- Bướm ga điện tử bao gồm các bộ phận sau: motor bướm ga sẽ điều khiển hoạt động của bướm ga, cảm biến vị trí bướm ga được gắn trên tay ga, ECU sẽ điều chỉnh góc mở bướm ga phù hợp với các chế độ hoạt động của bướm ga.
- Khi người điều khiển vặn tay ga, cảm biến vị trí tay ga sẽ gửi tín hiệu (điện áp) về bộ xử lý, bộ xử lý nhận tín hiệu này và kết hợp so sánh với các tín hiệu khác, sau đó xuất tín hiệu điều khiển bộ chấp hành (motor bướm ga).
51
CHƯƠNG 3 : LÝ THUYẾT VỀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 3.1 Mạch điều khiển Arduino Mega 2560 REV3
3.1.1 Giới thiệu
Arduino là một nền tảng mã nguồn mở về phần cứng lẫn phần mềm. Phần cứng Arduino được ra đời tại thị trấn Ivrea, Ý. Arduino được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, đèn LED, động cơ, công tắc,… Arduino được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới, phục vụ những dự án lớn nhỏ khác nhau. Những đối tượng sử dụng Arduino trải dài từ học sinh, sinh viên, lập trình viên đến các nhà nghiên cứu chuyên nghiệp. Hệ thống mã nguồn mở của Arduino cho phép người dùng đóng góp các dự án của mình, từ đó, Arduino phát triển lớn mạnh. Một số điểm mạnh của Arduino có thể kể đến như sau:
− Giá thành rẻ: Nếu so sánh với các bo vi điều khiển khác, Arduino có giả thành rẻ hơn
rất nhiều, một module Arduino đắt nhất cũng có giá chưa tới $50.
− Đa nền tảng: Phần mềm lập trình Arduino (IDE - Integrated Development
Environment) tương thích với hầu hết các hệ điều hành hiện nay như Window. Macintosh OSX, Linux, trong khi đó hầu hết các vi điều khiển đều chỉ giới hạn trong hệ điều hành Windows.
− Môi trường lập trình đơn giản: Phần mềm lập trình IDE vừa thân thiện với những người
mới bắt đầu với vi điều khiển, vừa linh hoạt cho những người có yêu cầu cao. Việc lập trình với Arduino càng đơn giản hơn khi hệ thống mã nguồn mở được chia sẽ rộng rãi trên mạng Internet, nơi người dùng có thể hỗ trợ lẫn nhau.
52
3.1.2 Tổng quan
Board Arduino Mega 2560 là một bo vi điều khiển dựa trên vi điều khiển ATmega2560. Bo có 54 chân đầu ra/đầu vào kỹ thuật số (trong đó có 15 chân có thể sử dụng như chân xuất xung PWM), 16 chân đầu vào tín hiệu tương tự, 4 chân URATs, sử dụng thạch anh 16 MHz , kết nối USB,…Arduino Mega 2560 có đầy đủ các tính năng hỗ trợ cho vi điều khiển, tương thích về hầu hết các shield cho Uno. Arduino 2560 cơ bản vẫn giống với
Uno R3, chỉ khác số lượng chân và có nhiều tính năng mạnh mẽ hơn.
Hình 3.1: Board vi điều khiển Arduino mega
3.1.3 Thông số kỹ thuật
Thông số kỹ thuật của bo Arduino Mega 2560
Vi điều khiển: ATmega 2560.
Điện áp hoạt động: 5V.
Điện áp cung cấp (khuyên dùng): 7 – 12V. Điện áp cung cấp (tối đa): 6 – 20V.
53
Chân analog: 16 chân.
Dòng ở mỗi chân I/O: 20 mA.
Dòng ở mỗi chân 3.3V: 50 mA.
Bộ nhớ flash: 256 KB. Bộ nhớ tĩnh SRAM: 8 KB. EEPROM: 4 KB. Tốc độ xung: 16 MHz. LED_BUILTIN: 13. Dài: 101,52 mm. Rộng: 53,3 mm. Nặng: 37 gram.
3.1.4 Đặc tính kỹ thuật của Arduino Mega 2560
- Lập trình
Mega 2560 có thể được lập trình bằng phần mềm Arduino IDE. Vi điều khiển ATmega 2560 được lập trình sẵn với một bootloader cho phép người dùng nạp code mới mà không phải sử dụng các phần cững hỗ trợ lập trình khác. Mega 2560 sử dụng giao thức.
Về phần mềm Arduino IDE, đây là phần mềm có giao diện dễ sử dụng, đặc biệt với người mới bắt đầu. Không những thế, với mã nguồn mở cho phép người dùng có thể linh hoạt hơn trong việc lập trình.
