Đồ án điều khiển dây ga tự động

Những năm gần đây cùng với sự phát triển chung của xã hội và với sự phát triển như vũ bão về khoa học kỹ thuật, bộ mặt thế giới đã có những thay đổi vô cùng to lớn. Có thể nói khoa học kỹ thuật hiện đại đã đang và sẽ gây ảnh hưởng mạnh mẽ đến toàn nhân loại. Ở nước ta mặc dù là một nước đang phát triển nhưng những năm gần đây cùng với đòi hỏi của sản xuất cũng như hội nhập nền kinh tế thế giới thì việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật mà đặc biệt là tự động hóa quá trình sản xuất đã có bước phát triển tạo ra sản phẩm có hàm lượng chất xám cao tiến tới hình thành một nền kinh tế tri thức. Kỹ thuật điện tử đã có những bước phát triển mạnh đặc biệt là trong kỹ thuật điều khiển tự động, kỹ thuật vi điều khiển. Đặc biệt là trên ô tô, vi điều khiển được ứng dụng rất nhiều trong các mạch điều khiển các hệ thống trên xe. Trong đó không thể không nói đến hệ thống điều khiển dây ga tự động trên xe. Là một hệ thống giúp điều khiển tự động dây ga mà không cần sự can thiệp của người lái. Mô tơ điều khiển cơ cấu dây ga để thay đổi độ mở của bướm ga với hệ thống nhiên liệu xăng hoặc bơm cao áp đối với hệ thống nhiên liệu diesel. Chuyển động quay của mô tơ điện sau đó được chuyển thành chuyển động của bướm ga hoặc bơm để thay đổi công suất của động cơ.

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

1 Hình 2.1: Bánh xe quay tít trên mặt đường nhưng xe chưa di

chuyển

2 Hình 2.2: Xe vẫn có khả năng điều khiển khi đạp phanh cứng

3 Hình 2.3: Hệ thống treo bánh trước và bánh sau của xe

12 Hình 2.12: Van điện từ điều khiển dòng dầu thủy lực

13 Hình 2.13: Motor điều khiển độ mở bướm ga

14 Hình 2.14: Điều khiển val chính của phanh

15 Hình 2.15: Sơ đồ chân và chức năng của họ 8051

16 Hình 2.16 : Sơ đồ chân Port 2

17 Hình 2.17: Hình trên là cách nối bộ dao động thạch anh

28 Hình 2.28: Sơ đồ cấu tạo và hình dạng thực tế của PC 817

29 Hình 3.1: Sơ đồ khối mạch điều khiển

30 Hình 3.2: Mô phỏng nguyên lý hoạt động trên phần mềm proteus

31 Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý trên phần mềm Eagle

32 Hình 3.4: Sơ đồ mạch in

33 Hình 3.5: Mạch điều khiển

34 Hình 3.6: Cơ cấu điều khiển

PHẦN I: MỞ ĐẦU

1.1. Tính cấp thiết và ý nghĩa của đề tài

1.1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Những năm gần đây cùng với sự phát triển chung của xã hội và với sự phát triển như vũ bão về khoa học kỹ thuật, bộ mặt thế giới đã có những thay đổi vô cùng to lớn

Có thể nói khoa học kỹ thuật hiện đại đã đang và sẽ gây ảnh hưởng mạnh mẽ đến toàn nhân loại Ở nước ta mặc dù là một nước đang phát triển nhưng những năm gần đây cùng với đòi hỏi của sản xuất cũng như hội nhập nền kinh tế thế giới thì việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật mà đặc biệt là tự động hóa quá trình sản xuất đã có bước phát triển tạo ra sản phẩm có hàm lượng chất xám cao tiến tới hình thành một nền kinh

tế tri thức Kỹ thuật điện tử đã có những bước phát triển mạnh đặc biệt là trong kỹ thuật điều khiển tự động, kỹ thuật vi điều khiển Đặc biệt là trên ô tô, vi điều khiển được ứng dụng rất nhiều trong các mạch điều khiển các hệ thống trên xe Trong đó không thể không nói đến hệ thống điều khiển dây ga tự động trên xe Là một hệ thống giúp điều khiển tự động dây ga mà không cần sự can thiệp của người lái Mô tơ điều khiển cơ cấu dây ga để thay đổi độ mở của bướm ga với hệ thống nhiên liệu xăng hoặc bơm cao áp đối với hệ thống nhiên liệu diesel Chuyển động quay của mô tơ điện sau

