L ỜI NểI ĐẦU
3.2.2.1.1Phương ỏn điều khiển LPG cú sử dụng bộ giảm ỏp húa hơi điều
tay ga và van tiết lưu bằng motor bước
Động cơ bước, đỳng như tờn gọi của nú, di chuyển trừng bước nhỏ một. Nghĩa là nú quay khụng phải liờn tục, mà từng gúc nhỏ một, mỗi bước như vậy ứng với 360/n độ. vỡ nú chỉ cú thể nằm ở 1 trong những vị trớ đú thụi, nờn cú khả năng định vị bằng cỏch đểm số lượng xung cấp vào nú. Vỡ cú khả năng định vị như vậy, nờn nú rất tiện lợi dựng trong những mạch điều khiển vũng hở
Động cơ bước cú thể được mụ tả như là một động cơ điện khụng dựng bộ
chuyển mạch. Cụ thể, cỏc mấu trong động cơ là stator, và rotor là nam chõm vĩnh
cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở, nú là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ cú từ tớnh. E C U Cảm biến nước làm mỏt Cảm biến tốc độ Cảm biến nhiệt độ khớ xả Cơ cấu chấp hành
điều khiển tay ga động cơ
Cơ cấu chấp hành
điều khiển van tiết lưu Bộ phớm điều khiển Hiển thị LCD Cảm biến vị trớ tay ga Solenoid Valve Cấp DO Solenoid Valve Cấp LPG
Tất cả cỏc mạch đảo phải được điều khiển bờn ngoài bởi bộ điều khiển, và
đặc biệt, cỏc động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ cú thể giữ nguyờn bất kỳ vị trớ cố định nào cũng như là quay đến bất kỳ vị trớ nào.
Hầu hết cỏc động cơ bước cú thể chuyển động ở tần số õm thanh, cho phộp chỳng quay khỏ nhanh, và với một bộ điều khiển thớch hợp, chỳng cú thể khởi động và dừng lại dễ dàng ở cỏc vị trớ bất kỳ. Động cơ bước điều khiển bằng xung, thường là xung nhiều pha.
Hỡnh 3-9. Sơ đồ điều khiển đúng mở van tiết lưu dựng động cơ bước
Hỡnh 3-10. Sơ đồ điều khiển tay ga động cơ dựng động cơ bước
Motor bước Van tiết lưu Vớt me Motor bước Tay ga động cơ Vớt me
3.2.2.1.2 Phương ỏn điều khiển LPG cú sử dụng bộ giảm ỏp húa hơi điều khiển tay ga và van tiết lưu bằng động cơ servo tay ga và van tiết lưu bằng động cơ servo
Servo bao gồm một động cơ điện được nối với một bộ bự ỏp. Sự biến điệu
xung rộng tớn hiệu được gửi đến servo.
Do cú khả năng làm việc tốt, độ tin cậy cao, và điều khiển đơn giản bằng vi
xử lý, servo thường được sử dụng ở quy mụ nhỏ cỏc ứng dụng robot.
Servo được điều khiển bởi ba dõy: dõy mỏt (thường là màu đen / cam), dõy dương (đỏ) và dõy kiểm soỏt (nõu / màu sắc khỏc). Chuỗi dõy này là khụng đỳng
cho tất cả cỏc servos, vớ dụ cỏc Std S03NXF. Servo là dõy như nõu (õm), màu đỏ (dương) và cam (tớn hiệu).
Động cơ servo motor là động cơ trợ động núi chung. Đú là cơ cấu
thừa hành quay. Nú ra đời từ rất lõu,
lỳc cỏc mạch khuếch đại đốn điện tử
chõn khụng cũn thịnh hành. Lỳc đú,
hệ điều khiển cũn hoàn toàn là
analog. Nú điều khiển liờn tục, gúc
quay bất kỳ. Khụng bị giới hạn 360/n như motor bước.
