Mô hình dạy học hệ thống lái trợ lực điện giao tiếp máy tính thông qua LabVIEW

Nội dung text: Mô hình dạy học hệ thống lái trợ lực điện giao tiếp máy tính thông qua LabVIEW

1. MÔ HÌNH DẠY HỌC HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN GIAO TIẾP MÁY TÍNH THÔNG QUA LABVIEW PGS-TS. Đỗ Văn Dũng, KS. Trịnh Thái Luân Trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh TÓM TẮT Bài báo này mô tả kết quả nghiên cứu thiết kế "Mô hình dạy học hệ thống lái trợ lực điện giao tiếp máy tính thông qua LabVIEW". Mô hình được thiết kế giao tiếp với máy tính để mô phỏng khả năng hoạt động của hệ thống theo từng chế độ hoạt động riêng biệt do người học tạo ra, trên mô hình có tính toán thiết kế bộ tạo mô men cản quay vòng và giá trị của mô men này cũng được điều khiển thay đổi theo tốc độ hoạt động của xe. Giao diện điều khiển và hiển thị kết quả mô phỏng trên máy tính được thực hiện bởi phần mềm LabVIEW, ở giao diện này chủ yếu thể hiện các thông số như: điện áp thay đổi của cảm biến mô men; khả năng trợ lực của motor; màn hình hiển thị dạng đồ thị mô tả khả năng trợ lực của motor, giá trị cảm biến mô men và các núm điều khiển thay đổi tốc độ xe và mô men cản. Ngoài ra, mô hình cũng được tính toán kiểm nghiệm các giá trị về lực và mô men phù hợp với giá trị cho phép trên thực tế. ABSTRACT This paper presented the results of researching and designing the "Teaching Model of Electric Power Steering Systems Communicate with Computers via LabVIEW Software". The teaching model is designed to interface with computers for simulating the performance of the automotive steering systems. Students can operate the teaching model to simulate each operating mode of the automotive steering systems. On the model, we calculated and designed a component which can create the variable resistance torque while the car turns around and changes the speed. The console displays the results of the performance of the teaching model by LabVIEW software. On the main interface, it shows the parameters such as the changing voltage of the torque sensor, the assisting ability of the servo motor. The parameters are also displayed on the graphical display when we change the vehicle speed and resistance torque. In addition, during the designing process, we calculated and tested the values of the force and torque in accordance with the permitted values in practice. truyền thụ kiến thức cũng như rèn luyện kỹ I. Giới thiệu: năng nghề cho người học thuận tiện hơn. Trong những năm gần đây, ngành Công Nghệ Trong khi đó, hệ thống lái trên ô tô gặp nhiều Ô tô phát triển rất nhanh đặc biệt là các hệ khó khăn khi thiết kế chế tạo mô hình mang thống điều khiển cơ khí, thủy lực, khí nén tính thực tế, bởi vì hệ thống này là hệ thống di được thay thế điều khiển bằng điện và điện tử. chuyển và đồng thời các thông số phụ thuộc Trong đó, hệ thống lái trợ lực điện (Electric hệ thống cũng thay đổi theo khả năng di Power Steering – EPS) là một trong những hệ chuyển của hệ thống. Vì vậy, “mô hình hệ thống đang được ứng dụng rất mạnh mẽ trên thống lái trợ lực điện giao tiếp máy tính thông hầu hết các hãng xe trên thế giới nói chung và qua LabVIEW” đã được chúng tôi nghiên cứu Việt nam nói riêng. và thiết kế nhằm có thể áp dụng những thành Ngoài ra, trong lĩnh vực dạy học và nhất là tựu mà mô hình này mang lại, giúp cho các trong lĩnh vực đào tạo nghề, mô hình dạy học giáo viên và các học viên có thêm một đóng vai trò quan trọng, nó giúp người dạy phương tiện mới để học tập và nghiên cứu.
2. Mô hình “mô hình hệ thống lái trợ lực điện thủy lực ta thành lập được mô hình toán học giao tiếp máy tính thông qua LabVIEW” đã (Hình 2) được nghiên cứu và thiết kế hoàn chỉnh dựa trên cơ sở hệ thống lái trợ lực điện trên xe TOYOTA Prius. Mô hình ứng dụng phần mềm LabVIEW làm công cụ hỗ trợ giao tiếp giữa mô hình và máy tính để hiển thị các số liệu cần thiết cho người học như: Giá trị cảm biến mô men; Khả năng trợ lực của motor trợ lực. Đồng thời phần mềm cũng được ứng dụng tạo ra các chế độ làm việc của hệ thống lái giúp cho người học nhận thấy rõ khả năng đáp ứng của hệ thống thông qua máy tính. II. Cơ sỡ lý thuyết: 1. Mô hình toán học hệ thống lái trợ lực thủy lực: - Sơ đồ tổng quát hệ thống lái trợ lực thủy lực: Hình 2: Mô hình toán học hệ thống lái trợ lực thủy lực 1- Vô lăng; 2- Trục lái chính; 3- Cơ cấu lái; 4- Dẫn động lái; 5a, 5b – Bánh xe dẫn hướng; 6- Xi lanh trợ lực; P1 - Lực quay vòng của người lái đặt trên vành tay lái; P2 - Lực trên ngõng lái (hoặc thanh răng); P3-1 , P3-2 - Lực cản quay vòng các bánh xe; M1 – Mô men do người lái tác động vào trục lái. Trên mô hình toán học (Hình 2) của HTL có Hình 1: Sơ đồ tổng quát hệ thống lái trợ trợ lực có bố trí thêm phần tử 6, đó là phần tử lực thủy lực trợ lực. Phần tử trợ lực tạo ra một lực PTL tác động vào cơ cấu lái để hỗ trợ cho lực của Từ sơ đồ tổng quát của hệ thống lái trợ lực người lái. Như vậy, cơ cấu lái 3 sẽ là bộ phận thủy lực (Hình 1) ta nhận thấy rõ hệ thống tổng hợp của 2 lực: Lực do mô men M1 được này được bố trí phức tạp, tiêu hao nhiều công chuyển hoá từ lực của người lái P1 và lực PTL suất của động cơ dẫn động và làm việc không sinh ra do phần tử trợ lực. Cả 2 thông số này ổn định khi tốc độ xe tăng cao. Tuy nhiên, đều biến đổi theo lực cản quay vòng của ô tô. trong những năm gần đây, các hãng xe cũng cố gắng nghiên cứu khắc phục nhược điểm 2. Mô hình toán học hệ thống lái trợ lực của hệ thống lái này và cũng đã cho ra đời hệ thủy lực: thống lái trợ lực thủy lực được điều khiển - Sơ đồ tổng quát hệ thống lái trợ lực điện: bằng điện, hệ thống này đã khắc phục được khả năng làm việc không ổn định khi tốc độ xe cao, nhưng hệ thống trở nên quá phức tạp và tiêu hao nhiên liệu. - Mô hình toán học hệ thống lái trợ lực thủy lực: từ sơ đồ tổng quát của hệ thống lái trợ lực
3. CB tốc độ xe CB Ne - Máy tính (PC) - Phần mềm LabVIEW ECU-ABS ECU động cơ Card I/O - Thu thập dữ liệu từ các cảm ECU- biến. EPS - Truyền tín hiệu điệu khiển - Gửi tín hiệu hiện thị về máy tính Cảm Mô VL Motor Thước lái biến mô men trợ lực lái men cản Hình 3: Sơ đồ tổng quát hệ thống lái trợ lực điện - Mô hình toán học hệ thống lái trợ lực điện: Hình 5: Sơ đồ khối mô hình EPS Mô hình hệ thống được thiết kế bởi các bộ phận chính như: - Trục lái trợ lực điện và cơ cấu dẫn động: Các bộ phận của hệ thống được lắp đặt trên khung thép hình lập phương, thể hiện rõ kết cấu cơ bản bên ngoải của các cụm chi tiết và nguyên lý vận hành các bộ phận. - Bộ phận điều khiển hệ thống: Bao gồm các mạch điện điều khiển, ECU – EPS, ECU động cơ, ECU – ABS, các cực của ECU và công tắc điều khiển. Bộ phận này được thiết kế dạng bảng để thuận tiện cho việc kiểm tra, chẩn đoán hệ thống. Ngoài ra bộ phận này còn có các công tắc tạo pan và những công tắc này được thiết kế kín bên trong hộp của mô hình. 2. Mô hình hệ thống lái EPS Hình 4: Mô hình toán học hệ thống lái trợ lực điện 1- Vô lăng; 2- Trục lái chính; 3- Cơ cấu lái; 4- Dẫn động lái; 5a, 5b – Bánh xe dẫn hướng; 6- Motor trợ lực lái; P1 - Lực quay vòng của người lái đặt trên vành tay lái; P2 - Lực trên ngõng lái (hoặc thanh răng); P3-1 , P3-2 - Lực cản quay vòng các bánh xe; M1 – Mô men do người lái tác động vào trục lái; M – Mô men trợ lực lái TL III. Mô hình hệ thống lái trợ lực điện: 1. Sơ đồ khối mô hình hệ thống lái trợ lực Hình 6: Mô hình hệ thống lái EPS giao tiếp điện: với máy tính
