Hình 2 .1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển bướm ga điện tử
Hình 2.12 Cảm biển bướm ga loại Hall
Môtơ bướm ga
Mô tơ là động cơ điện một chiều do ECU điều khiển. ECU điều khiển hướng quay và lượng dòng điện đi vào động cơ bằng mạch điều khiển xung. Nếu có vấn đề gì đó xảy ra với hệ thống, ECU sẽ ngắt kết nối điều khiển và lò xo hồi vị của bướm ga đóng cánh bướm ga lại. Tình trạng này xảy ra khi dòng điện mạch động cơ quá cao hoặc quá thấp. ECU điều khiển hướng quay và lượng dòng điện cần thiết cho động cơ tiết lưu hoạt động để điều chỉnh vị trí bướm ga. Mô tơ bướm ga có thể hoạt động ở một trong các chế độ sau:
+ Chế độ dự phòng. + Chế độ bướm ga đóng. + Chế độ bướm ga mở. + Chế độ giữ bướm ga.
+ Điều khiển tốc độ cầm chừng
Hình 2.13. Sơ đồ điện điều khiển môtơ DC
Mạch mô tơ bướm ga bao gồm bốn transistor điều khiển, các mạch MO và MC. Tranzito cấp nguồn (tranzito dương) và tranzito đấu nối mass cho mô tơ. Điều này cho phép ECU điều khiển dòng điện chạy qua mô tơ.
Một mạch xung dùng để điều khiển tốc độ vận hành và điều khiển bướm ga tại một vị trí xác định. Tỷ lệ khoảng thời gian xung ở mức cao và mức thấp là khác nhau cho mỗi hoạt động. Điều khiển kết hợp TRC, đồng hồ khoảng thời gian cao được giảm xuống. Giới hạn của điều khiển này là vị trí nhàn rỗi. Nếu
lúc này độ mở bướm ga quá lớn, ECU sẽ ngắt xung điều khiển và đóng bướm ga nhanh chóng.
- Vị trí dự phòng:
Khi không có dòng điện cấp đến mô tơ, lò xo hồi bướm ga giữ cho hệ thống bướm ga ở vị trí dự phòng. Điều này xảy ra khi khóa điện ở vị trí OFF hoặc khi ECU phát hiện lỗi trong hệ thống ETC. Trong trường hợp hệ thống bị lỗi, sẽ không có đường dây và bộ ly hợp để bật nguồn. Lúc này, động cơ bị tách khỏi cánh phóng xạ và cản trở hoạt động của nó. Ở trạng thái này, khi nhiệt độ đạt đến nhiệt độ hoạt động nhất định, tốc độ không tải trở nên nhanh hơn bình thường. Tuy nhiên, nếu người lái xe ấn sâu vào bàn đạp ga thì cánh bướm ga sẽ di chuyển.
- Điều khiển đóng bướm ga
Lúc này, đường dây điện được nối từ cực MC đến cực MO của ECU. Chiều của dòng điện, được thể hiện như trong hình vẽ.
Hình 2.14. Sơ đồ mạch điện điều khiển ở chế độ đóng bướm ga - Chế độ dự phòng:
Khi bướm ga ở vị trí dự phòng, MO là transitor dươngvà MC là transistor âm, cho phép dòng điện chạy từ MO đến MC của ECU, như thể hiện trong hình để tăng độ mở bướm ga.
Khi bướm ga ở dưới vị trí dự phòng, chiều dòng điện được cung cấp giống như khi cánh bướm ga đóng. Dòng điện chạy từ cực MC qua động cơ xuống đất tại chân MO của ECU. Tuy nhiên, xung điều khiển lúc này bị giảm xuống kết hợp với độ căng của lò xo làm tăng độ mở bướm ga.
- Điều khiển giữ bướm ga:
Để cố định goc mở bướm ga, ECU cung cấp đủ dòng điện cho lực từ do mô tơ tạo ra để chống lại lực căng của lò xo.
- Điều khiển tốc độ cầm chừng:
Bướm ga được điều chỉnh để duy trì tốc độ cầm chừng mong muốn. Nếu cần mở bướm ga ở vị trí ban đầu ở tốc độ không tải, thì mạch đóng bướm ga sẽ được kích hoạt.
Khi tốc độ không tải giảm xuống dưới giá trị quy định, người ta tăng độ mở bướm ga để tăng tốc độ động cơ. Nếu tốc độ không tải vượt quá vị trí ban đầu và cần mở bướm ga, thì mạch mở bướm ga sẽ được kích hoạt.