Mega 2560 có thể được cấp nguồn bằng cách kết nối USB với máy tính, hoặc nguồn ngoài. Về nguồn ngoài (external power supply) có thể cấp bằng adapter AC – DC hoặc pin. Adapter AC – DC cấp nguồn cho bo thông qua jack 2.1mm, pin cấp nguồn cho bo qua chân GND và Vin trên bo (GND ứng với cực âm của pin, Vin ứng với cực dương của bo.
54 Board hoạt động ở dải điện áp cấp từ 6 đến 20 vôn. Nếu cấp nguồn nhỏ hơn 7V, bo hoạt động sẽ không ổn định. Ngược lại, nếu lớn hơn 12V, sẽ gây ra hiện tượng quá nhiệt và làm hư hỏng bo. Vì thế, khuyên dùng ở dải điện áp từ 7 đến 12V.
Hình 3.2: Giao diện của Arduino IDE
Chân cấp nguồn như sau:
+ Vin: Chân cấp nguồn cho bo khi sử dụng nguồn ngoài. Người dùng có thể cấp nguồn
vào chân này, hoặc jack 2.1mm. Mega 2560 có thể cấp nguồn thông qua jack 2.1mm (7 – 12V), USB (5V), Vin (7 – 12V).
+ 5V: Chân nguồn 5V từ bo. + 3.3V: Chân nguồn 3.3V từ bo.
55 - Bộ nhớ
ATmega2560 có 256 KB bộ nhớ flash cho việc chứa code (8 KB sử dụng cho bootloader), 8 KB bộ nhớ tĩnh SRAM và 4 KB cho EEPROM.
- Input và Output
54 chân trên Mega có thể vừa sử dụng như chân tín hiệu đầu ra và đầu vào, thông qua các hàm như pinMode(), digitalWrite(), digitalRead(). Các chân này hoạt động ở điện áp 5V, dòng 20mA. Mỗi chân có điện trở kéo 20 – 50 kOhm. Các chân có chức năng đặc biệt như sau:
+ Kết nối serial: 0 (RX) and 1 (TX); Serial 1: 19 (RX) and 18 (TX); Serial 2: 17 (RX)
and 16 (TX); Serial 3: 15 (RX) and 14 (TX). Trong đó RX là nhận (receive) và TX là truyền (transmit).
+ Ngắt ngoài: 2 (interrupt 0), 3 (interrupt 1), 18 (interrupt 5), 19 (interrupt 4), 20 (interrupt 3), and 21 (interrupt 2). Những chân ngắt ngoài này có thể cấu hình lại để ngắt ở mức thấp, cạnh tăng hoặc giảm bằng hàm attachInterrupt().
+ Xung PWM: Chân 2 đến chân 13 và chân 44 đến 46. Những chân này cung cấp xung
PWM 8 – bit thông qua hàm analogWrite().
56
Hình 3.3: Các linh kiện trên board
- Giao tiếp với máy tính
Mega2560 có thể giao tiếp với máy tính, các bo khác, hoặc các vi điều khiển khác. ATmega2560 cung cấp bốn phần cứng UARTs cho giao tiếp nối tiếp TTL (5V). Phần mềm IDE hỗ trợ giao diện hiển thị các dữ liệu dạng chữ đơn giản được gửi từ bo hoặc nhận từ các cảm biến [10][11][12].
3.2 Module encorder motor
Thông số kĩ thuật
Độ rộng rãnh 5mm
Led hiển thị trạng thái đọc
Mức cao HIGH khi bị chắn, LOW khi kg bị chắn
57
Điện áp hoạt động: 3.3V-5V
Kích thước: 3.2cm x 1.4cm
Dễ dàng lắp đặt
Ứng dụng đa dạng cho các nền tảng Arduino / AVR / ARM
Hình 3.4: Module encorder motor
Chân chức năng:
VCC: cực dương nguồn 3.3 hay 5 VDC
GND: cực âm nguồn
DO: ngõ ra digital (TTL)
AO: không sử dụng Cấu tạo: gồm 3 phần chính:
Bộ phát sáng: thường sử dụng đèn bán dẫn LED hồng ngoại Bộ thu sáng: là một phototransistor (tranzito quang)
Mạch xử lí tín hiệu
Nguyên lí điều khiển: Module có bộ phát và bộ thu hồng ngoại đặt cách nhau qua 1 khe hở, khi ánh sáng từ mắt phát đi được tới mắt thu (xuyên qua lỗ của đĩa encoder) thì sẽ có tín hiệu mức cao (5V) phát ra khỏi chân Out, khi bị che lại thì chân Out phát ra tín hiệu mức thấp (0V) [13][14].
