(Đồ án tốt nghiệp) xây dựng mô hình hệ thống điều khiển bướm ga cho động cơ 2AR FE lắp trên dòng xe TOYOTA CAMRY

Xe điều khiển bướm ga bằng điện tử, sẽ sử dụng một cảm biến vị trí bướm ga bàn đạp ga và một mô tơ điện được gắn cố định trên bướm ga, cái này hoạt động như cáp dây ga và điều khiển tốc

GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ 2AR-FE

Giới thiệu về động cơ 2AR-FE

Các xe Toyota camry phiên bản cải tiến 2017 gồm 3 phiên bản 2.5Q, 2,5G và 2.2E đây là dòng xe làm nên thương hiệu xe ô tô hạng sang của Toyota Động cơ được trang bị trên xe Toyota Camry 2.5Q là động cơ 2AR-FE

Hình 1 1 cấu tạo động cơ 2AR-FE

Hình 1 2 Vị trí một số bộ phận trên động cơ 2AR – FE

1 - Cacste; 2- Hộp trục khuỷu;3- Bánh răng chủ động; 4- Thanh truyền; 5- Piston 6- Áo nước; 7- Vòi phun; 8- Cam nạp; 9- Bô bin đánh lửa; 10- Cam xả; 11- Nắp đậy; 12- Nắp xylanh; 13- Que thăm dầu;14- Thân xylanh; 15- Van hằng nhiệt; 16 - Thân xylanh

1.1.2 Một số đặc điểm cơ bản của động cơ 2AR-FE

Trục khuỷu được đỡ bởi 5 ổ đỡ của thân máy Các bạc ổ đỡ đều làm bằng bạc hợp kim nhôm

Nắp máy được làm bằng hợp kim nhôm, có các cửa xả, cửa hút ở 2 bên, buồng cháy hình nệm

Thân mấy được làm bằng gang Tất cả có 4 xylanh Chiều dài mỗi ống gần gấp đôi chiều dài mỗi piston Bên trân xylanh là nắp máy, bên dưới là trục khuỷu có 5 ổ đỡ

Bảng 1-1 Thông số động cơ 2AR-FE

Tên thông số Đơn vị Giá trị – Kiểu Động cơ 2.4 lít, 4 xilanh thẳng hàng, 16 xúpáp, DOHC, VVT-i

Dung tích công tác (cc) 2362

Công suất tối đa (HP/rpm) 165/6000

Tỷ số nén 9,8 : 1 Đường kính Xylanh (mm) 88.5

Hệ thống phun nhiên liệu EFI

Hệ thống đánh lửa DIS Điều khiển cam hút – cam xả

Ngoài ra bên thân máy còn có nước được dẫn từ bơm nước lên làm mát xylanh

Nến điện được bố trí bên phải buồng cháy

Các lò xo nấm hút làm bằng thép và lò xo có khả năng chịu tải ở mọi chế độ vòng quay động cơ

Trục cam được dẫn động bằng xích Trục cam có 5 ổ đỡ nằm giữa các con đội của từng xylanh và ở phía đầu xylanh số 1 Việc bôi trơn các ổ trục cam được thực hiện nhờ có đường dầu từ nắp máy.

Vị trí lắp đặt bướm ga trên động cơ 2AR-FE

Bướm ga là nơi mà không khí đi vào động cơ Khi đạp bàn đap ga thì cánh bướm ga sẽ mở, độ mở tùy thuộc vào việc đạp bàn đạp ga bao nhiêu và cho phép gió đi vào trong ống góp hút Trên động cơ 2AR-FE bướm ga được đặt ở đầu vào của ống góp hút và được nối với lọc gió

Cảm biến vị trí bướm ga được bắt trực tiếp trên phần cuối của trục bướm ga và báo cho hộp ECU chính xác độ mở của cánh bướm ga Ngoài ra trên thân bướm ga còn gắn mô tơ điện để điều khiển việc mở cánh bướm ga

Hình 1 3 Vị trí bướm ga trên động cơ 2AR-FE 1-Thân bướm ga; 2-Mô tơ và cảm biến bướm ga

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BƯỚM GA TRÊN ĐỘNG CƠ 2AR-FE

Chức năng nhiệm và phân loại hệ thống bướm ga

2.1.1 Chức năng nhiệm vụ của hệ thống bướm ga

Bướm ga là nơi mà không khí thực sự đi vào trong động cơ Khi đạp bàn đạp ga thì bướm ga sẽ mở, độ mở tùy thuộc vào việc đạp bàn đạp ga bao nhiêu và cho phép gió đi vào trong ống góp hút Hầu hết các bướm ga đều được đặt ở đầu của ống góp hút và được nối với lọc gió

Cho đến thời điểm hiện tại, đa số các bướm ga được tài xế tác động trực tiếp qua dẫn động bằng cáp Bắt đầu từ năm 1992 do sự xuất hiện của điều khiển lực kéo nên trên một số xe xuất hiện bướm ga thứ hai trên đường ống nạp Thêm vào đó, hệ thống điều khiển ga tự động (Cruise control) cũng làm cũng làm cơ cấu điều khiển bằng cơ trở nên phức tạp, dẫn đến nhiều sự cố liên quan đến cơ cấu bướm ga Chính vì vậy mà những năm gần đây, bướm ga dẫn động bằng điện và việc điều khiển bằng điện tử thông qua ECU giúp cơ cấu bướm ga trở nên đơn giản hơn

Xe điều khiển bướm ga bằng điện tử, sẽ sử dụng một cảm biến vị trí bướm ga bàn đạp ga và một mô tơ điện được gắn cố định trên bướm ga, cái này hoạt động như cáp dây ga và điều khiển tốc độ cầm chừng, bằng cách sử dụng tín hiệu đầu vào từ cảm biến vị trí bàn đạp ga để điều khiển cánh bướm ga mở

