Nghiên cứu, chế tạo, thử nghiệm bướm ga điện tử trên xe máy

Đồ án nghiên cứu chế tạo thử nghiệm bướm ga điện tử trên xe máy - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM

• Tác giả: Nguyễn Lương Thanh
• Người hướng dẫn: PGS. TS Đỗ Văn Dũng
• 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, thử nghiệm bướm ga điện tử trên xe máy
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về bướm ga điện tử trên xe máy hiện đại

Công nghệ bướm ga điện tử đóng vai trò then chốt trong ngành công nghiệp ô tô và xe gắn máy thế hệ mới. Đề tài nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM tập trung chế tạo cụm bướm ga thông minh cho dòng xe hai bánh. Hệ thống Drive-by-Wire loại bỏ hoàn toàn liên kết cơ khí bằng dây cáp kéo truyền thống. Cơ cấu này thay thế bằng mô-tơ một chiều điều khiển bướm gió dựa trên tín hiệu điện áp từ cảm biến vị trí tay ga. Bộ điều khiển điện tử tính toán góc mở tối ưu cho từng chu kỳ nạp của động cơ. Nhờ khả năng định lượng chính xác luồng không khí, động cơ đốt cháy nhiên liệu hiệu quả hơn. Quá trình vận hành trở nên mượt mà tại mọi dải tốc độ vòng tua máy. Công nghệ này đáp ứng các quy chuẩn khí thải khắt khe trong đô thị hiện đại. Nghiên cứu thực nghiệm tại trường mở ra hướng tiếp cận tự chủ công nghệ điều khiển ô tô xe máy tại Việt Nam. Thiết kế phần cứng đảm bảo tính tương thích cao với các khối động cơ phổ thông hiện hành.

1.1. Khái niệm và nguyên lý hoạt động bướm ga điện tử

Bướm ga điện tử hoạt động dựa trên mạng lưới cảm biến và cơ cấu chấp hành kỹ thuật số. Người điều khiển xoay tay ga để tạo ra tín hiệu điện áp gửi về ECU. Cảm biến vị trí bàn đạp ga ghi nhận ý định tăng tốc của người lái xe. Vi xử lý tính toán và xuất tín hiệu xung PWM đến mạch điều khiển động cơ điện một chiều. Mô-tơ truyền động qua cụm bánh răng giảm tốc để xoay trục cánh bướm ga đến góc mở cần thiết. Cảm biến góc mở bướm ga liên tục phản hồi vị trí thực tế về bộ điều khiển. Vòng lặp kín này triệt tiêu sai lệch tức thì và duy trì sự ổn định động cơ.

1.2. Bối cảnh nghiên cứu chế tạo tại trường ĐH SPKT TPHCM

Đề tài tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM xuất phát từ nhu cầu thực tiễn. Nghiên cứu do sinh viên thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS Đỗ Văn Dũng. Nhóm nghiên cứu chủ động thiết kế, gia công và thử nghiệm cụm bướm ga điện tử hoàn chỉnh cho xe máy. Mục tiêu đồ án là làm chủ công nghệ điều khiển bướm ga điện tử thông minh trong nước. Dự án áp dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng toán học và thử nghiệm mô hình thực. Sản phẩm thể hiện năng lực sáng tạo và kỹ năng thực hành chuyên sâu của sinh viên cơ khí động lực.

II. Hạn chế của cơ cấu cơ khí và yêu cầu bướm ga điện tử trên xe máy

Cơ cấu bướm ga cơ khí truyền thống sử dụng dây cáp thép nối trực tiếp giữa tay ga và bướm gió. Kết cấu này bộc lộ nhiều điểm yếu sau thời gian dài vận hành. Dây cáp chịu ma sát liên tục gây ra hiện tượng kẹt ga hoặc chùng dây, làm giảm độ an toàn giao thông. Góc mở bướm ga hoàn toàn phụ thuộc vào thao tác cơ học của người lái xe. Động cơ không thể tự điều chỉnh góc mở phù hợp với tải trọng tức thời và điều kiện môi trường. Hỗn hợp hòa khí thường rơi vào trạng thái quá đậm hoặc quá loãng, dẫn đến hao phí nhiên liệu. Hệ thống cơ khí hoàn toàn thiếu khả năng giao tiếp với các bộ điều khiển điện tử hiện đại. Xe không thể tích hợp các tính năng tự động cao cấp như kiểm soát hành trình hoặc giới hạn tốc độ. Trong khi đó, việc chuyển đổi sang hệ thống điện tử đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật. Chi phí sản xuất linh kiện vi mạch và cảm biến chính xác còn tương đối cao. Sự cố tín hiệu phần mềm hoặc đoản mạch có thể gây mất an toàn nếu thiếu cơ chế bảo vệ dự phòng.

2.1. Nhược điểm kỹ thuật của cơ cấu bướm ga dây cáp kéo

Bướm ga truyền thống bộc lộ nhiều nhược điểm cố hữu trong quá trình sử dụng. Dây cáp kim loại dễ bị giãn hoặc han gỉ sau thời gian dài tiếp xúc với mưa bụi. Hiện tượng ma sát trong vỏ bọc dây cáp làm cho cảm giác vặn ga bị sượng và thiếu chính xác. Cơ cấu này không thể tự động can thiệp vào góc mở khi xe trượt bánh hoặc gặp sự cố bất ngờ. Tỷ lệ hòa khí động cơ phụ thuộc hoàn toàn vào thói quen chạy xe của tài xế. Tình trạng ga đột ngột khiến hỗn hợp cháy dư xăng, sinh ra nhiều muội than và khí độc CO, HC. Sự thiếu hụt khả năng giao tiếp điện tử kìm hãm sự phát triển của các phương tiện hai bánh hiện đại.

2.2. Thách thức trong việc nghiên cứu và nội địa hóa linh kiện

Chế tạo bướm ga điện tử trên xe máy tại Việt Nam gặp nhiều thách thức công nghệ. Kích thước khoang động cơ xe máy rất nhỏ gọn, đòi hỏi cụm chấp hành phải có thiết kế tối giản. Việc gia công cụm vỏ bướm ga và bánh răng truyền động yêu cầu dung sai cơ khí cực thấp. Mạch điều khiển phải chịu được nhiệt độ cao và rung động liên tục từ khung xe máy. Thuật toán điều khiển đòi hỏi thời gian đáp ứng tính bằng mili giây để loại bỏ độ trễ ga. Nguy cơ lỗi xung điều khiển có thể khiến bướm ga bị kẹt mở, gây nguy hiểm cho người vận hành. Đội ngũ nghiên cứu phải tính toán kỹ lưỡng cơ chế lò xo hồi vị cơ học khẩn cấp.

