Trong phần này chúng ta tìm hiểu công cụ fuzzy logic trong Matlab. Sử dụng fuzzy logic để tạo ra các quy luật chuyển số của hộp số tự động.
Khởi động fuzzy logic trong Matlab bằng lệnh:
Hình 2.57 Giao diện fuzzy logic
Trong cửa sổ fuzzy logic có 3 khối chính: đầu vào (input), đầu ra (output) và luật (rule). Double click vào từng khối cho phép ta thay đổi các thông số trong khối đó.
Để điều khiển hộp số tự động sang số cần 2 tín hiệu đầu vào là độ mở bướm ga và tốc độ xe. Chúng ta vào Edit chọn Add Variable… chọn Input.
Gọi khối input1 là Alpha để chỉ độ mở bướm ga, khối input2 là Speed để chỉ tốc độ xe, khối output là gear để chỉ số của hộp số tự động.
Hình 2.59 Giao diện fuzzy logic với tín hiệu đầu vào đầu ra đã đổi tên
Mở khối Alpha ta có giao diện như hình 2.60, trong đó có 5 hàm tính thành viên dạng trapmf. 5 đường này đặc trưng cho độ mở bướm ga 20, 40, 60, 80, 100%.
Mở khối Speed ta có giao diện như hình 2.61. Trong đó gồm 14 hàm thành viên từ I đến XIV biểu thị tốc độ xe từ 0 đến 6000 v/p
Hình 2.61 Giao diện khối Speed
Mở khối Gear ta có giao diện như hình 2.62, gồm 4 hàm thành viên đặc trưng cho 4 số của hộp số tự động.
Mở khối luật ở giữa để định nghĩa luật cho hệ thống như hình 2.63. Ta thiết lập 20 luật:
Hình 2.63 Giao diện khối Gear
Vào View => Rule để xem kết quả tập fuzzy tổng đầu ra. Dịch chuyển thanh trượt để quan sát kết quả thu được bên phải. Như trong hình 2.64, với độ mở bướm ga là 50%, tốc độ xe 3000v/p xe đang chạy ở số 4.
Chương 3 Thi công lắp ráp hệ thống điều khiển hộp số tự động A140E. 3.1 Ý tưởng thiết kế hệ thống điều khiển hộp số tự động A140E.
3.1.1 Giới thiệu về mô hình điều khiển hộp số tự động A140E
Các mô hình được tạo ra nhằm mục đích giúp cho người học có thể hiểu hơn về các hoạt động của hệ thống. Mô hình hộp số tự động cũng không ngoại lệ. Nhưng đa phần các mô hình hộp số tự động đều được cắt ra với mục đích giảng dạy cho sinh viên nhưng chỉ ở trạng thái tĩnh.Vì vậy những mô hình này chỉ ở mức nhận biết biết được các thành phần bên trong hộp số tự động mà không quan sát được chế độ hoạt động của nó. Để mô hình hộp số được cắt có hiểu quả hơn trong việc giảng dạy các thầy cô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã thiết kế thi công hệ thống điều khiển hộp số tự động. Giả lập các tín hiệu trên xe để mô phỏng các trạng thái hoạt động của hộp số sau đó viết chương trình điều khiển việc lên xuống số đúng dựa vào các tín hiệu trên. Thông qua việc điều khiển mô hình hoạt động để mô hình hộp số có thể hoạt động giúp người học có thể quan sát các bộ phận làm việc trong hộp số từ đó dễ dàng hiểu được hoạt động của hộp số.Mô hình tiền thân là đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường của thầy Huỳnh Phước Sơn, Đặng Vũ Minh Đăng. “Thiết kế, chế tạo mô hình giảng dạy hệ thống điện tử điều khiển hộp số tự động: Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T18-2008/ Huỳnh Phước Sơn, Đặng Vũ Minh Đăng. Tp.Hồ Chí Minh - Trường Đại học Sư phạm Tp.HCM, 2008”. Sau đó mô hình đã qua 1 lần cải thiện vì lý do thời gian dài gần 10 năm dẫn đến mô hình bị hư hỏng về cả phần cơ khí lẫn điện tử. Vì vậy ở đồ án này chúng em sẽ dựa trên ý tưởng đó để tạo lại và phát triển một mô hình hoàn toàn mới để tiếp tục công tác phục vụ dạy và học của trường với nhiều cải tiến hơn.
