CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
260
KHOA H
ỌC
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUẠT LÀM MÁT ĐỘNG CƠ TRÊN CÁC MẪU XE Ô TÔ ĐỜI MỚI
RESEARCH ON ENGINE COOLING FAN CONTROL SYSTEM ON NEW CAR MODELS Nguyễn Văn Tuấn1,*, Đoàn Công Thành2 TÓM TẮT Hệ thống làm mát động cơ là hệ thống rất quan trọ
ng trên xe ô tô. Trên các
ô tô đời mới hiện nay thường sử dụng động cơ điện một chiều để dẫn động quạ
t
làm mát động cơ. Đồng thời, để điều khiển quạ
t làm mát trên các ô tô này dùng
bộ điều khiển ECU. Nhóm tác giả thực hiện nghiên cứu mô phỏng mạch điề
u
khiển quạt làm mát dùng ECU bằng phần mề
m Proteus và CodevisionAVR.
Trong đó, phần mềm Proteus được dùng để mô phỏng mạch điều khiển và phầ
n
mềm CodevisionAVR được dùng để viết chương trình điều khiể
n. Trong nghiên
cứu này, vi điều khiển sử dụng cho ECU là Atmega16. Kết quả nghiên cứ
u cho
thấy, mạch và chương trình điều khiển điều khiển được quạt làm mát theo nhiệ
t
độ làm việc của động cơ, đồng thời chương trình điều khiển có thể cài đặ
t
ngưỡng điểu khiển quạt làm mát theo yêu cầu nhiệt độ làm việc ổn định củ
a các
loại động cơ ô tô khác nhau. Việc mô phỏng được sử dụng làm tiền đề cho việ
c
thiết kế và chế tạo hê thống điều khiển quạt làm mát động cơ qua sự hỗ trợ củ
a
phần mềm Altium designer. Từ khóa: Điều khiển quạt làm mát động cơ; hệ thống làm mát động cơ; quạ
t
làm mát động cơ. ABSTRACT
The engine cooling system is a very important system in a car. On modern cars
today often use a DC motor to drive the engine cooling fan. At the same time, to
control the cooling fan on these cars, the ECU
controller is used. The author
conducts research to simulate a cooling fan control circuit using ECU using Proteus
and CodevisionAVR software. In which, Proteus software is used to simulate the
control circuit and CodevisionAVR software is used to write th
e control program.
In this study, the microcontroller used for the ECU is Atmega16. The research
results show that the control circuit and control program can control the cooling
fan according to the working temperature of the engine, and the control progr
am
can set the cooling fan control threshold according to the working temperature
requirements. stability of different types of automobile engines. The simulation is
used as a premise for the design and manufacture of the engine cooling fan
control system with the support of Altium designer software. Keywords: Engine cooling fan control; engine cooling system; engine cooling fan. 1Lớp Kỹ thuật Ô tô 01 - K14, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nộ
i
2Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: nguyenvantuan22022001@gmail.com 1. GIỚI THIỆU Trên các ô tô đời mới đều sử dụng quạt làm mát cho động cơ dẫn động bằng động cơ điện một chiều. Để điều khiển động cơ điện dẫn động quạt làm mát trên các ô tô này thường dùng ECU. Ở nước ngoài một số nghiên cứu đã tiến hành xây dựng mô hình điều khiển hệ thống làm mát dạng toán học dùng phần mềm matlab simulink, đây là một phương pháp tốt tuy nhiên yêu cầu vi điều khiển có tốc độ và cấu hình cao dẫn