được tạo ra ở thời điểm này nếu điện

áp ở cực B lớn hơn điện áp ắc qui, thì dòng điện sẽ đi vào ắc qui để nạp và cung cấp chocác thiết bị điện Kết quả là điện áp ở cực P tăng lên Do đó mạch M.IC xác định trạngthái phát điện đã được thực hiện và truyền tín hiệu đóng Tranzisto Tr2 để tắt đèn báo nạp

Hình 1.14: Chế độ hoạt động bình thường khi động cơ mở máy.

(3) Khi máy phát đang phát điện (điện áp cao hơn điện áp điều chỉnh) :

Nếu Tranzisto Tr1 tiếp tục mở, điện áp ở cực B tăng lên Sau đó điện áp ở cực S vượt quá điện ápđiều chỉnh, mạch M.IC xác định tình trạng này và đóng Tranzisto Tr1 Kết quả là dòng kích từ ởcuộn dây rôto giảm dần thông qua điốt Đ1 hấp thụ điện từ ngược và điện áp ở cực B (điện ápđược tạo ra) giảm xuống Sau đó nếu điện áp ở cực S giảm xuống tới giá trị điều chỉnh thì mạchM.IC sẽ xác định tình trạng này và mở Tranzisto Tr1 Do đó dòng kích từ của cuộn dây rôto tănglên và điện áp ở cực B cũng tăng lên Bộ điều áp IC giữ cho điện áp ở cực S (điện áp ở cực ắcqui) ổn định (điện áp điều chỉnh) bằng cách lặp đi lặp lại các quá trình trên

Hình 1.15: Khi máy phát đang phát điện (điện áp cao hơn điện áp điều chỉnh).

Hoạt động không bình thường :

(1) Khi cuộn dây Rôto bị đứt:

Hình 1.16: Hoạt động không bình thường khi cuộn dây Rôto bị đứt.

Khi máy phát quay, nếu cuộn dây Rôto bị đứt thì máy phát không sản xuất ra điện và điện áp ở cực P = 0

Khi mạch M.IC xác định được tình trạng này nó mở Tranzisto Tr2 để bật đèn báo nạp chobiết hiện tượng không bình thường này

(2) Khi cuộn dây Rôto bị chập (ngắn mạch):

Khi máy phát quay nếu cuộn dây rôto bị chập điện áp ở cực B được đặt trực tiếp vàocực F và dòng điện trong mạch sẽ rất lớn Khi mạch M.IC xác định được tình trạng này nó

sẽ đóng Tranzisto Tr1 để bảo vệ và đồng thời mở Tranzisto Tr2 để bật đèn báo nạp đểcảnh báo về tình trạng không bình thường này.

Hình 1.17: Hoạt động không bình thường khi cuộn dây Rôto bị ngắn mạch.

(3) Khi cực S bị ngắt :Khi máy phát quay, nếu cực S ở tình trạng bị hở mạch thì mạch

M.IC sẽ xác định khi không có tín hiệu đầu vào từ cực S do đó mở Tranzisto Tr2 để bậtđèn báo nạp Đồng thời trong mạch M.IC, cực B sẽ làm việc thay thế cho cực S để điềuchỉnh Tranzisto Tr1 do đó điện áp ở cực B được điều chỉnh (xấp xỉ 14 V) để ngăn chặn sựtăng điện áp không bình thường ở cực B

Hình 1.18: Hoạt động không bình thường khi cực S bị ngắt.

(4) Khi cực B bị ngắt: Khi máy phát quay, nếu cực B ở tình trạng bị hở mạch, thì ắc qui

sẽ không được nạp và điện áp ắc qui (điện áp ở cực S) sẽ giảm dần Khi điện áp ở cực Sgiảm, bộ điều áp IC làm tăng dòng kích từ để tăng dòng điện tạo ra Kết quả là điện áp ở

Khi điện áp ở cực S thấp (11 tới 13 V) mạch M.IC sẽ điều chỉnh để ắc qui không đượcnạp Sau đó nó mở tranzito Tr2 để bật đèn báo nạp và điều chỉnh dòng kích từ để sao chođiện áp ở cực B giảm đồng thời bảo vệ máy phát và bộ điều áp IC.

