Đo lường và kiểm soát năng lượng điện cảm trên ô tô sử dụng labview

Bài viết giới thiệu việc xây dựng bộ đo lường và kiểm soát năng lượng điện cảm trên ô tô sử dụng LabVIEW kết hợp mạch chế tạo và bộ thu thập dữ liệu NI 6009 nhằm giải quyết khó khăn trong giảm sai số ngẫu nhiên, giảm thời gian và công sức trong quá trình thực nghiệm năng lượng điện cảm trên ô tô.

100 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 61 (12/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh ĐO LƯỜNG VÀ KIỂM SỐT NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CẢM TRÊN Ô TÔ SỬ DỤNG LABVIEW MEASUREMENT AND CONTROL SELF-INDUCTANCE ENERGY IN VEHICLE BY LABVIEW Phan Nguyễn Quí Tâm, Đỗ Văn Dũng, Nguyễn Bá Hải, Nguyễn Thành Tuyên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Ngày tòa soạn nhận 13/10/2020, ngày phản biện đánh giá 23/10/2020, ngày chấp nhận đăng 10/11/2020 TÓM TẮT Bài viết giới thiệu việc xây dựng đo lường kiểm soát lượng điện cảm ô tô sử dụng LabVIEW kết hợp mạch chế tạo thu thập liệu NI 6009 nhằm giải khó khăn giảm sai số ngẫu nhiên, giảm thời gian công sức trình thực nghiệm lượng điện cảm ô tô Kết thực nghiệm cho thấy đo lường thu thập liệu có độ xác cao, phù hợp với kết đo thiết bị kiểm chứng Các liệu thu thập cách tự động đồ thị hóa theo thời gian thực máy tính, thuận lợi việc theo dõi xử lý số liệu thực nghiệm Từ khóa: LabVIEW, NI 6009, thu hồi lượng, kiểm soát lượng điện cảm ABSTRACT The article introduces the measuring and controlling of self-inductance energy using LabVIEW combined with NI6009 data collection to overcome difficulties in reducing random errors, reducing time and effort in the process of experimenting self-inductance energy in vehicle The results show that the measuring set to collect data has high accuracy, consistent with the results measured by the control equipment The data are collected automatically and graphed in real time on the computer, convenient in monitoring and processing experimental data Keywords: LabVIEW, NI 6009, energy recovery, measurement and control self-inductance energy; GIỚI THIỆU Tự động đo lường kiểm sốt điện áp tơ nói chung lượng điện cảm nói riêng có vai trị quan trọng nghiên cứu, ứng dụng lượng điện cảm tái sinh qua giúp tiết kiệm thời gian, tăng độ xác q trình thực thử nghiệm Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu đo lường điều khiển hệ thống điện động ô tô Tác giả Lê Khánh Tân cộng tác viên nghiên cứu ứng dụng tảng Arduino Labview thu thập liệu động ô tô, kết việc thiết kế, chế tạo thành cơng mạch điện tử có khả thu thập tín hiệu dạng tương tự dạng số tín hiệu cảm biến động phun xăng [1], mạch cịn có chức điều khiển tốc độ động Dữ liệu thu thập truyền từ chương trình Adruino đến LabVIEW xử lý truyền ngược lại từ máy tính đến động chấp hành Tác giả Nguyễn Hải Trân công bố cơng trình ứng dụng LabVIEW điều khiển phun xăng xe gắn máy [2], thông qua việc kết hợp công cụ: phần mềm LabVIEW, card giao tiếp USB HDL- 9090 để thiết kế, chế tạo thành công cổng giao tiếp nhằm thu thập tín hiệu cảm biến điều khiển động xe máy Honda