Nghiên cứu, đánh giá một số phương pháp mới đo tốc độ động cơ

Nội dung text: Nghiên cứu, đánh giá một số phương pháp mới đo tốc độ động cơ

1. NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP MỚI ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ RESEARCHING AND EVALUATING SOME NEW METHODS TO MEASURE ENGINE SPEED KS Đinh Tấn Ngọc, PGS.TS Đỗ Văn Dũng, GVC ThS Đỗ Quốc Ấm Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh. TÓM TẮT Bài báo “Nghiên cứu, đánh giá một số phương pháp mới đo tốc độ động cơ” trình bày mối liên hệ của tốc độ động cơ với các tín hiệu thu được từ các cảm biến, hệ thống. Nghiên cứu quan tâm tới 3 tín hiệu: tín hiệu của cảm biến đo áp suất tuyệt đối đường ống nạp, tín hiệu cảm biến vị trí trục cam và tín hiệu điện áp ắc quy khi động cơ hoạt động và dựa vào các tín hiệu này để tính tốc độ động cơ. Người nghiên cứu so sánh độ chính xác và khả năng ứng dụng thực tiển của các phương pháp đo sử dụng các tín hiệu trên. Phương án được đưa ra để giải quyết yêu cầu đề tài là dùng mạch điện tử để chuyển đổi tín hiệu gốc thành tín hiệu điện áp dạng xung, để đưa vào vi điều khiển. Vi điều khiển sẽ thực hiện các tính toán và hiển thị kết quả trên màn hình LCD. Kết quả cuối cùng đã hoàn thành máy đo tốc độ động cơ dựa vào các tín hiệu nêu trên. Thực nghiệm kết quả đo cho thấy máy cho kết quả với sai số đạt yêu cầu và thể hiện được khả năng đáp ứng của từng tín hiệu. Từ khóa: tốc độ động cơ, tín hiệu, vi điều khiển. ABSTRACT The article "Researching, evaluating some new methods to measure engine speed" presents the relationship between engine speed and signals which are obtained from sensors and system of engine. Specifically, Researcher are only interested three signals: the signal of MAP sensor, signal from camshaft position sensor and the battery voltage when the engine is operating. Based on these signals, engine speed has been calculated. Comparison of accuracy and ability to apply of each method which used to definate from these signals. To solve this problem, the researcher used electronic circuits to convert the original signal into pulse signal and then send it to the microcontroller. Microcontroller will calculate and display results on LCD. The end, the researcher manufactured the measuring equipment based on three signals: signal of the MAP sensor, signal camshaft position sensor, battery voltage signal. Experimental results show that this equipment measures with small error. Key words: engine speed, signal, microcontroller. 1. Giới thiệu: Với ý tưởng là nếu các bộ phận, chi tiết được Tốc đô ̣đôṇ g cơ là môṭ thông số r ất quan kết nối với động cơ thì ta có thể tính được tốc độ trọng, chứ a đưṇ g nhiều thông tin phản ánh toàn động cơ. Do đó, người nghiên cứu đưa ra phương diêṇ tình traṇ g làm viêc̣ của đôṇ g cơ . Dựa vào tốc pháp dùng tín hiệu từ c ảm biến đo áp suất tuyệt độ động cơ và thông qua hệ thống chẩn đoán đối đường ống nạp MAP và tín hiệu điện áp ắc qui người ta có thể biết được tình trạng làm việc của trong hệ thống cung cấp điện để tính toán tốc độ động cơ. động cơ. Và so sánh kết quả với việc đo tốc độ Hiện nay có nhiều phương pháp được sử động cơ từ cảm biến vị trí trục cam tín hiệu. dụng để xác định tốc độ động cơ trên ô tô bằng 2. Nội dung cách nhận tín hiệu gửi về từ các cảm biến như: 2.1 Áp suất chân không trên đường ống nạp [1] cảm biến điện từ, cảm biến Hall, cảm biến quang Dao động của áp suất chân không trên và dùng tín hiệu từ cực âm bobine sau đó đưa đường ống nạp xuất phát từ quá trình thay đổi môi tín hiệu này vào bộ xử lý để xác định tốc độ động chất trong quá trình hoạt động của động cơ. cơ. 1
