Ứng dụng LabVIEW trong thu thập tín hiệu và điều khiển động cơ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHKHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô Tên đề tài: ỨNG DỤNG LABVIEW TRONG THU THẬP TÍN HIỆU VÀ Đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ỨNG DỤNG LABVIEW TRONG THU THẬP TÍN HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

SVTH: ĐỖ THÀNH QUANG MSSV: 13145201

SVTH: TRẦN VĂN QUÝ MSSV: 13145213

GVHD:Th.S LÊ KHÁNH TÂN

TP Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô

Tên đề tài:

ỨNG DỤNG LABVIEW TRONG THU THẬP TÍN HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

SVTH: ĐỖ THÀNH QUANG MSSV: 13145201

SVTH: TRẦN VĂN QUÝ MSSV: 13145213

GVHD: Th.S LÊ KHÁNH TÂN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2018

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô Mã ngành đào tạo: 52510205

Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ đào tạo:

- Kết nối giữa LabVIEW, Arduino và động cơ

- Lập trình chương trình thu thập tín hiệu và giả tín hiệu điều khiển bàn đạp ga điện tửtrên Arduino và LabVIEW

- Thiết kế hộp phần cứng kết nối máy tính với động cơ để thu thập tín hiệu và điều khiển

3 Sản phẩm của đề tài

- Hộp kết nối thu thập tín hiệu cảm biến và điều khiển động cơ

- Code Arduino, LabVIEW sử dụng thu thập tín hiệu và điều khiển động cơ

- File báo cáo, video thực nghiệm, CD file mềm

4 Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 20/09/2017

5 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 9/1/2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Bộ môn: Động cơ

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Dành cho giảng viên hướng dẫn)

Họ và tên sinh viên: ĐỖ THÀNH QUANG MSSV:13145201 Hội đồng:………

Họ và tên sinh viên: TRẦN VĂN QUÝ MSSV:13145213 Hội đồng:………

Tên đề tài: Ứng dụng LabVIEW trong thu thập tín hiệu và điều khiển động cơ Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật ô tô Họ và tên GV hướng dẫn: LÊ KHÁNH TÂN Ý KIẾN NHẬN XÉT 1 Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)

2 Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN(không đánh máy) 2.1.Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

2.2 Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

2.3.Kết quả đạt được:

2.4 Những tồn tại (nếu có):

3 Đánh giá:

4 Kết luận:

 Được phép bảo vệ

 Không được phép bảo vệ

TP.HCM, ngày … tháng 1 năm 2018

Giảng viên hướng dẫn

tối đa

Điểm đạt được

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục 10

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa

học xã hội…

5

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình

đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… 5

3 Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10

(Ký, ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Bộ môn: Động cơ ô tô

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Dành cho giảng viên phản biện)

Họ và tên sinh viên: ĐỖ THÀNH QUANG MSSV: 13145201 Hội đồng………

Họ và tên sinh viên: TRẦN VĂN QUÝ MSSV: 13145213 Hội đồng………

Tên đề tài: Ứng dụng LabVIEW trong thu thập tín hiệu và điều khiển động cơ Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật ô tô Họ và tên GV phản biện (Mã GV): ………

(Mã GV: 0412 ) Ý KIẾN NHẬN XÉT 1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

2 Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

3 Kết quả đạt được:

4 Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:

5 Câu hỏi:

6 Đánh giá:

7 Kết luận:

 Được phép bảo vệ

 Không được phép bảo vệ

tối đa

Điểm đạt được

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục 10

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa

học xã hội…

5

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10

Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình

đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… 5

3 Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10

Giảng viên phản biện

(Ký, ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN

Tên đề tài: Ứng dụng LabVIEW trong thu thập tín hiệu và điều khiển động cơ

Họ và tên Sinh viên: ĐỖ THÀNH QUANG MSSV: 13145201

Ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô

Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phảnbiện và các thành viên trong Hội đồng bảo vê Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnhđúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức

Chủ tịch Hội đồng:

Giảng viên hướng dẫn:

Giảng viên phản biện:

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 01 năm 2018

LỜI CẢM ƠN



Đề tài “Ứng dụng LabVIEW trong thu thập tín hiệu và điều khiển động cơ” là

một đề tài mới lạ Trong khoảng thời gian ngắn với lượng kiến thức còn hạn chế,hoàn thành xong đề tài xem như là một thành công lớn của nhóm Để có thể hoànthành tốt đề tài cần một sự cố gắng của cả nhóm Và với một vai trò rất quan trọng

đặc biệt đó là giáo viên hướng dẫn, nhóm thực hiện xin gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Khánh Tân, người đã tận tình hướng dẫn, chia sẻ tài liệu và đưa ra các góp ý để đề

tài của nhóm có thể hoàn thiện tốt hơn đề tài Trong quá trình thực hiện đồ án, nhóm

