giáo trình cơ điện tử ô tô cơ bản phần 1

Hệ thống điện thực sự cần thiết cho hầu hết các hoạt động của xe. Bất cứ khi nào nhắc đến điện xe hơi, mọi người đều nghĩ đến một loạt dây, nối với bình ắcquy. Tuy nhiên, thực tế thì hệ thống điện xe ô tô không chỉ đơn giản là dây nối và nguồn điện. Hệ thống này gồm nhhiều chi tiết kết nối chặt chẽ với nhau. Hệ thống điện gồm nhhiều chi tiết kết nối chặt chẽ với nhau Trong giai đoạn phát triển đầu tiên, xe hơi được trang bị máy phát điện 1 chiều, bây giờ nó đã được thay thế bằng máy phát điện xoay chiều. Hệ thống điện và điện tử can thiệp vào gần như tất cả các hoạt động trên một chiếc xe hơi, từ hệ thống đơn giản như khởi động, cung cấp điện, đánh lửa đến những hệ thống mới được nghiên cứu và ứng dụng như hệ thống phanh, hệ thống lái. Sau đây là liệt kê một số hệ thống điện và điện tử trên ô tô: Hệ thống khởi động Hệ thống nạp Hệ thống điều khiển động cơ Hệ thống chiếu sáng và tín hiệu Hệ thống điện phụ: nâng kính, gạt nước, khóa cửa, điều khiển từ xa Hệ thống điều khiển điều hòa không khí Hệ thống phanh điều khiển điện tử Hệ thống lái điện tử Hệ thống mã hóa khóa động cơ và chống trộm Hệ thống điều khiển xe Hệ thống điều khiển xe Hybrid Hệ thống định vị toàn cầu GPS v.v...

Trang 1

CƠ ĐIỆN TỬ Ô TÔ CƠ BẢN

Chương 1

HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ VÀ CÁC

THÀNH PHẦN CHỨC NĂNG

Khái niệm hệ thống cơ điện tử

Các thành phần của hệ thống cơ điện tử

Quá trình phát triển của hệ thống cơ điện tử trên ô tô

Trang 2

1.1 KHÁI NIỆM HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

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

Trang 3

Thiết bị công nghệ cơ khí + bộ điều khiển tự động

Trang 4

Cơ điện tử là kỹ thuật tích hợp đa lĩnh vực

Cơ khí + điều khiển tự động + điện tử và công nghệ thông tin

1.2 CÁC THÀNH PHẦN CỦA HT 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)

Trang 5

1.2 CÁC THÀNH PHẦN CỦA HT CƠ ĐIỆN TỬ

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

Trang 6

Các phương tiện giao thông vận tải là những thí dụ điển hình về hệ

thống cơ điện tử

1.3 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HT CƠ ĐIỆN TỬ Ô TÔ

Antilock Braking (ABS)

Traction Control Systems (TCS)

Vehicle Dynamics Control (VDC)

Electronic Stability Program (ESP)

Electronically Controlled Suspension (ECS)

Electric Parking Brake (EPB)

Trang 7

- 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 ứng dụng trên ô tô Hệ thống này 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

Trang 8

- 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 ô

tô ESC (electronic stability control) Nó thực hiện điều chỉnh lực

kéo 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 thực 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…

Trang 9

Hệ thống điều khiển duy trì khoảng cách an toàn với các ô tô phía trước

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 ứng

dụng

Trang 10

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

Trang 11

Điện trở

Điện trở cản trở dòng điện đi qua và biến đổi điện năng thành

nhiệt năng

Ứng dụng của điện trở: giới hạn dòng điện, dùng để phân

cực, phân áp, định hằng số thời gian, v.v

Khi chọn điện trở cần chú ý đến các thông số;

- Trị số danh định,

- Công suất danh định,

- Các giá trị điện dung và điện cảm ký sinh

1.4 LINH KIỆNĐIỆN, ĐIỆN TỬ

Trang 12

Điện trở

Bảng mã màu ghi trị số điện trở

Vạch màu thứ 1

Vạch màu thứ 2

Vạch màu thứ 3

Vạch màu thứ 4

Màu Hàng chục Đơn vị Số nhân Dung sai

Tụ điện là loại linh kiện tích luỹ năng lượng dưới dạng điện trường

Trị số điện dung của tụ điện là lượng điện tích mà tụ điện tích trữ được

khi đặt vào hai má của tụ điện một hiệu điện thế 1 v

Một tụ điện gồm có hai điện cực và lớp điện môi đặt giữa hai cực

Trị số điện dung của tụ điện tỷ lệ với diện tích S của điện cực và hằng

số điện môi , tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa hai cực Tụ có cấu

trúc dạng phẳng, dạng ống hoặc cuốn tròn

Tụ điện không cho dòng điện một chiều đi qua, nhưng cho dòng

điện xoay chiều đi qua Trị số dung kháng của tụ điện tỷ lệ nghịch với

điện dung của tụ và tần số của dòng điện chạy qua tụ

Trang 13

Tụ điện

Tụ điện được phân biệt theo chất điện môi:

