1. Trang chủ >
  2. Kỹ thuật >
  3. Giao thông - Vận tải >

Điều khiển động cơ

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (12.58 MB, 123 trang )


GVHD: LÊ KHÁNH TÂN

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------



Ít bị hư hỏng, có tuổi thọ cao và không cần bảo dưỡng.

Với những ưu điểm nổi bật như vậy, ngày nay hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều khiển

góc đánh lửa sớm bằng điện tử kết hợp với hệ thống phun xăng đã thay thế hồn tồn hệ

thống đánh lửa bán dẫn thơng thường, giải quyết các yêu cầu ngày càng cao về độ độc hại

của khí thải.



Hình 2.10: Đồ thị đường đặc tính góc đánh lửa sớm

Hệ thống ESA là một hệ thống dùng ECU động cơ để xác định thời điểm đánh lửa dựa

vào các tín hiệu từ các cảm biến khác nhau. Số tín hiệu vào càng nhiều thì việc xác định góc

đánh lửa sớm tối ưu càng chính xác. Sơ đồ hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều khiển góc đánh

lửa sớm bằng điện tử có thể chia thành 3 thành phần: tín hiệu vào (input signals), ECU và tín

hiệu điều khiển Igniter (output signals).

Ngồi ra còn có thể có các tín hiệu vào từ cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến tốc độ xe,

cảm biến oxy. Sau khi nhận tín hiệu từ các cảm biến ECU động cơ tính tốn thời điểm đánh

lửa tối ưu được lưu trong bộ nhớ để phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ, sau đó

gửi tín hiệu đánh lửa thích hợp đến IC đánh lửa.

Trong các tín hiệu ngõ vào, tín hiệu tốc độ động cơ, vị trí piston (cốt máy) và tín hiệu tải

là các tín hiệu quan trọng nhất. Để xác định tốc độ động cơ, người ta có thể đặt cảm biến trên

một vành răng ở đầu cốt máy, bánh đà, đầu cốt cam hoặc delco. Để xác định tải của động cơ,

ECU dựa vào tín hiệu áp suất trên đường ống nạp hoặc tín hiệu lượng khí nạp. Do sự thay đồi



GVHD: LÊ KHÁNH TÂN

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------về áp suất trên đường ống nạp khi thay đổi tải, tín hiệu điện áp gởi về ECU sẽ thay đổi và

ECU nhận tín hiệu này để xử lý và quy ra mức tải tương ứng để xác định góc đánh lửa sớm.

Trong các hệ thống đánh lửa trước đây, việc hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm được thực hiện

bằng phương pháp cơ khí với cơ cấu ly tâm và áp thấp. Đường đặc tính đánh lửa sớm tối ưu

rất đơn giản và khơng chính xác. Trong khi đó, đường đặc tính đánh lửa lý tưởng được xác

định bằng thực nghiệm rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều thông số. Đối với hệ thống đánh

lửa với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử, góc đánh lửa sớm được hiệu chỉnh

gần sát với đặc tính lý tưởng. Kết hợp hai đặc tính đánh lửa sớm theo tốc độ và theo tải có bản

đồ góc đánh lửa sớm lý tưởng, với khoảng 1000 đến 4000 điểm đánh lửa sớm được chọn lựa

đưa vào bộ nhớ.



Hình 2.11: Sơ đồ khối điều khiển đánh lửa của ECU

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.



Tín hiệu tốc độ động cơ (NE).

Tín hiệu vị trí piston (G).

Tín hiệu tải (MAP).

Tín hiệu vị trí bướm ga (VTA).

Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát (THW).

Tín hiệu điện áp Accu.

Tín hiệu kích nổ.



Hệ thống đánh lửa trên động cơ Toyota Yaris 2SZ - FE là hệ thống khơng có bộ chia điện

và sử dụng 4 Bobine đơn cho 4 máy. Bobine thứ nhất nối với bougie máy 1, Bobine thứ hai



GVHD: LÊ KHÁNH TÂN

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------nối với bougie máy 2 còn Bobine thứ ba, tư nối với bougie máy 3 và 4. Nhờ tần số hoạt động

của mỗi bôbin nhỏ hơn trước nên các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp ít nóng hơn. Vì vậy kích

thước của bơbin rất nhỏ và được gắn dính với nắp chụp bougie.

Trong sơ đồ hình 2.18, ECU sau khi xử lí tín hiệu từ các cảm biến sẽ gửi tín hiệu đến cực B

của từng transistor cơng suất trong igniter theo thứ tự thì nổ và thời điểm đánh lửa.

