Tiểu luận tốt nghiệp về chẩn đoán và bảo dưỡng hệ thống điều khiển động cơ

Tài liệu chẩn đoán đóng vai trò quan trọng trong việc xác định và giải quyết các vấn đề kỹ thuật… 100 trang · Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh · 2023.

• Tác giả: Nguyễn Huy Toàn
• Người hướng dẫn: Tiến sĩ Nguyễn Trịnh Nguyên
• Trường học: Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Xây dựng tài liệu phục vụ chẩn đoán bảo dưỡng hệ thống điều khiển động cơ 1ZZ-FE
• Loại tài liệu: tiểu luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• TÓM TẮT ĐỀ TÀI
• MỤC LỤC
• DANH MỤC ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. SƠ LƯỢC VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1.1. Tính cần thiết của đề tài
• 1.1.2. Hướng đi của cuốn báo cáo này
• 1.1.3. PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. TÌM HIỂU KHÁI QUÁT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
• 2.1.1. Bộ máy tính điều khiển động cơ (engine control unit-ecu)
• 2.2. HỆ THỐNG CÁC CẢM BIẾN ĐẦU VÀO TRÊN ĐỘNG CƠ
• 2.2.1. Cảm biến TPS
• 2.2.2. Cảm biến CKPS
• 2.2.3. Cảm biến CMPS
• 2.2.4. Cảm biến ECTS
• 2.2.5. Cảm biến IATS
• 2.2.6. Cảm biến EGRTS
• 2.2.7. Cảm biến OxS
• 2.2.8. Cảm biến KS
• 2.2.9. Cảm biến MAPS
• 2.2.10. Cảm biến MAFS
• 2.2.11. Cảm biến APPS
• 2.2.12. Cảm biến VSS
• 2.3. CÁC CƠ CẤU CHẤP HÀNH TIÊU BIỂU TRÊN ĐỘNG CƠ
• 2.3.1. Hệ thống ISC
• 2.3.2. Kim phun nhiên liệu
• 2.3.3. Bobine đánh lửa
• 2.4. KẾT HỢP PHƯƠNG ÁN LÀM ĐỀ TÀI VÀO KIỂM TRA HỆ THỐNG
• 2.4.1. Khái quát thiết bị/chương trình SOE3000B
• 2.4.2. Khái quát chương trình LabVIEW2023
• 2.4.3. Khái quát chip điều khiển phát triển STM32F103C8T6 Blue Pill ARM Cortex-M3
• 2.5. TÌM HIỂU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TRÊN ĐỘNG CƠ 1ZZ-FE
• 2.5.1. MẪU XE ỨNG DỤNG VÀ THÔNG SỐ CỦA ĐỘNG CƠ
• 2.5.2. BỐ TRÍ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TRÊN XE VÀ NGUYÊN LÝ ỨNG DỤNG
• 2.5.2.1. Các cảm biến đầu vào
• 2.5.2.2. Các cơ cấu chấp hành đầu ra
• 3. CHƯƠNG 3: NỘI DUNG THỰC HIỆN
• 3.1. THU THẬP VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU TỪ HỆ THỐNG
• 3.1.1. Công tác chuẩn bị
• 3.1.1.1. Thiết lập máy tính và phần mềm
• 3.1.1.2. Thiết lập phần cứng
• 3.1.2. Thống kê kết quả khảo sát hệ thống điều khiển động cơ
• 3.2. CHẨN ĐOÁN NGUYÊN NHÂN TRỤC TRẶC CÓ THỂ CÓ CỦA HỆ THỐNG VÀ LÊN PHƯƠNG ÁN BẢO DƯỠNG HỆ THỐNG
• 3.2.1. Xây dựng quy trình chẩn đoán hệ thống
• 3.2.2. Lên phương án bảo dưỡng hệ thống
• 3.2.3. Kiểm tra hoạt động cảm biến MAFS
• 3.2.4. Kiểm tra hoạt động cảm biến TPS
• 3.2.5. Kiểm tra hoạt động cảm biến CKPS
• 3.2.6. Kiểm tra hoạt động cảm biến CMPS
• 3.2.7. Kiểm tra hoạt động cảm biến ECTS
• 3.2.8. Kiểm tra hoạt động cảm biến OxS
• 3.2.9. Kiểm tra hoạt động cảm biến KS
• 3.2.10. Kiểm tra hoạt động cảm biến MAPS
• 3.2.11. Kiểm tra hoạt động hệ thống ISC
• 3.2.12. Kiểm tra hoạt động kim phun
• 3.2.13. Kiểm tra hoạt động bobine đánh lửa
• 3.2.14. Kiểm tra hoạt động ECU
• 3.2.15. Kiểm tra hoạt động cảm biến APPS
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
• 4.1. NHẬN XÉT VÀ ĐÚC KẾT VẤN ĐỀ
• 4.2. ĐỀ XUẤT ĐƯA RA
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tài liệu chẩn đoán