đó được chuyển thành chuyển động của bướm ga hoặc bơm để thay đổi công suất của động cơ

1.1.2.Ý nghĩa của đề tài

Giúp cho sinh viên năm cuối củng cố kiến thức, tổng hợp và nâng cấp những kiến thức chuyên ngành cũng như kỹ năng chuyên ngành vững chắc hơn

Từ những kết quả thu thập được giúp cho việc nâng cao kiến thức cùng sự chỉ bảo

đóng góp từ GVHD Trần Văn Thoan, em đã mạnh dạn lựa chọn và thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển dây ga tự động”

1.2. Mục tiêu của đề tài

- Đánh giá: Đề tài có tầm quan trong trong việc nghiên cứu và sử dụng, điều khiển cũng như kiểm tra chuẩn đoán hệ thống điều khiển dây ga tự động và hệ thống chống trượt quay trên xe ô tô

- Đề xuất các giải pháp: Sử dụng các mạch điều khiển tự động sử dụng IC họ 8051, IC PIC,…

- Xây dựng: Trên nền tảng điều khiển bởi ngôn ngữ lập trình C với các IC điều khiển

1.3. Đối tượng nghiên cứu và giới hạn của đề tài

- Đối tượng: Hệ thống điều khiển dây ga tự động và hệ thống chống trượt quay trên ô tô

- Giới hạn: Đề tài chỉ đề cập và nghiên cứu hệ thống điều khiển dây ga tự động cho trong trường hợp điều khiển chống trượt quay trên xe tải hệ thống nhiên liệu diesel Tuy nhiên, để có được sản phẩm có tính ổn định cao, đảm bảo về chất lượng là tương đối khó khăn Vì thời gian để hoàn thành đồ án này cũng có hạn, và tầm hiểu biết của bản thân em còn hạn chế… nên đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót, những khuyết

điểm không mong muốn Em rất mong có được sự đóng góp quý báu của, chân thành của quý thầy cô cùng các bạn để đề tài này được hoàn thiện hơn.

1.4. Phương pháp và kế hoạch nghiên cứu

- Sử dụng IC điều khiển cơ cấu:

Nguyên lý điều khiển:

Giảm công suất động cơ: Các cảm biến tốc độ tại các bánh xe sẽ gửi tín hiệu tốc độ bánh xe về ECU, ECU sẽ so sánh phát hiện sự trượt quay của xe và đưa ra tín hiệu điều khiển motor quay làm chuyển động cơ cấu dây ga làm giảm công suất động cơ thông qua việc giảm nhiên liệu cấp vào động cơ

PHẦN II: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI

2.1. Tổng quan về hệ thống chống trượt trên ô tô

2.1.1.Mô tả về hệ thống chống trượt trên ô tô

Lực bám đường là gì?

Lực bám đường là lực bám sinh ra tại bề mặt tiếp xúc giữa mặt đường và lốp

xe, lực bám dọc giúp xe tiến về phía trước hoặc giảm tốc độ khi phanh Lực bám ngang tạo ra sự ổn định khi chuyển động

Điều gì xảy ra khi mất lực bám?

Xe tăng tốc chậm mặc dù đã tăng ga nhiều, thậm chí xe không thể di chuyển là

do lực bám của bánh xe với mặt đường thấp Lực đẩy sinh ra không thắng được lực cản

Hình 2.1: Bánh xe quay tít trên mặt đường nhưng xe chưa di chuyển

Ở những loại xe không có chống bó cứng ABS, khi phanh bánh bị khóa cứng,

xe trượt tạo thành vết trên đường Bạn không thể điều khiển hướng chuyển động của, nguyên nhân do lốp không còn khả năng tạo ra lực bám theo phương ngang

Hình 2.2: Xe vẫn có khả năng điều khiển khi đạp phanh cứng

Yếu tố nào ảnh hưởng tới lực bám đường?

