Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm bộ điều khiển đèn pha tích cực

Nhờ sự tác động của hệ thống điều khiển điện tử mà hệ thống đèn pha tích cực ngày càng phát triển hơn, đáp ứng nhanh hơn và chùm tia chiếu sáng năng động hơn với các chế độ làm việc củ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lâp – Tự do – Hạnh phúc

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS

TS Hồ hữu Hải Đề tài được thực hiện tại Bộ môn ô tô và xe chuyên dụng, Viện

Cơ khí động lực, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Học Viên

Lê Ngọc Viện

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐÈN PHA TRÊN XE ÔTÔ 5

1.1 KHÁI QUÁT 5

1.2 CÁC LOẠI BÓNG ĐÈN ĐIỆN ĐÃ ĐƯỢC SỬ DỤNG TRÊN Ô TÔ 7

1.2.1 Bóng đèn sợi đốt 7

1.2.2 Bóng đèn Halogen được sử dụng phổ biến trên ô tô vào thời kỳ (1960 – 1990) 9

1.2.3 Bóng đèn Xenon 10

1.2.4 Bóng đèn LED 18

1.3 HỆ THỐNG ĐÈN PHA TÍCH CỰC (AFS) 21

1.3.1 Hệ thống đèn liếc tĩnh 22

1.3.2 Hệ thống đèn liếc động 23

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÈN PHA TÍCH CỰC (AFS) .34

2.1 ĐỘNG CƠ BƯỚC 34

2.1.1 Phân loại động cơ bước 34

2.1.1.2 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu 35

2.1.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ bước 36

2.1.3 Ưu nhược điểm của động cơ bước 37

2.1.4 Điều khiển động cơ bước 38

2.1.5 Pha, cực và góc bước 38

2.1.6 Công suất, đặc tính điện từ và mô-men 39

2.1.7 Các chế độ điều khiển bước 39

2.2 HIỆU ỨNG HALL 41

2.3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 43

2.3.1 Yêu cầu làm việc của mạch điện điều khiển 43

2.3.2 Xây dựng sơ đồ nguyên lý của mạch điện 44

2.3.3 Xây dựng mạch mô phỏng trên máy tính 48

2.3.4 Xây dựng thuật toán điều khiển 49

2.3.5 Viết chương trình điều khiển 51

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐÈN PHA TÍCH CỰC (AFS) 58

3.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH 58

3.2 CHẾ TẠO MÔ HÌNH 62

3.3 MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 68

3.4 NHẬN XÉT 75

KẾT LUẬN CHUNG 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

LỜI NÓI ĐẦU

Hệ thống đèn pha tích cực đã và đang giữ vai trò quan trọng trong việc đảm bảo

an toàn chuyển động của ô tô vào ban đêm Ô tô ngày nay có mật độ chuyển động

trung bình trên đường cao hơn nhiều so với trước đây, do có hệ thống chiếu sáng

tốt cho người lái xe có được tầm nhìn thoải mái hơn Vì vậy trên các xe ô tô hạng

sang được trang bị hệ thống đèn pha tích cực nhằm cải thiện tầm nhìn cho người lái

xe khi xe chạy vào ban đêm hoặc thời tiết sấu

Hệ thống đèn pha tích cực hiện nay đã được áp dụng rộng rãi trên nhiều hãng ô tô

trên thế giới Nhờ sự tác động của hệ thống điều khiển điện tử mà hệ thống đèn pha

tích cực ngày càng phát triển hơn, đáp ứng nhanh hơn và chùm tia chiếu sáng năng

động hơn với các chế độ làm việc của chùm tia chiếu sáng

Luận vân tiến hành nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm kiểm chứng trên

mô hình và thực hiện các chế độ:

- Nghiên cứu tổng quan về đèn pha;

- Xây dựng thuật toán điều khiển đèn pha tích cực;

- Mô phỏng đánh giá hệ thống đèn pha tích cực;

Trong thời gian làm luận văn, tác giả đã có nhiều cố gắng tích cực và chủ động

học hỏi, vận dụng các kiến thức đã được học và tìm hiểu các kiến thức mới Dưới sự

hướng dẫn trực tiếp của PGS TS Hồ Hữu Hải và các thầy trong Bộ môn ô tô và xe

chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, đề tài đã

hoàn thành các mục tiêu và nhiệm vụ đặt ra

Tuy nhiên vì điều kiện có hạn, lại nghiên cứu đa ngành nên bản luận văn không

thể tránh khỏi những sai sót Rất mong các Thầy đóng góp ý kiến để bản luận văn

được hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày 27 tháng 03 năm 2012

Tác giả

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐÈN PHA TRÊN XE ÔTÔ

1.1 KHÁI QUÁT

- Đèn pha ôtô thường được lắp phía trước xe ôtô nói chung, mục đích chiếu sáng con đường phía trước trong suốt thời gian mà tầm nhìn của người lái xe bị giới hạn bởi không gian như, trời tối, trời mưa Nếu đèn pha mà không đáp ứng được tầm nhìn của người lái xe thi tai nạn giao thông có thể xẩy ra bất kỳ lúc nào Nhưng nếu đèn pha ôtô quá sáng sẽ làm chói mắt phương tiện hoặc người đi ngược chiều điều này cũng gây nên tai nạn giao thông

- Mọi người đều thấy được tầm quan trọng của chiếu sáng trên xe ôtô khi di chuyển trong bóng tối Sự ra đời của đèn đồng thời với xe ôtô, đèn pha đã trãi qua 120 năm lịch sử từ những chiếc đèn khổng lồ cổ lỗ cho tới Bi-Xenon hay LED ngày nay

- Theo thông tin từ một tờ báo của công ty ôtô NISSAN đưa tin, khoảng 70% của xe tai nạn trên đường bộ xảy ra vào ban đêm cho người đi bộ do ảnh hưởng tầm nhìn của người lái xe do đèn pha không đáp ứng được tầm nhìn

- Khi xem xét hệ thống tầm nhìn ban đêm điều quan trọng cần ghi nhớ những gì họ

có thể làm và không thể làm Hệ thống tầm nhìn cung cấp giới hạn của lĩnh vực nhìn, nó luôn luôn thích hợp hơn cho việc sử dụng chùm tia chiếu sáng cao mà tầm nhìn thì bình thường Chỉ có trong một số nơi các chùm sáng cao không được sử dụng vào ban đêm, một hệ thống tầm nhìn ban đêm có thể hỗ trợ người lái trong việc kiểm soát tình hình các khả năng nguy hiểm Một nghiên cứu mở rộng về các khía cạnh của hệ thống tầm nhìn ban đêm đã được thực hiện bởi Viện nghiên cứu Đại học Michigan giao thông vận tải

- Tháng 9 năm 2005, DaimlerChrysler đã giới thiệu một hệ thống hoạt động tầm nhìn ban đêm và đặt tên nó là hỗ trợ tầm nhìn ban đêm Khi chùm tia ánh sáng cao không được sử dụng vào ban đêm, hệ thống này cung cấp cho người lái xe nhìn thấy

xa hơn với chùm tia ánh sáng tốt Vì vậy, người đi bộ, người đi xe đạp và những trở ngại có thể nhìn thấy sớm hơn Ngoài ra, người lái xe sẽ có một tầm nhìn tốt hơn về quãng đường phía trước

Hộ trợ tầm nhìn ban đêm bao gồm các thành phần sau:

+ Người lái xe kích hoạt hệ thống bằng cách quay núm công tắc ánh sáng

Hình 1.1 Công tắc hỗ trợ tầm nhìn ban đêm

+ Hai chùm tia đặc biệt ở đèn pha chiếu sáng con đường phí trước là tia hồng ngoại không thể thấy được Khi hệ thống tầm nhìn ban đêm được kích hoạt, nó tự động khi xe ở tốc độ trên 15 km/giờ, và vẫn hoạt động khi phanh tốc độ xe xuống còn 10 km/giờ

