Bài giảng hệ thống cơ điện tử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA CƠ KHÍ-BỘ MÔN CƠ KHÍ Ô TÔ BÀI GIẢNG CÁC HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ PGS.TS. Đào Mạnh Hùng Ths. Đỗ Khắc Sơn HÀ NỘI 2012 CHƯƠNG1. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ 11. KHÁI NIỆM Hệ thống cơ điện tử là thiết bị công nghệ cơ khí điều khiển tự động bởi thiết bị điện tử => Thiết bị công nghệ cơ khí + bộ điều khiển tự động bằng điện tử. Thiết bị công nghệ cơ khí + bộ điều khiển tự động. Các thành phần của hệ thống cơ điện tử 1. Thiết bị công nghệ cơ khí: Đây chính là cơ cấu máy công tác, thực hiện các thao tác của quá trình công nghệ. 2. Cảm biến (sensor) Là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ dạng này qua dạng khác, được dùng để xác định giá trị các đại lượng vật lý. Ví dụ cảm biến vận tốc, cảm biến gia tốc, cảm biến ứng suất, cảm biến áp suất, cảm biến lưu lượng… 3. Cơ cấu chấp hành (actuator) Đây là thiết bị nhận nguồn năng lượng từ bên ngoài và tác động vào thiết bị công nghệ trên cơ sở tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển. Trong các hệ thống cơ điện tử thường gặp ba loại cơ cấu chấp hành là công tắc, động cơ (điện) tịnh tiến và động cơ (điện)quay. 4. Bộ vi xử lý (microprocessor) Dùng làm lõi của bộ điều khiển. Cấu trúc của nó gồm 4 thành phần chính: bộ tính toán số học và lô gíc, bộ điều khiển, các thanh ghi và các bus truyền thông. 5. Phần mềm điều khiển Phần mềm điều khiển thể hiện thuật toán điều khiển, có tác dụng chỉ ra cách thức hệ thống hoạt động. 1.2. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ -Vào đầu những năm 1960, thiết bị điện tử trên ô tô chỉ là thiết bị radio. Các thiết bị chức năng khác thuần túy là cơ khí hoặc điện từ. Đai an toàn lúc bấy giờ thuần túy cơ khí. Hệ thống cung cấp điện thuần túy là hệ thống điện từ. Hệ thống đánh lửa thường dùng tiếp điểm cơ khí… - Hệ thống cơ điện tử đầu tiên ứng dụng trên ô tô là hệ thống đánh lửa điện tử vào cuối những năm 1970. Hệ thống này gồm các cảm biến vị trí trục khuỷu, cảm biến vị trí trục cam, cảm biến vị trí bớm ga, cảm biến tốc độ mở bướm ga… và bộ vi xử lý để xác định thời điểm đánh lửa. - Cũng vào những năm cuối 1970, hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh ABS được ứngg dụngg trên ô tô. Hệ thốngg nàyy dùng các cảm biến tốc độ tại các bánh xe để cảm nhận sự bó cứng bánh xe và bộ vi xử lý phát ra tín hiệu điều khiển cơ cấu chấp hành thực hiện điều chỉnh áp suất dầu trong hệ thống phanh để các bánh xe không bị hãm cứng và trượt lết. - Hệ thống điều khiển chống trượt quay TCS (traction control system) được phát triển trên ô tô vào giữa những năm 1990. Các cảm biến xác định sự trượt quay của các bánh xe trong quá trình tăng tốc và bộ điều khiển (vi xử lý) điều khiển giảm công suất của động cơ truyền đến bánh xe và phanh bánh xe bị trượt quay. Trên những đường trơn trượt, tải động cơ ảnh hưởng lớn đến sự quay thân