2.4.3.1. Cảm biến CKP
Hình 2. 24: Sơ đồ cảm biến CKP
Nguyên lý hoạt động:
Cảm biến CKP bao gồm những từ trở trên bánh đà (9 mấu) và bộ cảm biến được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu và cuộn dây.
Khi từ trở cắt ngang cản biến CKP khi trục khuỷu quay, làm thay đổi đường từ thông trong cuộn dây. Cảm biến CKP nhận biết sự thay đổi này bằng cách chuyển đổi chúng thành sự thay đổi điện áp và gửi xung điện áp đến ECM (9 xung trên 1 vòng quay).
Phụ thuộc điện áp ngõ ra, ECM điều khiển như sau: - Xác định thời điểm phun nhiên liệu.
- Xác định khoảng thời gian phun cơ bản (với cảm biến TP). - Cắt đường cung cấp nhiên liệu khi giảm tốc (cảm biến TP). - Xác định thời điểm đánh lửa.
31
2.4.3.2. Cảm biến TP
Hình 2. 25: Cảm biến TP
Cảm biến TP xác định độ mở bướm ga
Cảm biến TP bao gồm một biến trở đặt trên cùng một trục với cánh bướm ga và tiếp điểm dịch chuyển trên biến trở tương ứng với cán bướm ga.
Cảm biến TP xác định sự thay đổi của tiếp điểm đồng bộ với sự dịch chuyển của cánh bướm ga bằng cách chuyển chúng thành sự thay đổi điện trở. Điện áp ngõ vào từ ECM đếm được điều chỉnh bởi sự thay đổi điện trở này và quay trở lại ECM.
Hình 2. 26: Đường đặc tính cảm biến TP
Điện áp ngõ ra gửi về ECM thấp khi độ mở bướm ga nhỏ. Điện áp cao hơn khi bướm ga mở lớn hơn.
Phụ thuộc vào điện áp ngõ ra, ECM điều khiển như sau:
- Xác định khoảng thời gian phun cơ bản và cắt cung cấp nhiên liệu khi giảm tốc (với cảm biến CKP).
32
2.4.3.3. Cảm biến EOT
EOT sensor ( Engine Oil Temperature Sensor) là loại cảm biến nhiệt điện trở. Điện trở của cảm biến thay đổi dựa theo nhiệt độ động cơ.
Hình 2. 27: Cảm biến EOT
Hình 2. 28: Đường đặc tính cảm biến EOT
ECM nhận giá trị điện áp để :
Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm
Hiệu chỉnh thời gian phun nhiên liệu
33
2.4.3.4. Cảm biến mực xăng ( FLS )
Cảm biến mực xăng là một biến trở. Khi mực xăng trong bình thay đổi thông qua phao xăng tác động đến cảm biến mực xăng.
Hình 2. 29: Cảm biến báo xăng
Hình 2. 30: Đường đặc tính cảm biến mực xăng
2.4.3.5. Cảm biến dòng điện ACS712
Cảm biến dòng điện ACS712 (Hall Effect Current Sensor) dựa trên hiệu ứng Hall để đo dòng điện AC/DC, cảm biến có kích thước nhỏ gọn, dễ kết nối, giá trị trả ra là điện
34 áp Analog tuyến tính theo cường độ dòng điện cần đo nên dễ kết nối và lập trình với vi điều khiển.
Sơ đồ chân ACS712:
Hình 2. 31: Cảm biến dòng điện ACS 712
Đường dặc tính khi đo dòng điện DC:
Hình 2. 32: Đường đặc tính cảm biến dòng ACS 712
2.5. Ứng dụng vi điều khiển trong điều khiển động cơ 2.5.1. Phương pháp điều xung PWM 2.5.1. Phương pháp điều xung PWM
Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác: là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến thay đổi điện áp ra.
35 Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và sự khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm.
Hình 2. 33: Chu kỳ xung PWM
2.5.2. Ứng dụng của PWM trong điều khiển
PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển. Điển hình nhất mà chúng ta thường hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp... Sử dụng PWM điều khiển độ nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa, nó còn được dùng để điều khiển sự ổn định tốc độ động cơ.
Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM còn tham gia và điều chế các mạch nguồn như: boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha...
PWM còn gặp nhiều trong thực tế ở các mạch điện điều khiển. Điều đặc biệt là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đường đặc tính là tuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định. Như vậy PWM được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điện- điện tử. PWM cũng chính là nhân tố mà các đội Robocon sử dụng để điều khiển động cơ hay ổn định tốc độ động cơ.
2.6. Tổng quan về PID
Điều khiển PID: là một kiểu điều khiển có hồi tiếp, ngõ ra thay đổi tương ứng với sự thay đổi của giá trị đo.
Kỹ thuật điều khiển PID tuy không phải là một kỹ thuật điều khiển mới, nhưng lại là kỹ thuật phổ biến nhất chuyên dùng để điều khiển các hệ thống trong công nghiệp như hệ thống lò nhiệt, điều khiển tốc độ, vị trí, moment động cơ AC và DC. Một trong những
36 lý do bộ điều khiển PID trở nên phổ biến như vậy là vì tính đơn giản, dễ triển khai trên những vi xử lý nhỏ với hiệu năng tính toán hạn chế.
Người ta có thể chỉ áp dụng điều khiển P, PI, hay PID. Công thức toán của bộ điều khiển PID trên miền Laplace:
Trong đó:
Kp: độ lợi tỉ lệ
Ki: độ lợi tích phân Kd: độ lợi vi phân
Ti=Kp/Ki: thời gian khâu vi phân
Td: thời gian khâu tích phân
Hình 2. 34: Sơ đồ khối bộ PID
Thuật toán của bộ điều khiển PID số, hàm truyền khâu PID rời rạc: [6]
U(z) E(z) = GPID(z) = Kp +KiT 2 z + 1 z − 1+ Kd T z − 1 z => [2Tz(z-1)U(z)=[2Tz(z-1)]Kp+TzKiT(z+1)+2Kd(z-1)(z-1)]E(z) => 2Tz2U(z)-2TzU(z)=(2Tz2Kp-2TzKp+KiT2z2+KiT2z+2Kdz2+2Kd-4Kdz)E(z) (2.1) (2.2 )
37 =>(2T)z2U(z)-(2T)zU(z)=[(2TKp+KiT2+2Kd) z2+(KiT2-2TKp-4Kd)z+(2Kd)]E(z)
Đặt ∆=2T ta được:
∆z2U(z)- ∆zU(z)=α[z2E(z)]+ β[zE(z)]+γE(z) (1) Chia 2 về phương trình (1) cho z2 ta được:
∆U(z)- ∆z−1U(z)=αE(z)+ βz−1E(z)+γz−2E(z) Ta chuyển về dạng:
∆u(k)- ∆u(k-1)=αe(k)+ βe(k-1)+γe(k-2)
=> Tín hiệu điều khiển PID cho hệ rời rạc (2.12):
u(k) =αe(k) + βe(k − 1) + γe(k − 2) + ∆u(k − 1) ∆ Trong đó: α = 2TKp+KiT2+2Kd β = KiT2-2TKp-4Kd γ = 2Kd ∆=2T
Thông thường việc chọn thông số P, I, D được xác định bằng thực nghiệm dựa vào đáp ứng xung của hệ thống. Zieglar - Nichols đưa ra phương pháp chọn tham số cho mô hình quán tính bậc nhất có trễ. Nhưng phương pháp này chọn thông số P, I, D trên mô hình là ranh giới giữa ổn định và bất ổn định mà mô hình thực tế lại là mô hình ổn định nên lựa chọn thông số P, I, D theo phương pháp này là không chính xác. Vậy nên để lựa chọn thông số P, I, D bằng cách thực nghiêm.
2.7. Tổng quan về động cơ DC 2.7.1. Động cơ DC 2.7.1. Động cơ DC
Động cơ DC và động cơ bước vốn là những hệ hồi tiếp vòng hở - ta cấp điện để động cơ quay nhưng chúng quay bao nhiêu thì ta không biết, kể cả đối với động cơ bước là động cơ quay một góc xác định tùy vào số xung nhận được. Việc thiết lập một hệ thống điều khiển để xác định những gì ngăn cản chuyển động quay của động cơ hoặc làm động cơ không quay cũng không dễ dàng.
Mặt khác, động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí
38 sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bất kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác. Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiều máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các mô hình máy bay và xe hơi. Ứng dụng mới nhất của động cơ servo là trong các robot, cùng loại với các động cơ dùng trong mô hình máy bay và xe hơi.
2.7.2. Động cơ Faulhaber
Động cơ servo FAULHABER khác với động cơ DC lõi sắt thông thường ở chỗ rotor bao gồm một cuộn dây đồng tự hỗ trợ, xiên. Trong số các đặc tính vốn có của thiết kế tiên phong này là quán tính rotor cực thấp và vị trí rotor không hoặc cầu chì ưa thích. Các yếu tố này giúp xác định tỷ lệ công suất / âm lượng cao của động cơ cũng như các đặc tính hiệu suất cực kỳ năng động của chúng.
Được phát minh đầu tiên bởi Tiến sĩ Fritz Faulhaber Sr và được cấp bằng sáng chế vào năm 1958. Hệ thống cuộn dây xiên không dây (hoặc không có sắt) là trung tâm của mọi mọi hệ thống DC Mô tơ FAULHABER. Công nghệ mang tính cách mạng này đã thay đổi ngành công nghiệp và tạo ra những khả năng mới cho ứng dụng của khách hàng về động cơ, trong đó công suất cao nhất, hiệu suất động tốt nhất, với kích thước và trọng lương nhỏ nhất có thể được yêu cầu.
39
Thông tin động cơ:
Điện áp hoạt động: 12V
Tốc độ mô tơ: 8100 RPM
Tốc độ sau hộp giảm tốc: 120 RPM
Tỉ số giảm tốc: 64:1
Dòng tải tối đa: 1400mA
Dòng không tải: 74mA
Momen xoắn: 1.72 Nm
Encoder 2 kênh với độ phân giải 12 xung/vòng
Kích thước:
Đường kính: 30mm
Chiều dài động cơ: 85mm
Đường kính trục: 6mm
Chiều dài trục: 35mm
2.8. Mô hình hóa động cơ DC Faulhaber
2.8.1. Tính toán động học, xây dựng hàm truyền động cơ
Hình 2. 36: Sơ đồ mô hình hóa động cơ DC
Để mô hình hóa mô tơ, cần tìm hàm truyền của hệ thống hay các phương trình của hệ, thay thế cho mô tơ thực tế cần điều khiển. [7]
Các thông số cần quan tâm: - Điện áp cấp: v(t) [V]
40 - Dòng điện tức thời: i(t) [A]
- Điện trở của mạch: R [Ω] - Điện cảm của cuộn dây: L [H]
- Điện áp được tạo bởi lực điện động phản hồi của mô tơ: e(t) [V] - Mô men xoắn của mô tơ: T [Nm]