Tài liệu chẩn đoán đóng vai trò quan trọng trong việc xác định và giải quyết các vấn đề kỹ thuật liên quan đến hệ thống điều khiển động cơ. Tài liệu này cung cấp các phương pháp và quy trình chi tiết để chẩn đoán lỗi, từ đó giúp kỹ sư và thợ máy đưa ra các giải pháp bảo dưỡng hiệu quả. Hệ thống điều khiển động cơ bao gồm các thành phần như ECU, cảm biến, và cơ cấu chấp hành, đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về nguyên lý hoạt động và cách thức tương tác giữa các bộ phận.

1.1. Phương pháp chẩn đoán

Phương pháp chẩn đoán bao gồm việc sử dụng các thiết bị đo lường như đồng hồ VOM, máy chẩn đoán chuyên dụng, và phần mềm hỗ trợ như LabVIEW. Các bước chẩn đoán thường bắt đầu từ việc kiểm tra tín hiệu từ cảm biến, sau đó phân tích dữ liệu từ ECU để xác định nguyên nhân gốc rễ của sự cố. Quy trình này đòi hỏi sự chính xác và kỹ lưỡng để đảm bảo kết quả chẩn đoán đáng tin cậy.

1.2. Ứng dụng thực tế

Trong thực tế, tài liệu chẩn đoán được áp dụng rộng rãi trong các xưởng sửa chữa và bảo dưỡng ô tô. Ví dụ, việc chẩn đoán lỗi từ cảm biến TPS hoặc cảm biến CKPS giúp phát hiện sớm các vấn đề liên quan đến hiệu suất động cơ. Điều này không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu chi phí sửa chữa, đồng thời nâng cao tuổi thọ của động cơ.

II. Bảo dưỡng hệ thống

Bảo dưỡng hệ thống là quá trình duy trì và cải thiện hiệu suất của hệ thống điều khiển động cơ thông qua các hoạt động kiểm tra, vệ sinh, và thay thế linh kiện. Việc bảo dưỡng định kỳ giúp ngăn ngừa các sự cố không mong muốn, đảm bảo động cơ hoạt động ổn định và an toàn. Hệ thống điều khiển động cơ bao gồm nhiều thành phần phức tạp, đòi hỏi sự chăm sóc kỹ lưỡng để duy trì hiệu quả lâu dài.

2.1. Quy trình bảo dưỡng

Quy trình bảo dưỡng bao gồm các bước như kiểm tra cảm biến, làm sạch ECU, và thay thế các linh kiện hư hỏng. Việc sử dụng tài liệu chẩn đoán giúp xác định chính xác các bộ phận cần bảo dưỡng, từ đó lên kế hoạch thực hiện một cách hiệu quả. Quy trình này cần được thực hiện định kỳ để đảm bảo hệ thống điều khiển động cơ luôn ở trạng thái tốt nhất.

2.2. Tầm quan trọng của bảo dưỡng

Bảo dưỡng định kỳ không chỉ giúp kéo dài tuổi thọ của động cơ mà còn cải thiện hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu. Việc bỏ qua bảo dưỡng có thể dẫn đến các sự cố nghiêm trọng, gây tốn kém chi phí sửa chữa và ảnh hưởng đến an toàn khi vận hành. Do đó, bảo dưỡng hệ thống là yếu tố không thể thiếu trong quá trình vận hành và sử dụng ô tô.

III. Hệ thống điều khiển động cơ

Hệ thống điều khiển động cơ là một trong những thành phần quan trọng nhất của ô tô hiện đại, đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả và ổn định. Hệ thống này bao gồm ECU, cảm biến, và cơ cấu chấp hành, tất cả đều được kết nối và điều khiển thông qua các thuật toán phức tạp. Sự phát triển của công nghệ điều khiển đã mang lại nhiều cải tiến đáng kể trong việc tối ưu hóa hiệu suất động cơ.

3.1. Cấu trúc hệ thống

Cấu trúc của hệ thống điều khiển động cơ bao gồm ECU làm trung tâm xử lý, các cảm biến thu thập dữ liệu từ môi trường và động cơ, và cơ cấu chấp hành thực hiện các lệnh điều khiển. Sự tương tác giữa các thành phần này được điều chỉnh thông qua các thuật toán được lập trình sẵn, đảm bảo động cơ hoạt động một cách tối ưu.