xe khi tăng tốc. Khi bánh xe đã bị trượt dọc, khả năng bám ngang giảm đi rất nhiều, tức là mất khả năng điều khiển hướng. TCS giúp ô tô có duy trì khả năng điều khiển hướng của ô tô khi tăng tốc và giúp tăng khả năng động lực học vì duy trì được độ trượt trong phạm vi tốt nhất (đặc biết là với những loại xe có tính năng động lực học cao như xe đua) và có tác dụng như bộ vi sai hạn chế trượt. Hệ thống điều khiển quá trình động lực học ô tô VDC (Vehicle Dynamics Control) được giới thiệu trên ô tô vào cuối những năm 1990. Lúc bấy giờ, hệ thống này làm việc tương tự như TCS nhưng có thêm cảm biến quay thân xe và cảm biến gia tốc ngang. Hệ thống thực hiện điều chỉnh lực kéo tại các bánh xe và tốc độ ô tô để tối thiểu hóa sự sai lệch hướng chuyển động của ô tô và hướng của các bánh xe dẫn hướng. - Hiện nay trên ô tô sử dụng hệ thống điều khiển ổn định của ôtô ESC (electronic stability control). Nó thực hiện điều chỉnh lựckéo và lực phanh tại các bánh xe để tránh các hiện tượng quay vòng thừa và quay vòng thiếu. Trên ô tô hiện nay, các bộ vi xử lý 8, 16 và 32 bít được sử dụng để hực hiện các chức năng điều khiển khác nhau. Các bộ vi điều khiển với các bộ nhớ EEPROM/EPROM và nhiều thiết bị chức năng khác như ADC, PWM, Timer,… được tích hợp trong chip dần được ứng dụng trên ô tô. Các bộ vi điều khiển loại 32 bit dùng cho điều khiển động cơ, hệ thống truyền lực, túi khí; loại 16 bit dùng cho ABS, TCS, VDC, hệ thống điều hòa không khí… và loại 8 bit hiện chỉ dùng để điều khiển ghế, cửa, gương… Trên mỗi ô tô hiện nay có khoảng 40 đến 70 bộ vi điều khiển. 1.3. HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ Hệ thống cơ điện tử là hệ thống thực hiện việc điều khiển toàn bộ động cơ, hệ thống truyền lực, hệ thống phanh và các hệ thống khác với độ chính xác cao bằng ECU (bộ vi xử lí). Đây là một hệ thống điều khiển tổng hợp các hệ thống điều khiển bởi các ECU khác nhau đảm bảo tính năng cơ bản của ôtô. Hình 1.1 Hệ thống cơ điện tử trên ô tô Trong đó: EFI: Hệ thống phun xăng điện tử. ESA: Hệ thống đánh lửa sớm điện tử. ISC: Hệ thống điều khiển tốc độ không tải. ECT: Hộp số tự động điều khiển điện tử. ABS: Hệ thống phanh chống bó cứng. TEMS: Hệ thống treo điều khiển điện tử TRC: Hệ thống chống trượt bánh xe. A/C: Hệ thống điều hoà không khí. ECU Động cơ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ 1.3.1. CHỨC NĂNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ Chức năng của hệ thống điều khiển động cơ bao gồm EFI, ESA, ISC. Chúng điều khiển các tính năng cơ bản của động cơ, chức năng chẩn đoán, và chức năng dự phòng và an toàn. Chức năng dự phòng, an toàn chỉ hoạt động khi có sự cố trong hệ thống điều khiển. Ngoài ra, còn có các thiết bị điều khiển phụ trên động cơ như hệ thống điều khiển cắt số truyền tăng, hệ thống điều khiển khí nạp… được điều khiển bằng ECU động cơ. Hình 1.2 Sơ đồ các bộ phận trong hệ thống điều khiển động cơ (Động cơ 4A-FE, xe Corolla