ỨNG DỤNG LABVIEW ĐỂ HIỂN THỊ CÁC THÔNG SỐ HOẠT ĐỘNG TRÊN MÔ HÌNH GIẢNG DẠY ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG LABVIEW ĐỂ HIỂN THỊ CÁC THÔNG SỐ HOẠT ĐỘNG TRÊN MÔ HÌNH GIẢNG DẠY ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG Đ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ỨNG DỤNG LABVIEW ĐỂ HIỂN THỊ CÁC THÔNG SỐ HOẠT ĐỘNG TRÊN MÔ HÌNH GIẢNG DẠY ĐỘNG CƠ

PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ

Họ và tên học sinh: ĐẶNG QUANG HY Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ Niên khóa: 2009 – 2013

Tháng 6 năm 2013

ỨNG DỤNG LABVIEW ĐỂ HIỂN THỊ CÁC THÔNG SỐ HOẠT ĐỘNG TRÊN MÔ HÌNH GIẢNG DẠY ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG

Giáo viên hướng dẫn:

ThS Nguyễn Lê Tường

KS Phan Minh Hiếu

Tháng 6 năm 2013

LỜI CẢM TẠ

Trong thời gian học tập tại trường Đại Học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh,

em đã rút ra rất nhiều kinh nghiệm trong học tập cũng như trong cuộc sống Để có thể đứng vững trên đôi chân tới ngày hôm nay, em xin chân thành cảm ơn tất cả các quý thầy cô ở trường Đại Học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh nói chung

và các quý thầy cô khoa Cơ khí – Công nghệ trường Đại học Nông Lâm thành phố

Hồ Chí Minh nói riêng đã giúp đỡ em trong quá trình học tập ở trường

Trong suốt thời gian thực hiện đề tài này, tôi nhận được sự hướng dẫn tận tình của cô ThS Nguyễn Lê Tường và thầy KS Phan Minh Hiếu, thầy và cô đã truyền đạt những kiến thức quý báu để tôi có thể hoàn thành tốt đề tài này Em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Lê Tường và thầy Phan Minh Hiếu

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn ThS Thi Hồng Xuân chủ nhiệm lớp cùng các thầy cô thuộc bộ môn Công nghệ ô tô đã tận tình chỉ dạy chúng em trong suốt những năm được học ở trường, giúp cho chúng em nắm vững những kiến thức được học để tự tin bước đi trên con đường sau này

Cũng xin cảm ơn đến tất cả các bạn học cùng lớp DH09OT đã cùng tôi vượt qua những khó khăn trong học tập và cũng xin cảm ơn đến hai bạn Trương Văn Lượng và Nguyễn Văn Luân lớp DH09CD đã giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài này Con cũng xin cảm ơn ba mẹ , người đã chăm sóc, nuôi dưỡng con nên người để con có được những thành quả như ngày hôm nay

Do trình độ kiến thức chuyên môn còn hạn hẹp nên trong quá trình thực hiện đề tài còn mắc phải nhiều thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự đóng góp, giúp đỡ của quý thầy cô và các bạn để cho bài khóa luận tốt nghiệp này được hoàn thiện hơn

ĐH Nông Lâm Tp.HCM, tháng 6 năm 2013

Sinh viên thực hiện Đặng Quang Hy

TÓM TẮT

1 Tên đề tài:

“Ứng dụng LabVIEW để hiển thị các thông số hoạt động trên mô hình giảng dạy động cơ phun xăng điện tử”

2 Thời gian và địa điểm:

 Thời gian: Từ ngày 25 tháng 02 đến ngày 24 tháng 06 năm 2013

 Địa điểm: Đề tài được thực hiện tại xưởng thực hành thí nghiệm, bộ môn Công nghệ ô tô, khoa Cơ khí - Công nghệ, Trường Đại học Nông Lâm Tp

- Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình LabVIEW và ứng dụng các chức năng chính của LabVIEW trong việc hiển thị, thu thập dữ liệu của các cảm biến trên động cơ

- Giúp cho sinh viên có thể quan sát được các đặc tính của các cảm biến hiển thị trên máy tính thông qua các thiết bị phần mềm

4 Phương pháp thực hiện:

Phương pháp lý thuyết:

Phần lớn là tìm hiểu thông tin cần biết thông qua các giáo trình ô tô và sách hướng dẫn lập trình phần mềm LabVIEW, đồng thời tra cứu và tìm hiểu thông tin liên quan trên mạng Internet

Phương pháp thực nghiệm:

- Kiểm tra, phục hồi đường dây điện trên mô hình động cơ

- Tạo giao diện hiển thị LabVIEW

- Thu thập số liệu của các cảm biến bằng thiết bị đo đạc thực tế và thu thập số liệu bằng phần mềm LabVIEW

MỤC LỤC

Trang

TRANG TỰA i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC v

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH viii

DANH SÁCH CÁC BẢNG xi

Chương 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Dẫn nhập 1

1.2 Mục đích của đề tài 2

Chương 2 TỔNG QUAN 3

2.1 Giới thiệu sơ lược về động cơ 3

2.2 Hệ thống điều khiển động cơ 4

2.2.1 Bộ điều khiển điện tử ECU 4

2.2.2 Điều khiển phun xăng 7

2.2.3 Điều khiển đánh lửa 8

2.2.4 Các cảm biến trong hệ thống điều khiển động cơ 9

2.3 Phần mềm LabVIEW 16

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP – PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN 25

3.1 Thời gian và địa điểm thực hiện 25

3.2 Phương tiện thực hiện 25

3.3 Phương pháp 25

3.4 Đảm bảo an toàn cho các thiết bị trong qua trình thực nghiệm 26

Chương 4 KẾT QUẢ - THẢO LUẬN 27

4.1 Kiểm tra, phục hồi đường dây điện trên động cơ Toyota 1ZZ – FE 28

4.1.1 Tình trạng mô hình động cơ lúc ban đầu 28

4.1.2 Động cơ sau khi phục hồi 28

4.2 Thiết bị kết nối phần mềm LabVIEW và mô hình động cơ – Card HDL USB

9090 30

4.2.1 Giới thiệu Card HDL USB 9090 30

4.2.2 Cài đặt thư viện Card HDL USB 9090 31

4.2.3 Cách thức thu thập dữ liệu của Card USB 9090 32

4.3 Thiết kế giao diện sử dụng 34

4.3.1 Giao diện người sử dụng (Front Panel) 34

4.3.2 Sơ đồ khối chương trình (Block Diagram) 36

4.4 Cài đặt kết nối và chạy thử chương tình 37

4.4.1 Cài đặt chương trình 37

4.4.2 Lắp đặt thiết bị kết nối chương trình – Card USB HDL 9090 38

4.4.3 Chạy thử chương trình 38

4.5 Thu thập và kiểm tra các cảm biến bằng phần mềm LabVIEW so với giá trị đo thực tế của cảm biến 39

4.5.1 Cảm biến vị trí bướm ga 39

4.5.2 Tốc độ động cơ 41

4.5.3 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 42

4.5.4 Cảm biến nhiệt độ khí nạp 44

4.5.5 Cảm biến lưu lượng khí nạp 46

4.5.6 Thời gian kim phun 47

4.5.7 Tín hiệu cảm biến NE và G 48

4.5.8 Tín hiệu đánh lửa IGT 49

4.5.9 Tín hiệu cảm biến kích nổ KNK 50

4.5.10 Sự thay đổi giá trị điện áp của VTA và THW theo thời gian 51

Chương 5 KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 53

5.1 Kết luận 53

5.2 Đề nghị 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

PHỤ LỤC 1 56

PHỤ LỤC 2 58

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

EFI: Electronic Fuel Injection

ECU: Electronic Control Unit

VVT-i: Variable Vale Timing – intelligent

LabVIEW: Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench

FBGA: Fine pitch Ball Grid Array

DOHC: Double Over Head Camshaft

ESA: Electronic Spark Advance

ISC: Idle Speed Control

ADC: Analog to Digital Converter

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang

Hình 2.1: Mô hình tổng thể động cơ 1ZZ-FE 4

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ 5

Hình 2.3: Sơ đồ mạch cấp nguồn cho ECU 5

Hình 2.4: Sơ đồ mạch nguồn 5V 6

Hình 2.5: Sơ đồ mạch điện khởi động 6

Hình 2.6: Sơ đồ mạch điện nối mát 6

Hình 2.7: Mạch điều khiển bơm xăng có ECU điều khiển 7

Hình 2.8: Mạch điện điều khiển kim phun 8

Hình 2.9: Xung điều khiển kim phun ứng với các chế độ làm việc của động cơ 8

Hình 2.10: Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng mỗi bôbin cho từng máy 9

Hình 2.11: Dạng xung điều khiển đánh lửa trực tiếp 9

Hình 2.12: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 10

Hình 2.13: Sơ đồ khối mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát 10

Hình 2.14: Cảm biến lưu lượng khí nạp loại dây nhiệt 11

Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý cảm biến lưu lượng khí nạp 11

Hình 2.16: Cấu tạo cảm biến vị trí bướm ga 12

Hình 2.17: Mạch điện cảm biến vị trí bướm ga 12

Hình 2.18: Cảm biến vị trí trục cam 13

Hình 2.19: Sơ đồ mạch điện và dạng tín hiệu cảm biến trục cam 13

Hình 2.20: Cảm biến vị trí trục khuỷu 14

Hình 2.21: Dạng xung tín hiệu cảm biến NE 14

Hình 2.22: Cảm biến kích nổ 15

Hình 2.23: Đồ thị điện áp cảm biến kích nổ 15

Hình 2.24: Mô phỏng phần mềm LabVIEW 16

Hình 2.25: Khả năng kết hợp các phần cứng của LabVIEW 18

Hình 2.26: Minh họa code lập trình LabVIEW 18

Hình 2.27: Front Panel 21

Hình 2.28: Block Diagram 22

Hình 2.29: Các bảng công cụ thực hiện 23

Hình 2.30: Giao diện hiển thị của một VI 24

Hình 2.31: Sơ đồ khối lập trình 24

Hình 4.1: Sơ đồ khối quá trình thực hiện khảo nghiệm 27

Hình 4.2: Mô hình động cơ Toyota 1ZZ-FE 28

Hình 4.3: Sa bàn đấu dây hộp ECU 29

Hình 4.4: Lắp đặt thùng chứa nhiên liệu 29

Hình 4.5: Card HDL USB 9090 30

Hình 4.6: Thư viện của card HDL USB 9090 31

Hình 4.7: Cách nối biến trở vào mạch điện và code lập trình 33

Hình 4.8: Code lập trình thu tín hiệu 33

Hình 4.9: Trang bìa đề tài 34

Hình 4.10: Giao diện hiển thị chính 34

Hình 4.11: Đồ thị xung tín hiệu NE và G 35

Hình 4.12: Đồ thị tín hiệu đánh lửa IGT 35

Hình 4.13: Đồ thị tín hiệu cảm biến kích nổ 36

Hình 4.14: Đồ thị hiển thị sự thay đổi của VTA và THW 36

Hình 4.15: Sơ đồ khối code lập trình 37

Hình 4.16: Cài đặt phần mềm LabVIEW 2009 37

Hình 4.17: Cài đặt NI VISA 4.5 38

Hình 4.18: Kết nối Card 9090 với động cơ 38

Hình 4.19: Giao diện chương trình đang hoạt động 39

Hình 4.20: Giao diện vị trí bướm ga 39

Hình 4.21: Đồ thị giá trị điện áp cảm biến bướm ga 40

Hình 4.22: Giao diện đồng hồ tốc độ động cơ 41

Hình 4.23: Đồ thị tốc độ động cơ 42

Hình 4.24: Giao diện đồng hồ đo nhiệt độ nước làm mát 43

Hình 4.25: Đồ thị giá trị cảm biến nhiệt độ nước làm mát 44

Hình 4.26: Giao diện đồng hồ nhiệt độ khí nạp 44

Hình 4.27: Đồ thị giá trị điện áp cảm biến nhiệt độ khí nạp 45

Hình 4.28: Giao diện đồng hồ đo lưu lượng khí nạp 46

Hình 4.29 : Giao diện đồng hồ thời gian kim phun 47

Hình 4.30 : Dạng xung tín hiệu NE và G 49

Hình 4.31 : Tín hiệu IGT 50

Hình 4.32 : Tín hiệu kích nổ KNK 51

Hình 4.33 : Sự thay đổi giá trị điện áp của VTA và THW 52

Phụ lục Hình 1 : Sử dụng nhiệt kế đo nhiệt độ nước làm mát tại nắp két nước 58

Hình 2 : Sử dụng đồng hồ VOM đo giá trị điện áp của các cảm biến 58

Hình 3 : Sử dụng đèn Timing Light để đo tốc độ thực của động cơ 59

Hình 4 : Kết nối card USB 9090 trên mô hình động cơ 59

Hình 5 : Kết nối với máy tính làm việc 60

Hình 6 : Nối dây tín hiệu NE+ khi động cơ đang hoạt động 60

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Trang

Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của Card HDL USB 9090 30

Bảng 4.2: Mô tả các chân sử dụng của hàm USB 9090 32

Bảng 4.3: Giá trị điện áp tiêu chuẩn của cảm biến bướm ga 39

Bảng 4.4: Giá trị điện áp của cảm biến bướm ga đo thực nghiệm 40

Bảng 4.5: Tốc độ động cơ thu được từ máy đo tốc độ Timing Light 41

Bảng 4.6: Tốc độ động cơ đọc được trên giao diện hiển thị (LabVIEW) 42

Bảng 4.7: Giá trị cảm biến nhiệt độ nước tiêu chuẩn 43

Bảng 4.8: Giá trị của cảm biến nhiệt độ nước làm mát đo thực nghiệm 43

Bảng 4.9: Giá trị đo thực nghiệm cảm biến nhiệt độ khí nạp 45

Bảng 4.10: Giá trị điện áp cảm biến lưu lượng khí nạp theo tốc độ động cơ 46

Một trong những phần mềm đáp ứng được các vấn đề trên là LabVIEW LabVIEW còn được biết đến như là một ngôn ngữ lập trình đồ họa bằng cách diễn đạt cú pháp thông qua các hình ảnh trực quan, sử dụng rất rộng rãi trong khoa học,

kỹ thuật, giáo dục nhằm nhanh chóng và dễ dàng tạo ra các ứng dụng giao tiếp máy tính, đo lường, thu thập dữ liệu, mô phỏng hệ thống, kết nối các thiết bị phụ trợ với máy tính

Để góp phần ứng dụng những kiến thức đã được học vào việc giải quyết các vấn đề thực tế trên Tôi tiến hành thu thập, hiển thị các thông số hoạt động và tín hiệu chính trên động cơ phun xăng điện tử như là: tốc độ động cơ, độ mở bướm

ga, nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khí nạp, điện áp cảm biến lưu lượng khí nạp, tín hiệu cảm biến NE và G, tín hiệu đánh lửa IGT và tín hiệu cảm biến kích nổ KNK để phục vụ quá trình khảo nghiệm, kiểm tra các cảm biến trên mô hình động

cơ phun xăng điện tử 1ZZ-FE

nhằm mục đích:

- Giúp tôi có thể hiểu thêm về các thành phần của hệ thống điều khiển động

cơ phun xăng, sơ đồ cấu tạo của các cảm biến, hộp điều khiển động cơ ECU và các cơ cấu chấp hành khác

- Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình LabVIEW và ứng dụng các chức năng chính của LabVIEW trong việc hiển thị và thu thập dữ liệu của các cảm biến trên động

cơ, nhằm phục vụ cho công tác giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho giáo viên hướng dẫn sinh viên trong quá trình thực tập

- Giúp sinh viên có điều kiện quan sát được các đặc tính làm việc của các cảm biến trên mô hình động cơ qua sự hiển thị trên máy tính

- Góp phần hiện đại hóa phương tiện và phương pháp dạy thực hành trong giáo dục và đào tạo hiện nay

Chương 2 TỔNG QUAN

2.1 Giới thiệu sơ lược về động cơ:

Mô hình động cơ phun xăng điện tử 1ZZ-FE của hãng Toyota là loại động cơ tương đối hiện đại thuộc thế hệ Z được ứng dụng hàng loạt cải tiến nhằm tăng công suất, giảm ô nhiễm khí xả và tiết kiệm nhiên liệu

Động cơ được lắp đặt trên xe Toyota Corolla Altis sản xuất năm 2001- 2006, các thông số chính của động cơ:

+ Số xy lanh: 4 xy lanh

+ Dung tích (cm3): 1794

+ Nhiên liệu: xăng

+ Tỉ số nén: 10,5 : 1

+ Cơ cấu phân phối khí: DOHC 16 xupáp

+ Công suất cực đại: 99 kW tại 6000 vòng/phút

+ Mômen xoắn cực đại: 162 N.m tại 4400 vòng/phút

Hệ thống điều khiển của động cơ 1ZZ-FE cũng được cải tiến với nhiều cơ cấu mới như:

+ Điều khiển phun nhiên liệu đa điểm tuần tự cho từng xy lanh

+ Hệ thống đánh lửa trực tiếp dùng bô bin đơn

+ Hệ thống điều khiển thời điểm phân phối khí thông minh VVT-i

+ Hoạt động của bơm xăng được điều khiển bằng ECU

+ Quạt làm mát được điều khiển bằng ECU theo tín hiệu từ cảm biến nhiệt

độ nước làm mát

+ Van điều khiển tốc độ cầm chừng loại cuộn dây quay

+ Dùng cảm biến đo lưu lượng khí nạp loại dây nhiệt kết hợp với cảm biến nhiệt độ không khí nạp

+ Về cảm biến tín hiệu G và NE thì sử dụng loại cảm biến từ lắp ngay trên trục cam và trục khuỷu

+ Sử dụng cảm biến bướm ga loại tuyến tính

Hình 2.1: Mô hình tổng thể động cơ 1ZZ-FE

2.2 Hệ thống điều khiển động cơ:

2.2.1 Bộ điều khiển điện tử ECU:

2.2.1.1 Tổng quan:

Bộ điều khiển điện tử ECU (Electronic Control Unit) là thiết bị cho phép kết nối các hệ thống cơ khí và điện tử trên xe ôtô, phân tích và tính toán các số liệu để điều khiển động cơ ôtô chạy hiệu quả nhất theo từng chế độ nhằm giảm tối đa lượng khí xả độc hại phát ra môi trường

Tất cả những thông tin mà cảm biến thu nhận được sẽ được gửi về bộ điều khiển trung tâm ECU Tại đây những tham số này được xử lý và tính toán ra lượng khí cần nạp, định lượng và thời điểm cần bơm nhiên liệu vào buồng đốt, thời điểm đánh lửa, đảm bảo quá trình đốt cháy nhiên liệu đạt hiệu quả tối ưu Ngoài ra, ECU cũng đảm bảo công suất tối đa ở các chế độ hoạt động của động cơ và giúp chuẩn đoán động cơ khi có sự cố xảy ra

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ

2.2.1.2 Mạch điện của ECU:

Mạch nguồn:

Mạch nguồn là các mạch cung cấp điện cho ECU của động cơ Các mạch điện này bao gồm khóa điện, rơle chính EFI, …

a) Điều khiển bằng khóa điện b) Điều khiển bằng ECU

Hình 2.3: Sơ đồ mạch cấp nguồn cho ECU

Mạch nguồn 5V:

Từ điện áp ắc-quy, ECU cung cấp:

- Nguồn 5V cung cấp cho bộ vi xử lí

- Nguồn 5V cung cấp cho các cảm biến

- Nguồn 5V cung cấp qua điện trở đến các cảm biến

Hình 2.4: Sơ đồ mạch nguồn 5V

Mạch điện khởi động:

Tín hiệu STA được đưa đến ECU để xác nhận rằng là động cơ có đang quay khởi động không, để ECU động cơ điều chỉnh lượng phun nhiên liệu trong khi động cơ đang quay khởi động

Hình 2.5: Sơ đồ mạch điện khởi động

Mạch nối mát:

- Nối mát để điều khiển ECU động cơ (E1)

- Nối mát cho các cảm biến (E2, E21)

- Nối mát để điều khiển bộ chấp hành (E01, E02)

Hình 2.6: Sơ đồ mạch điện nối mát

2.2.2 Điều khiển phun xăng:

2.2.2.1 Mạch điện điều khiển bơm xăng:

Hình 2.7: Mạch điều khiển bơm xăng có ECU điều khiển

Nguyên lý hoạt động:

Bơm nhiên liệu chỉ hoạt động khi động cơ đang chạy Thậm chí khi khoá điện được bật đến vị trí On, nếu động cơ chưa nổ máy, thì bơm nhiên liệu cũng sẽ không làm việc Khi bật khoá điện ở vị trí IG, rơle EFI được mở Khoá điện ở vị trí Start (ST), động cơ quay khởi động, một tín hiệu STA (tín hiệu máy khởi động) được truyền đến ECU động cơ từ cực ST của khoá điện Khi tín hiệu STA được đưa vào ECU động cơ, động cơ kích tranzito mở và rơle mở mạch được bật On Sau đó, dòng điện được chạy vào bơm nhiên liệu để vận hành bơm Cùng một lúc khi động cơ quay khởi động, ECU động cơ nhận tín hiệu NE từ cảm biến tốc độ động cơ (NE), làm cho tranzito này tiếp tục mở, duy trì hoạt động của bơm nhiên liệu Khi khoá điện ở vị trí IG, nếu động cơ chết máy, tín hiệu NE sẽ không còn được đưa vào ECU động cơ, nên ECU động cơ sẽ ngắt tranzito, dẫn tới ngắt rơle

mở mạch, làm cho bơm nhiên liệu ngừng lại

2.2.2.2 Mạch điện điều khiển kim phun:

Hình 2.8: Mạch điện điều khiển kim phun

Hình 2.9: Xung điều khiển kim phun ứng với các chế độ làm việc của động cơ

2.2.3 Điều khiển đánh lửa:

Đa số các hệ thống đánh lửa trực tiếp thuộc loại điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử nên việc đóng mở tranzito công suất trong igniter thực hiện bởi ECU Nhờ tần số hoạt động của mỗi bô bin nhỏ hơn trước nên các cuộn dây sơ cấp

và thứ cấp ít nóng hơn Vì vậy, kích thước của bô bin rất nhỏ và đươc gắn dính với nắp chụp bugi

ECU sau khi xử lý tín hiệu từ các cảm biến sẽ gởi tín hiệu đến cực B của từng tranzito công suất trong igniter theo thứ tự thì nổ và thời điểm đánh lửa

Hình 2.10: Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng mỗi bôbin cho từng máy

Hình 2.11: Dạng xung điều khiển đánh lửa trực tiếp

2.2.4 Các cảm biến trong hệ thống điều khiển động cơ:

2.2.4.1 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát:

Cảm biến này khá quan trọng vì tín hiệu của nó được ECU dùng để điều khiển lượng phun xăng, góc đánh lửa sớm, tốc độ không tải và cả quạt làm mát két nước

Cấu tạo:

Cảm biến nhiệt độ nước làm mát có cấu tạo dạng trụ rỗng có ren ngoài, bên trong có lắp một điện trở bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm

Hình 2.12: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Nguyên lý hoạt động:

Điện áp 5V qua điện trở chuẩn (điện trở này có giá trị không đổi theo nhiệt độ) đến cảm biến rồi trở về ECU về mát Như vậy điện trở chuẩn và nhiệt điện trở trong cảm biến tạo thành một cầu phân áp Điện áp điểm giữa cầu được đưa đến bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - số (bộ chuyển đổi ADC – Analog to Digital converter)

Hình 2.13: Sơ đồ khối mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Khi nhiệt độ động cơ thấp, giá trị điện trở cảm biến cao và điện áp gửi đến bộ biến đổi ADC lớn Tín hiệu điện áp được chuyển đổi thành một dãy xung vuông và được giải mã nhờ bộ vi xử lý để thông báo cho ECU biết động cơ đang lạnh Khi động cơ nóng, giá trị điện trở cảm biến giảm kéo theo điện áp đặt giảm, báo cho ECU động cơ biết là động cơ đang nóng

2.2.4.2 Cảm biến lưu lượng khí nạp loại dây nhiệt:

Cảm biến lưu lượng khí nạp là một trong những cảm biến quan trọng nhất vì nó được sử dụng trong phun xăng EFI kiểu L để phát hiện khối lượng không khí nạp.Tín hiệu khối lượng của không khí nạp được dùng để tính thời gian phun cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản

Cấu tạo:

Cảm biến lưu lượng khí nạp loại dây nhiệt tích hợp luôn cả cảm biến nhiệt độ khí nạp là loại cắm phích được đặt vào đường không khí, và làm cho phần không khí nạp chạy qua khu vực phát hiện Cấu tạo gồm một dây nhiệt và nhiệt điện trở, được sử dụng như một cảm biến, lắp vào khu vực phát hiện Bằng cách trực tiếp đo khối lượng không khí nạp, độ chính xác phát hiện được tăng lên và hầu như không

có sức cản của không khí nạp

Hình 2.14: Cảm biến lưu lượng khí nạp loại dây nhiệt

Nguyên lý hoạt động:

Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý cảm biến lưu lượng khí nạp

Dòng điện chạy vào dây sấy (bộ sấy) làm cho nó nóng lên Khi không khí chạy quanh dây này, dây sấy được làm nguội tương ứng với khối không khí nạp Bằng cách điều chỉnh dòng điện chạy vào dây sấy này để giữ cho nhiệt độ của dây sấy không đổi, dòng điện đó sẽ tỷ lệ thuận với khối không khí nạp Sau đó có thể đo khối lượng không khí nạp bằng cách phát hiện dòng điện đó Trong trường hợp của cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu dây sấy, dòng điện này được biến đổi thành một điện áp, sau đó được truyền đến ECU động cơ từ cực VG

2.2.4.3 Cảm biến vị trí bướm ga:

Cảm biến vị trí bướm ga được lắp trên trục bướm ga Cảm biến này biến đổi góc mở bướm ga thành tín hiệu điện áp, được truyền đến ECU động cơ Đa số cảm biến bướm ga là loại tuyến tính (dạng biến trở) 3 dây gồm VTA, VC, E2 Tuy nhiên, trên một số xe có 4 dây do bố trí thêm công tắc vị trí cầm chừng (idle)

Hình 2.16: Cấu tạo cảm biến vị trí bướm ga

Nguyên lý hoạt động:

Một điện áp không đổi 5V từ ECU cung cấp đến cực VC Khi cánh bướm ga

mở, con trượt dọc theo điện trở và tạo ra điện áp tăng dần ở chân VTA tương ứng với góc mở cánh bướm ga

Hình 2.17: Mạch điện cảm biến vị trí bướm ga

2.2.4.4 Cảm biến vị trí trục cam:

Cảm biến vị trí trục cam (hay còn gọi là cảm biến tín hiệu G) báo cho ECU biết

vị trí điểm chết trên hoặc vị trí trục khuỷu Trong một số trường hợp, chỉ có vị trí pít-tông của xi lanh thứ nhất được báo về ECU, còn vị trí của các pít-tông khác sẽ được tính toán Công dụng của cảm biến này là để ECU xác định thời điểm đánh lửa và cả thời điểm phun Lưu ý, khi ECU động cơ không nhận được tín hiệu G từ cảm biến này, có kiểu xe vẫn để động cơ chạy và có kiểu xe thì động cơ chết máy

Hình 2.18: Cảm biến vị trí trục cam

Nguyên lý hoạt động:

Đĩa tín hiệu G có 3 răng lắp trên trục cam, khi trục cam quay thì khe hở giữa vấu răng và cảm biến sẽ thay đổi tạo ra điện áp trong cuộn dây Tín hiệu điện áp này sẽ đưa đến ECU để thông báo về vị trí của pít-tông hoặc góc quay của trục khuỷu, kết hợp với tín hiệu NE từ trục khuỷu để xác định điểm chết trên của kì nén rồi ECU sẽ tính toán điều khiển phun xăng, đánh lửa

Hình 2.19: Sơ đồ mạch điện và dạng tín hiệu cảm biến trục cam

2.2.4.5 Cảm biến tốc độ động cơ:

Cảm biến vị trí trục khuỷu (cảm biến tốc độ động cơ hay là tín hiệu NE) là một cảm biến rất quan trọng Khi ECU động cơ không nhận được tín hiệu NE từ cảm biến này, ECU động cơ xác định rằng động cơ đã ngừng chạy, làm cho động cơ chết máy

Tín hiệu cảm biến NE dùng để báo tốc độ động cơ để tính toán hoặc tìm góc đánh lửa tối ưu và lượng nhiên liệu sẽ phun cho từng xi lanh Cảm biến này cũng dùng vào mục đích điều khiển tốc độ không tải hoặc cắt nhiên liệu ở chế độ không tải cưỡng bức

Hình 2.20: Cảm biến vị trí trục khuỷu

Nguyên lý hoạt động:

Bộ phận chính của cảm biến là một cuộn cảm ứng, một nam châm vĩnh cửu và một rôto dùng để khép mạch từ có số răng là 36 răng có 2 răng khuyết Khi răng của rôto không nằm đối diện cực từ thì từ thông đi qua cuộn dây sẽ thấp vì khe hở không khí lớn Khi răng đến gần cực từ của cuộn dây, khe hở không khí giảm dần khiến từ thông tăng nhanh Như vậy, nhờ sự biến thiên từ thông, trên cuộn dây sẽ xuất hiện một sức điện động cảm ứng Khi răng rôto đối diện với cực từ của cuộn dây, từ thông đạt giá trị cực đại nhưng điện áp ở hai đầu cuộn dây bằng không Khi răng rôto di chuyển ra khỏi cực từ, khe hở không khí tăng dần làm từ thông giảm sinh ra một sức điện động theo chiều ngược lại

Hình 2.21: Dạng xung tín hiệu cảm biến NE

2.2.4.6 Cảm biến kích nổ:

Cảm biến này còn gọi là cảm biến tiếng gõ, được chế tạo bằng vật liệu áp điện

Nó được lắp trên thân xi lanh hoặc nắp máy để cảm nhận xung kích nổ phát sinh trong động cơ và gửi tín hiệu này đến ECU động cơ, làm trễ thời điểm đánh lửa nhằm ngăn chặn hiện tượng kích nổ

Hình 2.22: Cảm biến kích nổ

Cấu tạo:

Thành phần áp điện trong cảm biến kích nổ được chế tạo bằng tinh thể thạch anh, là vật liệu khi có áp lực sẽ sinh ra điện áp Phần tử áp điện được thiết kế có kích thước với tần số riêng trùng với tần số rung của động cơ khi có hiện tượng kích nổ để xảy ra hiệu ứng cộng hưởng (f = 7KHz) Như vậy, khi có kích nổ, tinh thể thạch anh sẽ chịu áp lực lớn nhất và sinh ra một điện áp Tín hiệu điện áp này

có giá trị nhỏ hơn 2,5V Nhờ tín hiệu này, ECU động cơ nhận biết hiện tượng kích

nổ và điều chỉnh giảm góc đánh lửa cho đến khi không còn kích nổ ECU động cơ sau đó có thể điều chỉnh thời điểm đánh lửa sớm trở lại

Dạng đồ thị tín hiệu cảm biến kích nổ:

Hình 2.23: Đồ thị điện áp cảm biến kích nổ

2.3 Phần mềm LabVIEW:

2.3.1 Giới thiệu về LabVIEW:

Sự phát triển của tự động hóa nói riêng và kĩ thuật công nghệ nói chung ngày nay càng ngày càng gắn liền với những thành tựu của công nghệ phần mềm Nếu như trước kia, việc thực thi, mô phỏng những hệ thống được thực hiện khó khăn và phức tạp thông qua việc lập trình bằng ngôn ngữ đơn giản, thì ngày nay, xuất hiện ngày càng nhiều những công cụ cho phép người kỹ sư có thể nhanh chóng xây dựng trong thời gian ngày càng ngắn, công sức và độ phức tạp ngày càng ít, để xây dựng mô hình hệ thống và thực thi những bài toán điều khiển phức tạp LabVIEW

là một trong những siêu công cụ đấy

LabVIEW (viết tắt của Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) là môi trường ngôn ngữ lập trình đồ họa hiệu quả trong việc giao tiếp

đa kênh giữa con người, thuật toán và các thiết bị Bằng cách diễn đạt cú pháp thông qua các hình ảnh trực quan trong môi trường soạn thảo, LabVIEW còn được gọi với tên khác là lập trình G (G code)

Gọi LabVIEW là ngôn ngữ đồ họa hiệu quả vì về cách thức lập trình, LabVIEW khác với các ngôn ngữ lập trình khác ở điểm thay vì sử dụng các từ khóa cố định thì LabVIEW sử dụng các khối hình ảnh sinh động và các dây nối để tạo ra các lệnh và các hàm Cũng chính vì sự khác biệt này mà LabVIEW đã giúp cho việc lập trình trở nên đơn giản hơn bao giờ hết, đặc biệt LabVIEW rất phù hợp đối với kỹ sư, nhà khoa học hay giảng viên

Hình 2.24: Mô phỏng phần mềm LabVIEW

2.3.2 Các chức năng chính của LabVIEW:

LabVIEW được dùng nhiều trong các phòng thí nghiệm, lĩnh vực khoa học kỹ thuật như tự động hóa, điều khiển, điện tử, cơ điện tử, hàng không, hóa sinh, điện

tử y sinh, Các chức năng chính của LabVIEW có thể tóm tắt như sau:

- Thu thập tín hiệu từ các thiết bị bên ngoài như cảm biến nhiệt độ, hình ảnh từ webcam, vận tốc của động cơ,

- Giao tiếp với các thiết bị ngoại vi bằng nhiều chuẩn giao tiếp thông qua các cổng giao tiếp: RS232, RS485, USB, PCI, Ethernet

- Mô phỏng và xử lý các tín hiệu thu nhận được để phục vụ các mục đích nghiên cứu hay mục đích của hệ thống mà người lập trình mong muốn

- Xây dựng các giao diện người dùng một cách nhanh chóng và thẩm mỹ hơn nhiều so với các ngôn ngữ khác như Visual Basic, Matlab,…

- Cho phép kết hợp nhiều ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, C++,

2.3.3 Các tín hiệu thu được với LabVIEW:

Môi trường LabVIEW tương thích với mọi phần cứng đo đạc với các trợ giúp tương tác, tạo mã nguồn và khả năng kết nối tới hàng nghìn thiết bị giúp tập hợp

dữ liệu dễ dàng Vì LabVIEW cung cấp tính kết nối tới hầu hết mọi thiết bị đo, nên bạn có thể dễ dàng thu thập được hầu hết các tín hiệu như: Nhiệt độ, Sức căng, Độ rung, Âm thanh, Điện áp, Dòng điện, Tần số, Ánh sáng, Điện trở, Xung, Thời gian (giai đoạn), Tín hiệu số,… Kết hợp những ứng dụng LabVIEW mới vào thiết bị trên các hệ thống hiện tại

2.3.4 Khả năng giao tiếp của LabVIEW:

Một giao diện LabVIEW là giao diện chứa các thiết bị ảo, vấn đề trong điều khiển là cần tác động đến các thiết bị thật Để tác động đến các thiết bị thật cần có các bộ driver đó là các FPGA các module Labview sẽ gửi tín hiệu đến bộ driver từ

đó sẽ tác động đến thiết bị thật, đồng thời từ bộ driver có thể gửi hiện trạng thiết bị lên bàn điều khiển Vấn đề giao tiếp giữa LabVIEW và driver cũng rất linh hoạt,

nó có thể giao tiếp qua COM, USB và hiện đại nhất là qua Internet thông qua cổng RJ45 Việc điều khiển sẽ được thực hiện ở màn hình máy tính ở trung tâm điều khiển, hoặc ở một máy tính khác có kết nối Internet Ngày nay với sự ra đời của công nghệ điện toán đám mây, nơi người dùng có thể truy cập dữ liệu ở bất kỳ đâu,

sử dụng bất kỳ các thiết bị nào có kết nối Internet

Hình 2.25: Khả năng kết hợp các phần cứng của LabVIEW

2.3.5 Ưu điểm của ngôn ngữ lập trình LabVIEW:

2.3.5.1 LabVIEW là một ngôn ngữ lập trình đồ họa trực quan:

Tính trực quan của ngôn ngữ này nằm ở chỗ thay vì phải viết những dòng lệnh bằng chữ và số như các ngôn ngữ lập trình truyền thống Pascal, C, C++…thì các câu lệnh của LabVIEW được lập trình bằng việc kéo thả các icon và nối dây trong môi trường phát triển mã nguồn Nhìn vào một đoạn code của LabVIEW chúng ta như đứng trước một bức tranh với các họa tiết là các icon, các SubVI, các dây nối

có màu sắc sặc sỡ Bên cạnh đó, một khi vạch ra biểu đồ tiến trình cho chương trình như thế nào thì môi trường LabVIEW cho phép lấy y nguyên biểu đồ tiến trình đó vào môi trường G code

Hình 2.26: Minh họa code lập trình LabVIEW

2.3.5.2 Tốc độ làm việc nhanh hơn với ngôn ngữ đồ họa (G code):

LabVIEW là một môi trường phát triển đồ họa thiết kế chuyên biệt cho các kỹ

sư và nhà khoa học So với các ngôn ngữ lập trình truyền thống khác thì LabVIEW

dễ dàng hơn để học, sử dụng và khắc phục lỗi Trong LabVIEW, bạn phát triển các ứng dụng điều khiển các thiết bị bằng việc kéo và thả các biểu tượng đồ họa thay

vì phải viết các dòng lệnh bằng chữ Mã lệnh ứng dụng của bạn được diễn tả rất trực quan theo một cách thức mà mọi người nhìn vào đều dễ hiểu, đơn giản cho khâu bảo trì và phát triển trong tương lai Bạn sẽ không phải gặp khó khăn khi làm việc với LabVIEW mà không biết về cấu trúc, từ khóa của các hàm và các thủ tục như ngôn ngữ lập trình thông thường Mỗi một hàm LabVIEW đều được hình tượng hóa thành các biểu tượng và được sắp xếp chung vào các menu có chức năng tương đồng rất thuận tiện cho việc tìm kiếm

Đặc biệt việc lập trình sẽ trở nên dễ dàng và tốn ít thời gian hơn khi bạn đã thông thạo việc sử dụng các phím tắt và tổ hợp phím quý báu mà LabVIEW cung cấp Thực tế, có những ứng dụng mà khi viết trong môi trường lập trình truyền thống bạn phải mất hàng tuần và các dòng lệnh kéo dài từ trang này sang trang khác thì với LabVIEW bạn chỉ mất khoảng vài giờ và mã lệnh của nó chỉ duy nhất diễn ra trọn vẹn trên một trang

2.3.5.3 Hỗ trợ một cách nhanh chóng và tự động trong việc sử dụng các Driver thiết bị:

Hàng ngàn Driver thiết bị viết bằng LabVIEW được cung cấp rộng rãi trên internet Sử dụng các Driver này, bạn không cần thiết phải học các lệnh lập trình thiết bị bậc thấp cho từng loại thiết bị Bạn chỉ việc kết nối thiết bị vào máy tính, bật LabVIEW lên làm việc và lựa chọn tiện ích LabVIEW Instrument Diver Finder Nó sẽ giúp bạn hoàn toàn trong việc tự động tìm kiếm và cài đặt các driver trực tiếp từ môi trường phát triển LabVIEW

2.3.5.4 Kết hợp việc truyền nhận và phân tích dữ liệu vào hàm phân tích nâng cao:

LabVIEW bao gồm hàng ngàn các hàm phân tích nâng cao được thiết lập dành riêng cho các kỹ sư và nhà khoa học với đầy đủ các tài liệu hướng dẫn và giúp đỡ chi tiết Với những công cụ đầy sức mạnh này, bạn có thể thực hiện các chức năng

xử lí tín hiệu nâng cao như là lọc nhiễu, phân tích tần số, thống kê và xác suất, xử

lí tín hiệu số, nội suy… Bạn cũng có thể mở rộng các ứng dụng với LabVIEW trong các lĩnh vực âm thanh và rung động, Vô tuyến và truyền thông, xử lí hình ảnh…

2.3.5.5 Dễ dàng mở rộng lĩnh vực hoạt động và ứng dụng các công nghệ mới:

Khi sử dụng LabVIEW, bạn không chỉ học cách làm thế nào để điều khiển các thiết bị Bạn còn được thừa hưởng một nền tảng kiến thức để có thể dễ dàng làm việc với các công nghệ mới như thiết bị nhúng và thời gian thực Điều đó có nghĩa rằng bạn dễ dàng nâng cao kỹ năng kỹ thuật và mở rộng phạm vi ứng dụng của mình khi học LabVIEW

Tóm lại:

Rõ ràng với các tính năng nổi bật trên, LabVIEW đang ngày càng được giới kỹ

sư, nhà khoa học và sinh viên thích thú, tìm hiểu và khai thác sử dụng Nhờ tính năng hỗ trợ mạnh và nhanh chóng cho các ứng dụng trong kỹ thuật, lĩnh vực giáo dục nên LabVIEW được dùng nhiều trong các phòng thí nghiệm và trung tâm nghiên cứu cũng như các hệ thống công nghiệp Chính vài vậy mà nhiều trường đại học đã đưa LabVIEW trở thành một môn học chính thức

- Trong ngành năng lượng: thu thập và điều khiển quá trình nạp năng lượng

- Trong quân sự: kiểm tra khả năng truyền và nhận tín hiệu của ăng-ten ra-đa

- Trong kỹ thuật ô tô: hiển thị các thông số và tín hiệu như tốc độ động cơ, vận tốc xe, vị trí tay số, bướm ga,…cho việc điều khiển xe từ xa

- Trong viễn thông: sử dụng các thiết bị ảo qua mạng để thu thập số liệu tức thời tại một nơi khác

- Trong ngành vũ trụ: điều khiển và thu thập dữ liệu của thiết bị viễn thám

- Trong y học: thu thập, phân tích, xử lý độ rung và chuyển động bất thường

2.3.7 Cấu trúc của LabVIEW:

Một chương trình LabVIEW dù đơn giản hay phức tạp nhất cũng được tạo nên một cách rất đơn giản nhất từ 3 thành phần cơ bản sau: các khối Control đóng vai trò Input hay giá trị nhập vào, các Indicator đóng vai trò Output hay giá trị hiển thị kết quả, các hàm và các đường dây nối (wire) nối các khối và hàm lại

2.3.7.1 Front Panel ( Mặt hiển thị giao tiếp):

Là phần thao tác trực tiếp giữa con người với thiết bị, máy móc có cấu trúc giống như bề mặt của thiết bị thật

Front Panel chủ yếu là một tổ hợp các control và indicator Control mô phỏng các thiết bị đầu vào của máy và cung cấp dữ liệu cho Block Diagram Indicator mô phỏng các thiết bị đầu ra của máy để hiển thị các dữ liệu thu được hay được phát ra

2.3.7.2 Block Diagram (Giao diện sơ đồ khối mã nguồn):

Là phần bên trong của thiết bị, thực hiện các nhiệm vụ của chương tình, thông tin trong Block Diagram chuyển qua các dây nối và xử lý trực tiếp tại các khối Block Diagram gồm nhiều đối tượng và các hàm khác nhau để tạo các cấu trúc lệnh của chương trình thực hiện Xây dựng Block Diagram bằng cách nối các đối tượng nhập hay xuất dữ liệu, thực hiện các hàm cụ thể, điều khiển quá trình truyền

- Function Palette: là thư viện chứa các hàm và khối chức năng cho Block Diagram Chỉ hiển thị trong Block Diagram

- Tool Palette: là các công cụ thao tác trực tiếp trên cả Front Panel và Block Diagram Cho phép người sử dụng cá thể xác lập các chế độ làm việc đặc biệt cho con trỏ chuột

Hình 2.25: Các bảng công cụ thực hiện

2.3.8 Tạo một VI cụ thể trên LabVIEW:

Cách tạo một VI dùng để mô phỏng các phép toán cộng, trừ, nhân và chia trong LabVIEW

Tạo Front Panel (Giao diện hiển thị):

 Mở một Front Panel mới bằng cách chọn File → New VI hoặc bấm tổ hợp phím Ctrl + N

 Tạo Numeric Controls: Click chuột phải (Right click) lên Front Panel, chọn Express → Num Ctrls → Num Ctrl và rê chuột ra vị trí cần đặt trên vùng trống của Front Panel

 Nhập chữ A vào mục tô đen để thay đổi tên khối

 Tương tự ta tạo ra khối B để có hai khối A và B

 Tạo Numeric Indicator: Click chuột phải (Right click) lên Front Panel, chọn Express → Num Inds → Num Ind và rê chuột ra vị trí cần đặt trên vùng trống của Front Panel

 Sửa tên khối này thành A+B

 Tương tự ta tạo thêm ba Numeric Indicator nữa và lần lượt đặt tên các khối là A-B, AxB, A/B

Hình 2.26: Giao diện hiển thị của một VI

Tạo Block Diagram (Sơ đồ khối lập trình):

 Để mở Block Diagram, ta chọn Windows → Show Block Diagram hoặc bấm tổ hợp phím Ctrl + E

 Lấy hàm cộng (+) để thực hiện phép cộng giữa A và B bằng cách: Click chuột phải lên Block Diagram, chọn Express → Arith & Com…→ Numeric → Add (toán tử cộng trong Block Diagram)

 Tương tự ta lấy thêm hàm trừ (-), hàm nhân (x)và hàm chia (/)

 Kết nối tất cả lại với nhau bằng dây nối (wire)

Hình 2.27: Sơ đồ khối lập trình