- Tụ không khí: Giữa hai má tụ là không khí hoặc chân không

- Tụ dầu: Chất điện môi là một loại dầu tổng hợp không dẫn điện

- Tụ vô cơ : Chất điện môi là các chất rắn vô cơ như mica, sứ

(gốm), thuỷ tinh

- Tụ hữu cơ : Chất điện môi là giấy, chất dẻo tổng hợp

- Tụ hoá : Chất điện môi là ôxit kim loại được hình thành trong

quá trình điện phân Loại tụ này có trị số điện dung lớn nhưng nó có phân

cực dương và âm nên chỉ dùng trong các mạch một chiều (lọc nguồn)

hoặc truyền các tín hiệu âm tần

Tụ điện

Vạch 1 Vạch 2 Vạch 3 Vạch 4 Vạch 4 Vạch 5 Màu Số có

nghĩa

Số có nghĩa

Số nhân (PF) Tantan(μF)

-3 1PF ±10% Hồng - -

-1.4 LINH KIỆNĐIỆN, ĐIỆN TỬ

Trang 14

Tụ điện

Ứng dụng của tụ điện:

+ Tụ điện được dùng để tạo phần tử dung kháng ở trong mạch

+ Liên lạc giữa các mạch xoay chiều khi cần ngăn dòng 1 chiều (tụ

Cuộn cảm tích luỹ năng lượng dưới dạng từ trường Nó được cấu

tạo từ các vòng dây điện từ cuốn một lớp hay nhiều lớp, có lõi sắt từ

hoặc không lõi, có thể bọc kim hoặc không bọc kim

Trị số cảm kháng của cuộn cảm trong mạch điện xoay chiều tỷ lệ

thuận với hệ số tự cảm và tần số của dòng điện chạy qua

Trang 15

Điôt bán dẫn được cấu tạo từ một mặt ghép n-p với mục đích sử

dụng nó như một van điện

Điôt tiếp điểm được sử dụng ở các mạch để xử lý tín hiệu vô tuyến

điện như tách sóng, điều chế, biến tần Điôt tiếp mặt được dùng để

Trang 16

Transistor có hai mặt ghép n-p cấu tạo từ ba lớp bán dẫn

Loại transistor p-n-p gọi là transistor thuận, loại n-p-n gọi là transistor

Trang 17

Khuếch đại thuật toán

Có thể coi khuếch đại thuật toán là một bộ khuếch đại lý tưởng:

- có hệ số khuếch đại điện áp vô cùng lớn K  ,

- dải tần số làm việc từ 0 ,

- trở kháng vào cực lớn Zv  ,

- trở kháng ra cực nhỏ Zr  0,

- có hai đầu vào và một đầu ra: đầu vào (+) gọi là đầu vào không đảo,

đầu vào (-) gọi là đầu vào đảo

K = A gọi là Hệ số khuếchđại hiệu Theo lý thuyết Ko =

 , thực tế Ko = 103 106

Khuếch đại thuật toán

Đặc tính của khuếch đại thuật toán

Trang 18

Cổng lô-gíc: NOT Cổng lô-gíc: OR

Cổng lô-gíc: NAND (Not And)

Cổng lô-gíc: AND

Trang 19

Cổng lô-gíc: NOR (Not OR)

Cổng lô-gíc: XOR (Exclusive-OR)

Cổng lô-gíc: IC cổng

Trang 20

Chương 2 CẢM BIẾN VÀ MẠCH ĐO DÙNG TRÊN Ô TÔ

KHÁI NIỆM CẢM BIẾN

2.1 CẢM BIẾN VÀ ĐẶC TÍNH CẢM BIẾN

CONTROLLED SYSTEM (Thiết bị cơ khí)

