Với những thông số của quá trình phanh khác nhau, sẽ có những phƣơng án và nguyên lý đo khác nhau, phụ thuộc vào bản chất vật lý của thông số và kết cấu của băng thử.
Trên băng thử phanh ABS mô hình ¼, vận tốc xe và quãng đƣờng phanh trên thực tế đƣợc thay thế bằng vận tốc và quãng đƣờng quay đƣợc của tang trống.
Vị trí tƣơng quan giữa bánh xe và tang trống trên mô hình.
Vận tốc và quãng đƣờng quay đƣợc của tang trống có thể đƣợc đo bằng nhiều cách (sử dụng các đồng hồ đo, cảm biến…). Ta chọn phƣơng án dùng cảm biến kiểu điện từ do có các ƣu điểm sau:
Có thể sử dụng một cảm biến để đo cả vận tốc và quãng đƣờng quay đƣợc của tang trống.
Gọn nhẹ, dễ lắp đặt.
Dễ dàng xử lý ở dạng tín hiệu số và gửi về máy tính. Nguyên lý đo của phƣơng án dùng cảm biến nhƣ hình sau:
55
Trên tang trống có các vấu kim loại, khi tang trống quay, các vấu này lần lƣợt chạy ngang qua cảm biến ở khoảng cách bé. Mỗi lần nhƣ vậy cảm biến gửi tín hiệu điện về mạch xử lý tín hiệu. Tín hiệu này sau khi đƣợc xử lý sẽ đƣợc đƣa về vi điều khiển. Vi điều khiển đuơc lập trình dựa vào tín hiệu gửi về sẽ tính toán ra vận tốc và quãng đƣờng phanh, sau đó gửi về máy tính.
Để đo vận tốc xe và quãng đƣờng phanh, ta chọn sử dụng cảm biến loại cảm biến tiệm cận kiểu từ trở (Proximity Switch) OMRON LJ8A3-2-Z/BX.
Hình 3.7: Cảm biếm OMRONLJ8A3-2-Z/BX 1 – Đầu cảm biến; 2 – Đai ốc và vòng đệm;
3 – Thân cảm biến (ren M8); 4 – Dây nguồn và tín hiệu.
56
Hình 3.8: Cấu tạo cảm biến.
Khối cấp nguồn nằm trong cảm biến và cấp nguồn cho mạch dao động và khối tín hiệu ra. Mạch dao động tạo ra từ trƣờng nhờ cuộn cảm ở đầu dò của cảm biến. Khi có vật thể kim loại nằm trong khoảng cách phát hiện của cảm biến, cƣờng độ đƣờng sức từ của cuộn dây sẽ thay đổi, mạch phân tích là bộ khuếch đại thuật toán phát hiện ra sự thay đổi trong mạch dao động và gửi tín hiệu tới bộ Trigger Schmitt. Bộ Trigger Schmitt sẽ điều khiển khối tín hiệu ra để gửi tín hiệu về mạch xử lý.
Tín hiệu ra của cảm biến là tín hiệu xung vuông, tuy nhiên điện áp ra 10V quá lớn so với điện áp làm việc của vi điều khiển, nên phải đƣợc phân áp xuống 5V trƣớc khi đƣa vào vi điều khiển.
57
Hình 3.10: Tín hiệu cảm biến trƣớc và sau xử lý.
Các thông số của cảm biến OMRON LJ8A3-2-Z/BX đƣợc cho nhƣ sau: Bảng 3-5: Một số thông số cảm biến OMRON LJ8A3-2-Z/BX
Thông số Giá trị
Chiều dài 40 mm
Cỡ ren M8
Điện áp nguồn 6 – 36 V
Khoảng cách làm việc 0÷1,6 mm
Loại tín hiệu ra Xung vuông
Cƣờng độ dòng tín hiệu 3mA
Tần số đáp ứng 200Hz
Để đảm bảo cảm biến làm việc chính xác, ngoài yêu cầu khoảng cách từ đầu cảm biến tới các vấu kim loại nằm trong khoảng cách làm việc (0÷1,6 mm), còn có yêu cầu tần số vấu kim loại chạy qua cảm biến phải nhỏ hơn tần số đáp ứng của cảm biến (<200Hz): 200 60 tt v v n x f (Hz)
Trong đó: fv là tần số vấu kim loại chạy qua cảm biến (Hz).
tt n là tốc độ tang trống (v/p). 1420 620 2, 3 dc tt n n i (v/p)
58
v
x là số vấu kim loại trên tang trống. Suy ra số vấu kim loại tối đa trên tang trống đƣợc phép lắp là:
ax 200.60 19 620 vm x (vấu)
Để đảm bảo sai số của phép đo vận tốc và quãng đƣờng phanh không quá lớn, đồng thời thuận tiện cho việc chế tạo, ta chọn số vấu kim loại trên tang trống là:
8
v
x (vấu) 3.5.2.3. Cảm biến đo vận tốc bánh xe:
Vận tốc bánh xe trên băng thử phanh ABS đuợc đo bằng cách sử dụng cảm biến tốc độ trên cụm moay-ơ bánh xe có sẵn. Nguyên lý đo vận tốc bánh xe cũng giống nhƣ đo vận tốc tang trống. Một số thông số của cảm biến và vành răng đo vận tốc bánh xe nhƣ sau:
Thông số Giá trị
Loại cảm biến Cảm biến từ trở
Điện áp cảm biến tại tốc độ ~40 km/h Xoay chiều 2,5 V
Số răng trên vành răng 48 răng
Hình 3.11: Cấu tạo cảm biến
Nam châm vĩnh cửu tạo từ trƣờng xuyên qua cuộn dây. Khi vành răng quay, khe hở ∆ giữa lõi cuộn dây và vành răng thay đổi làm từ trở của mạch từ thay đổi. Từ
59
trở thay đổi làm từ thông qua cuộn dây biến thiên, trong cuộn dây suất hiện suất điện động tự cảm, tạo ra điện thế ở hai đầu tín hiệu ra của cảm biến.
Để mô phỏng các hƣ hỏng thƣờng gặp của hệ thống ABS, mô hình có khả năng thay đổi khoảng cách cảm biến với vành răng hoặc làm bẩn vành răng.
Tín hiệu ra của cảm biến không thích hợp để đƣa vào vi điều khiển. Vì vậy phải dùng mạch xử lý tín hiệu để chuẩn xung vuông trƣớc khi đƣa vào vi điều khiển.
Hình 3.12: Mạch xử lý tín hiệu cảm biến tốc độ bánh xe.
Mạch xử lý tin hiệu cảm biến tốc độ bánh xe là mạch so sánh ngƣỡng sử dụng IC khuếch đại thuật toán LM324. Tín hiệu cảm biến trƣớc và sau khi đƣợc xử lý thể hiện nhƣ hình dƣới.
60
Sau khi qua mạch xử lý tín hiệu, thu đƣợc tín hiệu Vout có dạng xung vuông 5V, thích hợp đƣa vào vi điều khiển để tính toán.
3.5.2.4. Cảm biến đo áp suất phanh:
Để đo áp suất phanh, có thể dùng phƣơng án sử dụng cảm biến kiểu hiệu ứng áp điện hoặc biến trở kết hợp với kết cấu cơ khí. Trên băng thử phanh ABS, ta chọn phƣơng án sử dụng cảm biến kiểu hiệu ứng áp điện với các ƣu điểm sau:
Gọn nhẹ, dễ lắp đặt.
Độ nhạy cao.
Độ chính xác cao.
Nguyên lý đo áp suất đƣợc thể hiện nhƣ hình sau:
Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý đo áp suất phanh.
Cảm biến đo áp suất dầu đƣợc lắp đặt trên đƣờng ống dẫn dầu từ bộ chấp hành ABS tới xy-lanh phanh bánh xe. Cảm biến áp suất đo áp suất tƣơng đối của dầu trong ống dẫn, gửi tín hiệu điện về mạch xử lý tín hiệu. Tín hiệu từ cảm biến sau khi đƣợc xử lý sẽ đƣợc đƣa về vi điều khiển. Vi điều khiển đƣợc lập trình sẽ tính toán áp suất phanh dựa trên tín hiệu nhận đƣợc và gửi về máy tính.
Áp suất dầu phanh có thể lên tới ~30 bar trong các hệ thống phanh thông thƣờng. Để đảm bảo an toàn và độ chính xác của phép đo, ta chọn cảm biến có áp suất đo tối đa ~60 Bar. Sau khi tham khảo trên thị trƣờng, ta chọn cảm biến đo áp suất SENSYS M5156-2-070 BG với các thông số nhƣ bảng sau:
Bảng 3-6: Một số thông số của cảm biến SENSYS M5156-2-070 BG
61
Tên cảm biến SENSYS M5156-2-070 BG
Loại cảm biến Đo áp suất
Kiểu áp suất đo Áp suất tƣơng đối (Gauge)
Đơn vị đo Bar
Khoảng áp suất đo 0÷70 Bar
Tín hiệu ra 4÷20 mA
Đƣờng đặc tính của cảm biến đƣợc cho nhƣ đồ thị dƣới:
Hình 3.15: Đặc tính cảm biến M5156-2-070 BG
Tín hiệu ra của cảm biến áp suất M5156-2-070 BG là tín hiệu cƣờng độ dòng điện. Để có thể đƣa vào vi điều khiển, tín hiệu phải qua mạch xử lý để đƣa tín hiệu về dạng tín hiệu điện áp xung vuông 5V.
62
3.5.2.5. Xây dựng mạch đo các thông số phanh:
Các linh kiện của mạch đo các thông số phanh đƣợc chọn dựa trên các phƣơng án và sơ đồ nguyên lý đã chọn, đảm bảo làm việc tin cậy, giá thành thấp và sẵn có trên thị trƣờng.
Vi điều khiển: Để đo các thông số của quá trình phanh, phải chọn vi điều khiển có đủ khả năng tính toán và số chân phù hợp. Ta chọn vi điều khiển AVR ATMega 48 để làm vi điều khiển của mạch đo các thông số với các ƣu điểm sau:
Có đủ các mô-đun cần thiết cho việc tính toán các thông số phanh.
Tốc độ xử lý đáp ứng đƣợc yêu cầu tính toán.
Có khả năng giao tiếp với máy tính.
Hình 3.17: Sơ đồ chân vi điều khiển ATMega48.
Các mô-đun của vi điều khiển ATMega48 đƣợc xử dụng trong quá trình đo các thông số phanh là:
Bộ đếm Counter0 và Counter1.
Bộ định thời Timer0 và Timer1.
Bộ chuyển đổi Analog-Digital ADC0.
Giao tiếp với máy tính.
Sau khi chọn một số linh kiện cơ bản và xác định nguyên lý đo, ta thiết kế sơ đồ mạch đo nhƣ sau:
63
64
3.5.2.6. Kiểm tra và hiệu chỉnh mạch đo:
Mạch đo trên mô hình có nhiệm vụ đo đạc các thông số phanh trong quá trình thử nghiệm, phục vụ cho việc đánh giá hiệu quả phanh, vì vậy yêu cầu mạch đo, bao gồm cả các cảm biến đo phải có độ chính xác, sai số của phép đo phải nằm trong giới hạn cho phép.
Với điều kiện kỹ thuật cho phép, lựa chọn phƣơng pháp kiểm tra mạch đo trên mô hình bằng cách so sánh tƣơng đối giá trị đo thu đƣợc của mạch đo với một thiết bị đo khác sẵn có và tiến hành đo thử nghiệm ở vận tốc thấp.
Kiểm tra mạch đo thông số vận tốc: Với mạch đo vận tốc bánh xe và tang trống, sử dụng dụng cụ đo là đồng hồ đo vận tốc kiểu cơ khí để so sánh hai kết quả đo thu đƣợc với nhau.
Trình tự tiến hành kiểm tra nhƣ sau:
Kiểm tra các chi tiết, cụm chi tiết cơ khí trên mô hình.
Đấu nối mạch đo các thông số phanh.
Kiểm tra đảm bảo an toàn khi vận hành bệ thử.
Lắp đặt đồng hồ đo vận tốc để lấy kết quả so sánh vận tốc bánh xe hoặc tang trống.
Cho bệ thử vận hành tới khi vận tốc ổn định, không tiến hành phanh, ghi lại kết quả vận tốc bánh xe hoặc tang trống thu đƣợc.
So sánh kết quả đo của đồng hồ đo với kết quả lƣu trên máy tính tƣơng ứng và nhận xét độ chính xác của mạch đo.
Các kết quả đo vận tốc bánh xe của mạch đo và đồng hồ đo đƣợc cho nhƣ bảng dƣới:
Bảng 3-7a: So sánh kết quả đo vận tốc bánh xe Lần đo
Kết quả đo của mạch đo
1
v (rad/s)
Kết quả đo của đồng hồ đo
1ss
v (rad/s)
1 61,56 59,66
65
3 58,87 57,56
4 62,78 61,33
5 57,95 57,12
Sai lệch trung bình các kết quả đo vận tốc bánh xe:
1 1ss 1 ( ) 1,33( d / ) n i i v i v v ra s n
Giá trị trung bình vận tốc bánh xe đo bằng mạch đo: 1 1 1 ( ) 60, 60( d / ) n i i v v ra s n
Các kết quả đo vận tốc tang trống của mạch đo và đồng hồ đo đƣợc cho nhƣ bảng dƣới:
Bảng so sánh kết quả đo Lần đo
Kết quả đo của mạch đo
1
v (rad/s)
Kết quả đo của đồng hồ đo
1ss v (rad/s) 1 141,58 137,22 2 142,25 139,63 3 135,40 132,39 4 144,40 141,06 5 133,28 131,38
Sai lệch trung bình các kết quả đo vận tốc bánh xe:
2 2ss 1 ( ) 1,56( d / ) n i i v i v v ra s n
Giá trị trung bình vận tốc bánh xe đo bằng mạch đo: 2 1 1 ( ) 139,38( d / ) n i i v v ra s n
Sau khi tiến hành kiểm tra tƣơng đối, kết luận kết quả đo vận tốc bánh xe và tang trống của mạch đo và của đồng hồ đo có sự sai khác nằm trong phạm vi cho phép.
66
Chất lƣợng cảm biến: Độ nhạy của cảm biến, khoảng cách cảm biến và răng trên vành răng…
Sai số do giữa các răng trên vành răng của vật đo có khoảng cách, dẫn đến tín hiệu gửi về vi điều khiển không liên tục.
Quá trình truyền nhận, xử lý tín hiệu đo bị nhiễu.
Sai số do bộ đếm thời gian trong vi điều khiển và thuật toán đo.
Kiểm tra mạch đo thông số áp suất phanh: Với mạch đo áp suất phanh, sử dụng đồng hồ đo áp suất theo nguyên lý ống Bourdon để so sánh hai kêt quả đo với nhau.
Trình tự tiến hành kiểm tra nhƣ sau:
Kiểm tra cơ cấu phanh trên mô hình (kiểm tra rò rỉ các đƣờng ống và đầu nối, kiểm tra mức dầu phanh…).
Tiến hành xả gió (air) nếu cần thiết.
Lắp đồng hồ đo áp suất vào đƣờng ống sát vị trí lắp cảm biến áp suất, nhằm giảm sai lệch kết quả đo áp suất do tổn hao đƣờng ống gây ra.
Đấu nối mạch đo các thông số phanh.
Đạp cần phanh để tạo áp suất trong hệ thống, ghi lại giá trị áp suất đo đƣợc của đồng hồ đo áp suất. So sánh kết quả ghi lại đƣợc với kết quả lƣu trong máy tính và nhận xét.
Các kết quả đo của mạch đo và đồng hồ đo đƣợc cho nhƣ bảng dƣới: Bảng 3-7b: So sánh kết quả đo
Lần đo Kết quả đo của mạch đo (Bar) Kết quả đo của đồng hồ đo (Bar)
1 10,43 10
2 6,78 6
3 8,55 8
4 13,54 14
5 11,13 12
Sai lệch trung bình các kết quả đo: 1 2 1 ( ) 0, 61( ar) n i i p i p p b n
67
Sau khi tiến hành kiểm tra tƣơng đối, kết luận giá trị áp suất phanh đo đƣợc của mạch đo và đồng hồ đo có sai khác nằm trong phạm vi cho phép.
Sai số của phép đo áp suất phanh bằng mạch đo áp suất do các nguyên nhân:
Sai số của cảm biến đo áp suất.
Sai số do quá trình truyền nhận và xử lý tín hiệu cảm biến.
Sai số của bộ so sánh ADC trên vi điều khiển và thuật toán đo.
Kiểm tra mạch đo quãng đƣờng phanh: Với mạch đo quãng đƣờng phanh, sử dụng phƣơng pháp đo thử nghiệm quay chậm tang trống thấp. Cho tang trống quay tang trống ở vận tốc đủ thấp để có thể đo đƣợc số vòng quay của tang trống bằng mắt thƣờng, sau đo tính ra quãng đƣờng phanh và so sánh với giá trị đo đƣợc của mạch đo lƣu trong máy tính.
Trình tự tiến hành kiểm tra nhƣ sau:
Kiểm tra các chi tiết, cụm chi tiết cơ khí trên mô hình.
Tiến hành đấu nối mạch đo các thông số phanh.
Quay thử tang trống ở vận tốc thấp đủ để có thể đếm đƣợc số vòng quay của tang trống.
Tính quãng đƣờng tang trống quay đƣợc ứng với số vòng quay đếm đƣợc, so sánh với giá trị quãng đƣờng phanh lƣu trên máy tính và nhận xét độ chính xác của mạch đo quãng đƣờng phanh.
Các kết quả đo của mạch đo và đồng hồ đo đƣợc cho nhƣ bảng dƣới: Bảng 3-7c: So sánh kết quả đo
Lần đo Kết quả đo của mạch đo (m) Kết quả tính toán (m)
1 0,56 0,65
2 1,76 1,85
3 3,74 3,85
4 1,81 1,93
68
Sai lệch trung bình các kết quả đo: 1 2
( ) 0,11( ) n i i s i s s m n
Sau khi tiến hành kiểm tra tƣơng đối, kết luận giá trị quãng đƣờng phanh đo đƣợc của mạch đo và tính theo lý thuyết có sai khác nằm trong phạm vi cho phép.
Sai số của phép đo quãng đƣờng phanh là do:
Chất lƣợng của cảm biến (độ nhạy của cảm biến, khoảng cách cảm biến và vít…).
Do các vít trên tang trống có khoảng cách, nên tín hiệu gửi về vi điều khiển không liên tục.
Do nhiễu trong quá trình truyền nhận và xử lý tín hiệu.
Do thuật toán đo.
3.6. Hoạt động của mô hình