Thiết kế, chế tạo mô hình giả lập hệ thống điều khiển abs dùng trong giảng dạy

TỔNG QUAN

Lý do chọn đề tài

Ngày nay, ô tô đã trở thành một phương tiện di chuyển quen thuộc được nhiều người ưa chuộng vì nó tiện lợi, hiện đại Với nhu cầu sử dụng ô tô ngày càng cao, các hãng xe cũng liên tục nghiên cứu, phát triển, trang bị các công nghệ hiện đại mới lên các dòng xe của mình Bên cạnh đó sự an toàn của khách hàng khi tham gia giao thông cũng là một trong những tiêu chí được đặt lên hàng đầu

Hệ thống phanh trên ô tô là một trong những cơ cấu an toàn quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng giảm tốc và dừng lại của xe trong trường hợp cần thiết Khi gặp chướng ngại vật bất ngờ người lái thường có xu hướng đạp phanh gấp và giữ khiến cho các bánh xe bị bó cứng, làm mất khả năng kiểm soát lái của xe Lời khuyên từ các chuyên gia là người lái xe nên đạp nhấp nhả phanh liên tục khi phanh gấp, tuy nhiên đa phần người lái xe đều không đủ bình tĩnh để làm việc đó Để giải quyết vấn đề này hệ thống chống bó cứng phanh với tên gọi “ Anti-lock Braking System” viết tắt ABS đã được đưa vào sử dụng trên các xe ô tô Ngày nay hệ thống ABS đã được sử dụng rộng rãi và giữ một vai trò không thể thiếu trên các xe ô tô

Nhận thấy tầm quan trọng của hệ thống ABS nhằm giúp các bạn sinh viên hiểu thêm về hệ thống ABS cũng như hệ thống điều khiển của hệ thống chúng em đã chọn đề tài: “Thiết kế, chế tạo mô hình giả lập hệ thống điều khiển ABS dùng trong giảng dạy”.

Mục tiêu nghiên cứu

- Tạo ra mô hình giả lập hệ thống điều khiển ABS giống với hoạt động trong thực tế, có hiển thị kết quả đo điện áp, tín hiệu xung tại các điểm đo, nhằm giúm người dùng nắm bắt hệ thống điều khiển ABS một cách trực quan.

Đối tượng nghiên cứu

- Hệ thống điều khiển ABS

- Vi điều khiển và các linh kiện điện tử.

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập số liệu

- Sử dụng các nguồn tài liệu trên internet

- Hướng dẫn trực tiếp từ thầy, cô.

Phạm vi của đề tài

- Hoạt động hệ thống điều khiển ABS

- Thiết kế mô hình giả lập hệ thống điều khiển ABS

- Lập trình điều khiển trên Arduino

- Thiết lập màn hình hiển thị trên Copy Nextion

- Đưa ra nhận xét và hướng phát triển của đề tài

CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH ABS

Phân loại

2.2.1 Phân loại theo ngưỡng trượt

- Điều khiển theo ngưỡng trượt thấp: khi bánh xe bên trái và bên phải hoạt động trên các phần đường khác nhau về hệ số bám, ECU sẽ chọn thời điểm bắt đầu bị bó cứng của bánh xe có khả năng bám thấp nhất để điều khiển áp suất chung cho cả cầu Lúc này lực phanh tại các bánh xe bằng nhau, có giá trị bằng giá trị lực phanh cực đại của bánh xe có hệ số bám thấp Bánh xe có hệ số bám đường cao vẫn nằm trong vùng ổn định của đường đặc tính trượt, lực phanh chưa đạt giá trị cực đại Điều này mang lại sự ổn định cao nhưng lại dẫn đến hiệu quả phanh thấp do lực phanh yếu

- Điều khiển theo ngưỡng trượt cao: ECU sẽ chọn thời điểm bắt đầu bị bó cứng của bánh xe có khả năng bám cao nhất để điều khiển áp suất chung cho cả cầu, lúc này bánh xe có khả năng bám thấp đã bị bó cứng Với kiểu điều khiển này sẽ cho hiệu quả phanh cao nhưng tính ổn định của xe lại giảm

2.2.2 Phân loại theo kiểu điều khiển ( độc lập hay phụ thuộc)

- Trong loại điều khiển độc lập, bánh xe nào đạt tới ngưỡng trượt, tức bắt đầu có xu hướng bị bó cứng thì điều khiển riêng bánh đó

- Trong loại điều khiển phụ thuộc, ABS điều khiển áp suất phanh chung cho hai bánh xe trên một cầu hay cả xe theo một tín hiệu chung, có thể theo ngưỡng trượt thấp hay ngưỡng trượt cao

- Loại 1 kênh: Hai bánh sau được điều khiển chung (có ở ABS thế hệ đầu, chỉ trang bị ABS cho hai bánh sau vì dễ bị hãm cứng hơn hai bánh trước khi phanh)

- Loại 3 kênh: : Hai kênh điều khiển độc lập cho hai bánh trước, kênh còn lại điều khiển chung cho hai bánh sau Sử dụng 2 cảm biến tốc độ độc lập cho 2 bánh trước và 1 cảm biến tốc độ độc lập cho bánh sau Ở loại này khi phanh sẽ tối ưu được được việc kiểm soát áp lực phanh lên 2 bánh trước, còn bánh sau có thể bị bó cứng 1 bánh

- Loại 4 kênh: Đây là loại được sử dụng rộng rãi hiện nay với 4 kênh riêng biết cho 4 bánh, 4 cảm biến tốc độ ở 4 kênh cho phép điều khiển lực phanh 1 cách độc lập lên từng bánh xe khi ABS hoạt động

2.2.4 Một số sơ đồ bố trí ABS thường gặp

Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống ABS 1 kênh điều khiển bánh sau

Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống ABS 3 kênh sử dụng van 3 vị trí

Cấu tạo chung

Hình 2.10 Cấu tạo chung của hệ thống ABS

Hệ thống ABS được cấu tạo từ 3 khối chính :