2. với 4 dao động của tín hiệu. Do đó, tốc độ động cơ liên hệ với tần số dao động này như sau: RPM = 60.fMAP/2= 30fMAP (1) Tổng quát, đối với động cơ 4 kỳ n xi lanh thì: RPM = (2) 2.3.2 Tín hiệu điện áp ắc quy Hình 1: Đồ thị công vùng thấp áp của quá trình thay đổi môi chất.[1] Có nghĩa là tần số của dao động áp suất phụ thuộc vào tần số thay đổi môi chất của các xi lanh trong động cơ. Tốc độ động cơ càng lớn, tần số thay đổi môi chất càng lớn, dao động của áp suất càng nhanh. Như vậy, tốc độ động cơ quy định tần Hình 4: Mối liên hệ giữa điện áp ắc quy và tín số dao động của áp suất, hay từ tần số dao động hiệu đánh lửa IGT1 trên động cơ 1G-FE của áp suất chân không trên đường ống nạp ta có Đối với động cơ 4 kỳ n xi lanh thì mối thể xác định được tốc độ động cơ. liên hệ giữa tần số đánh lửa và tốc độ động cơ là: 2.2 Hê ̣thố ng cung cấp điện trên ô tô [2] RPM= (3) (4.10) Điện áp trung bình giữa hai đầu ắc quy khi Như vậy, bằng cách xác định tần số sụt áp có động cơ hoạt động là từ 13,8V đến 14,2V theo tính chu kì của điện áp ắc quy, ta có thể tính được hoạt động của bộ tiết chế. Có thể xem điện áp 2 tốc độ động cơ. đầu ắc quy là hiệu của điện áp máy phát sau chỉnh Ưu điểm của phương pháp này là không cần lưu và sụt áp do tải điện khi động cơ hoạt động. biết tỉ số truyền giữa động cơ và máy phát, không Thành phần sụt áp do điện áp tiêu thụ khi đánh lửa cần quan tâm tới số cặp cực mà chỉ cần biết số kỳ có tính chu kỳ rõ ràng nhất. và số xi lanh là có thể tính được tốc độ động cơ. 2.3 Biên dạng tín hiệu cua cam biến MAP va tín ̉ ̉ ̀ 2.4 Thiết kế mạch tính tốc độ động cơ từ cảm hiệu điện áp ắc quy biến MAP, vị trí trục cam, tín hiệu điện áp ắc qui 2.3.1 Tín hiệu chân PIM của cảm biến MAP 2.4.1 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn (Toyota) Hình 2:Biên dạng tín hiệu chân PIM cảm biến Hình 5: Sơ đồ mạch nguồn 12V MAP và tín hiệu G Hình 6: Sơ đồ mạch nguồn 5V Hình 3: Biên dạng tín hiệu chân PIM khi tăng 2.4.2 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý tín hiệu PIM, giảm tốc độ G và BATT Dao động có tính chu kỳ của tín hiệu PIM là do hoạt động của kỳ nạp động cơ gây nên. Khi ở kỳ nạp ở một xi lanh bất kỳ, độ chân không trên đường ống góp nạp tăng làm điện áp chân PIM giảm. Qua khỏi kì nạp, áp suất tăng làm điện áp tăng. Ở động cơ 4 kỳ 4 xi lanh, trong hai vòng quay trục khuỷu có bốn kỳ nạp xảy ra, tương ứng Hình 7: Mạch xử lý tín hiệu cảm biến MAP 2
3. Mục đích của mạch xử lý là biến đổi các dao - Tín hiệu điện áp ắc quy: động có tính chu kì của tín hiệu đầu vào thành các Do đó, phương pháp xử lý tín hiệu này hoàn tín hiệu ra dạng xung vuông có thể đếm được. toàn tương tự như xử lý tín hiệu cảm biến MAP - Tín hiệu cảm biến MAP: nhưng ta kèm theo một cầu phân áp để hạ điện áp Đặc điểm của tín hiệu này là các dao động có tín hiệu xuống trước khi đưa vào xử lý. tính chu kỳ theo quá trình nạp của từng xi lanh có giá trị nhỏ (thường khoảng 100mV đối với động cơ 4 xi lanh) và giá trị điện áp trung bình không ổn định mà thay đổi theo tốc độ và tải của động cơ. Do vậy không thể biến đổi tín hiệu về xung vuông ngay được. Hình 13: Mạch xử lý tín hiệu điện áp ắc quy 2.4.3 Sơ đồ mạch vi điều khiển ATMEGA 16 Hình 8: Dạng tín hiệu của cảm biến MAP khi tăng giảm tốc Hình 9: So sánh tín hiệu cảm biến MAP trước và sau mạch lọc thông thấp Tín hiệu sau cùng được đưa vào mạch Trigger Smith dùng IC NE555. Hình 14: Mạch giao tiếp ATMEGA16.