Tiểu Luận Vấn Đề Hiện Đại Của Kỹ Thuật Máy Đề Hệ Thống Điều Khiển Điện Tử.pdf

Từ các thành phần đơn giản như nắp xăng và phức tạp như hệ thống truyền động, bộ điều khiển điện tử quản lý chúng với hiệu quả cao hơn so với cách tiếp cận cơ học sẽ đạt được.. Theo thời

TIỂU LUẬN VẤN ĐỀ HIỆN ĐẠI CỦA KỸ THUẬT MÁY

Họ và tên :

Lớp: K65K Lớp t 

Hà Nội, ngày 12 tháng 11 năm

LỜI MỞ ĐẦU

Lời đầu tiên, em gửi lời cảm ơn chân thành đến Trường Đại học Công Nghệ ĐHQGHN đã đưa môn học “Các vấn đề hiện đại của Kỹ thuật máy tính” vào chương trình giảng dạy Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên bộ môn –

Hoàng Gia Hưng, thầy Trần Hiếu và thầy Phạm Hùng Mạnh đã dạy dỗ, truyền đạt

những kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập vừa qua Trong thời gian tham gia lớp học, em đã có thêm cho mình nhiều kiến thức bổ ích, đảm bảo cung cấp đầy đủ kiến thức, gắn liền với thức tế và là hành trang quan trọng cho chúng

em khi làm việc Xin gửi lời tri ân nhất của em đối với những điều mà thầy cô đã dành

Mặc dù đã cố gắng hoàn thành bài tiểu luận với tất cả nỗ lực và cố gắng của bản thân, nhưng do hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm thực tiễn cũng như sự giới hạn về thời gian, bài tiểu luận của em không tránh khỏi những thiếu sót cả về nội dung và hình thức Em rất mong nhận được sự chỉ bảo và góp ý của các thầy cô để giúp cho bài tiểu luận của em thêm hoàn thiện hơn

chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

2.2 Các đặc tnh cơ b ủ ộ ệ ố

3.1 Ưu điể ủ ệ ố

3.2 Nhược điể ủ ệ ố

3.3 Ý nghĩa và tnh ứ ụ ủ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Tnh cấp thiết của vấn đề nghiên cứu

Thời đại của điện tử bắt đầu với việc phát minh ra các thiết bị bán dẫn, MOSFET và phát triển thành các hệ thống phức tạp hơn như bộ điều khiển điện tử

Đó là vào khoảng năm 1978, khi General Motors giới thiệu hệ thống điện tử đầu tiên

ừ khi thành lập đến hình thức hiện tại, bộ điều khiển điện tử (ECU) đã định hình sự phát triển của ô tô ở mọi khía cạnh Từ các thành phần đơn giản như nắp xăng và phức tạp như hệ thống truyền động, bộ điều khiển điện tử quản lý chúng với hiệu quả cao hơn so với cách tiếp cận cơ học sẽ đạt được

ECU về cơ bản là một hệ thống nhúng được xây dựng trên bộ vi điều khiển cấp

ô tô Cùng với phần mềm ô tô và các giao thức truyền thông, ECU có thể điều khiển các hệ thống điện và hệ thống phụ trong xe Các ECU tiên tiến hơn cũng giao tiếp với đám mây và thậm chí các phương tiện và cơ sở hạ tầng khác bằng công nghệ V2V và V2X Khi các đơn vị điều khiển lần đầu tiên được giới thiệu, chúng chịu trách nhiệm điều khiển các bộ truyền động khác nhau của động cơ IC Do đó nó được gọi là Bộ điều khiển động cơ Theo thời gian, thuật ngữ ECU giả định ý nghĩa của bộ điều khiển điện tử khi nó phát triển thành một hệ thống điện tử có thể điều khiển hệ thống truyền động, hộp số, phanh, ghế ngồi