đến chi phí nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển lớn. Bài báo trình bày nghiên cứu mô phỏng mạch điều khiển, thuật toán điều khiển và chương trình điều khiển quạt làm mát dùng ECU bằng phần mềm Proteus và codevisionavr. Kết quả mô phỏng được sử dụng làm tiền đề cho việc thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống điều khiển quạt làm mát động cơ trên ô tô bằng phần mềm Altium designer với thuật toán và chương trình điều khiển không cần quá nặng về toán học mà vẫn đảm bảo chính xác và chi phí nghiên cứu thiết kế chế tạo nhỏ sẽ được công bố trong các nghiên cứu tiếp theo. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu là các mẫu Sedan của Toyota Và Mitsubishi Các công cụ phần mềm: Phần mềm Proteus để mô phỏng hệ thống; Phần mềm CodevisionAVR để viết chương trình điều khiển hệ thống để nạp vào ECU trong mạch mô phỏng trên phần mềm Proteus và ECU trên mô hình thực tế; Phần mềm Atium designer để thiết kế mạch nguyên lý và mạch in mô hình hệ thống. 3. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG Sơ đồ mô phỏng mạch điều khiển quạt làm mát dùng ECU được thực hiện trên phần mềm Proteus (hình 1). Mạch điều khiển quạt làm mát sử dụng vi điều khiển Atmega16. Cảm biến đo nhiệt độ động cơ được sử dụng là loại LM35. Trong nghiên cứu này, vi điều khiển được chọn là Atmega16, đây là dòng vi điều khiển 8 bit, các thông số chính của vi điều khiển Atmega16 được thể hiện trong bảng 1. Atmega16 là vi điều điều khiển có tần số làm việc tối đa 16MHz, có tích hợp các cổng ADC dùng để đọc tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ LM35 gửi về, đồng thời vi điều khiển này có sẵn tại thị trường Việt Nam, giá thành phù hợp cho bước tiếp theo là nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống điều khiển quạt làm mát động cơ ô tô với chi phí nhỏ mà vẫn đảm báo tính chính xác trong quá trình điều khiển.
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 261
Hình 1. Sơ đồ mô phỏng mạch điều khiển quạt làm mát động cơ LCD1- Màn hình hiển thị; Atmega16- Vi điều khiển (ECU); QUAT LAM MAT- động cơ điện dẫn động quạt làm mát; T1,Q1- Transistor; CAMBIENNHIETDO- cảm biến nhiệt độ động cơ; R1,R2- điện trở Bảng 1. Các thông số cơ bản của vi điều khiển Atmega16 Thông số Giá trị Điện áp làm việc 4,5 - 5,5V Tần số làm việc 0 - 16MHz Số chân loại PDIP 40 Số chân I/O 32 Số chân ADC 10 bit 8 Số kênh PWM 4 Số kênh time 8 bit 2 Số kênh time 16 bit 1 Bộ nhớ chương trình flash 16 K bytes Bộ nhớ EEPROM 512 bytes Bộ nhớ SRAM 1 K bytes Có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ khác nhau có thể sử dụng để đo nhiệt độ. Tùy theo yêu cầu về độ chính xác, dải đo và chi phí… mà lựa chọn cho phù hợp. Xét trên nhiều yêu cầu thì cảm biến nhiệt độ Lm35 được lựa chọn để vì có độ chính xác, dải đo của cảm biến này phù hợp, đồng thời cảm biến này có sẵn tại thị trường Việt Nam với giá thành thấp. Một số thông số chính của cảm biến LM35 được giới thiệu trong bảng 2. Bảng 2. Các thông số của cảm biến nhiệt độ LM35 Thông số Giá trị Dải đo -55 ÷ 150oC Độ chính xác 0,5oC Dòng tiêu thụ < 60µA Điện áp nguồn 4 ÷ 30V Để điều khiển cấp dòng cho động cơ điện một chiều có thể dùng nhiều loại Transistor công suất khác nhau như: 2N6547, 2N6545, 2N6609, 2N1711, 2N1893, 2N2219, 2SA1085, 2SA715... Tùy theo yêu cầu về công suất và chi phí... mà lựa chọn cho phù hợp. Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu lựa chọn Transistor T1 là loại 2N6547 có công suất, điện áp và chi phí phù hợp đồng thời có sẵn tại thị trường Việt Nam. Transistor T1 được dùng để điều khiển cấp dòng cho động cơ điện dẫn động quạt làm mát. Các thông số cơ bản của transistor 2N6547 được thể hiện trong bảng 3. Bảng 3. Các thông số của Transistor 2N6547 Thông số Giá trị Công suất lớn nhất 175W Dòng điện lớn nhất cực C 30A Dòng điện lớn nhất cực B 20A Dải nhiệt độ làm việc -65 ÷ 200oC Thuật toán điều khiển Thuật toán điều khiển quạt làm mát động cơ ô tô dạng flowchart được thể hiện trên hình 2, cụ thể được thực hiện theo trình tự sau: - Tính ADC (Analog Digital Converter) là hàm đọc giá trị ADC từ cảm biến nhiệt độ động cơ gửi về ECU; - Tính nhiệt độ là hàm chuyển đổi giá trị điện áp thành giá trị nhiệt độ; - So sánh giá trị nhiệt độ động cơ thực với nhiệt độ ổn định của động cơ (nhiệt độ ổn định của động cơ được lưu trong bộ nhớ của vi điều khiển), nếu nhiệt độ động cơ thực lớn hơn nhiệt độ ổn định của động cơ thì điều khiển động cơ quạt gió quay và ngược lại thì điều khiển động cơ quạt gió dừng; nếu nhiệt độ động cơ quá cao thì điều khiển quạt chạy và đèn báo sáng lên; - Quá trình tính toán được lặp lại liên tục nhằm điều khiển quạt làm mát chính xác theo nhiệt độ làm việc của động cơ. Hình 2. Thuật toán điều khiển
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
262
KHOA H
ỌC
Chương trình điều khiển Chương trình điều khiển được thực hiện trên phần mềm CodeVisionAVR được viết bằng ngôn ngữ lập trình C++ bao gồm một số hàm điều khiển chính sau: + Hàm đọc giá trị ADC từ cảm biến nhiệt độ LM35 gửi về ECU: adc = read_adc(0); + Hàm chuyển đổi giá trị điện áp thành tín hiệu nhiệt độ: nhietdo = ((adc*5.0)/1023.0)*100.0; + Hàm điều khiển động cơ điện quạt làm mát quay: { if (nhietdo<85) { PORTD.0=0; } else {PORTD.0=1; } } + Hàm điều khiển hiện đèn cảnh báo: { if (nhietdo>110) { PORTD.1=1; } else {PORTD.1=0; } } Chương trình điều khiển này được biên dịch và nạp vào ECU điều khiển quạt làm mát trên phần mềm Proteus và ECU trên mô hình hệ thống. 4. THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG Hình 3. Mạch nguyên lý Sơ đồ nguyên lý mô hình hệ thống (hình 3) và mạch in mô hình hệ thống (hình 4) được thực hiện trên phần mềm Altium designer. Mạch nguyên lý mô hình hệ thống sử dụng vi điều khiển Atmega16 và cảm biến nhiệt độ LM35 giống như trên mạch mô phỏng nhưng các Transistor phải được đổi loại để đảm bảo công suất: Transistor 2N6547 điều khiển động cơ điện dẫn động quạt làm mát được thay thế bằng Transistor 41C, Transistor còn lại để điều khiển đèn báo được thay thế bằng Transistor C1815. Ngoài ra, sơ đồ nguyên lý mô hình hệ thống còn được thiết kế thêm đầy đủ các khối với các linh kiện đi kèm để đảm bảo việc vận hành mô hình hoàn toàn ổn định, an toàn: khối nguồn đảm bảo