58
3.3 Động cơ servo MG996R
- Thông số kĩ thuật
Điện áp hoạt động thường là + 5V
Hiện tại: 2.5A (6V)
Mô-men xoắn gian hàng: 9,4 kg / cm (ở 4,8V)
Mô-men xoắn gian hàng tối đa: 11 kg / cm (6V)
Tốc độ hoạt động là 0,17 s / 60 °
Loại bánh răng: Kim loại
Xoay: 0 ° -180 °
Trọng lượng của động cơ: 55gm [15]
59
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ THI CÔNG
Nhằm giúp cho việc nghiên cứu tinh chỉnh bản đồ phun xăng đánh lửa được thuận lợi và chính xác hơn nhóm chúng em đã cải tạo lại mô hình động cơ cũ wave 110cc cho phù hợp với mục đích là tinh chỉnh bản đồ theo hướng tiết kiệm nhiên liệu, bảo vệ môi trường.
4.1 THIẾT KẾ CẢI TẠO ĐỘNG CƠ LÊN PHUN XĂNG FI
Hình 4.1: Các bộ phận cần thiết đối với hệ thống PGM-FI
Từ một động cơ wave 110cc sử dụng bộ chế hoà khí bình thường đã được nhóm chúng em nâng cấp lên thành một động cơ có trang bị hệ thống PGM-FI như hiện nay. Để đảm bảo hệ thống này hoạt động ổn định thì nhóm phải trang bị một số bộ phận cơ bản cần có của một xe
60 máy FI như là kim phun điện tử, bộ bướm ga, bơm xăng, bình xăng, bộ cảm biến, cảm biến CKP. Ngoài ra thì nhóm chúng em cũng đã chế tạo lại chỗ họng gió để phù hợp với việc kết nối bộ bướm ga mới.
4.1.1 Thay thế bộ chế hoà khí bình thường bằng bộ kim phun điện tử
- Nguyên nhân
+ Bộ chế hoà khí chỉ có thể tạo ra tỷ lệ hoà khí lý tưởng trong một khoảng vận hành nhất định -> chạy không mượt và linh hoạt -> người dùng chỉ có thể chọn 1 trong 2 là đi xe tiết kiệm nhưng động cơ tuỳ ý hoặc chạy bốc ở tua cao nhưng hao xăng, việc điều chỉnh qua ốc xăng và ốc gió
+ Khó khởi động vào buổi sáng hay trời lạnh
+ EFI có thể cung cấp tỉ lệ xăng / gió tối ưu (gần lý tưởng) cho động cơ trong các điều kiện làm việc khác nhau -> giúp xe tiết kiệm nhiên liệu hơn, xăng cháy sạch hơn nên động cơ sẽ dễ đạt tiêu chuẩn khí thải cao hơn
61
4.1.2 Láp ráp hệ thống bơm xăng
- Bơm xăng được đặt trong bình xăng
- Bơm xăng đẩy xăng qua lọc xăng và đưa xăng tới kim phun
- Bộ điều chỉnh áp suất giữ cho áp suất không đổi tại 294 kPa (3kgf/cm2,43 psi)
Hình 4.3: Sơ đồ lắp ráp của bộ bơm xăng trên xe FI chuẩn
Sau khi nghiên cứu sơ đồ của bộ bơm xăng trên xe FI chuẩn, nhóm đã chuẩn bị bình xăng mới để phù hợp kết nối bộ bơm xăng này
Kết quả:
Hình 4.4: Bộ bơm xăng trên mô hình
Bộ điều chỉnh áp suất
62
Hình 4.5: Bộ bơm xăng được sư dụng trên mô hình và cấu tạo của bộ bơm xăng
4.1.4 Chế tạo họng gió để kết nối với bộ bướm ga
- Do chỗ họng gió đi vào động cơ là của máy wave zin, kích thước đường kính khác với họng gió trên xe FI nên để có thể kết nối được với bộ bướm ga của xe FI thì cần phải có mặt nối phù hợp nên nhóm đã thiết kế và gia công cơ khí để tạo ra mặt bích bằng nhôm có kích thước phù hợp, có thể bắt ren với hai ống gió.
