Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển cho mô hình phun xăng điện tử động cơ ô tô

Chia sẻ: Liễu Yêu Yêu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:11

Thêm vào BST

Báo xấu

31
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển cho mô hình phun xăng điện tử động cơ ô tô" nhằm tiến hành nghiên cứu để thiết kế bộ giao tiếp giữa mô hình với máy tính và xây dựng phần mềm điều khiển cho mô hình. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển cho mô hình phun xăng điện tử động cơ ô tô

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ ĐIỂU KHIỂN CHO MÔ HÌNH PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ ĐỘNG CƠ Ô TÔ Trần Dũng1 1. Email:dungt@tdmu.edu.vn TÓM TẮT Hệ thống phun xăng điện tử là một bước tiến lớn về ứng dựng điều khiển cơ điện tử trong công nghệ chế tạo ô tô, tạo được bước đột phá về hiệu quả sử dụng nhiên liệu nâng cao công suất, hệ số an toàn thân thiện với môi trường. Kết cấu của hệ thống phun xăng điện tử nằm ở lĩnh vực cơ điện tử, nhằm tạo ra một hệ thống điều khiển phun xăng đáp ứng được lưu lượng phun, thời điểm phun, phù hợp với yêu cầu làm việc của động cơ. Bao gồm các bộ vi xử lý điều khiển tạo ra các tín hiệu điều khiển đến bộ chấp hành, khi nhận các thông số từ cảm biến.Trái tim của hệ thống là bộ điều khiển trung tâm (ECU). Hiện nay, một số cơ sở đào tạo đã thiết kế, xây dựng các mô hình hệ thống phun xăng điện tử để phục vụ cho công tác học tập, nghiên cứu. Tuy nhiên, việc điều khiển các chế độ làm việc thông qua máy tính thì vẫn chưa thực hiện được. Vì vậy, việc thiết kế bộ giao tiếp để điều khiển sự hoạt động của mô hình phun xăng điện tử thông qua máy tính là rất cần thiết. Mục tiêu nghiên cứu là tiến hành nghiên cứu để thiết kế bộ giao tiếp giữa mô hình với máy tính và xây dựng phần mềm điều khiển cho mô hình. Từ khóa: phun xăng điện tử, điều khiển trung tâm, bộ giao tiếp. 1. NGHİÊN CỨU, THİẾT KẾ BỘ KẾT NỐİ MÁY TÍNH VỚİ MÔ HÌNH 1.1 Lựa chọn phương pháp kết nối máy tính với mô hình Có nhiều phương thức kết nối máy tính với thiết bị ngoại vi (kết nối thông qua cổng USB, cổng HDMI, cổng COM...). Trong đề tài, tác giả chọn phương pháp giao tiếp với máy tính qua cổng USB (Universal Serial Bus) theo chuẩn RS 232 hay chuẩn RS485. Các chuẩn 232 hày RS485 USB sử dụng để kết nối các thiết bị ngoại vi với máy tính, chúng thường được thiết kế dưới dạng các đầu cắm cho các thiết bị tuân theo chuẩn cắm-là-chạy (plug-and-play) với tính năng cắm và ngắt các thiết bị không cần phải khởi động lại hệ thống. Các giao diện song song, nối tiếp, máy quét hình, máy ảnh số, modem, thẻ nhớ …đều có thể đấu nối vào bus USB. Bus USB được đưa ra sử dụng lần đầu tiên vào đầu năm 1996 nhưng phải đến giữa năm 1998 mới thực sự được hỗ trợ đầy đủ. Các thông số kỹ thuật của bus USB đã được các công ty lớn cùng tham gia xây dựng như Compaq, Digital Equipment, IBM, Intel, Microsoft, NEC và NorthernTelecom. Hình 1 là biểu tượng gắn trên các thiết bị ghép nối với cổng USB. Hình 1: Biểu tượng các thiết bị ghép nối với cổng USB 125
