CHƯƠNG III : TÍNH TỒN THIẾT KẾ KỸ THUẬT BĂNG THỬ TẢI
3.6. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
3.6.1. Sơ đồ cấu tạo.
Hình 3.55. Sơ đồ hệ thống điều khiển.
1. Cảm biến an toàn; 2. Cảm biến tốc độ; 3. Cảm biến lực phanh; 4. Cảm biến trọng lượng; 5. Bộ khuếch đại tín hiệu; 6. Bộ biến đổi dạng sóng vng; 7. Bộ vi
xử lý; 8. Bảng hiển thị; 9. Máy in; 10. Máy tính; 11. Động cơ điện; 12. Bộ chuyển đổi RS232; 13. Bộ chuyển đổi ADC; 14. Bộ xử lý trung tâm.
Cảm biến an toàn 1, cảm biến tốc độ 2, cảm biến lực phanh 3, cảm biến trọng lượng 4 được bố trí vào các vị trí tương ứng của bệ thử. Trong đó: cảm biến an toàn 1 được nối thẳng vào bộ vi xử lý 7, cảm biến tốc độ 2 qua bộ biến đổi dạng sóng vng trước khi đến bộ vi xử lý 7, cảm biến lực phanh 3 và cảm biến trọng lượng 4 qua bộ khuếch đại tín hiệu 5 trước khi đưa qua bộ chuyển đổi ADC sau đó vào bộ vi xử lý 7.
Bộ xử lý trung tâm 14 bao gồm: bộ khuếch đại tín hiệu 5, bộ biến đổi dạng sóng 6; Bộ vi xử lý 7, bộ chuyển đổi ADC 13 và bộ chuyển đổi RS232.
3.6.2. Nguyên lý làm việc.
Bộ điều khiển điện tử là một tổ hợp các linh kiện điện tử được hàn trên một board mạch. Nó có chức năng chính là phải nhận biết tình trạng hoạt động và xử lý tín hiệu của bệ thử thơng qua các cảm biến tương ứng, để tính tốn và đưa ra kết quả chính xác nhất cũng như đảm bảo an toàn cho thiết bị và con người. Các chức năng của từng bộ phận như sau:
Cảm biến an toàn: cảm biến an tồn có vai trị như 1 cơng tắc an tồn, được bố trí phía dưới con lăn trơn thực hiện việc cung cấp tín hiệu cho bộ vi xử lý.
Cảm biến an toàn làm việc được nhờ trọng lượng của trục thử đè lên con lăn trơn. Vì vậy cảm biến an tồn thường dùng là các cơng tắc hành trình.
Bộ biến đổi dạng sóng vng: tín hiệu từ cảm biến tốc dộ là tín hiệu hình sin, nhưng bộ vi xử lý chỉ làm việc với các tín hiệu số nên cần phải biến đổi tín hiệu sóng hính sin thành tín hiệu sóng vng để vi xử lý có thể đọc được.
Để biến đổi dạng sóng từ 1 tín hiệu sóng hình sin sang tín hiệu sóng vng người ta có nhiều phương pháp khác nhau nhưng phổ biến nhất là dùng mạch Trigger Schmitt.
- Nguyên lý hoạt động:
Thực chất đât là mach so sánh, trạng thái đầu ra chuyển sang V- khi điện áp vào V-in có giá trị vượt ngưỡng tham chiếu dương V2, sau đó dụng mach hồi tiếp âm qua điên trở R3 để giữ trạng thái đầu ra cho đến khi điện áp vào V-in bị hạ xuống thấp hơn 1 ngưỡng tham chiếu âm V2’.
Q trình chuyển mạch được mơ tả qua sơ đồ sau:
Hình 3.57. Sơ đồ chuyển trạng thái Trigger Schmitt.
Các điên áp tham chiếu V2 và V2’ được tính như sau: Ta có: 𝑉𝑟𝑒𝑓 − 𝑉2 𝑅2 + 𝑉𝑜𝑢𝑡 − 𝑉2 𝑅3 = 𝑉2 𝑅1 𝑉2 =𝑅123 𝑅2 𝑉𝑟𝑒𝑓 + 𝑅123 𝑅3 𝑉𝑜𝑢𝑡 Với R123 = R1 // R2 // R3 Biến đổi cơng thức, ta có:
𝑉2 =𝑅123
𝑅2 𝑅𝑟𝑒𝑓 +
𝑅123 𝑅3 𝑉𝑐𝑐
𝑉2′ =𝑅123
𝑅2 𝑅𝑟𝑒𝑓 −
𝑅123 𝑅3 𝑉𝑐𝑐
Bộ khuếch đại tín hiệu: tín hiệu thu được từ cảm biến có biên độ rất nhỏ nên cần phải được khuếch đại lên để có dải biến đổi rộng hơn nhằm gia tăng độ chính xác trong phép đo. Bộ khuếch đại tín hiệu thường dùng là cầu wheatstone.
Hình 3.58. Cầu wheatstone. Ta có: 𝑆 = 𝐸 4. ∑ ∆𝑅𝑖 𝑅𝑖 𝑛 𝑖=1 Trong đó: ∆𝑅𝑖
𝑅𝑖: sự thay đổi tương đối của điện trở. ∆𝑅𝑅 = 𝐾.∆𝐿𝐿
K: hệ số cảm biến. ∆𝐿
Bộ ADC: là bộ biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số. Tín hiệu từ các cảm biến đưa về là tín hiệu tương tự, để bộ vi xử lý có thể hiểu được thì phải chuyển sang tín hiệu số.
- Để kết nối nguồn tín hiệu tương tự với hệ thống xử lý tín hiệu số, người ta sử dụng các bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) để chuyển đổi từ số sang tương tự.
- Nguyên tắc làm việc của bộ chuyển đổi ADC như sau:
Hình 3.59. Nguyên tắc làm việc của bộ chuyển đổi ADC.
Đầu tiên, tín hiệu tương tự cần chuyển đổi UA(t) đưa đến mạch lấy mẫu. Tại đây, mạch lấy mẫu sẽ thực hiện 2 công việc:
- Lấy mẫu tín hiệu tương tự tại những thời điểm khác nhau và cách đều nhau về mặt thời gian (nghĩa là rời rạc hóa tín hiệu về mặt thời gian).
- Giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu khơng bị thay đổi trong q trình chuyển đổi tiếp theo (tức là trong q trình lượng tử hóa và mã hóa).
Tiếp theo, mạch lượng tử hóa có nhiệm vụ rời rạc hóa tín hiệu tương tự về mặt biên độ. Sau mạch lượng tử hóa là mạch mã hóa, tại đây kết quả lượng tử hóa được sắp xếp lại theo một quy luật nhất định nào đó tùy thuộc vào mã yêu
cầu trên đầu ra của bộ chuyển đổi. Phép biến đổi lượng tử hóa và mã hóa gọi chung là phép biến đổi ADC.
Quá trình lấy mẫu được thực hiện theo định lý lấy mẫu Kachenhicop. Thông tin trong tín hiệu tương tự sẽ khơng bị ảnh hưởng khi lấy mẫu nếu thỏa mãn 2 điều kiện sau:
- Tín hiệu gốc uA(t) liên tục theo thời gian và có băng tần hữu hạn. Tần số cao nhất là fC.
- Tần số lấy mẫu fS = 2fC.
Bộ vi xử lý: tiếp nhận thông tin từ các cảm biến, xử lý số liệu và xuất ra bảng hiển thị, máy in hoặc chuyển dữ liệu lên máy tính.
Về cơ bản, hai khái niệm về vi xử lý và vi điều khiển không khác nhau nhiều. Vi xử lý là thuật ngữ chung đề cập đến kỹ thuật ứng dụng cơng nghệ vi điện tử, cơng nghệ tích hợp và khả năng xử lý theo chương trình vào các lĩnh vực khác nhau. Vào những giai đoạn đầu trong q trình phát triển cơng nghệ vi xử lý, các chip được chế tạo chỉ tích hợp những phần cứng thiết yếu như CPU cùng các mạch giao tiếp giữa CPU và các phần cứng khác. Trong giai đoạn này, các phần cứng khác kể cả bộ nhớ thường khơng được tích hợp trên chip mà phải kết nối ra bên ngoài. Các phần cứng này được gọi là các ngoại vi. Về sau nhờ sự phát triển vượt bậc của cơng nghệ tích hợp, các ngoại vi cũng được tích hợp vào bên trong IC và người ta gọi vi xử lý đã được tích hợp các ngoại vi là vi điều khiển. Việc tích hợp thêm các ngoại vi vào trong cùng một IC với CPU tạo ra nhiều lợi ích như làm giảm thiểu các ghép nối bên ngoài, giảm số lượng linh kiện điện tử phụ, đơn giản hóa việc thiết kế, …
Về cơ bản, kiến trúc một bộ vi điều khiển bao gồm những phần cứng sau: - Đơn vị xử lý trung tâm (CPU).
- Các bộ nhớ (Memmories).
- Các cổng vào ra song song (Parallel I/O port). - Các cổng vào ra nối tiếp (Serial I/O port). - Các bộ đếm, bộ định thời.
Ngoài ra đối với một số vi điều khiển cụ thể cịn có thêm một số phần cứng khác như bộ biến đổi tương tự sang số ADC, bộ biến đổi số sang tương tự DAC, các mạch điều chế dạng sóng WG, điều chế độ rộng xung PWM, …
Bộ não của mỗi vi xử lý hay vi điều khiển chính là CPU. Các phần cứng khác chỉ là các cơ quan chấp hành dưới quyền của CPU. Mỗi cơ quan này có một cơ chế hoạt động nhất định mà CPU phải tuân theo khi giao tiếp với chúng. Để có thể giao tiếp và điều khiển các cơ quan chấp hành (các ngoại vi), CPU sử dụng 3 loại tín hiệu cơ bản là: tín hiệu địa chỉ (adddress), tín hiệu dữ liệu (data) và tín hiệu điều khiển (control). Tập hợp các đường tín hiệu có cùng chức năng gọi là các BUS. Như vậy ta sẽ có: bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển. Hiện nay ở Việt Nam, có nhiều loại vi điều khiển được sử dụng tuy nhiên về cơ bản có các họ vi điều khiển sau:
- Họ vi điều khiển của Microchip - Họ vi điều khiển AVR của ATMEL - Họ vi điều khiển 68HCxx của Motorola - Họ vi điều khiển 8051 của INTEL. - Và một số họ khác.
Bộ chuyển đổi RS232: máy tính giao tiếp nối tiếp với các thiết bị khác thông qua cổng COM sử dụng giao thức RS232, Trong giao thức nối tiếp RS232, chuẩn điện áp của mức 1 và mức 0 khác so với chuẩn điện áp mức 1 và mức 0 ở vi xử lý. Do đó cần phải có bộ chuyển đổi mức logic để giữa vi xử lý và máy tính có thể giao tiếp với nhau.
Để đảm bảo sự tương thích giữa các thiết bị truyền dữ liệu nối tiếp do các hãng khác nhau sản xuất, năm 1960 hiệp hội công nghiệp điên tử EIA đã xây dựng một chuẩn dao diện được gọi là RS232. Năm 1963, chuẩn này được cải tiến và gọi là RS232A, RS232B và RS232C vào những năm 1965 và 1969. Tài liệu này chỉ đề cập đến RS232. Ngày nay, RS232 là chuẩn dao diện I/O được sử dụng rộng rãi nhất. Tuy nhiên, do chuẩn này ra đời đã khá lâu, trước khi có mạch vi điện tử TTL, vì vật các mức điện áp vào/ra của nó khơng tương thích
với TTL. Ở RS232, mức 1 tương tự -3V ÷ -25V, cịn mức 0 tương ứng từ +3V ÷ +25V, khoảng từ -3V ÷ +3V khơng xác định. Do đó để nối RS 2323 với máy tính đều phải qua bộ biến đổi điện áp như MÃ 232 để chuyển mức logic TTL sang mức điện áp của RS232 và ngược lại.
Bảng hiển thị 8, máy in 9, máy tính 10.
Vậy tín hiệu được truyền từ các cảm biến lực phanh 3 và cảm biến trọng lượng 4, thơng qua bộ khuếch đại tín hiệu 5, đến bộ chuyển đổi ADC thành tín hiệu tương tự sang số. Cảm biến tốc độ 2 thu được dưới dạng tín hiệu sóng hình sin được đưa qua bộ biến đổi dạng sóng vng để thu được tín hiệu số. Sau đó tất cả các tín hiệu này được đưa về bộ vi xử lí 7. Bộ vi xử lý 7 có nhiệm vụ xử lý và tính tốn theo một chương trình đã nạp sẵn, sau đó xuất kết quả lên bảng hiển thị 8, máy in 9 hoặc gửi số liệu lên máy tính 10 thơng qua bộ chuyển đổi RS232. Cảm biến an tồn 1 có nhiệm vụ cung cấp tín hiệu cho bộ vi xử lý 7 thực hiện việc đóng ngắt động cơ 11 đảm bảo an toàn cho con người và các thiết bị khi có sự cố xảy ra.
3.6.3. Ưu nhược điểm phạm vi sử dụng.
* Ưu điểm:
- Cho kết quả: hiệu quả phanh của từng bánh xe, mức độ lệch ở các bánh xe trên cùng 1 trục và tổng lực phanh ở tất cả các bánh xe nhanh, chính xác.
- Thời gian thử ngắn.
- Lưu lại kết quả phục vụ cho cơng tác kiểm tra lần sau và chẩn đốn hư hỏng của hệ thống.
- Xây dựng được đồ thị lực phanh ngay trên bệ thử nhờ các phần mềm đã được cài đặt sẵn trong máy tính.
- Kết cấu gọn nhẹ dễ bố trí.
- Thao tác điều khiển dễ dàng, giảm được nhân công lao động. * Nhược điểm:
- Chế tạo các thiết bị phức tạp. - Giá thành cao.
* Phạm vi sử dụng:
Với sự phát triển của ngành công nghệ thông tin như hiện nay việc trang bị hệ thống điều khiển điện tử cho bệ thử phanh ô tô là 1 việc rất đơn giản và không tốn nhiều thời gian. Do các thiết bị kể trên hiện nay trên thị trường trong nước rất nhiều. Đặc biệt với sự bùng nổ của ngành xe hơi trong thời gian gần đây, đòi hỏi các nhà sản xuất cũng như các trung tâm đăng kiểm xe cơ giới, việc trang bị hệ thống điều khiển điện tử cho bệ thử phanh là rất cần thiết.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1 .Kết luận.
- Sau một thời gian tiến hành làm khóa luận một cách khẩn trương và nghiêm túc dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo: TS.Trần Văn Tùng và các bạn, cho đến nay tơi đã hồn thành bài khóa luận: “ Thiết kế bệ thử tải hệ thống phanh ” và khóa luận đã đạt được một số nội dung sau:
- Phân tích được tầm quan trọng của bệ thử phanh đối với an toàn cho phương tiện và con người trong thời kỳ phát triển nền công nghiệp ô tô hiện nay. - Đề xuất và lựa chọn phương án thiết kế tinh toán phù hợp với nhu cầu thị trường.
- Tính tốn thiết kế con lăn và hệ dẫn động từ động cơ đến RULO dùng phần mềm inventor.
Với sự phát triển của nền cơng nghiệp hóa hiện đại hóa hiện nay, nhất là nền công nghiệp ô tô trong nước đang phát triển kèm theo yêu cầu đảm bảo an toàn càng trở nên quan trong hơn. Do vậy tôi thấy đồ án này cần thiết với nền công nghiệp ô tô trong nước.
2 .Kiến nghị.
- Do nhu cầu phương tiện ô tô khá nhiều trong thời gian gần đây kéo theo
yêu cầu an toàn ngày càng tăng, vì vậy nên đầu tư sản xuất các chi tiết và lắp ghép bệ thử tải ô tô để giảm giá thành sản phẩm trong nước.
- Nên đầu tư cơ sở hạ tầng, máy móc để sản xuất.
Mặc dù đã được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy cơ giáo trong khoa đặc biệt là thầy TS. Trần Văn Tùng cùng các bạn giúp đỡ song trình độ kiến thức bản thân cịn nhiều hạn chế nên em rất mong được sự đóng góp của bạn bè, nhận xét đánh giá của thầy cơ giáo để bản khóa luận được hồn thiện tốt nhất.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Giáo trình đào tạo đăng kiểm viên, Tập 1. Cục đăng kiểm Việt Nam, 1999.
[2]. thuvienphapluat.vn
[3]. Nguyễn Trọng Hiệp – Nguyễn Văn Lâm. Thiết kế chi tiết máy. Nhà xuất bản giáo dục năm 1998.
[4]. PGS.TS. Lê Văn Thái – ThS. Nguyễn Văn An – ThS. Lê Thái Hà. Cấu Tạo Ơ tơ – Máy kéo.
[5]. GS.TSKH. Nguyễn Hữu Cần – PGS.TS. Phạm Hữu Nam. Thí nghiệm ơ tơ. Nhà xuát bản Khoa Học và Kỹ Thuật Hà Nội – 2004.
[6]. Phan Quốc Phơ – Nguyễn Đức Chiến. Giáo trình cảm biến. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội 2005.