Nghiên cứu chế tạo máy chẩn đoán các loại ECU điều khiển động cơ

Nội dung text: Nghiên cứu chế tạo máy chẩn đoán các loại ECU điều khiển động cơ

1. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÁY CHẨN ĐOÁN CÁC LOẠI ECU ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KS. Hồ Hữu Chấn Học viên cao học khóa: 2003-2005 Khoa Cơ khí Động lực Trường Cao đảng Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh long email: hohuuchan@yahoo.com Tóm tắt Hiện nay, công nghệ ôtô đã có những bước phát triển vượt bậc, đặc biệt là hệ thống điện và điện tử trên ôtô. Trong đó, ECU là mạch điện tử phức tạp nhất và được điều khiển theo chương trình. ECU liên tục tiếp nhận các tín hiệu từ các cảm biến, xử lý và đưa ra các tín hiệu điều khiển hoạt động của hệ thống phun xăng và đánh lửa một cách tối ưu. Do đó, để kiểm tra ECU, cần phải có các thiết bị và phần mềm chuyên dùng đắt tiền. Chế tạo máy chẩn đoán ECU với chi phí thấp để sử dụng trong các trạm sửa chữa ôtô và các trường dạy nghề là mục tiêu của đề tài. Nội dung đề tài “Nghiên cứu và chế tạo máy chẩn đoán các loại ECU” bao gồm các bước thực hiện sau: 1. Thực nghiệm xác định dạng xung của các tín hiệu vào cơ bản như: Tín hiệu cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP), cảm biến vị trí trục cam (CMP) trên xe Toyota, Nissan, Mitsubishi và Ford. 2. Nghiên cứu về hoạt động của ECU trang bị trên xe. 3. Lựa chọn các phương án tạo xung tín hiệu giả của các cảm biến CKP và CMP, xây dựng sơ đồ khối và thuật toán điều khiển. 4. Sử dụng vi điều khiển, LCD và các linh kiện điện tử hiện có trên thị trường Việt nam thiết kế và chế tạo mạch điện máy chẩn đoán. 5. Dùng ngôn ngữ Assembly lập trình cho hoạt động điều khiển máy. 6. Tiến hành thực nghiệm chẩn đoán trên ECU động cơ của các xe Toyota, Nissan, Mitsubishi và Ford bằng máy chẩn đoán được chế tạo, thực hiện so sánh với các kết quả của máy đo xung kỹ thuật số Snap-On 1500. Abstract Today, automotive technology have developed extremely, especially automotive electric and electronic systems. Therein, ECU-Electronic Control Unit is the most a complex electronic circuit and controlled by programming. It receives continuously signals from various sensors, processes and sends signals to control optimal operation of ignition and fuel injection systems. Thus, to inspect an ECU, involves high-priced dedicated devices and software. The objective of this thesis is to make ECU tester with cheaper cost for using in automotive service stations and vocational schools. The following issuses in the thesis “Researching and manufacturing ECU tester” will be carried out: 1. Experiments to determine pulse shape of basic input signals such as: Crankshaft position sensor (CKP) and Camshaft position sensor (CMP) signals of Toyota, Nissan, Mitsubishi and Ford vehicles. 2. Research operation of ECU, which have equipped on above-mentioned vehicles. 3. Select ways to produce simulative signal pulse of CMP and CKP sensors. 4. Construct control block schema and algorism. 5. Using microcontroller, LCD and electronic units, which are easy found in Vietnam market to design and produce electronic board of the tester. 6. Control operation of device by program in Assembly language.