1.2 Thiết kế thiết bị kết nối máy tính với mô hình Để thu thập dữ liệu từ mô hình phun xăng cụ thể là các cảm biến của động cơ xe Toyota VIOS 2006 với máy tính có các bộ giao tiếp khác nhau, ở đề tài này tác giả sử dụng có thể sử dụng các thiết bị chế tạo trong nước cũng như các thiết bị nhập ngoại có sẵn. Hình 2: Nguyên lý mô hình hệ thống phun xăng giao tiếp máy tính 1- Bộ đo gió, 2 - Kim phun, 3 - Tín hiệu đánh lửa, 4 - Cảm biến Ne, 5 - Card giao tiếp, 6 - Chương trình máy tính Mô hình trên có thể chia thành ba nhóm chính (mô hình động cơ phun xăng điện tử, Card giao tiếp máy tính, phần mềm hiển thị thông số hệ thống phun xăng điện tử). Trong đề tài tác giả sử dụng vi điều khiển PIC16F628A-I/P kết hợp với IC chuyển đổi tín hiệu giao tiếp máy tính theo chuẩn RS 232 thành tín hiệu USB. Card NI USB 6008/6009: Có khả năng đọc tám kênh analog vào card (độ phân giải 14-bit, 48kS/s). Xuất 2 analog (12-bit, 150 S/s), 12 kênh xuất, nhập tín hiệu số (digital I/O). Bộ đếm 32-bit. Kết nối với USB của máy tính để bàn, hoặc máy tính xách tay. Sử dụng phần mềm LabVIEW, LabWindows/CVI, và Measurement Studio cho Visual Studio.NET tương thích với NI- DAQmx drive software và NI LabVIEW Signal Express software. Ngoài các ưa điểm trên thiết bị còn dễ dàng thực hiện việc giao tiếp với máy tính qua cổng USB với chu kỳ lấy mẫu nhanh, độ chính xác khá cao, tương thích với môi trường LabVIEW, dùng được cho cả hệ điều hành Window, Linux hoặc Mac. Hình 3: Sơ đồ mạch giao tiếp máy tính 126
Hình 4: Card NI USB 6008/6009 1.3 Phần mềm cài đặt cho thiết bị Để kết nối thiết bị với phần mềm trải qua nhiều bước khác nhau. Có thể kể các bước chính: Cài đặt chương trình ảo, thử thiết bị, kết nối máy tính, khai báo thông số, lập trình giao diện kết nối. Cài đặt phần mềm ảo qua các bước có trình tự như sau: Bước 1: cài đặt phần mềm ứng dụng Ni như Ni LabVIEW. Hình 5: Giao diện phần mềm khi bắt đầu cài đặt Bước 2: cài đặt NI – DAQmx drive trước khi cài đặt phần mềm thiết bị NI thiết bị USB để Windows có thể nhận biết thiết bị. Đưa đĩa kèm với thiết bị của bạn vào máy tính của bạn. Nếu trình cài đặt không tự động mở , chọn Start»Run. Enter x:\setup.exe, trong đó x là các ký tự ổ đĩa. Hình 6: Giao diện phần mềm khi cài đặt cài đặt NI – DAQmx drive Bước 3: trước khi cài đặt tiến hành dán nhãn cho card. Để cài đặt thiết bị, cắm cáp USB vào máy tính. 127
Cắm đầu kết nối vào card và nối dây USB vào card và máy tính qua dây USB, Found New Hardware Wizard hiện lên Windows báo nhận ra thiết bị. Hình 7: Giao diện phần mềm khi hoàn tất cài đặt Đấu dây như Hình 1.8 với chân tín hiệu nối với cực + chân AI0, chân nguồn nối với +5V, chân còn lại nối với cực GND. Sau đó kết nối với máy tính thông qua cáp USB, máy tính hiện lên thông báo kiểm tra. Hình 8: Đấu dây khi kiểm tra kết nối Bước 4: để kiểm tra card đã được kết nối bằng cách kiểm tra như sau. Chọn Test this device Hình 9: Giao diện phần mềm khi kiểm tra kết nối Kiểm tra thiết bị: Phương pháp đo đơn giản là đo dạng: single-ended. Ở phương pháp này, một Analog input được nối với nguồn dương cần đo. Nguồn âm của card (GND) nối với nguồn âm của nguồn cần đo. 128
Hình 10: Sơ đồ chân tín hiệu analog Card NI USB 6008/6009 Bằng phương pháp đo differential, có thể sử dụng card NI USB 6008/6009 đo điện áp có giá trị -20V tới +20V. Hình 11: Cách kết nối cảm biến có tín hiệu analog Card NI USB 6008/6009: Phương pháp Diffential Chân PFI 0 (chân 29) có thể dùng như một chức năng đọc một sự kiện đầu vào (ngắt phần cứng) hoặc một bộ đếm sự kiện. Cũng có thể dùng chức năng của PFI 0 nhằm làm một ngắt để ra quyết định cho quá trình thu thập tín hiệu Analog từ chức năng của các Analog Input (AI). Có các lưa ý về kỹ thuật ghép nối phần cứng chân tín hiệu số. Khi sử dụng các chức năng Digital Input, cần kết nối phần cứng bên ngoài (thiết bị ngoại vi). Các chân P0.0 được sử dụng như một Digital Output (xuất tín hiệu điều khiển LED sáng). Kết nối chương trình máy tính với mô hình phun xăng: phải trải qua nhiều bước khai báo. Các bước trên bao gồm chọn thông số đo. Tính năng của card có nhiều tính năng đo tín hiệu số, tín hiệu tương tự (hiệu điện thế, nhiệt độ ứng suất, vận tốc, gia tốc…. Sau khi chọn thông số đo ta phải khai báo chân làm việc của card. Card NI 6008/6009 có tám vùng làm việc từ a0 đến a7. Hình 12: Kết nối chương trình máy tính với mô hình phun xăng 129
Bước tiếp theo chọn thông số đo và giải đo. Hoàn tất chương trình khai ta có thể lấy DAQ nhúng vào môi trường LabVIEW Hình 13: Chọn thông số đo và giải đo 2. XÂY DỰNG PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ 2.1 Tổng quan phần mềm LabVIEW LabVIEW (viết tắt của Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) là môi trường ngôn ngữ đồ họa hiệu quả trong việc giao tiếp đa kênh giữa con người, thuật toán và các thiết bị. Gọi LabView là ngôn ngữ đồ họa hiệu quả vì về cách thức lập trình, LabVIEW khác với các ngôn ngữ C (hay Python, Basic, vv..). Thay vì sử dụng các từ vựng (từ khóa) cố định, LabView sử dụng các khối hình ảnh sinh động và các dây nối để tạo ra các lệnh và các hàm. Cũng chính vì sự khác biệt này, LabVIEW đã giúp cho việc lập trình trở nên đơn giản hơn bao giờ hết. Đặc biệt, LabVIEW rất phù hợp đối với kỹ sư, nhà khoa học, hay giảng viên. Chính sự đơn giản, dễ học, dễ nhớ đã giúp cho LabVIEW trở thành một trong những công cụ phổ biến trong các ứng dụng thu thập dữ liệu từ các cảm biến, phát triển các thuật toán, và điều khiển thiết bị tại các phòng thí nghiệm trên thế giới. Hình 14: Mã nguồn viết bằng LabVIEW 2.2 Xây dựng phần mềm điều khiển Để điều khiển tổng thể mô hình hiện có, đề tài tiến hành thiết kế điều khiển cả phần phun xăng điện tử và phần đánh lửa điện tử. 130
2.2.1 Mô phỏng mạch điều khiển bơm xăng: Hình 15: Sơ đồ mạch điện điều khiển bơm xăng Mô phỏng hoạt động bơm nhiên liệu có các thông tin như sau: Giá trị biến trở biểu thị cho cảm biến báo mức xăng tương ứng với mức xăng có trong bình chứa, đồng hồ báo mức xăng thể hiện dung tích bình chứa. Khi cung cấp giá trị biến trở và hệ số K= 1,1 thì có mức xăng hiện tai trong bình. Tín hiệu IG là nguồn khi bật chìa khó ở IG, tín hiệu Fc là tín hiệu điều khiển bơm xăng khi có động cơ hoạt động như sơ đồ mạch điện. Hình 16: Mô phỏng mạch bơm xăng trên LabVIEW 2.2.2 Mô phỏng cảm biến Ne, Ge: Tín hiệu NE được tạo ra trong cuộn cảm cùng nguyên lý với tín hiệu G. Điều khác nhau duy nhất là rotor của tín hiệu NE có 24 răng. Cuộn dây cảm biến sẽ phát 24 xung trong mỗi vòng quay của delco. Tín hiệu NE được ECU động cơ sử dụng để phát hiện góc của trục khuỷu và tốc độ của động cơ. ECU động cơ dùng tín hiệu NE và tín hiệu G để tính toán thời gian phun cơ bản và góc đánh lửa cơ bản. 131