Trọng lượng phân bố lên bánh, bánh bị trượt, tình trạng bề mặt đường, hoa lốp,

áp suất lốp…

Không có trọng lượng, không có lực bám: Nếu bánh trước nhấc lên, sẽ không còn lực bám giữa bánh với mặt đường nữa Để khắc phục điều này, các hệ thống treo đóng vài trò quan trọng, bên cạnh vai trò mang lại sự êm dịu còn giúp bánh luôn tiếp xúc với mặt đường Một chiếc xe tốt sẽ không "bốc đầu" khi tăng tốc đột ngột hay

"nhấc đuôi" khi phanh gấp dù điều này tưởng như làm nhiều người thích thú

Hình 2.3: Hệ thống treo bánh trước và bánh sau

Nguyên nhân thứ hai là bánh bị trượt do tăng tốc hay đạp phanh đột ngột Không ít lần trong các bộ phim hành động có cảnh một chiếc xe tăng tốc, bánh quay tròn và bốc khói, nhưng sau vài một khoảng thời gian xe mới di chuyển Nguyên nhân

độ trượt của bánh quá lớn

Yếu tố quan trọng thứ ba là mặt đường Đường trơn làm giảm lực Khi phải lái

xe trên đường bùn, đường có cát, lực bám dọc giảm khiến cho xe không thể tăng tốc

Hình 2.4: Tình trạng mặt đường ảnh hưởng đến lực bám của xe

Cuối cùng là tình trạng lốp Áp suất lốp quá thấp hay quá cao đều làm giảm khả năng bám của bánh Hãy duy trì áp suất lốp theo khuyến cáo của nhà sản xuất Lốp bị mòn cũng một nguyên nhân làm giảm lực bám, rõ ràng lốp mới có khả năng bám đường tốt hơn lốp đã bị mòn Khi lăn trên mặt đường, phần rãnh giữa các hoa lốp tại vị trí lốp biến dạng là nơi thoát khí, nước giúp cho nó luôn được tiếp xúc trực tiếp với mặt đường

Hình 2.5: Áp suất lốp thấp ảnh hưởng đến lực bám bánh xe

Hình 2.6: Tình trạng lốp thể hiện qua độ mòn

2.1.2.Chức năng chính của hệ thống chống trượt trên ô tô

 Hệ thống điều khiển chống trượt là một hệ thống đơn giản để ngăn các bánh xe bị trượt do công suất truyền đến các bánh xe quá lớn làm cho các đáp ừng của xe đối với mặt đường trở thành không đồng bộ

 Hệ thống được dùng để làm giảm sự trượt của bánh xe và để tăng tối đa khả năng bám đất mà không bị trượt

 Hệ thống này tác động lên hệ thống thắng và động cơ để điều hòa lực tiếp tuyến đặt tại điểm tiếp xúc vỏ xe và mặt đường

 Hệ thống này không chỉ dùng trong khi thắng xe mà còn dùng khi tăng tốc

 Hệ thống tác động làm giảm công suất động cơ bằng bộ điều khiển điện tử cho sự phun xăng hay thời điểm đánh lửa

2.1.3.Cấu trúc hệ thống và các cụm chi tiết

Hệ thống chống trượt trên ô tô được biết đến là ASR (Anti-slip Regulation) , ASC(Anti-slip control),TCS(Traction Control system) với cấu trúc gồm 3 khối:

Khối cảm biến Khối điều khiển Khối chấp hành

Hình 2.9: Cảm biến vị trí bướm ga

Cảm biến độ lệch thân xe, giúp phát hiện sự thay đổi độ lệch của xe cho ECU điều khiển trong quá trình điều khiển sự ổn định của xe

Hình 2.10: Cảm biến độ lệch thân xe

 Khối điều khiển

ECU hay còn gọi là hộp đen trên ô tô, nơi tập trung xử lý tất cả các tín hiệu từ các cảm biến trên ô tô Sau đó ECU sẽ đưa ra các tín hiệu điều khiển đến từng cơ cấu chấp hành

Hình 2.11: ECU

 Khối chấp hành

Van điện từ điều khiển ABS, điều khiển dòng dầu thủy lực tới các cơ cấu phanh trên từ bánh xe

Hình 2.12: Van điện từ điều khiển dòng dầu thủy lực

Motor điều khiển vị trí bướm ga, nhận tín hiệu điều khiển từ ECU và thay đổi

độ mở của bướm ga điều khiển công suất động cơ

Hình 2.13: Motor điều khiển độ mở bướm ga

2.1.4.Nguyên lý hoạt động

Hệ thống chống trượt trên ôtô là ASR (Anti-slip Regulation), ASC (Anti-slip control), TCS (Traction Control system) Hệ thống này sẽ không có tác dụng lên hoạt động của xe cho đến khi bộ phận điều khiển phát hiện ra 1 hay 2 bánh sau quay nhanh hơn bánh trước Lúc này bộ phận điều khiển trượt và thắng điện tử (EBTCM-electric brake and traction control module) sẽ yêu cầu bộ phận truyền động công suất làm trễ việc đánh lửa lại Nếu EBTCM tiếp tục phát hiện ra các bánh sau quay nhanh hơn bánh trước nó sẽ yêu cầu ASM (anti-slip module) đóng bớt cánh bướm gió lại Khi đó momen truyền cho bánh sau sẽ giảm xuống Có một lúc nào đó các bánh sau quay cùng tốc độ các bánh trước thì hệ thống sẽ trả lại sự điều khiển cho người lái xe Trong suốt chế độ điều khiển trượt, nếu thắng chỉ tác dụng lên 1 bánh sau thì momen truyền