đã gặp không ít khó khăn cả về phần cứng lẫn phần mềm, nhưng nhờ sự góp ý hướngdẫn quý báu của thầy mà nhóm có thể giải quyết được vấn đề

Chúng em xin gửi lời cảm ơn thầy phản biện đã nhận xét thật cụ thể và đóng gópnhững ý kiến quý báu để đồ án được hoàn thiện hơn

Để có thể thực hiện được đề tài thì kinh nghiệm tích lũy từ 4 năm Đại học rấtquan trọng, qua đó nhóm tác giả xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong trường ĐạiHọc Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM và đặt biệt là các thầy cô trong khoa Cơ Khí ĐộngLực đã giúp nhóm có được kiến thức trong việc học và có thể áp dụng vào việc làmsau này

Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè trong lớp, tuy các bạn cũng bận làm đồ ánnhưng cũng đã dành thời gian đóng góp ý kiến và giúp đỡ khi nhóm gặp khó khăn.Xin chúc các thầy cô luôn luôn dồi dào sức khỏe, tràn đầy năng lượng, có thậtnhiều là nhiều niềm vui, hạnh phúc trong cuộc sống Nhóm thực hiện xin chân thànhcảm ơn

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày … tháng… năm 2018

Nhóm sinh viên thực hiện

- Đỗ Thành Quang

- Trần Văn Quý

TÓM TẮT

1 Vấn đề nghiên cứu

- Giao tiếp Arduino với Labview và động cơ

- Sơ đồ mạch điện của động cơ Toyota Yaris 2SZ - FE

- Hệ thống điều khiển động cơ

- Dựa vào tài liệu tham khảo của khóa trước cùng với sư hỗ trợ, hướng dẫn cụthể và cung cấp tài liệu của thầy Lê Khánh Tân

- Nghiên cứu lý thuyết về phương pháp điều xung PWM

- Lập trình LabVIEW nhận dữ liệu từ Arduino truyền lên, sử dụng ngôn ngữlập trình để điều khiển bàn đạp ga điện tử từ màn hình máy tính

- Sử dụng 2 microchip MCP4921 để giả tín hiệu xung đưa vào bàn đạp ga điệntử

- Tham khảo tài liệu có sẵn trên Internet, ý kiến bạn bè, sinh viên khóa trước vàđặc biệt là thầy hướng dẫn Lê Khánh Tân

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

DANH MỤC CÁC BẢNG xi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Giới hạn đề tài 1

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài 2

1.4 Phương pháp thực hiện 2

1.5 Kế hoạch nghiên cứu 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Lý thuyết cảm biến 4

2.2 Điều khiển động cơ 15

2.3 Ứng dụng vi điều khiển trong điều khiển động cơ 20

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THU THẬP VÀ ĐIỀU KHIỂN 29

3.1 Thiết kế phần cứng 29

3.2 Thiết kế phần mềm 34

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 41

4.1 Ý nghĩa và ứng dụng đề tài 41

4.2 Quy trình thực nghiệm 41

4.3 Kết quả thức nghiệm thu được khi nổ máy động cơ 42

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 48

5.1 Kết quả đạt được 48

5.2 Kết luận 48

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

PHỤ LỤC A: GIỚI THIỆU VỀ ARDUINO 51

1 Arduino là gì? 51

2 Tại sao chọn Arduino? 52

3 Tổng quan về Arduino Uno R3 52

4 Lập trình trên Arduino IDE 57

PHỤ LỤC B: GIỚI THIỆU LABVIEW 71

1 LabVIEW là gì ? 71

2 Các ứng dụng của LabVIEW 72

3 Lý do sử dụng LabVIEW 72

4 Những khái niệm cơ bản của LabVIEW 73

5 Bảng các hàm chức năng 80

6 Chương trình thu thập xử lý tín hiệu cảm biến và đồ thị mô phỏng, điều khiển động cơ 91

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

RS232 Chuẩn giao tiếp RS232 để nối ghép các thiết bị

ngoại vi với máy tính

Serial Công cụ giao tiếp giữa thiết bị và máy tính

LabVIEW Phần mềm máy tính (Laboratory Virtual

Instrument Engineering Workbench)

MAF Cảm biến dây nhiệt đo lưu lượng không khí nạp

(Mass Air Flow)

VPA, VPA2 Tín hiệu kép bàn đạp ga điện tử

THW Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát (Temperature

Humidity Water) THA Tín hiệu nhiệt độ không khí nạp (Temperature

Humidity Air )