Các bướm ga loại thường (cơ) thường được gắn kèm với cảm biến bướm ga

Cảm biến vị trí bướm ga được lắp trên thân bướm ga Cảm biến này chuyển đổi vị trí góc mở cánh bướm ga thành tín hiệu điện áp gởi đến ECU

Hệ thống điều khiển bướm ga trên xe có nhiệm vụ chính như sau:

- Đánh giá được chế độ làm việc của động cơ như: chế độ cầm chừng, một phần tải hay toàn tải

- Tắt điều hòa không khí và điều khiển khí thải khí cánh bướm ga mở lớn

- Điều chỉnh tỉ lệ không khí - nhiên liệu phù hợp

- Tăng công suất động cơ ứng với từng chế độ hoạt động

- Cắt nhiên liệu khi giảm tốc đột ngột

2.1.2 Phân loại hệ thống điều khiển bướm ga Để phân loại hệ thống điều khiển bướm ga người ta dựa vào cấu tạo, hoạt động, phương pháp điều khiển Có thể chia 2 loại hệ thống điều khiển bướm ga chính như sau:

Hệ thống điều khiển bướm ga bằng cơ khí

Bướm ga dẫn động bằng cơ khí là một phần kết cấu trong bộ chế hòa khí Bộ chế hòa khí thường được sử dụng trên các xe đời cũ Cơ cấu bướm ga bao gồm các bộ phân chính như sau: bàn đạp ga được bố trí ở trong cabin của ôtô, các chốt định vị, cáp dẫn động, cánh bướm ga, lò xo hồi vị

Hình 2 1 Bướm ga dẫn động bằng cơ khí 1-Bướm gió, 2- Van tự động và lo xo của van, 3- Buồng hao

2.2.2 Nguyên lý hoạt động Để điều khiển hệ thống bướm ga người lái tác động vào bàn đạp ga và thông qua hệ dẫn động bằng cơ khí sẽ tác động đến sự đóng mở của bướm ga

Cơ cấu bướm ga hình trên hoạt động như các van điều khiển trong bộ chế hòa khí Khi động cơ hoạt động bướm ga và bướm khí đều mở không khí bị hút vào từ phía trên, đi qua họng khuyếch tán Tại đây, do tiết diện lưu thông bị thu hẹp lại, tốc độ của dòng khí tăng lên làm áp suất giảm xuống tạo độ chân không hút nhiên

3 liệu từ trong buồng phao qua đường xăng chính và phun ra dưới dạng tia Như vậy, xăng bị phun vào dòng khí có tốc độ cao, hoà trộn với không khí và bay hơi để tạo thành hỗn hợp khí cháy

Lượng khí được hút qua carburetor phụ thuộc vào độ mở của bướm ga: bướm ga mở càng lớn thì lượng khí đi qua càng nhiều, nghĩa là tốc độ dòng khí ở họng khuyếch tán càng tăng và lượng xăng bị hút vào càng lớn Như vậy, bướm ga cho phép điều khiển hoạt động của động cơ ở các chế độ tải khác nhau tuỳ theo điều kiện làm việc Việc điều khiển bướm ga được thực hiện qua bàn đạp và hệ thống dẫn động cơ khí.

Hệ thống điều khiển bướm ga bằng điện tử

Bướm ga điều khiển điện tử (ETC), hoặc bộ chấp hành điều biến bướm ga (TAC), chúng thay thế cho các bướm ga được điều khiển bằng cáp hay thanh nối trên rất nhiều dòng xe hiện đại ngày nay Các thanh nối điều khiển bằng cơ khí hoặc cáp nối giữa chân ga và cánh bướm ga được thay thế bằng một cảm biến vị trí chân ga và một bướm ga vận hành bằng điện tử Bướm ga điện tử bao gồm các bộ phận chính sau: cảm biến vị trí bướm ga, ECU động cơ, mô tơ điều khiển bướm ga

Hình 2 2 Bướm ga điều khiển điện tử

1-Cảm biến vị trí bàn đạp ga, 2-Bướm ga, 3-Cảm biến vị trí bướm ga, 4-mô tơ,

Bướm ga điều khiển điện tử loại bỏ hiện tượng kẹt hoặc bó hay xảy ra với cơ cấu bướm ga điều khiển bằng cơ khí do lò xo bướm ga không thể hồi về Khi người lái tác động vào bàn đạp ga ở trong cabin cảm biến vị trí bàn đạp và cảm biến vị trí bướm ga sẽ nhận tín hiệu gửi về ECU động cơ ECU động cơ sẽ gửi tín hiệu đến mô tơ bướm ga để điều khiển sự đóng mở bướm ga

ECU có khả năng xử lý thông minh hơn tài xế khi phải đưa ra các lựa chọn tối ưu trong việc đạp chân ga, đặc biệt là trong các tình huống xe bị mất lực kéo hoặc mất lái khi bắt đầu khởi hành Tái xế có thể không phản ứng đủ nhanh, bởi vậy máy tính điều khiển tích hợp trong xe đóng bớt một phần bướm ga lại để tăng lực kéo và giảm sự quay trượt của bánh xe.Việc điều khiển tốc độ không tải trong bướm ga điều khiển điện là được thực hiện nhờ một van điều khiển khí nạp không tải riêng biệt trên thân của cụm bướm ga, nó cho phép không khí đi tắt qua cánh bướm ga.