Động cơ servo motor được
thiết bị điều khiển từ kiểm soỏt, chỳng được sử dụng để cung cấp
cho cỏc hệ thống khỏc nhau, điều
khiển cơ khớ như tay lỏi xe hơi, cỏnh
Hỡnh 3-12. Sơ đồ điều khiển tay ga động cơ dựng động cơ servo
Hỡnh 3-13. Sơ đồ điều khiển van tiết lưu dựng động cơ servo
Tay ga động cơ
Động cơ servo
Dõy nối mềm
Động cơ servo Dõy nối mềm
3.2.2.1.3. So sỏnh hai phương ỏn trờn và lựa chọn cơ cấu chấp hành
Trong một vài ứng dụng, cần lựa chọn giữa động cơ servo và động cơ bước. Cả hai loại động cơ này đều như nhau vỡ cú thể xỏc định được vị trớ chớnh xỏc,
nhưng chỳng cũng khỏc nhau ở một số điểm. Servo motor đũi hỏi tớn hiệu hồi tiếp
analog. Đặc biệt, điều này đũi hỏi một bộ tắc cụ để cung cấp tớn hiệu hồi tiếp về vị
trớ của rotor, và một số mạch phức tạp để điều khiển sự sai lệch giữa vị trớ mong muốn và vỡ trớ tức thời vỡ lỳc đú dũng qua động cơ sẽ dao động tắt dần.
Để lựa chọn giữa động cơ bước và động cơ servo, phải xem xột một số vấn
đề, và nú phụ thuộc vào cỏc ứng dụng thực tế. Vớ dụ, khả năng trở về một vị trớ đó
vượt qua phụ thuộc vào hỡnh dạng rotor động cơ bước, trong khi đú, khả năng lặp lại vị trớ của động cơ servo núi chung phụ thuộc vào độổn định của bộ tắc cụ và cỏc linh kiện analog khỏc trong mạch hồi tiếp.
Động cơ bước cú thể được dựng trong hệ thống điều khiển vũng hở đơn giản. Những hệ thống này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh, nhưng khi tải trọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫn dựng hệ điều khiển vũng kớn với động cơ bước. Nếu một động cơ bước trong hệ điều khiển vũng mở quỏ tải, tất cả cỏc giỏ trị về vị trớ của động cơ đều bị mất và hệ thống phải nhận diện lại. Servo motor thỡ khụng xảy ra vấn đề này.
Qua phõn tớch trờn ta thấy rằng sử dụng động cơ servo là phự hợp cho điều
khiển tay ga động cơ và van tiết lưu. động cơ servo cú tốc độ phản ứng nhanh hơn motor bước và là loại điều khiển vũng kớn nờn khụng xảy ra hiện tượng bỏ bước. Do đú sử dụng động cơ servo rất tin cậy cho việc điều khiển.
Servo ta chon là loại MG946R của hóng Heli. Cỏc thụng số của động cơ servo: Khối lượng: 55g
Kớch thước: 40.7x19.7x42.9 mm
Momen xoắn: 10.5kg/cm(4.8V),13kg/cm(6V)
Tốc độ hoạt động: 0.20 giõy/600 (4.8v); 0.17 giõy/600 (6.0v) Điện ỏp làm việc: 4.8-7.2V
3.2.2.2. Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ cú nhiệm vụ lấy thụng số nhiệt của nước làm mỏt, khớ xả đưa về khối điều khiển trung tõm. Khối điều khiển trung tõm sẽ xử lý và xuất ra giỏ
trị nhiệt độ nước làm mỏt, nhiệt độ khớ xả ra LCD. Do đú nhiệt độ nước làm mỏt, nhiệt độ khớ xả được cập nhật liờn tục khi động cơ hoạt động. Từ đú giỳp chỳng ta
theo dừi được nhiệt độ của động cơ. Vi điều khiển sẽ căn cứ vào giỏ trị hiện tại so
sỏnh với giỏ trị cho phộp và trường hợp nhiệt độ nước hoặc nhiệt độ khớ xả lớn hơn
giỏ trị cho phộp thỡ nú sẽ đưa ra cảnh bỏo hiển thị lờn LCD.
