Chương 1: Tổng quan hệ thống điện trên xe ô tô Chương này trình bày tổng quan về một số hệ thống điện quan trọng trên xe ô tô, cung cấp các thông tin về các cảm biến hay được sử dụng trên xe ô tô. Chương 2: Cơ sở lý thuyết hệ thống Adaptive Cruise Control Chương này tập trung giới thiệu lý thuyết hệ thống Adaptive Cruise Control, đưa ra các nguyên tắc hoạt động của hệ thống. Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển Adaptive Cruise Control và mô phỏng bằng phần mềm Matlab-Simulink-CarSim Từ các cơ sở lý thuyết ở Chương 2, Chương 3 bắt đầu lập sơ đồi khối, xây dựng chương trình cho bộ điều khiển trên Matlab/Simulink và tiến hành kiểm tra kết quả của bộ điều khiển đã xây dựng được bằng phần mềm mô phỏng CarSim. 2 Chương 4: Thiết kế mô hình thực tế kiểm tra hoạt động của bộ điều khiển Adaptive Cruise Control Từ cơ sở lý thuyết của hệ thống Adaptive Cruise Control, kết hợp bộ điều khiển thu được từ Chương 3, Chương này trình bày việc xây dựng nguyên mẫu xe mô hình thực tế để kiểm tra kết quả của bộ điều khiển ở tình huống thực tế.
TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN TRÊN XE Ô TÔ 1. Giới thiệu Được ví như “bộ não” của một chiếc xe, hệ thống điện và điện tử trên ô tô dù chỉ chiếm 20% nhưng lại điều khiển 80% hệ thống của xe nhằm đảm bảo các bộ phận hoạt động và phối hợp với nhau một cách chính xác. Các hãng ô tô hiện nay đang rất nỗ lực trong việc nghiên cứu và sản xuất những chiếc phương tiện có hiệu suất và độ an toàn tối ưu. Trong đó hệ thống điện và điện tử là một trong những phần quan trọng nhất cần tập trung nghiên cứu, vì chúng không chỉ can thiệp vào các hoạt động vận hành, mà hệ thống này còn góp phần không nhỏ tạo nên giá trị của một chiếc xe.
Mặt khác, yêu cầu về tiêu thụ nhiên liệu và sự ảnh hưởng đến môi trường của phương tiện cũng đòi hỏi ngày càng khắt khe trên các mẫu xe hiện đại. Chính vì thế ở các mẫu xe hơi ngày nay, người ta đã trang bị một hệ điều hành máy tính thu nhỏ để điều khiển hệ thống điện – ECU. ECU là viết tắt của cụm từ Electronic Control Unit nghĩa là bộ điều khiển điện tử, hay ngôn ngữ chuyên ngành gọi nó là “Hộp đen”, ECU như một vi máy tính (Micro computer) để điều khiển hoạt động của gần như toàn bộ hệ thống điện trên ô tô. Bên cạnh đó, hệ thống phanh chống bó cứng ABS (Anti-Locking Brake System) cũng được trang bị phổ biến để ngăn chặn bánh xe của ô tô bị cứng trong quá trình phanh.
ABS là cơ cấu an toàn chủ động của ô tô, hệ thống phanh có tác dụng giảm tốc độ, dừng và đỗ ô tô trong trường hợp cần thiết. Khi ô tô phanh gấp trên đường trơn thì hiện tượng hãm cứng bánh xe dễ xảy ra. Điều này khiến bánh xe bị trượt dài trên đường khi phanh, gây nguy hiểm cho người ngồi trên xe. Hệ thống phanh ABS chống bó cứng ra đời để giải quyết vấn đề này.