Hệ thống điều khiển bướm ga trên động cơ 2AR-FE

2.4.1 Giới thiệu về hệ thống ETCS-i

Ngày nay cùng với xu hướng phát triển chung của thế giới, nền công nghiệp ô tô phát triển nhanh chóng để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng và cùng với sự ứng dụng mạnh mẽ của kỹ thuật điều khiển tự động vào ô tô đã dần thay thế cho các cơ cấu điều khiển bằng cơ khí vốn không chính xác và đòi hỏi thường xuyên phải sửa chữa, bảo dưỡng định kỳ Trên ô tô ngày càng có nhiều hệ thống điều khiển bằng điện tử, điều đó đã đem lại cho ô tô một số thuận lợi trong điều khiển, trong sửa chữa, bảo dưỡng và trên hết là sự điều khiển bằng các hệ thống điện tử được thực hiện một cách chính xác và ổn định đã giúp cho ô tô phát ra ít chất thải độc hại gây ô nhiễm môi trường, kinh tế về nhiên liệu và kiểm soát được từng chế độ hoạt động trên ô tô Hệ thống điều khiển bướm ga bằng điện tử thông minh (Electronic Throttle Control System intelligent–ETCS-i) trên động cơ 2AR-FE là một hệ thống điều khiển bằng điện tử được trang bị trên dòng xe Camry của hãng Toyoto nhằm đem lại cho ô tô những ưu điểm đó

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển bướm ga điện tử

1- Cảm biến vị trí bàn đạp ga, 2- Bướm ga, 3- Cảm biến vị trí bướm ga, 4- Mô tơ bướm ga, 5- ABS,TRAC,VSC ECU, 6-Phun nhiên liệu, 7- Đánh lửa, 8- Điều khiển hành trinh, 9- Đo lưu lượng khí, 10- ECM

Hệ thống khiển điện bướm ga trên động cơ 2AR-FE (ETCS-i – Electronic Throttle Control System) là một hệ thống điều khiển bằng điện được nối trực tiếp giữa bàn đạp ga với cánh bướm ga Tuy hệ thống điều khiển bướm ga bằng điện tử đã được đề xuất nghiên cứu trong gần một thập kỷ vừa qua nhưng nó chỉ mới được đưa vào ứng dụng trong vài năm gần đây trên dòng xe Camry của hãng Toyota Khác với các hệ thống bướm ga truyền thống được điều khiển dẫn động trực tiếp từ chân bàn đạp ga thông qua cáp nối và lò xo hồi vị, ở hệ thống ETCS-i, cáp nối được thay thế bằng các cảm biến vị trí và một cụm các chi tiết gọi là bộ chấp hành được tích hợp bên trong thân bướm ga, bộ chấp hành bao gồm: một môtơ một chiều để tạo lực kéo, một lò xo hồi vị và các bánh răng giảm tốc

Góc mở của bướm ga thông thường được điều khiển trực tiếp bằng dây cáp nối từ bàn đạp ga đến bướm ga để mở và đóng nó Trong hệ thống này, dây cáp được loại bỏ, và ECU động cơ dùng môtơ điều khiển bướm ga để điều khiển góc mở của bướm ga đến một giá trị tối ưu tương ứng với mức độ đạp bàn đạp ga Ngoài ra, góc mở của bàn đạp ga được nhận biết bằng cảm biến vị trí bàn đạp ga, và góc mở của bướm ga được nhận biết bởi cảm biến vị trí bướm ga

Hệ thống ECTS-i bao gồm cảm biến vị trí bướm ga, ECU động cơ và cổ họng gió Cổ họng gió bao gồm bướm ga, môtơ điều khiển bướm ga, cảm biến vị trí bướm ga và các bộ phận khác

2.4.2 Cấu tạo và hoạt động của cổ họng gió

Cổ họng gió bao gồm bướm ga, cảm biến vị trí bướm ga dùng để phát hiện góc mở của bướm ga, môtơ bướm ga để mở và đóng bướm ga, và một lò xo hồi để trả bướm ga về một vị trí cố định Môtơ bướm ga ứng dụng một môtơ điện một chiều có độ nhạy tốt và tiêu thụ ít năng lượng

Hình 2.4 Cấu tạo cụm cổ họng gió 1-Bướm ga; 2-Cảm biến vị trí bướm ga; 3- Bánh răng giảm tốc

4-Ly hợp từ; 5-IC; 6-Mô tơ bướm ga; 7-Cánh bướm ga

ECU động cơ điều khiển độ lớn và hướng của dòng điện chạy đến môtơ điều khiển bướm ga, làm quay hay giữ môtơ, và mở và đóng bướm ga qua một cụm bánh răng giảm tốc Góc mở bướm ga thực tế được phát hiện bằng một cảm biến vị trí bướm ga và thông số đó được phản hồi về cho ECU động cơ

Khi dòng điện không chạy qua môtơ, lò xo hồi sẽ mở bướm ga đến một vị trí cố định (khoảng 7 o ) Tuy nhiên, trong chế độ không tải bướm ga được đóng lại nhỏ hơn so với vị trí cố định Khi ECU động cơ phát hiện thấy có trục trặc, nó bật đèn báo hư hỏng trên đồng hồ táp lô đồng thời cắt nguồn đến môtơ, nhưng do bướm ga được giữ ở góc mở khoảng 7 0 , xe vẫn có thể chạy đến nơi an toàn Những kiểu xe đầu tiên có hệ thống ETCS-i sử dụng một ly hợp từ giữa môtơ và bướm ga, nó có thể dùng để nối và ngắt môtơ

2.4.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển bướm ga điện tử trên động cơ 2AR-FE

Hệ thống điều khiển bướm ga điện tử có một mạch cấp nguồn riêng Điện áp +B được theo dõi và khi điện áp thấp (nhỏ hơn 4V), ECU kết luận rằng có hư hỏng trong ETCS và dòng điện tới bộ chấp hành bướm ga bị cắt Khi điện áp trở nên không ổn định, ETCS cũng trở nên không ổn định Vì lý do đó, khi điện áp thấp, dòng điện tới bộ chấp hành bị cắt

Mạch nguồn cho ECU Mạch điều chỉnh bộ chấp hành bướm ga

Bộ chấp hành bướm ga

Nếu việc sửa chữa được tiến hành và hệ thống đã trở về trạng thái bình thường thì ECU sau đó cho phép dòng điện chạy đến bộ chấp hành bướm ga để sau cho nó có thể khởi động được Các chế độ điều khiển

