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

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!

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