III. Thiết kế giải pháp chế tạo bướm ga điện tử trên xe máy

Nhóm nghiên cứu tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM triển khai giải pháp kỹ thuật tích hợp đồng bộ. Hệ thống bao gồm cảm biến vị trí góc xoay tay ga, mạch điều khiển trung tâm và cụm chấp hành. Mô-tơ điện một chiều liên kết với trục bướm ga qua hộp số bánh răng truyền động có tỷ số truyền N xác định. Giá trị mô-men xoắn đầu ra của mô-tơ tỷ lệ thuận với chu kỳ nhiệm vụ xung PWM được cấp từ vi điều khiển. Cảm biến TPS gửi tín hiệu góc quay cánh bướm ga về bộ xử lý nhằm hoàn thiện vòng điều khiển kín. Thuật toán điều khiển PID kinh điển được áp dụng để tính toán sai lệch giữa góc đặt và góc thực tế. Các hệ số tỷ lệ Kp, tích phân Ki và vi phân Kd được xác lập chính xác qua mô phỏng toán học trên phần mềm chuyên dụng. Khâu Kp đẩy nhanh tốc độ phản hồi của bướm gió. Khâu Ki triệt tiêu sai số xác lập ở trạng thái tĩnh. Khâu Kd dập tắt hiện tượng dao động và giảm độ vọt lố khi vặn ga đột ngột. Mô hình thực nghiệm chứng minh hệ thống đạt độ ổn định cao và bám sát giá trị đặt.

3.1. Thiết kế cơ khí và tích hợp phần cứng cụm chấp hành

Cụm chấp hành được chế tạo tinh gọn để gắn khớp vào cổ hút động cơ xe máy. Thân bướm ga được gia công cơ khí chính xác từ hợp kim nhôm nhằm đảm bảo độ cứng vững và giảm trọng lượng. Trục xoay gắn cánh bướm bằng đồng được cố định qua vòng bi đỡ để giảm ma sát quay. Động cơ điện một chiều truyền chuyển động qua cụm bánh răng giảm tốc có độ bền mài mòn cao. Cơ cấu lò xo hồi vị đóng vai trò then chốt trong an toàn vận hành. Khi xảy ra sự cố mất nguồn hoặc đứt tín hiệu điều khiển, lò xo lập tức kéo cánh bướm về vị trí đóng an toàn. Cảm biến TPS tiếp xúc được tích hợp để đo đạc góc quay liên tục.

3.2. Ứng dụng thuật toán điều khiển PID và xung PWM

Thuật toán PID giữ vai trò cốt lõi trong việc kiểm soát vị trí cánh bướm ga xe máy. Bộ vi điều khiển lấy mẫu tín hiệu góc quay thực tế từ cảm biến với tần số cao. Sai lệch giữa góc mở mong muốn và giá trị hồi tiếp được đưa vào hàm tính toán PID. Độ lợi tỷ lệ Kp giúp motor bướm ga phản ứng gần như tức thì với thao tác tay ga. Thành phần tích phân Ki loại trừ hoàn toàn sai số tĩnh trong mọi điều kiện vận hành. Khâu vi phân Kd giữ vai trò hãm quán tính quay, chống hiện tượng rung giật cánh bướm. Tín hiệu đầu ra của bộ PID điều biến độ rộng xung PWM để kiểm soát mô-men động cơ kéo một cách chính xác.

IV. Kết luận về tiềm năng bướm ga điện tử trên xe máy tương lai

Kết quả thử nghiệm tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM khẳng định tính khả thi của hệ thống bướm ga điện tử. Cụm thiết bị vận hành ổn định trong nhiều dải tải trọng động cơ khác nhau. Thời gian đáp ứng của cánh bướm ga đạt mức dưới 100 mili giây, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng trễ ga cơ học. Việc điều phối chính xác lượng khí nạp giúp tối ưu hóa quá trình đốt cháy và giảm lượng khí thải độc hại ra môi trường. Đề tài mở ra tiềm năng lớn cho việc ứng dụng công nghệ điều khiển điện tử trên các dòng xe máy thương mại trong nước. Hệ thống bướm ga điện tử là nền tảng cốt lõi để tích hợp các tính năng thông minh thế hệ mới. Phương tiện có thể dễ dàng bổ sung chế độ lái tiết kiệm nhiên liệu Eco Mode, chế độ thể thao Sport Mode hoặc hệ thống kiểm soát hành trình Cruise Control. Việc làm chủ thiết kế và thuật toán điều khiển giúp giảm bớt sự phụ thuộc vào các cụm linh kiện nhập khẩu đắt đỏ. Đây là bước đệm quan trọng thúc đẩy sự phát triển của công nghiệp phụ trợ ô tô xe máy nội địa.

4.1. Đánh giá kết quả thử nghiệm và hiệu quả thực tế

Các bài kiểm tra thực nghiệm ghi nhận khả năng kiểm soát bướm ga chuẩn xác và ổn định. Đường đặc tính phản hồi góc mở bám sát tín hiệu vặn tay ga của người lái với sai số dưới 1,5%. Mô-tơ truyền động vận hành êm ái, không xuất hiện hiện tượng trễ hoặc rung lắc cánh bướm gió. Quá trình đốt cháy hòa khí diễn ra triệt để hơn, giảm thiểu lượng hydrocacbon chưa cháy trong khí xả. Độ tin cậy cơ khí được bảo đảm sau hàng nghìn chu kỳ đóng mở liên tục trên băng thử. Cơ cấu an toàn lò xo phản ứng tức thì khi ngắt nguồn khẩn cấp. Kết quả chứng minh giải pháp thiết kế đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật đề ra.

4.2. Hướng mở rộng và triển khai trên các dòng xe máy tương lai

Đề tài tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng công nghệ điện tử hóa trên xe máy sản xuất nội địa. Hệ thống cho phép mở rộng kết nối với bộ xử lý trung tâm ECU để tích hợp các tính năng thông minh. Các tiện ích hiện đại như ga tự động Cruise Control và kiểm soát lực kéo Traction Control hoàn toàn có thể triển khai thực tế. Nhóm nghiên cứu kiến nghị tiếp tục thu nhỏ kích thước mạch điều khiển và nâng cấp cảm biến đo góc mở không tiếp xúc. Xu hướng này gia tăng độ bền linh kiện trong môi trường nhiệt ẩm khắc nghiệt tại Việt Nam. Việc thương mại hóa sản phẩm sẽ nâng cao giá trị gia tăng cho ngành công nghiệp xe hai bánh.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Tại Việt Nam, xe máy là phương tiện giao thông cá nhân chủ lực, gắn liền với sinh hoạt đời sống và hoạt động kinh tế. Cùng với sự phát triển kinh tế và mức sống được nâng cao, nhu cầu của người sử dụng đối với phương tiện hai bánh không dừng lại ở chức năng di chuyển cơ bản mà ngày càng chú trọng đến các công nghệ an toàn, tính năng hỗ trợ lái và khả năng giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Điều này được thể hiện rõ qua sự gia tăng thị phần của các dòng xe trang bị hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) hay khóa thông minh (smart key).