#10, #20, #30,

#40 Tín hiệu phun nhiên liệu

E1 Tín hiệu chân mass

IGT Tín hiệu điều khiển đánh lửa

Arduino IDE Phần mềm lập trình cho Arduino

IC Atmega328 Vi xử lý trên Arduino

ECU Hộp điều khiển (Electronic Control Unit)

USB Chuẩn kết nối tuần tự đa dụng trong máy tính

(Universal Serial Bus) MCP4921 MICROCHIP giả xung tín hiệu

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 2.1: Mạch cảm biến vị trí bướm ga 4

Hình 2.2: Ảnh cảm biến rời và trên xe 5

Hình 2.3: Đường đặc tuyến cảm biến vị trí bướm ga 5

Hình 2.4: Cảm biến nhiệt độ động cơ 6

Hình 2.5: Mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát 7

Hình 2.6: Đường đặc tính cảm biến nhiệt độ 8

Hình 2.7: Cảm biến nhiệt độ khí nạp 9

Hình 2.8: Mạch điện cảm biến khí nạp 9

Hình 2.9: Đường đặc tính cảm biến nhiệt độ không khí nạp 10

Hình 2.10: Cảm biến vị trí bàn đạp ga 11

Hình 2.11: Vị trí cảm biến vị trí bàn đạp ga 11

Hình 2.12: Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bàn đạp ga 12

Hình 2.13: Đường đặc tính của cảm biến bàn đạp ga 12

Hình 2.14: Sơ đồ thứ tự giắc điện cảm biến vị trí bàn đạp ga 13

Hình 2.25: Cấu tạo cảm biến dây nhiệt 14

Hình 2.36: Hoạt động của cảm biến dây nhiệt 14

Hình 2.47: Mạch điện cảm biến dây nhiệt 15

Hình 2.18: Đường đặc tính cảm biến dây nhiệt 15

Hình 2.19: Sơ đồ hệ thống đánh lửa 16

Hình 2.20: Dạng xung tín hiệu IGT và IGF 17

Hình 2.5: Xung điều khiển đánh lửa 17

Hình 2.6: Mạch xác nhận tín hiệu đánh lửa IGF 18

Hình 2.7: Sơ đồ mạch điều khiển bơm xăng 18

Hình 2.8: Sơ đồ mạch điều khiển phun nhiên liệu 19

Hình 2.9: Đồ thị dạng xung điều chế PWM 20

Hình 2.10: Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra 21

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển động cơ DC 23

Hình 2.12: Sơ đồ mạch nguyên lý của bộ nguồn Boot đơn giản 24

Hình 2.13: Sơ đồ chân IC MCP4921 25

Hình 2.15: Giản đồ xung mô tả gửi lệnh từ vi điều khiển sang DAC 27

Hình 3.1: Mạch in thiết kế trên Protues điều khiển và thu thập 30

Hình 3.2: Mạch thiết kế 3D trên Protues 31

Hình 3.3: Các chế độ hoạt động của cổng OR 31

Hình 3.4: Mạch “OR” thiết kế trên mô hình thật 32

Hình 3.5: Hình vẽ mô phỏng mạch điện tổng thể 33

Hình 3.6: Thiết kế hộp bộ thu thập và điều khiển động cơ 33

Hình 3.7: Thiết kế bên ngoài hộp điều khiển 34

Hình 3.8: Cáp kết nối Arduino và máy tính 34

Hình 3.9: Giao tiếp giữa máy tính và Arduino 35

Hình 3.10: Sơ đồ khối đọc tín hiệu từ các chân tín hiệu 35

Hình 3.11: Sơ đồ khối đọc tín hiệu xung IGT 35

Hình 3.12: Sơ đồ khối Gửi tín hiệu đọc được từ Arduino lên máy tính 36

Hình 3.13: Sơ đồ khối gửi tín hiệu từ LabVIEW xuống điều khiển tốc độ động cơ 36

Hình 3.14: Sơ đồ khối giao tiếp giữa Arduino và LabVIEW 37

Hình 3.15: Mô hình khối giao tiếp VISA của LabVIEW 38

Hình 3.16: Hình mô tả khối chuyển đổi mảng 38

Hình 3.17: Mô hình khối tách tín hiệu trong LabVIEW 39

Hình 3.18: Code LabVIEW chương trình phần sử dụng Event, Squense, Case 40

Hình 4.1: Giao diện chương trình lúc không tải (VTA 0 %) 43

Hình 4.2: Bảng đồ thị kết quả chương trình lúc không tải (VTA 0 %) 44

Hình 4.3: Giao diện chương trình lúc động cơ không tải (~1500 rpm) 45

Hình 4.4: Bảng đồ thị kết quả chương trình lúc không tải (~1500 rpm) 46

Hình 4.5: Bảng điều khiển bàn đạp ga kéo lên góc mở 100% 47

Hình 1: Arduino Uno R3 52

Hình 1: Thư viện Example của Arduino 56

Hình 2: Chọn đúng board Arduino đang sử dụng 57

Hình 3: Chương trình vòng lặp Arduino 68

Hình 6: Mã nguồn viết bằng LabVIEW 71