Future Neo FI, hệ thống liệu máy tính hỗ trợ người dùng trực tiếp quan sát trạng thái hoạt động hệ thống điều điều khiển động xe máy Nhóm tác giả Nguyễn Hoàng Luân Nguyễn Quang Tấn với đề tài tạo pan động ô tô điều khiển máy tính [3] Hai tác giả nghiên cứu ứng dụng card giao tiếp lập trình hợp ngữ nối tín hiệu vào/ra hộp ECU Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 61 (12/2020) 101 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh (Electronic Control Unit) hệ thống điện động Toyota 1SZ-FE kết hợp phần mềm LabVIEW máy tính, Sản phẩm nghiên cứu thành công điều khiển: khởi động động cơ, lượng nhiên liệu phun, nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khơng khí nạp Các pan hệ thống điện động điều khiển từ máy tính thơng qua việc đóng mở relay tín hiệu phun xăng, tín hiệu cảm biến đánh lửa, tín hiệu cảm biến oxy, tín hiệu số vịng quay động Nhóm tác giả Lili Tang, Wei Huang Jie You, nghiên cứu, điều khiển tơ thơng minh có ứng dụng Arduino UNO LabVIEW [5] kết hợp sử dụng modul APC220-43 Kết ô tô thử nghiệm vận hành ổn định thơng qua q trình nhận phân tích tín hiệu thực lệnh lập trình LabVIEW Tại Việt Nam, có nhiều nghiên cứu thực nghiệm lượng điện cảm hệ thống điện ô tô, đặc biệt công tác thực nghiệm thời gian dài liên tục Việc tiêu tốn nhiều công sức mắc sai số lớn trình lấy mẫu, ảnh hưởng đến kết nghiên cứu Cơng trình nghiên cứu góp phần giải vấn đề đặt ra, tác giả tiến hành xây dựng thu thập liệu, đo lường tự động tiến hành thử nghiệm mơ hình hệ thống điện điều khiển động phun xăng 𝐸𝑚𝑎𝑥 = 𝐶𝑡𝑑 𝑈 (1) 2×3600×𝑚𝑎𝑠𝑠 Trong đó: Emax : Năng lượng cực đại siêu tụ Ctd : Điện dung tương đương siêu tụ U: Điện áp siêu tụ mass: hệ số theo khối lượng (0,006) Hình Sơ đồ kết nối điều khiển Tác giả sử dụng công thức (1) đưa vào lập trình để xác định lượng siêu tụ Yêu cầu đo lường kiểm soát lượng điện cảm bao gồm: Các thành phần đo lường điều khiển bao gồm: Card giao tiếp NI 6009, phần mềm LabVIEW, cảm biến dòng, vi điều khiển Adruino Sơ đồ khối kết nối điều khiển kiểm soát lượng điện cảm tơ hình - Thu thập tín hiệu đầu vào (#10, TACH, IGT, IGF, BATT, EDLC…) Các thông số đầu vào đầu bảng bảng - Đo điện áp thiết bị tích trữ lượng tái sinh (siêu tụ điện) Bảng Các thông số đầu vào - Điều khiển kết hợp nguồn lượng sẵn có lượng điện cảm tái sinh cung cấp đến kim phun xăng - Hiển thị thông tin liệu thực nghiệm máy tính Trong nội dung trên, việc xác định lượng cảm tích lũy quan trọng Theo lý thuyết, lượng siêu tụ xác định: TT Thông số đầu vào Tín hiệu điều khiển lửa Kí hiệu IGT Tín hiệu điện cảm C1, C2, C3, bobine đánh lửa C4 Tín hiệu điện áp accu, siêu tụ Tín hiệu phun xăng Tín hiệu vịng quay động BATT, EDLC #1,#2, #3, #4 TACH 102 TT Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 61 (12/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Bảng Các thông số đầu Thông số đầu Đơn vị Tốc độ động rpm Hiển thị điện áp accu/siêu tụ V Hiển thị loại lượng kim phun sử dụng Năng lượng điện cảm tái sinh J s Thời gian kim phun hoạt động điện áp tụ Mơ hình thực nghiệm bố trí chi tiết hình XÂY DỰNG MƠ HÌNH - Mơ hình thực nghiệm hệ thống điện điều khiển động Toyota 1TR-FE [7] thi công khung thép kích thước: 1320 x 700 x 1690 (mm) - Card NI 6009 giao tiếp liệu đa máy tính thiết bị thơng qua cổng USB [8]: hảng National Instruments có 08 analog input, 02 analog output, 12 digital I/O, - Cảm biến dòng điện ACS712 với dãy dòng điện 0,2 – 5A, sử dụng nguồn điện 5V, độ nhạy đầu 63 – 190 mV/A, nhiệt độ hoạt động -40 – 85 0C - Các rơle Songle 12V, chân SRD12VDC-SL-A: dòng DC 6- 10 A, nhiệt độ hoạt động: - 45 °C to 75 °C, Công suất cuộn dây (coil) DC: 360 mW, thời gian tác động: 10 ms, thời gian nhả tiếp điểm: ms - Các mạch cầu chia áp hạ mức điện áp với dãy đo 0,5 – 5V, khơng làm thay đổi hình dạng tín hiệu trước truyền Đồng hồ trung tâm, Họng ga, Cảm biến gió, Thùng xăng, NI 6009, Bo mạch, Cụm hiệu chỉnh tốc độ động cơ, Siêu tụ, Công tắc nguồn, 10 Điểm đo, 11 ECU, 12 Cụm IC cuộn đánh lửa, 13 Cụm kim phun xăng, 14 Van VVT-i Hình Mơ hình thực nghiệm ĐO LƯỜNG VÀ KIỂM SOÁT NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CẢM 3.1 Mạch thu hồi điện cảm dùng diode Mạch có chức thu hồi sức điện động tự cảm từ thông thay đổi qua cuộn dây sơ cấp bobine thiết bị lưu trữ (siêu tụ) Mạch có khả thu hồi nhanh, chịu xung điện áp cao, an toàn, ổn định - Adruino Nano [9]: vi điều khiển ATmega328 (họ 8bit), nhớ EEPROM-1 KB, dòng tiêu thụ: 19mA, điện áp vào 7-12V – DC, số chân Digital I/O: 14, số chân Analog: 08 Hình Nguyên lý thu hồi điện áp tự cảm dùng diode Hình Trang thiết bị sử dụng thu thập tín hiệu điều khiển Cách thức sử dụng đặc tính diode để nạp sức điện động sinh vào tụ sau qua diode Do tính chất diode cho dòng điện thuận nên tụ điện nạp có sức điện động mà khơng xảy q trình phóng Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 61 (12/2020) 103 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh điện Vì thế, tụ điện nạp liên tục mức điện áp cần thiết 3.2 Thiết bị lưu trữ Siêu tụ điện Maxwell BMOD0058 E016 B02 16V-58F với thông số kỹ thuật phù hợp điều kiện hành chọn làm thiết bị lưu trữ lượng điện cảm tái sinh Hình Mạch hồn thiện Hình Siêu tụ BMOD0058 E016 B02 Các thông số kỹ thuật bảng Bảng Các thông số tụ điện TT Specifications Units Rated Capacitance 58 F Maximum ESR DC , initia 22 mΩ Test Current for Capacitance 35 A and ESR DC Rated Voltage 16 V Absolute Maximum Voltage 17 V Leakage Current at 25°C, 25 mA maximum Capacitance of Individual 350 F Cells Maximum Stored Energy, 0.35 Wh Individual Cell 10 Number of Cells 3.3 Thiết kế, thi công mạch Sơ đồ theo hình hình 7, vi điều khiển Adruino Nano thu thập tín hiệu: dịng điện qua kim phun, điện áp siêu tụ, điện áp ắc quy, 04 bobine đánh lửa lọc nhiễu, giảm áp, so sánh mức chuẩn trước điều khiển Transitor công suất tín hiệu đầu vào Trên sở xác định trạng thái thực tế, Adruino Nano điều khiển cụm modul role trạng thái phù hợp để lựa chọn nguồn lượng cấp cho kim phun theo lưu đồ hình Đồng thời bo mạch truyền thông tin hành đến NI 6009, hiển thị màng hình máy tính thơng qua giao diện thiết kế phần mềm LabVIEW 3.4 Lập trình điều khiển Hệ thống kim phun xăng hoạt động liên tục động làm việc, lượng điện cảm tái sinh tích trữ vào siêu tụ Một vi mạch điều khiển trình cấp lượng đến kim phun dùng siêu tụ ắc qui để nhằm đáp ứng hoạt động tối ưu Bắt đầu Nạp tụ Đọc giá trị điện áp tụ Đóng relay sử dụng siêu tụ U ≥ 14V U ≤ 11V ≤ 11,5V ≤ 11.5V Đóng relay sử dụng siêu tụ Hình Sơ đồ mạch nguyên lý Đọc giá trị điện áp tụ Hình Lưu đồ thuật tốn điều khiển nạp điện cảm tái sinh vào siêu tụ 104 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 61 (12/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Tín hiệu điện áp siêu tụ thu thập máy tính kiểm tra điện áp thấp 11V tiến hành kích hoạt relay chuyển sang sử dụng lượng ắc quy để tụ nạp trở lại Ngược lại tụ nạp đến ngưỡng 14V máy tính tiến hành ngắt ắc quy sử dụng lượng tụ Hình 11 Sơ đồ code LabVIEW Hình Sơ đồ chuyển đổi nguồn điện Code chương trình giao diện LabVIEW sử dụng để đo lường giám sát thể hình 12 Sau xây dựng mơ hình thu thập điều khiển (hình 10), tiến hành hiệu chỉnh phù hợp với giá trị chuẩn cách chỉnh biến trở bo mạch; cân chỉnh giá trị dòng điện điện áp sau chỉnh trực tiếp code chương trình LabVIEW Hình 12 Giao diện thu thập liệu hệ thống kiểm soát lượng điện cảm LabVIEW KẾT QUẢ Sau lắp đặt đầy đủ bo mạch Card NI 6009 mơ hình thực nghiệm, tiến hành vận hành tương ứng dải tốc độ động 750 4000 vòng /phút So sánh giá trị đo thiết bị đối chiếu, kết cho thấy tín hiệu đọc sử dụng NI 6009 có sai số khoảng 1% so với tín hiệu đo máy đo sóng chuyên dụng Pico Automotive Oscilloscopes 4425 Nguồn điện cung cấp cho kim phun chuyển đổi tối ưu nguồn accu - nguồn siêu tụ điều khiển trực tiếp vi điều khiển thơng qua giá trị điện áp chuẩn cài đặt Hình 10 Mơ hình đo lường giám sát lượng điện cảm sử dụng LabVIEW kết hợp mạch Card NI 6009 Kết thử nghiệm, đo lường cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, liệu thu máy tính có độ xác cao Hình 13,14 thể liệu dòng điện, điện áp kim phun tốc độ 1000 vịng/phút Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 61 (12/2020) 105 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Hình 13 Đặc tuyến dịng điện qua kim phun Hình 17 Đặc tuyến điện cảm tái sinh trình siêu tụ tích lũy Hình 14 Đặc tuyến điện áp kim phun Hình 15,16 thể thời gian nạp xả siêu tụ từ lúc 0V đến lúc nạp đầy 14V ngược lại Hình 18 Đặc tuyến lượng điện cảm tái sinh trình siêu tụ phóng điện Ngồi ra, thơng số liệu tốc độ tương ứng trình bày theo bảng Bảng Thông số thực nghiệm theo tốc độ động TT Hình 15 Đặc tuyến thời gian nạp siêu tụ Hình 16 Đặc tuyến thời gian siêu tụ xả Hình 17, 18 thể lượng điện cảm cấp cho 01 kim tương ứng thời gian suốt trình nhấc kim Thời gian Năng lượng Tốc độ 01 kim điện cảm cấp động phun dùng cho 01 kim (vòng/phút) tụ (s) (J) 750 156 1,14 1000 145 1,10 1500 138 9,7 2000 124 8.4 2500 115 8.2 3000 92 7.8 3500 78 6.7 4000 64 5.9 Điều chỉnh tốc độ động mức ổn định vịng quay khác (tương tự bảng 5), thơng số kết thử nghiệm thu được: 106 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 61 (12/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Bảng Giá trị thu thập 750 vòng/phút TT Thông số Giá trị Số lần nhấc kim giây lần Thời gian lần nhấc kim 1.4ms Dòng điện lần nhấc kim 0.3486A Điện tiêu thụ lần kim 0.00549W Tại tốc độ khác: trung bình điện tiêu hao trung bình lần kim khoảng 0.00549W Năng lượng thời gian xả tụ từ 14V đến 11V tính: 1 𝑊 = 𝐶 𝑈 = 58 (14 − 11)2 2 = 261 (𝐽) Năng lượng W = 261 (J) siêu tụ, sử dụng để nhấc kim khoảng 47541 lần khoảng thời gian 5282 (s) Quá trình nạp tụ diễn nhanh mức điện áp thấp chậm dần mức điện áp cao Cần khoảng phút để nạp điện cho tụ từ 0V đến 12V khoảng phút để đến mức 14V thu hồi điện cảm 04 bobine tốc độ 2000 vịng/phút Q trình xả tụ cho 04 kim phun diễn khoảng 30s, tụ cịn khoảng 11V tự động ngắt q trình xả nạp trở lại KẾT LUẬN Nhóm tác giả ứng dụng LabVIEW, ADQ NI 6009, Arduino linh kiện chuyên dụng đo lường giải khó khăn q trình thực nghiệm, đánh giá lượng điện cảm tái sinh ô tô Sản phẩm chế tạo góp phần đo lường kiểm sốt tự động lượng điện cảm tơ Bộ đo lường làm việc ổn định thời gian dài, thu thập liệu chuẩn xác với sai số dòng điện 0,1A, sai số điện áp 0,05V, sai số lượng 0,02J đảm bảo độ tin cậy thông số thực nghiệm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] Lê Khánh Tân, Ứng dụng tảng Arduino Labview thu thập liệu động cơ, Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật số 51, 2019 Nguyễn Hải Trân, Ứng dụng LabVIEW điều khiển phun xăng xe gắn máy, 12-17, 2012 Nguyễn Hoàng Luân, Nguyễn Quang Tấn, Tạo pan động tơ điều khiển máy tính, Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Quốc gia lần thứ IX “Nghiên cứu ứng dụng Công nghệ thông tin (FAIR'9)”; Cần Thơ, 2016 Nguyễn Thành Luân, Lê Thị Hồng Nhung, Lại Hoài Nam, Đo lường điều khiển tủ sấy sử dụng LabVIEW Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật số 58, 2020 Lili Tang, Wei Huang and Jie You, The Design of the Intelligent Car Based on the Arduino UNO and LabVIEW, IOP Conf Series: Journal of Physics: Conf Series 1288 012071 IOP Publishing doi:10.1088/1742-6596/1288/1/012071, 2019 A El Hammoumi, S Motahhi, A Chalh, A El Ghzizal and A Derouich, Real-time virtual instrumentation of Arduino and LabVIEW based PV panel characteristics, International Conference on Renewable Energies and Energy Efficiency (REEE), 2017 1TR-FE wiring diagram National Instruments NI-6009 User Manual Adruino Nano datasheet Tác giả chịu trách nhiệm viết: Phan Nguyễn Quí Tâm Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM Email: tampnq@hcmute.edu.vn ... kiện chuyên dụng đo lường giải khó khăn q trình thực nghiệm, đánh giá lượng điện cảm tái sinh ô tô Sản phẩm chế tạo góp phần đo lường kiểm soát tự động lượng điện cảm ô tô Bộ đo lường làm việc... Van VVT-i Hình Mơ hình thực nghiệm ĐO LƯỜNG VÀ KIỂM SOÁT NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CẢM 3.1 Mạch thu hồi điện cảm dùng diode Mạch có chức thu hồi sức điện động tự cảm từ thông thay đổi qua cuộn dây sơ cấp... U: Điện áp siêu tụ mass: hệ số theo khối lượng (0,006) Hình Sơ đồ kết nối điều khiển Tác giả sử dụng công thức (1) đưa vào lập trình để xác định lượng siêu tụ Yêu cầu đo lường kiểm soát lượng điện