Ly hợp điện từ
Bộ ly hợp điện từ được cài đặt trong hệ thống điều khiển bướm ga điện tử. Ở chế độ bình thường, ly hợp từ kết nối thân bướm ga với mô tơ bướm ga. Hoạt động của ly hợp từ được điều khiển bởi điện áp xung để giảm tiêu thụ năng lượng. Nếu có vấn đề gì đó xảy ra với hệ thống bướm ga điện tử, ECU sẽ nhả điều khiển ly hợp từ tính. Điều này xảy ra khi cường độ dòng điện của mạch quá cao hoặc quá thấp.
Cơ cấu an toàn
Cơ chế này hoạt động khi hệ thống bướm ga điện tử hoạt động không hiệu quả và đèn kiểm tra sáng để thông báo cho người lái. Khi đó, không có điện trong động cơ điều khiển bướm ga và ly hợp điện từ, nên trường hợp này được gọi là chế độ an toàn (limp mode), nhờ lò xo giật để đóng bướm ga lại. Khi bướm ga hoạt động ở chế độ này, cần điều khiển an toàn sẽ giới hạn van
tiết lưu mở một góc nhỏ, làm giảm tốc độ và công suất động cơ ngoại trừ van ISC (điều khiển công tắc không tải), và hệ thống điều khiển hành trình không hoạt động .
ECU ( Electronic Control Unit)
Với vai trò là bộ phận điều khiển và xử lý điện tử trung tâm, nó thực chất là một máy tính điện tử nhận và xử lý tín hiệu theo một chương trình nhất định. Cơ cấu chấp hành luôn đảm bảo tuân thủ các lệnh của ECU và đáp ứng các tín hiệu phản hồi từ cảm biến. Hoạt động của hệ thống điều khiển động cơ mang lại sự chính xác và thích ứng cần thiết để giảm thiểu các chất độc hại trong khí thải và mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ [2]. ECU cũng đảm bảo đầu ra tối ưu ở chế độ vận hành động cơ và giúp chẩn đoán động cơ một cách có hệ thống trong trường hợp có sự cố. Kiểm soát động cơ bao gồm hệ thống kiểm soát nhiên liệu, góc đánh lửa, phân phối góc cam, ga tự động ...
Hình 2.15. Sơ đồ khối hoạt động của ECU
Bộ điều khiển, máy tính, ECU, hay hộp đen là tên gọi khác của mạch điều khiển điện tử. Nói chung, đây là sự kết hợp của các vi mạch và các thành phần phụ trợ được sử dụng để nhận dạng tín hiệu, lưu trữ thông tin, tính toán, xác định chức năng hoạt động và truyền tín hiệu thích hợp. Các thành phần điện tử của ECU nằm trong mạch in. Thành phần công suất giai đoạn cuối, trong đó bộ truyền động được điều khiển, được lắp với khung kim loại ECU để làm mát.
Sự kết hợp các chức năng của mạch điều khiển (bộ tạo xung, bộ chia xung, bộ dao động điều khiển phân tần) làm tăng độ tin cậy của ECU.
Cấu tạo của thiết bị điều khiển điện tử: - Bộ nhớ
Bộ nhớ ECU có thể được chia thành bốn loại:
+ ROM (Read Only Memory): Dùng để lưu thông tin liên tục. Bộ nhớ này chỉ đọc và không thể ghi thông tin. Thông tin đó đã được cài đặt sẵn và ROM cung cấp thông tin cho bộ vi xử lý.
+ RAM (Random Access Memory): Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên. Nó được ghi vào bộ nhớ và được sử dụng để lưu trữ thông tin mới được xác định bởi bộ vi xử lý. RAM có thể đọc và ghi dữ liệu tại bất kỳ địa chỉ nào. Có hai loại RAM:
Loại RAM có thể xóa: Bộ nhớ bị mất khi mất dòng điện cung cấp. Loại RAM không xóa được: Giữ lại bộ nhớ ngay cả khi đã rút nguồn. RAM lưu trữ thông tin về hành vi cảm biến của hệ thống tự chẩn đoán + PROM (Programmable Read Only Memory): Cấu trúc cơ bản tương tự như ROM, nhưng có thể lập trình (nạp dữ liệu) tại nơi sử dụng thay vì nơi sản xuất như ROM. PROM cho phép bạn sửa đổi chương trình điều khiển theo các yêu cầu khác nhau.
+ KAM (Keep Alive Memory): KAM dùng để lưu thông tin mới (thông tin tạm thời) cung cấp cho bộ vi xử lý. KAM giữ lại bộ nhớ ngay cả khi động cơ dừng hoặc tắt máy. Tuy nhiên, nếu bạn tháo bộ cấp nguồn từ pin vào máy tính, bạn sẽ mất bộ nhớ KAM.
- Bộ vi xử lý
Bộ vi xử lý có khả năng tính toán và ra quyết định. Nó là "bộ não" của ECU.
- Đường truyền: Được ECU sử dụng để truyền các lệnh và dữ liệu. Trong các thế hệ đầu, máy tính điều khiển bằng động cơ sử dụng các loại 4, 8 hoặc 16-bit, phổ biến nhất là 4-bit và 8-bit. Máy tính 4 bit chứa nhiều lệnh để thực thi các lệnh logic đúng cách hơn. Tuy nhiên, máy tính 8-bit tốt hơn trong các phép toán đại số và chính xác hơn 16 lần so với máy tính 4-bit. Do đó, ngày nay người ta đang sử dụng máy tính 8 bit, 16 bit hoặc 32 bit để điều khiển các hệ thống khác nhau trong xe với tốc độ cao và độ chính xác cao.
Hình 2.16. Sơ đồ khối các hệ thống trong ECU với bộ vi xử lý
Hệ thống điều khiển tốc độ không tải ISC
a) Tổng quan về hệ thống điều khiển tốc độ không tải ISC
ISC được trang bị cơ cấu kiểm soát lượng khí nạp trong quá trình chạy không tải bằng tín hiệu từ ECU động cơ và điều khiển tốc độ chạy không tải.
Có hai loại cấu trúc ISC:
+ Loại đi tắt qua bướm ga và kiểm soát lượng khí nạp (loại cuộn dây quay):
Vì bướm ga được đóng hoàn toàn trong khi chạy không tải, lượng không khí cần thiết có thể đi qua khi chạy không tải.
+ Điều khiển lượng nạp không khí nạp kiểu bướm ga (kiểu mô tơ bước): Trong kiểu này, lượng nạp trong quá trình chạy không tải được điều khiển thích
hợp bởi bướm ga. Hệ thống này được gọi là ETCS-i (Electronic-Intelligent Throttle Control System) và thực hiện các chức năng điều khiển khác như điều chỉnh lượng khí nạp khi chạy không tải.
Động cơ Toyota Camry 2AR-FE sử dụng điều khiển bướm ga để kiểm soát lượng khí nạp.
Hệ thống ISC (điều khiển tốc độ không tải) có một mạch đi tắt qua bướm ga lượng không khí hút ra từ đường vòng này được điều khiển bởi ISCV (van điều khiển tốc độ không tải). Van ISC sử dụng tín hiệu từ ECU động cơ để điều khiển động cơ ở tốc độ không tải tối ưu tại mọi thời điểm. Các cảm biến, van ISCV, ECU động cơ và các công tác khác nhau ở trên hệ thống ISC [2].
Các chế độ hành động: + Khi khởi động
ECU nhận tín hiệu từ bộ khởi động (STA), cảm biến nhiệt độ nước làm mát và cảm biến vị trí trục khuỷu, xuất ra tín hiệu điều khiển bướm ga (bởi mô tơ bước), mở nó và cải thiện khả năng khởi động.
+ Khi hâm nóng động cơ
Nếu nhiệt độ nước làm mát thấp, hãy tăng tốc độ chạy không tải để động cơ hoạt động êm (chạy không tải nhanh). Khi nhiệt độ nước làm mát tăng, tốc độ chạy không tải chậm lại. ECU nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ xe, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến vị trí trục khuỷu và xuất ra tín hiệu điều khiển bướm ga.
+ Điều khiển phản hồi và dự tính
ECU nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ xe, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến vị trí trục khuỷu, tải điện, v.v. Trong các trường hợp trên, tốc độ chạy không tải sẽ tăng hoặc bị ngăn cản khi tải và tốc độ thay đổi.
ISCV là thiết bị điều khiển lượng khí nạp trong quá trình chạy không tải và điều khiển tốc độ chạy không tải bằng tín hiệu từ ECU động cơ.
Có hai loại van ISCV:
+ Loại đi tắt qua bướm ga và kiểm soát lượng khí nạp.
Vì bướm ga được đóng hoàn toàn trong khi chạy không tải, do đó ISCV cho phép lượng không khí cần thiết đi qua trong khi chạy không tải.
+ Loại điều khiển không khí nạp bằng bướm ga.
Loại bướm ga này cho phép bạn kiểm soát tốt lượng không khí trong quá trình chạy không tải. Hệ thống này là ETCS-i (Hệ thống điều khiển bướm ga điện tử thông minh), thực hiện các chức năng điều khiển ngoài việc điều chỉnh lượng khí nạp khi chạy không tải. [2]
Giới thiệu tổng quan về tình hình nghiên cứu bướm ga điện tử trên xe ô tô:
Trong bài báo [3], kỹ thuật PID được tác giả sử dụng (proportional- integral-derivative). Trong phạm vi thí nghiệm dựa trên mô phỏng trong Matlab không có các tác động như mài mòn hoặc lão hóa của dây quấn, do đó tác giả có thể dễ dàng tính toán đúng hệ số bù và mô phỏng sẽ cho kết quả tốt. Tuy nhiên, trong kết quả mô phỏng Matlab Simulink, tín hiệu góc đo không được cố định tốt với góc đặt trong hình 18 [3].