Trang 21

PHÂN LOẠI CẢM BIẾN

Cảm biến được phân biệt thành hai loại: cảm biến tích cực và cảm biến

thụ động Cảm biến tích cực là cảm biến tự phát ra tín hiệu tương ứng với

giá trị đại lượng vật lý cần đo Cảm biến thụ động không tự nó phát ra tín

hiệu, nó cần nguồn năng lượng khác từ bên ngoài để chuyển đổi thành tín

hiệu

Ví dụ điển hình về loại cảm biến thụ động là cảm biến nhiệt kiểu nhiệt

điện, cảm biến piezo… lại thuộc loại cảm biến tích cực Thí dụ về cảm

biến thụ động là cảm biến nhiệt điện trở, cảm biến vị trí kiểu điện trở…

Cảm biến còn được phân loại theo nguyên lý hình thành nên cảm biến

thành cảm biến điện trở, cảm biến điện dung, cảm biến điện cảm, cảm

biến quang điện…

THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA CẢM BIẾN

Tín hiệu có thể phải chuyển đổi nhiều lần trong cảm biến nhưng ta chỉ

quan tâm đến các đặc tính thể hiện quan hệ giữa đại lượng kích thích vào

và tín hiệu ra khỏi cảm biến

Hàm truyền của cảm biến (Transfer function): thể hiện quan hệ của tín

hiệu ra theo đại lượng kích thích vào cảm biến trong điều kiện lý tưởng

(không có sai số) Quan hệ này còn được gọi là đặc tính chuẩn của cảm

Trang 22

Độ nhạy :

Độ nhạy của cảm biến: b = hoặc b =

Để phép đo đạt độ chính xác cao cảm biến cần có độ nhạy không đổi

Thường giá trị của độ nhạy b được cho tương ứng với điều kiện làm việc

cụ thể của cảm biến

Thời gian đáp ứng (response time)

Là thông số đặc trưng cho khả năng theo kịp của tín hiệu ra theo tín hiệu

vào về mặt thời gian

Độ tuyến tính của cảm biến

Cảm biến tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải đó, độ nhạy

không phụ thuộc vào giá trị đại lượng đo

Tuyến tính hóa là sự hiệu chỉnh (bằng cách lắp thêm vào mạch đo các

thiết bị hiệu chỉnh) để tín hiệu ra nhận được tỷ lệ với giá trị đại lượng đo

Dải đo được (Span hay Full-scale input): là phạm vi thay đổi giá trị của

đại lượng cần đo mà cảm biến có thể cảm nhận được Nó thể hiện khoảng

đo lớn nhất mà cảm biến có thể đo được với sai số chấp nhận được

Dải tín hiệu ra (full-scale output): là độ chênh đại số của giá tín trị hiệu ra

khi đo giá trị đo cực đại và cực tiểu của dải đo

Trang 23

Độ chính xác (accuracy): thể hiện sai số lớn nhất của kết quả đo

Sai số của bộ cảm biến được phân biệt thành sai số hệ thống và sai số

ngẫu nhiên

Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không

đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không

đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được Sai số hệ thống thường do sự thiếu

hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng không tốt gây ra, cụ thể là:

+ Do nguyên lý của cảm biến

+ Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng

+ Do đặc tính của bộ cảm biến

+ Do điều kiện vμ chế độ sử dụng

+ Do xử lý kết quả đo

Độ chính xác (accuracy): thể hiện sai số lớn nhất của kết quả đo

Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định

Người ta có thể dự đoán được một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu

nhiên nhưng không thể dự đoán được độ lớn và dấu của nó

Các nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên:

+ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị

+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên

+ Do sai số khi chuẩn cảm biến

…

Hiện nay người ta thường dùng khái niệm giá trị không chắc chắn để thay

cho độ chính xác, vì độ không chắc chắn bao gồm cả sai số hệ thống và

sai số ngẫu nhiên (thể hiện độ chính xác)

Trang 24

Độ chính xác (accuracy):

Định chuẩn (calibration)

Định chuẩn cảm biến là việc xác định các giá trị định lượng của đặc tính

cảm biến (xác lập mối quan hệ giữa giá trị cúa tín hiệu ra và giá trị của đại

lượng đo có tính đến các yếu tố ảnh hưởng)

Phương pháp định chuẩn cảm biến: thực hiện các phép đo nhằm xác định

giá trị tín hiệu ra tương ứng với các giá trị đã biết chính xác của đại lượng

cần đo

Hai phương pháp định chuẩn: định chuẩn đơn giản và định chuẩn nhiều

lần

Trang 25

Công tắc

Công tắc dùng để tạo ra một bit thông tin:

chạm/không chạm (công tắc hành trình),

có/không (hoạt động của một trạng thái),…

??Trên ô tô cảm biến chuyển mạch được sử

Ex: Thiết kế mạch điện của thiết

bị đánh dấu quãng đường phanh

2.2 CẢM BIẾN CHUYỂN MẠCH

Trang 26

Cảm biến chuyển vị trí

Có nhiều loại theo các nguyên tắc khác nhau: cảm biến

điện trở thay đổi (biến trở), cảm biến điện dung, cảm

biến điện cảm, cảm biến quang điện…

Biến trở

??Trên ô tô cảm biến vị trí được sử dụng ở những đâu

?? Cấu hình mạch điện sử dụng cảm biến chuyển vị biến

Trang 28

Cảm biến điện dung: có thể dùng để đo các chuyển động tịnh tiến theo

hướng tiệm cận hay song song giữa các bản cực Dải đo được cỡ mm

2.3 CẢM BIẾN CHUYỂN VỊ

Cảm biến cảm ứng xoay chiều

(Linear Variable Differential Transformers – LVDT)

Trang 29

Cảm biến Hall:

Có 2 loại: cảm biến tuyến tính và cảm biến xung (chuyển mạch), được

sử dụng phổ biến để phát hiện từ trường, vị trí và chuyển vị của vật rắn

Vận tốc có thể được xác định bằng cách vi phân chuyển vị theo thời gian

2.4 CẢM BIẾN VẬN TỐC

?? Có thể đo vận tốc góc bằng máy phát DC sử dụng nam châm vĩnh cửu.

?? Ưu nhược điểm của cách đo này.

?? Các cách đo vận tốc góc khác.

Trang 30

Cảm biến quang điện

Encorder tương đối và encorder tuyệt đối (đo chuyển vị quay và vận tốc

quay của trục)

?? Độ phân giải của encorder tương đối

?? Làm thế nào để phân biệt chiều quay của trục

?? Độ phân giải của encorder tuyệt đối

Trang 31

Cảm biến quang điện

2.5 CẢM BIẾN GIA TỐC

Trang 32

R – Điện trở của vật dẫn

ρ – điện trở suất của vật dẫn

V, I – điện áp và dòng điện trên vật dẫn

Cảm biến đo lực kiểu tenzo

2.6 CẢM BIẾN LỰC

Khi chịu lực F, xuất hiện ứng suất σ và biến dạng ε, kích thước hình học

bị thay đổi và điện trở thay cũng thay đổi theo

Trang 33

Bố trí cảm biến đo lực kiểu tenzo

Cảm biến đo lực kiểu tenzo (load

cell) không đắt nhưng có thể đo

được lực trong phạm vi rộng với

sai số dưới 1%

Load cells thường cần hiệu chuẩn

(calibration) trước khi sử dụng

Cảm biến đo lực kiểu piezoelectric

Hiệu ứng piezoelectric: Thạch anh

chịu ngoại lực, bị biến dạng và thay

đổi diện dung, tạo ra sức điện động

Trang 34

Các loại cảm biến đo lực khác

Cảm biến gõ (Knock Sensor): khi

xẩy ra hiện tượng gõ trong xi lanh,

thành xi lanh bị rung động làm phần

tử piezoelectric biến dạng và tạo ra

sức điện động

Trang 35

Cảm biến đo áp suất

2.7 CẢM BIẾN ÁP SUẤT

Cảm biến áp suất (sử dụng piezo)

Trang 36

Cảm biến áp suất trên đường ống nạp (sử dụng điện trở piezo)

Cảm biến đo lưu lượng

2.8 CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG

Trang 37

Cảm biến đo nhiệt độ có thể theo nguyên lý nhiệt điện trở Thermistors

(Negative or Positive Temperature Coefficient)

hoặc theo nguyên lý sức nhiệt điện động (Thermocouples)

2.9 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Thermistors: Thermocouples:

R t = R 0 (1 + αT)

Trang 38

Thermistors được ứng dụng trên ô tô để đo nhiệt độ nước làm mát, nhiệt

độ dầu, nhiệt độ khí nạp, lưu lượng khí nạp…

?? Cấu hình mạch đo nhiệt độ dùng nhiệt điện trở

Trang 39

IAT – Intake Air Temperature

EGR – Exhaust Gases Recirculation

Trang 40

Đo mô men và công suất có ý nghĩa lớn trong xác định hiệu suất và điều

khiển quá trình làm việc của cơ cấu máy hay thiết bị

2.10 CẢM BIẾN MÔ MEN

Định dạng
Số trang	83
Dung lượng	7,29 MB