Châu Âu) a. EFI: (Hệ thống phun xăng điện tử) Một bơm nhiên liệu điện cung cấp đủ nhiên liệu dưới áp suất không đổi đến các vòi phun. Các vòi phun sẽ phun 1 lượng nhiên liệu định trước vào đường ống nạp theo các tín hiệu từ ECU động cơ. ECU nhận các tín hiệu từ nhiều cảm biến thông báo về sự thay đổi các chế độ hoạt động của động cơ như: Áp suất đường ống nạp (PIM) hay lượng khí nạp (VS, KS và VG). Góc quay trục khuỷu (G) Tốc độ động cơ (NE) Tăng tốc/ Giảm tốc (VTA) Nhiệt độ nước làm mát (THW) Nhiệt độ khí nạp (THA) Nhiên liệu Các cảm biến ECU ĐC Vòi phun ECU sử dụng các tín hiệu này để xác định khoảng thời gian phun cần thiết nhằm đạt được hoà khí với tỉ lệ tối ưu phù hợp từng điều kiện hoạt động của động cơ. b. ESA: (đánh lửa sớm điện tử) ECU được lập trình với số liệu đảm bảo thời điểm đánh lửa tối ưu ở mọi chế độ hoạt động của động cơ. Dựa vào các số liệu do các cảm biến theo dõi hoạt động của động cơ gửi về , ECU sẽ gửi tín hiệu điều khiển IGT (thời điểm đánh lửa) đến IC đánh lửa để đánh lửa tại thời điểm chính xác. Các tín hiệu như: Tốc độ động cơ (NE) Góc quay trục khuỷu (G) Áp suất đường ống nạp (PIM) hay lượng khí nạp (VS, KS và VG). Nhiệt độ nước làm mát (THW) c. ISC (điều khiển tốc độ không tải) ECU động cơ được lập trình với các giá trị tốc độ động cơ tiêu chuẩn tương ứng với các điều kiện sau: Nhiệt độ nước làm mát (THW) Điều hoà không bật hay tắt (A/C) Các cảm bíên truyền tín hiệu đến ECU, nó sẽ điều khiển dòng khí bằng van ISC, qua đường khí phụ và điều chỉnh tốc đọ không tải đén giá trị tiêu chuẩn. d. Các chức năng Bugi Bộ chia điện Cuộn đánh lửa và IC đánh lửa ECU động cơ Các cảm biến Van ISC ECU Động cơ Các Cảm biến Chức năng chẩn đoán: ECU theo dõi các tín hiệu gửi đến từ các cảm biến, nếu có bất kỳ sự cố nào trong tín hiệu đầu vào, ECU động cơ lưu và báo bằng đèn “CHECK ENGINE” hay phát ra tín hiệu điện áp. Chức năng an toàn : Nếu các tín hiệu vào không bình thường, ECU động cơ chuyển sang dùng các giá trị tiêu chuẩn để điều khiển. Chức năng dự phòng: Nếu một phần ECU không hoạt động, chức năng này vẫn tiếp tục điều khiển việc phun nhiên liệu và thời điểm đánh lửa. 1.3.2 MẠCH CẤP NGUỒN Mạch này cấp nguồn điện cho ECU động cơ, bao gồm : khoá điện và Rơle EFI chính. Phân loại mạch cấp nguồn: Dòng điện chạy trực tiếp từ khoá điện đến cuộn dây của Rơle EFI chính để kích hoạt Rơle (không sử dụng môtơ bước trong van điều khiển ISC). ECU động cơ trực tiếp kích hoạt Rowle EFI chính ( sử dụng mô tơ bước trong van điều khiển ISC) a. Động cơ không có van ISC loại môtơ bước Hình : Mạch điện động cơ không có van ISC loại môtơ bước Khi khoá điện bật ON, dòng điện đến cuộn dây Rơle EFI chính làm tiếp điểm đóng, cấp nguồn điện đến cực +B và +B1 của ECU động cơ. Điện áp ắc quy luôn cấp cho cực BATT của ECU động cơ để tránh xoá các mã chẩn đoán và các dữ liệu khác trong bộ nhớ của ECU. b. Động cơ có van ISC loại môtơ bước Khi khoá điện bật ON, điện áp ắc quy