Trong khi hệ thống bướm ga điện tử (Electronic Throttle Control System - ETCS) đã trở thành trang bị tiêu chuẩn trên ô tô và một số dòng xe mô tô phân khối lớn, các dòng xe máy phổ thông tại Việt Nam hiện nay vẫn chủ yếu sử dụng cơ cấu bướm ga điều khiển cơ khí thông qua dây cáp kéo. Cơ cấu cơ khí này bộc lộ những hạn chế trong việc tối ưu hóa lượng khí nạp chính xác theo từng chế độ vận hành, làm giảm hiệu quả đốt cháy nhiên liệu và khó tích hợp các tính năng hỗ trợ điều khiển thông minh. Ngoài ra, việc điều khiển tay ga cơ khí gây trở ngại lớn cho những người có bệnh lý về tay hoặc người khuyết tật chi trên.

Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài "Nghiên cứu, chế tạo, thử nghiệm bướm ga điện tử trên xe máy" được nhóm tác giả thực hiện nhằm thay thế cơ cấu bướm ga cơ khí bằng hệ thống điều khiển điện tử, hướng tới việc tối ưu hóa quá trình nạp khí và mở rộng khả năng tiếp cận phương tiện cho người dùng đặc thù.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

1. Tìm hiểu tổng quan và cơ sở lý thuyết về cảm biến, hệ thống điện điều khiển động cơ đốt trong.
2. Tìm hiểu cơ sở lý thuyết, phân tích ưu và nhược điểm của bướm ga cơ khí so với bướm ga điện tử.
3. Thiết lập các yêu cầu kỹ thuật đối với cụm bướm ga điện tử sử dụng trên xe máy; từ đó thiết kế và chế tạo sản phẩm đáp ứng các chỉ tiêu đã đề ra.
4. Xây dựng thuật toán điều khiển phù hợp, đảm bảo các tiêu chí về an toàn vận hành, tốc độ đáp ứng và tính ổn định.
5. Tổ chức thực nghiệm, thu thập và phân tích số liệu thực nghiệm nhằm đánh giá chất lượng và hoàn thiện hệ thống.

Mục đích nghiên cứu:

• Chế tạo cụm bướm ga điện tử và bộ điều khiển hoàn chỉnh cho xe máy đảm bảo tính an toàn, độ nhạy cao, hoạt động ổn định và dễ vận hành.
• Tạo nền tảng phần cứng và thuật toán phục vụ các dự án nghiên cứu tối ưu hóa mức tiêu hao nhiên liệu (như cuộc thi Honda EMC, Shell Eco-marathon).
• Cung cấp cơ sở tiền đề cho việc cải tiến buồng trộn hòa khí trước khi nạp vào buồng đốt, hỗ trợ nâng cao hiệu suất động cơ.
• Hỗ trợ phương tiện di chuyển thích ứng cho người khuyết tật hoặc người gặp hạn chế vận động ở tay.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển bướm ga điện tử (ETC) ứng dụng cho động cơ đốt trong.
• Phương tiện và thiết bị nghiên cứu: Xe máy Honda Wave RSX trang bị hệ thống phun xăng điện tử (FI), vi điều khiển Arduino Uno R3, mạch cầu H L298N, các cảm biến vị trí bướm ga (TPS), cảm biến bàn đạp ga (APPS) và cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP).
• Phạm vi thời gian và địa điểm: Đề tài được hoàn thành trong thời gian gần 4 tháng (nghiệm thu tháng 01/2025) tại Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết

Đề tài dựa trên các nền tảng lý thuyết kỹ thuật điều khiển động cơ và cơ điện tử:

• Lý thuyết nạp và điều tiết dòng khí: Bướm ga đóng vai trò là van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng không khí đi vào buồng đốt của động cơ xăng, từ đó quyết định lượng nhiên liệu phun tương ứng theo tỷ lệ hòa trộn lý thuyết để kiểm soát công suất và mô-men xoắn đầu ra.
• Nguyên lý cảm biến vị trí bàn đạp ga (APPS): Phân tích hai nguyên lý hoạt động gồm cảm biến tiếp xúc (dùng biến trở than, mòn cơ học theo thời gian) và cảm biến không tiếp xúc (sử dụng phần tử hiệu ứng Hall, nhận biết sự thay đổi từ trường của nam châm gắn trên trục xoay để xuất ra điện áp tuyến tính). Để đảm bảo an toàn, cụm bàn đạp ga luôn sử dụng hai kênh tín hiệu độc lập (VPA và VPA2) được cấp nguồn riêng biệt.
• Nguyên lý cảm biến vị trí bướm ga (TPS): Đóng vai trò là tín hiệu phản hồi (feedback) góc mở thực tế của bướm ga (VTA, VTA2) về bộ điều khiển nhằm khép kín vòng điều khiển vị trí.
• Thuật toán điều khiển PID: Sử dụng bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân - vi phân (Proportional - Integral - Derivative) để điều khiển vị trí góc mở bướm ga. Đầu ra điều khiển $u(t)$ là tổng hợp của ba khâu: $$u(t) = K_p e(t) + K_i \int_{0}^{t} e(\tau)d\tau + K_d \frac{de(t)}{dt}$$ Trong đó: $K_p$ là độ lợi tỷ lệ giúp tăng tốc độ đáp ứng; $K_i$ là độ lợi tích phân giúp triệt tiêu sai số xác lập; $K_d$ là độ lợi vi phân giúp hãm dao động, giảm độ vọt lố.
• Lý thuyết chuyển mạch cầu H và điều chế độ rộng xung (PWM): Sử dụng tín hiệu PWM để thay đổi điện áp hiệu dụng cấp cho motor DC, phối hợp với 4 khóa bán dẫn trong mạch cầu H để đảo chiều quay mở/đóng hoặc duy trì lực giữ chống lại lò xo hồi vị.
• Cơ chế an toàn (Fail-safe): Cấu trúc điều khiển tự động nhận diện xung đột tín hiệu giữa VPA1 và VPA2 hoặc lỗi mất tín hiệu TPS để đưa bướm ga về chế độ giới hạn an toàn hoặc ngắt hoàn toàn nguồn cấp motor để lò xo cơ khí kéo cánh bướm về góc mặc định (~7 độ).

Phương pháp nghiên cứu

• Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Nghiên cứu các công trình điều khiển bướm ga điện tử trên ô tô và mô tô của các tác giả trong nước (Lý Vĩnh Đạt với bướm ga Hitachi) và quốc tế (Ashok et al. về mô hình hóa ma sát và lò xo kép; Matteo Corno et al. về bộ điều khiển Gain-Scheduled cho xe đua Ride-by-Wire; Takeru Abe et al. về tính thích ứng của ETC trên mô tô cỡ lớn).
• Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng số: Thiết lập hệ phương trình toán học mô tả quan hệ mô-men xoắn motor ($M_{motor} = Duty \times C_s$), mô-men đàn hồi của lò xo ($M_{loxo}$), mô-men ma sát ($M_{masat}$) và mô-men quán tính ($J$). Khảo sát động học và chất lượng điều khiển PID của cụm chấp hành trên phần mềm Matlab/Simulink trước khi chế tạo.
• Phương pháp thiết kế và gia công cơ điện tử: Gia công cơ khí chính xác thân bướm ga xe Honda Wave RSX FI, tiện nối dài trục bướm ga, gia công gá đặt động cơ DC, tích hợp hệ truyền động đai - pulley và bố trí hộp điều khiển.
• Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Thu thập dữ liệu tín hiệu điện áp từ cảm biến và tốc độ động cơ thông qua vi điều khiển tại các chế độ vận hành: không tải (cầm chừng), chế độ hoạt động bình thường, và các chế độ kích hoạt lỗi an toàn có chủ đích.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu nghiên cứu bao gồm: thông số kỹ thuật động cơ xe máy Honda Wave RSX FI; tín hiệu điện áp thực tế trích xuất từ cảm biến TPS và cảm biến vị trí bàn đạp ga APPS (từ cụm bàn đạp xe Toyota Prius 2010); xung điện áp analog từ cảm biến vị trí trục khuỷu CKP; các thông số đồ thị dòng điện, góc mở bướm ga và tốc độ vòng tua máy (RPM) ghi nhận trực tiếp qua giao tiếp nối tiếp của Arduino.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống bướm ga điện tử được thiết kế và triển khai lắp đặt trực tiếp trên xe máy Honda Wave RSX FI với các giải pháp kỹ thuật cụ thể:

Thành phần hệ thống	Giải pháp thiết kế & Công nghệ sử dụng	Chức năng kỹ thuật
Thân bướm ga	Gia công nối dài trục bướm ga, bịt kín đường gió phụ (bypass)	Đảm bảo lưu lượng không khí vào động cơ hoàn toàn do cánh bướm ga điều tiết; trục kéo dài kết nối với cơ cấu dẫn động mới
Cơ cấu truyền động	Hệ thống pulley và dây đai truyền động kết hợp lò xo hoàn lực	Truyền chuyển động quay từ motor DC đến trục bướm ga với chuyển động êm dịu, giảm va đập cơ học; duy trì lò xo hồi vị cơ học
Động cơ chấp hành	Động cơ điện một chiều (DC Motor)	Tạo mô-men xoắn đóng/mở cánh bướm ga theo tín hiệu điều khiển
Mạch công suất	Module driver động cơ mạch cầu H L298N	Nhận tín hiệu xung PWM và tín hiệu logic điều khiển hướng từ vi điều khiển để đóng cắt nguồn công suất cấp cho motor DC
Bộ xử lý trung tâm	Vi điều khiển Arduino Uno R3 (thạch anh 16 MHz, bộ nhớ Flash 32KB)	Tiếp nhận tín hiệu đầu vào, thực thi giải thuật PID số, tính toán tốc độ động cơ và xuất xung điều khiển vị trí bướm ga
Cảm biến đầu vào	- Cảm biến bàn đạp ga Toyota Prius 2010 (2 kênh VPA1, VPA2) - Cảm biến TPS nguyên bản xe máy - Cảm biến CKP từ vô lăng điện xe	- Xác định yêu cầu tăng tốc của người lái - Phản hồi góc mở bướm ga thực tế về vi điều khiển - Xác định góc quay trục khuỷu và tính tốc độ tua máy (RPM)
Mạch xử lý xung CKP	Sử dụng diode dập bán kỳ âm kết hợp mạch chuyển đổi tín hiệu analog thành xung số PWM	Chuẩn hóa biên độ tín hiệu xung đánh lửa/vị trí trục khuỷu về dạng xung vuông logic 0-5V tương thích với chân ngắt vi điều khiển

Hệ thống phần mềm được xây dựng theo kiến trúc đa luồng chức năng với các khối thuật toán chính:

• Chương trình đo tốc độ động cơ: Đọc ngắt tín hiệu xung từ cảm biến CKP đã qua mạch chuẩn hóa, tính toán chu kỳ quay và quy đổi thành tốc độ vòng tua máy (vòng/phút - RPM).
• Thuật toán điều khiển PID vị trí: So sánh liên tục giữa giá trị đặt (từ tín hiệu bàn đạp ga VPA sau khi nội suy) và giá trị phản hồi (từ cảm biến TPS), tính toán sai lệch $e$ để điều chỉnh giá trị chu kỳ nhiệm vụ (Duty Cycle) cấp tới module L298N.
• Thuật toán an toàn (Fail-safe logic): Liên tục đối soát sai lệch điện áp giữa VPA1 và VPA2. Khi sai lệch vượt ngưỡng cho phép (hỏng một cảm biến), hệ thống chuyển sang chế độ khẩn cấp, khống chế góc mở bướm ga tối đa ở mức 15%. Khi phát hiện mất đồng thời hai tín hiệu VPA hoặc mất tín hiệu phản hồi TPS, vi điều khiển lập tức ngắt xung điều khiển cầu H, giải phóng motor để lò xo kéo cánh bướm ga về vị trí dừng cơ học an toàn.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Nội dung chương tập trung làm rõ lý do chọn đề tài dựa trên nhu cầu thực tiễn của thị trường xe máy Việt Nam, phân tích tính cấp thiết của việc hiện đại hóa hệ thống điều khiển động cơ trên xe máy phổ thông và ý nghĩa xã hội hướng tới đối tượng người khuyết tật. Chương này nêu chi tiết 5 mục tiêu nghiên cứu, 4 mục đích thực tiễn, xác định rõ đối tượng thực nghiệm là xe máy Honda Wave RSX FI sử dụng vi điều khiển Arduino. Phần tình hình nghiên cứu đã tổng hợp các công trình tiêu biểu: đề tài của Lý Vĩnh Đạt (nghiên cứu mạch điều khiển bướm ga Hitachi bằng ngôn ngữ assembly trên ô tô); nghiên cứu của Ashok, Denis Ashok và Ramesh Kumar (mô hình hóa phi tuyến bướm ga xe máy); nghiên cứu của Matteo Corno, Mara Tanelli (bộ điều khiển gain-scheduled cho mô tô đua); và nghiên cứu của Takeru Abe (hệ thống bướm ga điện tử chuyên dụng cho xe mô tô phân khối lớn).

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT

Chương 2 trình bày chi tiết về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bướm ga cơ khí so với bướm ga điện tử. Phân tích chi tiết từng cụm chi tiết của bướm ga điện tử: thân bướm ga, trục xoay, cánh bướm ga, van điều khiển cầm chừng ISC, lò xo hồi và motor điều khiển DC. Tác giả đi sâu vào nguyên lý làm việc của hai loại cảm biến bàn đạp ga (kiểu biến trở tiếp xúc và kiểu không tiếp xúc dùng IC Hall), phân tích đường đặc tính điện áp VPA/VPA2. Chương này cũng phân tích các chế độ điều khiển bướm ga điện tử (vị trí hạn chế, bướm ga đóng, bướm ga mở, chế độ giữ bướm ga, điều khiển cầm chừng), nguyên lý mạch cầu H và cấu trúc thuật toán điều khiển PID với bản chất toán học của các khâu $K_p$, $K_i$, $K_d$, cùng cơ chế an toàn fail-safe.