Chi tiết các hệ thống điện khác trên ô tô được trình bày dưới đây: 1. Bộ điều khiển điện tử - Electronic Control Unit ECU chính là bộ điều khiển trung tâm của một chiếc xe, nó được tổ hợp từ rất nhiều vi mạch điện tử và bộ phận phụ được dùng để nhận biết tín hiệu, cũng như lưu trữ thông tin, tính toán, và gửi đi các tín hiệu thích hợp, cuối cùng là quyết định chức năng làm việc của xe sao cho hợp lý và hiệu quả nhất trong các tình huống khác nhau. Bộ nhớ của ECU bao gồm 4 bộ phận là RAM, ROM, KAM và PROM. Ngoài ra, bộ điều khiển trung tâm còn được trang bị bộ vi xử lý có thể tiếp cận nhiều thông tin từ các tín hiệu khác nhau.
Đường truyền BUS của ECU được sử dụng để truyền phát đi tín hiệu tới các bộ phận khác của xe ô tô. [3] 4 Các mẫu xe hơi hiện đại không còn điều khiển bằng tay như các thế hệ cũ trước đây. Ngày nay, công nghệ tinh vi đang được kết hợp dưới dạng điều khiển máy tính để kiểm soát và đảm bảo hiệu suất của động cơ. Bất cứ khi nào người lái can thiệp thay đổi vật lý trên xe, dữ liệu liên quan đến sự can thiệp đó sẽ được ghi lại trong tất cả các bộ nhớ máy tính điều khiển của phương tiện.
Máy tính sử dụng dữ liệu được lưu lại đó để điều khiển động cơ hoạt động tối ưu nhất. Ban đầu ECU được sử dụng để điều khiển động cơ, về sau ECU được sử dụng rất nhiều trên ô tô để điều khiển cho nhiều hệ thống khác trên xe đảm bảo sự hoạt động chính xác, hiệu quả, tăng sự tiện nghi và sự an toàn của chiếc xe, những chiếc xe ô tô đời mới có thể lên tới cả trăm hộp ECU. Hiện tại, ECU có cơ chế điều khiển và chi phối tất cả mọi hoạt động của động cơ thông qua việc tiếp nhận dữ liệu từ các cảm biến trên ô tô, sau đó, tín hiệu được truyền về ECU xử lý và đưa ra “mệnh lệnh” buộc các cơ cấu chấp hành phải thực hiện như: việc điều tiết nhiên liệu, góc đánh lửa, góc phối cam, ga tự động, lực phanh ở mỗi bánh. Và hơn hết, ECU can thiệp và xử lý nhanh những tính huống mất kiểm soát của người lái khi gặp tình huống nguy hiểm và điều đặc biệt là có thể giúp việc chuẩn đoán “bệnh” của động cơ một cách nhanh chóng.
ECU có khả năng giúp kiểm soát toàn bộ các hoạt động của động cơ nhằm đem đến cho xe sự ổn định, chính xác, tối ưu và cực kỳ an toàn cho xe. Các bộ phận như đánh lửa, bơm nhiên liệu, ga động lực, phối cam, hay lực phanh đều chấp hành và luôn tuân theo những quyết định đưa ra từ bộ điều khiển điện tử ECU. 1: Minh họa hệ thống điện trên xe ô tô 5 Hình 1. 2: Hệ thống điện ô điều khiển xe điện tử ECU 1.
Hệ thống khởi động Hình 1. 3: Hệ thống khởi động Hệ thống khởi động (Starter) là thành phần của hệ thống điện ô tô có nhiệm vụ làm quay trục khuỷu thông qua vành răng để khởi động động cơ đốt trong. Hệ thống khởi động cần phải tạo ra mô-men đủ lớn để khởi động động cơ nhiều lần. Đồng thời, nhiệt độ, chiều dài, điện trở, tỷ số truyền từ bánh răng của máy khởi động và bánh răng của bánh đà cũng phải nằm trong một giới hạn nhất định.
Người ta thường sử dụng động cơ điện một chiều trong máy khởi động. Tốc độ khởi động của động cơ xăng từ 40 – 60 vòng/phút và 80 – 100 vòng/phút với động cơ dầu diesel. 6 Nhờ việc tạo lực điện trong các cuộn giữ và cuộn hút, các lõi cực sẽ bị từ hóa khiến piston của công tắc từ bị hút vào lõi cực của nam châm điện. Khi đó, bánh răng của máy khởi động và bánh răng của bánh đà ăn khớp với nhau làm đĩa tiếp xúc, bật công tắc chính.