Cuộn sơ cấp của các bôbin loại này có điện trở rất nhỏ (< 1 Ω) và trên mạch sơ cấp khơng sử

dụng điện trở phụ vì xung điểu khiển đã được xén sẵn trong ECU. Vì vậy, khơng được thử

trực tiếp bằng điện áp 12V.



Hình 2.19 Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng mỗi bôbin cho từng bougie



Khi đã xác định được thời điểm đánh lửa, ECU động cơ gửi tín hiệu xung IGT đến IC

đánh lửa. Trong khi tín hiệu xung IGT ở mức cao là 5V được chuyển đến để bật IC đánh lửa,

dòng điện sơ cấp chạy vào cuộn dây đánh lửa này. Trong khi tín hiệu xung IGT ở mức thấp

0V, dòng điện sơ cấp và từ thông giảm đột ngột. Trên cuộn thứ cấp của Bobine sẽ sinh ra một

hiệu điện thế vào khoảng từ 15KV à 40KV. Đồng thời, tín hiệu IGF được gửi đến ECU động

cơ để báo lửa đã có để chuẩn bị q trình ECU điều khiển phun nhiên liệu.



GVHD: LÊ KHÁNH TÂN

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------



Hình 2.12: Sơ đồ điều khiển góc đánh lửa sớm của hệ thống đánh lửa trực tiếp xe Toyota

Ngoài việc điều khiển thời điểm đánh lửa chính xác ECU còn có thể kiểm sốt góc ngậm

điện (Dwell angle) của Bobine đánh lửa để động cơ hoạt động tối ưu hơn. Góc ngậm điện là

khoảng thời gian tín hiệu một chu kỳ xung IGT từ ECU truyền xuống ở mức cao 5V để mở

Transistor công suất trong Igniter do đó có dòng chạy qua cuộn sơ cấp.

Góc ngậm điện phụ thuộc vào hiệu điện thế Accu và tốc độ động cơ. Khi khởi động, hiệu

điện thế Accu bị giảm do sụt áp, vì vậy ECU sẽ điều khiển tăng thời gian ngậm điện nhằm

mục đích tăng dòng điện trong cuộn sơ cấp. Ở tốc độ thấp, do thời gian tích lũy năng lượng

q dài (góc ngậm điện lớn) gây lẵng phí năng lượng nên ECU sẽ điều khiển xén bớt xung

điện áp điều khiển để giảm thời gian ngậm điện nhằm mục đích tiết kiệm năng lượng và tránh

nóng Bobine. Trong trường hợp dòng sơ cấp vẫn tăng cao hơn giá trị ấn định, bộ phận hạn chế

dòng sẽ làm việc và giữ cho dòng điện sơ cấp không thay đổi cho đến thời điểm đánh lửa.



GVHD: LÊ KHÁNH TÂN

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------Hình 2.13: Bản đồ góc ngậm điện

2.2.2. Điều khiển phun nhiên liệu

Đi tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu phát triển hệ thống phun nhiên liệu điện tử cho

động cơ đốt trong sử dụng trên ô tô là hãng Bosch (Đức) từ những thập niên cuối thế kỷ

trước. Đến năm 1984, người Nhật mua bản quyền của Bosch và ứng dụng hệ thống phun

nhiên liệu điện tử cho các xe của Toyota và chiếc Toyota Yaris 2 SZ- FE cũng được trang bị

bộ điều khiển này. Ngày nay, hầu hết các xe ô tô du lịch trên thế giới sử dụng động cơ đốt

trong đều được trang bị hệ thống phun nhiên liệu điện tử (Electronic Fuel Injection - EFI). Hệ

thống này có khả năng cung cấp cho động cơ một hỗn hợp hòa khí hồn hảo. Tùy theo chế độ

làm việc của ô tô, EFI thay đổi tỷ lệ khí - nhiên liệu để ln cung cấp cho động cơ một hỗn

hợp khí tối ưu.

Cấu tạo chung của hệ thống phun xăng điện tử bao gồm các cảm biến, bộ vi xử lý trung

tâm và các cơ cấu chấp hành.

Ưu điểm của hệ thống phun nhiên liệu điện tử:

-



Cung cấp hỗn hợp khơng khí - nhiên liệu đến từng xylanh đồng đều.

Điều khiển được tỷ lệ khơng khí - nhiên liệu dễ dàng, chính xác với tất cả các dãy tốc độ



-



làm việc của động cơ.

Đáp ứng nhanh chóng, chính xác với sự thay đổi góc mở bướm ga.

Hiệu suất nạp hỗn hợp khơng khí - nhiên liệu cao.