63
Hình 4.6: Chi tiết họng gió
- Nhóm đã thiết kế và gia công cơ khí để tạo mặt bích bằng nhôm phù hợp
Hình 4.7: Sản phẩm mặt bích Họng gió bướm ga mới Họng gió của mô hình
64 Kết quả:
Hình 4.8: Kết quả lắp ống gió với bướm ga
4.1.5 Chế tạo cảm biến CKP bằng cảm biến quang
- Chức năng: để đọc tốc độ trục cơ và chuyển thành tín hiệu để gửi về hộp ECU điều khiển thời điểm đánh lửa và phun xăng
- Nguyên nhân: vô lăng zin của mô hình xe Wave sử dụng bộ chế hòa khí có duy nhất một cựa kích từ đánh lửa, để tận dụng vô lăng này chế tạo thành vòng kích từ mới cho cảm biến CKP cần gia công thêm 8 cựa kích từ theo thiết kế của nhóm ban đầu. Tuy nhiên việc này đã gây khó khăn cho nhóm trong quá trình thiết kế và gia công, dẫn đến tạo ra một vài sai sót khi vận hành động cơ như: cựa mới gia công chưa đạt được độ chính xác cơ khí cần thiết (khoảng cách giữa các cựa, độ cao các cựa chưa đều, vô lăng bị gỉ,...), dẫn đến tín hiệu
65 xung đưa về hộp ECU bị nhiễu và chưa đồng đều. Chính vì lẽ đó, nhóm đã quyết định thiết kế cảm biến CKP loại quang, khắc phục tất cả nhược điểm kể trên.
- Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí hoạt động: bao gồm đĩa cảm biến quang (9 khe) và bộ cảm biến được cấu tạo từ led và phần tử cảm quang ( module encorder)
Hình 4.9: Sơ đồ cấu tạo bộ cảm biến quang
+ đĩa quang: thiết kế bằng phần mềm Corel bán kính 25mm.
66 + Module cảm biến tốc độ động cơ / encoder motor
Hình 4.11: Module encorder motor
Cấu tạo: gồm 3 phần chính:
Bộ phát sáng: thường sử dụng đèn bán dẫn LED hồng ngoại Bộ thu sáng : là một phototransistor (tranzito quang)
Mạch xử lí tín hiệu
Tín hiệu gửi về: Module có bộ phát và bộ thu hồng ngoại đặt cách nhau qua 1 khe hở, khi ánh sáng từ mắt phát đi được tới mắt thu (xuyên qua lỗ của đĩa encoder) thì sẽ có tín hiệu mức cao (5V) phát ra khỏi chân Out, khi bị che lại thì chân Out phát ra tín hiệu mức thấp (0V)
67 - Kết quả:
Hình 4.13: Bộ cảm biến quang được trang bị trên mô hình
4.1.6 Thay thế phần bướm ga điều khiển cơ dây cáp kéo bằng bướm ga điện tử kéo bằng động cơ servo bằng động cơ servo
- Tín hiệu PWM mà servo nhận được do ECU lấy tín hiệu từ tay ga điện tử. Khi xoay tay ga thì tín hiệu điện áp từ cảm biến HALL sẽ thay đổi từ 0-5V. ECU dựa vào giá trị điện áp trên để xuất tín hiệu PWM phù hợp điều khiển động cơ servo.
68 - Nhóm sử dụng động cơ servo MG996R và thiết kế cánh tay đòn để servo kéo bướm ga.
69 + Cấu hình dây
- Thiết kế cánh tay đòn nối servo và bướm ga: dựa vào góc quay bướm ga và servo nhóm đã thiết kế cánh tay đòn phù hợp để bướm ga có thể quay một cách mượt mà ít độ trễ nhất có thể.
- Kết quả:
Hình 4.15: Cánh tay đòn nối bướm ga và servo MG 996R
Số dây Màu dây
Sự miêu tả
1 nâu Dây nối đất nối với đất của hệ thống
2 đỏ Nguồn động cơ thường + 5V được sử dụng
3 cam Tín hiệu PWM được ECU đưa vào qua dây này để điều khiển động cơ
70
4.2 THIẾT KẾ LẮP RÁP BỘ ECU 4.2.1 Sơ đồ khối mô hình hộp ECU 4.2.1 Sơ đồ khối mô hình hộp ECU
Hình 4.16: Sơ đồ khối cấu trúc hoạt động hộp ECU
Mô hình khối trên mô tả cấu trúc hoạt động của ECU điều khiển phun xăng điện tử với
input là các tín hiệu đầu vào còn output là các cơ cấu chấp hành. Bướm ga điện tử 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. Với hệ thống
Tay ga
71 PGM-FI, 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 và quá trình tinh chỉnh bản đồ phun xăng.
Chú thích :
Cảm biến CKP: Tín hiệu cảm biến vị trí trục khuỷu, phát hiện số vòng quay động cơ.
Đây là tín hiệu quan trọng, quyết định thời điểm đánh lửa và phun xăng của mạch điều khiển. Nhóm sử dụng cảm biến quang thay cho cảm biến CKP zin trên xe .
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.
ON – OFF: Khởi động và tắt động cơ gấp, giúp tiết kiệm nhiên liệu.
Tay ga: thay đổi tốc độ động cơ theo mong muốn của người điều khiển.
Điều chỉnh: Điều chỉnh các thông số như, tỷ lệ xăng, góc đánh lửa, góc ngậm, vị trí
cầm chừng ở các chế độ.