Hiện nay cú rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ như cặp nhiệt điện, nhiệt điện
trở, thermistor, bỏn dẫn ( Diode, cỏc loại IC: LM35, LM335, LM45 ,….). Ngoài ra cũn cú loại đo nhiệt khụng tiếp xỳc ( hỏa kế- Pyrometer ). Dựng hồng ngoại hay
lazer. Nguyờn tắc chung của chỳng là nhiệt độ từ mụi trường sẽ được cảm biến hấp
thu, tại đõy tựy theo cơ cấu của cảm biến sẽ biến đại lượng nhiệt này thành một đại lượng điện nào đú. Như thế một yếu tố hết sức quan trọng đú là “ nhiệt độ mụi trường cần đo” và “nhiệt độ cảm nhận của cảm biến”.
Cảm biến nhiệt độ mà ta sử dụng là cặp nhiệt điện ( Thermocouples ). Đõy là
một loại cảm biến dựng rất rộng rói và cú thang đo nhiệt độ khỏ cao.
Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khỏc nhau, hàn dớnh một đầu.
Nguyờn lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV).
Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.
Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy khụng cao.
Thường dựng: Lũ nhiệt, mụi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt mỏy nộn,…
Tầm đo: -100 D.C <1400 D.C
Cặp nhiệt điện gồm 2 dõy kim loại khỏc nhau được hàn dớnh 1 đầu gọi là đầu núng ( hay đầu đo), hai đầu cũn lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu chuẩn ). Khi cú sự
chờnh lệch nhiệt độ giữa đầu núng và đầu lạnh thỡ sẽ phỏt sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh. Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh, điều này
tựy thuộc rất lớn vào chất liệu. Do vậy mới cho ra cỏc chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi
loại cho ra 1 sức điện động khỏc nhau: E, J, K, R, S, T.
Dõy của cặp nhiệt điện thỡ khụng dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn đến khụng chớnh xỏc là chổ này, để giải quyết điều này chỳng ta phải bự trừ cho nú
( offset trờn bộ điều khiển ).
Hỡnh 3-15. Cặp nhiệt điện
3.2.2.3 Cảm biến tốc độ
Cảm biến tốc độ cú nhiệm vụ đo tốc độ của động cơ, dựa vào tốc độ động cơ đo được chỳng ta điều chỉnh lượng nhiờn liệu cấp vào động cơ cho phự hợp với
từng chế độ hoạt động của động cơ.
Hiện nay cú nhiều phương phỏp đo tốc độ được dựng như: đo vận tốc vũng quay bằng phương phỏp analog, đo vận tốc vũng quay bằng phương phỏp quang điện tử, đo vận túc vũng quay bằng tơ quang dẫn và lý thuyết tương đối đo vận tốc
vũng quay bằng tổ hợp điện từ.
Phương phỏp đo tốc độ động cơ thụng dụng nhất hiện nay dựng cảm biến
quang. Đõy là phương phỏp đo dễ sử dụng so với cỏc phương phỏp khỏc. Vỡ cảm
biến được lắp đặt dễ dàng trờn động cơ. Tớn hiệu từ cảm biến ra cỏc dạng xung
vuụng cú tần số thay đổi vào tốc độ động cơ. Do đú cỏc xung vuụng này được đưa
vào bộ vi xử lý để đếm số xung trong khoảng thời gian cho phộp từ đú ta cú thể tớnh được giỏ trị vận tốc của động cơ. Đõy cũng là phương phỏp mà người ta sử dụng để ổn định tốc độ động cơ hay điều khiển nhanh chậm.
Cảm biến tốc độ mà ta chọn là photointerrupter. Đõy là loại cảm biến được sử
dụng nhiều trong đo tốc độ quay. Nú làm việc tin cậy và sử dụng dễ dàng trong ứng
dụng vi xử lý để chuyển đổi từ tớn hiệu tương tự sang số.