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của công nghệ điện tử, ECU

đã có những bước tiến vượt bậc về cả tính năng, hiệu suất và độ bền ECU hiện nay được tích hợp nhiều chức năng thông minh, giúp nâng cao hiệu quả sử dụng và tiết kiệm năng lượng Ngoài ra, ECU cũng được cải tiến để trở nên nhỏ gọn và dễ dàng lắp đặt hơn

vậy, được sự hướng dẫn của Hưng, thầy Phạm Hùng Mạnh và thầy Trần Hiếu, em đã chọn đề tài “ECU: Hệ thống điều khiển điện tử” để

có thể làm rõ hơn về vấn đề nghiên cứu này, giúp chúng ta nắm bắt được xu hướng công nghệ mới trong ngành công nghệ điện tử

Mục đch của vấn đề nghiên cứu

Mục đích của vấn đề nghiên cứu về hệ thống ECU là:

• Hiểu rõ hơn về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của ECU

• Phân tích ưu điểm, nhược điểm của hệ thống ECU

• Đề xuất các hướng phát triển mới cho hệ thống ECU

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Khái niệm về hệ thống ECU

ECU là viết tắt của cụm từ Electronic Control Unit, nghĩa là bộ điều khiển điện

tử (được ví như một “bộ não”) là một thiết bị điện tử được sử dụng để điều khiển

và giám sát hoạt động của các hệ thống trên ECU được kết nối với các cảm biến và actuator để thu thập thông , sau đó truyền thông tin về ECU xử

lý tín hiệu và đưa ra các “mạnh lệnh” buộc các cơ chấu chấp hành phải thư hiện như việc điều khiển nhiên liệu, góc đánh lửa, ga tự động, lực phanh

hợp vi mạch và bộ phận phụ dùng để nhận biết tín hiệu, trữ thông tin, tính toán, gửi đi các tín hiệu thích hợp và quyết định chức năng làm việc của xe sao cho hiệu quả nhất trong các tình huống khác nhau

2.2 Các đặc tnh cơ bn của một hệ thống ECU

Một hệ thống ECU có các đặc tính cơ bản sau:

• Nhận biết tn hiệu ECU nhận biết các tín hiệu từ các cảm biến, bao gồm tín

hiệu analog và tín hiệu digital

• Xử lý tn hiệu ECU xử lý các tín hiệu nhận được để đưa ra các tín hiệu điều

khiển

• Tạo tn hiệu điều khiển ECU tạo ra các tín hiệu điều khiển để điều khiển các

• Lưu trữ thông tin ECU lưu trữ các thông tin cần thiết, bao gồm thông tin về

trạng thái hoạt động của các hệ thống, thông tin về lỗi,

• ECU cần cung cấp các tín hiệu điều khiển chính xác để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của các hệ thống trên xe

• tin cậy ECU cần hoạt động ổn định và không bị lỗi trong thời gian dài.

• linh hoạt ECU cần có khả năng điều khiển nhiều loại hệ thống khác nhau.

Cấu trúc của hệ thống ECU

Hệ thống ECU thường có cấu trúc như sau:

• Mạch điều khiển Mạch điều khiển là bộ phận chính của ECU, có trách nhiệm

xử lý tín hiệu và tạo ra các tín hiệu điều khiển Mạch điều khiển thường bao gồm các thành phần sau:

o Bộ vi xử lý có tên tiếng Anh là là bộ phận quan trọng nhất được coi như “cánh tay phải” của ECU, có khả năng tiếp nhận mọi thông tin và các tín hiệu khác nhau Khi nhận được thông tin từ bộ nhớ trong của ECU, bộ vi xử lý sẽ có những tính toán hợp lý để đưa ra những yêu cầu, mệnh lệnh chính xác nhất cho các bộ phận khác

o Bộ nhớ trong ECU bao gồm 4 thành viên đãm nhiệm chức năng riêng

biệt:

(Read Only Memory): Dùng trữ thông tin thường trực Bộ nhớ này chỉ đọc thông tin đã được lập trình sẵn, chứ không thể ghi vào được

Do đó, ROM chính là nơi cung cấp thông tin cho bộ vi xử lý

(Random Access Memory): Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên, dùng để lưu trữ thông tin mới được ghi trong bộ nhớ và xác định bởi vi xử lý RAM có thể đọc và ghi các số liệu theo địa chỉ bất kỳ