Hình 4: Front Panel của chương trình LabVIEW 74

Hình 5: Sơ đồ khối của LabVIEW 75

Hình 6: Bảng công cụ tiện ích Tools Palette 76

Hình 7: Bảng điều khiển - Controls Palette 77

Hình 8: Thư viện Numeric 78

Hình 9: Thư viện Boolean 79

Hình 10: Các dạng đồ thị, biểu đồ 79

Hình 11: Thư viện các khối hàm cơ bản 80

Hình 12: Thư viện hàm cấu trúc 81

Hình 13: Vòng lặp While Loop 81

Hình 14: Cấu trúc Case Structure 82

Hình 15: Cấu trúc Squence Structure 83

Hình 16: Cấu trúc Event 84

Hình 17: Thư viện Array 85

Hình 18: Thư viện Numeric 87

Hình 19: Thư viện hàm thời gian 88

Hình 20: Thư viện công cụ giao tiếp 89

Hình 21: Thư viện công cụ Serial 89

Hình 22: Sơ đồ khối chương trình thu thập tín hiệu 91

Hình 23: Bảng giao diện chương trình thu thập tín hiệu và điều khiển 93

Hình 24: Bảng hiển thị đồ thị tín hiệu 93

Hình 26: Bảng giao diện chương trình điều khiển bàn đạp ga 94

DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1: Giá trị đặc tính cảm biến nhiệt độ nước làm mát 8

Bảng 2.2: Giá trị đặc tính cảm biến nhiệt độ không khí nạp 10

Bảng 2.3: Thông số kiểm tra cảm biến vị trí bàn đạp ga 13

Bảng A.1: Cấu trúc, giá trị và hàm thủ tục 57

Bảng A.2: Kiểu dữ liệu trong chương trình code 64

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài

Với sự phát triển của công nghệ ô tô với tốc độ chóng mặt, cùng với xu hướng hộinhập hiện nay thì nền công nghiệp ô tô Việt Nam đang trên con đường phát triển mạnhmẽ

Các nước phát triển đang chạy đua với cuộc cạch mạng công nghiệp 4.0 và côngnghệ điều khiển thông minh qua máy tính là một phần không thể thiếu, đặc biệt côngnghệ điều khiển tự động vẫn đang rất phổ biến trong lĩnh vực kỹ thuật ngày nay Các

xe hơi được điều khiển, truyền và nhận thông tin một cách chính xác, vì vậy xe hơi sẽngày càng thông minh và có thể xử lý tình huống phức tạp trong khi hoạt động Để làmđược điều đó thì việc thu thập dữ liệu từ xe là rất quan trọng, sau đó ECU sẽ nhận tínhiệu điều khiển từ máy tính và thực thi mệnh lệnh của người điều khiển và mục đíchcuối cùng là giúp động cơ hoạt động ổn định theo mong muốn của chúng ta

Lĩnh vực điều khiển ô tô thông qua máy tính ngày càng phát triển mạnh, việc điềukhiển để xe hoạt động theo ý muốn giúp con người giảm bớt được thao tác khi vậnhành, đồng thời việc xử lí các sự cố xảy ra cũng chính xác và nhanh hơn Do đó nhóm

chúng em đã chọn nghiên cứu đề tài “ Ứng dụng LabVIEW trong thu thập tín hiệu và

điều khiển động cơ” trên xe TOYOTA YARIS 2SZ - FE Nhóm hy vọng rằng đề tài này

sẽ là đòn bẩy để giúp nhóm chúng em nghiên cứu sâu về điều khiển tự động các hệthống trên xe, đặc biệt là trên các dòng xe thông minh hiện nay

1.2 Giới hạn đề tài

- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình thu thập tín hiệu, điều khiển động cơ trên

mô hình động cơ Toyota Yaris 2SZ-FE

- Xử lý tín hiệu thu được thông qua ứng dụng của Arduino và sau đó gửi tín hiệu lên

máy tính thông qua phần mềm Labview

- Sử dụng 2 microchip MCP 4921 để giả hai tín hiệu bàn đạp ga điện tử, từ đó điều

khiển được tốc độ động cơ trên máy tính thông qua giao diện LabVIEW

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài

- Ôn lại kiến thức chuyên ngành về điều khiển động cơ và các cảm biến có trên

động cơ TOYOTA Yaris 2SZ – FE

- Lập trình chương trình thu thập tín hiệu các cảm biến, và chương trình giả tín hiệu

kép tới bàn đạp ga bằng Arduino

- Thiết kế giao diện LabVIEW để theo dõi, điều khiển động cơ.

- Thiết kế phần cứng để đảm bảo an toàn việc kết nối board Arduino và các tín hiệu

từ cảm biến và xung cần thu thập, điều khiển

- Bàn đạp ga thật và bàn đạp ga trên máy tính hoạt động cùng nhau, tín hiệu nào

truyền đi lớn hơn thì động cơ sẽ hoạt động theo tín hiệu đó, không bị xung đột tín hiệu

1.4 Phương pháp thực hiện

- Bắt đầu nghiên cứu từ những ứng dụng cơ bản nhất của hai phần mềm Arduino vàLabVIEW rồi sau đó dần đi vào mục đích nghiên cứu chính của đề tài là điều khiểnbàn đạp ga điện tử

- Tham khảo nhiều nguồn tài liệu từ trên mạng và sách giáo trình liên quan đến đềtài về các phần mềm, giao tiếp SPI và các giao tiếp khác Đặt biệt được sự hướng dẫnchu đáo từ thầy hướng dẫn và việc trao đổi kiến thức cùng các nhóm khác và các bạnkhóa trước Từ đó nhóm đã có đủ cơ sở kiến thức để thực hiện đề tài này

1.5 Kế hoạch nghiên cứu

Với sự định hướng của giáo viên hướng dẫn, nhóm đã thực hiện đề tài theo các giaiđoạn sau:

Giai đoạn 1: Nghiên cứu các tài liệu phần mềm liên quan đến đề tài

- Lập trình về Arduino làm các ứng dụng cơ bản có liên quan đến đề tài.

- Lập trình về LabVIEW thực hiện hiển thị kết quả đơn giản.

- Nắm cơ bản các hệ thống liên quan trên mạch điện xe Toyota Yaris 2SZ-FE.

- Ôn lại kiến thức về hệ thống điều khiển động cơ và các cảm biến.

Giai đoạn 2: Thiết kế phần cứng, phần mềm cho đề tài nghiên cứu và nghiên cứu điều

khiển bàn đạp ga điện tử

- Thiết kế phần cứng là bộ thu tín hiệu và giả tín hiệu kép điều khiển bàn đạp ga điện tử

- Thiết kế phần mềm là hoàn thành chương trình trên phần mềm Arduino và LabVIEW

để thu thập dữ liệu ổn định, đồng thời điều khiển bàn đạp ga theo cài đặt cho trước

- Tìm hiểu về điều khiển bàn đạp ga điện tử trên động cơ tránh xung đột xung, nghiên

cứu tìm hiểu mạch “OR”

Giai đoạn 3: Tiến hành thu thập tín hiệu, điều khiển bàn đạp ga và viết thuyết minh.

- Nổ máy xe và thực hiện thu thập, truyền dữ liệu đi điều khiển.

- Làm video về quá trình thực hiện kết quả đề tài thực nghiệm.

- Viết thuyết minh bằng Word.

- Viết báo cáo bằng Powerpoint để thuyết trình.

- Điều chỉnh tỉ lệ hỗn hợp theo tải của động cơ: Ở tốc độ cầm chừng đòi hỏi hỗnhợp hơi giàu, khi tải lớn phải làm giàu hỗn hợp để công suất động cơ phát ra tối đa vàkhi động cơ hoạt động ở tải trung bình phải đảm bảo động cơ chạy tiết kiệm

- Cắt nhiên liệu khi giảm tốc: Khi giảm tốc ECU sẽ căn cứ vào cảm biến số vòngquay động cơ và cảm biến vị trí bướm ga để cắt nhiên liệu, nhằm tiết kiệm nhiên liệu

và giảm ô nhiễm môi trường Tốc độ cắt nhiên liệu phụ thuộc nhiệt độ nước làm mát,khi nhiệt độ động cơ càng thấp thì tốc độ cắt nhiên liệu càng cao

- Làm giàu hỗn hợp khi tăng tốc: Khi ấn ga đột ngột từ vị trí cầm chừng, ECU sẽtăng lượng nhiên liệu cung cấp để làm giàu hỗn hợp giúp cho động cơ tăng tốc nhanhchóng

Mạch điện và cảm biến vị trí bướm ga

Hình 2.2: Ảnh cảm biến rời và trên xe.

Hình 2.3: Đường đặc tuyến cảm biến vị trí bướm ga

2.1.2 Cảm biến nhiệt độ

Trên các hệ thống điều khiển động cơ và ô tô ngày nay người ta sử dụng khá nhiềucảm biến đo nhiệt độ: nhiệt độ động cơ (nhiệt độ nước làm mát – ECT Engine CoolantTemperature), nhiệt độ dầu (EOT - Engine Oil Temperature), nhiệt độ nắp máy (CHT -

Cylinder Head Temperature, nhiệt độ khí nạp (IAT - Intake Air Temperature hay MAT– Manifold Air Temperature).

Trong phần đồ án này chỉ lấy tín hiệu cảm biến nhiệt độ khí nạp và nhiệt độ động cơ, các cảm biến đo nhiệt độ này có cấu tạo và mạch điện giống nhau, thường là một điệntrở nhiệt (thermistor) mắc trong mạch cầu phân áp

Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ này là dựa vào sự thay đổi giá trị điệntrở, dựa trên sự thay đổi nhiệt độ nên dẫn đến sự thay đổi điện áp ở cầu phân áp Chitiết quan trọng đó là điện trở nhiệt là một phần tử cảm nhận sự thay đổi điện trở theonhiệt độ Nó được làm bằng vật liệu bán dẫn nên có hệ số nhiệt điện trở âm (NCT –Negative Temperature Coefficient) Khi nhiệt độ tăng thì điện trở giảm và ngược lại.Các loại cảm biến nhiệt độ hoạt động cùng nguyên lý nhưng mức hoạt động và sự thayđổi điện trở theo nhiệt độ có khác nhau Sự thay đổi giá trị điện trở sẽ làm thay đổi giátrị điện áp được gửi đến ECU trên nền tảng cầu phân áp

2.1.3.Cảm biến nhiệt độ động cơ

Hình 2.4: Cảm biến nhiệt độ động cơ

Cảm biếm này rất quan trọng vì tín hiệu của nó được ECU dùng để điều khiển lượngxăng phun, góc đánh lửa sớm, tốc độ không tải, và cả quạt làm mát két nước

Điện áp 5V qua điện trở chuẩn (điện trở này có giá trị không đổi theo nhiệt độ) tớicảm biến rồi trở ECU về mass (-) Như vậy điện trở chuẩn và nhiệt điện trở trong cảmbiến tạo thành một cầu phân áp Điện áp giữa cầu được đưa đến bộ chuyển đổi tương

tự - số (bộ chuyển đổi ADC – analog to digital converter)

Khi nhiệt độ động cơ thấp, giá trị điện trở cảm biến cao và điện áp gửi đến bộ biếnđổi ADC lớn Tín hiệu điện áp được chuyển đổi thành một dãy xung vuông và đượcgiải mã nhờ bộ vi xử lý để thông báo cho ECU biết động cơ đang lạnh Khi động cơnóng, giá trị điện trở cảm biến giảm kéo theo điện áp đặt giảm, báo cho ECU biết làđộng cơ đang nóng.

ECU dùng nhiệt độ chuẩn là C Khi nhiệt độ nước làm mát bé hơn C, ECU sẽ điềukhiển tăng lượng phun

Khi nhiệt độ nước làm mát thay đổi, điện áp tại cực THW thay đổi theo và ECUdùng tín hiệu này để hiệu chỉnh lượng phun nhiên liệu

Mạch điện

Hình 2.5: Mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Lượng nhiên liệu phun thay đổi theo nhiệt độ nước làm mát là rất lớn Khi cảm biến

bị hở mạch thì điện áp tại cực THW sẽ rất cao, lượng nhiên liệu phun sẽ tăng mạnhlàm động cơ bị ngộp xăng không thể hoạt động được Khi cảm biến bị ngắn mạch, điện

áp tại cực THW là bé nhất làm cho động cơ hoạt động không ổn định, nhất là khi nhiệt

độ động cơ dưới C

Bảng 2.1: Giá trị đặc tính cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Hình 2.6: Đường đặc tính cảm biến nhiệt độ

2.1.4 Cảm biến nhiệt độ không khí nạp, THA hoặc TA, MAT:

Hình 2.7: Cảm biến nhiệt độ khí nạp

Cảm biến dùng để xác định nhiệt độ không khí nạp vào động cơ Mật độ của khôngkhí thay đổi theo nhiệt độ, điều này có nghĩa là khối lượng không khí nạp vào động cơphụ thuộc vào nhiệt độ của lượng không khí nạp.

Cảm biến được bố trí ở phía trước họng bướm ga, phần chính cảm biến là một điệntrở có trị số nhiệt điện trở âm ECU dùng nhiệt độ cơ bản là C để giảm lượng nhiênliệu phun khi nhiệt độ không khí nạp tăng cao và sẽ gia tăng lượng nhiên liệu khi nhiệt

Bảng 2.2: Giá trị đặc tính cảm biến nhiệt độ không khí nạp

Hình 2.9: Đường đặc tính cảm biến nhiệt độ không khí nạp

2.1.5 Cảm biến vị trí bàn đạp ga

Hình dạng và vị trí

Hình 2.10: Cảm biến vị trí bàn đạp ga

Hình 2.12: Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bàn đạp ga

Sử dụng loại cảm biến chiết áp (thay đổi giá trị điện trở) Chiết áp là loại biến trởdùng để ghi nhận vị trí và hướng chuyển động của một cơ phận để báo cho máy tính.Tất cả các triết áp điều có 3 đầu dây nối Đầu thứ 3 là tín hiệu nó lướt tự do trên điệntrở, khi dây tín hiệu lướt tự do trên điện trở thì điện áp sẽ thay đổi

Cảm biến vị trí bàn đạp ga và van định lượng luôn là loại chiết áp Tại mọi thờiđiểm máy tính đều cần biết vị trí và hướng chuyển động của chân ga và van định lượngđược liên kết cơ khí với dây tín hiệu Một đầu dây kia cung cấp điện áp ổn định 5volts

từ ECU Khi trục bàn đạp hay trục dẫn động van định lượng xoay thì điện áp dây tínhiệu sẽ thay đổi báo cho ECU biết đang tăng tốc hay thay đổi.

Hình 2.13: Đường đặc tính của cảm biến bàn đạp ga

Hình 2.14: Sơ đồ thứ tự giắc điện cảm biến vị trí bàn đạp ga

Ký hiệu các chân của cảm biến vị trí bàn đạp ga:

1: VPA2 (xanh dương)

3: VCP2 (trắng)

5: EPA (xanh lá)

Thông số kiểm tra:

Bảng 2.3: Thông số kiểm tra cảm biến vị trí bàn đạp ga

Điều kiện làm việc Giá trị hiển thị

VPA (Volt)

Giá trị hiển thị VPA2 (Volt)

2.1.6 Cảm biến khối lượng khí nạp

Hiện nay hầu hết các xe đều sử dụng cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu dây nóng vì

nó đo chính xác hơn, trọng lượng nhẹ hơn và độ bền cao hơn

Cấu tạo

- Cấu tạo của cảm biến rất đơn giản

Hình 2.25: Cấu tạo cảm biến dây nhiệt

Hoạt động và chức năng

Hình 2.36: Hoạt động của cảm biến dây nhiệt

Hình 2.47: Mạch điện cảm biến dây nhiệt

Hoạt động của cảm biến được thể hiện thông qua một dây sấy được ghép vào mạch cầu Mạch cầu này có đặc tính là các điện thế tại điểm A và B bằng nhau khi tích của điện trở theo đường chéo bằng nhau ([Ra + R3] * R1 = Rh*R2)

Hình 2.18: Đường đặc tính cảm biến dây nhiệt

2.2 Điều khiển động cơ

2.2.1 Điều khiển đánh lửa

Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS)

DIS là một hệ thống phân phối trực tiếp điện cao áp đến các bugi từ cuộn đánh lửa

mà không dùng bộ chia điện Ở động cơ 2SZ- FE, Igniter được đặt bên trong bôbin vàbôbin được đặt trực tiếp vào đầu bugi Số lượng bôbin bằng với số xylanh động cơ

IC đánh lửa sẽ phản hồi lại một tín hiệu xác nhận đánh lửa IGF tới ECU.

Hình 2.20: Dạng xung tín hiệu IGT và IGF

Tín hiệu thời điểm đánh lửa IGT:

- Tín hiệu IGT do ECU phát ra trước điểm chết trên ở quá trình nén và có dạng

xung vuông

- Tín hiệu này được thông qua ECU điều khiển dòng điện trong cuộn sơ cấp

bôbin Khi tín hiệu này mất, dòng điện qua cuộn sơ cấp bôbin ngắt, làm xuấthiện trong cuộn thứ cấp một suất điện động cảm ứng có điện áp cao Điện ápnày làm bugi phát ra tia lửa điện và đánh lửa

Hình 2.5: Xung điều khiển đánh lửa

Tín hiệu xác nhận đánh lửa IGF:

- Tín hiệu IGF dùng để xác nhận việc đánh lửa bằng cách kiểm tra xem có dòng

điện đi qua cuộn sơ cấp bô bin hay không Nếu không có tín hiệu IGF, ECU sẽcho dừng hoàn toàn việc đánh lửa

Hình 2.6: Mạch xác nhận tín hiệu đánh lửa IGF

2.2.2 Điều khiển phun nhiên liệu

Hình 2.7: Sơ đồ mạch điều khiển bơm xăng

Điều khiển bơm nhiên liệu:

- Khi khởi động có tín hiệu STA gửi về ECU ECU điều khiển Tr1 mở, có dòng điện

+B qua cuộn dây rơ le mở mạch làm rơ le đóng Dòng điện từ +B qua tiếp điểm rơ leđến bơm làm bơm quay

- Khi động cơ nổ có tín hiệu Ne gửi về ECU, ECU điều khiển bơm tiếp tục quay

- Khi xe gặp sự cố hoặc contact máy OFF, không có tín hiệu Ne, ECU sẽ điều khiển

bơm ngừng quay

Mạch dẫn động kim phun

Hình 2.8: Sơ đồ mạch điều khiển phun nhiên liệu

Đối với động cơ 2SZ – FE, kim phun là thuộc loại điện trở cao Khi bộ vi xử lý điềukhiển transitor trong ECU mở sẽ có dòng điện đi qua kim phun, làm cho van kim đượcnhấc lên và nhiên liệu được phun vào đường ống nạp theo thứ tự công tác Lượng nhiên liệu phun thay đổi phụ thuộc vào thời gian mở của các transistor tương ứng.Điều khiển phun:

ECU động cơ nhận các tín hiệu từ nhiều cảm biến khác nhau thông báo về sự thay đổi của các chế độ hoạt động của động cơ như:

2.3 Ứng dụng vi điều khiển trong điều khiển động cơ

2.3.1 Phương pháp điều xung PWM

Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnhđiện áp ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộngcủa chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra

Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm

Hình 2.9: Đồ thị dạng xung điều chế PWM

 Ứng dụng của PWM trong điều khiển

PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển Điển hình nhất mà chúng ta thườnghay gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp Sử dụng PWM điều khiển

độ nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa, nó còn được dùng để điều khiển sự ổnđịnh tốc độ động cơ

Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM còn tham gia và điều chế cácmạch nguồn như : boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha

PWM còn gặp nhiều trong thực tế ở các mạch điện điều khiển Điều đặc biệt làPWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đường đặc tính làtuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định Như vậy PWM được ứng dụng rất nhiều

trong các thiết bị điện- điện tử PWM cũng chính là nhân tố mà các đội Robocon sửdụng để điều khiển động cơ hay ổn định tốc độ động cơ.

 Nguyên lý hoạt động của PWM

Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn của tải mộtcách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt Phần tử thực hiện nhiện vụ đótrong mạch các van bán dẫn

Hình 2.10: Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra

Nguyên lý : Trong khoảng thời gian 0 - t0, ta cho van G mở, toàn bộ điện áp nguồn

Ud được đưa ra tải Còn trong khoảng thời gian t0 - T, cho van G khóa, cắt nguồn cungcấp cho tải Vì vậy với t0 thay đổi từ 0 cho đến T, ta sẽ cung cấp toàn bộ , một phầnhay khóa hoàn toàn điện áp cung cấp cho tải

 Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải :

Gọi t1 là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở ) còn T là thời gian của cả sườn âm

và dương, Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải Ta có:

Ud = Umax.( t1/T) (V)

hay Ud = Umax.D (Với D = t1/T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng % tức làPWM)

Như vậy ta nhìn trên hình đồ thị dạng điều chế xung thì ta có : Điện áp trung bìnhtrên tải sẽ là :

Ud = 12.20% = 2.4V ( với D = 20%)

Ud = 12.40% = 4.8V (Vói D = 40%)

Ud = 12.90% = 10.8V (Với D = 90%)

 Các cách để tạo ra được PWM để điều khiển

Để tạo được ra PWM thì hiện nay có hai cách thông dụng : Bằng phần cứng và bằng

phần mềm.

Trong phần cứng có thể tạo bằng phương pháp so sánh hay là từ trực tiếp từ các IC

dao động tạo xung vuông như : 555, LM556

Trong phần mềm được tạo bằng các chip có thể lập trình được Tạo bằng phần mềmthì độ chính xác cao hơn là tạo bằng phần cứng Nên người ta hay sử dụng phần mềm

để tạo PWM

Ở đây ta tham khảo 2 cách điều chế PWM phổ biến: bằng phương pháp so sánh vàtạo xung vuông bằng phần mềm

 PWM trong điều khiển động cơ và trong các bộ biến đổi xung áp

Trong động cơ : Điều mà chúng ta dễ nhận thấy rằng là PWM rất hay được sử dụng

trong động cơ để điều khiển động cơ hoạt động nhanh, chậm, thuận ,nghịch và ổn địnhtốc độ cho nó Cái này được ứng dụng nhiều trong điều khiển động cơ 1 chiều