được cấp đến cực IGSW của ECU động cơ, mạch điều khiển Rơle EFI chính gửi một tín hiệu đến cực M-REL của ECU động cơ, bật Rơle EFI chính. Tín hiệu này làm dòng điện chạy trong cuộn dây đóng tiếp điểm của Rơle EFI chính và cấp nguồn cho cực +B và +B1 của ECU động cơ. Điện áp ắc quy luôn được cấp cho cực BATT nhằm tránh xoá các mã chẩn đoán và dữ liệu trong bộ nhớ trong ECU động cơ. Hình : Mạch điện động cơ van ISC loại môtơ bước (chỉ một số kiểu xe) c. Mạch VC Từ điện áp ắc quy cấp cho cực +B, +B1, ECU động cơ trích một điện áp không đổi 5V để cấp cho bộ vi xử lí theo mạch sau: Hình: Mạch VC (chỉ 1 số kiểu xe) 1.4.XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Các hệ thống cơ điện tử trên ô tô hiện đang được phát triển theo hướng hoàn toàn tự động nhằm nâng cao tính năng an toàn, tính thân thiện với môi trường, tính tiện nghi. Các hệ thống điều khiển bằng điện và các hệ thống mạng không dây để truyền thông giữa ô tô với các trung tâm điều độ giao thông và với các ô tô khác đang được nghiên cứu ứngdụng. Các hệ thống vi cơ điện MEMS (Micro ElectroMechanical System), rada sóng ngắn đang được nghiên cứu ứng dụng trên các ô tô và các hệ thống cơ điện tử trên ô tô ngày càng tinh tế với nhiều chức năng ưu việt. Ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu GPS đang được nghiên cứu trên ô tô và ô tô được dự đoán sẽ hoàn toàn tự động trong vòng vài thập kỷ tới. ¾c quy R¬Le EFI Kho¸ ®iÖn ECU ®éng c¬ Mạch điện áp không đổi 5V Bộ vi xử lí CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CẢM BIẾN 2.1.Cảm biến áp suất đường ống nạp (cảm biến chân không) Đây là loại cảm biến quan trộng sử dụng trong loai D-EFI Cảm biến nhận áp suất đường ống nạp bằng IC lắp trong cảm biến và phát ra tín hiệu PIM. ECU quyết định thời gian phun và góc đánh lửa sớm dựa vào tín hiệu này. Hoạt động: Một chip Silicon gắn liền với buồng chân không được duy trì độ chân không chuẩn, tất cả được đặt trong bộ cảm biến. Một phía của chíp tiếp xúc với áp suất đường ống nạp, phía kia tiếp xúc với độ chân không trong buồng chân không. Áp suất đường ống nạp thay đổi làm hình dạng của chíp silicon thay đổi, và giá trị điện trở cũng dao động theo mức độ biến dạng. Sự dao động của giá trị điện trở này được chuyển hoá thành tín hiệu điện áp nhờ IC lắp bên trong cảm biến và sau đó được gửi đến ECU động cơ ở cực PIM dùng làm tín hiệu áp suất đường ống nạp. Cực VC của ECU động cơ cấp nguồn không đổi 5V đến IC. Đặc tính của áp suất đường ống nạp và điện áp ra: Buồng chân không Chip Silic Buồng chân không Lọc áp suất đường ống nạp áp suất đường ống nạp Điện áp ra (PIM) Cảm biến áp suất đường ống nạp Đến đường ống nạp Mạch điện Áp suất đường ống nạp kPa (tuyệt đối) mmHg-inHg (chân không) Đường đặc tính 2.2. CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG KHÔNG KHÍ Được dùng trong động cơ L-EFI để nhận biết lượng khí nạp. Tín hiệu lượng khí nạp được dùng để tính toán thời gian phun cơ bản và góc đánh lửa sớm. Phân loại: - Cảm biến lưu lượng khí nạp: loại cánh, loại xoáy quang học Karman. - Cảm biến khối lượng khí nạp (loại dây sấy). 