+ Một camera hồng ngoại nhạy cảm đặt bên trong kính chắn gió, nó ghi lại cảnh phía trước của chiếc xe Một bảng điều khiển khuyếch tán ánh sáng bảo vệ máy ảnh chống lại sự phản xạ ánh sáng không liên quan

+ Một thiết bị điện tử xử lý hình ảnh từ máy ảnh và chuyền vào màn hình trắng, đen trước tầm nhìn người lái xe

Hổ trợ tầm nhìn ban đêm tương tự như chức năng chùm tia xa, nhưng mà không làm chói mắt xe chạy ngược chiều Ngay cả khi đèn pha của xe chạy ngược chiều sáng mờ và bị khuất tầm nhìn Tầm nhìn tốt hơn với hệ thống này hỗ trợ một hình người thử nghiệm trong ánh sáng đang đứng ở cạnh đường phía sau là chiếc xe đang tới, và đã được phát hiện từ khoảng cách trung bình là 140 m với sự trợ giúp của hệ thống tầm nhìn ban đêm, với chùm tia chiếu gần phát hiện sớm hơn khoảng

53 m so với chùm tia chiếu gần bình thường

Hình 1.2 Hình này không có hệ thống hỗ trợ tầm nhìn ban đêm

Hình 1.3 Hình này có hệ thống hỗ trợ tầm nhìn ban đêm

1.2 CÁC LOẠI BÓNG ĐÈN ĐIỆN ĐÃ ĐƯỢC SỬ DỤNG TRÊN Ô TÔ

1.2.1 Bóng đèn sợi đốt

Hình 1.4 Bóng đèn sợi đốt

Với sự phát triển của bóng đèn sợi đốt và sự ra đời các loại máy phát điện gọn nhẹ được lắp đặt trên xe ôtô thì vào năm 1910 các loại bóng đèn sợi đốt được sử dụng

để chiếu sáng trên xe ôtô

Năm 1913, công ty điện Bosch, Đức, đã tiếp cận hợp lý đối với vấn đề này và đưa

ra sản phẩm ‘Bosch Light’ Đây là hệ thống tích hợp đèn pha, máy phát điện một chiều và bộ điều chỉnh để tránh gây phiền phức cho khách hàng nếu mua các phần

tử rời rạc Tuy nhiên, vẫn xuất hiện những tranh cãi xung quanh đèn pha sử dụng điện hiện đại và các đèn pha thế hệ cũ sử dụng gas Một giải pháp mới là kết hợp đèn pha chạy bằng nhiên liệu với đèn pha điện Các loại đèn pha này cùng tồn tại cho đến sau chiến tranh thế giới lần thứ nhất Năm 1920, điện chiếm ưu thế không chỉ trong đèn pha mà còn trong cả công nghệ chế tạo xe hơi

Cấu tạo bóng đèn dây tóc gồm vỏ bóng đèn làm bằng thủy tinh, bên trong có chứa dây điện trở volfram Dây volfram khi được đặt vào một mức điện áp nhất định và được nung nóng lên đến nhiệt độ 23000C sẽ sinh ra luồng ánh sáng trắng Ở nhiệt độ thấp hơn ánh sáng sinh ra sẽ yếu hơn, và ngược lại nhưng nếu cung cấp điện áp đặt vào hai đầu dây volfram lớn quá mức, nhiệt độ điện trở volfram quá lớn làm cho dây volfram bốc hơi nhanh gây nên hiện tượng đen bóng đèn và đốt cháy dây tóc làm dây tóc bị đứt Trong bóng đèn người ta hút hết không khí ra để ở môi trường chân không hạn chế hiện tượng oxy hóa dây điện trở volfram làm dây volfram dễ đốt cháy

Để dây tóc bóng đén có thể phát sáng ở nhiệt độ cao, có thể đặt vào bóng đèn một điện áp cao hơn, người ta bơm vào bóng đèn khí Argon với áp suất thấp Với cách này cường độ chiếu sáng của bóng đèn sẽ tăng thêm được khoảng 40%

Đèn pha ôtô sử dụng loại sợi đốt do có tuổi thọ thấp, cường độ ánh sáng thấp hơn

so với các loại đèn khác cùng công suất, tiêu tốn nhiều điện năng nên bây giờ trên các xe ôtô người ta ít sử dụng

- Đèn chiếu gần (low - beam) ra đời cũng trong thời kỳ này:

Lái xe trong đêm vẫn bị ảnh hưởng bởi vấn đề rất cũ là gây chói mắt của những chiếc xe đi ngược chiều Các kỹ sư đã cố gắng rất nhiều năm giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng thiết bị chống lóa mắt và tìm ra phương pháp lắp đặt đèn pha Hai đèn chiếu riêng biệt với hai chùm ánh sáng mang lại hiệu quả cao hơn, đó đèn chiếu xa và chiếu gần

- Bóng đèn bilux – giải pháp tất cả trong một:

Năm 1924, chuyên gia về đèn Osram đưa ra giải pháp kỹ thuật mới nhằm giảm chói mắt cho xe đi ngược chiều là dùng bóng đèn có hai sợi đốt, kết hợp cả chùm tia

chiếu gần và xa trên cùng một gương phản xạ Thay vì phải dùng 2 nguồn sáng với

hai chóa đèn riêng biệt cho 2 chế độ chiếu xa và chiếu gần

- Đèn chiếu gần không đối xứng - sáng hơn về phía bên phải:

Năm 1957, đèn chiếu gần không đối xứng xuất hiện Loại đèn này có cường độ

sáng cao hơn phía bên tay phải, nơi hay có người đi bộ và xe đạp mà lái xe thường rất khó phát hiện trong đêm Và được chính quyền đức chính thức công nhận việc

sử dụng đèn chiếu gần không đối xứng trên ô tô

1.2.2 Bóng đèn Halogen được sử dụng phổ biến trên ô tô vào thời kỳ (1960 – 1990)

mẽ và cho nguồn ánh sáng tốt hơn

Công nghệ đèn pha Halogen đã làm cho sợi đốt Vonfram sản xuất ra ánh sáng hiệu quả hơn đèn sợi đốt bình thường, các bóng đèn Halogen đầu tiên được sử dụng trên

xe ôtô là H1, đã được giới thiệu vào năm 1962 bởi một tập đoàn bóng đèn của Châu

Âu và các nhà sản xuất đèn pha Bóng đèn này có một sợi đốt tiêu thụ điện năng H1 (55 watt - 12 volt tạo ra 1550 lumen (lm)) H2 (55 watt - 12 vôn tạo ra 1820 lumen),

H3 (55 watt - 12 vôn tạo ra 1450 lumen)