4. 3. Giao diện điều khiển trên máy tính: hành thì không thể lúc nào cũng bố trí máy tính. Vì vậy, trên mô hình có bố trí thêm một LCD dùng để hiện thị các thông số như: Khả năng trợ lực của motor trợ lực; giá trị cảm biến mô men; tốc độ xe. IV. Kết quả thực nghiệm trên mô hình: Bảng kết quả tính toán và thực nghiệm giữa mô hình và trên xe Thực tế Mô hình hệ trên xe Diển giải thống lái trợ Toyota lực điện EPS Prius Mô men cản quay 1 2 3 4 5 vòng cực đại 28 Nm 378,3 Nm (MCmax) Hình 7: Giao diện điều khiển trên máy tính Lực tác dụng lên 1-Đồ thị biểu thị khả năng trợ lực của motro vô lăng lái lớn nhất 155,6 N 175,14 N và cảm biến mô men (Plmax) 2-Giá trị cảm biến mô men Thông qua kết quả trên ta nhận thấy lực tác 3-Giá trị trợ lực của motor dụng lên vô lăng lái của mô hình và trên ô tô 4-Núm điều khiển tốc độ xe không sai khác nhiều, đồng thời cả 2 giá trị 5-Núm điều khiển mô men cản quay vòng trên đều nằm trong giá trị cho phép. Giá trị cho phép lực tác dụng lên vô lăng khi chưa có 4. Màn hình LCD hiển thị khi không kết nối máy tính. cường hóa đối với xe du lịch là (150 – 200) N. V. Kết luận: Đây là nghiên cứu chế tạo mô hình hệ thống lái EPS giao tiếp với máy tính đầu tiên, mô hình cũng đã được tính toán kiểm nghiệm để đánh giá với kết quả thực tiễn đạt yêu cầu. Mô hình có thể được ứng dụng vào giảng dạy lý thuyết và thực hành tại các trường dạy Hình 8: Màn hình LCD bố trí trên mô hình nghề, cao đẳng hoặc đại học chuyên ngành công nghệ ô tô. Đồng thời nghiên cứu này Thiết kế mô hình dạy học khó khăn lớn nhất cũng là tài liệu giúp cho việc nghiên cứu chế là khả năng mô phỏng của mô hình và ứng tạo các mô hình dạy học sau này mang tính dụng mô hình vào giảng dạy. Do đó, khi thiết thực tế cao hơn. kế chúng tôi có sử dụng máy tính làm tăng khả năng mô phỏng, nhưng thực tế khi trong quá trình học tập đặc biệc là giờ học thực TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT 1. PGS.TS Đỗ Văn Dũng, Trang bị điện và điện tử trên ô tô hiên đại, NXB Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, 2004 2. Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng, Lý thuyết ô tô máy kéo, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, 1993 3. Trương Minh Chấp, Dương Đình Khuyến, Nguyễn Khắc Trai, Thiết kế tính toán ô tô - máy kéo, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, 1971
5. 4. Đặng Quý, Giáo trình ô tô 1, Đại học sư phạm kỹ thuật, 2010 5. Đặng Qúy, Giáo trình ô tô 2, Đại học sư phạm kỹ thuật, 2006 6. Nguyễn Khắc Trai, Cấu tạo gầm xe con, Nhà xuất bản giao thông vận tải, 1996 7. Ngô Diên Tập, Kỹ Thuật Vi Điều Khiển Với AVR, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội, 2003. 8. Phạm Minh Thái, Thiết kế hệ thống lái của ô tô - máy kéo bánh xe, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, 1991 9. Luận văn Thạc sĩ Lê Thanh Nhàn, thiết kế hộp ECU điều khiển hệ thống lái trợ lực điện, 2008 10. Luận văn Thạc sĩ Trần Văn Lợi, nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống lái trợ lực điện, 2010 11. Lê Đắc Đại - Hồ Trường Thạnh, Ứng dụng LabVIEW trong giao tiếp PC và hệ thống điều khiển động cơ, 2009 12. Phần mềm chuyên ngành điện – điện tử ô tô Mitchell OnDemand5, 2011 TIẾNG NƯỚC NGOÀI 13. JEFFREY Travis and JIM Kring, LabVIEW For Everyone Graphical Grogrammimg Made Easy and Fun, Third Edition, Prentice Hall, Tháng 7/2006. 14. Development of a Steering Angle and Torque Sensor of Contact-type by Akira Noguchi, Kosuke Yamawaki, Toshiro Yamamoto and Tomoaki Toratani 15. Toyota service training. 16. Steering system - electronic power steering _1996 Toyota Supra TÀI LIỆU INTERNET 17. 18. 19. Electric power steering device and control method utilized for controlling said electric power steering device
6. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.