Chương 2 : Phân tích nội dung cơ sở lý thuyết của hệ thống ETCS-I
2.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống ETCS-I 30 2.4.
Hình 2.3.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống ETCS-i
ECU động cơ điều khiển độ lớn và hướng dòng điện chạy đến motor điều khiển bướm ga, làm quay hay giữ motor, đồng thời đóng và mở bướm ga thông qua một cụm bánh răng giảm tốc.
Góc mở của bướm ga thực tế được cảm biến vị trí bướm ga kiểm sốt, và các thơng số điện áp đó được phản hồi về cho ECU động cơ.
Tuy nhiên, khi dịng điện khơng đến được motor thì lị xo hồi vị sẽ mở bướm ga đến một vị trí cố định (khoảng 7 độ). Khi xe hoạt động ở chế độ khơng tải thì bướm ga được đóng lại nhỏ hơn so với vị trí cố định trên.
Khi ECU động cơ phát hiện thấy có sự cố trục trặc, nó bật đèn báo hư hỏng trên đồng hồ táplơ, cùng lúc đó ECU động cơ sẽ cắt dịng điện đến motor, nhưng do góc mờ bướm ga được giữ ở khoảng 7 độ nên xe vẫn có thể chạy được đến nơi an tồn.
Cảm biến vị trí bướm ga biến đổi góc mở bướm ga thành điện áp, được truyền đến ECU động cơ là tín hiệu mở bướm ga (VTA1 và VTA2).
Ngồi ra, một số thiết bị truyền một tín hiệu IDL riêng biệt. Các bộ phận khác xác định nó lúc tại thời điểm chạy khơng tải khi điện áp VTA này ở dưới giá trị chuẩn.
Cảm biến vị trí bướm ga gồm có các mạch IC Hall làm bằng các phần tử Hall và các nam châm quay quanh chúng. Các nam châm được lắp ở trên trục bướm ga và quay cùng với bướm ga.
Khi bướm ga mở :
- Các nam châm quay cùng một lúc, và các nam châm này thay đổi vị trí của chúng. - Vào lúc đó, IC Hall phát hiện sự thay đổi từ thông gây ra bởi sự thay đổi của vị trí nam
châm và tạo ra điện áp ra của hiệu ứng Hall từ các cực VTA1 và VTA2 theo mức thay đổi này. Tín hiệu này được truyền đến ECU động cơ như tín hiệu mở bướm ga. Cảm biến này khơng chỉ phát hiện chính xác độ mở của bướm ga, mà cịn sử dụng
phương pháp khơng tiếp điểm và có cấu tạo đơn giản, vì thế nó khơng dễ bị hỏng. Ngồi ra, để duy trì độ tin cậy của cảm biến này, nó phát ra các tín hiệu từ hai hệ thống có các tính chất khác nhau.
2.4. Chế độ hoạt động của hệ thống ETCS-i
2.4.1: Điều khiển ở chế độ bình thường, điều khiển ở chế độ đường tuyết, điều khiển
ở chế độ công suất cao
Về cơ bản, động cơ sử dụng chế độ bình thường nhưng cũng có thể dùng cơng tắc điều khiển để chuyển sang chế độ công suất cao hay đi đường tuyết.
2.4.1.1: Điều khiển ở chế độ bình thường
Đây là chế độ điều khiển cơ bản để duy trì sự cân bằng giữa tính dễ vận hành và chuyển động êm.
2.4.1.2: Điều khiển ở chế độ đường tuyết
Chế độ điều khiển này giữ cho góc mở bướm ga nhỏ hơn so với chế độ bình thường để tránh trượt khi lái xe trên dường trơn trượt, củng như trên đường có tuyết rơi.
2.4.1.3: Điều khiển ở chế độ công suất cao
Chế độ này điều khiển bướn ga mở lớn hơn so với chế độ bình thường. Do đó, chế độ này mang lại cảm giác động cơ tiếp nhận ngay với thao tác đạp ga và xe vận hành mạnh mẽ hơn so với chế độ thường (chỉ có ở 1 số kiểu xe).
Hình 2.4.1: Đồ thị biểu diễn hoạt động ở các điều kiện
2.4.2: Điều khiển moment truyền lực chủ động
• Chế độ điều khiển này làm cho góc mở bướm ga nhỏ hơn hay lớn hơn so với bàn đạp ga để duy trì tính tăng tốc êm dịu.
