Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển ga tự động CCS

Tải đồ án hệ thống điều khiển ga tự động CCS. Phân tích nguyên lý, thiết kế mô hình hoạt động trên Arduino và mô phỏng bằng MATLAB Simulink.

• Tác giả: Phạm Thành Phúc
• Người hướng dẫn: ThS. Vũ Đình Huấn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu, Thiết kế Hệ thống Điều khiển Ga Tự động CCS
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Điều khiển ga tự động CCS

Hệ thống điều khiển ga tự động CCS (Cruise Control System) là một trong những công nghệ tiện nghi quan trọng trên ô tô hiện đại. Hệ thống này cho phép người lái xe duy trì tốc độ không đổi mà không cần phải liên tục điều chỉnh bàn đạp ga, đặc biệt hữu ích trên những quãng đường dài trên cao tốc. Với sự phát triển của công nghệ điện-điện tử và công nghệ thông tin, CCS đã trở thành một tiêu chuẩn trên hầu hết các loại xe hiện nay. Đồ án này tập trung vào nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng hoạt động của hệ thống CCS, giúp hiểu rõ hơn về cách thức vận hành và các ứng dụng thực tế trong ngành ô tô.

1.1. Tình hình phát triển công nghệ CCS toàn cầu

Trong những năm gần đây, công nghệ CCS đã phát triển vượt bậc với sự hỗ trợ của công nghệ thông tin và vi xử lý. Các hãng ô tô lớn như Toyota, BMW, Mercedes-Benz đã tích hợp hệ thống điều khiển ga tự động với độ chính xác cao. Xu hướng phát triển hiện nay là từ CCS sang ACCS (Adaptive Cruise Control System), cho phép xe tự động điều chỉnh tốc độ dựa vào khoảng cách với xe phía trước.

1.2. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Việc nghiên cứu và thiết kế hệ thống CCS là cần thiết trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0. Đồ án này cung cấp kiến thức nền tảng cho những ai muốn tìm hiểu về điều khiển tự động ô tô và là bước tiệp cận tới xe tự hành (autonomous vehicles). Mô hình mô phỏng được xây dựng không chỉ phục vụ nghiên cứu mà còn có giá trị giảng dạy cao.

II. Cấu trúc và Nguyên lý hoạt động của CCS

Hệ thống điều khiển ga tự động bao gồm nhiều bộ phận liên kết với nhau để tạo nên một hệ thống hoàn chỉnh. Các thành phần chính gồm: công tắc điều khiển, cảm biến tốc độ xe, ECU điều khiển, bộ chấp hành, và các công tắc hủy. Nguyên lý hoạt động của CCS dựa trên vòng lặp phản hồi (feedback loop), trong đó ECU liên tục so sánh tốc độ hiện tại với tốc độ được cài đặt và điều chỉnh độ mở bướm ga thông qua bộ chấp hành. Khi người lái chọn chế độ CCS và cài đặt tốc độ mong muốn, hệ thống sẽ tự động điều khiển công suất động cơ để duy trì tốc độ ổn định.

2.1. Các bộ phận cấu thành chính của hệ thống

Công tắc điều khiển CCS cho phép người lái bật/tắt, cài đặt và điều chỉnh tốc độ. Cảm biến tốc độ đo lường tốc độ hiện tại của xe và gửi dữ liệu tới ECU. Bộ chấp hành (actuator) điều khiển độ mở bướm ga dựa trên tín hiệu từ ECU. Các công tắc hủy (phanh, ly hợp, đèn phanh) có thể hủy bỏ chế độ CCS ngay lập tức khi cần thiết.

2.2. Quy trình điều khiển và phản hồi

Nguyên lý hoạt động của CCS dựa trên vòng lặp điều khiển phản hồi. ECU nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ, so sánh với giá trị mong muốn, tính sai số (error) và phát lệnh điều khỉnh tới bộ chấp hành. Quá trình này lặp lại liên tục để đảm bảo xe duy trì tốc độ ổn định và chính xác.

III. Các chức năng chính của Hệ thống CCS

Hệ thống điều khiển ga tự động CCS cung cấp nhiều chức năng tiện nghi cho người lái xe. Chức năng điều khiển tốc độ không đổi là tính năng cơ bản nhất, cho phép duy trì tốc độ ổn định. Chức năng cài đặt tốc độ (Set) cho phép người lái chọn tốc độ mong muốn, trong khi chức năng tăng/giảm tốc (Acc/Coast) giúp tinh chỉnh tốc độ. Chức năng phục hồi (Resume) cho phép quay lại tốc độ đã cài đặt trước đó. Ngoài ra, CCS còn có chức năng hủy thường và hủy tự động để đảm bảo an toàn khi cần dừng xe gấp. Chức năng giới hạn tốc độ ngăn xe vượt quá giới hạn tốc độ cho phép.

3.1. Các chức năng điều khiển tốc độ cơ bản

Chức năng Set cho phép cài đặt tốc độ mong muốn. Chức năng Acc tăng tốc độ theo từng bước nhỏ. Chức năng Coast giảm tốc độ mà không cần phanh. Chức năng Resume quay lại tốc độ trước đó sau khi bị hủy. Những chức năng này được điều khiển thông qua công tắc điều khiển đa chức năng trên vô lăng.

3.2. Các chức năng an toàn và hủy bỏ

Chức năng hủy thường được kích hoạt khi người lái bấm phanh hoặc các công tắc hủy khác. Chức năng hủy tự động hoạt động khi cảm biến phát hiện sự cố hoặc tốc độ xe giảm quá mức cho phép. Chức năng giới hạn tốc độ ngăn chặn xe vượt quá giới hạn tốc độ quy định, đảm bảo an toàn giao thông.

IV. Thiết kế mô hình và Cài đặt Chương trình điều khiển CCS

Đồ án này sử dụng bo mạch Arduino Mega2560 làm ECU điều khiển chính của hệ thống CCS. Phần mềm MATLAB SIMULINK được sử dụng để lập trình và mô phỏng hoạt động của hệ thống điều khiển. Chương trình điều khiển hồi đáp (feedback control) được thiết kế dựa trên lý thuyết điều khiển tự động, sử dụng thuật toán PID để điều chỉnh độ mở bướm ga. Mô hình mô phỏng hoạt động của hệ thống CCS giúp xác minh tính đúng đắn của chương trình trước khi triển khai thực tế. Bộ chấp hành cơ khí có sẵn trên xe được tận dụng để thực thi lệnh điều khiển từ ECU.

4.1. Kiến trúc phần cứng và phần mềm của mô hình

Bo mạch Arduino Mega2560 được lập trình với chương trình điều khiển CCS viết bằng ngôn ngữ C++. Cảm biến tốc độ kết nối tới chân nhập của Arduino để cung cấp dữ liệu tốc độ thực tế. Bộ chấp hành điều khiển bướm ga nhận tín hiệu PWM (Pulse Width Modulation) từ Arduino để điều chỉnh độ mở. MATLAB SIMULINK được sử dụng để mô phỏng toàn bộ quá trình trước khi triển khai trên mô hình thực.

4.2. Cài đặt chương trình điều khiển và mô phỏng

Chương trình điều khiển sử dụng vòng lặp phản hồi PID để điều chỉnh tốc độ xe. Tham số Kp, Ki, Kd được tuning để đạt hiệu suất tối ưu. Quá trình mô phỏng trong MATLAB cho thấy hệ thống đáp ứng tốt với các đầu vào khác nhau. Mô hình này đáp ứng nhu cầu nghiên cứu và giảng dạy về điều khiển tự động trong ô tô.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI: Trong nước: Hiện tại việc trang bị hệ thống CCS trên xe đang là một xu thế cạnh tranh của các hãng xe ô tô ở Việt Nam. Nhưng người Việt chỉ mới dừng lại ở việc nghiên cứu phần cơ khí cũng như các chế độ vận hành nên khi hệ thống gặp trục trặc đã số các kỹ thuật viên vẫn còn lúng túng trong việc xử lý các sai hỏng của hệ thống. Ngoài nước: Hiện tại ở các quốc gia có ngành công nghiệp ô tô phát triển đã đang và ngày càng hoàn thiện hơn hệ thống CCS; việc nghiên cứu giúp hệ thống trở nên an toàn hơn ưu việc hơn và cho ra đời các thế hệ CCS tích hợp bướm ga điện tử;ACCS; ACCS stop and go,… 1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Môn học ứng dụng điều khiển tự động trên ô tô và thực tập hệ thống điện thân xe là những môn học được áp dụng cho sinh viên năm 3, 4 ngành công nghệ kỹ thuật ô tô của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM. Môn học này trang bị cho sinh viên các kiến thức về hệ thống điều khiển tự động và các hệ thống điện trên thân xe.

Tuy nhiên, các môn học vẫn thiếu những ví dụ minh họa, những thiết bị thực nghiệm để giảng dạy, đặc biệt là các hệ thống tiện nghi trên xe. Trong thực tế, ở môn thực tập hệ thống điện thân xe các sinh viên vẫn chưa được tiếp cần, học tập, thực nghiệm hệ thống CCS. Từ vấn đề trên, chúng em thấy cần thiết phải nghiên cứu về hệ thống CCS nhằm phục vụ cho nhu cầu học tập, nghiên cứu cũng như là tài liệu, thiết bị thực hành cho các khóa sau.3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI:  Nắm vững cơ sở lý thuyết, nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển ga tự động.  Nắm được kiến thức từ môn học ứng dụng điều khiển tự động trên ô tô cũng như sử dụng phần mềm matlab Simulink.

 Chế tạo thành công mô hình hệ thống điều khiển ga tự động với tín hiệu tốc độ động 1 cơ được giả lập từ motor điện 1 chiều DC.  Sử dụng làm mô hình giảng dạy về hệ thống điều khiên ga tự động cho môn học thực tập điện ô tô.4 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU: 1.1 Phương pháp nghiên cứu  Ứng dụng các nguồn tài liệu từ sách giáo trình, sách tham khảo cũng như trên internet về lập trình matlab Simulink, cách giao tiếp board mạch Arduino AT Mega2560, lý thuyết điều khiển tự động tốc độ ô tô.  Ứng dụng các kiến thức cơ khí để thiết kế, thi công mô hình.  Tiến hành thử nghiệm, đo đạt, so sánh với lý thuyết tính toán.

 Thu thập tư liệu nghiên cứu về sự phát triển của hệ thống trong tương lai gần.2 Phạm vi nghiên cứu:  Thiết kế thi công mô hình hệ thống điều khiển ga tự động.  Đọc và xử lý được các tín hiệu điều khiển, tín hiệu từ cảm biến tốc độ xe.  Mô phỏng điều khiển tốc độ theo tốc độ cài đặt.  Mô phỏng điều khiển tốc độ không đổi dù điều kiện vận hành ô tô thay đổi (lên dốc, xuống dốc, gió cản, mưa, …).

 Nghiên cứu định hướng sự phát triển của hệ thống CCS cải tiến thành ACCS, ACCS Stop and go.5 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GA TỰ ĐỘNG (CCS) Từ năm 1910, bộ điều khiển tốc độ bằng cơ cấu ly tâm đã sớm được sử dụng trên ôtô. Peerless đã khẳng định rằng hệ thống của họ sẽ duy trì vận tốc của xe mặc dù đang lên dốc hay xuống dốc. Kỹ thuật này được phát minh bởi James Watt và Matthew Boulton vào năm 1788 để sử dụng cho đầu máy xe lửa. Nó sử dụng lực ly tâm để điều chỉnh vị trí cánh bướm ga để cho tốc độ động cơ tựthay đổi với các tải khác nhau ví dụ nhưxe lên hoặc xuống dốc… Hệ thống điều khiển ga tự động (Cruise Control System) hiện tại được phát minh 2 vào năm 1945 bởi kỹ sư Ralph Teetor.

Xe ôtô đầu tiên trang bị hệ thống của Teetor là xe Chrysler Corporation Imperial vào năm 1958. Hệ thống này nhận các tín hiệu vào, tính toán để làm ổn định vận tốc góc của trục khuỷu và sử dụng solenoid để làm thay đổi vị trí cánh bướm ga. Hiện nay, các hãng xe như Toyota, Mitsubishi, Jeep, Volkswagen, Mercedes-Benz, General Motors…cũng đã trang bị hệ thống này trên xe.1 Hình kỹ sư Ralph Teetor phát minh hệ thống CCS trên ô tô 1.6 GIỚI THIỆU VỀ CÁC LOẠI BỘ CHẤP HÀNH CCS Phân loại theo bộ chấp hành: (có 2 loại)  Loại dẫn động bằng chân không.2 Bộ chấp hành dẫn động bằng chân không 3  Loại dẫn động bằng mô tơ.3 Bộ chấp hành dẫn động bằng motor điện 4 Chương 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 2.1 KẾT CẤU VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC BỘ PHẬN 2.1 Các bộ phận cấu thành của hệ thống CCS:  ECU điều khiển chạy tự động  Bộ chấp hành  Công tắc điều khiển  Cảm biến tốc độ xe (lấy tín hiệu từ cảm biến trục thứ cấp hợp số)  Cảm biến vị trí bướm ga  Công tắc đèn phanh  Công tắc khới động ở số trung gian (xe A/T)  Công tắc ly hợp (xe M/T)  Đèn báo  Cổng giao tiếp Hình 2.1 Các bộ phận của hệ thống CCS 5 2.2 Công tắc điều khiển: Công tắc điều khiển là một dạng cần rỗng.

Nó điều khiển 5 chức năng khác nhau (SET, COAST, RESUM, ACCELERATE, CANCEL – Đặt, chạy, phục hồi, tăng tốc, hủy) khi xe đang chạy trong chế độ chạy tự động. Chế độ SET vàCOAST dùng chung một công tắc còn chế độ RESUM và ACCEL dùng một công tắc khác. Công tắc điều khiển có hai dạng:  Dạng cần điều khiển (thường có trên các xe của TOYOTA) công tắc chỉ bật khi gạt theo hướng chỉ bởi mũi tên và nó tự động tắt khi nhả ra. Nó cũng là một loại công tắc tự hồi về.2 Công tắc điều khiển hệ thống CCS dạng cần gạt 6  Dạng nút bấm tích hợp trên vô lăng Hình 2.3 Công tắc điều khiển hệ thống CCS dạng nút bấm trên vô lăng 2.3 Cảm biến tốc độ xe: Cảm biến tốc độ xe nhận biết tốc độ thực tế mà xe đang chạy, từ đó ECU dựa vào tín hiệu của cảm biến để đưa ra tỷ lệ hỗn hợp không khí và nhiên liệu phù hợp.4 Cảm biến tốc độ xe – Vehicle speed sensor 7  Chức năng và nhiệm vụ Cảm biến tốc độ xe nhận biết tốc độ thực tế mà xe đang chạy.

Nó phát ra một tín hiệu SPD, chủ yếu dùng để điều khiển hệ thống ISC, và điều khiển tỷ lệ hỗn hợp không khí – nhiên liệu trong quá trình giảm tốc và tăng tốc, v.v… Các loại MRE (phần tử điện trở từ) là loại cảm biến tốc độ chính được sử dụng, nhưng hiện nay nhiều kiểu xe vẫn sử dụng tín hiệu SPD từ ABS ECU.  Phân loại Có bốn loại cảm biến tốc độ: – Loại công tác lưỡi gà. – Loại cảm biến quang học. – Loại điện từ.

Loại công tắc lưỡi gà. Cảm biến này được lắp trong bảng đồng hồ loại kim. Nó bao gồm một nam châm quay bằng cáp đồng hồ tốc độ, chuyển động quay làm cho công tắc đóng và mở. Công tắc lưỡi gà đóng 4 lần khi cáp quay một vòng.

Nam châm được phân cực như trong hình vẽ bên dưới. Lực từ trường tại 4 vùng chuyển tiếp cực N và S của nam châm sẽ đóng và mở tiếp điểm của công tắc lưỡi gà khi nam châm quay.5 Cảm biến tốc độ loại công tắc lưỡi gà 8 Loại cảm biến quang học Cảm biến này được lắp trong bảng đồng hồ. Nó bao gồm một cảm biến quang học làm từ một đèn LED, chiếu vào một transitor quang học. Một bánh xe có xẻ rãnh đặt giữa đèn LED và transitor quang học được dẫn động bằng cáp đồng hồ tốc độ.

Các rãnh trên bánh xe sẽ tạo ra xung ánh sáng khi bánh xe quay, ánh sáng do đèn LED chiếu ra được chia thành 20 xung trong mỗi vòng quay của cáp. 20 xung này chuyển thành 4 xung nhờ bộ đếm số, sau đó gửi đến ECU.6 Cảm biến tốc độ loại cảm biến quang điện 9 Sơ đồ mạch điện Hình 2.7 Sơ đồ mạch điện cảm biến tốc độ loại cảm biến quang điện Loại điện từ Cảm biến này được lắp trong hộp số và nhận biết tốc độ quay của hộp trục thứ cấp hộp số. Cảm biến này bao gồm một nam châm vĩnh cửu, một cuộn dây và một lõi. Một rô- to có 4 răng được lắp trên trục thứ cấp của hộp số.8 Cảm biến tốc độ loại cảm biến điện tử 10 Hình 2.9Cấu tạo cảm biến tốc độ loại cảm biến điện tử Hoạt động Khi trục thứ cấp của hộp số quay, khoảng cách giữa lõi của cuộn dây và rô-to tăng hay giảm bởi các răng.

Số lượng đường sức từ đi qua lõi tăng hay giảm tương ứng, tạo ra một điện áp xoay chiều AC trong cuộn dây. Do tần số của điện áp xoay chiều này tỷ lệ với tốc độ quay của rô-to, nó có thể được dùng để nhận biết tốc độ xe.10 Nguyên lý hoạt động của cảm biến tốc độ loại cảm biến điện tử 11 Sơ đồ mạch điện Hình 2.11 Sơ đồ mạch điện cảm biến tốc độ loại cảm biến điện tử Loại MRE (phần tử điện từ) Cảm biến này được lắp trên hộp số hay hộp số phụ và được dẫn động bằng bánh răng trục thứ cấp.12 Cảm biến tốc độ loại MRE – phần tử điện từ 12 Loại cảm biến này bao gồm một HIC (mạch tích hợp) với một MRE (phần tử điện từ) và một vành từ.13 Cấu tạo cảm biến tốc độ loại MRE – phần tử điện từ Hoạt động Giá trị điện trở của MRE thay đổi phụ thuộc vào hướng của đường sức từ tác dụng lên nó. Do vậy, nếu hướng của đường sức từ thay đổi theo chuyển động quay của nam châm lắp trên vành từ sẽ dẫn đến kết quả là điện áp ra của MRE có dạng sóng xoay chiều như hình bên dưới. Bộ so sánh trong cảm biến tốc độ xe sẽ chuyển hóa sóng xoay chiều thành tín hiệu số, tín hiệu này sau đó được biến đổi bằng transitor trước khi đưa đến bảng đồng hồ.

Tần số của sóng này phụ thuộc vào số lượng trên vành từ. Có hai loại vành từ (tùy theo xe). Một loại có 12 cực từ, loại kia có 4 cực từ. Loại 20 cực tạo ra 20 xung dạng sóng trong một vòng quay của vành từ, còn loại 4 cực tạo ra xung.