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

Nội dung chương trình bày việc xây dựng mô hình toán học cho cụm bướm ga điện tử dẫn động bằng động cơ DC thông qua bộ giảm tốc. Xây dựng phương trình cân bằng mô-men trên trục bướm ga dựa trên giả thiết mô-men đầu ra của motor tỷ lệ thuận với Duty Cycle của xung PWM ($M_{motor} = Duty \times C_s$). Chương 3 tiến hành thiết lập mô hình mô phỏng trên nền tảng Matlab/Simulink, tích hợp thuật toán điều khiển PID. Tác giả tiến hành khảo sát các kịch bản mô phỏng: đáp ứng góc mở bướm ga theo tín hiệu bàn đạp ga; ảnh hưởng khi giảm công suất motor 6 lần; tác động khi tăng độ cứng lò xo hoàn lực lên 5 lần; và hiện tượng dao động mất ổn định khi thông số độ lợi tích phân ($K_i$) bị cài đặt quá cao.

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CHẾ TẠO BƯỚM GA ĐIỆN TỬ TRÊN XE MÁY

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình thiết kế và chế tạo phần cứng lẫn phần mềm. Tác giả phân tích sự khác nhau khi triển khai bướm ga điện tử trên xe chế hòa khí và xe phun xăng điện tử (FI), từ đó lựa chọn phương án trên xe Honda Wave RSX FI. Nội dung bao gồm việc lựa chọn giải pháp phản hồi tín hiệu trực tiếp từ cảm biến TPS; tính toán gia công nối dài trục bướm ga; lựa chọn hệ truyền động pulley - dây đai để dẫn động từ motor DC thay vì hệ bánh răng hay trục vít; giải pháp kỹ thuật bịt kín đường gió phụ trên thân họng ga zin. Chương này cũng giới thiệu sơ đồ chân và thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3, module cầu H L298N, mạch chuyển đổi xung CKP analog qua diode về xung PWM 5V. Toàn bộ lưu đồ thuật toán tính tốc độ động cơ, lưu đồ tổng quát, chế độ hoạt động bình thường, chế độ cầm chừng và các chế độ an toàn được trình bày hoàn chỉnh.

CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM BƯỚM GA ĐIỆN TỬ TRÊN XE MÁY

Chương 5 trình bày toàn bộ quá trình thử nghiệm thực tế hệ thống trên xe máy Honda Wave RSX FI. Nội dung bao gồm công tác chuẩn bị thiết bị, gá đặt bàn đạp ga, trích xuất dây tín hiệu TPS và CKP từ hệ thống điện nguyên bản của xe, lắp ráp hộp điều khiển trung tâm. Tác giả tiến hành hai nhóm thực nghiệm chính:

1. Thực nghiệm tại chỗ: Đo và so sánh đặc tính tốc độ động cơ ở chế độ cầm chừng (garanti) giữa bướm ga cơ khí và bướm ga điện tử ở hai mức cài đặt (tốc độ cao và tốc độ thấp); khảo sát đồ thị tín hiệu TPS khi nổ cầm chừng; khảo sát các kịch bản kích hoạt sự cố cảm biến (mất tín hiệu TPS, mất tín hiệu VPA1, mất tín hiệu VPA2, mất đồng thời cả 2 tín hiệu VPA); đánh giá độ đáp ứng bám đuổi của góc mở TPS so với góc đạp VPA.
2. Chạy thực nghiệm thực tế trên đường: Đánh giá khả năng tăng tốc, tính êm dịu, mức độ đáp ứng ga khi xe vận hành thực tế và kiểm tra khả năng chịu tải năng lượng tối đa của hệ thống mạch điều khiển.

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Tổng kết các kết quả đạt được về mặt cơ khí, mạch điện tử và giải thuật điều khiển sau quá trình chế tạo và thử nghiệm thực tế. Đồng thời, chương này vạch ra các định hướng phát triển nhằm hoàn thiện hệ thống trong các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

• Chế tạo thành công cụm bướm ga điện tử hoàn chỉnh cho xe máy Honda Wave RSX FI sử dụng cơ cấu truyền động đai - pulley và motor DC, vận hành kết hợp với hộp điều khiển Arduino Uno R3 và driver cầu H L298N.
• Ổn định tốc độ cầm chừng: Kết quả thực nghiệm đo đạc cho thấy bướm ga điện tử kiểm soát tốc độ cầm chừng ổn định hơn so với bướm ga cơ khí ở cả hai chế độ cài đặt garanti cao và garanti thấp, hạn chế hiện tượng dao động không tải thất thường nhờ sự can thiệp linh hoạt của thuật toán PID.
• Độ nhạy và độ bám tín hiệu: Trong chế độ vận hành bình thường, góc mở cánh bướm ga (TPS) bám sát theo độ dịch chuyển của bàn đạp ga (VPA), tốc độ đáp ứng chuyển động nhanh, đảm bảo xe tăng tốc mượt mà và không bị gián đoạn hay trễ ga rõ rệt.
• Hoạt động của các chế độ bảo vệ an toàn (Fail-safe) đạt kết quả chính xác theo thiết kế lý thuyết:
  • Khi ngắt tín hiệu VPA1: Vi điều khiển phát hiện sự mất cân bằng giữa hai đường điện áp, lập tức giới hạn độ mở bướm ga trong khoảng an toàn (từ tốc độ cầm chừng đến tối đa 15%), cho phép xe duy trì tốc độ chậm để về nơi sửa chữa.
  • Khi ngắt tín hiệu VPA2: Hệ thống tiếp tục duy trì giới hạn góc mở tương tự như khi mất VPA1, ngăn chặn hoàn toàn nguy cơ tăng ga mất kiểm soát.
  • Khi ngắt đồng thời cả hai tín hiệu VPA1 và VPA2: Nguồn cấp cho motor qua mạch cầu H bị cắt tức thì, bướm ga được lò xo hồi kéo về vị trí dừng cơ học cố định (khoảng 7 độ), động cơ hoạt động ở tốc độ hạn chế định sẵn.
  • Khi ngắt tín hiệu phản hồi TPS: Hệ thống ngắt hoàn toàn tín hiệu điều khiển motor nhằm phòng ngừa sai lệch vòng lặp kín, đưa hệ thống về trạng thái đóng lò xo cơ học.

Giải pháp kỹ thuật đề xuất

• Đề xuất giải pháp làm kín đường gió phụ (van bypass nguyên bản) trên thân bướm ga xe Honda Wave RSX FI, chuyển giao toàn bộ chức năng cấp gió cầm chừng cho cánh bướm ga chính dưới sự điều khiển của motor điện.
• Thiết kế mạch xử lý tín hiệu xung trục khuỷu CKP bằng cách sử dụng diode dập bán kỳ âm và mạch định dạng xung vuông logic 0-5V, giúp Arduino Uno R3 nhận diện chính xác số vòng quay động cơ mà không bị can nhiễu điện áp cao từ cuộn phát điện xe máy.
• Tích hợp cụm cảm biến bàn đạp ga ô tô (Toyota Prius) có hai kênh Hall độc lập để tạo tín hiệu điều khiển có độ tin cậy cao, thay thế dây ga truyền thống.

