3.1. Lựa chọn thiết bị
3.1.2.1. Các chi tiết có trong hộp điều khiển
a. Arduino Mega 2560
Hầu hết các Shield của Arduino Uno R3 đều chạy được với Arduino Mega 2560 R3. Nhưng ở Arduino Mega 2560 R3 khơng dùng được thư viện SoftwareSerial vì đã được tích hợp sẵn 4 cổng Hardware Serial trên board.
Hình 3. 2: Arduino Mega 2560
Bảng 3. 2: Thơng số kỹ thuật của Arduino Mega 2560
ST T
Thông số Mega 2560
1 Vi điều khiển chính Atmega 2560
2 IC nạp và giao tiếp UART ATmega16U2
cắm từ giắc tròn DC
4 Số chân Digital I/O 54 (15 chân xuất xung PWM)
5 Số chân Analog Input 16
6 Dòng điện DC Current trên mỗi chân I/O
20 mA
7 Dòng điện DC Current chân 3.3V 50 mA
8 Flash Memory 256 KB trong đó 8 KB sử dụng cho bootloader 9 SRAM 8 KB 10 EEPROM 4 KB 11 Clock Speed 16 MHz 12 LED_BUILTIN 13 13 Kích thước 101,52x53,3 mm
b. Modul cơng suất HW532B-LR7843
Hình 3. 3: Module cơng suất HW532B-LR7843
Tính năng module:
- Với cách ly bộ ghép quang, tín hiệu điều khiển và cơng suất của thiết bị được điều khiển được cách ly, làm tăng đáng kể độ cứng của nhiễu.
- Tương thích với bảng điều khiển MCU và Arduino, tín hiệu 3V hoặc 5V. - Khởi động mức cao, dừng mức thấp, điều chỉnh tốc độ PWM.
- Được sử dụng rộng rãi để điều khiển khởi động, dừng của động cơ, van điện từ và các thiết bị phụ trợ khác.
- Có nhiều thơng số kỹ thuật khác nhau của bo mạch chủ MOS để cung cấp sự lựa chọn.
- Mặt đầu vào tín hiệu có thể được hàn vào đầu cuối hoặc chính chốt, bảng mạch tương thích.
- Đầu ra có thể được hàn vào đầu cuối hoặc dây trực tiếp.
- Kích thước module 23mm x 16mm có hai lỗ vít đường kính 2mm, khoảng cách lỗ 8mm.
c. Màn hình LCD
Hình 3. 4: Màn hình LCD
Bảng 3. 3: Thơng số kỹ thuật của màn hình LCD
STT Thơng số Giá trị
1 Điện áp cấp 5 V
2 Kích thước 80 x 36 x 12.5mm
3 Khoảng cách 2 chân kết nối 1,78 mm d. Module hạ áp
Hình 3. 5: Module hạ áp 12V/5V/3,3V
Mạch chuyển đổi điện áp 12V/5V/3,3V có chức năng chuyển đổi nhiều đầu ra điện áp từ điện 12V ngõ vào. Ngõ ra của mạch gồm 3 cụm điện áp gồm 12V, 5V và 3,3V phù hợp để cấp nguồn cho các linh kiện khác trong mạch.