điện áp cung cấp cho ECU (5V), màn hình hiển thị (5V), cảm biến nhiệt độ (5V), động cơ điện dẫn động quạt làm mát (12V) và đèn báo (12V) đúng điện áp hoạt động ổn định; Khối MCU được thiết kế với đế cắm ECU giúp dễ dàng tháo lắp hoặc thay thế ECU và bộ chân nạp chương trình riêng cho ECU thông qua dầu nạp một cách dễ dàng; khối hiển thị có thể dễ dàng thay đổi độ tương phản của màn hình LCD với biến trở VR10K; Khối chấp hành đảm bảo hoạt động đúng theo nguyên lý và sự điều khiển của ECU và đảm bảo an toàn cho toàn bộ hệ thống với một số linh kiện bổ sung so với mạch mô phỏng tránh xung ngược gây chập cháy mạch. Sau khi thiết kế xong mạch nguyên lý, update mạch nguyên lí sang mạch in: chọn Design > Update PCB Document. Sắp xếp vị trí các linh kiện cho phù hợp xong đi dây cho linh kiện. Hình 4. Mạch in (PCB) Tiếp đó tiến hành chế tạo mạch, chuẩn bị đầy đủ linh kiện và tiến hành lắp, hàn mạch và hoàn thiện mô hình hệ thống (hình5), nạp chương trình điều khiển cho ECU và vận hành mô hình. Hình 5. Mô hình hệ thống điều khiển quạt làm mát động cơ 5. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Sau khi nạp chương trình điều khiển vào vi điều khiển Atmega16 (ECU), kết quả chạy mô phỏng trên phần mềm Proteus cho thấy: Vi điều khiển đã tính toán được tín hiệu nhiệt độ từ cảm biến gửi về. Cụ thể khi thay đổi nhiệt độ làm việc động cơ trong khoảng từ 83oC ÷ 87oC và từ 108oC ÷ 113oC với bước nhảy 1oC, kết quả nhiệt độ động cơ ô tô, nhiệt độ ECU tính toán hiện thị trên màn hình LCD1, sai lệch giữa nhiệt độ động cơ ô tô và nhiệt độ ECU tính toán được thể hiện trong bảng 4. Ở đây nghiên cứu chỉ đưa ra bảng số liệu so sánh giữa nhiệt độ động cơ ô tô thực và nhiệt độ mà ECU tính toán được trong khoảng nhiệt độ xoay quanh nhiệt độ làm việc ổn định của động cơ D4BB kể trên nhằm đánh giá tính chính xác của chức năng tính toán tín hiệu nhiệt độ động cơ vì đây là tín hiệu đầu vào để điều khiển động cơ dẫn động quạt làm mát. Kết quả nhiệt độ động cơ và nhiệt độ ECU tính toán được ngoài vùng kể trên cũng cho kết quả tượng tự. Bảng 4 cho thấy sai lệch không xảy ra trong quá trình vận hành hệ thống.
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 263
Bảng 4. Kết quả chạy mô phỏng Nhiệt độ động cơ 83 84 85 86 87 108 109 110 111 112 113 Nhiệt độ ECU tính toán 83 84 85 86 87 108 109 110 111 112 113 Sai lệch 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Hiển thị được giá trị nhiệt độ làm việc của động cơ ô tô mà ECU tính toán được trên màn hình LCD1 cùng với sai lệch đã được trình bày ở trên. Điều khiển được quạt làm mát động cơ làm việc theo tín hiệu nhiệt độ làm việc của động cơ. Cụ thể đối với động cơ D4BB dùng trên ô tô có nhiệt độ làm việc ổn định là 85oC (nhiệt độ làm việc ổn định này có thể thay đổi cho phù hợp với các loại động cơ ô tô khác nhau), tín hiệu nhiệt độ làm việc ổn định của động cơ này được đưa vào hàm điều kiện điều khiển động cơ dẫn động quạt làm mát trong chương trình điều khiển. Kết quả chạy mô hình mô phỏng cho thấy: Khi nhiệt độ động cơ ô tô tăng đến 85oC, lúc này theo bảng 4 nhiệt độ ECU tính toán được bằng 85oC (nhiệt