Đối tượng điều khiển bám được đối tượng đặt là khoảng trên 0.23s theo hình kết quả mô phỏng ở hình số 18 [3]
Tác giả sử dụng phương pháp Backstepping từng bước thiết kế bộ điều khiển sao cho đảm bảo tính ổn định phụ thuộc vào trạng thái Lyapunov. Xét kết quả mô phỏng của tác giả dựa vào hình bên dưới.
Hình 2.18. Trích hình 2,4 của tài liệu số [4]
Tác giả dùng phương pháp bám trượt mờ (Fuzzy sliding mode control) tại công thức (23) của bài báo [5] giải thuật mờ (Fuzzy) được tác giả sử dụng. Xét các hình 2 và hình 3 ta thấy việc bám của đối tượng điều khiển vào đối tượng đặt không tốt.
Hình 2.19. Trích hình 2, 3 của tài liệu số [5]
Trong bài báo [6], tác giả kết hợp các phương pháp điều khiển Adaptive Backstepping Sliding-Mode. Ưu việt của bài nghiên cứu này là lựa chọn ưu điểm của từng tổ hợp các phương pháp để áp dụng điều khiển cho đối tượng. Tuy nhiên người viết bài này vẫn chưa đưa ra cách điều khiển đối tượng điều khiển để nhanh chóng bám vào đối tượng đặt.
Hình 2.20. Tín hiệu góc đặt, góc đo
Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển bướm ga tự động
Theo tài liệu số [6] ta có các thông số của bướm ga như sau: r : Góc đặt .
(t ) : Góc mở của bướm ga theo t.
0 : Góc mở ban đầu của bướm ga (t = 0). (t) : Vận tốc góc bướm ga
iu : Dòng điện phần ứng Ru : Điện trở phần ứng
Uu (t ) : Điện áp đầu vào của động cơ (motor DC),
Ub (t ) :Lực điện động,
Ubat : Điện áp đầu vào (điện áp bình acquy), D(t) : Chu kỳ công tác của xung điều rộng PWM,
Te (t) : Moment điện từ,
TL (t) : Moment tải của động cơ ,
Ts (t) : Moment trả của lò xo hồi,
Tf (t) : Moment do ma sát nhớt gây ra,
Kt : Torque constant,
Kb : Hằng số lực điện từ ,
Ks : Hệ số đàn hồi (elastic coefficient),
Km : Hệ số bù moment (torque compensation coefficient), Kd : Hệ số ma sát trượt,
Kk : Hệ số ma sát khô,
J: Moment quán tính,
Nr : Tỷ số truyền ,
Phương trình cân bằng chuyển động của bướm ga điện tử: 2 w( ) e e L r d N T t T N J d t t (2. 1) Moment điện từ của motor DC
e t u T t K i t (2. 2) Ta có: u u u b i t R U t U t (2. 3) Mà u bat U t U D t Suy ra: ( ) ( ) u b r U t K N t (2. 4) Thế phương trình (4) vào (1) ta được:
b b ( ) u at u r t U D i t K N t R (2. 5) Thế phương trình (5) vô (2) ta được:
bat ( ) b ( ) t u e r U D t T t K K N t R (2. 6) Ta có moment tải : ( ) ( ) ( ) L s f T t T t T t (2. 7) Ta có moment xoắn của lò xo hồi:
( ) ( ) sgn( ( ))
s d k
Ta có moment ma sát tổng :
( ) ( ) sgn( ( ))
f d k
T t K t K t (2. 9) Ta thay từ phương trình số (6)-(9) vô (1) ta được:
0 2 2 2 0 2 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) sgn( ) sgn( ( )) s b t d t bat r u r r u m r K K K K K U D t d t t dt N J J J t t R N J N JR K Kk t N (2. 10) Ta đặt : x t1( ) ( )t 0,x t2( ) ( ), ( )t u t D t y t( ), ( )( ),t Suy ra : 𝑥̇1(𝑡) = 𝑥2(𝑡) 2 2 2 1 2 1 2 2 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) sgn( ( )) sgn( ( )) t bat s b t d r u r u r m k r K U K K K K x t u t x t x t N JR N J JR N J K x t K x t N J (2. 11) 1 0 ( ) ( ) , y t x t (2. 12) Ta đặt: 0 1 2 2 2 1 2 1 2 2 , , ( ) ( ), ( , , ) sgn( ) sgn( ) t bat s b t k r u r u r m k r K U K K K K