2. To carry out diagnosis experiments on engine ECU of Toyota, Nissan, Mitsubishi and Ford vehicles with the manufactured tester and make comparison with the results of Snap-On 1500 digital oscilloscope. Giới thiệu Để nâng cao tính kinh tế nhiên liệu của động cơ và giảm bớt tình trạng ô nhiễm môi trường do khí thải của ôtô gây ra, hầu hết các ôtô con hiện nay đều được trang bị động cơ phun xăng và đánh lửa được điều khiển bằng điện tử. Trên các động cơ này, bộ điều khiển điện tử (ECU-Electronic Control Unit) điều khiển lượng nhiên liệu phun và thời điểm đánh lửa tối ưu theo các chế độ vận hành của động cơ. Tuy nhiên, ôtô sau một thời gian sử dụng sẽ có các hỏng hóc, trục trặc trong quá trình vận hành chẳng hạn như động cơ không khởi động được, hoặc động cơ bị dư xăng, thiếu xăng Các hiện tượng vừa kể trên có thể do hư hỏng của các bộ phận cơ khí trong động cơ, hoặc là do hỏng hóc từ hệ thống điều khiển phun xăng và đánh lửa, trong đó có bộ điều khiển điện tử ECU. Nghiên cứu chế tạo máy chẩn đoán các loại ECU có hai mục đích chính: Dùng để kiểm tra các loại ECU điều khiển động cơ trên ôtô, phục vụ cho công việc sửa chữa. Sử dụng làm mô hình giảng dạy về hệ thống điều khiển phun xăng và đánh lửa trên ôtô trong các trường dạy nghề. Cấu tạo máy chẩn đoán Hình 1 Máy chẩn đoán các loại ECU Cấu tạo máy chẩn đoán được trình bày tại hình 1 gồm các bộ phận chính như sau: Các đầu nối dây để liên kết với nguồn điện một chiều 12V từ ắc quy. Các phím điều khiển: Dùng để lựa chọn loại xe, loại cảm biến, tăng hoặc giảm tốc độ phát xung khi kiểm tra ECU. Chức năng của phím được hiển thị tại dòng dưới cùng của LCD tương ứng cho từng phím. Ví dụ ở hình1, phím F1 tương ứng với chữ Stop, phím F3 tương ứng với ký hiệu () giảm tốc độ phát xung Ngõ tín thiệu ra: Gồm có ngõ 3 phát xung vuông được ký hiệu là 1V, 2V và 3V. Có 3 ngõ phát xung sin tương ứng với 6 đầu nối dây được bố trí theo thứ tự từ trái sang phải và được ký hiệu là: 1S- 1S, 2S-2S, 3S-3S. Ngõ tín hiệu vào: Tổng cộng có 12 đầu nối dây, 6 dây nhận tín hiệu điều khiển đánh lửa (IGT) và 6 dây nhận tín hiệu điều khiển phun xăng (IJN) từ ECU. Màn hình hiển thị LCD: Có nhiệm vụ hiển thị kết quả kiểm tra tín hiệu điều khiển đánh lửa, phun xăng từ ECU. Ngoài ra, LCD còn hiển thị chế độ hoạt động của máy như: Loại cảm
3. biến, tăng hoặc giảm tốc, tốc độ đang phát xung và các chỉ dẫn về đấu dây tại ngõ ra của máy tương ứng với loại cảm biến đã chọn. Chức năng của máy chẩn đoán Máy chẩn đoán các loại ECU được sử dụng để kiểm tra đánh giá chức năng điều khiển đánh lửa, phun xăng của ECU điều khiển động cơ trên các xe của hãng Toyota, Nissan, Mitsubishi và Ford nhờ vào khả năng phát được tín hiệu giả xung G, NE của 19 loại cảm biến khác nhau trên các loại xe nói trên. Ngoài ra, máy có thể ghi nhận lại các số tín hiệu điều khiển phun xăng, đánh lửa trong một chu kỳ làm việc của động cơ và hiển thị trên LCD tạo điều kiện thuận lợi cho việc đánh giá kết quả kiểm tra. Thiết kế mạch điện Sau khi nghiên cứu lý thuyết về hoạt động điều khiển phun xăng và đánh lửa của ECU, cấu tạo và dạng xung của