độ này lớn hơn nhiệt độ làm việc ổn định của động cơ) thì ECU xuất tín hiệu vào chân PD0 để điều khiển mở Transiator T1 cho dòng điện từ nguồn +12V qua khóa điện vào động cơ dẫn động quạt làm mát về mát, nhờ đó điều khiển cho quạt làm mát quay (hình 6). Hình 6. Động cơ dẫn động quạt làm mát hoạt động Hình 7. Động cơ dẫn động quạt làm mát không hoạt động Khi nhiệt độ động cơ ô tô giảm bằng 84oC, theo bảng 4 nhiệt độ ECU tính toán được bằng 84oC (nhiệt độ này nhỏ hơn nhiệt độ làm việc ổn định của động cơ) thì ECU ngắt tín hiệu đặt vào chân PD0 điều khiển khóa Transistor T1 ngắt dòng điện từ nguồn vào động cơ dẫn động quạt làm mát, do đó quạt làm mát ngừng làm việc (hình 7). Khi nhiệt độ động cơ ô tô tăng đến trên 110oC, ECU tính được nhiệt độ trên 110oC (ở mức nhiệt độ này đèn cảnh báo trên taplo sẽ hiện) thì ECU sẽ điều khiển mở transistor T1 và transistor T2 cho dòng điện qua động cơ quạt và đèn báo, quạt chạy và đèn báo sáng lên. Hình 8. Động cơ hoạt động và đèn báo sáng khi nhiệt độ quá cao Mô hình hệ thống hoạt động đúng theo nguyên lý, sự điều khiển của ECU và ổn định với các nguồn điện đầu vào 12V. 6. KẾT LUẬN Bài báo đã trình bày về việc mô phỏng và thiết kế mô hình hệ thống điều khiển quạt làm mát động cơ. Kết quả chạy mô phỏng và mô hình hệ thống chính xác và ổn định. Hiện nay, các hệ thống điện, điện tử và cơ điện tử được ứng dụng nhiều trên ô tô và các phần mềm giúp quá trình nghiên cứu, đánh giá về điện, điện tử và cơ điện tử trên ô tô được thuận lợi hơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Thành Bắc, 2018. Giáo trình hệ thống điện - điện tử ô tô nâng cao. NXB Thống kê. [2]. Nguyễn Văn Chất, 2009. Giáo trình cơ điện tử ô tô. NXB Giáo dục. [3]. Đỗ Văn Dũng, 2007. Hệ thống điện và điện tử trên ô tô hiện đại. Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh. [4]. Galip Ulsoy, 2012. Automotive control systems. Cambridge University Press. [5]. Nguyễn Đức Hiền, 2008. Khai thác phần mềm Proteus trong mô phỏng vi điều khiển. [6]. C. Nguyen. Giáo trình vi điều khiển AVR. Academia.edu. [7]. Nguyễn Thành Bắc, 2018. Nghiên cứu mô phỏng mạch điều khiển quạt làm mát động cơ ô tô sử dụng ECU. Hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí lần thứ V - VCME 2018. [8]. Atmel, 2002. ATmega16. Atmel. [9]. J. David Irwin Bogdan M. Wilamowski, 2011. Power electronics and motor drives. CRC Press - Taylor and Francis Group, LLC. [10]. Roland S. Burns , 2001. Advanced Control Engineering. Butterworth Heinemann. [11]. National Semiconductor Corporation, 2000. LM35. National Semiconductor Corporation. [12]. Bert van Dam, 2008. Microcontroller Systems Engineering - 45 projects for PIC. AYR and ARM, Elektor International Media BV. [13]. Hpinfotech, 2022. Software CodeVisionAVR. truy cập ngày 26-12-2022, web http://www.hpinfotech.ro/cvavr_download.html. [14]. Labcenter, 2023. Proteus software. truy cập ngày 26-01-2023, web https://www.labcenter.com/. [15]. Caroline Palm, 2016. Real Time Modeling of Engine Coolant Temperature In Engine with Double Cooling Circuits at Two Temperature Levels. Chalmers University of Technology.