- Góc quay của mô tơ: θ(t) [rad] - Tốc độ góc của mô tơ: ω(t) [rad/s] - Mô men quán tính của mô tơ: J [kgm2] - Hệ số giảm chấn nhớt của mô tơ: b [Nms] - Hằng số mô men: Kt [Nm/A]
- Hằng số điện áp tạo bởi lực điện động phản hồi của mô tơ: Ke [V/rad/s] - Tỉ số truyền của hộp giảm tốc mô tơ: N
Khi cấp điện áp V ta có đầu ra là tốc độ góc ω của mô tơ, tốc độ góc tỉ lệ với điện áp:
ω(t) = Kvv(t) => v(t) = 1
Kvω(t) = Keθ̇(t) (2.3)
Mô men T tỉ lệ với dòng điện i(t):
T = Kti(t) (2.4)
Phương trình phần cơ khí:
T- bθ̇(t)=Jθ̈(t) (2.5)
Thay (2.2) vào (2.3):
Kti(t)- bθ̇(t)=Jθ̈(t) (*)
Mô tơ quay với vận tốc góc ω tạo ra suất điện động e(t):
(2.3) => e(t) = Keθ̇(t) (2.6)
Sự thay đổi của dòng điện theo thời gian của cuộn cảm: di dt
Mạch điện của hệ thống được xác định theo định luật Kirchhoff để tìm mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp của mô tơ:
v(t)-Ri(t)-Ldi dt-e(t)=0 (5) (2.7) Thay (2.6) vào (2.7): v(t)-Ri(t)-Ldi dt-Keθ̇(t)=0 (**) Trong hệ SI: Kt=Ke=1 Kv=K
41 Ta có biến đổi Laplace: £(f(x))= F(s); £(ḟ(x))= sF(s); £(f̈(x))= s2F(s)
Từ đó: (*): KI(s)- bsθ(s)= Js2θ(s) KI(s) = sθ(s)(Js+b) I(s) = sθ(s)(Js+b) K (2.8) (**): V(s)-RI(s)-LsI(s)-Ksθ(s)=0 V(s)-Ksθ(s)=(Ls+R)I(s) (2.9) Thay (2.8) vào (2.9): V(s) - Ksθ(s) = (Ls+R)sθ(s)(Js+b) K V(s) = [(Ls+R)(Js+b) K +K] sθ(s) V(s) θ(s) =[(Ls+R)(Js+b)+K 2 K ] s (2.8) Nghịch đảo hai vế phương trình (2.8):
θ(s) V(s) = K [(Ls+R)(Js+b)+K2]s θ(s) V(s) = K LJs3+(Lb+RJ)s2+(Rb+K2)s (2.10) Vậy được hàm truyền đầu vào là điện áp V(s), đầu ra là góc quay θ(s).
2.8.2. Mô phỏng điều khiển vị trí DC motor bằng matlab Simulink
Một số thông số mô tơ dùng để mô phỏng: [8]
R=1.9 [Ω], L=6.5x10−5 [H], K=0.0134, J= 5.7x10−7 [kgm2], b= 9.5x10−5 [Nms], N=1/64.
2.8.2.1. Sơ đồ khối của mô hình điều khiển vị trí động cơ DC
42 Chọn phương pháp điều khiển ở đây là kiểu hồi tiếp Close-loop với khối điều khiển là chương trình PID Controller và khối đối tượng cần được điều khiển là hàm truyền của mô tơ.
2.8.2.2. Kết quả của mô phỏng
43
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỘP ĐIỀU KHIỂN 3.1. Sơ đồ tổng quát thu thập tín hiệu và điều khiển
3.1.1. Sơ đồ khối chức năng
Với nội dung nghiên cứu cần điều khiển động cơ xăng kéo máy phát điện sạc về Acquy xe nên cần thiết phải thu thập các tín hiệu cảm biến động cơ cho việc theo dõi, đồng thời từ đó đưa ra tín hiệu điều khiển động cơ. Nhóm nghiên cứu đã khảo sát dạng tín hiệu các cảm biến động cơ là dạng xung và dạng điện áp thích hợp cho việc đưa về Arduino. Arduino đưa tín hiệu này lên máy tính và hiển thị lên bằng phần mềm Matlab App Designer thông qua giao tiếp RS232. Đối tượng thực hiện thí nghiệm là động cơ xăng 1 xy-lanh trên xe máy Honda Wave RSX Fi 110cc.
Hình 3. 1: Tổng quan giao tiếp Arduino Matlab
Sau khi đã nghiên cứu cơ sở lý thuyết liên quan, nhóm nghiên cứu tiến hành thực hiện thiết kế và thực nghiệm theo tiến trình:
Xác định các tín hiệu cần thu thập và hiển thị
Lập trình thu thập tín hiệu và điều khiển trên Arduino
Lập trình giao diện hiển thị trên Matlab App Designer
Lập trình truyền tín hiệu bằng giao tiếp RS232
44
3.1.2. Nội dung thiết kế bộ chấp hành
Để đáp mục đích thiết kế, bộ chấp hành cần phải đảm bảo theo những yêu cầu sau: Động cơ được cấp nguồn 12V từ Acquy để hoạt động, bộ điều khiển hoạt động dưới nguồn 5V sau khi được giảm áp từ Acquy. Điều khiển kích relay khởi động và relay tắt máy theo quy trình. Điều khiển kích relay cấp nguồn kích từ cho máy phát đúng thời điểm. Điều khiển mở góc bướm ga chính xác khi có lệnh đưa ra.
Khi động cơ chưa hoạt động, các tín hiệu điện áp Acquy luôn được theo dõi. Khi động cơ đã hoạt động các tín hiệu vị trí bướm ga (TPS), cảm biến mực xăng (FLS), cảm biến nhiệt độ dầu động cơ (EOT), cảm biến dòng điện nạp (CS), cảm biến tốc độ động cơ (CKP) và các tín hiệu điện áp Acquy đều được cập nhật và theo dõi liên tục. Các tín hiệu này được Arduino thu thập và hiển thị trên máy tính trong giao diện Matlab App Designer.
Hình 3. 2: Sơ đồ khối bộ giao tiếp
3.2. Thiết kế hộp điều khiển 3.2.1. Các linh kiện sử dụng 3.2.1. Các linh kiện sử dụng 3.2.1.1. Điện trở
45 Điện trở hay Resistor là một linh kiện điện tử thụ động gồm 2 tiếp điểm kết nối, thường được dùng để hạn chế cường độ dòng điện chảy trong mạch, điều chỉnh mức độ tín hiệu, dùng để chia điện áp, kích hoạt các linh kiện điện tử chủ động như transistor, tiếp điểm cuối trong đường truyền điện và có trong rất nhiều ứng dụng khác. Điện trở công suất có thể tiêu tán một lượng lớn điện năng chuyển sang nhiệt năng có trong các bộ điều khiển động cơ, trong các hệ thống phân phối điện. Các điện trở thường có trở kháng cố định, ít bị thay đổi bởi nhiệt độ và điện áp hoạt động. Biến trở là loại điện trở có thể thay đổi được trở kháng như các núm vặn điều chỉnh âm lượng. Các loại cảm biến có điện trở biến thiên như: cảm biến nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, lực tác động và các phản ứng hóa học.
Đơn vị điện trở: Ohm (ký hiệu: Ω) là đơn vị trong hệ SI của điện trở, được đặt theo tên George Simon Ohm. Một ohm tương đương với vôn/ampere. Các điện trở có nhiều giá trị khác nhau gồm milliohm (1 mΩ = 10−3 Ω), kilohm (1 kΩ = 103 Ω), và megohm (1 MΩ = 106 Ω).
Hình 3. 3: Điện trở công suất
46
Hình 3. 4: Tụ gốm 104
Hình 3. 5: Tụ hóa 100uF-100V
Bảng 3. 1: Thông số kỹ thuật tụ gốm 104
Thông số Giá trị
Điện dung 0.1uf
Điện áp 50V
Nhiệt độ làm việc -25oC - 85oC
Loại Điện dung cố định
Tụ gốm 104 là tụ điện có điện môi được chế tạo theo công nghệ gốm, 2 chân cắm của linh kiện được mạ thiếc. Tụ gốm 104 là tụ không phân cực có giá trị nhỏ thường được dùng trong các mạch cao tần hoặc mạch lọc nhiễu.