P i max c= 90.20 1800 = (N).
3.4.1.Vai trò và nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển
Bộ điều khiển điện tử có vai trò rất quan trọng trong quá trình làm việc của hệ thống lái trợ lực điện. Nó tiếp nhận các tín hiệu từ các cảm biến và các tín hiệu điều khiển sau đó tính toán chính xác giá trị cần thiết điều khiển mô tơ trợ lực cho người lái. Hệ thống lắp đặt trên mô hình thực hiện được những công việc sau:
• Mô phỏng tín hiệu từ cảm biến tốc độ xe sau đó gửi về ECU để tính toán xử lý
• Nhận tín hiệu và xử lý tín hiệu từ bộ mô phỏng tín hiệu tốc độ xe
• Nhận tín hiệu và xử lý tín hiệu gửi về từ cảm biến mômen
• Điều khiển mô tơ trợ lực phù hợp,tùy theo mô men đánh lái và tốc độ xe
• Giao tiếp với máy tính và truyền các thông số đo được về máy tính để phân tích và đánh giá kết quả
Để xây dựng được mạch có thể đảm nhiệm các chức năng như trên đồng thời đảm bảo về độ tin cậy trong suốt quá trình làm việc thì khi thiết kế mạch cần chọn các thiết bị và linh kiện sao cho phù hợp với yêu cầu đặt ra. Hệ thống được thiết kế dưới dạng các mô-đun ghép lại với nhau thành một thể thống nhất, mỗi mô-đun sẽ thực hiện một chức năng nhất định bao gồm:
• Mô-đun phát xung theo tần số mô phỏng tín hiệu tốc độ xe
• Mô-đun nguồn
• Mô-đun chính ECU
• Mô-đun điều khiển động cơ
• Mô-đun giao tiếp với máy tính
Dưới đây là sơ đồ khối của hệ thống điều khiển điện tử cho hệ thống lái trợ lực điện:
Hình 3-12: Sơ đồ khối điều khiển điện tử hệ thống lái trợ lực điện
3.4.2.Mô-đun nguồn
Nguồn điện cung cấp cho hệ thống lái trợ lực điện được lấy từ ắc quy 12V và được chia ra thành hai hai dòng chính, một dòng cấp cho mạch điều khiển, dòng còn lại cấp cho mô tơ điện như sơ đồ dưới đây :
Hình 3-13: Sơ đồ khối mạch cung cấp nguồn điện
Đối với hầu hết các mạch điều khiển điện tử,nguồn sử dụng cho các hệ thống về điện áp cũng như công suất cung cấp phải đảm bảo đủ. Nếu nguồn điện cung cấp không đạt yêu cầu sẽ dẫn đến việc làm sai lệch các chức năng,hoặc có thể hệ thống ngừng hoạt động. Vì vậy khi thiết kế mạch
mạch điện tử thông thường sử dụng dòng điện một chiều với mức điện áp +5V ~ 0V. Nhìn vào sơ đồ khối hệ thống điều khiển điện tử trợ lực lái, phần mạch nguồn cung cấp cho các thiết bị bao gồm vi xử lý và mạch giao tiếp với máy tính. Sau khi tính toán công suất tiêu thụ cho cả hai mô-đun này ta thấy dòng điện tiêu hao nhỏ hơn 1A nên chọn IC nguồn ổn áp là KA7805. Mạch điện sử dụng các linh kiện điện tử cơ bản và các thông số tối ưu để tạo ra điện áp ổn định cung cấp cho mạch ngoài. Ta có sơ đồ nguyên lý như hình vẽ
Hình 3-14: Sơ đồ mạch nguồn cho khối vi xử lý
Điện áp cấp vào hai đầu X1-1 và X1-2 là điện DC +12V, dòng điện đi vào chân IN của IC nguồn 7805 và đi ra ở đầu OUT, tụ điện C1 và C2 có nhiệm vụ lọc nhiễu và san phẳng điện áp giúp cung cấp một dòng điện ổn định cho tải. LED1 được sử dụng để làm đèn báo nguồn cho mạch.
3.4.3.Mô-đun mô phỏng tín hiệu vận tốc
Thông số vận tốc cũng ảnh hưởng rất lớn đến động học quay vòng của xe. Trong trường hợp xe quay vòng thừa tức là góc lệch bên ở cầu sau lớn hơn cầu trước (δ δ1< 2) , xe bị mất khả năng chuyển động thẳng ổn định do chiều
của lực li tâm trùng với chiều của lực ngang. Ở trường hợp này, khi vận tốc của xe càng cao thì lực li tâm càng lớn và sẽ dẫn đến hiện tượng lật xe.