- Tín hiệu đầu vào với cảm biến tốc độ bánh xe và ở một số xe có trang bị thêm cảm biến giảm tốc

- Bộ chấp hành ABS tích hợp khối điều khiển điện tử ECU, khối điều khiển thủy lực HCU và mô tơ bơm Bằng cách tích hợp ABS-ECU vào bộ phận thủy lực, không cần thêm dây nối để gửi tín hiệu vận hành van điện từ và động cơ bơm, đảm bảo độ tin cậy cho hệ thống

Tín hiệu đầu vào (cảm biến – Sensors)

Cảm biến tốc độ bánh xe có chức năng xác định tốc độ quay của bánh xe, làm việc như bộ đếm số vòng quay, tín hiệu của bộ điều khiển tốc độ được đưa về bộ điều khiển trung tâm (tín hiệu vào) của ABS Trên xe bộ cảm biến có thể đặt tại: đĩa phanh, bán trục, tang trống, bánh răng bị động của cầu xe Cảm biến tốc độ bánh xe có 3 loại: cảm biến điện từ cho ra tín hiệu xung hình sin , cảm biến Hall và cảm biến điện trở từ cho ra tín hiệu xung vuông

Hình 2.11 Vị trí cảm biến tốc độ bánh xe

Cấu tạo gồm một nam châm vĩnh cửu, một cuộn dây quấn quanh lõi từ Đặt cạnh một vòng răng ABS tại ổ trục bánh xe hay đĩa phanh

Hình 2.12 Cấu tạo cảm biến điện từ

Hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ, tương tự như một máy phát điện Vòng răng ABS quay cùng với bánh xe, làm từ trường qua cuộn dây biến thiên tạo ra một điện áp xoay chiều, tín hiệu điện áp AC này có tần số và biên độ tỉ lệ thuận với tốc độ quay của bánh xe Tín hiệu được gửi về ABS ECU để xử lý

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý cảm biến điện từ

Cảm biến bị động có 2 dây, không cần cấp nguồn khi hoạt động Tín hiệu đưa về ABS ECU có dạng xung hình sin Loại cảm biến tốc độ bánh xe này có nhược điểm là không hiệu quả ở tốc độ thấp

Hình 2.14 Tín hiệu analog của passive sensor

Hình 2.15 Kết nối ECU với pasive sesnor

Hiệu ứng Hall xảy ra khi cho một từ trường vuông góc một bản được làm bằng chất dẫn điện nói chung (thanh Hall) đang có dòng điện chạy qua Các electron chịu tác dụng của lực Lorentz bị đẩy về một phía của thanh Hall, điều này tạo ra sự tích điện trái dấu tại hai mặt đối diện của thanh Hall, sinh ra hiệu điện thế Hall

- Cảm biến Hall có 2 loại tương ứng với 2 kiểu vòng ABS:

+ Cảm biến Hall với vòng ABS răng

+ Cảm biến Hall với vòng ABS nam châm

Hình 2.17 Các loại cảm biến Hall

Cấu tạo cảm biến Hall gồm: Thành phần Hall, nam châm vĩnh cửu (không có ở loại vòng ABS nam châm), thành phần điện tử tích hợp ( IC Hall)

Hình 2.18 Cấu tạo cảm biến Hall

Hoạt động của cảm biến Hall, vòng ABS quay cùng với bánh xe làm thay đổi từ trường qua thành phần Hall, sinh ra hiệu điện thế Hall, điện áp này nhỏ và dễ bị thay đổi bởi nhiệt độ cần được thành phần điện tử tích hợp khuếch đại, xử lý tín hiệu cung cấp đầu ra là xung vuông gửi đến ABS ECU Xung vuông có biên độ không đổi với điện áp thấp trong khoảng 0,5-1V và điện áp cao trong khoảng 1,4-2V

Hình 2.19 Sơ đồ khối cảm biến Hall

Hình 2.20 Tín hiệu digital của Hall sensor

Cảm biến Hall có loại 3 dây và 2 dây Cần cấp nguồn 5V hoặc 12V khi hoạt động

Hình 2.21 Kết nối ECU với active sensor

2.4.1.3 Cảm biến điện trở từ

Ngoài 2 loại kể trên ra, còn có cảm biến điện trở từ Điện trở từ có điện trở thay đổi khi có từ trường ngoài tác dụng Do tác động của từ trường làm thay đổi hướng di chuyển của các electron dẫn đến thay đổi đường đi tự do của dòng điện Điện trở tăng lên khi dòng điện chạy cùng hướng với từ trường và điện trở giảm khi dòng điện đang chạy ở góc 90° so với từ trường

Hình 2.23 Cảm biến tốc độ bánh xe điện trở từ

Một cảm biến điện trở từ có phần tử điện trở từ tích hợp với mạch điện tử Khi vòng ABS quay cùng với bánh xe, hướng của từ trường qua phần tử điện trở từ thay đổi làm thay đổi điện trở của nó Tính hiệu có dạng xung vuông được gửi về ABS ECU Xung vuông

15 có biên độ không đổi với điện áp thấp trong khoảng 0,5-1V và điện áp cao trong khoảng 1,4-2V

Hình 2.24 Hoạt động của cảm biến tốc độ bánh xe điện trở từ

Cảm biến phát hiện hướng quay của bánh xe thông qua các phần tử điện trở từ a và b Khi bánh xe quay theo hướng thuận tín hiệu phần tử điện trở a tăng cao trước, theo hướng lùi phần tử từ điện trở b tăng cao trước

Hình 2.25 Xác định hướng quay

2.4.1.4 Kiểm tra tình trạng cảm biến tốc độ:

- Rút giắc đo điện trở loại cảm biến điện từ trong khoảng 1000-2000 ohm, không đo điện trở đối với cảm biến loại Hall và cảm biến điện trở từ

+ Cảm biến điện từ: Bật công tắc máy, động cơ không nổ, quay bánh xe của cảm biến cần kiểm tra, giá trị điện áp thay đổi theo tốc độ quay của bánh xe