• Hình vẽ cho thấy khi bàn đạp ga được giữ ở một vị trí nhất định
• Đối với những kiểu xe khơng có hệ thống điều khiển momen truyền lực chủ động, thì bướm ga được mở ra gần như đồng bộ với chuyển động của bàn đạp ga. Khi đó trong khoảng thới gian ngắn tạo ra gia tốc dọc xe G tăng tốc đột ngột và sau đó giảm dần.
• Đối với xe có điều khiển momen truyền lực chủ động, bướm ga được mở ra dần dần sao cho gia tốc dọc xe G tăng dần trong khoảng thời gian lâu hơn để đảm bảo tăng tốc êm.
Hình 2.4.2: Đồ thị quan hệ điều khiển truyền lực có điều kiện và khơng có điều kiện
2.4.3: Các điều khiển khác
2.4.3.1. Điều khiển tốc độ không tải
Chức năng này điều khiển bướm ga ở phía đóng để duy trì tốc độ khơng tải lý tưởng.
2.4.3.2. Điều khiển giảm va đập khi chuyển số
Chức năng điều khiển này giảm góc mở của bướm ga và giảm moment động cơ, đổng thời với điều khiển ETC khi hộp số chuyển số để làm giảm va đập khi chuyển số.
2.4.3.3. Điều khiển bướm ga TRAC
Nếu bánh xe chủ động bị trượt quá nhiều, như là một phần của hệ thống TRAC, tín hiệu yêu cầu từ ECU điều khiển trượt sẽ đóng bướm ga để giảm cơng suất để tăng tính ổn định của xe và đảm bảo được lực dẫn động.
2.4.3.4. Điều khiển hỗ trợ VSC
Chức năng này điều khiển góc mở bướm ga bằng điều khiển kết hợp với ECU điều khiển trượt để tận dụng tối đahie65u quả điều khiển của hệ thống VSC.
2.4.3.5. Điều khiển chạy tự động
Trong điều khiển chạy tự động thông thường, ECU điều khiển chạy tự động mở và đóng bướm ga qua bộ chấp hành ECU điều khiển chạy tự động và dây cáp. Nhưng với hệ thống ETCS-i, ECU động cơ, mà bao gồm ECU điều khiển chạy tự động, sẽ trực tiếp điều khiển góc mở bướm ga qua môtơ điều khiển bướm ga để thực hiện thao tác điều khiển chạy tự động.
2.4.4. Chức năng dự phịng – an tồn
2.4.4.1. An tồn của cảm biến vị trí bàn đạp ga khi gặp sự cố
Hình 2.4.3: Chế độ an tồn của cảm biến vị trí bàn đạp ga khi gặp sự cố
- Nếu ECU động cơ phát hiện thấy có trục trặc trong hệ thống ETCS-I, nó bật đèn báo hư hỏng trên đồng hồ táplô để báo cho lái xe.
- Cảm biến vị trí bàn đạp ga có mạch cảm biến cho 2 hệ thống chính và phụ. Nếu hư hỏng xảy ra trong một mạch cảm biến, và ECU phát hiện thấy có sự chênh lệch điện
áp khơng bình thường trong tín hiệu giữa 2 mạch cảm biến, ECU động cơ sẽ chuyển sang chế độ hoạt động hạn chế.
- Trong chế độ hoạt động hạn chế, mạch cịn lại được sử dụng để tính tốn góc mở của bàn đạp ga và xe vận hành với góc mở bướm ga hạn chế hơn so với bình thường.
Hình 2.4.4: Trường hợp mất tín hiệu từ cảm biến đạp ga ở đường chính.
