Đề cương bài giảng hệ thống cơ điện tử trên ô tô

CHƯƠNG 1-TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CƠ- ĐIỆN TỬ ÔTÔ 1.1 KHÁI NIỆM VÀ CÁC HỆ THỐNG TIÊU BIỂU Ôtô ngày tổ hợp hệ thống khí, thủy khí cơ- điện tử, hệ thống cơđiện tử gồm thành phần là: khối thông tin đầu vào, chủ yếu cảm biến; kkối tính toán điều khiển, ECU; khối cấu chấp hành, chủ yếu rơle điện từ, van điện từ, loại môtơ, mạch IC điều khiển Hệ thống cơ- điện tử ví cấu trúc người (hình 1.1a) a) b) Hình 1.1 Tổng quát Cơ- điện tử Hình 1.2 Sơ đồ khối 1.1.1 Các hệ thống điều khiển động 1.1.2 Các hệ thống điều khiển gầm ôtô Hình 1.3 Hệ thống lái đại Hình 1.3 Hệ thống treo đại 1.1.3 Các hệ thống điều khiển trang bị tiện nghi 1.1.4 Mạng truyền thông 1.1.5 Các hệ thống điều khiển giao thông minh xe tự lái CHƯƠNG 2- CẢM BIẾN 2.1 TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN 2.1.1 Định nghĩa khái niệm cảm biến Cảm biến định nghĩa cấu cảm nhận biến đổi đại lượng học, nhiệt học, quang học, hóa học v.v…(gọi chung đại lượng hóa lý) đại lượng tính chất điện khác cần đo biến đổi giá trị, quy luật chúng thành đại lượng điện đo xử lý Các đại lượng cần đo (đại lượng hoá lý, tính chất điện) gọi đầu vào (còn gọi yếu tố kích thích) với yếu tố gây nhiễu tác động lên cảm biến, cho ta đại lượng đầu (còn gọi phản ứng cảm biến), đặc trưng - đại lượng điện như: điện áp, dòng điện, tần số, xung…chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị đại lượng đo Đặc trưng hàm đại lượng cần đo Hình 2.1 Chức cảm biến Hình 2.2 Biểu tượng cảm biến Một cảm biến xác định với thông số sau: - Tín hiệu đầu ra: - Đại lượng cần đo: Cảm biến có chức xử lý tín hiệu không 2.1.2 Ứng dụng cảm biến ôtô Cảm biến cấu chấp hành hình thành lên giao diện ôtô với tính phức hợp lái, phanh, treo, khung vỏ… chức dẫn hưỡng định vị Các tín hiệu phải xử lý mạch xử lý tín hiệu để đưa dạng tiêu chuẩn yêu cầu ECU Hình 2.3 Cảm biến ôtô Các mạch xử lý tín hiệu chế tạo riêng cho cảm biến cụ thể tương thích với ôtô cụ thể Bộ xử lý ôtô xử lý phức hợp tín hiệu với tín hiệu từ ECU liên kết việc điều khiển người lái Bộ phận hiển thị thông tin cho người lái trạng thái hoạt động toàn trình Dưới ví dụ hệ thống cảm biến ôtô đại (hình 2.4) Và tăng thêm nhanh chóng năm tới Hình 2.4 Ví dụ hệ thống cảm biến ôtô 2.1.3 Phân loại cảm biến Các cảm biến nói chung phân loại theo tiêu chí khác nhau: + Theo nguyên lý biến đổi đầu vào-đầu có kiểu: nhiệt-điện, quang-điện, từ-điện, hóađiện; + Theo dạng kích thích có kiểu: - Âm thanh: biên pha, phân cực; phổ; tốc độ truyền sóng… - Điện: điện tích, dòng điện; điện thế, điện áp; điện trường (biên, pha, phân cực, phổ); điện dẫn, số điện môi - Từ: từ trường (biên, pha, phân cực, phổ); từ thông, cường độ từ trường; độ từ thẩm… Quang: biên, pha, phân cực, phổ; tốc độ truyền; hệ số phát xạ, khúc xạ; hệ số hấp thụ, hệ số xạ… - Cơ học: vị trí; lực, áp suất; gia tốc, vận tốc, tốc độ quay; ứng suất, độ cứng; mômen; khối lượng, tỷ trọng; vận tốc lưu chất, độ nhớt … - Nhiệt: nhiệt độ; thông nhiệt; nhiệt dung, tỷ nhiệt … - Bức xạ: kiểu xạ; lượng xạ; cường độ xạ … + Theo tính đặc tính có kiểu theo: độ nhạy, độ xác, độ phân dải, độ chọn lọc, độ tuyến tính, công suất tiêu thụ, dải tần, độ trễ, khả tải, tốc độ đáp ứng, độ ổn định, tuổi thọ, điều kiện môi trường sử dụng, kích thước trọng lượng Tuy nhiên, để đơn giản hơn, cảm biến ôtô phân chia thành ba kiểu: + Kiểu thị/hành động + Kiểu tín hiệu liên tục + Kiểu tín hiệu dạng xung 2.1.3.1 Kiểu thị/hành động: Các cảm biến kiểu lại phân chia theo hai nhóm: + Nhóm cảm biến có chức phát trạng thái đóng/mở + Nhóm cảm biến an toàn hay chống trộm + Nhóm cảm biến theo dõi nhiên liệu, độ mòn hay thông tin người lái/hành khách 2.1.3.2 Kiểu tín hiệu liên tục: Kiểu phân chia thành nhóm sau: + Tín hiệu liên tục, tuyến tính: Nhóm thích hợp cho dải đo rộng + Tín hiệu liên tục, không tuyến tính: Nhóm thường sử dụng cho phạm vi đo hẹp (ví dụ tỷ lệ hoà khí, độ võng lò xo…) + Tín hiệu không liên tục, dạng bậc, nhiều bậc: Dùng để theo dõi giá trị giới hạn Hình 2.5 Tín hiệu liên tục 2.1.3.3 Kiểu tín hiệu dạng xung: + Tín hiệu tương tự: Dòng điện, điện áp, tần số, tỷ lệ thường trực xung + Tín hiệu rời rạc: tín hiệu số (mã nhị phân)… Hình 2.6 Tín hiệu dạng xung 2.1.4 Các đặc trưng cảm biến 2.1 4.1 Hàm truyền Quan hệ đáp ứng kích thích cảm biến cho dạng bảng giá trị, đồ thị biểu thức toán học - Hàm tuyến tính: y = a + bx - Hàm logarit: y =1 + b ln x y = a.e kx - Hàm mũ: - Hàm lũy thừa: y = a + a1 kx - Hàm phi tuyến, sử dụng hàm gần hay phương pháp tuyến tính hóa đoạn 2.1.4.2 Dãy động Dãy động khoảng giá trị tín hiệu kích thích mà cảm biến đáp ứng Những tín hiệu vượt dãy tạo đáp ứng không xác 2.1.4.3 Sai số độ xác Ngoài đại lượng cần đo, cảm biến chịu tác động nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giá trị đo giá trị thực đại lượng cần đo Gọi x sai số tuyệt đối, sai số tương đối cảm biến: %  x x100% x  Có loại sai số cảm biến:  Sai số hệ thống: có giá trị không đổi có độ lệch không đổi giá trị thực giá trị đo Nguyên nhân: - Do nguyên lý cảm biến - Giá trị đại lượng chuẩn không - Do đặc tính cảm biến - Do điều kiện chế độ sử dụng - Do xử lý kết đo  Sai số ngẫu nhiên: có độ lớn chiều không xác định Nguyên nhân: - Do thay đổi đặc tính thiết bị - Do nhiễu ngẫu nhiên - Do ảnh hưởng thông số môi trường (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, điện từ…) 2.1.4.4 Độ phân giải Độ phân giải cảm biến hiểu khả phát thay đổi tín hiệu kích thích nhỏ theo thời gian 2.1.4.5 Băng thông Tất cảm biến có giới hạn thời gian đáp ứng thay đổi tín hiệu kích thích Một số loại cảm biến có thời gian đáp ứng tắt dần, tức khoảng thời gian đáp ứng giảm dần thay đổi theo tín hiệu kích thích 2.1.4.6 Độ nhạy S (sensitivity) Độ nhạy S xung quanh giá trị mi kích thích xác định tỉ số độ biến thiên  s đáp ứng độ biến thiên  m tương ứng kích thích  s  S    m mmi Độ nhạy định nghĩa giới hạn tín hiệu kích thích đáp ứng Là tỉ số thay đổi nhỏ đáp ứng với thay đổi