Đèn pha ôtô sử dụng loại bóng đèn Halogen, hầu hết trên các đèn pha ôtô hiện nay đang được sử dụng đèn Halogen vì nó có một số ưu điểm, tuổi thọ của bóng đèn Halogen cao hơn bóng đèn sợi đốt, một bóng đèn Halogen vào khoảng 1.000 giờ chiếu sáng, giá thành thấp, có kích thước khác nhau, hiệu suất chiếu sáng cao Tuy nhiên đèn halogen cũng có một số nhược điểm, lãng phí năng lượng do phải dùng điện năng để đốt nóng sợi dây tóc lên đến khoảng 2.5000C và khi bóng đèn hỏng gây ô nhiễm cho môi trường vì trong bóng đèn có chứa chất khí halogen

và bắt đầu thay thế các bong đèn sợi đốt HID là viết tắt của cụm từ xả khí cường độ cao, đó là một thuật ngữ đề cập đến hồ quang điện tạo ra ánh sáng Các đèn thường được biết như là đèn xả khí, và tạo ra nhiều ánh sáng hơn trong cùng một mức tiêu thụ năng lương so với bong đèn Vonfram bình thường và Vonfram - Halogen Bởi

vì, tăng lượng ánh sáng có trong bong HID so với bóng đèn Halogen thì đèn HID sản sinh ra một hình chùm nhỏ rọt hơn đèn Halogen, và đèn pha Xenon sản sinh ra

một chùm tia mạnh mẽ hơn

Trên ôtô đèn HID thường được gọi ‘đèn pha Xenon’, mặc dù chúng có chứa chất

Halogen, và chất khí Xenon Ánh sáng từ đèn pha Xenon lộ ra một màu xanh nhạt

khác biệt khi so sánh với đèn dây tóc Volfram

Bóng đèn HID không chạy trên dòng điện một chiều điện áp thấp, vì vậy bóng đèn HID cần có một bộ chấn lưu đánh lửa nằm ở bên ngoài Ignitor được tích hợp vào các bóng đèn D1 và hệ thống D3, hoặc là một phần của chấn lưu trong hệ thống D2

và D4 Chấn lưu điều khiển dòng điện đến bóng đèn, sự đánh lửa và quá trình hoạt

động của chấn lưu trong ba giai đọan

- Đánh lửa; một xung điện áp cao được sử dụng để sản sinh ra một tia lửa điện, để ion hóa khí xenon, tạo ra đường dẫn xuyên qua hai cực Vonfram Làm giảm điện trở giữa khe hở, và làm dòng điện chạy giữa hai cực

- Giai đoạn ban đầu; bóng đèn được kiểm soát bằng tình trạng quá tải Bởi vì hồ quang hoạt động ở công suất cao, nhiệt độ tăng lên nhanh chóng, các kim lọai muối bay hơi, hồ quang được tăng cường, và làm cho quang phổ đầy đủ hơn, điện trở giữa hai cực cũng giảm xuống, chấn lưu điện tử kiểm soát vòng lặp và tự động chuyển sang hoạt động liên tục

- Hoạt động liên tục; tất cả các kim loại muối trong giai đoạn hơi, hồ quang đã hình thành ổn định, và hiệu quả phát sáng đã đạt đến giá trị của nó, bây giờ chấn lưu cung cấp nguồn điện ổn định vì vậy hồ quang sẽ không nhấp nháy Điện áp hoạt động ổn định là 85 volt AC cho D1 và hệ thống D2, 42 volt AC cho hệ thống D3 và D4 Tần số của dòng điện xoay chiều dạng sóng vuông thường 400Hz hoặc cao hơn

- Bóng đèn HID sản xuất ra 2800 và 3500 lumen chỉ tiêu tốn 35 và 38 watt điện, trong khi bóng đèn Halogen sản xuất ra 700 và 2100 lumen lại tiêu tốn điện nhiều hơn vào khoảng 40 và 72 watt ở 12,8 vôn

- Các bóng đèn HID có ghi các ký hiệu D1S, D1R, D2S, D2R,D3S, D3R, D4S, và D4R Trong đó;

Chữ D trong các ký hiệu là (discharge – sự phóng điện), chữ S là (shield – tấm chắn), và chữ R là (reflector - gương phản xạ) Các hồ quang trong bóng đèn HID tạo ra đáng kể sóng ánh sáng cực tím, nhưng không có một tia cực tím nào thoát ra khỏi bóng đèn, một lá chắn hấp thụ tia cực tím bao quanh ống hồ quang của bóng

đèn Điều này rất quan trọng để ngăn chặn sự suy thoái của các thành phần nhạy cảm với tia cực tím, và vật liệu trong đèn pha, chữ ‘S’trong bóng D1S, D2S, D3S,

và D4S có một tấm chắn bằng thủy tinh đơn giản, và chủ yếu được sử dụng trong máy chiếu quang học Chữ ‘R’ trong bóng D1R, D2R, D3R, và D4R được thiết kế

để sử dụng trong quang học kiểu đèn pha phản xạ Chúng có một mặt nạ mờ đục bao gồm các phần cụ thể của lá chắn, các mép tạo điều kiện cho việc tạo ra quang học của ranh giới ánh sáng/tối gần đầu của chùm ánh sáng thấp, bóng đèn HID dùng trên ôtô làm phát ra ánh sáng tia cực tím đáng kể mặc dù có lá chắn

- D2S: là loại bóng dùng cho các chóa đèn có màng chắn lóa và có thấu kính giúp gom ánh sáng để không làm chói xe lưu thông ngược chiều

Hình 1.7 Cấu tạo chóa đèn và bóng đèn D2S

- D2R Là loại bóng có sẵn màng chắn dùng cho các chóa đèn chỉ có mặt phản xạ

Có một lớp màu đen, để ngăn ánh sáng trực tiếp làm chói mắt xe đi ngược chiều

Hình 1.8 Cấu tạo chóa và bóng đèn D2R

- D1S Là loại bóng dùng cho các chóa đèn có màng chắn lóa và có thấu kinh giúp gom được nhiều ánh sáng hơn (được tích hợp bộ khởi động)

Hình 1.9 Cấu tạo bóng đèn D1S

- D1R là loại bóng có sẵn màng chắn dùng cho các chóa đèn chỉ có mặt phản xạ

Có một lớp màu đen, để ngăn ánh sáng trực tiếp làm chói mắt xe đi ngược chiều (được tích hợp bộ khởi động)

- Các đèn pha HID cung cấp nguồn sáng lớn hơn đáng kể, và lượng ánh sáng nhiều hơn so với bóng đèn Halogen vào khỏang 3000 lumen và 90 mcd/m2 so với 1400 lumen và 30 mcd/m2 Nếu nguồn ánh sáng của bóng đèn HID được sử dụng trong

đèn pha quang học, thì ánh sáng được sử dụng nhiều hơn Do đó, đèn pha HID đóng góp vào việc lái xe an toàn Nhưng do ánh sáng của đèn HID quá cao cũng làm tăng nguy cơ gây tai nạn cho xe đi ngược chiều

- Bóng đèn HID cung cấp hiệu quả cao hơn (tạo ra nhiều ánh sáng hơn và tiêu tốn ít năng lượng hơn) so với bóng đèn halogen Cường độ cao nhất của bóng đèn halogen là H9 và HIR1 mà chỉ sản sinh ra 2100 đến 2530 lumen và tiêu tốn hết 70 watt điện ở 12 volt, một bóng HID loại D2S sản sinh ra 3200 lumen trong quá trình hoạt động tiêu tốn mất 42 watt điện giảm tiêu thụ điện năng nghĩa là tiêu thụ ít nhiên liệu

+ Đèn pha projector nó được biết từ đầu thế kỷ 19 và lần đầu tiên được sử dụng

trong máy chiếu phim

Lần đầu tiên được trang bị trên xe ôtô là vào cuối năm 1960, là đèn tín hiệu, đến năm 1980 lần đầu tiên được áp dụng cho đèn pha ôtô, Hella và Cibie phát triển đèn pha projector chùm tia gần như trong cùng một thời gian, và chiếc xe đầu tiên được

trang bị là chiếc xe của hãng BMW

Với sự giới thiệu của bóng đèn Xenon bắt đầu vào năm 1990, đèn projector trở

thành hệ thống quang học chủ yếu được sử dụng cho đèn pha Xenon ở Châu Âu Kể

từ đó đèn pha projector đã kết hợp với nhiều chức năng

- Đèn pha projector phát ra 2 luồng ánh sáng gần và xa bằng cách điều chỉnh thấu kính

- Đường cong ánh sáng năng động với cả Halogen hoặc Xenon

- Kiểu mới với sự phân phối ánh sáng khác nhau chẳng hạn như trên đường cao tốc

có ánh sáng khác với thời tiết xấu

- Đèn pha projector gồm có 4 phần chính: nguồn ánh sáng, gương phản xạ gần hình elip, một lá chắn, và một thấu kính hội tụ

Gương phản xạ là hình elip trong khung và vì thế hiển thị 2 tiêu điểm

Nguồn ánh sáng đặt trong vùng lân cận của điểm tiêu cự gương phải xạ Nguồn Ánh sáng hội tụ bởi gương phản xạ và một lần nữa tập trung gần tiêu điểm gương phản

xạ thứ 2 nơi được đặt tấm chắn Chùm ánh sáng rọi vào mặt phẳng của lá chắn một

phần dưới của chùm tia bị chặn lại bởi lá chắn, trong khi phần trên hướng vào thấu kính Mặt phẳng tiêu cự của thấu kính nằm trong mặt phẳng của lá chắn Hình ảnh của lá chắn trong lúc ấy chiếu xuống đường tạo ra ranh giới sáng tối rõ dệt trong tức thời, hình ảnh đó giống như hình học của lá chắn, hình ảnh lá chắn thì đảo ngược (đảo lộn, trái sang phải), đó là lý do tại sao ánh sáng từ nửa trên của tấm chắn soi sáng con đường trong khi ánh sáng hấp thụ bởi tấm chắn không làm chói mắt xe đi ngược chiều bằng cách di chuyển lá chắn ra khỏi đường đi của chùm tia sáng, toàn

bộ chùm ánh sáng đến thấu kính và áng sáng từ nửa mặt phẳng thấp chiếu sáng không gian trên đường cắt Bằng cách này một chùm tia chính có thể được tạo ra

Hình 1.11 Sự bố trí quang học của đèn pha projector

- Gương phản xạ xác định cường độ và phân phối đầu ra của chùm tia Đối với một điểm nguồn sáng tại tiêu điểm phân phối chiếu sáng trên mặt phẳng tiêu điểm thấu kính chiếu xuống đường sao cho điểm trên mặt phẳng tiêu cự đối xứng nhau, đây là

lý do tại sao cường độ của ánh sáng từ thấu kính theo hướng phụ thuộc vào sự chiếu sáng của điểm tương ứng trong mặt phẳng tiêu cự

Hình 1.12 Vai trò của phản xạ cho sự phân bố chiếu ánh sáng

Hình 1.13 Nguyên tắc phản xạ

Để có thể phân bố ánh sáng đúng, gương phản xạ thường không thể là một elip đơn giản Các nhà thiết kế quang học cần gương phản xạ từ sự phân bố ánh sáng lên mặt phẳng tiêu cự của thấu kính Các nhà toán học ứng dụng hoặc các bề mặt tự do có thể sử dụng Ví dụ gương phản xạ có thể là bề mặt vỏ từ tập hợp riêng biệt bề mặt elip, với sự tập trung đầu tiên trong nguồn ánh sáng và sự tập trung thứ 2 di chuyển dọc theo mặt phẳng tiêu cự của thấu kính

- Chùm ánh sáng mạnh mẽ phân chia sau khi đi qua lá chắn với góc của hình nón ánh sáng vào khoảng 45 độ Cường độ ánh sáng thì không đủ cho một đèn pha Thấu kính được sử dụng để thu hẹp các chùm tia đặc biệt là hướng theo chiều dọc

để mở theo hướng thẳng đứng của chùm tia gần khoảng 10-15 độ

Hình 1.14 Tính chất trực chuẩn của thấu kính phi cầu (hình phía trên), tính chất

trực chuẩn của thấu kính hình cầu (hình phía dưới)

So với hình ảnh quang học, thấu kính hội tụ dùng cho đèn pha xe ôtô có một góc

mở rất lớn, thường khoảng 40 độ Một thấu kính hình cầu bằng như vậy một góc mở

sẽ từ độ mở sai lệch quá mức (xem hình 1.14) Cũng là một thấu kính hình cầu sẽ không cung cấp đầy đủ kiểm soát của ánh sáng chói, một giải pháp thực tế là một thấu kính để mà sửa chữa cái sai đó, bản thân thấu kính có thể là bề mặt của sự biến đổi Một thấu kính như vậy tạo ra một vết hình ảnh thật của mép lá chắn ở trung tâm của chùm tia và một tiêu điểm cái mà uốn cong Vì lý do này lá chắn hình cong thì được dùng trong một số đèn pha (projector) Điều này cũng đặc biệt là nếu chùm tia

là rất rộng và thấu kính góc mở lớn Hầu hết các đèn pha (projector) cho chùm tia gần có thể được thiết kế bằng lá chắn phẳng

Thấu kính thường phẳng - lồi bề mặt phẳng định hướng lá chắn Thiết lập này cho hiệu qủa ánh sáng, cũng như thất thoát ánh sáng gây ra bởi sự phản xạ trên 2 bề mặt thấu kính là mức tối thiểu

Sử dụng một thấu kính với những đặc tính hình ảnh rất tốt giúp kiểm soát ánh sáng chói và tạo ra quá trình chuyển đổi ánh sáng - tối rất sắc nét Trong thực tế, trong trường hợp này các đường cắt có thể là quá sắc nét, nó đem lại cho người lái xe hình ảnh rễ chịu Cấu tạo khuyếch tán trên bề mặt thấu kính hoặc một sóng ánh sáng lan truyền giao động có thể làm giảm độ sắc nét của vết cắt Tình trạng kỹ thuật hiện nay là một thấu kính với sự cân bằng giữa giá trị ánh sáng chói và người lái xe thoải mái

Hình 1.15 Kết cấu thấu kính màu (hình phía trên) và nguyên tắc sửa chữa (hình

phía dưới)

Do kính phân tán vị trí của điểm tiêu cự cho áng sáng màu xanh gần thấu kính hơn

so với ánh sáng màu đỏ Chỉ số khúc xạ của thủy tinh thay đổi theo bước sóng để

chỉ số khúc xạ ánh sáng màu xanh thường cao hơn so với ánh sáng đỏ (xem hình 1.15) Hiệu ứng này được gọi tán sắc ánh sáng và có thể đo được bằng khoảng cách giữa mặt phẳng tiêu cự màu đỏ và màu xanh Nó có thể gây ra một đường viền màu đáng chú ý tại đường cắt của chùm tia, đặc biệt là khi đường cắt thì sắc nét Sự phân

ly của ánh sáng dọc theo đường cắt có thể bị chặn khi các điểm tiêu cự của phần

trên và phần dưới được bố trí theo hình1.15 ở phía dưới

1.2.4 Bóng đèn LED

- LED được viết tắt từ cụm từ trong tiếng anh (light emitting diode), LED bao gồm một chíp của vật liệu bán dẫn pha tạp với tạp chất khác để tạo ra một tiếp giáp P-N, giống như điốt khác Dòng điện chạy từ P(positive) đến N(negative), nhưng không theo chiều ngược lại Điện áp này gọi là điện áp phân cực thuận Nó tạo ra điện trường ngoài hướng từ P sang N Tức là ngược chiều điện trường chuyển tiếp và triệt tiêu điện trường chuyển tiếp làm cho các phần tử dẫn điện đa số là lỗ trống di chuyển từ P sang N còn điện tử di chuyển từ N sang P

Bước sóng của ánh sáng phát ra, và do đó màu sắc của nó phụ thuộc vào năng lượng khoảng cách của các thành phần hình thành các đường giao nhau P-N Các electron

và lỗ trống kết hợp lại bằng một quá trình chuyển đổi không phóng xạ, trong khi sản xuất không có khí thải quang học, bởi vì đây là vật liệu khoảng cách gián tiếp Các vật liệu được sử dụng cho LED có một khoảng cách trực tiếp với năng lượng tương ứng với ánh sáng cận hồng ngoại, có thể nhìn thấy hoặc gần như tia cực tím

Hình 1.16 Nguyên lý hoạt động của đèn LED

- Năm 1990 một công nghệ hoàn toàn mới xuất hiện ở phía sau của chiếc xe, đó là điốt phát sáng dùng cho các đèn phanh, trong một vài năm đèn LED đỏ được sử dụng cho đèn tín hiệu Trong khi đèn LED có các màu khác tồn tại, màu đỏ dường như nhanh hơn và cao hơn

- Với việc sử dụng các điốt phát ra ánh sáng trắng (LED) để chiếu sáng phía trước của ôtô, đó là do độ tin cậy cao, kích thước nhỏ, tiêu thụ điện năng thấp, và đèn LED sinh ra nhiệt thấp hơn là một sự lựa chọn tự nhiên cho hệ thống chiếu sáng ôtô Hiện nay, đèn LED đang được áp dụng cho hầu hết các đèn tín hiệu Hệ thống đèn LED chiếu sáng phía trước ôtô là sự phát triển tự nhiên trong nguồn ánh sáng và thiết kế quang học tiến bộ, Sự phát triển của công nghệ LED áng sáng màu trắng với cường độ sáng tăng lên cho mỗi thiết bị, đã dẫn đến nguồn chiếu sáng phía trước ôtô, và cũng được ứng dụng cho chức năng của hệ thống AFS Hệ thống đèn LED cung cấp cho con người, chẳng hạn như tăng hiệu suất thị giác ngoại vi, giảm ánh sáng chói, và tăng khả năng cho sự lựa chọn của con người

- Hình1.17a và 1.17b cho thấy hai mẫu xe với hệ thống đèn LED chiếu sáng phía trước Hình 1.17a cho thấy dòng ánh sáng cao hệ thống chiếu sáng LED dựa trên ý tưởng của chiếc xe Fioravanti Yak được giới thiệu tại triển lãm Geneva Motor Hệ thống này dựa trên mỗi cái pha phản chiếu quang học cho mỗi cái đèn LED và được ứng dụng cho đèn sương mù và đèn pha tích hợp với các chùm tia chiếu xa và các chùm tia chiếu gần (Hình 1.17b) cho thấy một hệ thống đèn LED chiếu sáng phía trước dựa trên ý tưởng của chiếc xe Mitsubishi SSU (super sports utility)

Hình 1.17a Hình 1.17b

- Hình 1.17a là hệ thống ánh sáng đèn LED phía trước trên chiếc xe Fioravanti Yak

- Hình 1.17b là một mảng đèn LED loại 5mm cho hệ thống chiếu sáng phía trước chiếc xe Mitsubishi

Với đèn LED phát ra ánh sáng màu trắng có kích thước là 5mm phát ra nguồn ánh sáng vào khoảng 1 lumen trong thực tế đèn Halogen chỉ phát ra ánh sáng vào khoảng 400 lumen ở trên đường, do đó đèn LED phải cần đến 700 cái điều này thi không thể thực hiện

Với đèn LED phát ra nguồn ánh sáng trắng cao có hình dạng nhỏ gọn và sản xuất chùm tia với một góc bằng một nửa bề rộng của 1000 đến 1600 Các đèn LED này phát ra nguồn ánh sáng vào khoảng 20 lumen đến 40 lumen Do đó, để sản xuất ra

1000 lumen thì phải cần từ 25 đến 50 cái đèn LED nhưng trên thực tế chỉ cần 400 lumen để chiếu sáng con đường phía trước của chiếc xe do đó chỉ cần từ 18 đến 35 cái đèn LED Mặc dù số đèn LED có giảm, nhưng do sản lượng ánh sáng ngày càng tăng cho mỗi thiết bị do vậy điều này vẫn chưa thực hiện được

Với đèn LED phát ra nguồn ánh sáng cực cao trong cùng một hình dạng với các đèn LED khác Tuy nhiên các đèn LED này sản sinh ra 120 lumen, do đó để sản sinh ra 1000 lumen thì phải cần 8 cái đèn LED và để sản sinh ra 400 lumen thì phải cần 6 cái đèn LED Giải pháp này có khả thi về quan điểm ánh sáng và tiêu thụ năng lượng

Loại đèn LED Đầu ra ban

dòng ánh sáng cao 20 - 40 25 -50 18 - 35

dòng ánh sáng rất cao 120 8 6

Bảng tóm tắt của đèn LED phát ra ánh sáng trắng, cường độ và số lượng đèn LED cần thiết để sản xuất ra nguồn sáng cho hệ thống

Đối với các đèn LED phát ra nguồn ánh sáng cao và rất cao và hoạt động ở 350mA

và 700mA, tuổi thọ của đèn LED vào khoảng 10000 giờ

Nếu chỉ cần 6 đèn LED để sản xuất ra 400 lumen để chiếu sáng ở trên đường chỉ cần có kích thước vào khoảng 0,00075m2, đây là một không gian khá nhỏ có thể chấp nhận được

Loại đèn LED Mảnh khu vực để sản xuất ra 400 lm chiếu xuống

đường (m2)

5 mm 0,042

Dòng ánh sáng cao 0,012

Dòng ánh sáng rất cao 0,0008

Bảng tóm tắt để sản xuất ra 400 lumen ở trên đường

Đối với loại đèn LED dòng ánh sáng cao sử dụng dòng điện 350mA tiêu tốn 1w cho mỗi bóng đèn Đối với mảnh có 25 đến 50 cái đèn LED và chỉ tiêu tốn 25W đến 50W Đối với mảnh có 18 đến 35 cái đèn LED thì tiêu tốn hết 18w đến 35W Đối với loại đèn LED dòng ánh sáng cao sử dụng 700mA và tiêu tốn 5w cho mỗi bóng đèn, tương tự nếu sử dụng 8 đèn LED thì hết 40W, và 6 đèn LED cho hệ thống thì hết có 30W

Nguồn sáng công xuất cho mỗi

đèn (W)

công xuất để sản xuất ra 1000lm (W)

công xuất để sản xuất ra 400 lm chiếu sáng ở trên đường (W)

đường, tốc độ xe và trạng thái tăng tốc tất cả sẽ đưa vào phép tính của AFS (hệ thống đèn pha tích cực - advanced front lighting system) Có hai loại AFS, đó là hệ

thống đèn pha tích cực liếc tỉnh và hệ thống đèn pha liếc động

1.3.1 Hệ thống đèn liếc tĩnh

Hình 1.18 Hiệu quả chiếu sáng đối với hệ thống đèn liếc tĩnh

Hệ thống đèn liếc tĩnh, thực chất của nó là bố trí nguồn sáng phụ bên cạnh đèn cốt thông thường, nguồn sáng phụ này có nhiệm vụ chiếu sáng góc cua khi xe vào cua

mà vùng sáng của đèn chiếu gần không chiếu tới, như hình vẽ bên trên, vùng sáng

là vùng sáng phụ của đèn chiếu sáng góc cua được bố trí bên cạnh đèn cốt Được kích hoạt dựa vào ba yếu tố đó là góc đánh tay lái, tình trạng của đèn tiến hiệu, tốc

độ xe chạy

Hình1.19 Đèn chiếu sáng Hình 1.20 Đèn chiếu sáng góc cua

Góc cua tắt khi đi thẳng sẽ bật lên cùng với đèn xi nhan

Hình 1.21 Đèn chiếu sáng góc của Hình 1.22 Cả hai đèn chiếu sáng góc

Tự động bật lên khi vào của với cua sẽ bật lên khi gặp sương mù hay lùi xe tốc độ dưới 40 Km/giờ

1.3.2 Hệ thống đèn liếc động

Khác với hệ thống đèn liếc tĩnh, hệ thống đèn liếc động, để thay đổi vùng sáng người ta chỉ dùng một nguồn sáng, đèn liếc động có 2 loại, loại thay đổi vùng sáng bằng cách thay đổi vị trí gương phản xạ, và loại thay đổi vùng sáng bằng cách di chuyển cả chóa đèn, trên chóa đèn có gắn bóng đèn chiếu gần