Nguyờn lý làm việc
Photointerrup cấu tạo gồm một mắt phỏt và mắt thu. Để đo tốc độ ta sử dụng
một tấm nhụm mỏng gắn trờn bỏnh đà của động cơ, khi bỏnh đà quay nú sẽ quay
cựng với bỏnh đà. Khi tấm nhụm quay qua rónh của photointerrup thỡ nú sẽ đúng vai
trũ là vật cản chắn ỏnh sỏng đi qua photointerrup, nú phỏ vỡ cỏc chựm tia giữa mắt
phỏt và mắt thu. Do đú tớn hiệu qua mắt phỏt và mắt thu bị giỏn đoạn khi cú vật cản đi qua..
Khi quay ỏnh sỏng chiếu đến phototransistor lỳc bị ngăn lại, lỳc khụng bị ngăn lại làm cho tớn hiệu ở cực colector là một chuỗi xung, Số xung đếm được và
tăng lờn nú tớnh bằng số lần ỏnh sỏng bị cắt. Khi đú tớn hiệu được truyền về bộ vi xử
lý và chuyển thành số vũng quay.
Cỏc thụng số của photointerupter ITR-H-0115
Ký hiệu Thụng số Tối đa Đơn vị
Pd Năng lượng tiờu thụ 60 mW VR Điện ỏp đảo chiều 5 V
Đầu vào
IF Cường độ dũng điện chuyển tiếp 50 mA Pd Năng lượng tiờu thụ 10 mW IC Cường độ dũng điện collector 20 mA
Đầu ra
VCEO Điện ỏp collector-emiter 30 V
3.2.2.4. Van điện từ (solenoil vavle)
Van điện từ được lắp trờn đường ống dẫn nhiờn liệu LPG và DO cú tỏc dụng đúng, ngắt mạch cấp LPG và DO. Khi động cơ hoạt động, van điện từ mở cho phộp
nhiờn liệu đi vào động cơ. Khi động cơ khụng hoạt động hoặc gặp sự cố thỡ điều
khiển đúng van điện từ để ngừng cấp nhiờn liệu vào động cơ.
Nguyờn lý hoạt động của van điện từ
Khi cú dũng điện chạy qua cuộn dõy sinh ra từ trường, lực điện từ sinh ra,
nõng lừi thộp và ty van đi lờn, nhiờn liệu theo đường 4 qua đường 5 đến động cơ.
Ngược lại khi khụng cấp điện cho cuộn dõy, lừi thộp và ty van tỳ xuống khụng cho
nhiờn liệu từ 4 qua 5.
1 - Cuộn dõy
2 - Lừi thộp 3 - Ty van
4 - Nhiờn liệu đi vào 5 - Nhiờn liệu đi ra
Hỡnh 3-18. Hỡnh ảnh thực tế của van điện từ
3.2.2.5. Bộ xử lý trung tõm
Bộ xử lý trung tõm cú nhiệm vụ biến đổi cỏc thụng số đầu vào như tớn hiệu
từ cảm biến nhiệt độ nước làm mỏt, cảm biến nhiệt độ khớ xả, cảm biến tốc độ động cơ, đưa về để xuất giỏ trị của chỳng ra LCD. Từ cỏc giỏ trị của tốc độ động cơ ta điều khiển cơ cấu chấp hành điều khiển tay ga động cơ, van tiết lưu và đúng mở van điện từ.
Hiện nay cú rất nhiều loại vi điều khiển trờn thị trường đang được sử dụng như 8051, pic, AVR... nhưng loại vi điều khiển AVR hiện nõy đang được sử dụng
rất rộng rói vỡ chỳng cú tớnh năng ưu việt hơn cỏc loại vi điều khiển khỏc. Bằng việc
kết hợp 1 bộ 8-bit RISC CPU với In-System Self-Programmable Flash trong chỉ
nguyờn vẹn 1 chip Atmel Atmega16L là một bộ vi điều khiển mạnh cú thể cung cấp
giải phỏp cú tớnh linh động cao, giỏ thành rẻ cho nhiều ứng dụng điều khiển nhỳng.