nhỏ tín hiệu kích thích Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị độ nhạy S tương ứng với điều kiện làm việc định cảm biến Nhờ giá trị đó, người sử dụng đánh giá độ lớn đại lượng đầu cảm biến độ lớn biến thiên đại lượng đo Điều cho phép lựa chọn cảm biến thích hợp để cho mạch đo thỏa mãn điều kiện đặt 2.1.4.7 Độ tuyến tính Một cảm biến gọi tuyến tính dải đo xác định dải đo độ nhạy S không phụ thuộc vào giá trị đại lượng đo m Trên thực tế lý thuyết cảm biến tuyến tính điểm Si, mi không nằm đường thẳng Đó có không xác đo sai lệch chế tạo cảm biến Từ thực nghiệm tính phương trình đường thẳng biểu diễn tuyến tính, đường thẳng gọi đường thẳng tốt có phương trình: S = am + b Trong đó: với N số điểm thực nghiệm đo chuẩn cảm biến Độ lệch tuyến tính cho phép đánh giá độ tuyến tính đường cong chuẩn Nó xác định từ độ lệch cực đại đường cong chuẩn đường thẳng tốt dải đo (tính %) 2.1.4.8 Độ nhanh thời gian đáp ứng Độ nhanh cảm biến cho phép đánh giá đại lượng ngõ có đáp ứng mặt thời gian với độ biến thiên đại lượng đo hay không Thời gian đáp ứng đại lượng xác định giá trị độ nhanh 2.1 4.9 Hiện tượng trễ Một số cảm biến không đáp ứng thời điểm với tín hiệu kích thích Độ rộng sai lệch gọi tượng trễ 2.1.4.10 Nhiễu Nhiễu xuất ngõ cảm biến, bao gồm nhiễu cảm biến sinh nhiễu dao động tín hiệu kích thích Nhiễu làm giới hạn khả hoạt động cảm biến Nhiễu phân bố qua phổ tần số Nhiễu loại trừ mà phòng ngừa Làm giảm ảnh hưởng khắc phục nhiễu đòi hỏi nhiều biện pháp tổng hợp Ta phân nhiễu thành loại: - Nhiễu nội phát sinh không hoàn thiện việc thiết kế, công nghệ chế tạo, vật liệu cảm biến,… đáp ứng bị méo so với dạng lý tưởng - Nhiễu truyền dẫn Hình 2.7 Xử lý nhiễu Để chống nhiễu ta thường dùng kỹ thuật vi sai phối hợp cảm biến đôi, tín hiệu hiệu hai tín hiệu Một gọi cảm biến cảm biến chuẩn đặt chắn (hình 1.8) Để giảm nhiễu đường truyền ta sử dụng biện pháp sau: - Cách ly nguồn nuôi, chắn, nối đất, lọc nguồn - Bố trí linh kiện hợp lý, không để dây cao áp gần đầu vào cảm biến - Sử dụng cáp nhiễu 2.1.4.11 Giới hạn sử dụng cảm biến Trong trình sử dụng, cảm biến chịu ứng lực khí nhiệt độ tác động lên chúng Nếu ứng lực vượt ngưỡng cho phép làm thay đổi đặc trưng cảm biến Do người sử dụng phải biết giới hạn ngưỡng cảm biến - Vùng làm việc danh định: ứng với điều kiện sử dụng bình thường cảm biến - Vùng không gây nên hư hỏng - Vùng không phá hủy Dải đo cảm biến xác định giá trị giới hạn vùng đại lượng đo mà vùng cảm biến đáp ứng yêu cầu đề Thông thường dải đo trùng với vùng danh định Đặc tính loại CCCH (RLĐT) có độ trễ tượng tự cảm cuộn dây rơle Vì phải xử lý trễ điều khiển Cách xử lý trễ phổ biến tăng điện áp vào thời điểm bắt đầu điều khiển để đóng mở tiếp điểm nhanh triệt giảm từ dư lõi thép rơle cách đấu ngược diode song song với cuộn dây rơle 2.2 CẢM BIẾN VỊ TRÍ Xác định vị trí dịch chuyển đóng vai trò quan trọng điều khiển ôtô nói chung điều khiển nhiều cấu, hệ thống ôtô nói riêng Có hai phương pháp để xác định vị trí dịch chuyển Trong phương pháp thứ nhất, cảm biến cung cấp tín hiệu hàm phụ thuộc vào vị trí phần tử cảm biến, phần tử có liên kết học với vật cần xác định dịch chuyển Trong phương pháp thứ hai, ứng với dịch chuyển, cảm biến phát xung điện Việc xác định vị trí dịch chuyển thực cách đếm xung phát Một số cảm biến không đòi hỏi liên kết học cảm biến vật cần đo vị trí dịch chuyển Mối liên hệ vật dịch chuyển cảm biến thực thông qua mối liên kết trung gian như: điện trường, từ trường điện từ trường, ánh sáng, truyền sóng v.v… Các cảm biến vị trí gồm cảm biến đo khoảng cách góc xoay, cảm biến phổ biến ôtô đại Biến đo: Có thể đo trực tiếp gián tiếp Bảng 2.1 Một số loại cảm biến vị trí loại đo trực tiếp Thông số đo Khoảng đo Góc mở bướm ga động xăng 900 Vị trí dịch chuyển chân ga, chân phanh 300 Vị trí dịch chuyển ghế lái, đèn pha, gương chiếu hậu Hành trình vị trí bơm cao áp động diesel 21mm Góc xoay cấu điều ga điện từ bơm cao áp VE điện tử 600 Mức nhiên liệu thùng chứa 20 – 50 cm Hành trình chân côn (bàn đạp ly hợp) 50mm Khoảng cách ôtô ôtô chướng ngại vật 150m Góc quay vô lăng (vành tay lái) +2 3600 Góc chỉnh vô lăng 150 Góc quay vòng ôtô 3600 Bảng 2.2 Một số cảm biến vị trí loại đo gián tiếp Thông số đo Khoảng đo Sự phân sai hệ lò xo – hành trình 25 cm Góc xoắn 10… 40 Sự phân sai cảm biến Sự phân sai hệ lò xo - khối lượng 300…900 0,5…1,0 mm 10 dễ thực Tốc độ truyền tối đa cho phép tới -2 Gbit/s Với tốc độ thấp, khoảng cách truyền tới vài nghìn mét mà không cần lặp Tuy nhiên, bên cạnh giá thành cao đôi dây xoắn việc lắp đặt, đấu dây phức tạp nhược điểm chúng Vì truyền thông công nghiệp, cáp đồng trục chủ yếu dùng cấp (bus hệ thống, bus xí nghiệp) ControlNet Ethernet 4.8.3 Cáp Quang Cáp quang sử dụng lĩnh vực ứng dụng đòi hỏi tốc độ truyền tải cao, phạm vi truyền dẫn lớn môi trường làm việc chịu tác động mạnh nhiễu Với kỹ thuật tiên tiến nay, loại cáp quang đạt tới tốc độ truyền 20Gbit/s Các hệ thống lắp đặt thông thường có tốc độ truyền khoảng vài Gbit/s Sự suy giảm tín hiệu nhỏ, chiều dài cáp dẫn tới hàng chục, chí hàng trăm kilomet mà không cần bột lặp hay khuếch đại tín hiệu Một ưu điểm lớn cáp quang tính kháng nhiễu tính tương thích điện – từ Cáp quang không chịu tác động nhiễu ngoại cảnh trường điện từ, sóng vô tuyến Ngược lại, thân cáp quang không xạ nhiễu môi trường xung quanh, không ảnh hưởng tới hoạt động thiết bị khác Bên cạnh đó, sử dụng cáp quang nâng cao độ bảo mật thông tin truyền Thực tế khó gắn bí mật thiết bị nghe trộm đường truyền mà không gây sụt giảm tín hiệu cách đột ngột Với thiết bị kỹ thụât đặc biệt người ta dễ dàng xác định vị trí bị can thiệp Nguyên tắc làm việc cáp quang dựa tượng phản xạ toàn phần ánh sáng bề mặt tiếp xúc hai vật liệu có hệ số khúc xạ n1 n2 khác thoả mãn điều kiện n    arctan   n   2 Với  góc lệch tia ánh sáng tới so với đường trực giao, hình 4.25 minh hoạ Thông thường n1 chọn lớn n2 khoảng 1% Hỡnh 4.25 Nguyờn tắc phản xạ toàn phần Một sợi cáp quang gồm sợi lõi, lớp bọc lớp vỏ bảo vệ Sợi lõi lớp bọc làm thuỷ tinh chất dẻo suốt Một tia ánh sáng với góc lệch  so với chiều dọc cáp dẫn tính theo công thức sau nắn theo đường rắc đặn: 50 Sin  = n2n2 Nguyên tắc làm việc cáp quang minh hoạ hình 4.26 Hỡnh 4.26 Nguyờn tắc làm việc cỏp quang Tỉ lệ hệ số khúc xạ đường kính sợi lõi lớp bọc ảnh hưởng tới đặc tính đường tia ánh sáng Người ta phân loại cáp quang sợi thuỷ tinh thành hai nhóm sau: Bảng 4.2 Cỏc loại sợi thủy tinh * Sợi đa chế độ (Multimode Fiber, MMF); Sợi quang nhiều kiểu sóng, tín hiệu truyền tia laser có tần số không Các LED sử dụng phát Hiện tượng tán xạ gây khó khăn việc nâng cao tốc độ truyền chiều dài cáp dẫn Khả truyền hạn chế phạm vi Gbit/s * km * Sợi đơn chế độ (Single – Mode Fiber, SMF): Sợi quang kiểu sóng, tín hiệu truyền tia laser có tần số Các điốt laze sử dụng phát Tốc độ truyền đạt tới hàng trăm Gbit/s khoảng cách 1km 51 Nhóm thứ chia tiếp thành hai loại: Sợi có hệ số bước (Step index Fiber) sợi có hệ số dốc (Gradient Index Fiber) Bảng 4.2 tóm tắt số đặc tính thông số tiêu biểu ba loại cáp quang Bên cạnh sợi thuỷ tinh, số loại sợi chất dẻo sử dụng tương đối rộng rãi Sợi chất dẻo cho phép truyền với tốc độ thấp (khoảng vài chục tới vài trăm Mbit/s) khoảng cách truyền ngắn (tối đa 80m), giá thành thấp lắp đặt dễ dàng nhiều 52 Chương ECU (Electronicaly Control Unit) 5.1 CẤU TRÚC CỦA ECU 53 Hình 5.1 Cấu trúc ECU động Hình 5.2 Cấu trúc chương trình phun xăng ECU động 54 5.2 MỘT SỐ PHẦN TỬ CẤU TRÚC TRONG ECU Hình 5.3 Biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số 55 Hình 5.4 Biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số số sang tương tự Hình 5.5 Biến đổi tín hiệu đầu vào-đầu Hình 5.6 Ví dụ biến đổi D/A 56 57 Hình 5.7 Điều chế độ rộng xung 58 Hình 5.8 Dùng IC555 điều chế Hình 5.9 Điều khiển động nhờ IC LM324 độ rộng xung Hình 5.10 Dùng IC555 điều khiển tốc độ động điện chiều Hình 5.11 Mạch ổn áp sử dụng IC ổn áp 78….,79… 59 Hình 5.12 Mạch ổn áp sử dụng Tr mạch L-C kiểu Buck Hình 5.13 Mạch ổn áp sử dụng Tr mạch L-C kiểu Boost Hình 5.14 Mạch ổn áp sử dụng IC LM2576 Hình 5.15 Mạch tách quan 60 5.3 CẤP NGUỒN CHO ECU Hình 5.16 Cấp nguồn cho ECU 61 Chương MỘT SỐ HỆ THỐNG DƯỚI GÓC NHÌN CƠ- ĐIỆN TỬ 6.1 ĐIỀU KHIỂN BƯỚM GA ĐIỆN Hình 6.1 Điều khiển bướm ga điện Hình 6.2 Điều khiển hệ thống treo 62 Hình 6.3 Điều khiển hệ thống lái 63 Hình 6.4 Điều khiển hệ thống phanh 64 ... hiển thị thông tin cho người lái trạng thái hoạt động toàn trình Dưới ví dụ hệ thống cảm biến tô đại (hình 2.4) Và tăng thêm nhanh chóng năm tới Hình 2.4 Ví dụ hệ thống cảm biến tô 2.1.3 Phân... xoay cấu điều ga điện từ bơm cao áp VE điện tử 600 Mức nhiên liệu thùng chứa 20 – 50 cm Hành trình chân côn (bàn đạp ly hợp) 50mm Khoảng cách tô tô chướng ngại vật 150m Góc quay vô lăng (vành tay... tự động điện tử (nếu có), điều khiển hệ thống treo, lái tự động Có loại cảm biến tốc độ tô: Loại công tắc lưỡi gà, loại từ điện, loại quang điện, loại mạch từ trở MRE 2.3.2.1 Loại công tắc