ETCS-i điều khiển góc mở của bướm ga đến giá trị tối ưu nhất tùy theo mức độ nhấn của bàn đạp ga Cơ bản động cơ sử dụng chế độ bình thường, nhưng có thể dùng công tắc điều khiển để chuyển sang chế độ công suất cao hay đi đường trơn trượt

Hệ thống bướm ga bao gồm các chế độ hoạt động khác nhau như sau:

➢ Điều khiển phi tuyến (non-linear control) Điều khiển phi tuyến có nghĩa là ECU điều khiển hoạt động cánh bướm ga dựa trên nhiều nhân tố như tốc độ dịch chuyển của bàn đạp ga, tốc độ động cơ, tốc độ xe và điều kiện mặt đường để hoạt động của động cơ đạt hiệu quả tốt hơn Ở điều kiện trượt, bướm ga được điều khiển nhằm mục đích ổn định ôtô

➢ Điều khiển giảm giật khi chuyển số

Cánh bướm ga sẽ được điều khiển đồng thời với sự điều khiển hộp số tự động trong quá trình sang số nhằm giảm va đập khi lên số cũng như xuống số

➢ Điều khiển tốc độ cầm chừng

ECU điều khiển sự hoạt động của bướm ga để duy trì tốc độ cầm chừng định trước

➢ Điều khiển lực kéo TRC

Là một phần của hệ thống TRC, bướm ga sẽ đóng khi ECU nhận tín hiệu từ hộp điều khiển ABS &TRC nếu có sự trượt xảy ra ở các bánh xe chủ động

Ta nhận thấy ở điều kiện đường trơn trượt (đường có tuyết chẳng hạn) thì công suất động cơ sẽ giảm tương ứng với lực đạp ga có nghĩa là muốn đạt được bằng công suất trên đường bình thường thì trên đường trơn trượt người lái xe phải đạp ga sâu hơn Nhưng ta biết rằng trong điều kiện trơn trượt, nếu bướm ga mở lớn thì công suất phát ra cũng lớn mà mặt đường không có khả năng tiếp nhận hết công suất (do hệ số ma sát thấp) nên xảy ra hiện tượng trượt Do vậy khi nhận được tín hiệu điều khiển ABS &TRC thì ECU sẽ điều khiển cánh bướm ga đóng lại từ từ cho đến khi nào không nhận được tín hiệu trượtđóng lại từ ABS và TRC để tránh trường hợp xe bị trượt

Hình 2.5 Góc mở bướm ga ứng với các chế độ

➢ Điều khiển hỗ trợ chống trượt (VSC -Vehicle skid control)

Sự hoạt động của VSC sẽ được hiệu quả hơn khi góc mở bướm ga được thay đổi bởi các tín hiệu từ ECU ABS & TRC

➢ Điều khiển chạy tự động

Kết cấu các bộ phận chính hệ thống bướm ga

2.5.1 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)

Hiện nay có 2 loại được sử dụng: loại tuyến tính và loại có phần tử hall

Trên động cơ 2AR-FE của hãng Toyota lắp trên dòng xe Camry sử dụng cảm biến vị trí bướm ga loại có phần tử hall

Hình 2.11 Cấu tạo cảm biến vị trí bướm ga loại phần tử Hall

1- Bướm ga, 2- Trục bướm ga, 3- Các nam châm, 4- IC Hall

Cảm biến vị trí bướm ga loại phần tử Hall gồm có các mạch IC Hall làm bằng các phần tử Hall và các nam châm quay quanh chúng Các nam châm được lắp ở trên trục bướm ga và quay cùng với bướm ga

Khi bướm ga mở, các nam châm quay cùng một lúc, và các nam châm này thay đổi vị trí của chúng Vào lúc đó, IC Hall phát hiện sự thay đổi từ thông gây ra

4 bởi sự thay đổi của vị trí nam châm và tạo ra điện áp ra của hiệu ứng Hall từ các cực VTA1 và VTA2 theo mức thay đổi này Tín hiệu này được truyền đến ECU động cơ như tín hiệu mở bướm ga Tín hiệu của cảm biến này là tín hiệu hồi tiếp được đưa đến ECU để báo vị trí thực của bướm ga để từ đó ECU điều khiển góc mở bướm ga cho phù hợp

Cảm biến này có 2 mạch, mỗi mạch truyền một tín hiệu VTA1 và VTA2 VTA1 để phát hiện góc mở bướm ga và VTA2 là để phát hiện trục trặc của VTA1 Điện áp tín hiệu cảm biến này thay đổi từ 0V đến 5V tỉ lệ với góc mở của bướm ga và được bướm ga đóng thì điện truyền đến các cực VTA của ECU Khi áp phát ra của cảm biến giảm và khi bướm ga mở thì điện áp phát ra của cảm biến tăng ECU tính tốn góc mở bướm ga theo tín hiệu này và điều khiển bộ chấp hành bướm ga tương ứng điều khiển của lái xe Những tín hiệu này cũng được sử dụng trong việc hiệu chỉnh tỷ lệ không khí nhiên liệu, hiệu chỉnh tăng công suất và điều khiển cắt nhiên liệu

Hình 2.12 Mạch điện bên trong của cảm biến vị trí bướm ga

Cảm biến này không chỉ phát hiện chính xác độ mở của bướm ga, mà còn sử dụng phương pháp không tiếp điểm và có cấu tạo đơn giản, vì thế nó không dễ bị hỏng Ngồi ra, để duy trì độ tin cậy của cảm biến này, nó phát ra các tín hiệu từ hai hệ thống có các tính chất khác nhau

➢ Bướm ga đóng hoàn toàn: vị trí bướm ga được tính theo phần trăm (VTA1) là từ 10 đến 24%