Hỗn hợp khơng khí - nhiên liệu trước khi cháy được phun tơi hơn, dẫn đến quá trình cháy

được hoàn thiện làm tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường đáng kể.

Có nhiều loại hệ thống phun xăng điện tử tùy thuộc vào quan điểm của các nhà chế tạo và



mức độ hoàn hảo, kết cấu của hệ thống. Trên ô tô du lịch hiện nay thường sử dụng một số loại

hệ thống phun xăng điện tử chính là:

-



Hệ thống phun xăng điều khiển theo lưu lượng khơng khí (L - EFI): loại này lấy thơng tin

chính để điều khiển vòi phun qua lưu lượng đường ống nạp.



-



Hệ thống phun xăng điều khiển theo áp suất khơng khí (D - EFI): loại này lấy thơng tin

chính để điều khiển vòi phun qua áp suất đường ống nạp.



GVHD: LÊ KHÁNH TÂN

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------



Hệ thống phun xăng điện tử một vòi phun: Hay còn được gọi là hệ thống phun đơn điểm

hoặc hệ thống phun tập trung (Mono Injection). Trong hệ thống phun xăng kiểu này người

ta dùng một vòi phun để phun xăng vào họng ống khuếch tán ở phía trên bướm ga của

đường ống nạp chung cho tất cả các xylanh động cơ. Hệ thống này được sử dụng khá phổ

biến trên các động cơ công suất nhỏ do đơn giản và giá thành không cao.



-



Hệ thống phun xăng điện tử nhiều vòi phun: sử dụng nhiều vòi phun hay còn được gọi là

hệ thống phun đa điểm (MultiPoint Injection). Hệ thống này phun vào họng xupap nạp của

từng xylanh hoặc trực tiếp vào từng xylanh động cơ. Đồng thời hệ thống còn phun nhiên

liệu làm nhiều lần giúp cho q trình cháy được hồn hảo và tránh được hiện tượng ngưng

đọng hơi xăng trong đường ống nạp. Chính vì thế mà hệ thống được áp dụng cho phần lớn

các ô tô hiện nay.

Điểm khác nhau căn bản giữa hệ thống cung cấp nhiên liệu thông thường với hệ thống



phun xăng điện tử ở chỗ: Với hệ thống cung cấp nhiên liệu thông thường, chế độ làm việc của

động cơ phụ thuộc hoàn toàn vào bàn đạp chân ga, hỗn hợp nhiên liệu và khơng khí được hòa

trộn trong xylanh nhờ sự tụt áp. Trong khi đó, với hệ thống phun xăng điện tử, chế độ làm

việc của động cơ phụ thuộc vào các tín hiệu từ các cảm biến gửi đến ECU như:

-



Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát (THW).

Tín hiệu nhiệt độ khí nạp (THA).

Tín hiệu số vòng quay động cơ (NE).

Tín hiệu vị trí bướm ga (VTA).

Tín hiệu tốc độ xe (cảm biến tốc độ xe được lắp bên trong hộp số, phát hiện tốc độ xe và



-



được đưa vào cực SP1 của ECU động cơ).

Tín hiệu cơng tắc khởi động trung gian (phát hiện vị trí cần số ở trung gian, đỗ hay khơng



-



và được đưa vào cực NSW của ECU động cơ).

Tín hiệu công tắc A/C (điện áp hoạt động của ly hợp từ điều hòa được phát hiện và đưa



-



vào cực A/C của ECU động cơ).

Tín hiệu Accu (điện áp thường trực được cấp đến cực BATT của ECU, khi khóa điện được



-



bật điện áp hoạt động của ECU được cấp đến chân +B qua Relay EFI).

Tín hiệu lượng khí nạp (MAP).

Tín hiệu máy khởi động (để xác định động cơ có đang khởi động hay không, điện áp cấp

đến máy khởi động và tín hiệu cấp đến chân STA của ECU động cơ).



GVHD: LÊ KHÁNH TÂN

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------



Tín hiệu phản hồi đánh lửa IGF (sau khi tín hiệu IGT từ ECU động cơ gửi đến Igniter sẽ

phản hồi rằng Bobine đã đánh lửa bằng tín hiệu xung IGF về lại ECU động cơ).

Sau khi nhận tín hiệu phản hồi từ các cảm biến, ECU điều khiển nhịp mass các chân



về từ kim phun là chân #10, #20, #30 và #40 bằng 4 con Transistor để điều khiển cho 4 kim

phun của 4 máy. Do đó khi Relay EFI đóng dòng điện chạy qua các cuộn dây trong Solenoid

của kim phun về mass làm Solenoid mở và nhiên liệu được phun vào buồn hòa trộn. Bằng

cách kích mở Transistor để mở kim phun, ECU có thể điều khiển được thời gian phun tối ưu

cho động cơ.

2.3. Ứng dụng vi điều khiển trong điều khiển động cơ

2.3.1. Phương pháp điều xung PWM

Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp

ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi

xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra.



Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay

sườn âm.



GVHD: LÊ KHÁNH TÂN

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------



Hình 2.21: Đồ thị dạng xung điều chế PWM

 Ứng dụng của PWM trong điều khiển

PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển. Điển hình nhất mà chúng ta thường hay gặp là

điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp... Sử dụng PWM điều khiển độ nhanh chậm

của động cơ hay cao hơn nữa, nó còn được dùng để điều khiển sự ổn định tốc độ động cơ.

Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM còn tham gia và điều chế các mạch nguồn

như : boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha...

PWM còn gặp nhiều trong thực tế ở các mạch điện điều khiển. Điều đặc biệt là PWM chuyên

dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đường đặc tính là tuyến tính khi có sẵn 1

nguồn 1 chiều cố định .Như vậy PWM được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điện- điện

tử. PWM cũng chính là nhân tố mà các đội Robocon sử dụng để điều khiển động cơ hay ổn

định tốc độ động cơ.

 Nguyên lý hoạt động của PWM



GVHD: LÊ KHÁNH TÂN

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn của tải một cách có

chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt. Phần tử thực hiện nhiện vụ đó trong mạch các

van bán dẫn.



Hình 2.2: Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra

Nguyên lý : Trong khoảng thời gian 0 - t0, ta cho van G mở, toàn bộ điện áp nguồn Ud được

đưa ra tải. Còn trong khoảng thời gian t0 - T, cho van G khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải. Vì

vậy với t0 thay đổi từ 0 cho đến T, ta sẽ cung cấp toàn bộ , một phần hay khóa hồn tồn điện

áp cung cấp cho tải.

 Cơng thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải :

Gọi t1 là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở ) còn T là thời gian của cả sườn âm và

dương, Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải. Ta có:

Ud = Umax.( t1/T) (V)

hay Ud = Umax.D (Với D = t1/T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng % tức là

PWM)

Như vậy ta nhìn trên hình đồ thị dạng điều chế xung thì ta có : Điện áp trung bình trên tải sẽ

là :



GVHD: LÊ KHÁNH TÂN

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ud = 12.20% = 2.4V ( với D = 20%)

Ud = 12.40% = 4.8V (Vói D = 40%)

Ud = 12.90% = 10.8V (Với D = 90%)

 Các cách để tạo ra được PWM để điều khiển

Để tạo được ra PWM thì hiện nay có hai cách thơng dụng : Bằng phần cứng và bằng phần

mềm.

Trong phần cứng có thể tạo bằng phương pháp so sánh hay là từ trực tiếp từ các IC dao động

tạo xung vuông như : 555, LM556...

Trong phần mền được tạo bằng các chip có thể lập trình được. Tạo bằng phần mền thì độ

chính xác cao hơn là tạo bằng phần cứng. Nên người ta hay sử dụng phần mền để tạo PWM.

Ở đây ta tham khảo 2 cách điều chế PWM phổ biến: bằng phương pháp so sánh và tạo xung

vuông bằng phần mềm.

 PWM trong điều khiển động cơ và trong các bộ biến đổi xung áp

Trong động cơ : Điều mà chúng ta dễ nhận thấy rằng là PWM rất hay được sử dụng trong

động cơ để điều khiển động cơ hoạt động nhanh , chậm, thuận ,nghịch và ổn định tốc độ cho

nó. Cái này được ứng dụng nhiều trong điều khiển động cơ 1 chiều.



GVHD: LÊ KHÁNH TÂN

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------



Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển động cơ DC



Đây là mạch đơn giản điều khiển động cơ. Nếu muốn điều khiển động cơ quay thuận quay

ngược thì phải dùng đến cầu H.

Trong các bộ biến đổi xung áp: Trong các bộ biến đổi xung áp thì PWM đặc biệt quan trọng

trong việc điều chỉnh dòng điện và điện áp ra tải. Bộ biến đổi xung áp có nhiều loại như là

biến đổi xung áp nối tiếp và bộ biến đổi xung áp song song.

Lấy ví dụ 1 mạch nguyên lý đơn giản trong bộ nguồn Boot đơn giản.



Xem Thêm
Tải bản đầy đủ (.docx) (123 trang)

×