Bảng 3. 4: Thông số kỹ thuật của module hạ áp 12/5/3,3V và LM2596-B3H13
STT Thông số Module hạ áp
12V/5V/3,3V
LM2596 - B3H13
1 Điện áp đầu vào 12 V 3,2-35 V
2 Điện áp đầu ra 5V/3,3V 1.25 - 30V
3 Dịng điện đầu ra 800 mAh 3 A
4 Kích thước 30x32x10 mm 41x20x14 mm
Hình 3. 6: Module hạ áp DC-DC 3A LM2596 - B3H13
e. Opto PC817
Hình 3. 7: Opto PC817
Bảng 3. 5: Thông số kỹ thuật của Opto PC817
STT Thơng số Giá trị
1 Loại transistor NPN
2 Dịng cực góp tối đa (IC) 50 mA
4 Điện áp bão hòa cực góp - cực phát 0,1-0,2 V
5 Điện áp cực phát - cực gốc tối đa (VEBO) 6 V
6 Cơng suất tiêu tán cực góp tối đa (Pc) 200 mW f. Module B1212LS-1WR2
Hình 3. 8: Module cách ly nguồn B1212LS-1WR2
Bảng 3. 6: Thông số kỹ thuật của module B1212LS-1WR2
STT Thông số Giá trị
1 Điên áp đầu vào 10,8-13,2 V
2 Điện áp đầu ra 12 V
3 Dịng điện đầu ra 9,3 mA
4 Cơng suất 1 W
Hình 3. 9: Động cơ Servo 9G SG90
Bảng 3. 7: Thông số kỹ thuật của động cơ Servo
STT Thông số Giá trị 1 Điện áp làm việc 4,8V-6V 2 Kích thước 23x12,5x29,5 mm 3 Trọng lượng 9g 4 Tốc độ khơng tải 0,12 s/ 60o (4,8V) 5 Mô-men xoắn chặn 1,2-1,4 kg/cm (4,8V) 6 Cài đặt vùng chết 7 µs 7 Nâu GND 8 Đỏ VCC
9 Cam Tín hiệu đầu vào
Ngồi các linh kiện, chi tiết trên hộp điều khiển còn sử dụng một số linh kiện điện tử khác như biến trở, điện trở, tụ điện, cầu đấu Domino,…
3.1.2.2. Cảm biến Hall đo tớc độ và vị trí của trục khuỷu
Hình 3. 10:Cảm biến Hall NJK-5002C NPN
Bảng 3. 8: Thông số kỹ thuật của cảm biến Hall
STT Thông số Giá trị
2 Ngõ ra mức thấp NPN
3 Phát hiện nam châm (một cực của nam châm)
4 Khoảng cách phát hiện 0 – 10mm
5 Chiều dài dây cable 1.2 m
6 Đường kính cảm biến 12 mm
3.1.2.3. Bobbin và dây cao áp
Hình 3. 11: (a) IC tích hợp bobbin, (b) đầu chụp bugi
3.1.2.4. Van điều áp, áp kế, công tắt từ, van lưu lượng, ống dẫn LPG và các đầu nới
b a f e d c b a
Hình 3. 12: (a) van điều áp, (b) áp kế, (c) ống dẫn LPG, (d)công tắt từ, (e) lưu lượng kế, (f) các đầu nối
3.2. Lắp đặt hệ thống điều khiển điện tử cho động cơ
Hệ thống điều khiển điện tử cho động cơ được lắp đặt theo sơ đồ dưới đây:
Hình 3. 13: Sơ đồ bớ trí hệ thớng phun LPG trên đường ớng nạp điều khiển điện tử 1: bình LPG; 2: van điều áp; 3: áp kế; 4: cơng tắt từ chính; 5: lưu lượng kế tổng; 6:
lưu lượng kế không tải; 7: van chỉnh khơng tải; 8: cơng tắt từ có tải; 9: vịi phun có tải; 10: vịi phun khơng tải; 11: Servo motor; 12: mạch công suất chống nhiễu; 13: vi
mạch điều khiển; 14: máy tính; 15: biến trở điều khiển phun; 16: biến trở điều khiển bướm ga; 17: biến trở điều khiển tải; 18: hộp điều khiển trải; 19: máy phát điện EP2500CX; 20: động cơ Honda GX160; 21: bộ lưu thị I, U, P; 22: aptomat; 23: Servo
motor; 24: Dimmer; 25: thiết bị gây tải
3.2.1. Lắp đặt hệ thống đánh lửa
Để cải tạo động cơ trước hết chúng ta cần lắp đặt hệ thống đánh lửa. Chúng ta tiến hành tháo bobbin đánh lửa từ động cơ nguyên thuỷ, các cần chỉnh bướm ga cũng như bộ khởi động bằng tay tại bánh đà.