các tín hiệu đầu vào từ các cảm biến. Đồng thời người nghiên cứu cũng đã thực nghiệm xác định các dạng xung tín hiệu vào từ các cảm biến cơ bản như: Cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP), cảm biến vị trí trục cam (CMP) trên các loại xe Toyota, Nissan, Mitsubishi và Ford. Từ lý thuyết và kết quả thực nghiệm, người nghiên cứu đã lựa chọn các phương án để tạo xung tín hiệu giả của các cảm biếm nêu trên. Ứng dụng vi điều khiển, màn hình tinh thể lỏng (LCD) và các linh kiện điện tử hiện có trên thị trường Việt nam thiết kế mạch điện điều khiển cho máy chẩn đoán như sau: Mạch cấp nguồn và điều khiển Máy chẩn đoán sử dụng nguồn điện một chiều 12V do accu cung cấp, đồng thời các mạch xử lý và mạch hiển thị phải sử dụng điện áp chuẩn là 5V do đó cần phải có mạch ổn áp để có được điện áp cần dùng. Để lựa chọn các chế độ làm việc của máy, chọn loại xe, chọn cảm biến và thay đổi tốc độ phát xung, cần phải bố trí có các phím chức năng trong mạch. Các linh kiện trong mạch cấp nguồn và điều khiển gồm có: LM7805: Vi mạch ổn áp, cung cấp nguồn cho toàn mạch. R1, C1: Mạch tự động reset cho vi điều khiển khi mới bật nguồn. Y1, C2, C3: Mạch kết nối để tạo ra dao động cho vi điều khiển. AT89S52: Vi mạch xử lý chính (phát xung, nhận xung vào, quét phím, lưu dữ liệu và đưa ra LCD hiển thị). Sử dụng 5 đường ở port 1 để lập 4 phím là SW1, SW2, SW3, SW4 là bàn phím dạng ma trận. Diode D7 để bảo vệ mạch trong trường hợp đấu sai cực cấp nguồn từ ắc quy. Mạch phát xung tín hiệu G và NE Mạch này có chức năng phát xung G và NE của các loại cảm biến sử dụng trên các xe đã khảo sát, bao gồm xung sin (S) và xung vuông (V). Port 2: Sử dụng 8 đường để điều khiển phát xung. Chân P2.0, P2.1, P2.3 điều khiển phát xung sin thay cho các cảm biến loại điện từ. Chân P2.4, P2.5, P2.6 điều khiển phát xung vuông thay cho các cảm biến quang và Hall. Port P2.6 điều khiển LED D23 hiển thị sau mỗi một chu kỳ phát xung (tương ứng 720oCA). T1, T2, T3: Biến áp dùng để tạo xung giả tín hiệu cảm biến điện từ. Tụ C6, C7, C8 và các điện trở R21, R22, R23 tạo thành mạch dao động R-L-C trong mạch sơ cấp của T1, T2 và T3. Các diode D20, D21, D22 bảo vệ quá áp trong mạch sơ cấp. Diode ổn áp D24, D25, D26, D27, D28, D29: Ổn định điện áp ngõ ra trong trường hợp phát xung ở tần số cao. Transistror Q1, Q2, Q3: Điều khiển dẫn và ngắt dòng trong cuộn sơ cấp của các biến áp T1, T2 và T3. Mạch ghi nhận tín hiệu điều khiển từ ECU Mạch này có nhiệm vụ đếm các xung điều khiển đánh lửa và phun xăng từ ECU là IGT và IJN trong một chu kỳ làm việc của động cơ, sau đó gởi số đếm này hiển thị lên LCD.
4. Sử dụng 4 chân tại port 3 của vi điều khiển như sau: P3.2 và P3.5 đếm số xung điều khiển đánh lửa (IGT). Chân P3.3 và P3.4 đếm số xung điều khiển phun xăng (IJN). Đầu nối BR4: Có 12 giắc nối dùng để liên kết dây đến ECU trong quá trình chẩn đoán. R8, R113, transistor Q9, các diode D113 đến D118 tạo thành mạch khuếch đại đảo để đưa xung điều khiển phun xăng (IJN) vào chân P3.3 và P3.4 của vi điều khiển. R114, transistor Q10, các diode từ D119 đến D124 tạo thành mạch khuếch