Hình 2 .1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển bướm ga điện tử
Hình 2.9 Sơ đồ mạch điều khiển bướm ga
- Mạch ổn áp – cấp nguồn
Cần có mạch ổn áp vì mạch điều khiển sử dụng nguồn điện từ acquy, sử dụng nguồn điện áp 12V, các mạch xử lý và hiển thị phải sử dụng điện áp chuẩn là 5V. Điện áp yêu cầu do đó cần có mạch ổn áp.
- Mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số ADC
Mạch chuyển đổi sử dụng ADC 0808 để chuyển đổi tín hiệu tương tự từ đầu vào với sự thay đổi điện áp của cảm biến vị trí bướm ga và cảm biến vị trí bàn đạp ga thành tín hiệu số cấp cho bộ vi xử lý. hiểu. Kết nối giữa mạch chuyển đổi A / D và vi điều khiển được thực hiện bởi một bus 8 bit, có thêm một số bit bổ sung để báo hiệu bắt đầu và kết thúc quá trình chuyển đổi.
- Mạch xử lý (CPU)
Mạch vi xử lý sử dụng vi điều khiển AT89S52 làm trung tâm điều khiển và xử lý tín hiệu. Nhiệm vụ chính là nhận tín hiệu từ bộ chuyển đổi A / D, tín hiệu kiểm soát hành trình và kiểm soát lực kéo để điều khiển độ mở bướm ga
phù hợp. Ngoài ra, vi điều khiển AT 89S52 còn tham gia vào quá trình chọn kênh của mạch chuyển đổi A/D và hiển thị trên LCD.
-Mạch hiển thị
Mạch hiển thị LCD sử dụng LCD L1682. Nhiệm vụ này là hiển thị% mở bướm ga,% mở bàn đạp ga và tín hiệu LCD chế độ vận hành.
- Mạch công suất
Mạch nguồn có nhiệm vụ chính là điều khiển động cơ làm quay các mô tơ cánh bướm ga. Điều này bao gồm bóng bán dẫn công suất TIP 142 hoạt động ở chế độ ngắt và dẫn bão hòa tương ứng với chế độ không tải và hoạt động của động cơ. Điện áp cung cấp cho động cơ giống như điện áp của acquy 12V.
-Mạch quản lý
Mạch quản lý có nhiệm vụ điều khiển van tiết lưu hoạt động ở chế độ kiểm soát hành trình và chế độ kiểm soát lực kéo. Các chân của vi điều khiển nhận tín hiệu điều khiển từ các nút và thực hiện các chế độ hoạt động của hệ thống kiểm soát hành trình và kiểm soát lực kéo.
Kết cấu các bộ phận chính hệ thống bướm ga
Cảm biến vị trí bướm ga
Cảm biến vị trí bướm ga được gắn vào cổ họng gió. Cảm biến này chuyển độ mở bướm ga thành điện áp và gửi đến ECU động cơ dưới dạng tín hiệu mở bướm ga (VTA).
Có hai loại hiện đang được sử dụng: loại tuyến tính và loại có phần tử Hall.
Động cơ 2AR-FE của Toyota lắp trên xe Camry sử dụng cảm biến vị trí bướm ga được trang bị phần tử Hall.
Hình 2.10. Cấu tạo cảm biến vị trí bướm ga loại phần tử Hall
1- Bướm ga, 2- Trục bướm ga, 3- Các nam châm, 4- IC Hall Cảm biến vị trí bướm ga loại phần tử Hall bao gồm một mạch IC Hall bao gồm các phần tử Hall và một nam châm quay xung quanh nó. Nam châm được gắn vào trục bướm ga và quay cùng với bướm ga.
Khi bướm ga mở, các nam châm quay cùng lúc, thay đổi vị trí của các nam châm. Khi đó, IC Hall phát hiện sự thay đổi từ thông do sự thay đổi vị trí nam châm và tạo ra điện áp đầu ra hiệu ứng Hall từ các cực VTA1 và VTA2 theo sự thay đổi [2]. Tín hiệu này được gửi đến ECU động cơ như một tín hiệu mở bướm ga. Tín hiệu từ cảm biến này là tín hiệu phản hồi gửi đến ECU báo vị trí thực của bướm ga. Điều này làm cho ECU điều khiển độ mở bướm ga cho phù hợp.
Cảm biến này có hai mạch, mỗi mạch truyền tín hiệu VTA1 và VTA2. VTA1 là để phát hiện sự mở bướm ga, và VTA2 là để phát hiện sự cố của VTA1.
Điện áp tín hiệu cảm biến này thay đổi từ 0V đến 5V tương ứng với độ mở của bướm ga, và khi bướm ga đóng, dòng điện chạy đến cực VTA của ECU. Khi điện áp đầu ra của cảm biến giảm xuống và van tiết lưu mở, điện áp đầu ra của cảm biến tăng lên. ECU tính toán độ mở bướm ga dựa trên tín hiệu này và điều khiển bộ truyền động bướm ga theo sự điều khiển của người lái. Những tín hiệu này cũng được sử dụng để hiệu chỉnh tỷ lệ nhiên liệu không khí, hiệu chỉnh mức tăng công suất và kiểm soát lượng nhiên liệu.
Cảm biến này không chỉ phát hiện chính xác độ mở của bướm ga mà còn áp dụng phương pháp không tiếp điểm và có cấu tạo đơn giản nên là cảm biến không dễ bị hỏng hóc. Ngoài ra, để duy trì độ tin cậy của cảm biến này, nó phát ra tín hiệu từ hai hệ thống có đặc tính khác nhau. [1]
+ Đóng hoàn toàn bướm ga: Vị trí bướm ga (VTA1) theo tỷ lệ phần trăm là 10-24%.
+ Mở hoàn toàn bướm ga: Vị trí bướm ga theo phần trăm (VTA1) là 64 đến 96%.
Góc dự phòng 6,5 ° (vị trí bướm ga theo tỷ lệ phần trăm của VTA1 là khoảng 16%).
Nếu có DTC (Mã chẩn đoán lỗi) được liên kết với hệ thống điều khiển bướm ga điện tử (ETCS), ECU sẽ chuyển sang chế độ dự phòng. Ở chế độ dự phòng, ECU cắt dòng điện tới bộ truyền động bướm ga. Bướm ga quay về vị trí xác định của bướm ga một góc 6,5o nhờ tác dụng của lò xo hồi vị. ECU điều khiển công suất động cơ bằng cách điều khiển quá trình phun nhiên liệu (phun cắt quãng) và thời điểm đánh lửa theo vị trí bướm ga.
Cảm biến vị trí bàn đạp ga
Hình 2.11. Cảm biến vị trí bàn đạp ga
Cảm biến vị trí bàn đạp ga (APP) được gắn vào giá đỡ bàn đạp ga và có hai mạch cảm biến, VPA (chính) và VPA2 (phụ). Cảm biến này là loại không tiếp xúc. Nó sử dụng các yếu tố hiệu ứng từ để cung cấp tín hiệu chính xác ngay
cả trong các điều kiện hoạt động khắc nghiệt như tốc độ cao và tốc độ rất thấp. Một điện áp được áp dụng cho các cực ECU, VPA và VPA2, điện áp này thay đổi từ 0V đến 5V tương ứng với góc mở của bàn đạp ga. Tín hiệu từ VPA được sử dụng để phát hiện góc mở của bàn đạp ga và được sử dụng để điều khiển động cơ. dấu hiệu
VPA2 hiển thị trạng thái của dòng VPA và được sử dụng để kiểm tra APP. ECU giám sát độ mở bướm ga thực tế (độ mở bướm ga) thông qua các tín hiệu từ VPA và VPA2, và điều khiển bộ truyền động bướm ga theo các tín hiệu này.
Khi người lái nhấn bàn đạp ga, tín hiệu điện áp APPS thay đổi và tín hiệu này được gửi đến ECU, nơi vị trí hiện tại của bàn đạp ga được xác định. Đối với động cơ 2AR-FE, cả hai cảm biến đều cung cấp tín hiệu điện áp tăng lên, do đó, tín hiệu điện áp gửi đến ECU sẽ khác nhau tùy thuộc vào thiết kế của từng nhà sản xuất động cơ.
Khi điện áp ra của cảm biến là 0V, tức là khi không có tín hiệu điều khiển thì điện áp điều khiển lấy từ cảm biến vị trí bàn đạp ga, nhưng khi khởi động máy thì điện áp đặt vào hệ thống là 0,5V tương ứng với góc ga. .. Độ mở để duy trì hoạt động ở góc mở là 70 hoạt động ở chế độ garanty.
Điện áp đầu ra của cảm biến vị trí bướm ga tỷ lệ với góc đạp của bàn đạp ga. Điện áp đầu ra của cảm biến là 4,5V, tương ứng với góc đạp tối đa của bàn đạp ga và góc mở hoàn toàn của bướm ga.
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