(Programmable Read Only Memory): Cấu trúc cơ bản giống như ROM nhưng cho phép lập trình (nạp dữ liệu) ở nơi sử dụng chứ không phải nơi sản xuất như ROM PROM cho phép sữa đổi chương trình điều khiển theo những đòi hỏi khác nhau

(Keep Alive Memory): KAM dùng để lưu trữ những thông tin mới (những thông tin tạm thời) cung cấp đến bộ vi xử lý KAM vẫn duy

trì bộ nhớ cho dù động cơ ngưng hoạt động hoặc tắt công tắc máy Tuy nhiên, nếu tháo nguồn cung cấp từ acquy đến máy tính thì bộ nhớ KAM

sẽ bị mất

o Đường truyền BUS dùng để truyền và phát đi các số liệu và lệnh của

ECU BUS truyền thông tin từ bộ vi xử lý tới các cơ quan, bộ phận chấp hành một cách nhanh nhất Máy tính điều khiển động cơ cần phải sử dụng loại 4,8, 16 bit hoặc 8,16,32 bit thì mới đáp ứng được nhu cầu truyền tin nhanh và chính xác cho ECU

Cấu trúc mạch điều khiển của ECU

• Mạch cm biến Mạch cảm biến có nhiệm vụ thu thập thông tin từ các cảm biến

Mạch cảm biến thường bao gồm các thành phần sau:

o Cm biến: Cảm biến là các thiết bị thu thập thông tin về trạng thái hoạt

động của các hệ thống trên xe

o Bộ khuếch đại: Bộ khuếch đại được sử dụng để tăng cường tín hiệu từ

các cảm biến

• Mạch actuator Mạch actuator có nhiệm vụ điều khiển các actuator Mạch

actuator thường bao gồm các thành phần sau:

o Actuator là các thiết bị thực hiện các tác động vật lý để điều khiển các hệ thống trên xe

o Bộ điều khiển actuator: Bộ điều khiển actuator được sử dụng để điều

khiển các actuator

• Mạch nguồn Mạch nguồn cung cấp điện cho ECU.

Vai trò của hệ thống ECU

là một trong những bộ phận có chức năng quan trọng nhất của xe ô tô chính bởi lẽ đó mà chi tiết này lại được ví như “bộ não” của con người có rất nhiều các vai trò khác nhau, đều là những chức năng, vai trò đặc biệt quan trọng không thể thiếu đối với tất cả mọi loại xe ô tô, xe tải, xe khách

Vai trò tiếp nhận mọi dữ liệu, thông tin quan trọng của Mọi hoạt động của xe ô tô, xe khách hay xe tải đều do theo dõi và kiểm soát để tạo ra sự ổn định và thống nhất đối với sự vận hành của xe đúng như tên gọi “hệ thống điều khiển điện tử” của mình Thông qua việc tiếp nhận dữ liệu các cảm biến trên động cơ hoặc ô tô, sau đó được truyền về xử lý tín hiệu và đưa ra “mệnh lệnh” buộc các cơ cấu phải thực hiện theo yêu cầu như việc: điều khiển nhiên liệu, ga tự động, lực phanh ở các vị trí bánh xe, góc phối cam, hay góc đánh lửa,

và cảm biến còn có mối liên hệ mật thiết với nhau để tạo ra sự chính xác cho khả năng vận hành, đồng thời làm giảm thiểu các chất độc hại thải ra ngoài môi trường của xe

Vai trò “bắt bệnh” có khả năng phát hiện ra các lỗi hoặc những sự cố thường gặp phải trên các động cơ vô cùng nhanh nhạy để từ đó bạn có thể tìm ra phương án khắc phục và hướng giải quyết nhanh nhất

Vai trò đm bo an Trong các tình huống nguy hiểm

“người hùng” ra tay trực tiếp xử lý và can thiệp vào các trường hợp nguy hiểm, mất kiểm soát và các sự cố người dùng thường xuyên gặp phải

Tóm lại, vai trò của là không thể phủ nhận đối với một mẫu xe ôtô, xe tải,

xe khách Từ việc lưu trữ thông tin, phán đoán tình hình, tính toán các trường hợp

khác nhau của xe, phát đi các tín hiệu khi cần thiết và trực tiếp quy định chức năng làm việc của xe sao cho hiệu quả nhất trong các tình huống khác nhau

2.5 Nguyên lý hoạt động của ECU

Hệ thống phun nhiên liệu được điều khiển bởi EC

Nhờ vào cảm biến tốc độ động cơ và vị trí xác định được chính xác thời điểm đánh lửa và phun xăng tối ưu để tạo ra khả năng tiết kiệm nhiên liệu và hiệu suất xe được tốt nhất

còn có quá trình tính toán để đưa ra các góc đánh lửa theo các chế độ hoạt động khác nhau của động cơ tùy thuộc vào các loại cảm biến Với những cảm biến khác như vị trí bướm ga: Bướm ga xác định lưu lượng khí nạp, gửi đến ECU tính toán lượng nhiên liệu phun thích hợp với từng chế độ tải, song song với các dữ liệu

về tốc độ động cơ, tải, nhiệt độ… nhờ các cảm biến mã hoá tín hiệu đưa vào ECU xử

lý và tính toán, ECU sẽ đưa ra góc đánh lửa sớm tối ưu theo từng chế độ hoạt động của động cơ

Trên thế giới hiện nay, nhiều nước châu Âu hướng đến tiêu chuẩn khí thải (EURO4, EURO 5, EURO 6) hạn chế gây hại ô nhiễm môi trường Chính vì vậy, ECU đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc làm giảm khí thải, một cách phổ biến hiện nay là việc ô tô được trang bị thêm bộ hoá khử (TWC – Three way catalyst), bộ hoá khử này sẽ hoạt động cao nhất ở tỷ lệ hoà khí lý tưởng, thông qua cảm biến Oxy xác định phần hoà khí tức thời trong khí nạp gửi tín hiệu về ECU nhằm điều chỉnh tỷ

lệ hoà khí thích hợp ở từng điều kiện nhất định

Ngoài ra, ECU còn can thiệp sâu vào các hệ thống an toàn trên ô tô có thể kể đến như: hệ thống cân bằng ESP, hỗ trợ phanh khẩn cấp BA, hệ thống phân bổ lực phanh EBD… thông qua việc cảm biến chịu trách nhiệm liên tục ghi lại và truyền tín hiệu về ECU, nhiệm vụ của ECU sẽ so sánh dữ liệu với những chương trình đã tính toán trước Do đó, khi gặp những sự cố nguy hiểm, người lái có khuynh hướng phản

xạ đột ngột như đánh lái gấp, lực phanh tăng nhanh, hiện tượng trượt bánh khi phanh… lập tức ECU sẽ nhận tín hiệu, buộc xe phải hoạt động theo những chương trình lập trình sẵn như điều chỉnh góc xoay, kiểm soát tốc độ từng bánh xe, lực phanh mỗi bánh nhằm hạn chế tối đa sự mất kiểm soát của người lái

CHƯƠNG 3: MỘT SỐ ĐÁNH GIÁ VÀ TÍNH ỨNG DỤNG CỦA

3.1 Ưu điểm của hệ thống ECU

ECU mang lại nhiều ưu điểm cho ô tô, bao gồm:

• Tăng hiệu suất hoạt động của các hệ thống trên xe ECU có thể điều khiển các

hệ thống trên xe một cách chính xác và hiệu quả hơn, giúp tăng hiệu suất hoạt động của xe Ví dụ, ECU có thể điều khiển hệ thống động cơ để đạt được hiệu quả đốt cháy nhiên liệu cao hơn, giúp tiết kiệm nhiên liệu

• Gim tiêu hao nhiên liệu ECU có thể giúp giảm tiêu hao nhiên liệu bằng cách

điều chỉnh các thông số hoạt động của các hệ thống trên xe Ví dụ, ECU có thể điều chỉnh tốc độ vòng tua máy của động cơ để phù hợp với điều kiện vận hành, giúp giảm tiêu hao nhiên liệu

• Ci thiện kh năng vận hành của xe ECU có thể giúp cải thiện khả năng vận

hành của xe bằng cách điều chỉnh các thông số hoạt động của các hệ thống trên

xe Ví dụ, ECU có thể điều chỉnh hệ thống treo để mang lại cảm giác lái êm ái hơn, hoặc điều chỉnh hệ thống phanh để mang lại hiệu quả phanh tốt hơn

• Gim thiểu ô nhiễm môi trường ECU có thể giúp giảm thiểu ô nhiễm môi

trường bằng cách điều chỉnh các thông số hoạt động của các hệ thống trên xe

Ví dụ, ECU có thể điều chỉnh hệ thống xả để giảm lượng khí thải ra môi trường

• Nâng cao độ an toàn của xe ECU có thể giúp nâng cao độ an toàn của xe bằng

cách giám sát hoạt động của các hệ thống trên xe và đưa ra các cảnh báo khi có lỗi xảy ra Ví dụ, ECU có thể cảnh báo người lái khi có vấn đề với hệ thống phanh hoặc hệ thống động cơ

3.2 Nhược điểm của hệ thống ECU

ECU cũng có một số nhược điểm như

• ECU là một thiết bị điện tử phức tạp, do đó có giá thành cao

• Kỹ thuật phức tạp ECU sử dụng các công nghệ điện tử hiện đại, do đó đòi hỏi

kỹ thuật cao để sản xuất và bảo dưỡng

• Khó sửa chữa khi bị lỗi ECU là một thiết bị điện tử phức tạp, do đó khó sửa

chữa khi bị lỗi

3.3 Ý nghĩa và tnh ứng dụng của ECU

ECU có ý nghĩa quan trọng đối với các thiết bị điện tử, giúp nâng cao hiệu quả

và an toàn trong quá trình vận hành ECU được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là ô tô:

• Hệ thống động cơ ECU là bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống động cơ, có

nhiệm vụ điều khiển quá trình đốt cháy nhiên liệu và cung cấp điện cho các thiết bị điện trên xe

• Hệ thống truyền động ECU điều khiển các hộp số tự động và hộp số ly hợp

kép, giúp đảm bảo quá trình sang số mượt mà và hiệu quả

• Hệ thống phanh ECU điều khiển hệ thống phanh ABS và hệ thống phanh điện

tử, giúp đảm bảo an toàn cho xe khi phanh gấp

• Hệ thống treo ECU điều khiển hệ thống treo điện tử, giúp mang lại cảm giác lái

êm ái và ổn định

• Hệ thống lái ECU điều khiển hệ thống lái trợ lực điện, giúp giảm bớt mệt mỏi

cho người lái

• Hệ thống điều hòa ECU điều khiển hệ thống điều hòa không khí, giúp mang lại

không khí mát mẻ và thoải mái cho người ngồi trong xe

• Hệ thống an toàn ECU điều khiển các hệ thống an toàn chủ động và bị động,

giúp bảo vệ người ngồi trong xe trong trường hợp xảy ra va chạm

ECU ứng dụng trong ô tô

ECU là một công nghệ tiên tiến, mang lại nhiều lợi ích cho ô tô và người dùng ECU sẽ tiếp tục được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong tương lai, góp phần nâng cao hiệu suất, khả năng vận hành, độ an toàn và tính tiện nghi của ô tô

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN

ECU là một hệ thống quan trọng trong các thiết bị điện tử, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu quả và an toàn trong quá trình vận hành ECU đang ngày càng được cải tiến về tính năng, hiệu suất và độ bền, mở ra nhiều ứng dụng mới trong các lĩnh vực khác nhau

Một số hướng phát triển mới cho hệ thống ECU

Trong tương lai, hệ thống ECU sẽ tiếp tục được cải tiến theo các hướng sau:

• Sử dụng các công nghệ mới, như trí tuệ nhân tạo (AI), máy học (ML), để cao hiệu quả và tính tự động hóa của hệ thống

• Sử dụng các vật liệu mới, như vật liệu nano, để giảm kích thước và trọng lượng của ECU

• Tích hợp nhiều chức năng hơn vào một ECU duy nhất

Những cải tiến này sẽ giúp hệ thống ECU trở nên hiệu quả hơn, an toàn hơn và tiết kiệm năng lượng hơn