- Ngoài ra, nếu xảy ra hư hỏng trong cả hai mạch, ECU động cơ sẽ đặt bướm ga ở trạng thái khơng tải. Lúc này xe chỉ có thể chạy ở trong phạm vi không tải
ECU
Mở
Lò xo hồi Motor ĐK bướm ga Cảm biến vị trí bướm ga Chính Phụ Cảm biến vị trí bàn đạp ga Chính Phụ
Hình 2.4.5: Trường hợp mất tín hiệu ở đường chính và phụ
2.4.4.2. An tồn của cảm biến vị trí bướm ga khi gặp sự cố
- Cảm biến vị trí bướm ga cũng có 2 mạch cảm biến chính và phụ. Nếu hư hỏng xảy ra trong mạch cảm biến và ECU động cơ phát hiện thấy điện áp khơng bình thường giữa hai mạch cảm biến, ECU động cơ sẽ cắt dòng điện đến motor điều khiển bướm ga và sau đó chuyển sang chế độ hoạt động hạn chế. Lúc này bướm ga được mở ở góc cố định bằng lị xo hồi, và lượng phun nhiên liệu, thời điểm đánh lửa được điều khiển bằng tín hiệu bàn đạp ga. Cơng suất của động cơ sẽ bị hạn chế đi nhiều nhưng xe vẫn có thể chạy được.
- Khi ECU động cơ phát hiện thấy có hư hỏng trong hệ thống motor điều khiển bướm ga, khi đó nó sẽ điều khiển giống như khi có hư hỏng về cảm biến vị trí bướm ga.
ECU Cảm biến vị trí bàn đạp ga Cảm biến vị trí bướm ga Đóng Lò xo hồi Motor ĐK bướm ga Chính Chính Phụ Phụ
Hình 2.4.6: Trường hợp mất tín hiệu ở đường phụ cảm biến vị trí bướm ga và tín hiệu điều khiển moto.
Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống ETCS-i 3.1. Phân tích và lựa chọn linh kiện sử dụng 3.1. Phân tích và lựa chọn linh kiện sử dụng
3.1.1. Vi điều khiển
Để thực hiện nhiệm vụ thu thập và xử lý dữ liệu ta cần tính chọn vi điều khiển thích hợp. Trong hệ thống gạt nước mưa tự động thì chỉ cần thu thập và xử lý dữ liệu từ cảm biến để từ đó kích hoạt động cơ gạt nước hoạt động cũng như điều khiển động cơ gạt nước hoạt động nhanh hay chậm. Với lí do trên, chúng ta chỉ cần chọn loại vi điều khiển mức độ trung bình, giá thành rẻ và được bán rộng rãi trên thị trường. Các dịng vi xử lí, vi điều khiển đó bao gồm: 8051, PIC, AVR, MSP430, Arduino…
ECU Mở Lò xo hồi Motor ĐK bư ớ m ga C ả m bi ế n v ị trí bư ớ m ga Chính Ph ụ Cả m biế n vị trí bàn đ ạ p ga Chính Phụ Vịi phun IC đánh lửa
- 8051: Giá thành rẻ nhất trong các loại vi xử lí nêu trên nhưng nhược điểm là 40 hạn chế về ROM và RAM, tích hợp ít chức năng. Vì vậy khi sử dụng chức năng mở rộng phải có module ghép nối dẫn đến đẩy giá thành lên cao và phức tạp trong chế tạo phần cứng…
- AVR của hãng ATMEL quen thuộc với 89C51, ATmega, tốc độ nhanh, nhiều hỗ trợ, giá rẻ, mạch nạp rẻ, phần mềm lập trình mạnh mẽ với AVRstudio và CodeVisionAVR. Nhưng nhược điểm của nó là ít sản phẩm để lựa chọn. AVR thường được dùng nhiều trong học tập và nghiên cứu cho sinh viên.
- PIC có ưu điểm là tích hợp nhiều chức năng, hỗ trợ tốt, phần mềm lập trình thân thiện bằng PIC C, giá rẻ, đặc biệt PIC có rất nhiều chủng loại để lựa chọn nên với mỗi mục đích sử dụng có thể chọn được một sản phẩm có 8 độ tương đồng cao, ít bị lãng phí chức năng. Vì vậy PIC được dùng phổ biến trong công nghiệp. Tuy nhiên nhược điểm của PIC là mạch nạp khá đắt.
- MSP430 của TI có ưu điểm là tiết kiệm năng lượng, nguồn nuôi chỉ cần 3,3V, sản phẩm đa dạng nhưng giá thành cao, công cụ hỗ trợ và cộng đồng hỗ trợ hạn chế hơn so với AVR và PIC.
- Arduino:
+ Có ưu điểm dễ tiếp cận, cộng đồng người sử dụng đông đảo trên khắp thế giới, không cần mạch nạp riêng biệt khi sử dụng nạp chương trình.
+ Ngồi ra đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngơn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình. Và điều làm nên hiện tượng Arduino chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm.