3.2. Ứng dụng công nghệ

Các công nghệ tiên tiến như hệ thống tự động và kỹ thuật điều khiển đã được tích hợp vào hệ thống điều khiển động cơ, mang lại hiệu suất vượt trội. Ví dụ, việc sử dụng cảm biến oxy giúp điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu và không khí một cách chính xác, trong khi ECU hiện đại có khả năng xử lý dữ liệu nhanh chóng và đưa ra quyết định tức thời.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghệ kỹ thuật ô tô hiện đại đang phát triển mạnh mẽ theo xu hướng tự động hóa, trong đó việc ứng dụng hệ thống máy tính vào điều khiển động cơ giữ vai trò trung tâm nhằm tối ưu hóa hiệu suất làm việc, tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải độc hại ra môi trường. Tại Việt Nam, nguồn tài liệu kỹ thuật chuyên sâu và mang tính hệ thống về chẩn đoán, bảo dưỡng hệ thống điều khiển điện tử trên các dòng động cơ cụ thể vẫn còn hạn chế. Phần lớn các linh kiện, thiết bị điện tử điều khiển trên xe ô tô vẫn phải nhập khẩu từ nước ngoài, gây khó khăn cho kỹ sư, sinh viên và kỹ thuật viên trong việc tiếp cận, vận hành và sửa chữa.

Nhằm giải quyết vấn đề thực tiễn trên, đề tài khóa luận "Xây dựng tài liệu phục vụ chẩn đoán bảo dưỡng hệ thống điều khiển động cơ 1ZZ-FE" được thực hiện với các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể sau:

1. Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về cấu tạo, nguyên lý vận hành của bộ điều khiển trung tâm (ECU/ECM), hệ thống các cảm biến đầu vào và các cơ cấu chấp hành đầu ra trên động cơ đốt trong.
2. Phân tích, khảo sát và thu thập dữ liệu tín hiệu sóng làm việc thực tế của hệ thống điều khiển động cơ thông qua việc thiết lập các công cụ phần mềm (LabVIEW, SOE3000B) và phần cứng vi điều khiển (STM32F103C8T6 Blue Pill).
3. Xây dựng tài liệu kỹ thuật chi tiết bao gồm sơ đồ cây chẩn đoán mã lỗi, phương pháp kiểm tra mạch điện, đo đạc thông số và quy trình bảo dưỡng từng thành phần trong hệ thống điều khiển động cơ 1ZZ-FE.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển điện tử động cơ ô tô (tập trung vào động cơ Toyota 1ZZ-FE trang bị trên dòng xe Toyota Corolla đời 8, 9 và đối chứng thực nghiệm trên mô hình động cơ 1NZ-FE).
• Không gian nghiên cứu: Xưởng thực hành - thí nghiệm ô tô, Bộ môn Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Khoa Cơ khí Công nghệ, Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh.
• Thời gian thực hiện: Từ ngày 08/03/2023 đến ngày 05/06/2023.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận dựa trên nền tảng lý thuyết điều khiển điện tử động cơ đốt trong, bao gồm các cấu trúc phần cứng điện tử và hệ thống tín hiệu đo lường tiêu chuẩn:

Thành phần hệ thống	Khái niệm & Cơ sở lý thuyết	Chi tiết phần cứng / Thông số kỹ thuật
Bộ máy tính điều khiển (ECU/ECM)	Xử lý số liệu từ các cảm biến qua CPU và đường truyền Bus để xuất lệnh điều khiển cơ cấu chấp hành.	- Bộ nhớ: RAM, KAM, ROM, EPROM/PROM. - Mạch vào: Bộ chuyển đổi ADC, bộ đếm (Counter), bộ nhớ đệm (Buffer). - Mạch xử lý & ra: Bộ khuếch đại, bộ ổn áp (5V, 12V), transistor công suất.
Hệ thống cảm biến đầu vào	Thu nhận trạng thái vận hành của động cơ và chuyển đổi thành tín hiệu điện áp/điện trở.	- Cảm biến góc mở/vị trí: TPS (biến trở con trượt, 5V VC), APPS (tuyến tính/Hall, 0.8V - 4.0V). - Cảm biến vị trí trục: CKPS (rotor 32 răng nhỏ 1 răng lớn, 33 xung/vòng), CMPS (đĩa tín hiệu 4 răng G+). - Cảm biến nhiệt độ: ECTS, IATS (nhiệt điện trở âm NTC), EGRTS (NTC/PTC). - Cảm biến khí nạp & nổ: MAPS (màng silic chân không), MAFS (dây sấy), OxS (gốm sứ $ZrO_2$ phủ Platin hoạt động ở 300°C), KS (áp điện thạch anh $<2\text{V}$). - Cảm biến tốc độ: VSS (công tắc lưỡi gà, quang điện, cảm biến từ, điện trở từ MRE).
Cơ cấu chấp hành	Thực thi lệnh điều khiển từ ECU dựa trên thuật toán tối ưu hóa.	- Hệ thống điều khiển cầm chừng ISC: ISCV motor bước, ISCV cuộn dây quay, hệ thống bướm ga điện tử ETCS-i. - Phun nhiên liệu EFI: Kim phun solenoid điều khiển theo thời gian mở van. - Đánh lửa ESA/DIS: IC đánh lửa, bobine, tín hiệu điều khiển IGT và phản hồi IGF.