Để xác định được dạng tín hiệu vận tốc đưa vào ECU của hệ thống lái trợ lực ta cần khảo sát tín hiệu trên xe thực tế ở các vận tốc khác nhau . Trong trường hợp này việc lấy tín hiệu tốc độ phải xuất phát từ cảm biến tốc độ xe được đặt ở bánh xe cầu sau. Loại cảm biến tốc độ được sử dụng là loại cảm biến điện từ, nguyên lý hoạt động của nó là sử dụng các vành răng được gắn trên la-răng bánh xe để thay đổi từ trường,khi bánh xe quay thì từ trường thay đổi và sinh ra suất điện động cảm ứng trên cảm biến tốc độ, tín hiệu thu được là dạng điện áp thay đổi theo chu kỳ. Vì thế, phải sử dụng một mạch biến đổi để xác định được vận tốc của xe. Tuy nhiên, trong khi khảo sát trên xe thực tế để cho việc xác định đơn giản và thuận tiện thì ta sử dụng máy Oscillo để đo trực tiếp tín hiệu vận tốc đầu vào tại ECU. Sau khi đo ta xác định được dạng tín hiệu vận tốc đầu vào là dạng tín hiệu xung vuông có mức điện áp +5V- 0V,tín hiệu vận tốc thay đổi theo tần số phát xung, vận tốc xe càng lớn thì tần số càng cao. Dưới đây là bảng giá trị tần số phát xung theo vận tốc xe:
Vận tốc xe (Km/h) 5 10 20 30 50 70 100
Tần số (Hz) 3,5 7,1 14,1 21,2 35,4 49,5 70,7 Hình 3-15 : Bảng giá trị tần số phát xung theo vận tốc xe
Sau khi khảo sát được đặc tính của tín hiệu vận tốc ta lên phương án thiết kế mạch mô phỏng. Yêu cầu đặt ra là thiết kế mạch để tạo xung vuông thay đổi theo tần số. Ở đây ta có thể sử dụng loại IC chuyên dùng để tạo xung
tụ xoay,tuy nhiên xét về tính kinh tế và cũng như độ chính xác thì phương án này không được đảm bảo. Vì thế, em đã chọn phương án sử dụng IC Atmega8 để tạo tín hiệu xung theo thay đổi theo tần số. Loại IC này có khả năng lập trình được và rất thuận tiện trong việc điều khiển cũng như tạo tín hiệu xung với điện áp +5V-0V. Hình 4-5 là sơ đồ thuật toán điều khiển của mạch
Hình 3-16 : Sơ đồ thuật toán điều khiển mạch tạo xung
Với sơ đồ thuật toán điều khiển như trên thì mạch mô phỏng tín hiệu vận tốc đảm bảo được ba chức năng :
- Phát xung mô phỏng tín hiệu vận tốc
- Phản hồi tín hiệu mô phỏng để kiểm tra sự chính xác
- Hiển thị vận tốc
Trên hình vẽ 3-17 là sơ đồ mạch nguyên lý của bộ phát xung mô phỏng tín hiệu vận tốc. Sơ đồ mạch bao gồm các thành phần chính :
- Mạch ổn định điện áp 7805
- Chíp vi xử lí ATMega8
- Bộ chọn dải tần số
- Bộ tinh chỉnh tần số
- Bộ phận hiển thị
Các bộ phận được đấu nối với nhau như trên sơ đồ mạch và để cho mạch hoạt động thì vi điều khiển cần được nạp một chương trình điều khiển đã được lập trình trước.
3.4.4.Mạch công suất
Để điều khiển được các thiết bị ngoại vi thì không chỉ có mô-đun điều khiển mà cần phải có mạch công suất. Mạch công suất phải đáp ứng được công suất của các thiết bị ngoài yêu cầu mà vẫn đảm bảo chức năng điều khiển chính xác trong khi hoạt động. Trong mô hình lái điện này, phần cần điều khiển là động cơ điện một chiều với công suất và dòng điều khiển giới hạn đã được tính toán ở phần trước, ta xây dựng mạch điều khiển động cơ và tính toán cho mạch công suất.
Động cơ được sử dụng ở đây là loại động cơ điện một chiều có chổi than, động cơ với yêu cầu điều khiển là có thể đảo chiều và chạy với các tốc độ khác nhau để trợ lực cho người lái theo mô men đánh lái. Vậy để việc điều khiển thuận lợi và đơn giản, ta có thể sử dụng nguyên lý hoạt động của mạch cầu H cho việc điều khiển động cơ trợ lực lái. Mạch cầu H có khả năng đảo chiều dòng điện để đảo chiều quay của mô tơ điện. Tuy nhiên,với mạch điều khiển động cơ trợ lực lái đòi hỏi khả năng đáp ứng tức thời, nghĩa là khi người lái đánh lái lập tức mô tơ trợ lực hoạt động. Vì vậy ta phải chọn các linh kiện và IC phù hợp để có thể đảm bảo được các yêu cầu trên.
Từ tính toán phần động cơ điện trợ lực ta suy ra được dòng điều khiển của động cơ yêu cầu nhỏ hơn 60A, kết hợp với nguyên lý điều khiển mạch cầu H đáp ứng nhanh, ta chọn cặp IC MOSFET kênh P là IRF4905 và kênh N là IRF3205. Hai IC này có dòng điều khiển tối đa 100A và khi kết hợp với nhau chúng có thể đảm bảo điều khiển cho động cơ hoạt động với công suất lớn nhất mà vẫn ổn định. Dưới đây là sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ:
Hình 3-18 : Sơ đồ mạch điều khiển mô tơ trợ lực điện
` Nhìn vào hình vẽ sơ đồ nguyên lý ta có thể thấy các IC IRF được điều khiển bởi các khóa đóng mở quang PC817, loại khóa này giúp cho việc điều khiển tốc độ đóng mở mạch nhanh hơn. Ngoài ra thì mạch còn có tính năng bảo vệ điều khiển, tránh hiện tượng chập cháy trong khi điều khiển không đúng. Các đường điều khiển REV-quay ngược,FWD-quay thuận, ENA-cho phép quay được kết nối dưới dạng cổng lô gic,động cơ chỉ hoạt động đúng khi có đủ cả ba điều kiện điều khiển tại ba chân trên. Ta có bảng chân trị điều khiển như sau:
ENA FWD REV Quay trái Quay phải
0 0 0 0 0
0 0 1 1 0
0 1 0 0 1
0 1 1 0 0