4.1.Thiết kế mạch điều khiển phun xăng điện tử
4.1.1. Sơ đồ khối của hệ thống
Hình 4.1: Sơ đồ khối điều khiển hệ thống phun xăng điện tử.
Sơ đồ khối (hình 4.1) mô tả cấu trúc hoạt động của hệ thống phun xăng điện tử, các tín hiệu đầu vào và các cơ cấu chấp hành. Động cơ được điều khiển để đáp ứng với tốc độ mong muốn của người điều khiển xe. Việc thay đổi độ mở của bướm
ga sẽ làm thay đổi lượng không khí đi vào động cơ và khi lượng không khí vào nhiều, lượng nhiên liệu cung cấp lớn, công suất của động cơ phát ra lớn. Động cơ phun xăng điện tử cũng điều khiển theo kiểu truyền thống. Tuy nhiên, lượng nhiên liệu cung cấp được tính toán chính xác hơn nhờ vào các cảm biến đo lưu lượng khí nạp kết hợp với điều khiển lập trình. Hệ thống điều khiển phun xăng điện tử trên xe gắn máy có một điểm khác biệt so với hệ thống phun xăng điện tử trên oto là việc không có tín hiệu của cảm biến trục cam.
Giải thích các khối trong sơ đồ
Sơ đồ trên được chia thành 3 phần chính: Tín hiệu đầu vào của cảm biến (INPUT), bộ xử lý điện tử trung tâm (ECU) và các cơ cấu chấp hành (OUTPUT).
INPUT
− Cảm biến CKP: Tín hiệu cảm biến trục khuỷu. Đây là tín hiệu quan trọng, quyết định thời điểm đánh lửa và phun xăng của mạch điều khiển.
− Cảm biến TP: Tín hiệu vị trí của bướm ga, có nhiệm vụ xác định độ mở của bướm ga và gửi thông tin về bộ xử lý trung tâm giúp điều chỉnh lượng phun nhiên liệu theo độ mở bướm ga.
− Cảm biến IAT: Tín hiệu nhiệt độ khí nạp, giúp ECU hiệu chỉnh thời gian phun và góc đánh lửa sớm theo nhiệt độ không khí.
− Cảm biến ECT: Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát, được gửi về ECU để hiệu chính góc đánh lửa sớm, thời gian phun nhiên liệu.
− ON – OFF: Khởi động và tắt động cơ gấp, giúp tiết kiệm nhiên liệu.
− Điều chỉnh: Điều chỉnh các thông số như, tỷ lệ xăng, góc đánh lửa, góc ngậm, vị trí cầm chừng ở chế độ test xe và chạy thi, ….
OUTPUT
− Kim phun: Kim phun dùng để phun một lượng nhiên liệu vào buồng đốt. − Đánh lửa: Hệ thống đánh lửa điều khiển bằng chương trình.
− IACV: van điều khiển cầm chừng.
− Giao tiếp với máy tính: Cổng kết nối với máy tính, dùng để tinh chỉnh bản đồ của ECU.
− LCD: Màn hình LCD dùng để hiện thị các thông số như góc đánh lửa, tốc độ tua máy, thời gian phun.
Nguyên lý điều khiển của mạch
Khi có tín hiệu khởi động, ECU đọc các giá trị cảm biến bao gồm: tín hiệu tốc độ động cơ và vị trí trục khuỷu, tín hiệu vị trí bướm ga, tín hiệu nhiệt độ động cơ, nhiệt độ khí nạp và tín hiệu khởi động. Tín hiệu khởi động giúp động cơ bù thêm xăng khi xe khởi động. Sau đó, ECU tính thời gian phun bằng cách lấy thông số cơ bản từ bản đồ gốc nhân với bản đồ hiệu chỉnh và thông số tổng để tính ra thời gian phun, góc đánh lửa sớm.
Vi điều khiển của mạch
Trong phạm vi của đồ án, nhóm sử dụng vi điều khiển ATmega2560 được tích hợp trên Arduino Mega 2560, lập trình thông qua phần mềm IDE do nhà sản xuất cung cấp.
4.1.2. Các thuật toán điều khiển
Hình 4.2 là thuật toán điều khiển của ECU để điều khiển kim phun và đánh lửa dựa trên các tín hiệu cảm biến. Để xác định thời gian phun cơ bản, ECU sử dụng các biểu thức để tính toán dựa trên các cảm biến trong khối INPUT. Sau 2 vòng quay của trục khuỷu động cơ, ECU sẽ lặp lại các phép tính toán. Trình tự tính toán và tìm kiểm các thông số tối ưu của động cơ được mô tả trên lưu đồ thuật toán điều khiển hình 4.2.
Thuật toán đọc cảm biến vị trí trục khuỷu và tốc độ động cơ
Hình 4.3: Cảm biến vị trí trục khuỷu CKP.
Dựa vào hình 4.3, để đọc vị trí trục khuỷu và tính ra tốc độ động cư, nhóm sử dụng một mảng 9 phần tử chứa thời gian giữa 2 răng liên tiếp (đơn vị microsecond), công tất cả các phần tử trong mảng lại chính là thời gian của một vòng quay, từ đó tính ra tốc độ động cơ,
Hình 4.4: Thuật toán đọc tín hiệu cảm biến CKP.
Hình 4.5: Phân tích vị trí điều khiển góc đánh lửa sớm.
Từ góc đánh lửa sớm (lấy qua bản đồ) kết hợp với RPM tính ra được thời gian đánh lửa sớm, cộng với thời gian ngậm điện ta tính được thời điểm bắt đầu đưa ra tín hiệu đánh lửa. Nếu thời điểm đánh lửa nằm giữa 2 răng thì phải xác định thời gian chờ để có thể đánh lửa chính xác.
Thuật toán điều khiển đánh lửa sớm:
Hình 4.6: Thuật toán điều khiển đánh lửa.
Thuật toán điều khiển phun xăng
− Thời gian phun: Tra bản đồ lưu lượng phun trong ECU, nhân với bản đồ hiệu chỉnh, thông số tổng
− Thời điểm phun: Xác định bằng cảm biến TP. Thuật toán điều khiển phun xăng:
4.2.Mô hình thực tế
4.2.1. Thi công khung xe
Hình 4.8: Mô hình khung xe.
Khung xe được nhóm thiết kế với các thông số sau: − Dài – B = 0.6 m.
− Rộng – A = 0.8 m. − Cao = 0.8 m.
4.2.2. Mạch điều khiển thực tế
Giao tiếp và hiển thị của mạch
Để thuận lợi cho việc điều khiển, cũng như tinh chỉnh bản đồ của ECU, nhóm sử dụng 2 cách hiện thị: hiển thị trên máy tính và hiển trị trên màn hình LCD.
Hiển thị trên màn hình LCD
Nhóm sử dụng một LCD text 2004 với 4 hàng 20 cột để hiện thị các thông số cần thiết, cho biết tình trạng hoạt động của động cơ như: tốc độ tua máy RPM, tốc độ xe, nhiệt độ nước làm mát, lượng xăng phun, góc đánh lửa…Ngoài việc hiện thị các thông số trên, màn hình LCD còn dùng để điều khiển các thông số cơ bản của hệ thống điều khiển thông nút điều chỉnh như: góc đánh lửa, lưu lượng phun…
Hình 4.10: Màn hình hiển thị các thông số của động cơ.
Theo thứ tự:
1. Chế độ Auto – Norm.
2. Chế độ cầm chừng TEST hoặc EXAM. 3. Tín hiệu khởi động, tắt máy.\
4. Tín hiệu phun xăng (X) và đánh lửa (L). 5. Tốc độ của tua máy.
6. Tốc độ xe.
8. Điện áp của MAP.
9. Nhiệt độ nước, nhiệt độ khí nạp. 10. Chỉnh cầm chừng.
11. Độ mở bướm ga. 12. Góc đánh lửa sớm. 13. Thời gian phun.
Hình 4.11: Màn hình điều chỉnh các thông số của động cơ.
Theo thứ tự: 1. Con trỏ.
2. Chọn chế độ AUTO hoặc NORM. 3. Chọn chế độ cầm chừng.
4. Khoảng cách giữa 2 xung của cảm biến tốc độ xe. 5. Tốc độ tua máy.
6. Tốc độ nhỏ nhất để khởi động lại (chỉ tác dụng trong chế độ AUTO). 7. Tốc độ lớn nhất để tắt máy (chỉ tác dụng trong chế độ AUTO). 8. Vị trí răng bắt đầu ngậm điện.
9. Hiệu chỉnh góc đánh lửa ban đầu.
10. Chỉnh tốc độ cầm chừng ở chế độ test và thi đấu. 11. Thời gian phun bù thêm khi khởi động.
Hiển thị trên máy tính
Màn hình LCD tuy nhỏ gọn, nhưng không thể phục vụ cho việc tinh chỉnh bản đồ của ECU. Vì thế, nhóm sử dụng mạch giao tiếp Bluetooth HC – 05 giữa máy tính và mạch điều khiển, hiện thị bằng phần mềm Labview.
Hình 4.12: Sơ đồ giao tiếp với máy tính.
Các thông số hiển thị trên máy tính: − Tốc độ động cơ.
− Thời gian phun. − Góc đánh lửa. − Điện áp ắc quy. − Vị trí bướm ga.
Ngoài việc hiển thị các thông số, giao tiếp với máy tính còn giúp nhóm điều chỉnh bản đổ, đọc và ghi bản đồ một cách nhanh chóng và trực quan, giúp cho việc điều khiển động cơ dễ dàng hơn.
Hình 4.13: Giao diện điều khiển trên Labview.
Cách sử dụng
1. Chọn cổng kết nối với thiết bị HC – 05. 2. Click RUN để thực hiện kết nối.
3. Chọn các chức năng theo nhu cầu sử dụng. Cụ thể các tính năng cơ bản như sau:
− Data: giao tiếp hiển thị giá trị dữ liệu hiện hành. − Doc Ban do: đọc bản đồ đang sử dụng trong ECU.
− Ghi Ban do: ghi bản đồ đã tinh chỉnh vào bản đồ hiệu chỉnh của ECU. Cách tin chỉnh bản đồ hiệu chỉnh của ECU.
1. Bật công tắc máy, kết nối máy tính và ECU.
2. Khởi động động cơ, chờ nhiệt độ động cơ ổn định, bắt đầu tiến hành tinh chỉnh.
3. Con trỏ đen hiển thị vùng làm việc của động cơ.
4. Tùy mục đích điều chỉnh, nhập giá trị tỷ lệ hiệu chỉnh xăng phun vào ô. Giá trị nhập là số nguyên từ 0 – 127.