3.3.2.1. Cảm biến vị trí bàn đạp ga
Bàn đạp ga thể hiện mong muốn của người sử dụng về mức độ phát công suất của hệ động lực. Trước đây, bàn đạp ga được trang bị trên các ô tô thường là thiết bị liên kết cơ khí với bướm gió của bộ chế hòa khí, sự thay đổi hành trình chân ga sẽ làm thay đổi vị trí của bướm gió, từ đó thay đổi lượng hòa khí vào xy lanh làm thay đổi công suất của động cơ. Khác với chân ga cơ khí, chân ga điện tử sẽ tác động đến 1 cảm biến, tùy thuộc vào vị trí chân ga, cảm biến sẽ chuyển đổi tín hiệu cơ học thành tín hiệu điện phù hợp đưa đến chân ECỤ Tùy thuộc vào chương trình điều khiển,
E
C
U
Mạch điều khiển khiển động cơ nhiệt Cần gạt lựa chọn chế độ Cảm biến tốc độ động cơ Cảm biến tốc độ xe Mạch điều khiển động cơ điện Hiển thị LCD Cảm biến bàn đạp ga Mạch điều khiển nạp ắc quy Vị trí bàn đạp phanh Điều khiển ly hợp điện từ đóng mở máy phát
ECU sẽ căn cứ vào mức độ điện áp hồi về từ cảm biến mà điều khiển mức độ phát công suất phù hợp với yêu cầu người điều khiển.
3.3.2.2. Cần gạt lựa chọn chế độ
Trong hệ thống điều khiển điện tử này, tác giả đã bố trí cần gạt 3 vị trí làm nhiệm vụ báo cho ECU biết chế độ làm việc mong muốn của người điều khiển tương ứng với 3 chế độ làm việc: chế độ chạy tiến và chạy lùi chỉ với động cơ điện; chế độ chạy hỗn hợp kết hợp cả động cơ điện và động cơ nhiệt. ECU sẽ căn cứ vào vị trí của cần gạt này để lựa chọn chương trình thích hợp cho từng chế độ.
3.3.2.3. Cảm biến tốc độ
Cảm biến này có nhiệm vụ gửi xung tín hiệu về ECU khi mô hình làm việc, trên cơ sở tín hiệu xung gửi về, ECU sẽ tính toán giá trị của tốc độ quay, tốc độ quay được tính toán theo công thức sau:
dt d
n= ϕ (3.1) Trong đó: n – tốc độ quay (rad/s)
dφ – góc đo được (rad)
dt – thời gian ứng với góc đo (s)
Sử dụng công thức sau chuyển đổi n sang đơn vị (rpm):
π ϕ 2 60 x dt d n= (3.2) Tốc độ n là giá trị tham chiếu quan trọng trong quá trình điều khiển toàn hệ động lực. Đối với động cơ nhiệt, ECU căn cứ vào giá trị này để quyết định thay đổi lượng cấp nhiên liệu đảm bảo cho động cơ làm việc trong vùng có hiệu suất có lợi nhất.
3.3.2.4. Vị trí bàn đạp phanh
Cảm biến này có nhiệm vụ gửi xung tín hiệu về ECU khi hoạt động phanh hãm xảy rạ Khi nhận được xung tín hiệu này, ECU sẽ lập tức ngắt động cơ nhiệt, chuyển chế độ làm việc của động cơ điện từ chế độ động cơ sang chế độ máy phát, sử dụng năng lượng này để nạp năng lượng cho accụ
3.3.3. Bộ xử lí trung tâm – ECU
- Đây chính là bộ não của hệ thống điều khiển điện tử, ECU chứa các thuật toán điều khiển lập trình được viết và cài đặt sẵn trong bộ nhớ thường là EFROM của ECỤ Trong quá trình làm việc, ECU sẽ tiến hành thu thập các thông số đầu vào (input), tính
toán chuyển đổi và phân tích các giá trị nàỵ Tùy thuộc vào bộ giá trị các thông số này mà ECU sẽ quyết định lựa chọn chương trình thích hợp và chuyển đổi thành các xung tín hiệu điều khiển ở đầu ra (output) cho các mạch điều khiển động cơ điện, động cơ nhiệt, mạch nạp và cuộn dây điện từ khóa mở máy phát.
- Để đảm bảo khả năng điều khiển mềm dẻo của hệ thống, ta lựa chọn phương án xây dựng bộ xử lí trung tâm bằng vi điều khiển. Các vi điều khiển thích hợp cho các thiết kế nhỏ, với các thành phần thêm vào tối thiểu nhằm thực hiện các hoạt động hướng điều khiển. Một vi điều khiển là một mạch đơn chứa bên trong một CPU và các mạch khác để tạo nên một hệ máy tính đầy đủ. Ngoài CPU, các bộ vi điều khiển còn chứa bên trong chúng các bộ nhớ RAM, ROM, mạch giao tiếp nối tiếp, mạch giao tiếp song song, bộ định thời và các mạch điều khiển ngắt. Tất cả đều hiện diện bên trong một vi mạch. Một đặc trưng quan trọng của bộ vi điều khiển là hệ thống ngắt được thiết kế bên trong chip. Vì vậy, trong các thiết kế hướng điều khiển các bộ vi điều khiển đáp ứng với các tác động bên ngoài (các ngắt) theo thời gian thực.