Phương pháp nghiên cứu thực hiện trong đề tài:

• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và tra cứu: Phân tích, tổng hợp các tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất (OEM), sơ đồ mạch điện hệ thống điều khiển động cơ Toyota.
• Phương pháp thực nghiệm và khảo sát mô hình: Kết nối phần cứng và phần mềm đo lường để trích xuất tín hiệu xung, điện áp làm việc trực tiếp trên mô hình động cơ tại xưởng thí nghiệm.
• Phương pháp đo kiểm mạch điện: Ứng dụng đồng hồ vạn năng VOM, nguồn cấp ắc quy, mỏ hàn chì, thiết bị tạo độ chân không cầm tay, mạch cầu phân áp và đèn kiểm tra tín hiệu để xác định tình trạng kỹ thuật của từng cảm biến và mạch dây.

Trang thiết bị và công cụ hỗ trợ:

• Thiết bị gia công & cơ điện: Máy cắt, máy mài, máy hàn, đồng hồ VOM, ắc quy, mỏ hàn, board mạch in, dây dẫn nối.
• Phần cứng điện tử: Kit vi điều khiển STM32F103C8T6 Blue Pill ARM Cortex-M3, mạch cầu phân áp phục vụ hạ áp đo lường.
• Phần mềm máy tính: LabVIEW 2023, SOE3000B, Proteus, Draw.io, Microsoft Word, Microsoft Excel.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương này nêu rõ tính cần thiết của việc biên soạn tài liệu chẩn đoán và bảo dưỡng hệ thống điều khiển động cơ trong bối cảnh các trang thiết bị ô tô tại Việt Nam chủ yếu được nhập khẩu. Tác giả xác lập hướng tiếp cận của đề tài từ việc hệ thống hóa kiến thức lý thuyết tổng quan, áp dụng công cụ đo đạc số liệu sóng bằng phần mềm SOE3000B và LabVIEW kết hợp thử nghiệm trên mô hình thực tế, từ đó xây dựng các bước chẩn đoán và quy trình bảo dưỡng kỹ thuật.

Chương 2: Tổng quan

Chương 2 trình bày toàn diện cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thành phần trong hệ thống điều khiển động cơ:

• Bộ điều khiển ECU/ECM: Phân tích chi tiết chức năng của các loại bộ nhớ bên trong (RAM ghi/đọc dữ liệu tạm thời; KAM lưu dữ liệu duy trì bằng ắc quy; ROM lưu dữ liệu gốc cố định; PROM cho phép lập trình lại). Giải thích cấu trúc CPU, đường truyền Bus và các mạch giao tiếp chuyên dụng như bộ ADC (biến đổi tín hiệu tương tự sang nhị phân), bộ đếm (Counter), bộ nhớ trung gian (Buffer), bộ khuếch đại tín hiệu, bộ ổn áp 5V/12V và mạch công suất đầu ra.
• Hệ thống 12 cảm biến đầu vào: Trình bày chi tiết cấu tạo, sơ đồ chân và đặc tính làm việc của cảm biến vị trí bướm ga (TPS), vị trí trục khuỷu (CKPS - nhận biết góc quay trục khuỷu mỗi 10° qua 33 lần kích hoạt mỗi vòng quay), vị trí trục cam (CMPS - tín hiệu G+ xác định điểm chết trên kỳ nén), nhiệt độ nước làm mát (ECTS), nhiệt độ khí nạp (IATS), nhiệt độ luân hồi khí xả (EGRTS), cảm biến oxy ($ZrO_2$ tạo tín hiệu 1V khi giàu xăng và xấp xỉ 0V khi nghèo xăng), cảm biến kích nổ (KS), áp suất đường ống nạp (MAPS), lưu lượng khí nạp (MAFS kiểu dây sấy), vị trí bàn đạp ga (APPS với 2 tín hiệu độc lập) và cảm biến tốc độ xe (VSS với 4 kết cấu: công tắc lưỡi gà, quang điện, cảm biến từ, MRE).
• Cơ cấu chấp hành và hệ thống liên quan: Khảo sát nguyên lý van ISC (kiểu motor bước và kiểu cuộn dây quay), hệ thống phun xăng điện tử EFI (tính toán lượng phun qua thời gian mở van kim solenoid), hệ thống đánh lửa trực tiếp ESA/DIS (tín hiệu IGT kích hoạt đánh lửa và IGF phản hồi trạng thái), máy chẩn đoán kết nối chuẩn DLC3 và hệ thống mã lỗi DTC.
• Công cụ đo lường và ứng dụng trên động cơ 1ZZ-FE: Giới thiệu thiết bị SOE3000B, môi trường lập trình LabVIEW 2023, chip vi điều khiển STM32F103C8T6 ARM Cortex-M3; sơ đồ bố trí cảm biến, sơ đồ mạng dây và thông số kỹ thuật của động cơ 1ZZ-FE trên dòng xe Toyota Corolla thế hệ thứ 8 và thứ 9.