Hình 1.23 Xoay đèn chiếu gần về hướng của

Hình 1.24 Đèn liếc động thay Hình 1.25 Đèn liếc động thay đổi vùng sáng bằng đổi vùng sáng bằng gương cách di chuyển cả chóa đèn

phản xạ

- Việc thay đổi vùng chiếu sáng của đèn chiếu gần được thực hiện dựa vào hai tín hiệu đó là góc xoay của vành lái và tốc độ xe

- Phạm vi góc xoay của đèn cốt

- Điều kiện hoạt đông

Đèn AFS thông minh Điều khiển tốc độ thấp Tốc độ trung bình - cao cụm đèn Trái Phải Trái Phải

Rẽ phải 00 cố định 00 - 100

(sang phải)

00 - 50 (sang phải)

00 - 100 (sang phải)

Rẽ trái 00 - 150

(sang trái)

00 (Cố định)

00 - 150 (sang trái)

00 - 7,50 (sang trái)

Điều khiển tốc độ thấp Tốc độ trung bình

- cao Tốc độ xe (chạy

tiến)

10 km/h (6mph) hay hơn 30 km/h (19 mph)

hay hơn Góc vô lăng 60 hay hơn 7,50 hay hơn

Đèn Bật đèn cốt

Công tắc AFS Công tắc AFS bật on

Sơ đồ hệ thống đèn pha tích cực (AFS)

- AFS phân phối ánh sáng khác nhau cho một số tình huống điểm hình Hình dưới đây cho thấy sự phân phối ánh sáng của AFS (advandced front lighting system) trong đó bao gồm: ánh sáng ngoại thị, ánh sáng đường cao tốc, chùm tia chiếu xa, sương mù nhẹ, thời tiết không tốt, ánh sáng nội thị, ánh sáng vào cua

Hình1.26 CL- Ánh sáng ngoại thị, ML- Ánh sáng đường cao tốc, HB - Chùm tia chính, FFL - Sương mù nhẹ, AWL - Thời tiết không tốt, TL - Ánh sáng nội thị, BL - Ánh sáng vào cua

Một đặc trương của sự phân phối ánh sáng nội thị là chùm tia sáng chiếu xuống đường rộng hơn, giảm khu vực xuống để ngăn chặn ánh sáng chói chiếu vào

phương tiện khác, và sự chiếu sáng tốt của khu vực phía trước của chiếc xe Khi lái

xe vào đường cong thích hợp cho mô hinh chùm tia chiếu gần tự động chiếu dọc theo con đường và được bổ xung một lượng áng sáng, để chiếu sáng tốt hơn con đường đang tới Đối với đường cao tốc ánh sáng đối xứng tăng lên tầm nhìn rõ ràng

là lớn hơn Tuy nhiên, đem tới ánh sáng chói cho giao thông Ngoài ra một ánh sáng cho thời tiết xấu cũng được kích hoạt, nên dẫn đến an toàn hơn, đặc biệt là trong

điều kiện trời mưa và đường trơn

Chú ý đây là một hệ thống chiếu sáng mới về phía trước, cái mà cung cấp một bước

tiến lớn trong công nghệ ôtô Nó mang lại lợi ích cho người lái xe và sẽ trợ giúp để

cải thiện an toàn trên đường vào ban đêm

AFS là thiết bị tự động chiếu sáng tích cực với các chùm tia gần và chùm tia xa trong một số điều kiện khác nhau Hệ thống bao gồm, một hệ thống điều khiển, các cảm biến để cung cấp tín hiệu đầu vào, và các bộ phận chấp hành được đặt ở bên

trái và bên phải của xe AFS giới thiệu các loại mới của sự phân phối ánh sáng

- Loại C (cơ bản) chùm tia gần

- Loại V (nội thị) chùm tia gần

- Loại E (đường cao tốc) chùm tia xa

- Loại W (đường ướt) chùm tia gần

Tất cả các chức năng có thể hoạt động trong các chế độ khác nhau, đặc biệt AFS quy định ở chế độ T (chế độ vào cua) mà nó được phân ra 2 loại:

- Công nghệ mới sẽ được sử dụng để cải tiến những hạn chế của hệ thống chiếu

sáng vào cua Ví dụ nhiều hơn một nguồn sáng có thể được sử dụng để tăng hiệu suất của chùm tia gần AFS có thể được trang bị trên xe không đối xứng, đó là đèn pha trên xe ôtô bên trái và bên phải có thể khác nhau Hơn nữa, sự xuất hiện của mỗi đèn có thể là quá khác nhau

- Hệ thống được trang bị giữa đèn pha và hệ thống tự động bù độ cao (không phân biệt nguồn ánh sáng được sử dụng)

Hình 1.27 Loại C (cơ bản) hình chiếu bằng của chùm tia gần (phía bên trái)

Loại C (cơ bản) hình chiếu đứng của chùm tia gần

- Loại C (cơ bản) chùm tia gần

Chùm tia gần cơ bản có thể được tạo ra một trong hai nguồn sáng Halogen hoặc Xenon và nó có thể được tạo ra nhiều hơn so với nguồn ánh sáng Hiệu suất chiếu

sáng là 100%

- Loại V (nội thị) chùm tia gần

Một thị trấn phía trước mô hình chùm tia chiếu sáng trở nên ngắn hơn và rộng hơn

để đáp ứng môi trường xung quanh, với điều kiện xe ở tốc độ thấp chùm tia chiếu sáng trong nội thị nên cao hơn 20cd và thấp hơn 100cd, chùm tia có một chiều ngang rộng tốt cho tầm nhìn phát hiện người đi bộ ven đường, vạch chỉ làn đường cho người đi bộ, đèn tín hiệu, và ngã tư Nó được kích hoạt ở tốc độ xe dưới 50 km/giờ hoặc độ sáng của mặt đường cao hơn 1cd/m2 Hiệu suất chiếu sáng được thiết lập đến 50%

Hình 1.28 Hình chiếu bằng của loại V (nội thị) chùm tia gần

Khu vực màu ánh sáng mùa vàng cho thấy phần mở rộng chùm tia sáng mỗi bên để chiếu sáng tốt cho phần đường đi bộ, đèn tín hiệu và ngã tư

- Loại E (đường cao tốc) chùm tia xa:

Khi tốc độ xe chạy với tốc độ lớn hơn 110 km/h, hoặc có đặc điểm tương tự với đường cao tốc, chùm tia xa cơ bản tự động di chuyển lên từ 0,250 đến 0,50,để mở rộng phạm vi của ánh sáng ở phía trước của chiếc xe Hiệu suất chiếu sáng được thiết lập lên đến 100% Chiều dài của chùm sáng ở đường cao tốc vào khoảng 120m đến 200m và 3 lumen đến 5 lumen trong chùm sáng

Hình 1.29 Hình chiếu bằng của lớp E (đường cao tốc) chùm tia xa ‘trái’; Hình chiếu đứng của loại E (đường cao tốc) chùm tia xa Khu vực ánh sáng màu vàng

cho thấy chùm tia tăng 0,25 0 cho phạm vị mở rộng

- Loại W (đường ướt) chùm tia gần:

Sau khi phát hiện trời mưa hoặc có nước trên đường hoặc nếu gạt nước kính chắn gió được bật, các lớp cơ bản là thay đổi Sự chiếu sáng của đường phía trước của chiếc xe giảm để ngăn chặn ánh sáng chói và tăng ánh sáng cho hai phía bên đường

Hiệu suất chiếu sáng được thiết lập lên đến 100%

Hình 1.30 Hình chiếu bằng của loại W (đường ướt) chùm tia gần

Khu vực ánh sáng màu vàng cho thấy ánh sáng tốt hơn vùng biên và giảm chiếu sáng phía trước của xe

- Chế độ uốn cong T (chế độ vào cua):

Một hệ thống chùm tia uốn cong là ánh sáng phía trước chiếc xe bằng cách tự động điều khiển chuyển hướng biến ánh sáng thẳng thành ánh sáng cong để soi sáng nơi

mà chiếc xe đang vào cua Các chùm tia uốn cong là nhằm cải thiện sự an toàn, thoải mái, và thuận tiện cho người lái xe bằng cách tăng tầm nhìn về phía trước Đối với hệ thống đèn không có chùm tia uốn cong nó trở nên khó khăn hơn để chiếu sáng mặt đường phía trước khi mà xe vào cua bán kính đường cong bị giảm Từ dữ liệu tai nạn của cục quản lý đường cao tốc liên bang (FHWA) chỉ ra rằng tỷ lệ tai nạn tăng lên đối với bán kính cong của đường giảm đi Von Hoffmann (2001) và Schwab (2003) đã phân tích dữ liệu tai nạn FHWA và thấy rằng bán kính cong nhỏ hơn 100 m có liên quan với tỷ lệ tai nạn cao

Hình 1.31 Hình chiếu bằng cho loại T (nội thị) Chùm tia gần

Đây là một ví dụ cho chế độ vào cua động, nơi mà tất cả chùm tia xoay về một bên

Trong chế độ vào cua tĩnh một nguồn ánh sáng được bật thêm trên các đèn pha, khi chiếc xe đang vào đường cong Nguồn ánh sáng bổ sung phải là phần không thể

tách rời của đèn pha

Hình 1.32 Hình chiếu bằng của loại T (nội thị) chùm tia gần

Đây lá một ví dụ về chế độ vào cua tĩnh Kích hoạt nguồn ánh sáng bổ sung (chế độ tĩnh) làm tăng sự chiếu sáng vùng bên (vùng ánh sáng màu vàng) và chiếu theo hướng của đường cong

- Những công trình nghiên cứu ở trong nước thì chưa thấy có tác giả nào

- Đèn pha hiện tại hoạt động bằng điện, vị trí lắp theo cặp, một hoặc hai trên mỗi chiếc xe Một hệ thống đèn pha là cần thiết để sản xuất ra chùm ánh sáng xa hoặc chùm ánh sáng gần, có thể đạt được bởi một cái đèn cho từng chức năng hoặc cái đèn đa chức năng Chùm tia phóng xa nhất của ánh sáng để tăng tối đa tầm nhìn, nhưng sản sinh ra quá nhiều ánh sáng chói khi có nhiều xe có mặt trên đường Bởi

vì không kiểm soát được những ánh sáng đặc biệt, chùm tia xa cũng gây lóa mắt từ sương mù, mưa, và tuyết do sự phản xạ của những giọt nước, chùm tia gần kiểm soát chặt chẽ hướng lên, để cung cấp tầm nhìn an toàn về phía trước mà không có ánh sáng chói quá mức gây ra lóa mắt cho xe đi ngược chiều, và được bộ giao thông vận tải Việt Nam quy định và theo quy định kỹ thuật Châu Âu ECE 112; ECE 113 Theo ‘quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về đặc tính quang học đèn chiếu sáng phía trước của phương tiện giao thông cơ giới đường bộ; QCVN 35: 2010/BGTVT;

- “Phục lục 1: Thử đặc tính quang học đèn chiếu sáng phía trước của xe có chùm sáng chiếu gần đối xứng”: “điều 2.1.1 Khi đo độ rọi của đèn phải sử dụng một màn

đo (nhìn 1) đặt phí trước cách đèn 25 m và vuông góc với đường thẳng nối sợi đốt

của đèn với điểm HV”: “Điều 2.2.2 Độ rọi trên màn đo của đèn của chùm sáng gần phải thỏa mãn các yêu cầu trong bảng 1 sau”:

Bảng 1 Yêu cầu độ rọi các điểm đo

STT Các điểm đo Độ rọi yêu cầu (lux)

1 Điểm bất kỳ trên và phía trên đường h-h ≤ 0,7

2 Điểm bất kỳ trên đường 50L - 50R, trừ

50V 25V

0 3

1125 1125

Điều 2.2.2 Độ rọi trên màn đo của chùm sáng chiếu gần phải thỏa mãn các yêu cầu trong bảng 1 sau:

Bảng 1: Yêu cầu độ rọi các điểm đo

STT Các điểm đo Độ rọi yêu cầu (lux)

6 Bất kỳ điểm nào trong vùng III ≤ 0,7

7 Bất kỳ điểm nào trong vùng VI ≥ 2

8 Bất kỳ điểm nào trong vùng I ≤ 20

Theo điều 2.3 Yêu cầu đối với chùm sáng chiếu xa, Điều 2.3.1.1 Giao điểm HV của hai đường h - h và v - v phải có độ rọi ít nhất bằng 90% độ rọi lớn nhất Giá trị độ rọi lớn nhất đó (Elớn nhất) không được nhỏ hơn 32 lux và không được lớn hơn 240 lux; Điều 2.3.1.1 Bắt đầu từ điểm HV theo phương nằm ngang sang phải và trái, độ rọi của chùm sáng chiếu xa không được nhỏ hơn 16 lux với khoảng cách tới 1125

mm và không nhỏ hơn 4 lux với khoảng cách tới 2250 mm

Theo điều 4 màn đo

Vïng III

Vïng IV Vïng I

Vïng II

25R 50R

75R B50L

H2 H1

500

750 1500

2250 3960

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM

BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÈN PHA TÍCH CỰC (AFS)

- sơ đồ khối của bộ điều khiển đèn pha thông minh

- Động cơ bước loại lưỡng cực Bipolar Dùng để dẫn động quay đèn pha

- Vi xử lý PIC 16F887

- Cảm biến vị trí góc đánh lái: Encoder tuyệt đối EP50S8

- Cảm biến định vị vị trí ban đầu của đèn: Cảm biến Hall A1302

- Khối nguồn có chức năng cấp nguồn điện +5V cho khối điều khiển

2.1 ĐỘNG CƠ BƯỚC

Động cơ bước tên tiếng Anh là Step Motor hoặc Stepper Motor, là động cơ điện một chiều không chổi than có khả năng chia chuyển động quay tròn của rô-to thông thường thành một lượng lớn các bước với góc quay nhỏ Độ phân giải của một động

cơ bước là số bước để rô-to động cơ bước đó quay được một vòng Góc quay mỗi bước càng nhỏ, độ phân giải của động cơ bước càng lớn Vị trí của rô-to có thể được điều chỉnh một cách chính xác mà không cần cơ chế hồi tiếp, tức là động cơ bước được điều khiển theo vòng hở Động cơ bước có độ phân giải càng lớn thì càng có khả năng để điều khiển tới góc quay mong muốn chính xác

2.1.1 Phân loại động cơ bước

Có ba dạng động cơ bước cơ bản như sau:

 Động cơ bước từ trở thay đổi

 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

 Động cơ bước lai (Hybrid)

Ba loại động cơ bước cơ bản này được phân loại dựa vào cấu tạo và nguyên lý hoạt động Mỗi loại sẽ có các đường đặc tính hoạt động đặc trưng khác nhau

2.1.1.1 Động cơ bước từ trở thay đổi

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo động cơ bước từ trở thay đổi