+ Cảm biến Hall: Đo điện áp nguồn từ ECU 5V hoặc 12V

- Các vấn đề với vòng ABS có thể được xác định bằng máy đo sóng và phân tích các mẫu như sau:

Hình 2.26 Tín hiệu của cảm biến khi vòng ABS gặp sự cố

Lỗi tín hiệu cảm biến ABS có thể đến từ tình trạng của: cảm biến ABS, vòng ABS, giắc nối, dây dẫn, khe hở không khí

2.4.2 Cảm biến giảm tốc Được sử dụng để đo trực tiếp độ giảm tốc của các bánh xe trong quá trình phanh, từ đó biết được tình trạng mặt đường và điều chỉnh áp suất dầu phanh cho phù hợp Cấu tạo của cảm biến giảm tốc gồm hai cặp đèn LED (diod phát quang) và phototransistor (transistor quang), một đĩa xẻ rãnh và một mạch biến đổi tín hiệu

Hình 2.27 Cảm biến giảm tốc

Nguyên lý hoạt động: Khi tốc độ của xe giảm đột ngột, xe bị chúi về phía trước theo quáng tính, đĩa xẽ rãnh lắc theo chiều dọc thân xe, đĩa xẽ rãnh sẽ che ánh sang từ LED đến các transistor quang, làm các transistor quang đóng/mở

Hình 2.28 Hoạt động của cảm biến giảm tốc

Theo sự đóng/mở của các transistor quang này cảm biến giảm tốc sẽ gửi tín hiệu điện về ECU theo 4 mức độ giảm tốc

Hình 2.29 Các mức độ giảm tốc

Ngoài ra một số loại xe còn lắp cảm biến gia tốc ngang được gắn theo trục ngang của xe giống như trên hay một cảm biến kiểu bán dẫn được sử dụng để đo gia tốc ngang

Hình 2.30 Cảm biến gia tốc kiểu bán dẫn

Cảm biến gia tốc ngang được lắp đặt dưới ghế sau và cung cấp cho hộp điều khiển những thông tin về lực ngang xuất hiện trong khi xe chuyển động cong Khi giá trị gia tốc càng lớn nó kích hoạt sự chuyển đổi trong sự phân bố lực phanh

Bộ chấp hành ABS

2.5.1 Cấu tạo bộ chấp hành ABS

- Gồm ba phần: Khối điều khiển điện tử ECU, khối điều khiển thủy lực HCU, mô tơ bơm

Hình 2.31 Bộ chấp hành ABS

+ Khối điều khiển điện tử

Hình 2.32 Bộ điều khiển điện tử ABS

+ Khối thủy lực gồm van điện từ và mạch dầu

Hình 2.33 Bộ điều khiển thuỷ lực

+ Khối mô tơ bơm gồm: Motor DC, cam lệch tâm, piston Ngoài ra còn có bình tích áp chứa dầu hồi về từ xy lanh phanh bánh xe, đồng thời làm giảm áp suất dầu ở xy lanh phanh bánh xe

Hình 2.35 Mô tơ bơm và bình tích áp

2.5.2 Chức năng của bộ điều khiển điện tử ECU

ABS-ECU phát hiện tốc độ xe từ tín hiệu cảm biến tốc độ bánh xe, nhận biết vòng quay của bánh xe, ước tính tình trạng trượt của bánh xe dựa trên thuật toán được lập trình sẵn, sau đó điều khiển van điện từ và mô tơ bơm thay đổi áp suất phanh để bánh xe không bị bó cứng Ngoài ra ECU còn có chức năng kiểm tra hệ thống, cảnh báo khi có sự cố, tự ngừng hệ thống ABS khi không đủ điều kiện hoạt động

- Chu trình điều khiển ABS: ABS-ECU tính toán tốc độ và sự giảm tốc của từng bánh xe dựa trên tín hiệu từ cảm biến tốc độ bốn bánh xe và ước tính tốc độ của xe tại thời điểm đó

• Khi đạp bàn đạp phanh, áp suất dầu phanh tác dụng lên xi lanh bánh xe tăng lên và tốc độ bánh xe giảm xuống Khi sự khác biệt giữa tốc độ bánh xe và tốc độ xe tăng lên và tốc độ giảm tốc của bánh xe vượt quá điểm quy định (Điểm A), ECU sẽ phán đoán rằng các bánh xe sắp bị bó cứng Lúc này, ECU giảm áp suất dầu phanh bằng cách gửi tín hiệu để giảm áp suất đến các van điện từ và mô tơ bơm

• Khi quá trình giảm tốc của bánh xe bắt đầu phục hồi và tốc độ của bánh xe đạt đến điểm

B, ECU sẽ phát tín hiệu giữ áp suất để duy trì áp suất chất lỏng xi lanh bánh xe

• Khi sự giảm tốc của bánh xe tiếp tục được phục hồi và vượt qua điểm C, ECU xác định rằng khả năng bó cứng bánh xe đã được loại bỏ và tăng áp suất dầu phanh bằng cách gửi lại tín hiệu tăng áp suất

• Áp suất dầu phanh được kiểm soát bằng cách lặp lại việc tăng và giữ áp suất Khi độ giảm tốc của bánh xe lại vượt quá điểm quy định, ABS-ECU sẽ kiểm soát áp suất dầu phanh bằng cách lặp lại chu trình

- Điều khiển các rơ le: Sau khi bật khoá điện, chức năng kiểm tra ban đầu của ECU được diễn ra Không nhận thấy có hư hỏng trong quá trình kiểm tra ECU sẽ cấp dòng bật rơ le van điện từ ECU bật rơ le mô tơ bơm khi kiểm tra hoạt động của mô tơ và khi bơm hoạt động trong quá trình ABS hoạt động

- Kiểm tra ban đầu: Sau khi bật công tắc đánh lửa ABS-ECU kích hoạt bên trong chức năng tự chẩn đoán ABS-ECU cho sáng đèn cảnh báo ABS trong 3 giây Nếu không phát hiện sự cố nào đèn cảnh báo ABS sẽ tắt Còn nếu phát hiện hư hỏng đèn báo ABS sẽ không tắt đi nhằm báo cho người lái xe biết có sự cố trong hệ thống và hệ thống ABS có thể bị vô hiệu hoá

- Kiểm tra khởi động:Khi tốc độ khởi động của xe đạt xấp xỉ 10 km/h, ABS-ECU thực hiện các bước kiểm tra sau

• Kiểm tra mô tơ và van điện từ: ECU bật rơ le mô tơ và kiểm tra hoạt động của mô tơ bơm Đồng thời, ABS-ECU tuần tự cấp điện cho từng van điện từ trong thời gian rất ngắn và kiểm tra hoạt động của van

• Kiểm tra cảm biến: ABS-ECU kiểm tra bất kỳ bánh xe nào chưa nhận được tín hiệu cảm biến tốc độ bánh xe khi khởi động

- Kiểm tra hoạt động: ABS-ECU liên tục kiểm tra các mục sau khi hoạt động

• Thực hiện tự chẩn đoán trong ECU

• Bộ nguồn ECU: Kiểm tra xem điện áp nguồn của ECU có đạt trong phạm vi hoạt động không

• Cảm biến tốc độ bánh xe:

1 Giám sát điện áp đầu ra của bó dây tín hiệu cảm biến và kiểm tra điện áp đầu ra bất thường (hở/ngắn mạch)

2 Kiểm tra có bất kỳ bánh xe nào không gửi tín hiệu xung khi xe đang chuyển động hay không

3 Kiểm tra xem có tốc độ bánh xe nào cao hơn hoặc thấp hơn bất thường so với tốc độ xe hay không

• Động cơ bơm và van điện từ: Kiểm tra xem tín hiệu đầu ra của ABS-ECU và tình trạng hoạt động của động cơ bơm và van điện từ có phù hợp với nhau không

- Chức năng an toàn khi sự cố: ECU liên tục nhận tín hiệu từ khối tín hiệu đầu vào để phân tích và tính toán Nếu những tín hiệu được gửi về từ khối tín hiệu đầu vào nằm ngoài giới hạn cho phép ECU ABS ngay lập tức ngắt hệ thống ABS và thông báo đến cho người lái xe Việc ngắt hệ thống ABS này không ảnh hưởng đến phanh thường của xe ECU sẽ tắt relay van và tắt hệ thống khi điện vượt ngoài phạm vi hoạt động, khi điện áp trở lại phạm vi hoạt động hệ thống sẽ trở lại trạng thái bình thường sau khi khởi động lại Ngoài ra nếu tất cả cảm biến tốc độ bánh xe không hoạt động ECU ABS sẽ hiểu là xe đang đứng im, hệ thống ABS không hoạt động mà không có đèn báo

2.5.3 Hoạt động của mô tơ bơm và van điện từ

Một bơm dầu kiểu piston được dẫn động bởi một mô tơ điện, có chức năng đưa ngược dầu từ bình tích áp về xy lanh chính trong các chế độ giảm và tạo áp suất khi tăng áp Bơm được chia ra làm hai buồng làm việc độc lập thông qua hai piston trái và phải được điều khiển bằng cam lệch tâm ECU bật rơ le mô tơ bơm cấp nguồn 12 V cho mô tơ khi bơm hoạt động Điện trở của mô tơ khoảng 1-1,5Ω

Van điện từ có chức năng đóng mở các cửa van theo sự điều khiển của ECU để điều chỉnh áp suất dầu đến các xylanh bánh xe Một cuộn dây điện từ ABS được cung cấp năng lượng bởi MOSFET công suất (Transistor hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại) Mạch nối đất cuộn dây điện từ và van được mở hoặc đóng Một diode được sử dụng để dập dòng điện tự cảm trong cuộn dây Một cuộn dây điện từ có điện trở khoảng 4-5 Ω Tuy nhiên, trên các thiết bị hiện đại, không thể đo các giá trị của solenoids

2.5.4 Hoạt động của bộ điều khiển thủy lực ABS

2.5.4.1 Hoạt động của HCU van điện từ 2 vị trí

Hình 2.36 Van 2 vị trí trên HCU

Bộ chấp hành thủy lực có 8 van 2 trạng thái: 4 van đầu vào là van thường mở và 4 van đầu ra là van thường đóng

Phanh thường: Khi hệ thống ABS không hoạt động Không có dòng điện qua cuộn dây van điện từ, van điện từ OFF và motor không được cấp nguồn, bơm không hoạt động Trạng thái van đầu vào mở và van đầu ra đóng Khi đạp phanh dầu đến xy lanh bánh xe qua van đầu vào và trở lại xy lanh chính khi nhả phanh qua van đầu ra, van một chiều

ABS hoạt động ở chế độ giảm áp: ECU gửi tính hiệu cấp mass cho van điện từ và cấp nguồn cho mô tơ Van điện từ ON và bơm hoạt động Trạng thái van đầu vào đóng và van đầu ra mở Dầu đến xy lanh bánh xe qua van đầu vào bị ngắt Dầu từ xi lanh bánh xe qua van đầu ra vào bình tích áp và được bơm trở lại xy lanh chính Áp suất dầu trong xy lanh bánh xe giảm

Hình 2.38 ABS hoạt động ở chế độ giảm áp

Đèn cảnh báo

- Đèn cảnh báo ABS sáng: Trong quá trình tự chuẩn đoán và khi hệ thống ABS bị tắt hay gặp sự cố Khi chẩn đoán đèn cảnh báo ABS trên một số xe sẽ nhấp nháy nhiều lần trước khi tiếp tục sáng Loạt đèn flash này tiết lộ mã sự cố chẩn đoán xác định lỗi có thể nằm ở đâu Lỗi có thể xuất phát từ tín hiệu cảm biến, mức dầu phanh, cầu chì, mô tơ bơm, van điện từ, đèn phanh

Hình 2.46 Đèn cảnh báo ABS

Hình 2.47 Đèn cảnh báo phanh

- Đèn cảnh báo phanh sáng: Khi đang gài phanh tay, mức dầu phanh ở mức thấp, đèn phanh không hoạt động

Hệ thống ABS trên xe

2.7.1 Sơ đồ mạch điện hệ thống ABS trên xe

Hình 2.48 Sơ đồ mạch điện ABS a

Hình 2.49 Sơ đồ mạch điện ABS b

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật

High level of wake up voltage :

4.5V < V< 16.0V Low level of wake up voltage :

Over voltage range : 17.0 ± 0.5V Operating voltage range : 10.0 ± 0.5V ＜ V ＜ 16.0 ± 0.5V Low voltage range : 7.0 ± 0.5V ＜ V ＜ 9.5 ± 0.5V Max current : I ＜ 25A Max leakage current : I < 0.25mA

10.0 ± 0.5V ＜ V ＜ 16.0 ± 0.5V Rush current : I ＜ 110A Max current : I ＜ 40A Max leakage current : I ＜ 0.25mA

13 PUMP MOTOR GROUND Rush current : I ＜ 110A

Input voltage (Low) : V < 2V Input voltage (High) : V > 6V Max Input current : I < 3mA (@12.8V)

28 SENSOR FRONT RIGHT OUTPUT External pull up resistance :1 KΩ ＜ R

Output voltage : V_BAT1 -0.6V ~ V_BAT1 -1.1V Output current : Max 30mA

Input current LOW : 5.9 ~ 8.4mA Input current HIGH :11.8 ~ 16.8mA Frequency range :1 ~ 2500Hz Input duty : 50 ± 10%

2.7.2 Hoạt động của hệ thống

Trong điều kiện hoạt động, ECU xử lý các tín hiệu được cung cấp bởi các cảm biến và công tắc theo thuật toán điều khiển được lập trình sẵn để điều khiển van điện từ, motor bơm và đèn cảnh báo:

- Điều khiển van điện từ

Khi công tắc IG ON, sau quá trình tự kiểm tra của ECU Một đầu của cuộn dây van điện từ được kết nối với điện áp dương được cung cấp thông qua relay van và bên còn lại được kết nối với mass bằng mạch bán dẫn khi ECU điều khiển van điện từ ON Hoạt động của các cuộn dây luôn được theo dõi bởi xung kiểm tra van trong điều kiện hoạt động bình thường

+ Quá điện áp: Khi phát hiện điện áp trên 17 ± 0,5 V, ECU sẽ tắt relay van và tắt hệ thống Khi điện áp trở lại phạm vi hoạt động, hệ thống sẽ trở lại trạng thái bình thường sau khi khởi động lại

+ Điện áp thấp: Trong trường hợp điện áp thấp dưới 9,5 ± 0,5 V, ABS sẽ bị vô hiệu hóa và đèn cảnh báo sẽ được bật lên Khi điện áp trở lại phạm vi hoạt động, đèn cảnh báo sẽ tắt và ECU trở lại chế độ hoạt động bình thường

+ Kiểm tra mô tơ bơm: ECU thực hiện kiểm tra mô tơ bơm một lần sau khi bật công tắc

Các lỗi do ECU phát hiện được mã hóa trên ECU, được lưu trữ trong EEPROM và có thể dùng thiết bị chẩn đoán đọc ra khi công tắc IG ON:

+ Module đèn cảnh báo ABS hoạt động cho biết trạng thái tự kiểm tra và lỗi của ABS Đèn cảnh báo ABS phải sáng :

• Trong giai đoạn khởi tạo sau khi công tắc IG ON (liên tục 3 giây)

• Trong trường hợp ABS có lỗi

• Trong chế độ chẩn đoán

• Khi giắc nối ECU được tách ra khỏi ECU

+ Module đèn cảnh báo phanh đang hoạt động cho biết trạng thái tự kiểm tra và lỗi của EBD Tuy nhiên, trong trường hợp công tắc phanh tay được bật, đèn cảnh báo phanh luôn bật Đèn cảnh báo phanh phải sáng:

• Trong giai đoạn khởi tạo sau khi công tắc IG ON (liên tục 3 giây)

• Khi Công tắc phanh tay bật hoặc mức dầu phanh thấp

• Khi chức năng EBD bị lỗi

• Trong chế độ chẩn đoán

• Khi giắc nối EBD được tách ra khỏi EBD

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ

Màn hình Copy Nextion

• Màn hình 2.8 inch cảm ứng điện trở

• Giao tiếp UART mức TTL (3 - 5VDC)

• Có phần mềm thiết kế giao diện đi kèm Phần phểm thiết kế giao diện trên máy tính Copy Nextion Editor trực quan và dễ sử dụng, giao tiếp với màn hình qua giao tiếp UART

• Có bộ nhớ lưu trữ và xử lý hình ảnh, tích hợp khe thẻ nhớ, nên giảm thiểu được hầu hết các tác vụ về xử lý hình cho mạch điều khiển trung tâm, chỉ truyền về trung tâm các dữ liệu thao tác cảm ứng

• Kết nối màn hình Copy Nextion với Arduino rất đơn giản Chỉ cần thực hiện bốn kết nối: GND, RX, TX và + 5V Các chân này được gắn nhãn ở phía sau màn hình Chân giao tiếp theo thư viện là Serial2 của Mega (16-TX/17-RX)

• Có thể cấp nguồn trực tiếp cho màn hình Copy Nextion từ chân 5V của Arduino, nhưng không được khuyến khích Làm việc với nguồn điện không đủ có thể làm hỏng màn hình Vì vậy, nên sử dụng nguồn điện bên ngoài Sử dụng bộ nguồn 5V / 1A với cáp micro USB Đi kèm với màn hình Copy Nextion là đầu nối USB sang 2 chân, hữu ích để kết nối bộ chuyển đổi nguồn với màn hình

Hình 3.1 Chân kết nối màn hình Copy Nextion

Arduino nano V3.0 Atmega328P

- Thông số kỹ thuật Arduino nano V3.0 ATmega328P

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật Arduino nano V3.0 ATmega328P

Arduino nano Thông số kỹ Điện áp hoạt động 5V Điện áp đầu vào (khuyên dùng) 7-12V Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V

Chân Digital I/O 14 (Với 6 chân PWM output)

Chân đầu vào Analog 8 (thêm A6, A7) so với UNO

Dòng sử dụng I/O Pin 20 mA (tối đa 40mA)

Bộ nhớ Flash 32 KB (ATmega328)

Hình 3.2 Sơ đồ chân Arduino Nano V3.0 ATmega328P

Bảng 3.2 Chức năng các chân Arduino Nano V3.0 ATmega328P

Thứ tự chân Tên Pin Kiểu Chức năng

Ngõ vào/ra số Chân TX-truyền dữ liệu

RX I / O Ngõ vào/ra số

Chân Rx-nhận dữ liệu

3 RESET Đầu vào Chân reset, hoạt động ở mức thấp

4 GND Nguồn Chân nối mass

17 3V3 Đầu ra Đầu ra 3.3V (từ FTDI)

18 AREF Đầu vào Tham chiếu ADC

19 A0 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 0

27 + 5V Đầu ra hoặc đầu vào

+ Đầu ra 5V (từ bộ điều chỉnh On-board) hoặc

+ 5V (đầu vào từ nguồn điện bên ngoài)

28 RESET Đầu vào Chân đặt lại, hoạt động ở mức thấp

29 GND Nguồn Chân nối mass

30 VIN Nguồn Chân nối với nguồn vào

- Hoạt động của Arduino Nano V3.0 Atmega328P:

+ Các chân: 1, 2, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 và 16 Các chân làm việc với điện áp tối đa là 5V Mỗi chân có thể cung cấp hoặc nhận dòng điện 40mA và có điện trở kéo lên khoảng 20-50kΩ Các chân có thể được sử dụng làm đầu vào hoặc đầu ra, sử dụng các hàm pinMode (), digitalWrite () và digitalRead ().Ngoài các chức năng đầu vào và đầu ra số, các chân này cũng có một số chức năng bổ sung:

• Chân 1, 2: Hai chân nhận RX và truyền TX này được sử dụng để truyền dữ liệu nối tiếp TTL Các chân RX và TX được kết nối với các chân tương ứng của chip nối tiếp USB tới TTL

• Chân 6, 8, 9, 12, 13 và 14: Mỗi chân số này cung cấp tín hiệu điều chế độ rộng xung

8 bit Tín hiệu PWM có thể được tạo ra bằng cách sử dụng hàm analogWrite ()

• Chân 5, 6: Khi chúng ta cần cung cấp một ngắt ngoài cho bộ xử lý hoặc bộ điều khiển khác, chúng ta có thể sử dụng các chân này Các chân này có thể được sử dụng để cho phép ngắt INT0 và INT1 tương ứng bằng cách sử dụng hàm attachInterrupt () Các chân có thể được sử dụng để kích hoạt ba loại ngắt như ngắt trên giá trị thấp, tăng hoặc giảm mức ngắt và thay đổi giá trị ngắt

• Chân 13, 14, 15 và 16 giao tiếp SPI Khi không muốn dữ liệu được truyền đi không đồng bộ, có thể sử dụng các chân ngoại vi nối tiếp này Các chân này hỗ trợ giao tiếp đồng bộ với SCK Mặc dù phần cứng có tính năng này nhưng phần mềm Arduino lại không có Vì vậy, phải sử dụng thư viện SPI để sử dụng tính năng này

• Chân 16: Khi sử dụng chân 16, đèn led trên bo mạch sẽ sáng

+ Chân 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 và 26 : Có thể kết nối 8 kênh đầu vào tương tự để xử lý Mỗi chân tương tự này có một ADC có độ phân giải 1024 bit (do đó nó sẽ cho giá trị 1024) Theo mặc định, các chân được đo từ mặt đất đến 5V Nếu muốn điện áp tham chiếu là 0V đến 3.3V, có thể nối với nguồn 3.3V cho chân AREF (pin thứ 18) bằng cách sử dụng chức năng analogReference () Tương tự như các chân digital trong Nano, các chân analog cũng có một số chức năng khác

+ Chân 23, 24: Khi giao tiếp SPI cũng có những nhược điểm của nó như cần 4 chân và giới hạn trong một thiết bị Đối với truyền thông đường dài, cần sử dụng giao thức I2C I2C hỗ trợ chỉ với hai dây Một cho xung (SCL) và một cho dữ liệu (SDA) Để sử dụng tính năng I2C này, chúng ta cần phải nhập một thư viện có tên là Thư viện Wire

• Chân 18: Điện áp tham chiếu cho đầu vào dùng cho việc chuyển đổi ADC

• Chân 28 : Đây là chân reset mạch khi chúng ta nhấn nút rên bo Thường được sử dụng để được kết nối với thiết bị chuyển mạch để sử dụng làm nút reset

+ Chân ICSP: ICSP là viết tắt của In Circuit Serial Programming , đại diện cho một trong những phương pháp có sẵn để lập trình bảng Arduino Thông thường, một chương trình bộ nạp khởi động Arduino được sử dụng để lập trình một bảng Arduino, nhưng nếu bộ nạp khởi động bị thiếu hoặc bị hỏng, ICSP có thể được sử dụng thay thế ICSP có thể được sử dụng để khôi phục bộ nạp khởi động bị thiếu hoặc bị hỏng Mỗi chân ICSP thường được kết nối với một chân Arduino khác có cùng tên hoặc chức năng Ví dụ: MISO của Nano nối với MISO / D12 (Pin 15) Lưu ý, các chân MISO, MOSI và SCK được ghép lại với nhau tạo nên hầu hết giao diện SPI Chúng ta có thể sử dụng Arduino để lập trình Arduino khác bằng ICSP này

IC 74HC595

- IC 74HC595 là một thanh ghi dịch (shift register) hoạt động trên giao thức nối tiếp vào song song ra (Serial IN Parallel OUT) Nó nhận dữ liệu nối tiếp từ vi điều khiển và sau đó gửi dữ liệu này qua các chân song song Có thể tăng 8 chân đầu ra bằng cách sử dụng chip đơn Cũng có thể kết nối song song nhiều hơn 1 thanh ghi dịch Kết nối 10 thanh ghi dịch với bộ vi điều khiển, các chân đầu ra được tăng lên 8 x 10 = 80

- Đặc tính thông số kỹ thuật 74HC595:

+ 8-bit, thanh ghi dịch nối tiếp vào song song ra

+ Điện áp hoạt động: 2V đến 6V

+ Mức tiêu thụ điện: 80uA

+ Source ra /dòng sink: 35mA

+ Điện áp đầu ra bằng điện áp hoạt động

+ Điện áp đầu vào mức cao tối thiểu: 3,15V @ (Vcc = 4,5V)

+ Điện áp đầu vào mức thấp tối đa: 1.35V @ (Vcc = 4.5V)

Hình 3.4 Các chân IC 74HC595 Bảng 3.3 Chức năng các chân IC 74HC595

- Cách sử dụng IC 74HC595

+ Các chân 11, 14 và 12 được kết nối với các chân GPIO của vi điều khiển Trong đó chân 11 là Clock phát xung nhịp không đổi để giữ thời gian Chân 14 là Data gửi dữ liệu về chân đầu ra nào phải ở mức thấp và chân nào sẽ ở mức cao Chân 12 là Latch cập nhật dữ liệu nhận được vào các chân đầu ra khi đặt ở mức cao, chân này cũng có thể được giữ ở mức cao vĩnh viễn

Hình 3.5 IC 74HC595 timing diagram

+ Clock là dòng xung liên tục và dữ liệu chỉ tăng cao ở nơi tương ứng nơi đầu ra phải đạt mức cao Ví dụ ở đây, giá trị nhị phân 0b10110011 được chuyển đến bộ vi điều khiển Chân Master reset (MR) được sử dụng để reset các đầu ra, khi không sử dụng nó được giữ ở mức cao về Vcc, tương tự như vậy, chân phải được giữ ở mức thấp khi không sử dụng

+ Để thực hiện tăng số chân đầu ra bằng việc kết nối song song nhiều IC, sử dụng Q7

’(chân 9), chân này được kết nối với chân data của IC 74HC595 thứ hai Bằng cách này, 8 bit đầu tiên được gửi từ vi điều khiển sẽ được sử dụng bởi IC thứ nhất và 8 bit thứ hai sẽ được sử dụng bởi IC thứ hai

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH GIẢ LẬP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHANH CHỐNG BÓ CỨNG ABS

Ý tưởng thiết kế

Mô hình có giao diện là một mạch điều khiển ABS có các công tắc tương ứng trong sơ đồ, mô phỏng hoạt động các cảm biến, rơ le, van điện từ, mô tơ bằng led và có các điểm đo trên sơ đồ cùng với màn hình hiển thị kết quả đo Mạch điều khiển giả lập của mô hình xác nhận trạng thái hoạt động của hệ thống ABS qua các công tắc và đưa ra tín hiệu điều khiển các led cùng với xác nhận giá trị của các điểm đo trong trường hợp đó Sau khi quét được điểm đo đang được đo trên mô hình, giá trị của nó sẽ được mạch điều khiển gửi lên màn hình để hiển thị theo thang đo đã chọn trên màn hình Ngoài ra khi chọn pan trên màn hình, mạch điều khiển sẽ thiết lập hoạt động của mô hình với trường hợp mạch điều khiển ABS có pan tương ứng

Hình 4.1 Sơ đồ khối mô hình giả lập hệ thống điều khiển ABS

- Sơ đồ mạch điều khiển ABS được vẽ trên mặt mica có các điểm đo và led mô phỏng hoạt động các thiết bị, cho người dùng thực hiện đo điện áp và xung tín hiệu quan sát hoạt động của hệ thống một các trực quan

- Các công tắc điều khiển: Chân phanh và chân ga sử dụng các công tắc nút nhấn nhả, công tắc nguồn, công tắc phanh tay và công tắc mức dầu phanh sử dụng công tắc nút nhấn giữ

- Màn hình cho phép chọn thang đo và hiển thị các giá trị đo trên đồng hồ VOM và dưới dạng xung Ngoài ra màn hình có thể chọn thiết lập pan cho mạch ABS

- Mạch điều khiển và quét điểm đo: Vi điều khiển Arduino kết hợp với IC 74HC595.

Sơ đồ mạch điện của hệ thống ABS sử dụng trong mô hình

- Sơ đồ mạch điện dùng cho mô hình dựa trên sơ đồ mạch điện hệ thống ABS của xe Toyota Celica 1989

Hình 4.2 Sơ đồ mạch điện hệ thống ABS của mô hình

- Hệ thống ABS 4 kênh với cảm biến tốc độ bánh xe điện từ, van điện từ 3 vị trí

Bảng 4.1 Bảng điện áp đầu cuối ABS ECU

BAT & GND At All Time 10-14

Ignition Switch On Ignition Switch On

SRL & GND Ignition Switch On, ABS Light Off 10-14

SRR & GND Ignition Switch On, ABS Light Off 10-14

SFR & GND Ignition Switch On, ABS Light Off 10-14

SFL & GND Ignition Switch On, ABS Light Off 10-14

AST & GND Ignition Switch On, ABS Light Off 10-14

WA & GND Ignition Switch On, ABS Light On Less Than 2

WA & GND Ignition Switch On, ABS Light Off 10-14

PKB & GND Ignition Switch On,

PKB & GND Ignition Switch On

STP & GND Stoplight Switch Off Less Than 1.5

STP & GND Stoplight Switch On 8-14

TC & GND Ignition Switch On 10-14

TS & GND Ignition Switch On 10-14

FR+ & FR- Ignition Switch On,

Slowly Rotate Right Front Wheel

Is Generated FL+ & FL- Ignition Switch On,

Slowly Rotate Left Front Wheel

Is Generated RR+ & RR- Ignition Switch On,

Slowly Rotate Right Rear Wheel

RL+ & RL- Ignition Switch On,

Slowly Rotate Left Rear Wheel

Thiết kế mô hình

4.3.1 Các thiết bị sử dụng trong mô hình

- Màn hình Copy Nextion 2.8 Inch cảm ứng điện trở

Hình 4.3 Màn hình Copy Nextion

4.3.2 Thiết kế giao diện mô hình

- Giao diện mô hình được thiết kế trên phần mềm CorelDraw theo kích thước của các thiết bị sử dụng

Hình 4.12 Giao diện mô hình trên phần mềm CorelDraw

4.3.2 Thiết kế giao diện màn hình Copy Nextion

- Giao diện màn hình được thiết kế trên phần mềm Copy Nextion

+ Giao diện chọn chế độ đo kiểm hay chọn PAN

Hình 4.13 Giao diện chọn chế độ đo kiểm hay chọn PAN

+ Giao diện chọn thang đo

Hình 4.14 Giao diện chọn thang đo

+ Giao diện đồng hồ đo VOM

Hình 4.15 Giao diện đồng hồ đo VOM

Hình 4.16 Giao diện chọn PAN

+ Giao diện đo xung tín hiệu

Hình 4.17 Giao diện đo xung tín hiệu

4.3.3 Thiết kế mạch điều khiển giả lập

- Mạch quét điểm đo, nút nhấn và điều khiển sử dụng 10 IC 74HC595 chuyển đổi chuẩn giao tiếp nối tiếp thành 80 chân điều khiển

- Arduino Nano V3.0 Atmega328P điều khiển mạch quét, điều khiển led và giao tiếp với màn hình

Hình 4.18 Sơ đồ mạch in của IC 74HC595

Hình 4.19 Sơ đồ mạch sau khi gia công

4.4 Thi công lắp ráp các linh kiện cho mô hình

- Khắc mica giao diện mô hình theo bản vẽ Corel sau đó tiến hành sơn màu

Hình 4.20 Giao diện mô hình

- Lắp khung theo kích thước bằng nhôm định hình Khung mô hình sử dụng nhôm định hình loại 20×20 mm Kích thước khung 440×400×140 mm Gồm 8 thanh dài 400 mm và

Hình 4.21 Khung nhôm định hình

- Lắp các linh kiện lên mô hình, đấu dây hàn chì

Hình 4.22 Phần mạch điện tử của mô hình

- Sơ đồ khối điều khiển giả lập

Hình 4.23 Sơ đồ khối điều khiển giả lập

- Lưu đồ thuật toán hàm guiData:Dùng gửi dữ liệu quét cho 80 điểm đo

Hình 4.24 Lưu đồ thuật toán hàm guiData

- Lưu đồ thuật toán hàm quetquedo:

Hình 4.25 Lưu đồ thuật toán hàm quetquedo

- Hoạt động của hệ thống điều khiển ABS và các giá trị điểm đo tương ứng

Bảng 4.2 Hoạt động của hệ thống điều khiển ABS và các giá trị điểm đo tương ứng

- Hướng dẫn sử dụng mô hình: Cấp nguồn DC 5V, chọn chế độ đo trên màn hình, sử dụng que đo xác nhận điểm muốn đo nhận kết quả đo hiển thị lên màn hình Mô hình có

3 chế độ hoạt động cơ bản: Khi xe đứng yên, khi xe chạy với tốc độ thấp, khi xe chạy với tốc độ cao

Hình 4.26 Mô hình sau khi được cấp nguồn

- Các chế độ hoạt động của mô hình:

+ Sau khi bật khóa điện ECU kiểm tra ban đầu hệ thống

Hình 4.27 Sau khi bật khóa điện ECU kiểm tra ban đầu hệ thống

62 + Tiếp theo khi nhấn chân ga ECU kiểm tra khởi động hệ thống

Hình 4.28 Khi nhấn chân ga ECU kiểm tra khởi động hệ thống

63 + Sau khi tăng ga, nhấn chân phanh tiến hành phanh

Hình 4.29 Sau khi tăng ga, nhấn chân phanh tiến hành phanh

- Đo điện áp tại các điểm đo

+ Đo điện áp tại điểm đo sau cầu chì STOP sau khi bật khóa điện

Hình 4.30 Đo điện áp tại điểm đo sau cầu chì STOP sau khi bật khóa điện

65 + Đo điện áp tại điểm FR+ khi xe đứng yên

Hình 4.31 Đo điện áp tại điểm FR+ khi xe đứng yên

66 + Đo điện áp tại điểm FR+ khi xe chạy ở tốc độ thấp

Hình 4.32 Đo điện áp tại điểm FR+ khi xe chạy ở tốc độ thấp

+ Đo xung tại điểm FL+ khi xe đang đứng yên

Hình 4.33 Đo xung tại điểm FL+ khi xe đang đứng yên

68 + Đo xung tín hiệu tốc độ bánh xe tại điểm FL+ khi xe chạy ở tốc độ cao

Hình 4.34 Đo xung tín hiệu tốc độ bánh xe tại điểm FL+ khi xe chạy ở tốc độ cao

69 + Đo xung điều khiển van điện từ tại điểm SFR khi phanh

Hình 4.35 Đo xung điều khiển van điện từ tại điểm SFR khi phanh

+ Chọn PAN đứt cầu chì ABS

Hình 4.36 Chọn PAN đứt cầu chì ABS

+ Hoạt động của hệ thống khi có PAN đứt cầu chì ABS: ABS không hoạt động, đèn báo ABS sáng và khi phanh ở chế độ phanh thường

Hình 4.37 Phanh khi có PAN đứt cầu chì ABS

Lập trình điều khiển