BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRẦN HƯNG THƯ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ Ô TÔ Chuyên ngành : Tự ñộng hóa Mã số: 60.52.60 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Đà Nẵng – năm 2012 Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Thành Bắc Phản biện 1: Phản biện 2: Luận văn sẽ ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Tự ñộng hóa họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày . tháng 06 năm 2012. Có thể tìm hiều luận văn tại: - Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng. - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng. 1 MỞ ĐẦU 1. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Thiết kế hệ thống ñiều khiển tự ñộng cung cấp nhiên liệu cho ñộng cơ ô tô nhằm mục ñích: - Loại bỏ hiện tượng kẹt hoặc bó hay xảy ra với cơ cấu bướm ga ñiều khiển bằng cơ khí do lò xo bướm ga không thể hồi về. Điều này ngăn cản bướm ga ñóng lại (gây hiệu ứng chạy quá ở ñộng cơ). - Bướm ga ñiều khiển ñiện tử cũng giúp giảm khí thải và cải thiện mức ñộ tiêu hao nhiên liệu ở ñộng cơ. - Ưu ñiểm chính của bướm ga ñiều khiển ñiện tử chính là nó cho phép ñộng cơ có thể kết hợp ñiều khiển momen với ñiều khiển hành trình chạy xe, ñiều khiển lực kéo và ñiều khiển ổn ñịnh. 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu của ñề tài là ñiều khiển mô tơ ñiện một chiều quay bướm ga trong ñộng cơ xe Toyota ñời 5A-FE. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hệ thống ñiều khiển cấp nhiên liệu, sự ảnh hưởng của các thông số, góc mở của bướm ga ñến hệ thống. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các phương pháp ñiều khiển ñộng cơ một chiều và thiết kế hệ thống ñiều khiển tự ñộng cung cấp nhiên liệu cho ñộng cơ ô tô. Thiết kế hệ thống ñiều khiển vị trí bướm ga và mô phỏng kết quả trên phần mềm Matlab Sinmulink. 2 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu tổng quan về hệ thống ñiều khiển bướm ga ñiện tử, hệ thống cấp nhiên liệu cho ñộng cơ ô tô, các cảm biến sử dụng trong ô tô và khối cấp gió của ñộng cơ. Nguyên cứu các kỹ thuật ñiều khiển vị trí cho ñộng cơ DC: ñiều khiển mờ, thích nghi, neural, PID . và lựa chọn phương án thiết kế hệ thống. Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống ñiều khiển vị trí bướm ga dùng ñộng cơ DC bằng phần mềm Matlab. 4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ TÀI Tối ưu hóa quá trình cung cấp nhiên liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và các vấn ñề khác liên quan ñến kỹ thuật ñiều khiển hệ thống tự ñộng. Có thể kết hợp với một số bộ ñiều khiển khác và tích hợp thêm một số cảm biến trên ô tô nhằm tăng ñộ an toàn cho người ñiều khiển xe, mở ra phương pháp ñiều khiển mới tối ưu. 5. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN Chương 1: Tổng quan về hệ thống cung cấp nhiên liệu ñiện tử trên ô tô. Chương 2: Động cơ ñiện một chiều và các phương pháp ñiều khiển vị trí ñộng cơ ñiện 1 chiều. Chương 3: Thiết kế hệ thống tự ñộng cung cấp nhiên liệu dùng ñộng cơ ñiện một chiều. Ch ương 4: Điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu trên ñộng cơ ô tô ứng dụng ñiều khiển mờ. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ 1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU 1.1.1. Hệ thống cung cấp nhiên liệu ñã và ñang sử dụng 1.1.2. Hệ thống cung cấp nhiên liệu trên ñộng cơ xăng 1.2. HỆ THỐNG ETCS-I 1.2.1. Mô tả Góc mở của bướm ga thông thường ñược ñiều khiển trực tiếp bằng dây cáp nối từ bàn ñạp ga ñến bướm ga ñể mở và ñóng nó. Trong hệ thống này, dây cáp ñược loại bỏ, và ECU ñộng cơ dùng môtơ ñiều khiển bướm ga ñể ñiều khiển góc mở của bướm ga ñến một giá trị tối ưu tương ứng với mức ñộ ñạp bàn ñạp ga. Ngoài ra, góc mở của bàn ñạp ga ñược nhận biết bằng cảm biến vị trí bàn ñạp ga, và góc mở của bướm ga ñược nhận biết bởi cảm biến vị trí bướm ga. Hệ thống ECTS-i bao gồm cảm biến vị trí bướm ga, ECU ñộng cơ và cổ họng gió. Cổ họng gió bao gồm bướm ga, môtơ ñiều khiển bướm ga, cảm biến vị trí bướm ga và các bộ phận khác. Trong ñó ECM(Engine Control Unit) là một modul của ECU. 1.2.2. Cấu tạo và hoạt ñộng Góc mở của bướm ga thông thường ñược ñiều khiển trực tiếp bằng dây cáp nối từ bàn ñạp ga ñến bướm ga ñể mở và ñóng nó. Trong h ệ thống này, dây cáp ñược loại bỏ, và ECU ñộng cơ dùng môtơ ñiều khiển bướm ga ñể ñiều khiển góc mở của bướm ga ñến 4 một giá trị tối ưu tương ứng với mức ñộ ñạp bàn ñạp ga. Ngoài ra, góc mở của bàn ñạp ga ñược nhận biết bằng cảm biến vị trí bàn ñạp ga, và góc mở của bướm ga ñược nhận biết bởi cảm biến vị trí bướm ga. Hệ thống ECTS-i bao gồm cảm biến vị trí bướm ga, ECU ñộng cơ và cổ họng gió. Cổ họng gió bao gồm bướm ga, môtơ ñiều khiển bướm ga, cảm biến vị trí bướm ga và các bộ phận khác. Hình 1.4. Hệ thống ñiều khiển bướm ga ñiện tử thông minh 1.2.2.1. Cấu tạo và hoạt ñộng của cổ họng gió 1.2.2.2. Các chế ñộ ñiều khiển ETCS-i ñiều khiển góc mở của bướm ga ñến giá trị tối ưu nhất tùy theo mức ñộ nhấn của bàn ñạp ga. Về cơ bản, ñộng cơ sử dụng chế ñộ bình thường, nhưng có thể dùng công tắc ñiều khiển ñể chuyển sang chế ñộ công suất cao hay ñi ñường tuyết. + Điều khiển chế ñộ thường Đây là chế ñộ ñiều khiển cơ bản ñể duy trì sự cân bằng giữa tính dễ vận hành và chuyển ñộng êm. 5 + Điều khiển chế ñộ ñường trơn trượt Chế ñộ ñiều khiển này giữ cho góc mở bướm ga nhỏ hơn so với chế ñộ bình thường ñể tránh trượt khi lái xe trên ñường trơn trượt trong trường hợp này ma sát bánh xe với mặt ñường nhỏ do vậy ở chế ñộ này ñộng cơ xe chạy ở tốc ñộ thấp ñể ñảm bảo không bị trơn trượt ví dụ như ñường có tuyết rơi. + Điều khiển chế ñộ công suất cao Ở chế ñộ này, bướm ga mở lớn hơn so với chế ñộ bình thường. Do ñó, chế ñộ này mang lại cảm giác ñộng cơ ñáp ứng ngay với thao tác ñạp ga và xe vận hành mạnh mẽ hơn so với chế ñộ thường. Chế ñộ này chỉ có ở một số kiểu xe. 1.3. CÁC CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH 1.3.1. Các cảm biến 1.3.1.1. Cảm biến vị trí bướm ga (TPS) 1.3.1.2. Cảm biến vị trí bàn ñạp ga APPS 1.3.2. Cơ cấu chấp hành 1.3.3. Mô tơ ñiều khiển bướm ga 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Trong chương tác giả ñã giới thiệu tổng quan về hệ thống cung cấp nhiên liệu trên ô tô, hệ thống ñiều khiển bướm ga ñiện tử thông minh và các cảm biến ñược sử dụng trong hệ thống ñiều khiển ô tô. Các khái quá trên sẽ làm cơ sở lý thuyết ñể thiết kế hệ thống ñiều khiển bướm ga ñiện tử sử dụng ñộng cơ ñiện 1 chiều 24V ñược trong ch ương 3. 