Chương 3: Nội dung thực hiện

Chương 3 tập trung vào công tác thực nghiệm, xử lý số liệu và xây dựng quy trình kỹ thuật:

• Thiết lập hệ thống thu thập số liệu:
  • Lắp ráp máy tính đo kiểm và kết nối phần cứng gồm vi điều khiển STM32F103C8T6 với mạch cầu phân áp nhằm chuyển đổi mức điện áp tín hiệu phù hợp dải đo của chip.
  • Thiết kế các giao diện công cụ ảo (VI) trên LabVIEW gồm Front Panel (giao diện hiển thị) và Block Diagram (khối thuật toán xử lý) cho các chức năng: đo tín hiệu cảm biến, đo tín hiệu đánh lửa và kim phun, đo tốc độ vòng quay động cơ, đo độ chân không đường ống nạp (khảo sát đồ thị quan hệ giữa áp suất $P$ và điện áp $U$), đo dòng điện và điện áp nguồn.
  • Tiến hành thu thập số liệu dạng sóng và giá trị điện áp trên mô hình động cơ khảo sát 1NZ-FE tại xưởng thực hành.
• Xây dựng quy trình chẩn đoán và phương án bảo dưỡng:
  • Thiết lập sơ đồ cây chẩn đoán tổng thể cho hệ thống điều khiển động cơ, bảng mã lỗi và nguyên nhân sự cố tương ứng.
  • Lập bảng quan hệ thực nghiệm giữa lưu lượng khí nạp qua cảm biến MAFS (g/s) và giá trị điện áp xuất ra tại chân VG; bảng giá trị điện áp tiêu chuẩn tại các chân cấp nguồn vào ECU.
  • Xây dựng quy trình kiểm tra cụ thể từng linh kiện: đo điện trở/điện áp chân tín hiệu VTA của cảm biến TPS bằng đồng hồ VOM; kiểm tra điện trở cuộn dây nhận tín hiệu và xung NE, G+ của CKPS, CMPS; kiểm tra đặc tính nhiệt điện trở âm của ECTS; đo dao động điện áp chân Ox và điện trở mạch sấy của OxS; kiểm tra phát điện áp của cảm biến KS; sử dụng bơm chân không cầm tay kết nối chân áp suất để đo điện áp cực PIM của MAPS; kiểm tra cuộn dây ISCV; kiểm tra xung nguồn kim phun và bobine đánh lửa qua đèn thử; đo dải điện áp chân tín hiệu APPS (0.8V ở chế độ không tải đến 4.0V khi nhấn hết chân ga); kiểm tra nguồn nuôi và mass ECU (+B, +B1, BATT, E1, E2).

Chương 4: Kết luận và đề xuất

• Đúc kết toàn bộ kết quả nghiên cứu về cấu trúc hoạt động của hệ thống điều khiển động cơ 1ZZ-FE, giải pháp tích hợp phần mềm LabVIEW cùng vi điều khiển STM32 phục vụ đo đạc dạng sóng tín hiệu.
• Đề xuất các phương án khai thác, ứng dụng bộ tài liệu quy trình chẩn đoán, bảo dưỡng vào công tác giảng dạy thực hành cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại trường.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

• Hệ thống hóa tài liệu lý thuyết: Xây dựng bản mô tả chi tiết về cấu trúc phần cứng ECU, nguyên lý chuyển đổi tín hiệu của 12 loại cảm biến ô tô và 3 cụm cơ cấu chấp hành chính trên nền tảng động cơ 1ZZ-FE.
• Thiết kế phần mềm đo kiểm tín hiệu: Lập trình thành công các module đo tín hiệu chuyên biệt trên môi trường LabVIEW 2023 (đo xung cảm biến, kim phun, đánh lửa, chân không, dòng điện, điện áp) tương thích với kit STM32F103C8T6 qua mạch cầu phân áp.
• Xây dựng quy trình chẩn đoán và kiểm tra thực nghiệm:
  • Thiết lập cây chẩn đoán lỗi logic dựa trên triệu chứng vận hành của động cơ.
  • Hoàn thành bảng thông số kỹ thuật chuẩn: dải điện áp cảm biến APPS (0.8V – 4.0V), đặc tính điện áp cảm biến oxy OxS ($0\text{V} - 1\text{V}$ ở nhiệt độ $300^\circ\text{C}$), đặc tính xung CKPS (33 xung/vòng quay trục khuỷu), và bảng kiểm tra điện áp nguồn ECU.
  • Đưa ra hướng dẫn chi tiết các bước kiểm tra hoạt động của từng cảm biến (MAFS, TPS, CKPS, CMPS, ECTS, OxS, KS, MAPS, APPS), van ISC, kim phun nhiên liệu và bobine đánh lửa bằng đồng hồ VOM, đèn thử và bơm hút chân không cầm tay.