đại đảo để đưa xung điều khiển đánh lửa (IGT) vào chân P3.2 và P3.5 của vi điều khiển. Các LED từ D101 đến D106 hiển thị tín hiệu điều khiển phun xăng (IJN), D107 đến D112 hiển thị tín hiệu điều khiển đánh lửa (IGT) từ ECU. Mạch hiển thị Mạch này có nhiệm vụ là hiển thị các chế độ hoạt động và kết quả kiểm tra của máy chẩn đoán, và số tín hiệu điều khiển phun xăng và đánh lửa của ECU. Sử dụng LCD 4x20: Màn hình hiển thị tinh thể lỏng (với 20x4 chữ số cần hiển thị), vi mạch này được khởi tạo và điều khiển trực tiếp từ VĐK (Vi điều khiển). Port 0: Làm bus dữ liệu để truyền dữ liệu qua lại giữa VĐK và LCD để hiển thị (R2 là điện trở kéo lên cho Port 0). Sử dụng 3 trong 8 chân của port 1 là P1.1, P1.0 và P1.2 của vi điều khiển để điều khiển LCD. R3, R4, R5: Các điện trở kết nối với LCD để phân cực và chỉnh độ sáng tối cho LCD. VCC VDD +12V BR7 D29 1 T1 4 1 VSS R7 1 +12V 1 2 1 R21 R2 A0 2 1 2 VCC D24 R C6 1 2 D0 A1 3 VCC MSV2 2 1 CAP NP D20 VCC 3 D1 A2 4 VCC BR6 2 3 2 2 1 4 D2 P1.3 5 2 R6 5 D3 P1.4 6 10K 1 1 D25 1 T2 4 6 D4 P1.5 7 1 2 2 2 1 R22 4.7K 7 D5 P1.6 8 1 1 3 1 D26 R C7 1Q1 4.7 8 D6 P1.7 9 4 2 1 CAP NP D21 C 9 D7 C R3 R4 5 2 3 2 2 1 C 69K 6 2 U2 2 3 10 7 1 D27 1 T3 4 1Q2 D0 7 8 1 D22 DB0 2 3 4 5 6 7 8 9 2 D1 2 2 1 R23 D [0 7] 8 9 D28 R C8 2 1 D2 9 DB1 2 U1 DB2 MSV9 2 1 CAP NP3 D3 10 15 DB3 V_A 2 3 2 1Q3 21 39 D0 D4 11 P2.0/A8 P0.0/AD0 DB4 2 22 38 D1 D5 12 23 P2.1/A9 P0.1/AD1 37 D2 D6 13 DB5 3 P2.2/A10 P0.2/AD2 DB6 Vlc 1 3 24 36 D3 D7 14 2 25 P2.3/A11 P0.3/AD3 35 D4 DB7 R5 P2.4/A12 P0.4/AD4 BR4 1Q4 26 34 D5 P1.1 5 16 1K C0 27 P2.5/A13 P0.5/AD5 33 D6 P1.0 4 R/W V_C 1 C1 28 P2.6/A14 P0.6/AD6 32 D7 P1.2 6 RS 2 1 P2.7/A15 P0.7/AD7 EN 3 C2 2 3 2 C3 R19 10 1 P1.0 4 L1682 C4 1Q5 R 11 P3.0/RXD P1.0 2 P1.1 5 C5 12 P3.1/TXD P1.1 3 P1.2 P1.3 6 P3.2/INT0 P1.2 C6 13 4 P1.3 SW1 SW2 SW3 SW4 7 2 P3.3/INT1 P1.3 3 C7 2 14 5 P1.4 P1.4 1 2 1 2 1 2 1 2 8 C8 P3.4/T0 P1.4 P1.5 P1.5 C[0 11] VCC 1Q6 15 6 9 P3.5/T1 P1.5 C9 D23 16 7 P1.6 P1.6 10 1 C10 1 2 17 P3.6/WR P1.6 8 P1.7 P1.7 11 VCC P3.7/RD P1.7 C2 C11 R8 3 12 R LED 30 19 1 2 ALE/PROG XTAL1 2 D101 MSV12R101 D113 29 18 1 22 1 C11 C112 1 PSEN XTAL2 VCC D102 R102 D114 C3 2 31 1 22 1 C10 C102 1 EA/VPP 9 1 2 VCC D103 R103 D115 RST LED R DIODE 1 1 22 1 C9 C9 2 1 Y1 VCC 2 LEDD104 RR104 DIODED116 R113 AT89C51 12M VCC BR1 1 22 1 C8 C8 2 1 1 21 Q9 R1 C1 VCC 1 LEDD105 RR105 DIODED117 NPN BCE 1 2 2 1 VCC 2 1 22 1 C7 C7 2 1 R VCC D106 R106 D118 3 LED R DIODE 3 8.2K 10U 4 1 22 1 C6 C6 2 1 VCC 5 LED R DIODE 6 D107 R107 D119 2 LED 12 R 1 C5 C5 1 DIODE 2 MSV6 D108 R108 D120 2 12 1 C4 C4 1 DIODE 2 LEDD109 RR109 D121 2 12 1 C3 C3 1 DIODE 2 R114 2 D110 R110 LED R D122 1 21 Q10 U3 VCC 2 12 1 C2 C2 1 DIODE 2 NPN BCE D7 LM7805 LEDD111 RR111 D123 R 1 2 1 3 +12V VI VO 2 12 1 C1 C1 1 DIODE 2 3 LEDD112 RR112 D124 DIODE 1 1 1 2 12 1 C0 C0 1 DIODE 2 GND LED R C9 C4 C5 DIODE 470U 10U 2 10U 2 2 LED R 2 Hình 2 Sơ đồ mạch điện máy chẩn đoán các loại ECU Thực nghiệm chẩn đoán ECU Sau khi chế tạo, người nghiên cứu đã tiến hành các thực nghiệm chẩn đoán ECU trên các xe Nissan, Mitsubishi, Ford và Toyota đồng thời kết hợp với máy đo xung chuyên dùng Snap-On 1500 để kiểm tra dạng xung tín hiệu giả do máy chẩn đoán phát ra và hiển thị các tín hiệu điều khiển phun xăng và đánh lửa từ ECU. Kết quả kiểm tra ECU lắp trên xe Mitsubishi Galant và Hyundai Elantra, động cơ 2.0 DOHC, 4 xy lanh, đánh lửa trực tiếp loại một bôbin đánh lửa cho hai bugi, điều khiển phun độc lập, sử dụng cảm biến Hall hoặc quang loại 2V-4V như sau: Xung giả tín hiệu G và NE của loại cảm biến 2V-4V:
5. Hình 3 Xung giả tín hiệu G và NE (tại tốc độ 150v/ph) Tín hiệu điều khiển đánh lửa IGT1 và IGT2 từ ECU: Hình 4 Tín hiệu điều khiển đánh lửa IGT(14) và IGT(23) Tín hiệu điều khiển kim (IJN) phun: Hình 5 Tín hiệu điều khiển kim phun số 1 (IJN 1) Kết luận Từ các kết quả đạt được trong quá trình thực nghiệm chẩn đoán cho thấy: Các xung giả tín hiệu G và NE do máy chẩn đoán các loại ECU phát ra rất đúng với dạng xung của các cảm biến thực tế, đặc biệt là xung vuông của cảm biến Hall và cảm biến quang. Xung tín hiệu giả hoàn toàn có khả năng kích thích chức năng điều khiển đánh lửa và điều khiển phun xăng của ECU. Máy chẩn đoán hiển thị chính xác các tín hiệu điều khiển đánh lửa, điều khiển phun xăng từ ECU giúp người kiểm tra dễ dàng đánh giá kết quả chẩn đoán. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với dạng xung điều khiển đánh lửa, điều khiển phun xăng hiển thị trên máy đo xung chuyên dùng Snap-On 1500.
6. Ngoài ra, máy chẩn đoán các loại ECU còn có những ưu điểm nổi bật là: Kết cấu gọn, nhẹ, dễ sử dụng và bảo quản, có thể phát xung tín hiệu giả ở nhiều tần số khác nhau, tăng độ chính xác trong quá trình chẩn đoán. Điều này không thể thực hiện được khi dùng các cảm biến thực tế phát xung để kiểm tra ECU, đặc biệt đối với các cảm biến loại tách rời sử dụng trên các động cơ đánh lửa trực tiếp. Máy còn có thể dùng để giảng dạy các dạng xung của cảm biến. Tuy nhiên vẫn có một số hạn chế trong quá trình sử dụng máy như: Đòi hỏi người kiểm tra phải có kiến thức nhất định về hệ thống điều khiển phun xăng và đánh lửa trên ôtô, các sơ đồ đấu dây, loại cảm biến sử dụng tương ứng để có sự lựa chọn phù hợp khi kiểm tra. Với những kết quả đạt được vừa nêu trên, ứng dụng máy chẩn đoán các loại ECU vào phục vụ công việc sửa chữa, bảo dưỡng ôtô trên thực tế tại các gara là hoàn toàn thích hợp. Đối với các trường dạy nghề, thiết bị chẩn đoán là một mô hình trực quan sinh động trong quá trình giảng dạy về dạng tín hiệu các cảm biến G và NE, chức năng điều khiển phun xăng và đánh lửa của ECU, hiệu quả đạt được trong giảng dạy sẽ cao hơn nếu sử dụng kết hợp với thiết bị đo xung Snap-On 1500. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Đỗ văn Dũng - Trang bị điện và điện tử trên ôtô hiện đại - Nhà xuất bản Đại học quốc gia Tp Hồ chí Minh, năm 2004. [2] Tống văn On, Hoàng đức Hải - Họ vi điều khiển 8051 – Nhà xuất bản Lao động-Xã hội, năm 2001. [3] Tống văn On - Vi mạch và mạch tạo sóng- Nhà xuất bản giáo dục, năm 2000. [4] FORD service Training - Laser 1999 models. [5] Toyota – Toyota computer control system.
7. 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.