[6] Các tín hiệu vào MAP, G và BATT lần lượt đưa vào ba chân ngắt ngoài INT1/PD3, INT0/PD2 và INT2/PB2. 2.4.4 Thuật toán tính tốc độ động cơ Phương pháp xử lý là tính tần số của tín hiệu f = 1/T rồi dựa vào mối liên hệ giữa tần số tín hiệu Hình 10: Cấu tạo IC 555 và tín hiệu sau khi qua và tốc độ động cơ để tính ra tốc độ động cơ. mạch Trigger Smith dùng IC 555 [6] Lưu đồ thuật toán xử lý tín hiệu cảm biến - Tín hiệu cảm biến G: MAP như sau, với tín hiệu G và tín hiệu điện áp Tín hiệu này đã có sẵn cạnh xuống nên chỉ cần ắc quy xử lý hoàn toàn tương tự: mắc nối tiếp tín hiệu với điện trở 1kΩ và mắc song song với Zener 5,1V làm nhiệm vụ xén xung tín hiệu khi giá trị điện áp tăng cao ở tốc độ cao. Hình 11: Xử lý tín hiệu cảm biến G Hình 12: Tín hiệu cảm biến G Hình 15: Sơ đồ khối thuật toán xử lý tín hiệu 3
4. 3. Thử nghiệm và đánh giá kết quả Kết quả từ đồ thị đáp ứng tốc độ của 3 3.1 Thử nghiệm phương pháp cho thấy sai số tốc độ của mỗi Kết nối các dây tới các cực tín hiệu có sẵn trên phương pháp là khá nhỏ. ECU: chân PIM của cảm biến MAP, chân BATT, 4. Kết luận chân tín hiệu G và chân lấy mass tín hiệu E2. Bài báo về “Nghiên cứu, đánh giá một số 3.2 Đánh giá kết quả phương pháp mới đo tốc độ động cơ” đạt được 3.2.1 Tín hiệu sau khi đƣợc xử lý một số kết quả như sau: Dạng chung của tín hiệu trước và sau xử lý: - Nêu được mối liên hệ giữa tốc độ động cơ và hệ thống trên động cơ mà ở đây thực hiện trên 3 tín hiệu tiêu biểu là PIM, G và BATT. - Thiết kế và thi công thành công thiết bị đo tốc độ động cơ từ các tín hiệu đó. - So sánh, đánh giá mức độ phản ánh chính xác giá trị tốc độ động cơ của các tín hiệu. Hình16: Dạng chung của 3 tín hiệu trước khi xử lý Đề tài đạt được một số kết quả nhất định nhiều ý nghĩa về mặt khoa học cũng như thực tiễn. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Tất Tiến, Nguyên lý động cơ đốt trong, Nhà xuất bản Giáo dục, 2000. Hình 17: Dạng chung của 3 tín hiệu sau khi xử lý [2] Đỗ Văn Dũng, Trang bị điện và điện tử trên ô Nhận xét: tô hiện đại, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia - Tín hiệu MAP: có dạng xung vuông có độ Tp.HCM, 2004. rộng gần đều nhau, chu kỳ của các xung đều nhau Tiếng Anh ở tốc độ thấp và chu kì giảm nếu tốc độ tăng lên, [3] J.Hotchkiss, Barbaral and Jones, Measurement không có hiện tượng mất xung hay thừa xung khi of engine speed by the analysis of vibration động cơ hoạt động bình thường. [4] SONGXiang, LIXu và ZHANGWei-gong, The - Tín hiệu BATT: có dạng như tín hiệu MAP new Measurement Algorithm of the Engine Speed và có cùng tần số với tín hiệu MAP nhưng độ rộng Base on the Basic Frequency of Vibration Signal xung nhỏ hơn, không có hiện tượng mất xung hay [5] HinbLin và KanDing , A new method for thừa xung nếu động cơ vẫn bình thường. measuring engine rotational speed based on the - Tín hiệu G: có dạng xung nhọn, không khác vibration, discrete spectrum correction technique nhiều so với tín hiệu vào nhưng biên độ tín hiệu [6] ATmega 16, NE555, LCD1602, TL084 không vượt quá mức 5,1 V . Opamp datasheet Website [7] www.hocavr.com [8] [9] HUC/TTDien Hình 18: Đồ thị đáp ứng tốc độ của 3 phương pháp đo (được vẽ bằng phần mềm Excel) Thông tin liên hệ tác giả chính: Họ tên: Đinh Tấn Ngọc Đơn vị: Bộ môn Động Cơ, Khoa Cơ Khí Động Lực, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật, Tp Hồ Chí Minh. Điện thoại: 0167.9035.536 Email: ngocdt@hcmute.edu.vn 4
5. 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.