Lắp một bộ domino 5 chân và bobbin đánh lửa lên khung như hình dưới đây. Nắp chụp bugi được cố định để tránh tia lửa yếu làm hồ khí cháy khơng kiệt, động cơ có thể sẽ khơng tạo đủ cơng suất, có thể sẽ ngừng hoạt động vì ngộp ga hoặc chất lượng khí xả khơng đảm bảo do q trình hoạt động gây rung lắc của động cơ.
Hình 3. 14: Hệ thớng đánh lửa thực tế
Động cơ nguyên thuỷ lấy điện từ dịng điện cảm ứng do q trình quay của bánh đà có đính nam châm tạo ra các đường sức từ qua cuộn dây bên trong bobbin. Động cơ sau cải tạo sẽ khơng hoạt động trên ngun lý đó nên cần cung cấp nguồn điện 12V là ắc qui để quá trình đánh lửa diễn ra tại cuối kỳ nén của động cơ. Một cảm biến Hall sẽ được lắp đặt trên giá đỡ để biết được vị trí của piston và tốc độ của bánh đà. Tín hiệu này sẽ được đưa về hộp điều hiển dưới dạng giá trị điện áp, hộp điều khiển sẽ xử lý và ra lệnh cho cơ cấu chấp hành tạo tia lửa điện đốt cháy hồ khí.
Hình 3. 15: Kiểm tra vị trí ĐCT
Bugi Cụm đánh lửa
Sơ đồ mạch điện của hệ thống đánh lửa được lắp đặt như hình dưới đây:
Hình 3. 16: Sơ đồ mạch điện hệ thống đánh lửa
3.2.2. Lắp đặt hệ thống phun LPG
Sau khi chúng ta lắp đặt hệ thống đánh lửa, chúng ta tiếp tục tiến hành lắp đặt hệ thống phun LPG cho động cơ. Hệ thống phun LPG cho động cơ được lắp đặt dựa trên sơ đồ sau:
Hình 3. 17: Sơ đồ bớ trí hệ thớng phun LPG
1: bình LPG; 2: van điều áp; 3: áp kế; 4: cơng tắt từ chính; 5: lưu lượng kế tổng; 6: lưu lượng kế không tải; 7: van chỉnh không tải; 8: cơng tắt từ có tải; 9: vịi phun có
tải; 10: vịi phun khơng tải.
Hộp Điều Khiển Bô Bin domino
Ta tiến hành taro 1 lỗ để cấp khí LPG khi động cơ hoạt động khơng tải trên đường ống nạp sau bướm ga và trước xupap nạp; 1 lỗ giữa bướm ga và bướm gió để cấp khí LPG cho động cơ ở chế động tải. Tại các đầu vào và đầu ra của LPG sẽ có các van, các áp kế để có thể kiểm sốt và theo dõi tình trạng của hệ thống phun LPG. Bên cạnh đó cũng có một cảm biến Hall được gắn trên giá đỡ.
(c)
Hình 3. 18: (a) giá đỡ cảm biến Hall; (b) cần điều khiển bướm ga; (c) vòi phun Trạng thái chờ: LPG từ bình chứa đi qua bộ điều áp qua áp kế và chờ tại van
điện từ.
Đường không tải tải
Đường có tải
Ti điều chỉnh
Servo motor
(a
Cần điều khiển bướm ga Giá đở cảm biến Hall
cảm
Trạng thái hoạt động: dòng điện từ ắc qui đến van điện từ và làm van mở cho
LPG đi qua. LPG tiếp tục qua van điều chỉnh lưu lượng và chia làm 2 đường. Đường thứ nhất là đường ga không tải, đường thứ hai là đường van có tải.
- Khi động cơ hoạt động ở chế độ không tải: trước khi LPG vào động cơ (sau bướm ga và trước xupap nạp) LPG sẽ đi qua một van điều chỉnh lưu lượng khơng tải. Từ đó cung cấp nhiên liệu để tạo ra hồ khí cho động cơ hoạt động. - Khi động cơ hoạt động ở các chế độ tải khác nhau: một cơng tắt từ có nhiệm vụ
điều chỉnh thời gian đóng mở van từ đó điều chỉnh được lượng phun vào sao cho phù hợp. Sau đó LPG tiếp tục vào bình giữ áp để đảm bảo rằng lượng phun ln cung cấp đủ cho q trình trình cháy của động cơ.