2.2.1. Loại cánh Cấu tạo và hoạt động: Cấu tạo bao gồm các chi tiết như hình minh hoạ. Hoạt động : Khi không khí đi từ lọc gió qua cảm biến lưu lượng khí nạp, nó sẽ đẩy mở tấm đo cho đến khi lực tác dụng cân bằng với lò xo. Một biến trở được lắp đồng trục với tấm đo, sẽ chuyển hoá lượng khí nạp thành tín hiệu điện áp (VS) đưa đến ECU. Buồng giảm chấn và tấm giảm chấn có tác dụng ngăn không cho tấm đo rung động khi lượng khí nạp thay đổi đột ngột. Trên đường khí tắt có vít chỉnh không tải. Cảm biến lưu lượng loại cánh có hai kiểu tín hiệu điện áp: loại VS giảm khi lượng khí nạp lớn, loại VS tăng khi lượng khí nạp tăng. Loại 1: ECU động cơ cấp điện áp không đổi 5V đến cực VC của cảm biến lưu lượng khí nạp. Điện áp ra tại cực VS sẽ báo chính xác góc mở của tấm đo và báo chính xác lượng khí nạp. Tiêp điểm trượt Lò xo hồi Cảm biến nhiệt độ khí nạp Từ lọc gió Tấm đo Đường khí tắt Vít chỉnh không tải Đến khoang nạp khí Cánh giảm rung Biến trở [...]... động cơ e Tín hiệu liên lạc của hệ thống ABS Tín hiệu này để nhận biết khi nào thì hệ thống ABS hoạt động Nó được dùng để điều khiển cắt nhiên liệu nhằm làm giảm hiệu quả phanh bằng động cơ khi cần thiết f Tín hiệu liên lạc của hệ thống RHPS (Trợ lực lái thuỷ lực - điện tử) ECU trợ lực lái ECU động cơ Khi nhiệt độ nước làm mát hay tốc độ động cơ quá thấp, máy phát sẽ bị quá tải khi motơ cánh gạt của hệ. .. tiếng gõ trong động cơ Khi xảy ra tiếng gõ trong động cơ, ECU động cơ dùng tín hiệu KNK để làm muộn thời điểm đánh lửa sớm nhằm ngăn chặn tiếng gõ Màng Cảm biến tiếng gõ Đến ECU động cơ Phần tử áp điện Điện áp  cao Cảm biến này bao gồm một phần tử áp điện, nó sẽ tạo ra điện áp khi bị biến dạng do rung động của thân máy khi có tiếng gõ Do tiếng gõ của động cơ có tần số xấp xỉ 7kHz nên điện áp do cảm biến... cánh gạt của hệ thống EHPS hoạt động Để tránh hiện tượng đó, ECU trợ lực lái sẽ gửi 1 tín hiệu đến ECU động cơ để điều khiển ISC để tăng tốc độ động cơ TRC ECU g Tín hiệu tốc độ động cơ: Đây là tín hiệu NE đưa đến ECU động cơ, sau đó qua bộ nắn sóng và được gửi vào TRC ECU ECU động cơ CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ (EFI) 3.1 KHÁI QUÁT ECU động cơ tính toán khoảng thời gian phun cơ bản dựa vào hai... độ của phần tử Titan không thay đổi Dây dẫn Cảm biến Ôxy Giắc kiểm tra Lớp Titan động cơ theo mạch điện như cực OX(+) ECU có 1 bộ so điện trở của titan) với 1 điện hơn 0,45V (Ω) Cảm biến Ôxy này được nối với ECU hình vẽ Một điện áp 1V luôn được cấp đến sánh sự sụt áp tại cực OX (do sự thay đổi áp so sánh là 0,45V Nếu điện áp OX lớn ECU động cơ sẽ nhận là tỷ lệ không khínhiên liệu đậm (điện trở cảm... tín hiệu ECU động cơ sử dụng các tín hiệu này nhận biết góc của trục khuỷu và tốc độ động cơ, các tín hiệu rất quan trọng cho EFI và cả ESA Phân loại theo vị