Thiết kế chế tạo ECU điều khiển hệ thống điều hòa tự động - Lê Minh Mẫn

Nội dung text: Thiết kế chế tạo ECU điều khiển hệ thống điều hòa tự động - Lê Minh Mẫn

1. THIẾT KẾ CHẾ TẠO ECU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA TỰ ĐỘNG DESIGN AND FABRICATION ECU CONTROLS THE AUTOMATIC AIR CONDITIONING SYSTEM Kỹ sư : Lê Minh Mẫn TÓM TẮT Trên ô tô hiện nay được trang bị các hệ thống rất hiện đại, các hệ thống này chủ yếu được điều khiển bằng các con chíp thông minh. Hệ thống điều hịa tự động cũng được trang bị con chíp ấy để điều khiển hệ thống một cách tối ưu nhất nhằm đem lại sự tiện nghi sang trọng, kinh tế và hơn hết là vấn đề bảo vệ sức khỏe con người. ECU điều khiển hệ thống điều hòa tự động được thiết kế và chế tạo dựa vào các tham số thực nghiệm của chiếc xe Toyota Camry: Các chế độ điều khiển mô tơ servo, tốc độ quạt giàn lạnh, thời điểm đóng ngắt rơle ly hợp từ, Các chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ lập trình Assemler. Mạch điều khiển được thí nghiệm trên mô hình mô phỏng. Đó là nội dung của luận văn cao học với đề tài: “Thiết kế chế tạo ECU điều khiển hệ thống điều hòa tự động”. ABSTRACT Cars today are equipped with modern systems, these systems are mainly controlled by the smart chip. Automatic air conditioning system is also equipped with chips that control to an optimal system to bring comfort and luxury, economic and above all the protection of human health. ECU controls the automatic air conditioning system is designed and manufactured based on the experimental parameters of the Toyota Camry: The servo motor control mode, fan speed cooler, magnetic clutch relay switching time, The control program is written in the programming language Assemler. Controller was tested on the simulation model. It is the content of the high school essay topic: "Design, manufacturing, ECU control automatic air conditioning system." 1
2. I. ĐẶT VẤN ĐỀ: Cùng với xu hướng phát triễn của kỹ thuật điều khiển điện tử, ngày nay trên các ô tô hiện đại trang bị ngày càng nhiều các bộ phận điều khiển bằng điện, nhằm đem lại sự tiên nghi sang trọng, kinh tế và hơn hết là vấn đề bảo vệ sức khỏe con người. Mặt khác, với những đòi hỏi ngày càng cao của người sử dụng làm cho bài toán kỹ thuật càng trở nên khó khăn hơn, là sự thách thức lớn đối với những nhà kỹ thuật. Nhờ kỹ thuật điện-điện tử và công nghệ thông tin đã giúp cho các nhà kỹ thuật giải quyết bài toán khó trở nên đơn giản hơn, chính xác hơn. Do đó các ôtô sản xuất ngày nay được trang bị hệ thống điện-điện tử khá phức tạp như hệ thống phun xăng, hệ thống điều hòa không khí tự động, hệ thống phanh chống hãm cứng, hệ thống treo điện tử, hệ thống đánh lửa điện tử, hệ thống kiểm soát khí thải II. NỘI DUNG: 1. Hệ thống điều hòa không khí tự động Hệ thống điều hòa không khí tự động được phát triển để loại bỏ các thao tác điều chỉnh không thuận tiện này. Hệ thống điều hòa không khí tự động phát hiện nhiệt độ bên trong xe và nhiệt độ môi trường, bức xạ mặt trời từ đó điều chỉnh nhiệt độ khí thổi cũng như tốc độ quạt một cách tự động theo nhiệt độ đặt trước bởi người lái. Hệ thống điều hoà không khí tự động được kích hoạt bằng cách đặt nhiệt độ mong muốn bằng núm chọn nhiệt độ và ấn vào công tắc AUTO. Hệ thống sẽ điều chỉnh ngay lập tức và duy trì nhiệt độ ở mức đã thiết lập nhờ chức năng điều khiển tự động của ECU. 2
3. Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống điều hòa không khí tự động Tín hiệu đầu vào của ECU hệ thống điều hòa tự động gồm 4 nhóm tín hiệu chính: 1- Tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ, các cảm biến này dùng để xác định nhiệt độ. 2- Tín hiệu từ cảm biến bức xạ mặt trời dùng để xác định cường độ ánh sáng mặt trời. 3- Tín hiệu từ công tắc áp suất dùng để xác định áp suất của môi chất. 4- Tín hiệu từ bản điều khiển. Sau khi nhận được tín hiệu từ các cảm biến và công tắc thì ECU sẽ xử lý thông tin và gửi tín hiệu ra để điều khiển các motor servo, motor quạt và rơle ly hợp từ của A/C. 3
4. 2. Thiết kế và chế tạo mạch ECU điều khiển hệ thống điều hòa tự động a. Giới thiệu về Atmega128 Hình 2: Sơ đồ chân Atmega128 * Các cổng vào ra của Atmega128: + Chíp có 64 chân. + Gồm 53 chân có thể lập trình. + Dải điện áp làm việc từ 4.5÷5.5V + Dải tốc độ từ 0÷16MHz. 4
5. b. Thuật toán điều khiển hệ thống điều hòa không khí tự động  Lý thuyết điều khiển Các hệ thống điều khiển cổ điển thường được thiết kế với liên hệ ngược (feedback control). Mặt dù trong một hệ thống có nhiều thông số phụ thuộc, đầu tiên ta hãy xét hệ thống với một thông số. Hình 3: Sơ đồ cấu trúc bộ điều chỉnh PID Trong đó: z(t)_Tín hiệu đầu vào e(t)_Sai lệch điều khiển, e(t)= z(t)-y(t) x(t)_Tín hiệu điều khiển u(t)_ Tín hiệu ra y(t)_Tín hiệu phản hồi Nếu hệ thống làm việc lý tưởng thì giá trị e(t) trong một khoảng thời gian nào đó (ví dụ ở thời điểm nhiệt độ trong xe đạt nhiệt độ mong muốn) phải bằng 0. Trên thực tế giữa 2 tín hiệu z(t) và y(t) luôn có sự chênh lệch và bộ vi điều khiển sẽ dựa vào sự chênh lệch đó để đưa ra xung x(t) điều khiển cơ cấu chấp hành. Việc thay đổi này sẽ tác động đến thông số đầu ra của cơ cấu chấp hành u(t). Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để tính toán đầu ra của bộ điều khiển PID. Định nghĩa rằng u(t) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng của PID là: 푡 푒 U(t) = Pout + Iout + Dout= KP.e(t) + KI 푒 푡 푡 + KD. 0 푡 Trong đó: Pout: Thừa số tỉ lệ của đầu ra Iout: Thừa số tích phân của đầu ra Dout: Thừa số vi phân của đầu ra KP: Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh 5
6. Ki: Độ lợi tích phân, một thông số điều chỉnh Kd: Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh e: Sai số =z(t)-y(t)= set motor t: Thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)  Sơ đồ thuật toán điều khiển hệ thống điều hòa không khí tự động Hình 4: Sơ đồ thuật toán điều khiển hệ thống điều hòa không khí tự động 6
7. c. Hộp ECU của hệ thống điều hòa không khí tự động Nguyn lý điều khiển: Sau khi ECU nhận được tín hiệu từ các cảm biến, công tắc áp suất và bản điều khiển, thì ECU sẽ tính toán nhiệt độ và lượng không khí được hút vào dựa trên nhiệt độ được xác định bởi mỗi cảm biến và nhiệt độ mong muốn xác lập ban đầu. Những giá trị này được sử dụng để điều khiển vị trí cánh trộn khí, tốc độ motor quạt giàn lạnh, vị trí cánh điều tiết thổi khí và rơ le ly hợp từ. Sau đây tác giả giới thiệu đến phương pháp điều khiển độ rộng xung để điều khiển tốc độ quạt và điều khiển góc quay của motor servo: Hình 5: ECU thực tế  Điều khiển tốc độ quạt: Lưu lượng không khí được điều khiển thông qua điều khiển tự động tốc độ quạt giàn lạnh dựa trên sự chênh lệch nhiệt độ trong xe và nhiệt độ đặt trước: - Khi có sự chênh lệch nhiệt độ lớn: Tốc độ motor quạt gió cao (HI) - Khi chênh lệch nhiệt độ nhỏ: Tốc độ quạt gió thấp (LO) Khi hệ thống điều hòa hoạt động ở chế độ auto thì tốc độ quạt sẽ được điều khiển tự động bởi hộp ECU của hệ thống điều hòa tự động. Tốc độ quạt được điều chỉnh bằng cách thay đổi chiều rộng xung như hình 6. Tốc độ quạt gió được điều chỉnh hoàn toàn tự động hoặc có thể điều chỉnh bằng tay bằng cách đặt tốc độ quạt gió thông qua núm chọn trên bản điều khiển. 7