➢ Bướm ga mở hoàn toàn: vị trí bướm ga được tính theo phần trăm (VTA1) là từ

Góc dự phòng 6.5 o (vị trí bướm ga được tính theo phần trăm VTA1 xấp xỉ 16%)

Nếu có DTC (mã chẩn đoán hư hỏng) liên quan đến hệ thống điều khiển bướm ga điện tử (ETCS), ECU sẽ chuyển sang chế độ dự phòng Khi ở chế độ dự phòng, ECU sẽ cắt dòng điện đến bộ chấp hành bướm ga Bướm ga sẽ hồi về vị trí bướm ga nhất định 6.5 o bằng lực của lò xo hồi Sau đó, ECU điều khiển công suất động cơ bằng cách điều khiển phun nhiên liệu (phun cắt quãng) và thời điểm đánh lửa theo vị trí buớm ga

Hình 2.12 Đường đặc tuyến của cảm biến vị trí bướm ga

2.5.2 Cảm biến vị trí bàn đạp ga

Hình 2.13 Cảm biến vị trí bàn đạp ga

Cảm biến vị trí bàn đạp ga (APP) được lắp trong giá bắt bàn đạp ga và có 2 mạch cảm biến: VPA (chính) và VPA2 (phụ) Cảm biến này là kiểu không tiếp điểm Nó dùng các phần tử hiệu ứng từ để cung cấp các tín hiệu chính xác, thậm chí trong các điều kiện lái xe khắc nghiệt như ở tốc độ cao cũng như tốc độ rất thấp Điện áp được cấp đến cực VPA và VPA2 của ECU, thay đổi giữa 0V và 5V tỷ lệ với góc mở của bàn đạp ga Một tín hiệu từ VPA được sử dụng để phát hiện góc mở bàn đạp ga và được dùng để điều khiển động cơ Một tín hiệu VPA2 cho biết tình trạng của mạch VPA và được dùng để kiểm tra APP ECU theo dõi góc mở bàn đạp ga (góc mở bướm ga) thực tế qua những tín hiệu từ VPA, VPA2 và điều khiển bộ chấp hành bướm ga theo những tín hiệu này

Hình 2.14 Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bàn đạp ga

Khi người tài xế nhấn bàn đạp ga, tín hiệu điện áp APPS thay đổi, tín hiệu này được đưa về ECU và tại đây sẽ xác định vị trí hiện thời của bàn đạp ga Tùy thuộc vào thiết kế cùa từng hãng động cơ mà tín hiệu điện áp gởi về ECU khác nhau, như trường hợp cùa động cơ 2AR-FE cả hai cảm biến đều cho tín hiệu điện áp tăng Điện áp điều khiển được lấy từ cảm biến vị trí bàn đạp ga khi điện áp ra của cảm biến là 0V, tức là chưa có tín hiêu điều khiển nhưng lúc khởi động máy thì điện áp đặt vào hệ thống là 0.5V ứng với góc mở bướm ga là 7 0 để duy trì hoạt động ở chết độ garanty Điện áp ra của cảm biến vị trí bướm ga tỷ lệ thuận với góc đạp của bàn đạp ga

2 Điện áp ra của cảm biến là 4,5V ứng với góc đạp lớn nhất của bàn đạp ga và góc mở hoàn toàn của bướm ga

Hình 2.14 Sơ đồ tín hiệu điện áp của cảm biến vị trí bàn đạp

Môtơ bướm ga là động cơ điện một chiều được điều khiển bởi ECU ECU sẽ điều khiển chiều quay và cường độ dòng điện đi vào môtơ bằng mạch điều khiển xung Nếu có sự bất thường trong hệ thống, ECU sẽ ngắt điều khiển và lò xo hồi bướm ga sẽ đóng cánh bướm ga lại Điều kiện này xảy ra nếu dòng điện trong mạch môtơ quá cao hoặc quá thấp ECU sẽ điều khiển chiều quay và cường độ dòng điện cần thiết để mô tơ bướm ga hoạt động nhằm điều chỉnh vị trí bướm ga Mô tơ bướm ga có thể hoạt động một trong các chế độ sau:

- Chế độ bướm ga đóng

- Chế độ bướm ga mở

- Chế độ giữ bướm ga

- Điều khiển tốc độ cầm chừng

V Ðóng hoàn toàn M? hoàn toàn

VPA2 Ði?n áp ra VPA t

Mở hoàn toàn Điện áp ra Đóng hoàn toàn t

Hình 2.15 Sơ đồ điện điều khiển môtơ DC Mạch mô tơ bướm ga bao gồm bốn transistor điều khiển trong mạch MO và

MC Một transistor cấp nguồn (transistor dương) và một transistor nối mass cho mô tơ Điều này cho phép ECU điều khiển chiều dòng điện đi qua mô tơ

Mạch xung dùng để điều khiển tốc độ hoạt động của bướm ga và giữ bướm ga tại một vị trí xác định Để điều khiển tốc độ đóng mở bướm ga, tỉ lệ khoảng thời gian xung ở mức cao và mức thấp (khoảng thời gian hiệu dụng xung) sẽ thay đổi phù hợp với từng điều kiện hoạt động Để giữ bướm ga ở vị trí định trước, ECU sẽ cung cấp dòng để lực từ tạo ra vừa đủ chống lại sức căng của lò xo hồi vị Ở chế độ điều khiển kết hợp TRC, khoảng thời gian xung ở mức cao bị giảm lại; giới hạn của việc điều khiển này là vị trí cầm chừng Nếu lúc này bướm ga mở quá lớn, ECU sẽ ngắt xung điều khiển để đóng nhanh bướm ga