- Với tính năng điều khiển được thiết lập bằng lập trình trên phần mềm cho phép dễ dàng sửa đổi giải thuật cũng như khả năng thay đổi chương trình nhằm thích ứng với các đối tượng đầu vào là các động cơ có công suất cũng như chủng loại khác nhaụ Điều này thật sự thuận tiện cho quá trình chuyển giao công nghệ hay sửa đổi sau nàỵ
3.3.4. Khối đầu ra
3.3.4.1. Mạch điều khiển động cơ nhiệt
Mạch này có nhiệm vụ nhận thông tin điều khiển từ ECU, vận hành động cơ nhiệt theo yêu cầu của ECỤ Mạch điều khiển động cơ nhiệt sẽ đảm nhận các chức năng sau:
+ Khởi động động cơ nhiệt: Khi nhận được tín hiệu cho phép làm việc, mạch điều khiển sẽ kiểm tra tình trạng của động cơ, nếu động cơ chưa làm việc, chức năng khởi động sẽ kích hoạt động cơ làm việc. Chức năng này sẽ điều khiển một rơle cho phép đóng ngắt động cơ đề của động cơ nhiệt.
+ Dừng động cơ nhiệt: Chức năng này tương tự như khóa điện trên các ô tô thông thường, mạch sẽ điều khiển đóng mở một công tắc điện. Công tắc sẽ cấp điện cho IC đánh lửa khi động cơ nhiệt làm việc. Khi có tín hiệu dừng động cơ nhiệt, mạch điều khiển sẽ ngắt công tắc điện.
+ Điều khiển bướm ga động cơ: Chức năng này có nhiệm vụ điều khiển thay đổi vị trí bướm ga theo yêu cầu về mức phát công suất của ECỤ Cơ cấu chấp hành của chức năng này là một động cơ điện được kết nối với bướm ga động cơ. Trong chức năng này mạch điều khiển sẽ làm việc theo hai thông số cơ bản là yêu cầu mức tải từ ECU và tốc độ hồi về của động cơ nhiệt. Khi vận hành trong vùng tải nhỏ và vừa, mạch điều khiển sẽ căn cứ vào tốc độ động cơ phản hồi về từ cảm biến tốc độ để điều khiển bướm ga nhằm đảm bảo động cơ làm việc trong vùng có suất tiêu hao nhiên liệu là thấp nhất.
3.3.4.2. Mạch điều khiển động cơ điện
Thực chất đây là một mạch khuyếch đại, có chức năng điều khiển chiều và mức phát công suất động cơ điện phù hợp với yêu cầu làm việc của mô hình. Mạch điều khiển nhận xung điều khiển từ ECU đóng mở các van điện cấp điện cho các cuộn dây của động cơ điện.
3.3.4.3. Mạch điều khiển nạp accu
Mạch này có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển từ ECU và kiểm soát quá trình nạp accu của xẹ Mạch điều khiển nạp sẽ tự điều chỉnh dòng nạp, kiểm tra dung lượng của accu và ngừng nạp khi accu đầỵ Để đảm bảo điện áp nạp, mạch điều khiển được cấp điện áp từ máy phát 12 VDC và chuyển đổi lên điện áp lớn hơn 72 VDC thông qua bộ Inverter.
3.3.4.4. Điều khiển cuộn dây điện từ
Chức năng này có nhiệm vụ cấp điện cho cuộn dây điện từ đóng mở chốt điều khiển khóa máy phát. Khi mô hình vận hành ở vùng tốc độ lớn nhất, ECU sẽ đưa tín hiệu đến mạch điều khiển khóa máy phát, tách máy phát ra khỏi mạch động lực.
3.3.4.5. Màn hình hiển thị LCD
Màn hình LCD cho phép hiển thị các giá trị tức thời của các thông số khi động cơ làm việc như tốc độ xe, tốc độ động cơ và các lựa chọn về chế độ làm việc của người sử dụng…, căn cứ vào các thông số này người sử dụng có thể giám sát và điều chỉnh chế độ làm việc mong muốn.
3.4. LỰA CHỌN THIẾT BỊ 3.4.1. Cảm biến bàn đạp ga
Module chân ga điện tử xuất hiện vào khoảng những năm 90 của thế kỷ trước. Sau một giai đoạn thử nghiệm khoảng 5 năm, đến năm 1996 nó đã được tiến hành sản
xuất hàng loạt. Từ đó module chân ga điện tử đã trở thành module tiêu chuẩn của nhiều loại ô tô con.
Hình 3.6. Cấu tạo module chân ga điện tử
Hiện nay trên thị trường có nhiều chủng loại bàn đạp ga điện cung cấp cho các loại ô tô điện. Các bộ chân ga điện tử điển hình có thể kể đến ở đây như: Chân ga CGJT2 với tín hiệu đầu ra kiểu điện áp từ (0 – 5) V, chân ga CGJKD với tín hiệu đầu ra kiểu điện trở từ (0 – 5) kΩ, chân ga CGJKH với kiểu cảm biến Hall, …
Tiêu chí lựa chọn cảm biến phải căn cứ vào điều kiện, môi trường làm việc của cảm biến, mức độ phổ biến cũng như giá thành ... Trong phạm vi của nghiên cứu này, sử dụng chân ga CGJT2 là phù hợp nhất. Chân ga CGJT2 có tín hiệu đầu ra kiểu điện áp từ (0 – 5) V, thích hợp với các bộ ADC tích hợp sẵn trong các vi điều khiển, không phải thiết kế thêm các mạch giao tiếp và dễ dàng tính toán chuyển đổi giá trị điện áp về vị trí chân gạ
Thông số kỹ thuật của chân ga điện tử CGJT2 như sau [22]: - Điện áp vào: 5 V
- Điện áp ra: (0 - 5) V
- Kiểu ra: Điều khiển dương (+) - Độ dài dây: 2,2 m - Góc quay: 300 - Tuổi thọ: 1.000.000 lần 1 4 2 5 3 1. Bàn đạp ga 2. Cảm biến và mạch cảm biến vị trí bàn đạp 3. Jack cắm dây 4. Giá đỡ cơ cấu 5. Cơ cấu hồi vị
3.4.2. Cần gạt lựa chọn chế độ làm việc
Hiện nay trên thị trường các thiết bị có chức năng tương tự là không sẵn có, vì vậy tác giả sử dụng một công tắc gạt 3 vị trí để chế tạo cần gạt lựa chọn chế độ. Sơ đồ mạch cần gạt chế độ được thiết kế như sau:
Hình 3.7. Công tắc chọn 3 vị trí và cách đấu dây - Công tắc ở vị trí gạt lên: chân ECU nối với + 5 V;
- Công tắc ở vị trí giữa: chân ECU nối với + 2,5 V; - Công tắc ở vị trí gạt xuống: chân ECU nối với mass.
Sử dụng 1 bộ ADC trên vi điều khiển kết nối như trên, ECU sẽ nhận được 1 trong 3 vị trí mong muốn từ người sử dụng và sẽ lựa chọn chương trình điều khiển thích hợp từ bộ nhớ chương trình của ECỤ
3.4.3. Cảm biến tốc độ
Các cảm biến quang điện được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng xác định chính xác các chuyển động cơ học. Cấu tạo của cảm biến quang điện bao gồm một led hồng ngoại và một phototransistor đặt trong cùng một vỏ bọc. Led hồng ngoại là nguồn phát sóng hồng ngoại (infrared emitters). Vật liệu chế tạo nó là GaAs với vùng cấm có độ rộng khoảng 1,43 ev tương ứng với bức xạ khoảng 900 nm. Để thu sóng hồng ngoại người ta dùng phototransistor. Phototransistor là một linh kiện tổ hợp quang điện đơn giản gồm một photodiode nhạy với ánh sáng hồng ngoại và một transistor để khuyếch đạị Với hiệu ứng quang điện phototransistor sẽ cho một điện thế khi nhận được ánh sáng hồng ngoại [11].
R Đến chân ADC của ECU R Mass nguồn + 5 V Công tắc 3 vị trí
Các loại cảm biến quang điện được bán thông dụng trên thị trường với tên gọi công tắc ánh sáng thông suốt (photointerrupers) hoặc công tắc ánh sáng phản chiếu (photoreflectors). Công tắc ánh sáng thông suốt gồm 1 led hồng ngoại và 1 phototransistor được đặt đối diện nhaụ Tất cả những nguyên nhân làm giảm hay mất đi ánh sáng giữa hai linh kiện đều cho ta một tín hiệu điện ở ngã ra của phototransistor.
Hình 3.8. Cảm biến tốc độ
Trong công tắc ánh sáng phản chiếu, led hồng ngoại và phototransistor được đặt cạnh nhaụ Bất cứ vật thể nào đặt gần hai linh kiện đều tạo ra dòng quang điện ở phototransistor. Hình 3.9. Công tắc ánh sáng phản chiếu Điện áp cung cấp Led hồng ngoại Đầu ra tín hiệu Phototransistor Đầu ra tín hiệu Điện áp cung cấp Phototransistor Led hồng ngoại
Hình 3.10. Các cách nối dây cơ bản
Trong mô hình này, ta chọn cảm biến quang loại H12A5S có sẵn trên thị trường, thông số kỹ thuật của cảm biến như sau:
+ Điện áp làm việc: điện áp cung cấp đầu vào 1,2 VDC, dòng cung cấp 20 mẠ + Điện áp ngõ ra: 5 V, dòng ngõ ra: 10 µẠ
+ Thời gian cần thiết để phát 1 xung: 100 µs. Bao gồm 4 µs cho sườn lên, 5 µs cho sườn xuống và khoảng thời gian còn lại để duy trì mức caọ
+ Tần số xung giới hạn: 10 kHz. + Nhiệt độ làm việc: (-20 ÷ 85) 0C.
3.4.4. Cảm biến bàn đạp phanh
Cảm biến này có nhiệm vụ báo cho vi điều khiển khi hoạt động phanh hãm được kích hoạt. Sử dụng một công tắc hành trình gắn trên giá của bàn đạp phanh, khi chân phanh tác động đủ sâu, công tắc hành trình sẽ được đóng lại và báo về ECU một xung dưới dạng tích cực thấp. Kết nối mạch cho công tắc hành trình như hình dưới:
Hình 3.11. Công tắc bàn đạp phanh và cách đấu dây
+ 5 V
Điện trở kéo lên Nối với chân ECU
Mass nguồn V0 ở mức thấp khi phototransistor nhận ánh sáng hồng ngoại V0 ở mức cao khi phototransistor nhận ánh sáng hồng ngoại
- Khi công tắc không bị tác động, điện áp hồi về chân ECU bằng 5 V; - Khi công tắc bị tác động, điện áp hồi về chân ECU bằng 0 V.
3.4.5. Bộ xử lý trung tâm ECU
Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều loại vi điều khiển khác nhau, có thể kể ra một loạt các vi điều khiển thông dụng như: họ 8051, họ vi điều khiển AVR của hãng Atmel, họ PIC của hãng Microchip … Căn cứ vào các yêu cầu của hệ thống điều khiển, tác giả quyết định chọn vi điều khiển ATMEGA16 để xây dựng mạch xử lí trung tâm cho bộ điều khiển.
Vi điều khiển ATMEGA16 là một trong những vi điều khiển thuộc họ AVR. Đây là một con vi điều khiển có cấu trúc khá phức tạp, có đầy đủ chức năng của họ AVR. ATMEGA16 là một vi điều khiển CMOS 8 bit công suất thấp trên nền kiến trúc AVR kiểu RISC với nhiều tính năng được xem là nổi bật so với nhiều vi điều khiển khác. Trên ATMEGA16 tích hợp nhiều bộ phận ngoại vi, với 32 đường dẫn I/O lập trình được, 2 bộ truyền nhận UART, một bộ giao diện SPI đồng bộ, một giao diện TWI đồng bộ tương thích I2C, 3 bộ Timer/Counter 8 bit, 1 bộ Timer/Counter 16 bit với chức năng so sánh và bắt mẫu, 4 lối ra điều biến độ rộng xung, một đồng hồ thời gian thực (RTC-Timer), một bộ biến đổi ADC 10 bit 8 kênh lối vào, một bộ phát hiện trạng thái sụt nguồn nuôi, một bộ so sánh Analog, một bộ định thời Watchdog.
So với các vi điều khiển khác thì ATMEGA16 có tốc độ xung nhịp tương đối cao, xung nhịp bộ tạo dao động cũng là xung nhip của hệ thống nên tốc độ xử lí là tương đối caọ Kết hợp với khả năng thực hiện lệnh trong 1 chu kỳ xung nhịp, ATMEGA16 có thể đạt đến tốc độ xử lí 1 triệu lệnh/giây ở tần số 1 MHz.
Bộ nhớ chương trình và dữ liệu được tích hợp ngay trên chip với 3 công nghệ nhớ khác nhau: bộ nhớ EPROM xóa được kiểu flash dùng cho mã chương trình, bộ nhớ EEPROM xóa được bằng điện, nội dung vẫn giữ nguyên sau khi mất điện nguồn được sử dụng trong thời gian thực thi hệ thống và cuối cùng là bộ nhớ RAM dùng cho các biến, nội dung của bộ nhớ này sẽ tự mất đi khi tắt điện áp nguồn.
Hỗ trợ cho việc lập trình bằng ngôn ngữ cấp cao với nhiều phần mềm hỗ trợ như Win: AVR, CodeVisionAVR C, ICCAVR. C - CMPPILER của GNU… tạo nhiều
thuận lợi cho người viết chương trình thông qua việc sử dụng các thư viện có sẵn của