Hình 1.19: Hoạt động không bình thường khi cực B bị ngắt.

(5) Khi có sự ngắn mạch giữa cực F và cực E:

Khi máy phát quay, nếu có sự ngắn mạch giữa cực F và cực E thì điện áp ở cực B sẽ đượcnối thông với mát từ cực E qua cuộn dây rôto mà không qua cực tranzisto Tr1 Kết quả là[điện áp ra của máy phát trở lên rất lớn vì dòng kích từ không được điều khiển bởitranzistoTr1 thậm trí điện áp ở cực S sẽ vượt điện áp điều chỉnh Nếu mạch M.IC xác địnhđược cực này nó sẽ mở tranzisto Tr2 để bật đèn báo nạp để chỉ ra sự không bình thườngnày

Hình 1.20: Hoạt động không bình thường khi có sự ngắn mạch giữa cực F và cực E.

CHƯƠNG II: SƠ LƯỢC VỀ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ TRONG MẠCH

2.1 Tính toán lựa chọn linh kiện

2.1.1 Các linh kiện sử dụng trong mạch.

 Sử dụng vi điều khiển họ 8051 là phần điều khiển chính

 Hiển thị bằng LCD

ngoài ra còn có 1 số linh kiện phụ như biến trở vi chỉnh,transistor thuận a564,điệntrở 10k,1k, tụ hóa 10u,tụ gốm 33p,104, thạch anh

2.1.2 Nguyên lý một số linh kiện chính.

2.1.3 Giới thiệu tổng quan về họ Vi điều khiển 8051

a, Cấu tạo

Hình 2.1: Hình ảnh IC AT89C52

 CPU( CPU centralprocessing unit) bao gồm:

 Thanh ghi tích lũy A

 Thanh ghi tích lũy phụ B

 Đơn vị logic học (ALU)

 Thanh ghi từ trạng thái chương trình

 Bốn băng thanh ghi

 Con trỏ ngăn xếp

 Bộ nhớ chương trình( ROM) gồm 8Kbyte Flash

 Bộ lập trình( ghi chương trình lên Flash ROM) cho phép người sử dụng có thể nạpcác chương trình cho chíp mà không cần các bộ nạp chuyên dụng.

 Bộ chia tần số với hệ số chia là 12

 4 cổng xuất nhập với 32 chân

b, chức năng các chân của AT89C52

 Chân /PSEN : là chân điều khiển đọc chương trình ở bộ nhớ ngoài

 Chân ALE

 ALE là tín hiệu điều khiển chốt địa chỉ có tần số bằng 1/6 tần số dao động của viđiều khiển Tín hiệu ALE được dùng để cho phép vi mạch chốt bên ngoài như7473

 Chân /EA

 Tín hiệu /EA cho phép chọn bộ nhớ chương trình là bộ nhớ trong hay ngoài EA=1thì thực hiện chương trình trong RAM nội EA=0 thực hiện ở RAM ngoài

RST( reset)

 Ngõ vào reset trên chân số 9 khi RST=1 thì bộ vi điều khiển sẽ được khởi động lạithiết lập ban đầu.

+ điện trở băng U1: có tác dụng làm điện trở kéo lên nguồn

+ chân 18-19 được nối // với thạch anh 12Mhz mạch có nhiệm vụ tạo dao động cho viđiều khiển

+ từ chân P2.0=>P2.2 lần lượt được nối với Vee, RS, RW của LCD Có nhiệm vụ điềukhiển hoạt động của LCD

+ chân P2.3=>P2.5 : 3 chân này được nối với lần lượt 3 chân của ADC : chân RD (Read), chân WR (Write) và chân Ngắt INTR (Interupt) Nhiệm vụ điều khiển hoạt động của

bộ chuyển đổi số - tương tự

2.1.4 Bộ chuyển đổi tương tự-số: ADC 0804: