Đồ Án môn học môn học hệ thống Điều khiển tự Động Ô tô topic thiết kế, chế tạo bộ Điều khiển cho bướm ga Điện tử (electronic throttle position control)

Hệ thống này dần thay thế cơ chế điều khiển bướm ga truyền thống bằng dây cáp cơ học, nhằm nâng cao tính chính xác trong quá trình điều chỉnh lượng không khí nạp vào động cơ và đáp ứng c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

MÔN HỌC : HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Ô TÔ

TOPIC: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BƯỚM GA ĐIỆN TỬ

(Electronic Throttle Position Control)

Mã học phần: 241VACS330333 GVHD: TS Nguyễn Trung Hiếu

SVTH:

1 Nguyễn Thái Thăng – 22145467

2 Huỳnh Trần Sứ - 22145456

3 Phạm Văn Ngọc - 22145424

4 Nguyễn Đặng Hoài Bảo - 22145308

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 09/2024

LỜI MỞ ĐẦU

Sự phát triển vượt bậc của công nghệ điện tử và tự động hóa trong ngành công nghiệp ô tô đã mang lại nhiều thay đổi đáng kể, trong đó có sự ra đời của hệ thống điều khiển bướm ga điện tử (Electronic Throttle Control - ETC) Hệ thống này dần thay thế cơ chế điều khiển bướm ga truyền thống bằng dây cáp cơ học, nhằm nâng cao tính chính xác trong quá trình điều chỉnh lượng không khí nạp vào động cơ

và đáp ứng các yêu cầu khắt khe về hiệu suất và khí thải

Hệ thống điều khiển bướm ga điện tử hoạt động dựa trên việc sử dụng các cảm biến, bộ điều khiển trung tâm và cơ cấu chấp hành để tự động điều chỉnh vị trí bướm ga Thông qua đó, nó tối ưu hóa quá trình cung cấp nhiên liệu và cải thiện khả năng vận hành của xe, giúp giảm mức tiêu thụ nhiên liệu, nâng cao khả năng vận hành êm ái, và giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Trước sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của công nghệ và yêu cầu khắt khe của ngành công nghiệp ô

tô, nghiên cứu về hệ thống điều khiển bướm ga điện tử trở nên cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao Đề tài "Điều Khiển Bướm Ga Điện Tử" sẽ tập trung nghiên cứu cơ chế hoạt động, cấu trúc hệ thống và những lợi ích mà công nghệ này mang lại trong việc nâng cao hiệu suất vận hành của động cơ và bảo

vệ môi trường

Hình 1: Bộ bướm ga điện tử

MỤC LỤC

1.Mục tiêu nghiên cứu 4

2 Tìm hiểu tổng quan, cấu tạo của hệ thống bướm ga điện tử 4

2.1 Tổng quan 4

2.2 Cấu tạo 4

2.3 Chức năng và tầm quan trọng của hệ thống bướm ga điện tử 6

3 Nguyên lí hoạt động và quá trình điều khiển của mô hình điều khiển bướm ga điện tử 7

3.1 Nguyên lí hoạt động 7

3.2 Quá trình điều khiển: 8

4 Tham khảo và đi mua các linh kiện điện tử cần thiết, nghiên cứu thiết kế để lắp ráp cho mô hình hệ thống điều khiển bướm ga điện tử 8

4.1 Các linh kiện 8

4.1.1 Biến trở 8

4.1.2 Mạch cầu H L298 10

4.1.3 Mạch Arduino Uno R3 11

4.1.4 Nguồn tổ ong 12v 12

5 Tìm hiểu về lập trình adruino: 12

5.1 Lập trình Adruino: 12

6 Kế Hoạch thực hiện Project: 13

1 Mục tiêu nghiên cứu.

+ Tìm hiểu cấu tạo nguyên lí hoạt động của hệ thống bướm ga điện tử

+ Thiết kế được mô hình thực tế

+ Lập trình, điều khiển được bướm ga thông qua biến trở, mạch cầu H và Adruino

+ Phân tích kết quả, so sánh kết quả thu được so với lí thuyết

2 Tìm hiểu tổng quan, cấu tạo của hệ thống bướm ga điện tử.

2.1 Tổng quan

+ Phát triển công nghệ cảm biến và điều khiển: ETC sử dụng các cảm biến bàn đạp ga và các

bộ điều khiển động cơ để tính toán và điều chỉnh vị trí bướm ga một cách chính xác Những tiến bộ trong công nghệ vi xử lý, lập trình điều khiển và cảm biến đã giúp hệ thống này hoạt động nhanh nhạy và an toàn hơn

+ Hiện đại hóa và xu hướng tương lai:

Ngày nay, hệ thống bướm ga điện tử đã trở thành tiêu chuẩn trong hầu hết các loại xe hiện đại, không chỉ ở phân khúc xe sang mà còn trên các dòng xe phổ thông Sự phát triển của các công nghệ như xe điện và hệ thống lái tự động cũng đóng góp vào việc cải tiến ETC, giúp hệ thống này ngày càng hoàn thiện hơn với khả năng phối hợp với các hệ thống khác như phanh tự động, kiểm soát ổn định và cruise control

+Lợi ích và tiềm năng phát triển:

ETC mang lại nhiều lợi ích đáng kể, bao gồm cải thiện hiệu suất vận hành, tăng cường khả năng tiết kiệm nhiên liệu, giảm lượng khí thải độc hại và tăng cường an toàn cho người lái Trong tương lai, hệ thống này sẽ tiếp tục phát triển cùng với xu hướng điện khí hóa và tự động hóa trong ngành công nghiệp ô tô

2.2 Cấu tạo

Hệ thống bướm ga điện tử (Electronic Throttle Control - ETC) có cấu tạo bao gồm nhiều thành phần phối hợp với nhau để điều khiển chính xác lượng không khí nạp vào động cơ Dưới đây là các thành phần chính của hệ thống:

- Bàn đạp ga điện tử (Electronic Throttle Pedal)

 Cảm biến vị trí bàn đạp ga (Pedal Position Sensor): Đây là bộ phận thay thế cho cơ cấu dây cáp truyền thống Khi người lái đạp ga, cảm biến sẽ ghi nhận vị trí của bàn đạp và chuyển đổi thành tín hiệu điện tử, gửi về bộ điều khiển động cơ Thông thường, bàn đạp ga điện tử sử dụng cảm biến điện trở hoặc cảm biến từ tính để đo vị trí chính xác của bàn đạp

- Bộ điều khiển động cơ (Engine Control Unit - ECU)

 Vi xử lý điều khiển: ECU là "bộ não" của hệ thống, chịu trách nhiệm xử lý tín hiệu từ cảm biến

vị trí bàn đạp ga, các cảm biến động cơ khác (cảm biến oxy, cảm biến nhiệt độ động cơ, cảm biến lưu lượng không khí, v.v.), và quyết định mức độ mở của bướm ga dựa trên các điều kiện vận hành thực tế

 Phần mềm điều khiển: Phần mềm trong ECU sử dụng các thuật toán điều khiển để tính toán chính xác lượng không khí cần thiết, từ đó điều khiển động cơ hoạt động hiệu quả nhất

- Cảm biến vị trí bướm ga (Throttle Position Sensor - TPS)

 Đo lường vị trí của bướm ga: TPS gắn trên trục của bướm ga, có nhiệm vụ đo lường vị trí mở của van bướm ga và gửi tín hiệu về ECU để điều chỉnh lại nếu cần Nó đảm bảo rằng van bướm

ga luôn ở vị trí chính xác theo yêu cầu từ ECU

- Cơ cấu chấp hành bướm ga (Throttle Actuator)

 Motor điện điều khiển van bướm ga: Cơ cấu chấp hành thường là một motor điện được điều khiển bởi ECU, có nhiệm vụ mở hoặc đóng van bướm ga dựa trên tín hiệu điều khiển Thay vì việc người lái trực tiếp điều chỉnh bướm ga qua dây cáp, motor này tự động điều chỉnh vị trí của bướm ga theo lệnh từ ECU

 Cơ cấu truyền động: Thông qua cơ cấu bánh răng hoặc dây đai, motor điều khiển chuyển động của bướm ga Cơ cấu này đảm bảo sự chính xác trong việc điều chỉnh mức độ mở của van bướm ga

- Van bướm ga (Throttle Body)

 Van bướm: Đây là bộ phận vật lý điều khiển lượng không khí đi vào buồng đốt của động cơ Van bướm thường có dạng tròn và nằm trong đường ống nạp không khí Khi mở, lượng không khí nạp vào động cơ tăng lên, giúp tăng tốc độ động cơ; khi đóng, lượng không khí bị giảm, làm giảm tốc độ động cơ

 Trục bướm ga: Van bướm được gắn trên trục để có thể xoay khi cơ cấu chấp hành điều khiển Trục này giúp van bướm có thể đóng mở linh hoạt, tùy thuộc vào yêu cầu điều khiển từ ECU

- Các cảm biến liên quan khác

 Cảm biến lưu lượng khí nạp (Mass Airflow Sensor): Đo lường lượng không khí đi vào động cơ, cung cấp dữ liệu cần thiết cho ECU để điều chỉnh bướm ga

 Cảm biến áp suất khí nạp (Manifold Absolute Pressure Sensor - MAP): Đo áp suất bên trong ống nạp, giúp ECU tính toán lượng không khí cần thiết cho động cơ

 Cảm biến oxy (Oxygen Sensor): Đo nồng độ oxy trong khí thải để giúp ECU điều chỉnh lượng nhiên liệu và không khí vào động cơ sao cho đạt hiệu quả đốt cháy tối ưu

2.3 Chức năng và tầm quan trọng của hệ thống bướm ga điện tử

- Kiểm soát lượng không khí nạp vào động cơ

Chức năng quan trọng nhất của hệ thống bướm ga điện tử là điều chỉnh lượng không khí nạp vào động cơ thông qua van bướm ga Khi người lái đạp ga, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh van bướm ga để tăng hoặc giảm lượng không khí nạp vào động cơ, giúp động cơ hoạt động mạnh

mẽ hoặc êm ái theo nhu cầu của người lái

- Tối ưu hóa hiệu suất động cơ

Hệ thống ETC giúp điều khiển chính xác quá trình mở van bướm ga, từ đó tối ưu hóa tỉ lệ hòa trộn giữa không khí và nhiên liệu trong buồng đốt Điều này giúp tăng cường hiệu suất vận hành của động cơ, mang lại khả năng phản hồi nhanh chóng và mượt mà hơn so với hệ thống điều khiển cơ học truyền thống

- Giảm tiêu thụ nhiên liệu

Nhờ khả năng kiểm soát chính xác quá trình nạp không khí, hệ thống bướm ga điện tử giúp động cơ hoạt động ở chế độ tiết kiệm nhiên liệu hơn Hệ thống này điều chỉnh lượng không khí theo nhu cầu thực tế của động cơ, giúp giảm lãng phí nhiên liệu và tăng cường hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu trong suốt quá trình lái xe

- Giảm thiểu khí thải

Hệ thống ETC không chỉ giúp động cơ hoạt động hiệu quả hơn mà còn giảm lượng khí thải ra môi trường Khi quá trình đốt cháy diễn ra tối ưu hơn nhờ kiểm soát lượng không khí, việc giảm khí thải độc hại như CO2 và NOx là điều tất yếu, góp phần đáp ứng các tiêu chuẩn về khí thải

- Cải thiện khả năng lái và an toàn

+Phản hồi nhanh và chính xác: ETC cho phép điều chỉnh van bướm ga một cách nhanh chóng và chính xác hơn so với hệ thống cơ học, từ đó cải thiện khả năng phản hồi của xe trong các tình huống tăng tốc hoặc giảm tốc đột ngột

+Hỗ trợ hệ thống kiểm soát hành trình (Cruise Control): ETC phối hợp với hệ thống kiểm soát hành trình giúp duy trì tốc độ ổn định mà không cần người lái phải nhấn bàn đạp ga, mang lại sự tiện lợi và an toàn khi lái xe trên đường dài

+Tích hợp với các hệ thống an toàn khác: ETC thường tích hợp với các hệ thống an toàn như kiểm soát lực kéo (Traction Control) và kiểm soát ổn định điện tử (Electronic Stability Control), giúp xe vận hành an toàn hơn trong các điều kiện đường trơn trượt hoặc bất ổn +Tích hợp với các hệ thống lái xe tự động

Trong các xe hiện đại, ETC còn đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống hỗ trợ lái xe tự động như tự động phanh, tự động giữ khoảng cách và lái xe tự hành Hệ thống bướm ga điện tử cho phép xe tự động điều chỉnh tốc độ và động cơ một cách linh hoạt mà không cần

sự can thiệp của người lái

- Giảm sự mệt mỏi của người lái

Khi vận hành xe trong thời gian dài, hệ thống bướm ga điện tử giúp giảm áp lực cho người lái bằng cách làm cho các thao tác lái trở nên nhẹ nhàng hơn Thay vì phải điều chỉnh van bướm

ga thủ công qua cơ cấu dây cáp, hệ thống tự động điều chỉnh giúp người lái tập trung hơn vào việc kiểm soát phương tiện

.

3 Nguyên lí hoạt động và quá trình điều khiển của mô hình điều khiển bướm ga điện tử

3.1 Nguyên lí hoạt động.

-Biến trở: Được sử dụng để điều chỉnh đầu vào của người dùng, thường là để mô phỏng bàn đạp ga Khi xoay biến trở, điện trở thay đổi làm thay đổi điện áp trên các chân đầu vào của Arduino Arduino đọc giá trị này thông qua chân Analog và chuyển nó thành tín hiệu tương tự từ 0 đến 1023

-Arduino: Sau khi nhận giá trị điện áp từ biến trở, Arduino xử lý và quyết định điều khiển động cơ (bướm ga) Giá trị này được chuyển đổi thành tín hiệu điều khiển động cơ

qua PWM (Pulse Width Modulation), tức là thay đổi độ rộng xung để điều khiển tốc

độ động cơ

-Mạch cầu H: Mạch cầu H nhận tín hiệu từ Arduino và điều khiển động cơ bướm ga Mạch cầu H cho phép đảo chiều quay của động cơ, giúp điều khiển việc mở và đóng bướm ga (tăng hoặc giảm lượng khí đi vào động cơ) PWM cũng được gửi đến mạch cầu

H để điều khiển tốc độ quay của động cơ bướm ga

3.2 Quá trình điều khiển:

-Khi người dùng xoay biến trở, giá trị điện áp thay đổi và Arduino sẽ tính toán tín hiệu điều khiển phù hợp dựa trên lập trình

-Arduino gửi tín hiệu PWM đến mạch cầu H, và mạch cầu H điều khiển chiều quay cũng như tốc độ của động cơ bướm ga

-Động cơ bướm ga quay tương ứng với mức điều khiển của biến trở, từ đó điều chỉnh lượng không khí đi vào động cơ

Sơ đồ điều khiển.

4 Tham khảo và đi mua các linh kiện điện tử cần thiết, nghiên cứu thiết kế để lắp ráp cho mô hình hệ thống điều khiển bướm ga điện tử.

4.1 Các linh kiện 4.1.1 Biến trở

Biến trở là các thiết bị có điện trở thuần có thể biến đổi được theo ý muốn Chúng có thể được sử dụng trong các mạch điện để điều chỉnh hoạt động của mạch điện

Hình 3: Biến trở

Điện trở của thiết bị có thể được thay đổi bằng cách thay đổi chiều dài của dây dẫn điện trong thiết bị, hoặc bằng các tác động khác như nhiệt độ thay đổi, ánh sáng hoặc bức xạ điện từ,

Ký hiệu của biến trở trong sơ đồ mạch điện có thể ở các dạng như sau:

Cấu tạo của biến trở

Nhìn từ bên ngoài, chúng ta dễ dàng nhận thấy biến trở có cấu tạo gồm 3 bộ phận chính:

- Cuộn dây được làm bằng hợp kim có điện trở suất lớn

- Con chạy/chân chạy Cho khả năng chạy dọc cuộn dây để làm thay đổi giá trị trở kháng

- Chân ngõ ra gồm có 3 chân (3 cực) Trong số ba cực này, có hai cực được cố định ở đầu của điện trở Các cực này được làm bằng kim loại Cực còn lại là một cực di chuyển và thường được gọi là cần gạt

Vị trí của cần gạt này trên dải điện trở sẽ quyết định giá trị của biến trở

Hình 4: Cấu tạo của biến trờ

Các vật liệu có trở kháng là nguyên vật liệu chính được sử dụng để tạo ra những chiếc  biến trở, cụ thể như sau

 Carbon hay còn được gọi là biến trở than: Đây là vật liệu phổ biến nhất cấu thành từ những hạt carbon Chi phí rẻ nên được sản xuất với số lượng lớn tuy nhiên độ chính xác không cao

 Dây cuốn: Loại dây này thường sử dụng dây Nichrome với độ cách điện cao Do đó mà chúng được sử dụng trong các ứng dụng công suất cao đòi hỏi độ chính xác Tuy nhiên độ phân giải của nhiên liệu này chưa thực sự tốt

 Nhựa dẫn điện: Thường bắt gặp trong các ứng dụng âm thanh cao cấp Tuy nhiên chi phí cao khiến chúng bị hạn chế

 Cermet: Đây là loại vật liệu rất ổn định Tuy nhiên tuổi thọ của chúng không cao và giá thành lớn

Nguyên lý hoạt động của biến trở

Đúng như tên gọi của nó là làm thay đổi điện trở, nguyên lý hoạt động chủ yếu của biến trở là các dây dẫn được tách rời dài ngắn khác nhau Trên các thiết bị sẽ có vi mạch điều khiển hay các núm vặn Khi thực hiện điều khiển các núm vặn các mạch kín sẽ thay đổi chiều dài dây dẫn khiến điện trở trong mạch thay đổi

4.1.2 Mạch cầu H L298

Mạch điều khiển động cơ L298 DC Motor Driver có khả năng điều khiển 2 động cơ DC, dòng tối đa 2A mỗi động cơ, mạch tích hợp diod bảo vệ và IC nguồn 7805 giúp cấp nguồn 5VDC cho các module khác

Thông số kỹ thuật

- IC chính: L298

- Điện áp hoạt động: 5~30VDC

- Công suất tối đa: 25W

- Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A

- Mức điện áp logic: Low -0.3V~1.5V, High: 2.3V~Vss

Hình 5: Các chân của mạch cầu H

 Chức năng các chân:

- Chân 1: Chân VCC +12V đấu nối từ nguồn +12V DC để cấp nguồn cho động cơ DC mà mạch điều khiển

- Chân 2: Chân GND để nối mass hoặc nguồn âm của nguồn DC

- Chân 3: Chân SV +5V đấu từ nguồn 5V DC để cấp nguồn cho độnng cơ DC mạch điều khiển

- Chân 4 và chân 7: Chân ENA và ENB dùng để điều khiển tốc độ ứng với động cơ số 1 và động

cơ số 2

- Cụm chân số 5 In1&In2: Dùng điều khiển chiều quay của động cơ số 1

- Cụm chân số 6 In3&In4: Dùng điều khiển chiều quay của động cơ số 2

- Cụm 8: Out1&Out2: Dùng để nối nguồn điện với chân nguồn của động cơ số1

Cụm 9: Out3&Out4: Dùng để nối nguồn điện với chân nguồn của động cơ số2

4.1.3 Mạch Arduino Uno R3

Arduino UNO R3 có thể sử dụng vi điều khiển ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt

độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD

Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng Arduino UNO

Hình 6: Adruino UNO R3

4.1.4 Nguồn tổ ong 12v