Hệ thống nhỳng là một hệ tớnh toỏn nằm trong sản phẩm, tạo thành một phần của hệ
thống lớn hơn và thực hiện một số chức năng của hệ thống ) Atmega16L AVR được
gồm: Bộ biờn dịch C,macro assemblers, program debugger/simulators (chương trỡnh mụ phỏng) in-circuit emulators (mạch mụ phỏng) và evaluation kits (kit phỏt triển).
Do đú ta lựa chọn vi điều khiển Atmega16 làm bộ xử lý trung tõm trong mạch điều
khiển.
3.2.2.5.1 Tổng quan về vi điều khiển ATMEGA 16
Vi điều khiển AVR (Atmel Norway design) thuộc họ vi điều khiển Atmel, nú
là họ Vi điều khiển mới trờn thị trường cũng như đối với người sử dụng. Đõy là họ Vi Điều Khiển được chế tạo theo kiến trỳc RISC (Reduced Intruction Set
Computer) cú cấu trỳc khỏ phức tạp. Ngoài cỏc tớnh năng như cỏc họ vi điều khiển
khỏc, nú cũn tớch hợp nhiều tớnh năng mới rất tiện lợi cho người thiết kế và lập
trỡnh. Sự ra đời của AVR bắt nguồn từ yờu cầu thực tế là hầu hết khi cần lập trỡnh
cho vi điều khiển, chỳng ta thường dựng những ngụn ngữ bậc cao HLL (Hight Level Language) để lập trỡnh ngay cả với loại chip xử lớ 8 bit trong đú ngụn ngữ C
là ngụn ngữ phổ biến nhất. Tuy nhiờn khi biờn dịch thỡ kớch thước đoạn mó sẽ tăng
nhiều so với dựng ngụn ngữ Assembly. Hóng Atmel nhận thấy rằng cần phải phỏt
triển một cấu trỳc đặc biệt cho ngụn ngữ C để giảm thiểu sự chờnh lệch kớch thước
mó đó núi trờn. Và kết quả là họ vi điều khiển AVR ra đời với việc làm giảm kớch thước đoạn m. khi biờn dịch và thờm vào đú là thực hiện lệnh đỳng đơn chu kỳ mỏy
với 32 thanh ghi tớch lũy và đạt tốc độ nhanh hơn cỏc họ vi điều khiển khỏc từ 4 đến
12 lần. Vỡ thế nghiờn cứu AVR là một đề tài khỏ lý thỳ và giỳp cho học sinh, sinh
viờn biết thờm một họ vi điều khiển vào loại mạnh hiện nay.
PHÂN LOẠI AVR
+ AT90S8535: Khụng cú lệnh nhõn hoặc chia trờn thanh ghi.
+ ATMEGA 8, 16, 32 (AVR loại 8 bit, 16 bit, 32 bit): Là loại AVR tốc độ
cao, tớch hợp sẵn
ADC 10 bit.
+ AVR tớch hợp sẵn LCD driver : Atmega169,329
+ AVR cú tớch hợp SC (power stage controller): AT90PWM thường dựng trong cỏc ứng dụng điều khiển động cơ hay chiếu sỏng nờn chỳng gọi là lighting AVRIS
+ Attiny11, 12, 15: AVR loại nhỏ.
Cỏc đặc điểm chớnh
1- Kiến trỳc RISC ( cú nghĩa là mỏy tớnh dựng tập lệnh rỳt gọn, bộ vi xử lý
kiểu này thực hiện ớt lệnh hơn những bộ vi xử lý khỏc ) với hầu hết cỏc lệnh cú
chiều dài cố định, truy nhập bộ nhớ nạp – lưu trữ và 32 thanh ghi đa năng.
2- Cú nhiều bộ phận ngoại vi ngay trờn chip, bao gồm: Cổng vào/ra số, bộ biến đổi ADC, bộ nhớ EEFROM, bộ định thời, bộ điều chế độ rộng xung (PWM), …
3- Hầu hết cỏc lệnh đều thực hiện trong một chu kỳ xung nhịp.