Đóng góp thực tiễn của đề tài

• Cung cấp tài liệu tham khảo kỹ thuật phục vụ trực tiếp cho việc học tập, thực tập và bảo dưỡng hệ thống điều khiển động cơ tại Xưởng thực hành - thí nghiệm ô tô, Khoa Cơ khí Công nghệ, Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM.
• Đề xuất giải pháp kết hợp vi điều khiển mã nguồn mở STM32 và phần mềm LabVIEW để đo lường, hiển thị tín hiệu xung động cơ với chi phí thấp, hỗ trợ công tác nghiên cứu và đào tạo kỹ thuật.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế:
  • Quá trình thực nghiệm đo đạc và kiểm tra thực tế được triển khai trên mô hình động cơ 1NZ-FE có sẵn tại xưởng thực hành để đối chiếu với cấu trúc lý thuyết của động cơ 1ZZ-FE.
  • Thiết bị phần cứng đo lường sử dụng mạch cầu phân áp cơ bản kết nối kit vi điều khiển STM32F103C8T6, chưa tích hợp các mạch lọc nhiễu cao tần chuyên dụng để chống nhiễu trong môi trường công nghiệp ô tô rung động lớn.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Mở rộng phạm vi đo kiểm và hiệu chuẩn dữ liệu trên nhiều dòng xe thương mại thực tế sử dụng động cơ 1ZZ-FE ở các chế độ tải vận hành khác nhau trên đường.
  • Thiết kế và chế tạo bo mạch thu thập dữ liệu chuyên dụng hoàn chỉnh, tích hợp cổng kết nối chuẩn DLC3/OBD-II để nâng cao tính tiện dụng và độ bền công nghiệp.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo hữu ích cho các đối tượng và nội dung sau:

• Đối tượng sử dụng: Sinh viên, giảng viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa; kỹ thuật viên sửa chữa điện - điện tử ô tô tại các gara và xưởng dịch vụ.
• Nội dung tham khảo trọng tâm:
  • Phần phân tích chi tiết cấu tạo, nguyên lý làm việc và dạng sóng tín hiệu của các loại cảm biến trên động cơ Toyota (TPS, CKPS, CMPS, MAFS, MAPS, OxS, KS, APPS).
  • Phương pháp xây dựng giao diện thu thập dữ liệu tín hiệu động cơ trên phần mềm LabVIEW kết nối vi điều khiển STM32F103C8T6.
  • Sơ đồ cây chẩn đoán hư hỏng, bảng kiểm tra điện áp chân nguồn ECU và quy trình kiểm tra từng bước các cảm biến, kim phun, bobine bằng các thiết bị đo phổ thông.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài khóa luận được thực hiện nhằm mục đích chính gì và tại địa điểm nào?
Đề tài nhằm phân tích, khảo sát điều kiện làm việc của hệ thống điều khiển động cơ trên mô hình thực tế để xây dựng tài liệu phục vụ chẩn đoán và bảo dưỡng hệ thống điều khiển động cơ 1ZZ-FE. Đề tài được thực hiện tại Xưởng thực hành - thí nghiệm ô tô, Bộ môn Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Khoa Cơ khí Công nghệ, Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM trong khoảng thời gian từ 08/03/2023 đến 05/06/2023.

2. Bộ nhớ bên trong ECU của động cơ gồm những thành phần nào và chức năng của từng loại ra sao?
Bộ nhớ trong của ECU gồm 4 thành phần: RAM (lưu trữ và trao đổi dữ liệu hai chiều tạm thời với vi xử lý), KAM (lưu thông tin tạm thời duy trì kể cả khi tắt khóa điện, mất dữ liệu khi ngắt ắc quy), ROM (lưu trữ cố định các chương trình điều khiển do nhà sản xuất cài đặt sẵn, chỉ đọc) và EPROM/PROM (bộ nhớ cho phép lập trình nạp lại hoặc chỉnh sửa dữ liệu điều khiển tại nơi sử dụng).

3. Cảm biến vị trí trục khuỷu (CKPS) trong đề tài có cấu tạo và nguyên lý phát tín hiệu như thế nào?
Cảm biến CKPS gồm một cuộn dây nhận tín hiệu, một nam châm vĩnh cửu và một rotor tạo tín hiệu gắn ở đầu trục khuỷu gồm 32 răng nhỏ và 1 răng lớn. Khi rotor quay, khe hở không khí thay đổi làm phát sinh điện áp trong cuộn dây tạo ra tín hiệu NE+, kích hoạt cuộn nhận tín hiệu 33 lần trong mỗi vòng quay của trục khuỷu. ECU dựa vào tín hiệu này để nhận biết tốc độ động cơ và sự thay đổi từng 10° góc quay trục khuỷu.

4. Dải điện áp làm việc tiêu chuẩn của cảm biến vị trí bàn đạp ga (APPS) được ghi nhận trong văn bản là bao nhiêu?
Cảm biến APPS sử dụng 2 đường tín hiệu độc lập báo về ECU để đảm bảo an toàn. Khi đo kiểm tín hiệu điện áp của cảm biến APPS, điện áp chân tín hiệu ở chế độ không tải (chưa đạp ga) đạt xấp xỉ 0.8V và khi người lái đạp hết hành trình chân ga thì điện áp tăng dần lên đến mức 4.0V.

5. Tác giả đã sử dụng các công cụ phần mềm và phần cứng nào để khảo sát tín hiệu hệ thống điều khiển động cơ?
Tác giả đã sử dụng môi trường lập trình đồ họa LabVIEW 2023 kết hợp với chương trình SOE3000B để thiết kế các giao diện đo đạc tín hiệu ảo (Front Panel và Block Diagram). Về phần cứng, tác giả sử dụng kit vi điều khiển STM32F103C8T6 Blue Pill ARM Cortex-M3 kết hợp mạch cầu phân áp và đồng hồ đo VOM để thu thập, xử lý tín hiệu từ động cơ.

---

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Huy Toàn đã hệ thống hóa đầy đủ cơ sở lý thuyết về cấu tạo, nguyên lý vận hành của bộ điều khiển ECU, hệ thống 12 cảm biến và các cơ cấu chấp hành trên động cơ ô tô. Bằng việc kết hợp kit vi điều khiển STM32F103C8T6, mạch cầu phân áp và phần mềm LabVIEW 2023, đề tài đã thiết lập thành công phương án thu thập dạng sóng tín hiệu thực nghiệm trên mô hình động cơ. Kết quả nghiên cứu mang lại quy trình chẩn đoán, cây phân tích sự cố và các bước kiểm tra, bảo dưỡng chi tiết, đóng góp tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cho công tác đào tạo và thực hành tại Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. SƠ LƯỢC VỀ ĐỀ TÀI 1. Tính cần thiết của đề tài Phần lớn các động cơ ô tô ngày này đều sử dụng bộ điều khiển máy tính, nên kiến thức về bộ điều khiển đó cần được trang bị. Ở Việt Nam, tài liệu hỗ trợ kiến thức về hệ thống điều khiển động cơ chưa được nhiều và đa dạng, đặc biệt là khi nói riêng về một nhóm động cơ cũng như là khi cần nêu rõ quá trình chẩn đoán và bảo dưỡng hệ thống này.

Vì vậy, việc xây dựng tài liệu phục vụ chẩn đoán và bảo dưỡng hệ thống điều khiển động cơ trên động cơ 1ZZ-FE là hoàn toàn cần thiết. Hướng đi của cuốn báo cáo này Thông qua nhiệm vụ được giao trong đề tài và kết hợp với phương án thực hiện, cuốn báo cáo này sẽ trước hết tìm hiểu hệ thống điều khiển động cơ để có thể nắm được hình ảnh sơ bộ về nó (Chương 2). Sau đó, cuốn báo cáo này sẽ tìm hiểu đến ứng dụng của hệ thống này trên mẫu động cơ mô hình để từ đó xây dựng quy trình chẩn đoán và bảo dưỡng nó (Chương 3). Cuối cùng, lời đúc kết và đề xuất sẽ được đưa ra dựa theo hoàn cảnh sau khi thực hiện cuốn báo cáo này (Chương 4).

PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Với cơ sở là chương trình SOE3000B, các quy trình chẩn đoán hệ thống điều khiển động cơ mô hình sẽ được thực hiện bằng những phương pháp đo số liệu sóng từ chương trình đó và đồng thời kết hợp với các phương pháp thử điện board mạch máy tính và các cảm biến trên động cơ. Thông qua việc chẩn đoán bằng hoạt động của sóng và số liệu khi thử trên hệ thống điều khiển động cơ, việc thu thập dữ liệu sẽ trở nên tối ưu để từ đó có thể đưa ra các bước bảo dưỡng hệ thống này một cách tốt nhất. 1 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2. TÌM HIỂU KHÁI QUÁT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 2.