8. Hình 6: Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ quạt giàn lạnh và tỷ lệ %  Điều khiển góc quay của motor servo: Trục của động cơ RC servo được định vị nhờ vào kỹ thuật gọi là điều biến độ rộng xung (PWM). Trong hệ thống này, servo là đáp ứng của một dãy các xung số ổn định. Cụ thể hơn, mạch điều khiển là đáp ứng của một tín hiệu số có các xung biến đổi từ 1÷2ms. Các xung này được gởi đi 50 lần/giây. Servo đòi hỏi khoảng 30÷60 xung/giây. Với độ dài xung 1ms, servo được điều khiển quay theo một chiều (giả sử là chiều kim đồng hồ ). Với độ dài xung xung 2ms, servo quay theo chiều ngược lại. Kỹ thuật này còn được gọi là tỉ lệ số - chuyển động của servo tỉ lệ với tín hiệu số điều khiển. Công suất cung cấp cho động cơ bên trong servo cũng tỉ lệ với độ lệch giữa vị trí hiện tại của trục ra với vị trí nó cần đến. Nếu servo ở gần vị trí đích, động cơ được truyền động với tốc độ thấp. Điều này đảm bảo rằng động cơ không vượt quá điểm định đến. Nhưng nếu servo ở xa vị trí đích nó sẽ được truyền động với vận tốc tối đa để đến đích càng nhanh càng tốt. Khi trục ra đến vị trí mong muốn, động cơ giảm tốc. 8
9. Hình 7: Điều khiển vị trí của trục ra của động cơ RC servo bằng cách điều khiển độ rộng xung 9
10. III. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 1. Kết luận  ECU điều khiển hệ thống điều hòa không khí tự động được chế tạo từ đề tài có thể dùng để giảng dạy và nghiên cứu về hệ thống điều hòa không khí tự động. Và đây cũng là nền tảng khoa học cho việc sản xuất hàng loạt phụ tùng phục phục cho công tác sửa chữa và thay thế phụ tùng trong tương lai.  Bước đột phá của hệ thống điều hòa không khí này là tác giả đã sử dụng động cơ RC servo chỉ có 3 dây và điều khiển góc quay phụ thuộc vào độ rộng của xung, nên không cần dùng cảm biến để xác định góc quay của motor servo. 2. Đề nghị Mạch hộp ECU của hệ thống điều hòa tự động có thể được đầu tư để áp dụng rộng rải trên nhiều loại xe ô tô hoặc hệ thống điều hòa dân dụng khác nhau, và có thể đưa vào ứng dụng khi sửa chữa hoặc hoán cải hệ thống điều hòa tự động. 3. Hướng phát triển đề tài Với mục đích chế tạo mạch điều khiển và mô hình điều khiển hệ thống điều hòa không khí tự động, đây chỉ mới là mô phỏng hệ thống điều hòa dựa trên tham số thực nghiệm của xe Toyota Camry nhưng trên thực tế thì mỗi hãng xe, mỗi loại xe sẽ có một số cơ cấu khác nhau. Đồng thời hiện nay các hãng sử dụng mạng CAN (Controller Area Network) để giao tiếp trong hệ thống điều hòa không khí tự động, nên hướng phát triển của đề tài là:  Thiết kế các mô hình hệ thống điều hòa tự động mới hoàn toàn để thuận lợi cho công tác đánh giá và so sánh kết quả đạt được, nhằm định hướng phát triển cho tương lai.  Thiết kế chế tạo mạch kết hợp sử dụng mạng CAN để giao tiếp. 10
11. TI LIỆU THAM KHẢO 1. Đỗ văn Dũng, Hệ thống điện thân xe và tự động điều khiển ô tô, ĐH SPKT TpHCM – 2006 2. Nguyễn Văn Thình, Hệ thống điều hoà không khí ô tô, ĐH SPKT TP HCM - 2007 3. Tài liệu đào tạo kỹ thuật viên Toyota, Hệ thống điện thân xe 4. Điều khiển tự động-Nguyễn Thị Phương Hà, NXB khoa học kỹ thuật,1996. 5. Điều khiển tự động - Nguyễn Ngọc Cần, NXB Trường DHSPKT TP HCM,1998 6. Cơ sở lý thuyết điều chỉnh tự động-Nguyễn Văn Hịa, NXB H nội,1998 7. Kỹ thuật vi điều khiển với AVR - Ngô Diệp Tập, NXB khoa học và kỹ thuật, 2003 8. Tự động hóa hệ thống lạnh-Nguyễn Đức Lợi, NXB Giáo dục 2000 9. Automatic Air Conditioning System, Toyota Service Training. 10. Automotive Air-conditioning and Climate Control Systems, Steven Daly, First edition 2006 11. Một số trang wed: - - - www.Alldatasheet.com - www.automotive-technology.com - Ngày tháng 10 năm 2012 Giáo viên hướng dẫn Người viết PGS_TS. Đỗ Văn Dũng KS. L Minh Mẫn 11
12. 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.