Đóng góp so với các nghiên cứu trước

• Tác giả tự nêu việc giải quyết bài toán ứng dụng bướm ga điện tử trên phân khúc xe máy dân dụng cỡ nhỏ (xe số phổ thông trang bị động cơ phun xăng điện tử), vốn trước đây hầu như chỉ được nghiên cứu trên ô tô hoặc xe đua/mô tô phân khối lớn do các giới hạn về không gian lắp đặt và chi phí linh kiện.
• Thiết lập một cấu hình phần cứng giá thành thấp (sử dụng nền tảng Arduino, driver L298N và vật tư cơ khí sẵn có) nhưng vẫn đảm bảo đầy đủ các thuật toán cốt lõi: vòng lặp điều khiển PID vị trí, tính toán tốc độ vòng tua theo thời gian thực và chu trình bảo vệ an toàn đa cấp fail-safe.
• Mở ra giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng xã hội, cung cấp cơ cấu điều khiển thích ứng cho người dùng có khuyết tật về tay hoặc không có khả năng vặn tay ga cơ khí thông thường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Hệ thống điều khiển và cơ cấu cơ khí được chế tạo trong điều kiện phòng thí nghiệm, kết cấu gá đặt motor và truyền động dây đai bên ngoài còn cồng kềnh, chưa được đúc liền khối hay tối ưu hóa thể tích để lắp đặt gọn gàng bên trong dàn áo xe máy.
• Đề tài sử dụng cụm bàn đạp ga ô tô (Toyota Prius 2010) thao tác bằng chân ga thay vì chế tạo một cụm tay ga điện tử chuyên dụng gắn trên ghi-đông xe máy, do đó chưa phản ánh hoàn toàn tư thế lái nguyên bản của người điều khiển xe hai bánh.
• Mạch công suất cầu H L298N và vi điều khiển Arduino Uno R3 sử dụng dây cắm thử nghiệm rời, độ bền và khả năng chống chịu điều kiện môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ khoang máy, rung động cơ học, độ ẩm và nước mưa) chưa đạt tiêu chuẩn công nghiệp trên phương tiện giao thông.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Tối ưu hóa thiết kế cơ khí: Tích hợp motor chấp hành, bánh răng giảm tốc và cảm biến vị trí bướm ga vào chung một thân vỏ duy nhất để thu nhỏ kích thước cụm họng ga điện tử.
• Phát triển cụm tay ga điện tử chuyên dụng (Electronic Twist Grip) lắp trên ghi-đông xe máy thay thế cho bàn đạp chân ga.
• Thiết kế bo mạch điều khiển chuyên dụng (Custom PCB) đạt chuẩn ô tô - xe máy, tích hợp vi điều khiển tốc độ cao, mạch bảo vệ chống ngược dòng, chống nhiễu và khả năng chống nước.
• Mở rộng tính năng phần mềm: Ứng dụng bướm ga điện tử làm nền tảng để phát triển các hệ thống hỗ trợ lái nâng cao như hệ thống kiểm soát hành trình (Cruise Control), hệ thống kiểm soát lực kéo (Traction Control System - TCS), các chế độ lái tùy chọn (Eco, Sport) và tích hợp điều khiển buồng trộn hòa khí nhằm tối ưu hóa suất tiêu hao nhiên liệu.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao đối với:

• Sinh viên và học viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Có thể tham khảo phương pháp luận thiết kế hệ thống điều khiển bám vị trí vòng kín (Closed-loop position control) sử dụng giải thuật PID, phương pháp ghép nối vi điều khiển với mạch công suất cầu H và kỹ thuật chuẩn hóa tín hiệu cảm biến động cơ.
• Các nhóm nghiên cứu tham gia cuộc thi chế tạo xe tiết kiệm nhiên liệu: Các dữ liệu thực nghiệm về điều khiển lưu lượng khí nạp chính xác qua bướm ga điện tử là tài liệu tham khảo hữu ích cho các dự án tham gia các cuộc thi như Honda EMC hay Shell Eco-marathon.
• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển phương tiện hỗ trợ: Cung cấp giải pháp kỹ thuật khả thi cho việc chuyển đổi cơ cấu điều khiển phương tiện giao thông cho người khuyết tật, từ điều khiển bằng tay sang bàn đạp chân hoặc các giao diện điều khiển điện tử từ xa.

Phần đáng tham khảo nhất trong đồ án là Chương 4 và Chương 5, nơi trình bày chi tiết giải pháp nối dài trục bướm ga, kỹ thuật xử lý tín hiệu cảm biến trục khuỷu CKP bằng diode, cùng các lưu đồ thuật toán xử lý an toàn fail-safe và biểu đồ kiểm chứng thực tế khi xảy ra lỗi cảm biến.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống xử lý như thế nào khi một trong hai kênh tín hiệu bàn đạp ga (VPA1 hoặc VPA2) bị mất hoặc xảy ra xung đột?
Khi phát hiện sự chênh lệch điện áp bất thường giữa hai cảm biến VPA1 và VPA2, vi điều khiển nhận diện hệ thống đang gặp sự cố cảm biến và ngay lập tức chuyển sang chế độ an toàn (Fail-safe). Ở chế độ này, góc mở bướm ga bị giới hạn nghiêm ngặt chỉ trong khoảng từ tốc độ cầm chừng (IDLE) đến tối đa 15%, cho phép người lái điều khiển xe chạy ở tốc độ thấp đến trạm sửa chữa mà không thể tăng ga vượt mức nguy hiểm.

2. Tại sao nhóm nghiên cứu phải bịt kín đường gió phụ (đường bypass) trên thân bướm ga xe Honda Wave RSX FI?
Trên thân bướm ga nguyên bản, đường gió phụ được sử dụng kết hợp với van cầm chừng để cung cấp lượng khí nạp khi cánh bướm ga đóng hoàn toàn. Khi chuyển đổi sang bướm ga điện tử, việc bịt kín đường gió phụ là bắt buộc nhằm đảm bảo toàn bộ lượng không khí nạp vào buồng đốt phải đi qua cánh bướm ga chính, từ đó giúp motor điện tử và vi điều khiển kiểm soát hoàn toàn lưu lượng khí nạp ở mọi dải tốc độ, bao gồm cả chế độ chạy không tải (cầm chừng).

3. Tín hiệu cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP) được xử lý ra sao trước khi đưa vào vi điều khiển Arduino?
Tín hiệu nguyên bản từ cảm biến CKP trên xe máy là tín hiệu xoay chiều (analog) có biên độ xung biến thiên và xuất hiện bán kỳ âm, không thể đưa trực tiếp vào vi điều khiển. Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một mạch xử lý gồm diode để dập bỏ hoàn toàn nửa bán kỳ âm, sau đó đưa qua mạch định dạng để chuyển đổi thành tín hiệu xung vuông logic (PWM/Digital 0-5V) tương thích với chân đọc ngắt ngoài của Arduino Uno R3 để tính toán tốc độ vòng tua động cơ (RPM).