Một số chi tiết được chúng em cải tiến trong mô hình này:
- Nghiên cứu thêm hệ thống điều khiển chế độ tải nặng và tải nhẹ. - Nghiên cứu điều khiển chế độ kick-down của hộp số.
- Thiết kế lại bản điều khiển trực quan hơn giúp người học dễ hiểu được các chế độ hoạt động
- Thay chìa khóa thành nút khởi động On-Off
Mô hình sau khi hoàn thiện:
- Các thông tin hiển thị trực quan hơn. - Các bộ phận điều khiển dễ dàng vận hành. - Các chi tiết cơ khí được gia công tỉ mỉ, sắc sảo.
- Mô phỏng thêm được nhiều tính năng của hộp số tự động.
3.1.2 Ý tưởng thiết kế hệ thống điều khiển trên mô hình
Phần điều khiển điện tử:
Với mục đích phát triển thêm các chức năng cho mô hình. Vì vậy mô hình này sẽ được bổ sung thêm một vài chức năng. Hoạt động của hộp số ở chế độ tải nặng và tải nhẹ, Chế độ Kick Down,….
Đối với bản hiện thị ở mô hình cũ việc hiển thị thông tin còn chưa được tốt ví dụ không thống nhất về ngôn ngữ, hoạt động của từng tay số chưa được trưc quang. Bản vẽ mô hình hộp số tự động chưa thực sự phát huy được tác dụng tạo cho người học dễ dàng hiểu được nguyên lý hoạt động của hộp số thông qua mô hình. Vì vậy ở mô hình này bản điều khiển sẽ được thiết kế trực quan và hiệu quả hơn, cộng thêm hiện thị nhiều tính năng mới cho mô hình.
3.1.3 Thiết kế bản hiện thị cho mô hình:
Bản hiện thị được thiết kế với tiêu chí về tính thống nhất và đầy đủ về các tính năng hoạt động của mô hình. Trên bảng hiển thị được thêm một sơ đồ khối hoạt động của hộp số. Sơ đồ này nhìn đơn giản nhưng lại dễ dàng hiểu được nguyên lý cũng như đường truyền công suất của hộp số thông qua việc điều khiển các đèn led bên dưới các bộ phận ví dụ như các phanh, ly hợp, khớp một chiều. Lúc này Led sẽ sáng ở đúng các chế độ hoạt động của từng tay số.
Trên bảng điều khiển có bảng hiện thị hoạt động của các van điện từ, phanh và ly hợp của hộp số tại từng tay số để hiện thị thông tin hoạt động của các bộ phận nhằm so
sánh với các đèn Led được mô phỏng trên sơ đồ khối hoạt động bên phải để kiểm tra sự chính xác khi mô hình hoạt động.
Ngoài ra còn các hiện thị các thông số của vị trí cánh bướm ga, tốc độ xe,… để hiện thị cho người học đầy đủ thông tin tại thời điểm mà hộp số hoạt động.
Hình 3.1 Bảng điều khiển và hiện thị của mô hình
Bảng điều khiển được thiết kế bao gồm: - Sơ đồ khối hoạt động của hộp số
- Bảng hoạt động của các phanh, li hợp, khớp 1 chiều tại từng tay số - Sơ đồ 2 van điện từ của hộp số
- Áp suất khí nén được cấp - Hộp đựng mạch điều khiển - Góc mở cách bướm ga - Tốc độ xe
- Công tắc của mô hình - Nút chỉnh tải
- Đèn báo chế độ O/D OFF - Đèn báo kick down
3.2 Thi công phần điều khiển điện tử cho mô hình hộp số tự động3.2.1 Tên gọi và chức năng của bộ phận điều khiển 3.2.1 Tên gọi và chức năng của bộ phận điều khiển
Ngoài một số các bộ phận chính của hộp số đã được nêu ở chương 2 về chức năng cũng như các sơ đồ chân cắm của từng bộ phận ví dụ như:
- Cảm biến vị trí bàn đạp ga - Cảm biến tốc độ
- Cảm biến tạo tải - Nút O/D off
- Nút nhấn Kick down - Cần chuyển số
Mô hình cần phải có thêm một vài thiết bị khác để có thể thay thế động cơ kéo hộp số, và hộp điều khiển ECT… . Vì vậy nên trên mô hình điều khiển hộp số sẽ cần thêm một vài bộ phận quan trọng nữa có tác dụng giả lập thay thế các bộ phận chính trên xe để mô hình có thể hoạt động được.
Mạch điều khiển adruino
Khái niệm:
Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32- bit. Board Arduino là một nền tảng nguồn mở được sử dụng để thực hiện các dự án điện tử.
Phân loại:
- Dòng cơ bản: Arduino Uno, Arduino 101, Arduino Pro, Arduino Pro Mini, Arduino Micro, Arduino Nano.
- Dòng nâng cao: Arduino Mega, Arduino Zero, Arduino Due. Arduino mega 2560
Arduino Mega 2560 là 1 bo mạch thiết kế với bộ xử lý trung tâm là vi điểu khiển AVR Atmega2560.
Cấu tạo chính của Arduino Mega 2560 bao gồm các phần sau:
- Cổng USB: đây là loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều khiển.
Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính.
- Jack nguồn: để chạy Arduino thỉ có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên, nhưng không phải lúc nào cũng có thể cắm với máy tính được. Lúc đó ta cần một nguồn từ 9V đến 12V.
- Có 54 chân vào/ra, ngoài ra có một chân nối đất (GND) và một chân điện áp tham chiếu (AREF).
- Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lí trung tâm của toàn bo mạch. Với mỗi mẫu Arduino khác nhau thì con chip là khác nhau. Ở con Arduino Mega2560 này thì sử dụng ATMega2560.
Vi xử lý Atmega 2560
Điện áp hoạt động 5V
Điện áp đầu vào 7-12V
Chân vào/ra (I/O) số 54 (15 chân PWM)
Chân vào tương tự 16
Dòng điện trong mỗi chân I/O 40mA
Dòng điện chân nguồn 3.3V 50Ma
Bộ nhớ trong 256KB
SRAM 8KB
EEPROM 4KB
Xung nhịp 16MHz
Bảng 3.1 Bảng thông số chi tiết của Arduino Mega 2560
- Mega 2560 có 16 đầu vào tương tự, mỗi ngõ vào tương tự đều có độ phân giải 10 bit (tức là 1024 giá trị khác nhau).Theo mặc định đo từ 0 đến 5 volts, mặc dù là nó có thể thay đổi phần trên của phạm vi bằng cách sử dụng chân Aref và analogReference) chức năng. Các Atmega 2560 có 256 KB bộ nhớ flash để lưu trữ mã (trong đó có 8 KB được sử dụng cho bộ nạp khởi động), 8 KB SRAM và 4 KB của EEPROM.
Động cơ điện
Hình 3.2 Mô-tơ Điện Công suất 1.5 HP Cực motor 4 P Volts 110/220 V Tần số 50 Hz Tốc độ 1450 R.P.M
Bảng 3.2 Thông số motor điện
Bộ biến áp
Bộ biến áp dùng để chuyển đổi điện áp từ 220V sang 24V để điều khiển các van điện từ đóng ngắt dường dẫn khí, 12V để cấp nguồn cho vi điều khiển và 5V để cấp nguồn các Led hiển thị.
Hình 3.3 Bộ biến áp
Tuy nhiên để có được điện áp, 24V và 12V như trên ta cần phải lắp lắp một tụ điện và một mạch điot chỉnh lưu toàn kỳ đển có thể đổi điện áp xoáy chiều sang 1 chiều. Và lắp thêm một IC 7805 để chuyển từ 12V sang 5V.
-
LCD: gồm 6 LED 7 đoạn
Hình 3.5 Hiển thị tốc độ và độ mở cánh bướm ga gồm 6 led 7 đoạn
Hiển thị thông số như vị trí mở cánh bướm ga, tốc độ xe, vị trí chuyển số. Ngoài ra còn có các Led đơn để thể hiện rõ chế độ làm việc của từng bộ phận trong hộp số.
Van điện từ
Là bộ chấp hành nhận lệnh điều khiển từ vi xử lý để đóng ngắt đường dẫn khí nén đến các phanh và ly hợp để giúp cho hộp số có thể chuyển chế độ hoạt động. Van điện từ này là loại 5/2 sử dụng điện áp 24V. Khi cấp điện vào đầu cuộn coil của van, xylanh sẽ đi hết hành trình của mình, và sẽ thu lại vị trí ban đầu ngay khi ngưng cấp điện vào van. Trong mô hình sử dụng cổng đầu dẫn khí ra ở cổng số 4. Với khí nén cấp vào tại cổng số 1 thông qua thân kết nối 7 van điện từ. Phạm vi áp suất của van từ 0.1 ~ 0.7Mpa.
Hình 3.6 Van điện từ 5/2
Hình 3.7 Thân kết nối 7 van điện từ
Hình 3.8 Cụm 7 van điện từ
Đồng hồ báo áp suất
Dùng để thể hiện áp suất trên ống phân phối. Giá trị áp suất cần thiết để các phanh và ly hợp của hợp số hoạt động tốt là 4-8 kg/cm2, giá trị được trích từ Tài liệu đào tạo TOYOTA. Hộp số tự động tập 9 giai đoạn 2 .
Hình 3.9 Đồng hồ báo áp suất khí nén
3.2.2 Thi công mạch điện cho mô hìnhLắp các thiết bị lên khung mô Lắp các thiết bị lên khung mô hình.
Thi công lắp ráp phần điều khiển điện tử cho mô hình được thực hiện sau khi phần cơ khí của mô hình đã được hoàn tất. Dựa vào sơ đồ mạch điện tổng quát của hệ thống điều khiển để đi đường dây điện cho mô hình từ bộ phận thu tín hiệu như là cảm biến bàn đạp ga, cảm biến tốc độ, vị trí tay số, OD off, cảm biến tạo tải đến vi điều khiển. Sau đó đi dây từ từ vi điều khiển đến các bộ phận chấp hành gồm có các đèn led hiển thị, các van điện từ.
a) b) Hình 3.11 Thi công điều khiển điện tử cho mô hình hộp số tự
động a – Mặt sau; b – Mặt trước
Sơ đồ mạch điện chính của mô hình hộp số tự động A140E
Sau khi hoàn thiện phần cơ khi mô hình sẽ được kết nối các bộ phận đã nêu trên lại với nhau bằng đường dây điện dựa vào sơ đồ mạch bên dưới.
3.3 Nguyên lý hoạt động của mô hình
Nguồn cấp cho các bộ phận của mô hình:
- Năng lượng: Sử dụng nguồn điện xoay chiều 220V. Điện áp 220V được cấp cho mô hình sẽ cấp trực tiếp cho motor điện và bộ biến áp.
- Điện áp 220V sau khi qua bộ biến áp sẽ được chuyển thành điện áp 24V để cấp nguồn cho các van điện từ bằng cách lắp thêm mạch chỉnh lưu toàn kỳ và một tụ điện. Và chuyển thành điện áp 12V để cấp nguồn cho vi điều khiển, cuối cùng thông qua IC 7805 điện áp 12 V sẽ chuyển thành 5V để điều khiển các Led hoạt động.
Nguyên lý hoạt động chung của mô hình:
- Tín hiệu đầu vào: Cảm biến vị trí bàn đạp ga, cảm biến tốc độ, mức tải, vị trí cần số, công tắc OD OFF.
- Vi xử lý: Adruino Mega 2560
- Bộ chấp hành: Các led hiển thị như: tốc độ xe, độ mở cánh bướm ga, vị trí số, đèn báo OD OFF, đèn báo Kick-Down, đèn báo tại các phanh và ly hợp. Bộ gồm 7 van điện từ tương ứng với các ly hợp C0, C1, C2 và phanh B0, B1, B2, B3. - Sơ đồ khối hoạt động của mô hình:
Hình 3.13 Sơ đồ khối hoạt động của mô hình hộp số tự động A140E
Nguyên lý hoạt động tải Dải D: Khi cần số được chuyển về D. Lúc này cảm biến công tắc vị trí trung gian số sẽ gửi tính hiệu từ chân D đến vi điều khiển. Vi điều khiển xử lý thông tin này cùng với các tín hiệu khác bao gồm: Cảm biến vị trí bàn đạp ga, cảm biến tốc độ, mức tải, vị trí cần số, công tắc OD OFF. Sau đó sẽ đưa ra kết quả vị trí số hợp lý nhất ví dụ như số 1, 2, 3, OD. Đồng thời cấp tín hiệu để kích các