Sau khi công tắc chính bật lên, cuộn dây phần cứng quay với vận tốc cao giúp động cơ khởi động. Nếu khóa điện xoay từ vị trí START sang ON, dòng điện qua cuộn hút bị đổi chiều, lực điện từ của cuộn hút và cuộn giữ nhiệt triệt tiêu nhau khiến piston bị đẩy trở lại làm cho công tắc chính bị ngắt, máy khởi động dừng lại. Hệ thống nạp điện Các mẫu ô tô hiện nay thường được trang bị hệ thống nạp điện để đảm bảo an toàn và tiện nghi sử dụng. Hệ thống nạp điện này tạo ra các nguồn điện, cung cấp cho động cơ trong quá trình nổ máy.
Ngoài ra, hệ thống nạp còn cung cấp điện cho tất cả thiết bị điện và ắc quy. Hệ thống nạp điện ô tô bao gồm các bộ phận như máy phát điện, ắc-quy, tiết chế, đèn báo sạc và công tắc máy. Hệ thống nạp điện ô tô hay còn gọi là máy phát điện, hoạt động với nguyên lý tạo ra dòng điện từ cuộn dây và nam châm. Số vòng quấn trên cuộn dây càng nhiều, nam châm càng mạnh, tốc độ di chuyển của nam châm càng nhanh thì dòng điện được tạo ra càng lớn.
Ngoài ra, nam châm càng gần cuộn dây, từ thông trong cuộn dây sẽ tăng lên và ngược lại. Trong thực tế, người ta có thể thay thế nam châm vĩnh cửu trong máy phát bằng nam châm điện từ hoặc các lõi thép. 4: Hệ thống sạc điện 7 1. Hệ thống điều khiển động cơ Hệ thống điều khiển động cơ ECM (Engine Control Module) là một trong những thành phần chính của ECU.
ECM hoạt động với nguyên lý tiếp nhận, xử lý thông tin đầu vào thông qua các cảm biến và truyền lệnh tới các động cơ điều khiển. Hệ thống ECM có khả năng điều khiển trực tiếp các bộ phận như vòi phun xăng điện tử, van không tải, hệ thống đánh lửa, hệ thống rơ-le, van điện tử, bướm ga điện, đèn báo, các tín hiệu chẩn đoán. 5: Hệ thống điều điều khiển động cơ ECM 1. Hệ thống chiếu sáng và phát tín hiệu Là một thành phần của hệ thống điện ô tô, hệ thống chiếu sáng và tín hiệu có 3 nhiệm vụ chính là chiếu sáng, phát tín hiệu và thông báo.
Hệ thống chiếu sáng giúp tài xế có thể nhìn thấy đường trong điều kiện tầm nhìn hạn chế. Bên cạnh đó, hệ thống tín hiệu cho phép các phương tiện xung quanh nhận biết và phán đoán hướng đi của tài xế để tránh xảy ra các va chạm. Hệ thống chiếu sáng và tín hiệu được lắp đặt ở đầu, thân, đuôi xe và cả trong cabin giúp người lái điều khiển xe dễ dàng hơn. Ngoài hệ thống chiếu sáng chung, mỗi loại xe hay thương hiệu khác nhau sẽ trang bị thêm thiết bị chiếu sáng và tín hiệu phù hợp.
Hệ thống chiếu sáng trên ô tô thường bao gồm hệ thống đèn đầu, đèn hậu và dải đèn ngày DRL (Daytime Running Light). Bên cạnh đó, các mẫu ô tô hiện nay còn được trang bị đèn sương mù, thay thế cho đèn đầu khi phải di chuyển trong điều kiện sương mù, bụi mịn. Ngoài ra, các loại hệ thống đèn tín hiệu thường thấy trên xe ô tô là hệ thống đèn xi-nhan, báo nguy và hệ thống đèn cảnh báo đuôi xe. 6: Đèn chiếu sáng và tín hiệu 1.