4. Cơ chế hoạt động của bướm ga ở vị trí hạn chế khi mất hoàn toàn nguồn điện hoặc đứt toàn bộ tín hiệu cảm biến là gì?
Khi xảy ra sự cố mất nguồn điện, mất đồng thời cả hai tín hiệu bàn đạp ga VPA hoặc mất tín hiệu phản hồi TPS, vi điều khiển sẽ ngắt toàn bộ xung điều khiển cấp đến mạch cầu H L298N làm motor mất lực giữ. Lúc này, lò xo hồi vị cơ khí gắn trên trục sẽ tự động kéo cánh bướm ga quay về một góc dừng cơ học cố định định trước (khoảng 7 độ). Vị trí này đảm bảo động cơ không bị tắt máy đột ngột nhưng cũng không thể phát triển công suất cao, duy trì an toàn tuyệt đối cho người lái.

5. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn giải thuật PID để điều khiển động cơ bướm ga điện tử?
Hệ thống bướm ga điện tử chịu ảnh hưởng của các yếu tố phi tuyến tính phức tạp như lực ma sát xoắn của trục và lực đàn hồi phi tuyến của lò xo hồi vị. Thuật toán PID được lựa chọn vì có khả năng điều chỉnh vị trí góc mở nhanh chóng thông qua khâu tỷ lệ ($K_p$), triệt tiêu triệt để sai số xác lập giữa góc mở thực tế và vị trí bàn đạp ga thông qua khâu tích phân ($K_i$), đồng thời hạn chế tình trạng vọt lố và dao động cơ học nhờ khâu vi phân ($K_d$), giúp hệ thống hoạt động ổn định và có độ nhạy cao.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, chế tạo, thử nghiệm bướm ga điện tử trên xe máy" của sinh viên Nguyễn Lương Thanh và Bùi Tuấn Đạt đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công hệ thống bướm ga điện tử (ETC) trên nền tảng xe máy Honda Wave RSX FI. Đề tài đã xây dựng hoàn chỉnh từ mô hình toán học, mô phỏng trên Matlab/Simulink đến việc hiện thực hóa phần cứng cơ điện tử sử dụng vi điều khiển Arduino Uno R3, mạch cầu H L298N và cơ chế truyền động đai - pulley. Kết quả thực nghiệm khẳng định hệ thống kiểm soát góc mở bướm ga nhạy bén, duy trì chế độ cầm chừng ổn định và kích hoạt chính xác các kịch bản an toàn fail-safe khi có sự cố cảm biến. Công trình không chỉ là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho ngành công nghệ ô tô và cơ điện tử mà còn tạo tiền đề thực tiễn cho việc phát triển các tính năng hỗ trợ lái thông minh và phương tiện thích ứng cho người khuyết tật.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lí do chọn đề tài Xe máy tại Việt Nam không chỉ là phương tiện di chuyển phổ biến mà còn là một phần không thể thiếu của cả cuộc sống hàng ngày và nền kinh tế quốc gia. Với sự linh hoạt và tiện lợi, xe máy đã trở thành người bạn đồng hành đáng tin cậy cho hàng triệu người dân Việt Nam. Trong vài năm gần đây nền kinh tế nước ta đã có những bước phát triển đáng kể, thu nhập và mức sống của đại đa số tầng lớp nhân dân đã được cải thiện và nâng cao. do đó nhu cầu về các loại xe máy chất lượng cao, xe máy cho thể thao, cho du lịch ngày một tăng cao.

Ngày nay, nhu cầu của người dùng không chỉ đơn thuần cần một phương tiện có khả năng di chuyển. Người dùng xe máy còn quan tâm nhiều đến các công nghệ, tính bảo vệ môi trường, các tính năng hỗ trợ lái và công nghệ an toàn của xe. Minh chứng cho điều này là hiện nay các phiên bản xe máy phổ thông có ABS, smart key luôn đứng đầu về doanh số. Các công nghệ hiện đại đã được áp dụng trên xe mô tô phân khối lớn từ lâu, nhưng vẫn chưa phổ biến trên các dòng xe máy phổ thông.

Bướm ga điện tử giúp điều khiển động cơ mượt mà, chuẩn xác hơn. Nhờ việc điều khiển chính xác động cơ giúp quá trình cháy diễn ra tốt hơn nên bướm ga điện tử cũng góp phần bảo vệ môi trường. Thêm vào đó, một số người tàn tật hoặc bệnh không thể điều khiển xe bằng tay, nên ngoài ý nghĩa kỹ thuật, đề tài còn mang tính nhân văn. Ngoài ra còn là nền tảng để phát triển các công nghệ khác như kiểm soát hành trình Cruise Control, kiểm soát lực kéo TCS, thuận lợi cho các ứng dụng điều khiển động cơ từ xa,… Tuy có nhiều ưu điểm, nhưng hiện nay bướm ga điện tử chỉ được sử dụng trên ô tô và xe mô tô phân khối lớn.

Do đó, nhóm chúng em quyết định nghiên cứu đề tài “ Nghiên cứu, chế tạo, thử nghiệm bướm ga điện tử trên xe máy ”. Với đề tài này, nhóm hy vọng sẽ tạo ra một hệ thống điều khiển bướm ga điện tử cho xe máy hoạt động mượt mà, ổn định, đáng tin cậy. Tạo tiền đề cho các đề tài nghiên cứu, cải tiến động cơ và khả năng vận hành cho xe máy về sau.2 Mục tiêu nghiên cứu - Tìm hiểu tổng quan, cơ sở lý thuyết về cảm biến và hệ thống điện điều khiển động cơ - Tìm hiểu tổng quan, cơ sở lý thuyết, ưu nhược điểm của bướm ga cơ khí so với bướm ga điện tử - Lập ra các yêu cầu cho một bướm ga điện tử sử dụng cho xe máy, từ đó thiết kế và chế tạo sản phẩm đáp ứng các yêu cầu đã đặt ra - Xây dựng thuật toán điều khiển phù hợp, đáp ứng các yêu cầu về an toàn, tốc độ đáp ứng và khả năng vận hành ổn định - Thực nghiệm, phân tích số liệu thực nghiệm để đánh giá và hoàn thiện sản phẩm 1.3 Mục đích nghiên cứu - Tạo ra cụm bướm ga điện tử và hệ thống điều khiển bướm ga sử dụng cho xe máy đáp ứng được tiêu chí an toàn, độ nhạy cao, ổn định và dễ dàng sử dụng - Dễ dàng ứng dụng cho các dự án khác như chế tạo động cơ để tham gia các cuộc thi tiết kiệm nhiên liệu như Honda EMC và Shell ECO-marathon - Tạo ra bướm ga điện tử là tiền đề cho các nghiên cứu cải tiến hiệu suất động cơ về sau, ví dụ chế tạo buồng trộn hòa khí trước khi đưa vào xilanh giúp cháy sạch hơn, hiệu suất động cơ tốt hơn - Phục vụ người tàn tật hoặc có bệnh lí về tay.4 Đối tượng và phương tiện nghiên cứu - Hệ thống điều khiển bướm ga điện tử cho động cơ đốt trong - Xe máy Honda Wave RSX FI - Vi điều khiển Arduino 1.5 Tình hình nghiên cứu Bướm ga điện tử là một đề tài không còn xa lạ và được sử dụng phổ biến trên các dòng xe ô tô hiện đại ngày nay. Ngoài được sử dụng trên ô tô thì bướm ga điện tử còn được 2 phát triển và sử dụng cho một số dòng xe mô tô đua.