ECU sẽ nhờ vào tín hiệu gửi về dưới dạng điện áp của cảm biến Hall được lắp trên giá đỡ cạnh bánh đà, từ đó ra lệnh cho cơng tắt từ đóng mở van theo góc mở Servo và tốc độ động cơ.
Động cơ Servo xoay sẽ kéo truyền chuyển động quay cho ti điều chỉnh bướm ga thông qua cần dẫn. Biến trở được điều chỉnh bằng tay ở hộp điều khiển có nhiệm vụ làm thay đổi chuyển động quay của Servo theo ý muốn. Góc mở của bướm ga sẽ được hiển thị trên màn hình LCD.
3.2.3. Lắp đặt hệ thống điện tử lên động cơ
Sau khi đã lựa chọn được động cơ, các linh kiện, phụ kiện có sẵn trên thị trường và các chi tiết tự thiết kế. Nhóm tiến hành lắp đặt các linh kiện, phụ kiện này lên động cơ theo sơ đồ sau:
Hình 3. 19: Sơ đồ mạch điện của hộp điều khiểnHình 3. 20: Hộp điều khiển thực tế Hình 3. 20: Hộp điều khiển thực tế Biến trở điều khiến bớm ga Biến trở điều khiển phun thêm nhiên liệu Module
công suất Module
hạ áp
Servo
3.2.4. Lắp đặt hệ thống điều khiển tải
Để đo thực nghiệm một cách thuận lợi và tạo ra một băng thử cơng suất thì nhóm đã lắp đặt một bộ điều khiển tải như sơ đồ hình 3.20:
Hình 3. 21: Sơ đồ mạch điện hộp điều khiển tải
Sau khi lắp đặt và nạp chương trình điều khiển thì có dạng như sau:
Hình 3. 23: Hộp điều khiển tải
3.3. Thuật tốn và nguyên lý hoạt động của động cơ
3.3.1. Thuật toán điều khiển động cơ
Hình 3. 24: Sơ đồ thuật tốn điều khiển hệ thớng phun LPG trên đường ống nạp điều khiển điện tử
3.3.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ
Động cơ kéo máy phát điện Honda GX160 truyền thống được cải tạo thành động cơ phun nhiên liệu khí điều khiển điện tử. Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu và điều chỉnh góc đánh lửa sớm động cơ được trình bày trên hình 9.
Hình 3. 25: Sơ đồ cải tạo động cơ tĩnh tại đánh lửa cưỡng bức truyền thớng thành động cơ tĩnh tại phun nhiên liệu khí điều khiển điện tử
Hệ thống điều khiển động cơ gồm: Cảm biến Hall 8 để làm mốc xác định thời điểm phun và thời điểm đánh lửa, đồng thời cũng cung cấp xung tín hiệu để xác định tốc độ động cơ; vi điều khiển 1 là board mạch Arduino Mega 2560 được cài đặt chương trình điều khiển vịi phun 4, servo motor 5 và hệ thống đánh lửa 6. Giao tiếp giữa cảm biến 8 và các bộ phận 4, 5, 6 với vi điều khiển 1 thông qua mạch công suất và chống nhiễu 2. Mạch 2 bảo vệ vi điều khiển, khử nhiễu phát sinh do tia lửa điện và do đóng mở vịi phun. Mạch này đóng vai trị quan trọng trong đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và vi điều khiển không bị treo. Hệ thống chỉ sử dụng duy nhất một cảm biến Hall, loại bỏ các cảm biến khác sử dụng thông thường trên động cơ ô tô, xe gắn máy.