+ Arduino cũng có rất nhiều kích thước khác nhau, phù hợp cho nhiều mục đích sử dụng. Thơng dụng nhất hiện nay là Arduino Uno.
+ Arduino rất đơn giản, dễ sử dụng, dễ code (ngôn ngữ tương tự như C++). Một trong những cái hay nhất của Arduino là nó hỗ trợ rất nhiều thư viện, rất tiện lợi. Ngồi ra trên mạch
có ký hiệu rất rõ ràng, đầy đủ các chân, cực kỳ thuận tiện trong quá trình sử dụng.
+ Khi làm việc với Arduino thì giúp ta rút ngắn được một số công đoạn khi thiết kế… Bằng việc đưa ra những phân tích về đặc điểm cũng như những ưu, nhược điểm 41 của từng loại vi điều khiển khác nhau như vậy, ta lựa chọn sử dụng Arduino làm vi điều khiển chính trong hệ thống để làm nhiệm vụ nhận tín hiệu từ cảm biến và sau đó tác động lên cơ cấu chấp hành là động cơ DC.
Nói về Arduino thì có rất nhiều loại khác nhau như: Arduino Mega, Arduino Due, Arduino Uno, Arduino Nano….Mỗi loại có một đặc tính, số chân, chức năng, giá thành khác nhau. Do nhu cầu sử dụng của đề tài thì ta thấy Arduino Uno là phù hợp nhất. Vì nó chứa tất cả mọi thứ cần thiết để hỗ trợ cho việc nhận tín hiệu và điều khiển động cơ, số chân chức năng đủ để sử dụng. Đặc biệt là Arduino Uno là Board mạch rất phổ biến trong các dòng Arduino hiện nay với giá thành phù hợp.
Lựa chọn Arduino Uno là phù hợp nhất vừa đảm bảo về mặt chức năng, vừa đảm bảo về mặt yêu cầu, giá thành phù hợp => hiệu quả về mặt kinh tế.
a) Tổng quan về Arduino Uno
Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác. Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình. Và điều làm nên hiện tượng Arduino chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm.
Arduino Uno sử dụng chip Atmega328. Nó có 14 chân digital I/O, 6 chân đầu vào (input) analog, thạch anh dao động 16Mhz. Một số thông số kỹ thuật như sau:
b) Sơ đồ chân của Arduino Uno
Hình 3.1: Arduino Uno
USB (1)
Arduino sử dụng cáp USB để giao tiếp với máy tính. Thơng qua cáp USB chúng ta có thể Upload chương trình cho Arduino hoạt động, ngồi ra USB cịn là nơi để cấp nguồn cho Arduino.
Các chân nguồn (2 và 3)
Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thơng qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngồi với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V. Thường thì cấp nguồn bằng pin vng 9V là hợp lí nhất nếu khơng có sẵn nguồn từ cổng USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên sẽ làm hỏng Arduino UNO.
Khi không sử dụng USB làm nguồn thì chúng ta có thể sử dụng nguồn ngồi thơng qua jack cắm 2.1mm (cực dương ở giữa) hoặc có thể sử dụng 2 chân Vin và GND để cấp nguồn cho Arduino.
Bo mạch hoạt động với nguồn ngoài ở điện áp từ (5 – 20)V. Chúng ta có thể cấp một áp lớn hơn tuy nhiên chân 5V sẽ có mức điện áp lớn hơn 5V. Và nếu sử dụng nguồn lớn hơn 12V thì sẽ có hiện tượng nóng và làm hỏng bo mạch. Khuyến cáo nên dùng nguồn ổn định là 5 đến dưới 12 volt.
Các chân năng lượng:
● GND (Ground): Cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau.
● 5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
● 3.3V: Cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA. Chân 5V và chân 3.3V (Output voltage): Các chân này dùng để lấy nguồn ra từ nguồn mà chúng ta đã cung cấp cho Arduino. Lưu ý: không được cấp nguồn vào các chân này vì sẽ làm hỏng Arduino.
● Vin (Voltage Input): Để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
● IOREF: Điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở chân này. Và dĩ nhiên nó ln là 5V. Mặc dù vậy ta khơng được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó khơng phải là cấp nguồn.
● RESET: Việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
Vi điều khiển
Hình 3.2: Vi điều khiển trên board Arduino Uno
Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168,