Tuy nhiên, ta chưa thấy nhiều đề tài nghiên cứu sử dụng bướm ga điện tử cho xe máy dân dụng. Ở Việt Nam, đề tài về bướm ga điện tử trên xe máy chưa được phổ biến lắm tuy nhiên các đề tài hệ thống bướm ga điện tử trên ô tô lại rất được quan tâm từ lâu và phát triển. Trong đó có tác giả Lỹ Vĩnh Đạt với luận văn nghiên cứu “Nghiên cứu thiết kế chế taọ mạch điều khiển bướm ga” đã nghiên cứu và thiết kế trên cơ sở đạt mục đích là điều khiển cơ bản của cánh bướm ga và kết hợp điều khiển ga tự động và điều khiển lực kéo. Các chương trình điều khiển được thực hiện bằng ngôn ngữ lập trình assembly và được tiến hành thực nghiệm trên bướm ga Hitachi [1].

Ngày nay, các đề tài về bướm ga điện tử trên ô tô đã áp dụng tới các môn học trong chương trình học của các sinh viên đại học của các trường về kỹ thuật nói chung và các trường có ngành ô tô nói riêng điển hình trong đó có trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh. Không những thế đề tài này còn được cả những sinh viên cơ điện tử, điện – điện tử,… nghiên cứu và tìm hiểu rất nhiều. Trên thế giới, như đã đề cập ở trước đó đề tài về bướm ga điện tử trên xe mô tô đã được nghiên cứu và phát triển từ lâu, nhưng trên xe máy dân dụng bình thường thì chưa được phổ biến lắm. Tác giả Ashok, Denis Ashok và Ramesh Kumar với sự công bố “An Integrated Pedal Follower and Torque Based Approach for Electronic Throttle Control in a Motorcycle Engine”, bài viết trình bày một hệ thống điều khiển bướm ga trên động cơ xe máy được ước tính chính xác góc bướm ga dựa trên phương pháp tiếp cận theo bàn đạp ga và dựa trên mô-men xoắn tích hợp cho vị trí chân ga và nhu cầu mô-men xoắn nhất định của người lái.

Một mô hình toán học cho bướm ga điện tử được phát triển để hiểu tác động của sự phi tuyến tính do ma sát và lò xo kép về vị trí ban đầu. Bộ điều khiển PID có bộ bù được phát triển để xử lý sự phi tuyến tính do ma sát và lò xo kép về vị trí ban đầu trong hệ thống điều khiển bướm ga điện tử được đề xuất [2].1 Kết quả mô phỏng góc mở bướm ga thực tế và mô phỏng theo đầu vào là tín hiệu bàn đạp ga với bộ điều khiển PID Tác giả Matteo Corno, Mara Tanelli và các cộng sự đã công bố “Design and Validation of a Gain-Scheduled Controller for the Electronic Throttle Body in Ride-by- Wire Racing Motorcycles”, bài báo rình bày việc phân tích, thiết kế và xác thực bộ điều khiển gain - schedules cho bộ bướm ga điện tử được thiết kế cho ứng dụng ride-by-wire trong các mô tô đua. Từ đó dựa trên kết quả đạt được phát triển bộ điều khiển PID để điều khiển vị trí bướm ga [3].2 Kết quả khi chạy thử nghiệm thực tế 4 Tác giả Takeru Abe và các cộng sự đã công bố “Research of Electronically Controlled Throttle System for Large Motorcycles” đã nghiên cứu và đặt bướm ga điện tử trên ô tô lên xe mô tô nhưng hệ thống đã không đáp ứng được với xe mô tô. Vì vậy, nhóm tác giả đã xây dựng một hệ thống điều khiển riêng để đáp ứng yêu cầu về phản ứng của mô tô đối với hệ thống bướm ga điện tử [4].3 Hiệu suất theo dõi bướm ga trong quá trình vận hành 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1 Giới thiệu về bướm ga Trong động cơ đốt trong, bướm ga là bộ phận giữ vai trò kiểm soát công suất của động cơ bằng cách điều chỉnh lượng nhiên liệu hoặc không khí vào trong động cơ.

Vị trí bướm ga thường được đặt ở ngay đầu họng gió và nối liền với lọc gió.1 Vị trí đặt bướm ga trên xe máy và ô tô Trên xe động cơ xăng bình thường bướm ga có dạng van cánh bướm, ngoài ra trên xe chế hòa khí bướm ga nằm trong bộ chế hòa khí.1 Loại cơ khí Là loại bướm ga được điều khiển hoàn toàn bằng cơ học, các chi tiết được nối với nhau trực tiếp. Bàn đạp ga hoặc tay ga được nối với bướm ga thông qua dây cáp. Khi người lái đạp ga hoặc vặn tay ga dây cáp sẽ di chuyển từ đó kéo theo bướm ga mở và ngược lại. Qua đó điều khiển lượng không khí vào trong động cơ để tăng hoặc giảm công suất động cơ.2 Bướm ga trên máy Honda Tùy thuộc vào loại xe phun xăng bình thường hay bộ chế hòa khí thì bướm ga sẽ có hình dạng tương ứng.

Đối với xe có hệ thống phun xăng thì bướm ga có dạng van cánh bướm còn đối với xe sử dụng bộ chế hòa khí thì bướm ga sẽ có dạng trái ga và được gắn liền với kim xăng đóng mở giclo chính. Ngoài ra trên một vài xe máy tay ga của Yamaha sử dụng bộ chế hòa khí thì vẫn có cả bướm ga dạng cánh bướm đặt sau kim xăng.3 Bướm ga trên xe KIA MORNING 2010 7 Dây cáp được nối trực tiếp từ bàn đạp ga đến bướm ga để người lái trực tiếp điều khiển tốc độ cũng như công suất động cơ thông qua việc điều khiển lượng không khí đi vào trong xylanh. Ngoài ra trên thân bướm ga còn gắn thêm các cảm biến như cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến áp suất khí nạp,… Do ngày nay yêu cầu về khí thải cũng như yêu cầu về độ chính xác cao nên các hãng xe đã đa phần sử dụng điện tử để điều khiển thay vì dùng thuần cơ khí như trước nay. Hiện tại chỉ những xe máy thông thường là vẫn còn sử dụng bướm ga cơ khí, còn trên ô tô đa phần đã chuyển qua sử dụng bướm ga điện tử để nâng cao hiệu suất và tối ưu sự chính xác.2 Loại điện tử Là loại bướm ga loại bỏ việc điều khiển độ mở của bướm ga bằng dây cáp (cơ khí) thay vào đó sử dụng motor để mở.

Motor được ECU động cơ điều khiển nhờ các tín hiệu từ các cảm biến liên quan truyền tới. Bướm ga điện tử được chế tạo ra nhằm mục đích kiểm soát lượng không khí nạp một cách tốt nhất và chính xác nhất.