Nguyên lý hoạt động cơ hệ thống điều khiển động cơ như sau: Khi nam châm vĩnh cửu 9 gắn trên bánh đà quét qua cảm biến Hall 8 thì một xung điện phát sinh được gửi đến vi điều khiển 1 thơng qua mạch cơng suất/chống nhiễu 2. Xung tín hiệu được đưa vào chân số 3 của vi điều khiển. Chương trình cài đặt trong vi điều khiển sẽ xử lý tín hiệu, xác định độ rộng xung, loại bỏ các tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên, tính tốc độ đồng cơ, đồng thời xác định thời điểm đánh lửa và thời điểm phun nhiên liệu. Vi điều khiển được kết nối với 3 biến trở: Biến trở thứ nhất kết nối với chân Ao để điều khiển vị trí bướm ga thơng qua servo motor 5; biến trở thứ hai kết nối với chân A1 điều
chỉnh thời gian mở vòi phun; biến trở thứ ba kết nối với chân A2 điều chỉnh góc đánh lửa sớm. Trong quá trình thử nghiệm, tốc độ động cơ, độ mở bướm ga, thời gian mở vịi phun và góc đánh lửa sớm được hiển thị trên màn hình LCD.
Trong giai đoạn khởi động do động cơ hoạt động chưa ổn định chương trình cài đặt đánh lửa và phun mỗi vòng quay động cơ. Khi động cơ hoạt động ổn định thì vịi phun chỉ mở trong kỳ nạp và xung đánh lửa chỉ xuất hiện cuối kỳ nén (hình 3.26a và hình 3.26b).
Hình 3. 26: Tín hiệu phun nhiên liệu (a) và tín hiệu đánh lửa (b) tương đới so với tín hiệu cảm biến Hall
CHƯƠNG 4: KIỂM TRA VÀ THỰC NGHIỆM4.1. Kiểm tra 4.1. Kiểm tra
Chúng tôi đã quyết đinh chọn động cơ Honda GX160, bộ điều khiển cùng các chi tiết, thiết bị có sẵn trên thị trường cũng như thiết kế, gia cơng, sau đó tiến hành lắp đặt và điều chỉnh các khối tín hiệu vào, ra. Cuối cùng cho khởi động động cơ, quan sát theo dõi chặt chẽ và phân tích tình trạng hoạt động của động cơ.
4.1.1. Quy trình kiểm tra
4.1.1.1. Địa điểm
Tại xưởng ô tô của khoa cơ khí, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thuộc Đại học Đà Nẵng.
4.1.1.2. Nội dung kiểm tra
a. Hệ thống cung cấp nhiên liệu, đánh lửa và các thông số đầu vào
- Các công tắt từ, đồng hồ đo áp. - Bobbin đánh lửa
- Hộp điều khiển - Cảm biến Hall
- Nguồn điện từ ắc quy
b. Cơ cấu chấp hành
- Công tắt từ - Bobbin đánh lửa
- Động cơ Servo điều khiển bướm ga
4.1.2. Các bước tiến hành kiểm tra
Bước 1: Cấp nguồn cho hệ thống.
Bước 2: Kiểm tra các chi tiết, kết nối máy tính với hệ thống Bước 3: Kiểm tra và nạp code cho bộ điều khiển
Bước 4: Khởi động động cơ và hiệu chỉnh
4.2. Thực nghiệm điều chỉnh góc đánh lửa, phun LPG tối ưu, đo suất tiêu hao nhiên liệu và đặc tính ngồi của động cơ thực nghiệm. nhiên liệu và đặc tính ngồi của động cơ thực nghiệm.
4.2.1. Dụng cụ thực nghiệm
- Máy phát điện Honda EP6500CX - Bộ lưu thị U, I, P
- Lưu lượng kế - Máy tính
- Phụ tải (tất cả các thiết bị trên đều có cơng suất lớn hơn cơng suất của động cơ thực nghiệm 5,5 HP ≈ 4,0 kW). Chúng tôi chọn phụ tải 4,6 kW (4 bóng điện halogen 1000 W và 10 bóng đèn sợi đốt mỗi bóng đèn là 60 W mắc song song với nhau) cùng 1 Dimmer AC được truyền động từ động cơ Servo để điều khiển