Hình 17: Sơ đồ mạch điện cảm biế Ne, Ge Tín hiệu tốc độ động cơ Ne, từ thông bàn đầu biểu hiện của từ trường của nam châm cảm biến, khe hở là khe hở giữa cảm biến và bánh răng, thể hiện 24 răng, tốc độ động cơ mô phỏng quá trình làm việc của động cơ. Hình 18: Mô phỏng tín hiệu Ne trên LabVIEW Tín hiệu tốc độ động cơ Ne, từ thông bàn đầu biểu hiện của từ trường của nam châm cảm biến, khe hở là khe hở giữa cảm biến và bánh răng, thể hiện 24 răng, tốc độ động cơ mô phỏng quá trình làm việc của động cơ. Hình 19: Mô phỏng tín hiệu Ge trên LabVIEW Tín hiệu vị trí trục khủy G, từ thông bàn đầu biểu hiện của từ trường của nam châm cảm biến, khe hở là khe hở giữa cảm biến và bánh răng, thể hiện 4 răng, tốc độ động cơ mô phỏng quá trình làm việc của động cơ. 132
2.2.3 Mô phỏng cảm biến đo lưu lượng khí nạp: Cấu tạo cảm biến: Cảm biến lưu lượng khí nạp là loại cảm biến đo gió kiểu dây nhiệt. Hình 20: Sơ đồ mạch điện cảm biến đo gió kiểu dây nhiệt Khi dây sấy được cấp 1 dòng điện nó sẽ nóng lên, dòng khí nạp đi qua dây sấy và làm cho nó nguội đi, ECM sẽ điều chỉnh dòng điện vào dây sấy để giữ cho nhiệt độ của nó không đổi. Khi đó dòng điện sẽ tỷ lệ với khối lượng khí nạp. Bằng cách đo dòng điện cấp ra ECM sẽ tính ra được khối lượng khí nạp tương ứng. Trong cảm biến này có chứa tích hợp 1 cảm biến nhiệt độ khí nạp. Hình 21: Mô phỏng tín hiệu cảm biến đo gió trên LabVIEW 2.2.4 Tín hiệu đánh lửa: Trên xe Vios 2007 sử dụng kiểu đánh lửa trực tiếp kiểu DIS. DIS là một hệ thống đánh lửa 1 xylanh, sử dụng một cuộn dây đánh lửa cho mỗi xylanh và mỗi bugi một được nối vào đầu của cuộn dây thứ cấp. Điên áp cao sinh ra trong cuộn dây thứ cấp được cấp trực tiếp đến bugi đó. Tia lửa điện của bugi sẽ phóng ra từ điện cực trung tâm đến điện cực nối mát. ECM xác định thời điểm đánh lửa và truyền tín hiệu đánh lửa (IGT) đến từng xylanh. Dùng tín hiệu IGT, ECM bật và tắt transitor công suất trong IC đánh lửa. Đến lượt transitor công suất bật và tắt dòng điện trong cuộn dây sơ cấp. Khi dòng trong cuộn sơ cấp bị ngắt, điện áp được tạo ra trong cuộn thứ cấp. Điện áp này được cấp đến các bugi để tạo ra tia lửa điện bên trong xylanh. Khi ECM cắt dòng sơ cấp, IC đánh lửa cũng gửi tín hiệu xác nhận đánh lửa IGF cho từng xylanh đến ECM. Kết cấu mạch đánh lửa: 133
Hình 22: Sơ đồ mạch điện đánh lửa Mô phỏng: Hình 23: Mô phỏng tín hiệu đánh lửa trênLabVIEW 3. KẾT LUẬN Trong việc nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển cho mô hình phun xăng điện tử động cơ ô tô, tác giả thực hiện được các nội dung chính như sau: 134
➢ Phân tích một cách tổng thể về hệ thống phun xăng điện tử trên động cơ ô tô và các hệ thống cơ điện tử ứng dụng trên hệ thống phun xăng điện tử. ➢ Phân tích về công nghệ điều khiển tự động trên hệ thống phun xăng cũng như cấu tạo, nguyên lý hoạt động và một số cơ sở lý thuyết cụ thể của hệ thống phun xăng điện tử. ➢ Phân tích mô hình hệ thống phun xăng điện tử đang có để lựa chọn giải pháp điều khiển phù hợp. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Nguyễn Đắc Lộc (2002), “Điều khiển số & công nghệ trên máy điều khiển số”, Nxb Khoa học kỹ thuật. 2. Đỗ Văn Dũng (2012), “Hệ thống điện thân xe và điều khiển tự động trên ô tô”, ĐH Sư phạm kỹ thuật TP.HCM . 3. Đỗ Văn Dũng (2013), “Hệ thống điện và điện tử trên ô tô hiện đại”, ĐH Sư phạm kỹ thuật TP.HCM. 4. Đỗ Văn Dũng (2013), “Điện động cơ và điều khiển động cơ”, Nxb Đại học Quốc gia TP.HCM. Tiếng Anh 5. Riccardo de Asmundis (2011), LabVIEW - Modeling, Programming and Simulations, InTec. 6. Silviu Folea (2011), LabVIEW - Practical Applications and Solutions, InTec 7. Nasser Kehtarnavaz and Namjin Kim(2005), Digital Signal Processing System-Level Design Using LabVIEW, Elsevier Inc. 135