Khi không có dòng điện cung cấp đến môtơ, lò xo hồi bướm ga sẽ giữ bướm ga ở vị trí dự phòng Điều kiện này xảy ra khi khoá điện ở vị trí OFF hoặc ECU phát hiện lỗi trong hệ thống ETC Khi hệ thống bị lỗi sẽ không có dòng điện cung cấp đến môtơ và ly hợp Lúc này motor được ngắt ra khỏi trục bướm ga nhằm ngăn ngừa môtơ điều khiển cánh bướm ga hoạt động Ở trạng thái này tốc độ cầm chừng sẽ cao hơn bình thường khi nhiệt độ động cơ đạt đến nhiệt độ hoạt động Tuy nhiên, cánh bướm ga sẽ di chuyển nếu người lái xe ấn sâu vào bàn đạp ga

- Điều khiển đóng bướm ga:

Lúc này chiều dòng điện sẽ đi từ cực MC đến cực MO của ECU Tốc độ đóng bướm ga là sự kết hợp của lực căng lò xo, xung điều khiển và chiều dòng điện Để bướm ga đóng qua khỏi vị trí dự phòng thì chiều của dòng điện như hình vẽ

Hình 2.16 Sơ đồ mạch điện điều khiển ở chế độ đóng bướm ga

Khi bướm ga ở trên vị trí dự phòng, MO là transistor dương và MC là transistor âm sẽ mở điều này cho phép dòng điện đi từ MO sang MC của ECU như hình vẽ để tăng góc mở bướm ga

Khi bướm ga ở vị trí phía dưới vị trí dự phòng, lúc này chiều dòng điện sẽ được cung cấp tương tự như trường hợp cánh bướm ga đóng Dòng điện sẽ đi ra từ cực MC qua môtơ và về mass ở chân MO của ECU Tuy nhiên xung điều khiển lúc này sẽ giảm để kết hợp với lực căng lò xo nhằm tăng góc mở bướm ga

XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BƯỚM GA ĐIỆN TỬ

Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển bướm ga tự động

Dựa vào kết quả khảo sát, nghiên cứu về hệ thống điều khiển bướm ga điện tử trên động cơ ta xây dựng được sơ đồ khối hệ thống điều khiển bướm ga cho động cơ 2AR-FE như sau:

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bướm ga Phương trình cân bằng chuyển động của bướm ga điện tử

T L (t) : Mômen tải của động cơ

J: mômen quán tính Moment điện từ của motor DC

Ta có: i a (t): Dòng điện phần ứng i a (t) R a = U a (t) - U b (t) (3.3)

U a (t): Điện áp đầu vào của động cơ (motor DC) Điện áp đầu vào của động cơ motor DC bằng điện áp đầu vào của hệ thống cũng chính là điện áp của acquy

U bat : Điện áp đầu vào (điện áp bình acquy)

Ngoài ra, Lực điện động của động cơ

K b : Hằng số lực điện từ

K t : Hằng số mô-men xoắn

Từ biểu thức (3.3) và (3.4) ta có i a (t) = 𝑈𝑏𝑎𝑡𝐷(𝑡)−𝐾𝑏 𝐺𝑟 𝜔 (𝑡)

𝑅𝑎 (3.5) Dẫn dến moment điện từ của động cơ được tính như sau

𝑅𝑎 (3.6) Moment tải của động cơ bằng tổng mô men trả của lò xo hồi và mô mem ma sát của hệ thống

T s (t): Mô-men trả của lò xo hồi

Moment xoắn của của lò xo hồi

K m : Hệ số bù momen θ (t): Góc mở của tấm van theo t θ 0: Góc mở ban đầu của bướm ga (t=0)

K d : Hệ số ma sát trượt

K k :Hệ số ma sát khô

Ta thay từ các phương trình trên ta được

Hệ phương trình số (3.11) viết lại như sau:

Giới thiệu phần mền mô phỏng matlab/simulink

Matlab (viết tắt từ matrix laboratory) là công cụ rất mạnh phục vụ trong tính toán kỹ thuật và được ứng ứng dụng rất phổ biến trong các lĩnh vực khoa học kỹ thuật Matlab kết hợp tính toán với lập trình đồ họa trong môi trường phát triển tương tác Ngoài ra, Matlab tích hợp sẵn rất nhiều hàm và nguồn thư viện phong phú giúp cho người sử dụng tốn ít thời gian khi ứng dụng công cụ này Sức mạnh của MATLAB dựa trên các phần chính sau:

Môi trường phát triển: gồm các công cụ và tiện nghi, giúp cho người lập trình sử dụng các hàm Matlab và các file

Thư viện các hàm toán học phong phú: bao gồm từ sơ bản (đại số, sin/cos) đến các hàm phức tạp (Bessel, nghịch đảo ma trận, trị riêng, biến đổi Fourier, )

Ngôn ngữ Matlab: gồm các lệnh xử lý ma trận, rẽ nhánh, vòng lặp, cấu trúc dữ liệu,

Xử lý đồ họa: dùng các lệnh cao cấp để hiển thị dữ liệu dưới dạng hai chiều, ba chiều, xử lý ảnh Ngoài ra, còn cho phép người dùng thiết kế giao diện đồ họa (GUI - Graphical User Interface)

Thư viện API của Matlab: cho phép liên kết Matlab với các ngôn ngữ khác như C, Fortran, JAVA

Các hộp công cụ (Toolbox): là tập hợp các hàm (khối) được viết sẵn để giải quyết các vấn đề lien quan đến các chuyên ngành kỹ thuật bao gồm: điều khiển tự động, kỹ thuật điện, điện tử viễn thông, cơ khí, động lực,

Công cụ mô phỏng trực quan (Simulink): giúp cho bài toán phân tích, thiết kế dễ dàng, trực quan và sinh động hơn

3.2.2 Môi trường lập trình Matlab

Trong môi trường Matlab, bên cạnh khả năng nhập lệnh trực tiếp từ cửa sổ lệnh, ta có thể viết và lưu trữ chuỗi lệnh trong dưới dạng m-file

Một dạng đặc biệt của m-file là các hàm (function) của MATLAB Khi một hàm được gọi ta có thể chuyển dữ liệu cho hàm hoặc nhận dữ liệu do hàm trả về Việc soạn thảo chương trình dưới dạng m-file thuận lợi cho việc lưu trữ, soạn thảo và sửa lỗi Hàm m-file có thể được gọi trực tiếp từ cửa sổ lệnh hoặc mở thông qua Menu File/Open

3.2.3 Công cụ mô phỏng trực quan Simulink

Matlap simulink là một phần mền đồ họa, định hướng sơ đồ khối dùng để mô phỏng các hệ động lực Đây là sản phẩm nằm bên trong Matlap và sử dụng nhiều hàm của matlap và cũng có thể trao đổi qua lại với môi trường Matlap để tăng thêm khả năng mền dẻo củ nó

Với simulink chúng ta có thể xây dựng mô hình mô phỏng của hệ thống giống như khi ta vẽ sơ đồ khối Simulink có một khối thư viện với nhiều thư mục khác nhau Để xây dựng mô hình ta khởi động Matlap và khởi tạo Simulink thường có 8 nhóm :

-Nhóm Continuous và Discrete: chứa các khối cơ bản để xử lí tín hiệu liên tục và rời rạc

-Nhóm Function & Table: chứa các khối thực hiện gọi hàm từ Matlap, khối nội suy và khối hàm truyền

-Nhóm Math: chứa các khối thực thi hàm toán học

Hình 3.2 Khối thư viện Simulink

-Nhóm Sinks & Systems: chứa các khối công cụ xử lí tín hiệu

-Khối Monlinear: chứa các khối phi tuyến

-Nhóm Sinks: chứa các khối thực hiện chức năng suất kết quả

-Nhóm Source: chứa các khối phát tín hiệu Để coppy một khối từ thư viện vào cửa sổ mô hình, chọn khối rê chuột để kéo khối đã chọn vào cửa sổ mô hình Trong cửa sổ mô hình, nếu muốn coppy một khối, án phím Ctrl và rê chuột qua vị trí đặt bản coppy, nếu muốn xóa hãy chọn nó và ấn phím delete

Hình 3.1 Cửa sổ mô hình làm việc trên simulink Để thực hiện quá trình mô phỏng ta tiến hành từng bước: xây dựng mô hình mô phỏng ; xác lập giá trị các thông số của mô hinh ; xác lập điều kiện đầu ; lựa chọn cách thức xuất kết quả; điều khiển việc thực thi quá trình mô phỏng

Từ hệ phương trình 3.13và ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink ta xây dựng sơ đồ khối mô hình toán học hệ thống điều khiển bướm ga điện tử của động cơ như trên hình vẽ

Hình 3 3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bướm ga

Thiết kế hệ thống điều khiển bướm ga thông minh

Để đảm bảo hệ thống phanh làm việc hiệu quả (θ =θ0) thì phải sử dụng bộ điều khiển với thuật toán điều khiển thích hợp Để tìm ra bộ điều khiển tối ưu cho hệ thống, ta nghiên cứu các bộ điều khiển sau

3.3.1 Điều khiển vòng hở Điều kiển vòng hở còn được gọi là bộ điều khiển không phản hồi là một dạng của bộ điều khiển dùng để tính toán đầu vào của một hệ thống chỉ sử dụng dòng trạng thái và mô hình của nó cho hệ thống Một đặc tính của bộ điều khiển vòng hở là nó không sử dụng hồi tiếp để xác định đầu ra của nó có được mục đích mong muốn hay không

Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng kín hồi tiếp

Trong đó u : Tín hiệu đầu vào y : Tín hiệu đầu ra

3.3.2 Điều khiển vòng kín hồi tiếp

Hình 3 2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển với vòng kín hồi tiếp

Hệ thống điều khiển có hồi tiếp là hệ thống điều khiển mà trong đó đáp ứng đầu ra (θ) được đưa về so sánh với tín hiệu đầu vào (θ0) để hiệu chỉnh sai lệch Sai lệch tín hiệu đầu ra của hệ thống e = 𝜃- 𝜃 0

𝜃: Đáp ứng đầu ra (góc mở thực tế của bướm ga)

𝜃0 :Tín hiệu đầu vào (góc đặt mong muốn) u: Tín hiệu điều khiển hệ thống

3.3.3 Điều khiển vi tích phân tỉ lệ PID

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản (mô hình toán học) về hệ thống điều khiển thì bộ điều khiển PID là sẽ bộ điều khiển tốt nhất Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống

Hàm truyền của bộ điều khiển PID có dạng sau: u = 𝐾 𝑃 𝑒 + 𝐾 𝐼 ∫ 𝑒𝑑𝑡 + 𝐾 𝐷 𝑑𝑒

Trong đó: K P : Hệ số khuếch đại của bộ điều khiển

K I : Hệ số tích phân của bộ điều khiển

K D : Hệ số vi phân của bộ điều khiển

Hình 3 3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển với bộ điều khiển tỉ lệ PID

Bộ điều khiển PID Hệ thống

Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống điều khiển bướm ga bằng công cụ Matlab/Simulink

Từ sơ đồ khối mô hình toán học, các sơ đồ hệ thống điều khiển (hình 3.3 và 3.8), mô hình cơ cấu hệ thống điều khiển bướm ga ta xây dựng các mô hình hệ thống trong môi trường Matlab/simulink như sau

3.4.1 Mô hình hệ thống bướm ga điện tử điều khiển vòng hở

Từ phương trình toán học (3.13) của hệ thống bướm ga điện tử và sơ đồ khối điều khiển vòng hở ta đưa vào phần mềm Matlab/Simulink ta được sơ đồ mô phỏng như hình trên

Hình 3.4 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển vòng hở Tiến hành mô phỏng với các thông số của hệ thống điều khiển bướm ga được lấy từ tài liệu số [5] và thông số của động cơ 2AR-FE