từ động cơ sẽ truyền hết cho bánh sau còn lại làm cải thiện việc trượt của xe Việc thắng này được thực hiện tốt nhờ việc đóng cách ly val của xy lanh chính của TCS, việc cách ly như vậy sẽ làm ngừng hệ thống lại Val chính của TCS mở ra cho dầu thắng đi vào hệ thống thắng Khi xe được khởi động hay tăng tốc đột ngột trên đường trơn thì hệ thống chống trượt sẽ hoạt động làm cho tối ưu hệ số trượt giữa lốp xe và mặt đường bàng cách giảm cônmg suất động cơ hay tác dụng thắng lên các bánh xe Điều này làm cho lực lái là tối ưu không làm cho bánh xe quay

Hình 2.14: Điều khiển val chính của phanh

2.2. Vi điều khiển họ 8051

2.2.1. Sơ đồ chân và chức năng của họ 8051

Họ vi điều khiển này có 128 byte RAM, 4kbyte ROM, hai bộ định thời, một cổng nối tiếp và 4 cổng ra/vào song song và là 1 bộ vi xử lý 8 bit

Hình 2.15: Sơ đồ chân và chức năng của họ 8051

 Port 2 (P2.0-P2.7)

Là một port có công dụng kép, là đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết bị đồng bộ nhớ mở rộng

Hình 2.16 : Sơ đồ chân Port 2

 Port 3 (P3.0- P3.7)

Mỗi chân trên Port 3 ngoai chớc năng xuất nhập còn có chớc năng riêng, cụ thể như sau :

Bit Tên Chức năng

P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho port nối tiếp

P3.1 TXD Dữ liệu truyền cho port nối tiếp

P3.2 INT0 Ngắt bên ngoài 0

P3.3 INT1 Ngắt bên ngoài 1

P3.4 T0 Ngõ vào của Timer/counter 0

P3.5 T1 Ngõ vào của Timer/ counter 1

P3.6 /WR Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài

P3.7 /RD Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

 Chân /PSEN ( Program store Enable)

/PSEN là chân điều khiển đọc chương trình ở bộ nhớ ngoài, nó được nối với chân /OE để cho phép đọc các byte mã lệnh trên ROM ngoài /PSEN sẽ ở mức thấp trong thời gian đọc mã lệnh Mã lệnh được đọc từ bộ nhớ ngoài qua bus dữ liệu (Port 0) thanh ghi lệnh để được giải mã Khi thực hiện chương trình trong ROM nội thì /PSEN ở mức cao

 Chân ALE (Address Latch Enable)

ALE là tín hiệu điều chỉnh chốt địa chỉ có tần số bằng 1/6 tần số dao động của

vi điều khiển Tín hiệu ALE được dùng để cho phép vi mạch chốt bên ngoài như

74373, 74573 chốt byte địa chỉ thấp ra khỏi bus đa hợp địa chỉ / dữ liệu (Port 0)

 Chân /EA (External Access)

Tín hiệu /EA cho phép chọn bộ nhớ chương trình là bộ nhớ trong hay ngoài vi điều khiển Nếu EA ở mức cao (nối với vcc), thì vi điều khiển thi hành chương trình trong ROM nội Nếu /EA ở mức thấp (nối với GND), thì vi điều khiển thi hành chương trình từ bộ nhớ ngoài

 RST (Reset), VCC, GND

Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ Reset của 8051 Khi tín hiệu này được đưa lên mức cao, các thanh ghi trong bộ vi điều khiển được tải những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống

8051 dùng nguồn điện áp một chiều có dải điện áp từ 4V đến 5,5V được cấp qua chân 20 và 40

2.3.1. Tổng quan về động cơ bước

Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không dùng bộchuyển mạch Cụ thể, các mấu trong động cơ là stator, và rotor là nam châmvĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở, nó là những khối rănglàm bằng vật liệu nhẹ có từ tính Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bênngoài bởi bộ điều khiển, và đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế

để động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất

kỳ vị trí nào Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh,cho phép chúng quay khá nhanh, và với một bộ điều khiển thích hợp, chúng cóthể khởi động và dừng lại dễ dàng ở các vị trí bất kỳ

Trong một vài ứng dụng, cần lựa chọn giữa động cơ servo và động cơ bước Cảhai loại động cơ này đều như nhau vì có thể xác định được vị trí chính xác,nhưng chúng cũng khác nhau ở một số điểm Servo motor đòi hỏi tín hiệu hồitiếp analog Đặc biệt, điều này đòi hỏi một bộ tắc‐cô để cung cấp tín hiệu hồitiếp về vị trí của rotor, và một số mạch phức tạp để điều khiển sự sai lệch giữa vịtrí mong muốn và vì trí tức thời vì lúc đó dòng qua động cơ sẽ dao động tắt dần

Để lựa chọn giữa động cơ bước và động cơ servo, phải xem xét một số vấn đề,

và nó phụ thuộc vào các ứng dụng thực tế Ví dụ, khả năng trở về một vị trí đãvượt qua phụ thuộc vào hình dạng rotor động cơ bước, trong khi đó, khả nănglặp lại vị trí của động cơ servo nói chung phụ thuộc vào độ ổn định của bộ tắc cô

và các linh kiện analog khác trong mạch hồi tiếp

Động cơ bước có thể được dùng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản;những hệ thống này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh,nhưng khi tải trọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫn dùng hệđiều khiển vòng kín với động cơ bước Nếu một động cơ bước trong hệ điềukhiển vòng mở quá tải, tất cả các giá trị về vị trí của động cơ đều bị mất và hệthống phải nhận diện lại; servo motor thì không xảy ra vấn đề này

2.3.2. Các loại động cơ bước và cấu tạo của từng loại

Động cơ bước được chia làm hai loại, nam châm vĩnh cửu và biến từ trở (cũng

có loại động cơ hỗn hợp nữa, nhưng nó không khác biệt gì với động cơ nam châmvĩnh cửu) Nếu mất đi nhãn trên động cơ, các bạn vẫn có thể phân biệt hai loạiđộng cơ này bằng cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng Động cơ namchâm vĩnh cửu dường như có các nấc khi bạn dùng tay xoay nhẹ rotor củachúng, trong khi động cơ biến từ trở thì dường như xoay tự do (mặc dù cảmthấy chúng cũng có những nấc nhẹ bởi sự giảm từ tính trong rotor) Bạn cũng cóthể phân biệt hai loại động cơ này bằng ohm kế Động cơ biến từ trở thường có 3mấu, với một dây về chung, trong khi đó, động cơ nam châm vĩnh cửu thường

có hai mấu phân biệt, có hoặc không có nút trung tâm Nút trung tâm đượcdùng trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực.

Động cơ bước phong phú về góc quay Các động cơ kém nhất quay 90 độ mỗibước, trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8

độ đến 0.72 độ mỗi bước Với một bộ điều khiển, hầu hết các loại động cơ namchâm vĩnh cửu và hỗn hợp đều có thể chạy ở chế độ nửa bước, và một vài bộđiều khiển có thể điều khiển các phân bước nhỏ hơn hay còn gọi là vi bước.Đối với cả động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ biến từ trở, nếu chỉ mộtmấu của động cơ được kích, rotor (ở không tải) sẽ nhảy đến một góc cố định vàsau đó giữ nguyên ở góc đó cho đến khi moment xoắn vượt qua giá trị momentxoắn giữ (hold torque) của động cơ

Dấu thập trong hình 3.1 là rotor của động cơ biến từ trở quay 30 độ mỗi bước.Rotor trong động cơ này có 4 răng và stator có 6 cực, mỗi cuộn quấn quanh haicực đối diện Khi cuộn 1 được kích điện, răng X của rotor bị hút vào cực 1 Nếudòng qua cuộn 1 bị ngắt và đóng dòng qua cuộn 2, rotor sẽ quay 30 độ theochiều kim đồng hồ và răng Y sẽ hút vào cực 2

Để quay động cơ này một cách liên tục, chúng ta chỉ cần cấp điện liên tục luânphiên cho 3 cuộn Theo logic đặt ra, trong bảng dưới đây 1 có nghĩa là có dòngđiện đi qua các cuộn, và chuỗi điều khiển sau sẽ quay động cơ theo chiều kimđồng hồ 24 bước hoặc 2 vòng: