Nghiên Cứu, Chế Tạo Hệ Thống Giả Lập Tín Hiệu Hoạt Động Cho Động Cơ KIA Morning

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu chế tạo hệ thống giả lập tín hiệu cho động cơ Kia Morning, mang lại giải pháp tối ưu cho ngành công nghiệp ô tô.

• Tác giả: Nguyễn Tiến Chương
• Người hướng dẫn: Th.S. Lê Quang Vũ
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô
• Đề tài: Nghiên Cứu, Chế Tạo Hệ Thống Giả Lập Tín Hiệu Hoạt Động Cho Động Cơ KIA Morning
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• MỤC LỤC
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về đề tài
• 1.2. Mục tiêu của đề tài
• 1.3. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Hệ thống truyền động trên KIA Morning
• 2.2. Hộp điều khiển hệ thống truyền động (Powertrain Control Module - PCM)
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ LẬP TRÌNH MÔ HÌNH GIẢ LẬP
• 4. CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Hệ Thống Giả Lập Tín Hiệu Động Cơ KIA Morning

Ngành công nghiệp ô tô đang phát triển mạnh mẽ, với sự cạnh tranh khốc liệt giữa các hãng xe. Trong bối cảnh đó, việc nghiên cứu và chế tạo hệ thống giả lập tín hiệu cho động cơ KIA Morning trở nên cần thiết. Đề tài này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về hoạt động của động cơ mà còn cung cấp cái nhìn tổng quan về các công nghệ hiện đại trong ngành ô tô.

1.1. Mục tiêu và Nhiệm vụ của Đề Tài Nghiên Cứu

Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu và chế tạo hệ thống giả lập tín hiệu cho động cơ KIA Morning. Nhiệm vụ bao gồm việc tìm hiểu các tín hiệu từ cảm biến, lập trình mô hình và hiển thị thông tin trên LabVIEW.

1.2. Đối tượng và Phạm vi Nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu bao gồm hộp điều khiển hệ thống truyền động và các cảm biến trên động cơ KIA Morning. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào động cơ thế hệ thứ nhất từ 2007 đến 2011.

II. Vấn đề và Thách thức trong Nghiên Cứu Hệ Thống Giả Lập

Việc nghiên cứu và chế tạo hệ thống giả lập tín hiệu cho động cơ KIA Morning gặp nhiều thách thức. Các vấn đề như độ chính xác của tín hiệu, khả năng tương thích giữa các linh kiện và phần mềm là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Độ Chính Xác của Tín Hiệu Giả Lập

Độ chính xác của tín hiệu giả lập là yếu tố quan trọng để đảm bảo mô hình hoạt động đúng như thực tế. Việc sử dụng các cảm biến chất lượng cao và lập trình chính xác sẽ giúp cải thiện độ chính xác này.

2.2. Khả Năng Tương Thích Giữa Các Linh Kiện

Khả năng tương thích giữa các linh kiện điện tử và phần mềm là một thách thức lớn. Cần phải đảm bảo rằng tất cả các thành phần trong hệ thống hoạt động hài hòa với nhau để đạt được hiệu suất tối ưu.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu và Giải Pháp Chính

Để thực hiện nghiên cứu này, nhóm đã áp dụng nhiều phương pháp khác nhau. Các giải pháp chính bao gồm việc sử dụng mô hình giả lập, lập trình trên Arduino và thiết kế giao diện hiển thị thông tin.

3.1. Mô Hình Giả Lập Tín Hiệu

Mô hình giả lập tín hiệu được thiết kế để mô phỏng hoạt động của động cơ KIA Morning. Việc này giúp nhóm nghiên cứu có cái nhìn rõ hơn về cách thức hoạt động của các cảm biến và hộp điều khiển.

3.2. Lập Trình và Thiết Kế Giao Diện

Lập trình trên Arduino và thiết kế giao diện hiển thị thông tin trên LabVIEW là những bước quan trọng trong quá trình nghiên cứu. Điều này giúp hiển thị các thông số hoạt động của động cơ một cách trực quan.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn và Kết Quả Nghiên Cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống giả lập tín hiệu hoạt động hiệu quả, giúp nâng cao hiểu biết về động cơ KIA Morning. Các ứng dụng thực tiễn của hệ thống này có thể được áp dụng trong giảng dạy và nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ ô tô.

4.1. Kết Quả Đạt Được từ Nghiên Cứu

Hệ thống giả lập tín hiệu đã được kiểm tra và cho kết quả khả quan. Các tín hiệu từ cảm biến được mô phỏng chính xác, giúp người dùng dễ dàng theo dõi hoạt động của động cơ.

4.2. Ứng Dụng trong Giảng Dạy và Nghiên Cứu

Hệ thống này có thể được sử dụng trong giảng dạy tại các trường đại học, giúp sinh viên hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của động cơ ô tô và các công nghệ liên quan.

V. Kết Luận và Tương Lai của Nghiên Cứu

Nghiên cứu và chế tạo hệ thống giả lập tín hiệu cho động cơ KIA Morning đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực công nghệ ô tô. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn hơn nữa.

5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu

Kết quả nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của hệ thống giả lập tín hiệu. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiểu biết về động cơ mà còn tạo điều kiện cho các nghiên cứu tiếp theo.

5.2. Hướng Phát Triển Tương Lai

Trong tương lai, hệ thống có thể được mở rộng để bao gồm nhiều loại động cơ khác nhau, từ đó tạo ra một nền tảng nghiên cứu vững chắc cho các sinh viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực ô tô.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình phát triển của ngành công nghiệp ô tô hiện đại, các dòng xe đô thị cỡ nhỏ (phân khúc hạng A) nhận được sự quan tâm lớn nhờ tính tiện dụng, kích thước nhỏ gọn và chi phí vận hành hợp lý. Tại thị trường Việt Nam, mẫu xe KIA Morning (tên gọi khác là Picanto) thuộc thế hệ thứ nhất là một trong những phương tiện phổ biến. Việc tiếp cận trực tiếp cấu trúc điều khiển điện tử trên xe thực tế gặp nhiều rào cản về an toàn kỹ thuật, không gian lắp đặt và chi phí bảo trì. Nhóm tác giả thực hiện đồ án tốt nghiệp nhằm nghiên cứu sâu nguyên lý điều khiển hệ thống truyền động và chế tạo một mô hình phần cứng giả lập tín hiệu phục vụ công tác giảng dạy, thực hành chuyên ngành tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định gồm các nội dung cụ thể:

1. Hiểu và nắm vững lý thuyết về hệ thống truyền động trên ô tô.
2. Đọc và phân tích được sơ đồ mạch điện trên dòng xe KIA Morning (phiên bản số tự động AT, thế hệ thứ nhất).
3. Nghiên cứu kiến thức lý thuyết về giao thức mạng truyền thông Controller Area Network (CAN).
4. Thiết kế mạch và lập trình giả lập các tín hiệu cảm biến trên động cơ và hộp số.
5. Lập trình đọc dữ liệu thông tin từ mạng CAN và hiển thị lên máy tính.
6. Thiết kế giao diện hiển thị thông số hoạt động của ô tô trên nền tảng LabVIEW.
7. Thi công hoàn thiện mô hình phần cứng giả lập tín hiệu.

Để thực hiện các mục tiêu trên, đề tài triển khai 4 nhiệm vụ kỹ thuật:

1. Từ hộp điều khiển hệ thống truyền động (PCM) của dòng xe KIA Morning giai đoạn 2007–2011 (phiên bản AT), thiết kế hệ thống phát tín hiệu cảm biến động cơ và hộp số đưa vào PCM.
2. Đo kiểm và thu thập tín hiệu điều khiển phun xăng, đánh lửa phản hồi từ hộp PCM.
3. Tính toán và giả lập giá trị tốc độ xe để gửi vào hộp PCM.
4. Thu nhận, giải mã các thông số cơ bản của xe qua cổng giao tiếp mạng CAN và hiển thị trực quan lên máy tính.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án bao gồm: hộp điều khiển hệ thống truyền động (PCM) của KIA Morning thế hệ thứ nhất; các dạng tín hiệu xung và tín hiệu tương tự từ cảm biến trên động cơ và hộp số; vi điều khiển Arduino Nano và Arduino Mega2560; cấu trúc truyền nhận thông điệp trên mạng CAN; hệ thống cơ khí và mạch điện của mô hình thực hành. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trên động cơ xăng Epsilon G4HG 1.1L kết hợp hộp số tự động 4 cấp A4CF0 trang bị trên dòng KIA Morning thế hệ thứ nhất, giai đoạn II (sản xuất từ năm 2007 đến 2011).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài xây dựng trên nền tảng lý thuyết điều khiển hệ thống truyền động ô tô, tập trung vào hộp PCM (Powertrain Control Module) – khối tích hợp chức năng của bộ điều khiển động cơ (ECM) và bộ điều khiển hộp số (TCM). Về mặt cảm biến, nghiên cứu phân loại thành hai nhóm tín hiệu chính:

• Nhóm cảm biến vị trí và tốc độ (cảm biến vị trí trục khuỷu CKP, trục cam CMP, cảm biến tốc độ trục vào ISS, tốc độ trục ra OSS): hoạt động theo nguyên lý hiệu ứng Hall, tạo ra chuỗi xung vuông điện áp (mức 0–5V hoặc 0–12V) đồng bộ theo góc quay của vành răng tạo xung.
• Nhóm cảm biến đo nhiệt độ và áp suất (nhiệt độ nước làm mát ECT, nhiệt độ khí nạp IAT, nhiệt độ dầu hộp số TOTS, áp suất tuyệt đối đường ống nạp MAP, vị trí bướm ga TPS): cảm biến nhiệt độ sử dụng nhiệt điện trở âm NTC (Negative Temperature Coefficient) có điện trở giảm khi nhiệt độ tăng; cảm biến MAP sử dụng màng silicon linh hoạt biến thiên điện trở theo độ chân không; cảm biến TPS sử dụng nguyên lý mạch phân áp biến trở 3 chân.

Về phương thức truyền thông, đề tài nghiên cứu chi tiết chuẩn mạng CAN (Controller Area Network) phát triển từ năm 1986 bởi Robert Bosch GmbH, bao gồm chuẩn CAN 2.0A (vùng định danh tiêu chuẩn 11 bit, tương ứng 2.048 giá trị ID) và chuẩn CAN 2.0B (vùng định danh mở rộng 29 bit, chia thành 11 bit ID cơ bản và 18 bit ID mở rộng, cung cấp 536.912 giá trị ID). Đường truyền vật lý gồm hai dây xoắn vi sai CANH và CANL, có gắn hai điện trở đầu cuối 120 Ω. Bit dữ liệu được điều chế theo phương pháp Không trở về không (Non-Return-to-Zero - NRZ), kết hợp kỹ thuật nhồi bit (bit stuffing chèn bit đảo sau 5 bit cùng trạng thái). Giao thức kiểm soát đường truyền bằng cơ chế phân xử bit theo logic wired-AND (mức trội logic 0 giành quyền ưu tiên trước mức lặn logic 1). Bên cạnh đó, đề tài đối chiếu theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 15765-2 về phân mảnh truyền tải dữ liệu chẩn đoán, chuẩn Dịch vụ chẩn đoán hợp nhất UDS (Unified Diagnostic Services) và tiêu chuẩn On-Board Diagnostics thế hệ thứ hai (OBD-II) qua giắc cắm chuẩn 16 chân.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và kỹ thuật thực nghiệm:

• Phương pháp phân tích tài liệu chuyên ngành: Tra cứu sơ đồ mạch điện nguyên bản, biểu đồ chân hộp PCM và bảng thông số vận hành động cơ từ cẩm nang sửa chữa của nhà sản xuất Hyundai/KIA.
• Phương pháp tính toán kỹ thuật: Tính toán tỷ số truyền động học, stall speed, bán kính bánh xe và tần số xung cần phát tương ứng với tốc độ động cơ và tốc độ di chuyển của xe.
• Phương pháp lập trình nhúng: Lập trình điều khiển vi điều khiển Arduino để tái lập dạng sóng xung vuông đồng bộ CKP–CMP và các mức điện áp analog.
• Phương pháp thiết kế hệ thống: Vẽ bản vẽ cơ khí khung đỡ và mặt gá bằng AutoCAD; lập trình bóc tách chuỗi dữ liệu UART và thiết kế giao diện đồ họa giám sát thông số trên LabVIEW.

Nguồn dữ liệu sử dụng xuất phát từ tài liệu kỹ thuật sửa chữa xe KIA Morning 2007–2011, thông số kỹ thuật động cơ Epsilon G4HG, thông số hộp số A4CF0, và các tập mã tham số chẩn đoán (PID - Parameter ID) thuộc Dịch vụ 01 của tiêu chuẩn OBD-II.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống giả lập được thiết kế dạng bàn thử nghiệm cơ điện tử hoàn chỉnh, tích hợp giữa phần cứng phát tín hiệu, hộp điều khiển trung tâm và phần mềm giám sát máy tính.

Về cấu trúc cơ khí và bố trí phần cứng:

• Khung đỡ và mặt bàn gá: Thiết kế trên phần mềm AutoCAD, đảm bảo phân vùng hợp lý giữa khu vực điều khiển điện áp đầu vào, khu vực giắc cắm hộp PCM, bảng domino phân phối nguồn và khu vực hiển thị led tải giả.
• Khối cấp nguồn: Sử dụng bộ nguồn tổ ong chuyển đổi điện áp xoay chiều sang nguồn một chiều 12V ổn định, cung cấp cho hộp PCM và các mạch chuyển tiếp; các thanh domino được phân tách riêng biệt cho cực dương (+12V, +5V) và cực âm (GND) nhằm hạn chế nhiễu điện từ.
• Khối xử lý trung tâm: Sử dụng bo mạch Arduino Mega2560 và Arduino Nano đóng vai trò vi điều khiển phát tín hiệu giả lập. Bo mạch được nạp các đoạn mã xử lý thời gian thực để tái tạo chính xác tín hiệu đầu vào cho PCM.

Về phương thức giả lập các tín hiệu cảm biến:

• Tín hiệu xung số: Lập trình vi điều khiển phát đồng bộ hai kênh xung vuông mô phỏng tín hiệu cảm biến trục khuỷu (CKP) và cảm biến trục cam (CMP). Tần số phát được tính toán tương ứng với dải vòng tua máy từ chế độ cầm chừng (không tải) đến dải tốc độ cao, giữ đúng tương quan số răng và điểm khuyết để PCM nhận diện điểm chết trên của các xi-lanh.
• Tín hiệu điện áp tương tự (Analog): Sử dụng các biến trở phân áp tinh chỉnh để giả lập tín hiệu điện áp từ cảm biến bướm ga TPS (dải điện áp 0,5V khi đóng bướm ga đến 4,0–4,5V khi mở toàn phần) và cảm biến áp suất tuyệt đối đường ống nạp MAP. Các cảm biến nhiệt độ (ECT, IAT, nhiệt độ dầu TOTS) được giả lập thông qua các cụm biến trở thay đổi giá trị điện trở tương đương đặc tính nhiệt điện trở âm NTC.
• Tín hiệu điều khiển hộp số: Thiết lập công tắc chuyển mạch để lựa chọn 6 vị trí của cần số (P, R, N, D, 2, L); đồng thời tính toán tần số xung phát cho cảm biến tốc độ trục vào (ISS) và cảm biến tốc độ trục ra (OSS) dựa trên đường truyền công suất và tỷ số truyền của hộp số A4CF0.

Về giải mã truyền thông CAN và giao diện hiển thị:

• Kết nối phần cứng thông qua module thu tín hiệu CAN kết nối với đường truyền CANH, CANL trên giắc OBD-II của hệ thống.
• Vi điều khiển gửi gói tin yêu cầu dữ liệu chuẩn đoán (chuẩn định dạng 11 bit với ID 7DF, Service 01) và tiếp nhận thông điệp dữ liệu phản hồi từ hộp PCM (ID 7E8). Dữ liệu sau đó được đóng gói và truyền sang máy tính qua giao tiếp nối tiếp UART.
• Ứng dụng trên nền tảng LabVIEW xây dựng cấu trúc bóc tách chuỗi thông qua các khối: VISA Configure Serial Port (khởi tạo cổng COM và tốc độ baud), Property Node, VISA Read (đọc chuỗi byte), Match Pattern (tìm kiếm và tách các trường ký tự định dạng mã PID), và Decimal String to Number (chuyển đổi dữ liệu chuỗi hexa sang giá trị số học thập phân). Giao diện người dùng chia thành 2 trang (Page 1 và Page 2), hiển thị đồng hồ đo và đồ thị thời gian thực cho các thông số: vòng tua máy (RPM), tốc độ xe (Vehicle Speed), góc mở bướm ga TPS, nhiệt độ nước làm mát ECT, nhiệt độ khí nạp IAT, áp suất đường nạp MAP và trạng thái chuyển mạch của các van điện từ (solenoid) trong hộp số.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh công nghệ ô tô chuyển dịch và nhu cầu đào tạo thực hành kỹ thuật tại Việt Nam. Nội dung nêu rõ lý do lựa chọn dòng xe KIA Morning thế hệ thứ nhất (2007–2011), xác lập hệ thống mục tiêu, 4 nhiệm vụ cốt lõi, phạm vi nghiên cứu và phân công phương pháp luận giải quyết vấn đề từ lý thuyết mạch đến chế tạo mô hình thực nghiệm.

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 cung cấp toàn bộ nền tảng lý thuyết kỹ thuật của đề tài:

• Phân tích chi tiết hệ thống truyền động xe KIA Morning: cấu tạo động cơ Epsilon G4HG (1.1L SOHC, MPFI), thông số hình học (đường kính xi-lanh 67 mm, hành trình piston 82 mm, tỷ số nén 10,3:1, khối lượng 77 kg) và hộp số tự động 4 cấp A4CF0 (bộ biến mô gồm cánh bơm, tuabin, stator và ly hợp khóa).
• Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hộp điều khiển PCM cùng các loại cảm biến trên động cơ và hộp số (CKP, CMP, ECT, IAT, MAP, TPS, ISS, OSS, công tắc chọn số).
• Lý thuyết mạng CAN: lịch sử từ năm 1980 tại Robert Bosch GmbH, cấu trúc truyền thông vi sai 2 dây, phương pháp mã hóa NRZ, kỹ thuật nhồi bit stuffing, cấu trúc 4 loại khung (Data Frame, Remote Frame, Error Frame, Overload Frame) và cơ chế phân xử bus khi xảy ra xung đột.
• Tiêu chuẩn ISO 15765-2, dịch vụ chẩn đoán UDS, tổng quan cấu trúc giắc OBD-II và nguyên lý phần cứng vi điều khiển Arduino Nano, Arduino Mega2560.

Chương 3: THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ LẬP TRÌNH MÔ HÌNH GIẢ LẬP

Chương 3 trình bày chi tiết quá trình kỹ thuật:

• Thiết lập sơ đồ khối chức năng của hệ thống giả lập.
• Thiết kế bản vẽ bố trí mặt bàn và khung giá đỡ cơ khí bằng AutoCAD.
• Lập trình thuật toán phát xung vuông trên vi điều khiển Arduino giả lập cảm biến trục cam và trục khuỷu theo chu kỳ răng; xây dựng thuật toán điều chỉnh mức điện áp cảm biến MAP, TPS và các cảm biến nhiệt độ NTC.
• Lập trình khối đọc và giải mã tín hiệu mạng CAN qua giao thức OBD-II (ID 7DF và ID 7E8).
• Thiết kế lưu đồ giải thuật và lập trình giao diện LabVIEW bằng chuỗi các khối xử lý VISA và Match Pattern.
• Thi công đấu nối mạch điện, giắc cắm PCM, bố trí domino cấp nguồn tổ ong và tích hợp hoàn thiện mô hình.

Chương 4: THỬ NGHIỆM

Chương 4 ghi nhận các bước kiểm thử chức năng của hệ thống:

• Kiểm tra đáp ứng của hộp PCM khi nhận tín hiệu giả lập: quan sát tín hiệu kích hoạt kim phun nhiên liệu và bô-bin đánh lửa tương ứng trên bảng led tải.
• Kiểm tra tín hiệu góc đánh lửa sớm và thời gian mở kim phun ở tốc độ cầm chừng.
• Thử nghiệm biến thiên điện áp cảm biến vị trí bướm ga TPS (kiểm tra giá trị phản hồi tại mức 0,5V và 4,0V) và cảm biến MAP.
• Kiểm tra sự đóng mở của 6 van điện từ solenoid trên hộp số tự động theo các vị trí số và tốc độ mô phỏng.
• Kiểm tra độ ổn định và thời gian trễ của ứng dụng hiển thị thông số trên giao diện LabVIEW (Page 1 và Page 2).

Chương 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ KIẾN NGHỊ

Chương 5 đúc kết kết quả hoàn thành của đồ án: chế tạo thành công mô hình hoạt động ổn định, giả lập đầy đủ các tín hiệu động cơ - hộp số và truyền thông CAN. Đồng thời, chương này chỉ ra các điểm hạn chế về mặt mô phỏng tải động học thực tế và đề xuất kiến nghị mở rộng chức năng nghiên cứu cho các khóa sau.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành chế tạo mô hình phần cứng và lập trình hệ thống phần mềm đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật đề ra. Dữ liệu thử nghiệm thực tế cho thấy hộp PCM tiếp nhận chính xác chuỗi tín hiệu giả lập và phản hồi điều khiển theo đúng giải thuật của nhà sản xuất:

• Khi đưa xung giả lập CKP và CMP vào PCM, hệ thống kích hoạt tín hiệu phun xăng và đánh lửa tương ứng. Ở chế độ tốc độ cầm chừng, hộp PCM duy trì góc đánh lửa sớm và thời gian phun ổn định; khi tăng tần số xung mô phỏng vòng tua máy, tần số đánh lửa và thời gian phun tự động điều chỉnh theo bản đồ điều khiển.
• Thử nghiệm cảm biến TPS cho thấy khi điện trở phân áp thay đổi làm điện áp gửi về đạt mức 0,5V và 4,0V, thông số góc mở bướm ga phản hồi trên phần mềm thay đổi tương ứng từ vị trí không tải đến mở lớn.
• Thử nghiệm mạch van solenoid hộp số: các van điện từ chuyển số chuyển đổi trạng thái đóng/ngắt chính xác theo từng dải tốc độ trục vào, trục ra và vị trí công tắc cần số (P, R, N, D, 2, L).
• Hệ thống truyền thông CAN qua cổng OBD-II tiếp nhận thông điệp truy vấn từ vi điều khiển và trích xuất thành công các tham số PID của Service 01 từ ID 7E8, truyền tải dữ liệu ổn định lên hai trang giao diện LabVIEW.

Thông số kỹ thuật	Động cơ Epsilon G4HG	Hộp số tự động A4CF0
Loại / Cấu hình	4 xi-lanh thẳng hàng, SOHC, MPFI	Tự động 4 cấp, có ly hợp khóa biến mô
Dung tích / Tỷ số nén	1.1 L (1.086 cc) / 10,3:1	Stall speed: 2000 ~ 2700 rpm
Kích thước xi-lanh	Đường kính 67 mm, hành trình 82 mm	Khối lượng: tích hợp bộ biến mô 3 thành phần
Công suất cực đại	63 mã lực (47 kW) tại 5.500 vòng/phút	Tỉ số truyền số 1: 2.000
Mô-men xoắn cực đại	97 Nm tại 3.000 vòng/phút	Tỉ số truyền số 4: 0.480
Khối lượng động cơ	Khoảng 77 kg	Tỉ số truyền cuối cùng: 4.587
Cơ cấu chấp hành	Bô-bin đánh lửa, kim phun, van cầm chừng	6 van điện từ (solenoid), 6 vị trí chuyển số

Đề tài đóng góp một giải pháp phần cứng mở, chi phí thấp trong việc tái hiện nguyên lý hoạt động của hộp điều khiển hệ thống truyền động KIA Morning mà không cần vận hành toàn bộ xe thật. Về mặt học thuật, công trình làm sáng tỏ phương pháp truy vấn và giải mã khung dữ liệu mạng CAN theo tiêu chuẩn OBD-II bằng vi điều khiển thông dụng, cung cấp tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh cho công tác chế tạo mô hình thực hành cơ điện tử ô tô.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo nội dung công bố trong đồ án, nghiên cứu tồn tại một số giới hạn kỹ thuật:

• Phạm vi phần cứng chỉ khảo sát trên dòng hộp điều khiển PCM của KIA Morning thế hệ thứ nhất giai đoạn 2007–2011 (bản AT, động cơ 1.1L), chưa mở rộng trên các dòng PCM điều khiển qua chuẩn mạng CAN tốc độ cao ở các đời xe mới hơn.
• Mô hình tập trung vào hệ thống truyền động (động cơ và hộp số), chưa giả lập các hệ thống an toàn và phụ trợ khác trên mạng CAN xe như hệ thống chống bó cứng phanh (ABS), túi khí hoặc hệ thống trợ lực lái điện.
• Dữ liệu tốc độ và tải trọng động cơ được tạo ra bằng phương pháp tính toán lý thuyết và biến trở xoay, chưa tích hợp mô hình mô phỏng tải động học thực tế của xe khi vận hành trên đường dốc hoặc kéo tải nặng.

Các hướng phát triển được tác giả kiến nghị bao gồm:

1. Tiếp tục mở rộng giải mã các mã tham số PID nâng cao và đọc mã lỗi chẩn đoán (DTC - Diagnostic Trouble Codes) trực tiếp trên giao diện LabVIEW.
2. Tích hợp bổ sung tín hiệu giả lập của cảm biến oxy và hệ thống kiểm soát bay hơi nhiên liệu (EVAP) để hoàn thiện chu trình kiểm soát khí thải.
3. Nghiên cứu kết nối đồng bộ liên mạng giữa hộp PCM với các hộp điều khiển mô phỏng khác (ABS, BCM) trên cùng bus truyền thông CAN.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và giảng viên thuộc các ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa.

Những phần nội dung mang giá trị ứng dụng cao bao gồm:

• Toàn bộ sơ đồ chân và giải pháp đấu nối hộp điều khiển PCM KIA Morning thế hệ thứ nhất tại Chương 3.
• Lý thuyết chi tiết về cấu trúc các trường bit trong khung dữ liệu CAN 2.0A/B, kỹ thuật phân xử bus và tiêu chuẩn chẩn đoán ISO 15765-2 / OBD-II tại Chương 2.
• Cấu trúc lưu đồ giải thuật và phương pháp thiết lập các khối giao tiếp VISA, xử lý chuỗi trên LabVIEW để đọc dữ liệu nối tiếp máy tính.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ Epsilon G4HG trên phiên bản KIA Morning được nghiên cứu có những thông số kỹ thuật cơ bản nào?
Động cơ Epsilon G4HG là loại động cơ xăng 4 xi-lanh thẳng hàng, trục cam đơn SOHC, sử dụng hệ thống phun xăng đa điểm (MPFI). Động cơ có dung tích 1.1L, đường kính xi-lanh 67 mm, hành trình piston 82 mm, tỷ số nén 10,3:1, khối lượng khoảng 77 kg. Động cơ sản sinh công suất tối đa 63 mã lực (47 kW) tại 5.500 vòng/phút và mô-men xoắn cực đại 97 Nm tại 3.000 vòng/phút.

2. Giao thức mạng CAN giải quyết tình trạng xung đột đường truyền (phân xử bus) như thế nào?
Giao thức CAN sử dụng nguyên lý phân xử bus không ngắt quãng dựa trên cấu trúc logic wired-AND nối tất cả các nút. Khi nhiều nút cùng phát bit SOF để bắt đầu truyền, các nút sẽ truyền từng bit của trường định danh (ID) từ bit có trọng số cao nhất (MSB). Trạng thái dominant (mức thấp, logic 0) chiếm ưu thế trước trạng thái recessive (mức cao, logic 1). Nếu một nút truyền mức recessive nhưng đọc lại đường truyền thấy mức dominant (do nút khác phát), nút đó nhận diện đã thua cuộc phân xử và lập tức rút lui, chuyển sang chế độ chỉ nhận. Do đó, nút có mã ID mang giá trị nhị phân nhỏ nhất sẽ giành quyền phát dữ liệu liên tục mà không bị gián đoạn.

3. Tín hiệu của các cảm biến vị trí trục khuỷu, trục cam và cảm biến nhiệt độ được giả lập bằng phương pháp nào?
Cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP) và trục cam (CMP) thuộc loại cảm biến Hall tạo xung vuông điện áp (5V/12V), được giả lập bằng thuật toán phát xung số trên vi điều khiển Arduino, đảm bảo số lượng xung và điểm khuyết đồng bộ theo chu kỳ quay. Các cảm biến nhiệt độ nước làm mát (ECT), nhiệt độ khí nạp (IAT) và nhiệt độ dầu hộp số (TOTS) vốn sử dụng nhiệt điện trở âm NTC, được giả lập bằng các mạch phân áp biến trở có dải điện trở suy giảm khi nhiệt độ mô phỏng tăng lên.

4. Khối xử lý chuỗi trên phần mềm LabVIEW trích xuất dữ liệu OBD-II bằng các công cụ nào?
Giao diện LabVIEW sử dụng khối VISA Configure Serial Port để mở cổng COM và thiết lập tốc độ truyền dữ liệu từ vi điều khiển. Chuỗi ký tự thô nhận từ khối VISA Read được đưa qua các khối Match Pattern để bóc tách định dạng chuỗi theo mẫu cấu trúc định dạng mã PID. Sau đó, khối Decimal String to Number chuyển đổi chuỗi giá trị thập lục phân sang giá trị số thập phân và áp dụng công thức tính toán toán học chuẩn của OBD-II để hiển thị lên đồng hồ đo.

5. Các mã định danh (CAN ID) nào được sử dụng trong quá trình giao tiếp chẩn đoán OBD-II giữa hệ thống và PCM?
Quá trình truyền nhận dữ liệu chẩn đoán OBD-II trong đồ án sử dụng hai mã định danh tiêu chuẩn 11 bit: mã ID 7DF (khung yêu cầu chẩn đoán do thiết bị phát gửi đến PCM) và mã ID 7E8 (khung thông điệp dữ liệu phản hồi chứa mã PID do hộp điều khiển hệ thống truyền động PCM trả về).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả đã nghiên cứu toàn diện hệ thống truyền động xe KIA Morning thế hệ thứ nhất, làm rõ các phương thức xử lý tín hiệu cảm biến và cơ chế giao tiếp qua mạng CAN bus. Nghiên cứu hoàn thành việc thiết kế, chế tạo bàn thử nghiệm phần cứng kết hợp vi điều khiển Arduino và giao diện giám sát LabVIEW, cho phép giả lập ổn định các tín hiệu điều khiển động cơ và hộp số A4CF0. Mô hình cung cấp một phương tiện thực nghiệm kỹ thuật trực quan, hỗ trợ hiệu quả công tác đào tạo chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô và đóng vai trò nền tảng cho các nghiên cứu mở rộng về chẩn đoán điều khiển điện tử trên ô tô.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về đề tài Với sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô, thị trường ô tô hiện nay trở nên đa dạng và phong phú hơn bao giờ hết. Các hãng xe không ngừng cạnh tranh để cho ra đời những mẫu xe mới với thiết kế ấn tượng, tính năng vượt trội và công nghệ hiện đại. Trong phân khúc xe hạng A dành cho đô thị, phổ biến nhất có thể kể đến là xe KIA Morning, còn có tên khác là Picanto.

Mẫu xe rất được ưa chuộng và yêu thích với sự tiện lợi, kiểu dáng nhỏ gọn, và mức giá hợp lý. KIA Morning xứng đáng là sự lựa chọn hàng đầu cho các cá nhân và gia đình. Để hiểu rõ được một phần nguyên lí hoạt động của xe KIA Morning, nhóm nghiên cứu chúng tôi với sự hướng dẫn của thầy Lê Quang Vũ từ Bộ môn Điện tử ô tô, ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã thực hiện đồ án với tên đề tài: “Nghiên cứu, chế tạo hệ thống giả lập tín hiệu hoạt động cho động cơ KIA Morning” Đề tài cung cấp cái nhìn tổng thể về quá trình hoạt động của động cơ KIA Morning. Nhóm nghiên cứu sẽ làm rõ từ tín hiệu của những loại cảm biến khác nhau trên xe, hoạt động của hộp số, các bộ điều khiển điện tử.

Hơn thế, nhóm sẽ làm rõ thêm hoạt động của mạng CAN trên xe diễn ra như thế nào, cách thu nhận và xử lý giải mã tín hiệu từ mạng CAN. Qua đó mong muốn cái nhìn cụ thể, có thể được phục vụ cho quá trình giảng dạy sau này. Mục tiêu của đề tài – Hiểu và nắm vững lý thuyết về hệ thống truyền động ô tô. – Đọc được sơ đồ mạch điện trên xe KIA Morning (bản AT, thế hệ thứ nhất).

– Tìm hiểu kiến thức lý thuyết về giao thức CAN. – Giả lập các tín hiệu cảm biến trên động cơ và hộp số. – Lập trình đọc dữ liệu thông tin từ mạng CAN và hiển thị lên máy tính. – Thiết kế giao diện hiển thị thông tin của ô tô trên LabVIEW.

– Hoàn thiện mô hình các tín hiệu giả lập. Nhiệm vụ của đề tài – Từ hộp PCM của KIA Morning 2007-2011, bản AT. Nhóm giả lập các tín hiệu cảm biến trên động cơ và hộp số đưa vào hộp PCM. – Hộp PCM trả về tín hiệu phun xăng đánh lửa.

– Tính toán được tốc độ xe gửi vào cho hộp PCM. – Đọc các thông số cơ bản của xe từ mạng CAN và hiển thị lên máy tính. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu Đề tài: “Nghiên cứu quá trình hoạt động thông qua tín hiệu giả lập cho động cơ KIA Morning thế hệ thứ nhất” được thực hiện với các đối tượng nghiên cứu sau: – Hộp điều khiển hệ thống truyền động của KIA Morning thế hệ thứ nhất.

– Các dạng tín hiệu của cảm biến trên động cơ và hộp số. – Lập trình trên Arduino Nano và Arduino Mega2560. – Sự truyền nhận tín hiệu mạng CAN. – Thiết kế mô hình 1.

Phạm vi nghiên cứu – Nghiên cứu quá trình hoạt động động cơ KIA Morning thế hệ thứ nhất. – Nghiên cứu quá trình hoạt động hộp số KIA Morning thế hệ thứ nhất. – Giả lập các tín hiệu cảm biến trên xe. – Hiển thị các thông số cơ bản của xe qua dữ liệu đọc từ mạng CAN.

– Đưa ra nhận xét và hướng phát triển của đề tài 1. Phương pháp nghiên cứu – Sử dụng tài liệu sửa chữa của hãng để tìm kiếm các thông số chính xác của xe. – Sử dụng kiến thức chuyên ngành ô tô để mô phỏng được chính xác.