Hình 3.5 Các giá trị tiến hành mô phỏng bằng Simulink

Kết quả mô phỏng với góc đặt 30 0 ,45 0 và 60 0 a) b)

Hình 3.6 Kết quả mô phỏng hệ thống với điều khiển vòng hở a- Góc đặt 30 0 , b- Góc đặt 45 0 , c- Góc đặt 60 0

Góc đặt 30 0 : Thời gian bám trượt 20s

Góc mở tiệm cận của bướm ga 29 0

Không xảy ra hiện tượng vọt lố

Kết quả mô phỏng cho thấy với bộ điều khiển vong hở thì không xảy ra hiện tượng vọt lố nhưng thời gian bám trượt khá lâu 20s

3.4.2 Mô hình hệ thống bướm ga điện tử điều khiển hồi tiếp

Từ phương trình toán học (3.13) của hệ thống bướm ga điện tử và sơ đồ khối điều khiển vòng hở ta đưa vào phần mềm Matlab/Simulink ta được sơ đồ mô phỏng như hình trên c)

Hình 3.7 Sơ đồ mô phỏng hệ thống với điều khiển hồi tiếp

Tiến hành mô phỏng với các thông số bảng (3.8) ta được kết quả mô phỏng bướm ga như trên hình vẽ

Kết quả mô phỏng với góc đặt 30 0 ,45 0 và 60 0

Hình 3.8 Kết quả mô phỏng hệ thống với điều khiển hồi tiếp a) b) c)

Nhận xét kết quả mô phỏng hệ thống với điều khiển hồi tiếp

Góc đặt 30 0 : Thời gian quá độ tối đa 0.23s

Góc mở tiệm cận của bướm ga

Có xảy ra hiện tượng vọt lố Góc vọt lố tối đa 34 0

Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển bướm ga với bộ hồi tiếp xảy ra hiện tượng vọt lố với học vọt lố tối đa khoảng 10% và thời gian quá độ tối đa là 0.23s

3.4.3 Mô hình hệ thống bướm ga điện tử điều khiển PID

Dựa vào công thức hàm truyền bộ diều khiển PID ta xây dựng được sơ đồ mô phỏng hệ thống PID như sau

Hình 3.9 Mô phỏng điều khiển PID trên simulink

Từ sơ đồ khối của hệ thống điều khiển PID kết hợp sơ đồ mô phỏng hệ thống PID và hệ thống điều khiển bướm ga ta có được sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển bướm ga bằng bộ điều khiển PID như sau

Hình 3.10 Mô hình hệ thống điều khiển bướm ga điện tử với bộ điều khiển PID

Kết quả mô phỏng với góc đặt 30 0 ,45 0 và 60 0

Hình 3.11 kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển PID

Nhận xét kết quả mô phỏng hệ thống với điều khiển PID

Góc đặt 30 0 : Thời gian bám trượt 0.2s

Góc đặt 60 0 : : Thời gian bám trượt 0.2s

Góc đặt 90 0 : Thời gian bám trượt 0.2s

Dựa vào kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển bướm ga bằng bộ điều khiển PID ta thấy bộ điều khiển PID hiệu quả và chính xác hơn 2 bộ điều khiển còn lại với thời gian bám trượt 0.2s

3.4.5 Kết quả và bàn luận

Sau khi tiến hành mô phỏng mô hình hệ thống điều khiển bướm ga điện tử với vòng điểu khiển hở, hồi tiếp và PID tại góc đặt lần lượt là 30 0 ,45 0 ,60 0 Kết quả mô phỏng thể hiện trong bảng sau

Bảng 3.1 Kết quả so sánh mô phỏng

Dựa vào bảng kết quả mô phỏng và bảng so sánh trên ta thấy tín hiệu đáp ứng của bộ điều khiển PID bám tốt hơn tín hiệu đặt ở các phương pháp khác.Không xảy ra hiện tượng vọt lố,thời gian bám trượt ở nhiều góc đặt gần như nhau

Kết quả mô phỏng có thể có những sai lệch Điều đó xảy ra khi chúng ta chưa hiểu rõ chức năng của các khối mô phỏng và chứng minh đúng công thức toán học

Vì vậy, để có được kết quả như mong muốn thì chúng ta cần nắm rõ bản chất các phần liên quan một cách logic

STT Điều khiển Thời gian bám trượt

1 Khi có bộ điều khiển PID 0.2s

2 Khi điều khiển vòng hở 20s

3 Khi điều khiển có vòng hồi 0.23s

Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển đã được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Và nếu đưa ra mô phỏng thực tế thì phải trang bị thêm mô hình bướm ga thực tế, các dụng cụ, thiết bị để xác định thời gian, tốc độ, tốc độ cánh bướm ga Và đặc biệt hơn nữa, chúng ta phải tìm hiểu thêm về lập trình Ardiuno về điều khiển PID

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

I KẾT LUẬN Đề tài đã ứng dụng thành công phần mền mô phỏng Matlab/Simulink, đưa ra được sơ đồ khối mô phỏng mô hình điều khiển bướm ga, đạt được các mục tiêu đề ra: tốc độ bám trượt nhanh hơn mô hình bướm ga cơ khí thông thường

Về lý thuyết: Tiến hành khảo sát, tìm hiều nguyên lí hoạt động của cảm biến bàn đạp ga, cảm biến vị trí bướm ga, ECU động cơ, nguyên lí hoạt động của hệ thống điều khiển bướm ga điện tử

Tuy nhiên do thời gian thực hiện đề tài ngắn nên mới chỉ khảo sát và mô phỏng hệ thông với công cụ Simulink

Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện mô hình thực tế, hướng với kết hợp doanh nghiệp thiết kế, sản xuất

Nghiên cứu các thuật toán thông minh (điều khiển mờ, điều khiển neuron) đê tối ưu quá trình điều khiển

Định dạng
Số trang	53
Dung lượng	1,54 MB