trí lắp đặt: (có 3 loại) Loại đặt bên trong bộ chia điện Loại cảm biến vị trí cam Loại tách rời Kết cấu cơ bản và hoạt động của chúng là như nhau 2.4.1 Loại đặt bên trong bộ chia điện Bộ chia điện trong hệ thống điều khiển động cơ bao gồm rôto và... tốc độ động cơ Đó là nền tảng cho việc tính toán dựa trên chương trình lưu trong bộ nhớ ECU động cơ cũng xác định khoảng thời gian phun tối ưu cho từng chế độ hoạt động dựa trên các tín hiệu khác nhau từ các cảm biến Lọc khí Cảm biến áp suất đường ống nạp Bộ điều áp Vòi phun ECU động cơ Khóa điện Ắc quy Tốc độ động cơ Các cảm biến KẾT CẤU CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG D-EFI Cảm biến lưu lượng khí Khóa điện Ắc quy... ECU động cơ Tín hiệu KD này được dùng để làm đậm hỗn hợp khi tăng công suất Công tắc này cũng được gọi là “Công tăc bướm ga mở hoàn toàn” Công tắc kick-down Bàn đạp ga Công tắc kick-down 2.18 CÔNG TẮC NHIỆT ĐỘ NƯỚC LÀM MÁT Công tắc này gửi các tín hiệu đến ECU Công tắc nhiệt độ động cơ khi động cơ bị quá nóng Khi ECU nước làm mát động cơ nhận được tín hiệu này, nó điều khiển hệ thống EFI và hệ thống. .. của cảm biến vỉ trí cam giống như loại đặt trong bộ chia điện, ngoại trừ nó loại bỏ hệ thống phân phối điện áp khỏi bộ chia điện Mạch điện, dạng sóng của tín hiệu G và NE (như hình): Tín hiệu G1, G2 (2 cuộn nhận tín hiệu, 1 răng) Tín hiệu NE (1 cuộn nhận tín hiệu, 24 răng) 2.4.3 Loại tách rời Về chức năng cơ bản là giống loại đặt bên trong bộ chia điện và loại cảm biến vị trí cam, loại này khác về vị... vị trí bướm ga được ECU động cơ xử lí, sau đó gửi đến ECT ECU, ECU hệ thống treo… với các tín hiệu L 1, L2, L3 b.Tín hiệu góc mở bướm ga cho hệ thống TRC (điều khiển chống trượt lốp) Các tín hiệu này là các tín hiệu góc mở bướm ga (VTA1 và VTA2) được gửi đến từ cảm biến vị trí bướm ga chính và phụ, sau khi đi qua ECU động cơ được đưa đến TRC ECU c Tín hiệu liên lạc của hệ thống điều khiển chân ga tự... xung Loại4 điện áp ra (0V 5- Cảm biến 12V) độ tốc Bảng đồng hồ Loại điện trở thay đổi (0Ω-h) Mạch đầu vào Loại 20 cực (loại điện áp ra) Cảm biến tốc độ Loại 4 cực (loại điện áp ra) 4 xung Đến ECU khác Loại 4 cực (loại điện điện trở thay đổi) 2.10 TÍN HIỆU STA (MÁY KHỞI ĐỘNG) Tín hiệu này được dùng để phát hiện động cơ đang được quay khởi động Ắc quy Chức năng chính là cho phép ECU động cơ tăng lượng . ga Đóng Mở Điện trở Con trượt (tiếp điểm cho tín hiệu VTA) Con trượt (tiếp điểm cho tín hiệu IDL) Một điện áp không đổi 5V được cấp cho cực VC từ ECU động cơ, khi tiếp điểm trượt dọc theo điện trở tư ng ứng. điều khiển ổn định của ôtô ESC (electronic stability control). Nó thực hiện điều chỉnh lựckéo và lực phanh tại các bánh xe để tránh các hiện tư ng quay vòng thừa và quay vòng thiếu. Trên ô tô. trình động lực học ô tô VDC (Vehicle Dynamics Control) được giới thiệu trên ô tô vào cuối những năm 1990. Lúc bấy giờ, hệ thống này làm việc tư ng tự như TCS nhưng có thêm cảm biến quay thân