6 CHƯƠNG 2 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.1. KHÁI QUÁT CHUNG Hiện nay ñộng cơ ñiện một chiều vẫn ñược dùng rất phổ biến trong các hệ thống truyền ñộng ñiện chất lượng cao, dải công suất ñộng cơ một chiều từ vài W ñến hàng MW. Đây là loại ñộng cơ ña dụng và linh hoạt, có thể ñáp ứng yêu cầu mômen, tăng tốc, và hãm với tải trọng nặng. Động cơ ñiện một chiều cũng dễ dàng ñáp ứng với các truyền ñộng trong khoảng ñiều khiển tốc ñộ rộng và ñảo chiều nhanh với nhiều ñặc tuyến quan hệ mômen - tốc ñộ, tốc ñộ - vị trí. Trong ñộng cơ ñiện một chiều, bộ biến ñổi ñiện chính là các mạch chỉnh lưu ñiều khiển. Chỉnh lưu ñược dùng làm nguồn ñiều chỉnh ñiện áp phần ứng ñộng cơ. 2.1.1. Mô tả toán học 2.1.1.1. Chế ñộ xác lập của ñộng cơ ñiện một chiều 2.1.1.2. Chế ñộ quá ñộ của ñộng cơ ñiện một chiều 2.2.2.3. Trường hợp khi từ thông kích từ không ñổi 2.1.2. Mô tả toán học chỉnh lưu ñiều khiển 2.2. ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ VÀ NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ 2.2.1. Nguyên tắc xây dựng hệ ñiều chỉnh vị trí 2.2.2. H ệ ñiều chỉnh vị trí tuyến tính 7 2.3. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ PID CHO ĐỘNG CƠ DC 2.3.1. Các thông số ban ñầu 2.3.1.1. Biến dòng ño lường Tính chất của bộ biến dòng tương tự với bộ chỉnh lưu, ta có hàm truyền bộ biến dòng là: . 2.3.1.2. Máy phát tốc Hàm truyền của máy phát tốc có dạng: 2.3.1.3. Cảm biến vị trí Hàm truyền của cảm biến phản hồi vị trí có dạng: 2.3.2. Tổng hợp các mạch vòng ñiều khiển 2.3.2.1. Tổng hợp mạch vòng dòng ñiện Trên hình 2.12 là sơ ñồ mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện. Hình 2.12. Sơ ñồ mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện Trong ñó: 8 u u u L R T = : Hằng số thời gian ñiện từ của mạch phần ứng K i =R s : Điện trở của mạch Sensor T i =R.C : Hằng số thời gian của sensor dòng ñiện. J : Momen quán tính Viết ngắn gọn lại ta có sơ ñồ như trên hình 2.13. Hình 2.13. Mạch vòng dòng ñiện Từ sơ ñồ trên hình 2.12 và hình 2.13 ta có hàm truyền của ñối tượng ñiều khiển của mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện:         += + = PTTKK TR R T KKp PT pR usiicl uu u si icl u i 1 1 .2 . .2 1 )( (2.23) R i (p) là khâu tỷ lệ - tích phân (PI). Hình 2.14. Sơ ñồ cấu trúc của hệ ñiều chỉnh tốc ñộ và vị trí 2.3.2.2. Tổng hợp mạch vòng tốc ñộ Vi ết gọn sơ ñồ hình 2.14 ta có sơ ñồ mạch vòng ñiều chỉnh tốc ñộ như trên hình 2.15. . thống cấp nhiên liệu cho ñộng cơ ô tô, các cảm biến sử dụng trong ô tô và khối cấp gió của ñộng cơ. Nguyên cứu các kỹ thuật ñiều khiển vị trí cho ñộng cơ DC:. cơ quay với chiều ngược lại ñể ñưa vị trí bướm ga quay theo chiều ngược lại ñể giảm lượng nhiên liệu cung cấp cho ñộng cơ ô tô, giảm tốc ñộ ñộng cơ ô tô.