Động cơ bước từ trở thay đổi là loại động cơ bước ra đời đầu tiên, nguyên lý cấu tạo của loại động cơ bước này có thể được biểu diễn như trên hình 2.1 Động cơ bước từ trở thay đổi gồm có một rô-to có dạng nhiều răng làm bằng sắt từ, và stato được quấn các cuộn dây Khi lần lượt các cuộn dây trên stato được cấp dòng điện một chiều, các cuộn dây này trở thành các nam châm điện Sự quay theo các bước của rô-to thu được nhờ các răng trên rô-to bị hút tới các cực của các nam châm điện 2.1.1.2 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Cấu tạo đơn giản của động cơ bước nam châm vĩnh cửu có thể được hình dung qua hình sau

Hình 2.2 Cấu tạo đơn giản động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu sử dụng rô-to là nam châm vĩnh cửu với các cực được xếp đặt riêng rẽ song song với trục của rô-to, thay vì rô-to có dạng nhiều răng như động cơ bước từ trở thay đổi Vì các cực của nam châm làm tăng mật độ từ thông, do đó động cơ bước nam châm vĩnh cửu nhìn chung có đặc tính mô-men cao hơn so với động cơ bước từ trở thay đổi

Khi hoạt động, sự quay của rô-to theo các bước thu được do các cực của nam châm vĩnh cửu trên rô-to bị hút do lực điện từ với các cực của các cuộn dây trên rô-to Động cơ bước nam châm vĩnh cửu thưởng có giá rẻ với độ phân giải thấp (7,5o tới

5o mỗi bước, ứng với khoảng 48-24 bước mỗi vòng)

2.1.1.3 Động cơ bước lai (hybrid)

Đặc tính làm việc tốt hơn nhiều so với các động cơ khác, nhất là ở các thông số độ phân giải, mô-men và tốc độ Góc quay mỗi bước của động cơ bước lai nằm trong khoảng 3,6o - 0,9o (ứng với số 100-400 bước mỗi vòng)

Hình 2.3 Sơ đồ mặt cắt ngang động cơ bước lai (hybrid)

Các răng trên rô-to cùng với stato của động cơ bước lai giúp tập trung đường sức từ qua khe hở không khí Điều này giúp tăng đặc tính mô-men hãm, và mô-men động của động cơ bước lai khi so sánh với động cơ bước từ trở thay đổi và động cơ bước nam châm vĩnh cửu

2.1.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ bước

Sự quay của rô-to động cơ bước ứng dụng nguyên lý điện từ, lực điện từ sinh ra khi

có dòng điện chạy qua cuộn dây đặt trong từ trường Tuy nhiên động cơ bước không quay như cơ chế thông thường mà quay theo từng bước có góc nhỏ nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử,

các mạch này đưa xung điện áp vào stato theo thứ tự và một tần số xác định Stato

có các cuộn dây được sắp xếp quanh rô-to có dạng răng làm thành các nam châm điện Để làm rô-to quay, trước tiên một nam châm điện đầu tiên được cấp điện, khi

đó một răng trên rô-to sẽ bị lực điện trường hút về phía nam châm điện Sau khi chúng ở vị trí trùng nhau, răng trên rô-to đó sẽ chuyển động theo quán tính vượt quá nam châm điện đầu tiên một chút Lúc này nam châm điện thứ hai được cấp điện, còn nam châm điện thứ nhất bị ngắt nguồn, răng trên rô-to đó lại tiếp tục chuyển động tới nam châm điện thứ hai do lực điện trường Quá trình này được lặp lại, như vậy rô-to của động cơ bước có thể quay tròn theo các bước góc

2.1.3 Ưu nhược điểm của động cơ bước

- Ưu điểm

Động cơ bước là loại động cơ điện quay, trong đó sự quay của rô-to được diễn ra theo các bước với góc quay mỗi bước nhỏ Động cơ bước có các ưu điểm như sau Góc quay của rô-to tỉ lệ với xung vào điều khiển Các xung điều khiển là tín hiệu điều khiển từ mạch ngoài tới các cuộn dây trên stato

Động cơ vẫn phát đủ mô-men khi rô-to dừng, nếu cuộn dây stato tương ứng vẫn được cấp điện

Độ chính xác và tin cậy của động cơ bước khi điều khiển góc quay rất cao

Thời gian đáp ứng của động cơ bước rất nhanh với các yêu cầu khởi động, dừng hoặc đảo chiều chuyển động

Khả năng hoạt động ổn định, vì cấu tạo của động cơ bước không có tiếp xúc chổi than

Do có khả năng điều khiển chính xác vị trí rô-to mà chỉ cần điều khiển vòng lặp hở thay vì vòng lặp kín có hồi tiếp, nên so với các động cơ điện quay khác, động cơ bước có cơ chế điều khiển đơn giản và giá thành thấp

Động cơ bước hoạt động với tính chất rô-to quay các bước với góc quay nhỏ theo

sự bật/tắt luân phiên của các cuộn dây trên stato, nên động cơ bước có thể đạt được

sự quay đồng bộ ở vận tốc thấp ngay cả khi tải được đặt trực tiếp lên trục rô-to Dải tốc độ làm việc của động cơ bước rất rộng vì tốc độ động cơ bước tỉ lệ với tần

số xung điều khiển

- Nhược điểm

Khi động cơ bước hoạt động có thể xảy ra cộng hưởng nếu điều khiển không tốt Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi tần số điều khiển đưa vào động cơ bước tiến gần tới tần số dao động riêng của hệ thống, lúc này hiện tượng rung khi rô-to quay các bước trùng với tần số dao động riêng của hệ thống và ảnh hưởng xấu tới hệ thống

do rung động quá mức

Động cơ bước trở nên khó điều khiển ở tốc độ rất cao Do tốc độ động cơ bước tỉ

lệ với tần số xung điều khiển, do đó khi cần hoạt động ở tốc độ rất cao thì cần phải đưa tần số điều khiển lên rất cao tương ứng Tần số điều khiển một khi được đấy lên rất cao sẽ gây ra các vấn đề về nhiễu trong điều khiển, khiến việc điều khiển gặp nhiều khó khăn

2.1.4 Điều khiển động cơ bước

Điều khiển động cơ bước là tạo ra các xung điều khiển với tần số và điện áp điều

khiển động cơ bước, phù hợp với các thông số của động cơ bước cần điều khiển

2.1.5 Pha, cực và góc bước

Pha là cuộn dây quấn trên stato, thông thường động cơ bước có 2 pha, nhưng vẫn

có các động cơ có 3 hay 5 pha

Một cực là một cùng thên nam châm nơi tập trung các đường sức từ đi ra/vào nam châm Cả rô-to và stato của động cơ bước đều có các cực

Số cực tương đương Nph được tính theo bước răng p theo công thức

N là số cực tương đương mỗi pha, cũng bằng số cực của rô-to

Ph là số pha của động cơ bước

2.1.6 Công suất, đặc tính điện từ và mô-men

Công suất nhiệt hao phía hoặc giới hạn nhiệt của động cơ bước được tính theo công thức sau

I

P V  Trong đó: P là công suất một pha của động cơ bước

V là điện áp đặt trên một pha của động cơ bước

I là dòng điện chạy qua một pha của động cơ bước

Khi một pha của động cơ bước được cấp điện, sẽ xuất hiện các đường sức từ trong các cuộn dây stato Hướng của các đường sức từ tuân theo quy tắc bàn tay phải Mô-men khi trục động cơ bước quay phụ thuộc vào ba yếu tố sau

 Tần số bước

 Dòng điện trong cuộn dây

 Kiểu điều khiển động cơ

- Từ thông qua cuộn dây được tính theo công thức sau

N i H

l là chiều dài cuộn dây

Như vậy với cùng một kích thước động cơ bước, sự khác biệt về thông số các cuộn dây sẽ ảnh hưởng tới mô-men của động cơ bước

2.1.7 Các chế độ điều khiển bước

Các chế độ điều khiển bước là các chế độ điều khiển chuyển động của rô-to động cơ bước, có các chế độ điều khiển bước sau:

 Wave Step

 Full Step

 Half Step

 Microstepping