Bộ máy tính điều khiển động cơ (engine control unit-ecu) ECU là board mạch dùng để điều khiển hoạt động của động cơ qua việc tổ hợp, nhận biết tín hiệu, sau đó tính toán, lưu trữ thông tin, quyết định chức năng hoạt động, và cuối cùng gửi tín hiệu điều khiển thích hợp đến các cơ cấu chấp hành trong động cơ. 1: Hình dáng (trái) và vị trí ECU (phải) trong hệ thống điều khiển động cơ ECU được đặt trong vỏ kim loại nhằm giúp board giải nhiệt tốt, và để board được bố trí ở nơi ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm, đồng thời bảo vệ board khỏi va đập bên ngoài. Các linh kiện điện tử trên board ECU được bày trí trên một mạch in. Các linh kiện công suất nằm ở tầng cuối, nơi điều khiển các cơ cấu chấp hành, được gắn với khung kim loại của ECU với mục đích giải nhiệt.

Sự tổ hợp các chức năng trong board và vi mạch điện tử giúp ECU đạt độ tin cậy cao khi làm việc. Sự phát triển của ECU trên động cơ đi liền với sự phát triển của vi xử lý. Trên những thế hệ ECU đầu tiên, người ta dùng loại 4 và 8bit. Hiện nay, nhu cầu điều khiển trên ô tô ngày càng nhiều, chương trình điều khiển ngày càng lớn và phức tạp, người ta sử dụng ECU loại 8; 16 và 32bit.

Nhìn chung, vị trí và vai trò của ECU trong hệ thống điều khiển động cơ sẽ được mô tả sơ lược như sau (ở phần sau sẽ giải thích chi tiết hơn): 2 Hình 2. 2: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển động cơ ECU sẽ nhận tín hiệu báo về từ các cảm biến, sau đó tính toán và xử lý số liệu để từ đó điều khiển các bộ chấp hành (thực hiện các nhiệm vụ như phun nhiên liệu, đánh lửa, giữ ga, chẩn đoán các bộ phận) làm việc phù hợp với tình trạng di chuyển của xe và tình trạng của động cơ. Cấu tạo bên trong ECU Xét về cấu tạo, ECU được cấu thành từ các bộ phận như minh họa trong sơ đồ bên dưới, và mỗi phần sẽ được giải thích trong một mục nhỏ: Hình 2. 3: Liên hệ các thành phần cấu tạo bên trong ECU 3 Nhìn chung, dữ liệu tín hiệu sẽ di chuyển thông qua đường truyền BUS theo hướng mũi tên từ đồng hồ hiển thị (Clock), các bộ nhớ, và các loại dữ liệu đầu vào (Input data) đến CPU của ECU để được xử lý và tính toán trước khi di chuyển đến các bộ chấp hành đầu ra (Output drivers).

Bộ nhớ trong của ECU Bộ nhớ trong của ECU bao gồm 4 thành phần với các chức năng khác: RAM, KAM ROM, PROM. • RAM (Random Access Memory-Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên): dùng để lưu trữ thông tin mới được ghi trong bộ nhớ và trao đổi dữ liệu 2 chiều với vi xử lý. RAM có thể đọc và ghi các số liệu theo địa chỉ bất kỳ. • KAM (Keep Alive Memory-Bộ nhớ duy trì thông tin): dùng để lưu trữ những thông tin mới (những thông tin tạm thời) được đưa đến bộ vi xử lý.

Dữ liệu trong KAM vẫn duy trì cho dù động cơ ngưng hoạt động hoặc tắt công tắc máy. Tuy nhiên, nếu ngắt nguồn cung cấp từ acquy đến máy tính xử lý thì dữ liệu trong KAM sẽ bị mất. • ROM (Read Only Memory-Bộ nhớ chỉ đọc): dùng để trữ thông tin một cách thường trực. Bộ nhớ này chỉ có chức năng ghi nhận dữ liệu chứ không thể ghi vào được.

Thông tin bên trong nó đã được cài đặt sẵn, và từ đó ROM cung cấp thông tin cho bộ vi xử lý. • EPROM/PROM ((Erasable) Programmable Read Only Memory-Bộ nhớ chỉ đọc cho phép lập trình (và xóa)): Cấu trúc cơ bản của nó giống như ROM, nhưng nó cho phép lập trình (nạp dữ liệu) tại nơi sử dụng chứ không phải nơi sản xuất như ROM. PROM cho phép chỉnh sửa chương trình điều khiển theo nhiều đòi hỏi khác nhau. Bộ vi xử lý của ECU Bên trong ECU, bộ phận quan trọng nhất là bộ vi xử lý (Microprocessor), hay còn gọi là CPU.

CPU lựa chọn các lệnh và xử lý số liệu từ bộ nhớ trong, các thành phần chứa các chương trình và dữ liệu ngõ ra, để điều khiển nhanh số liệu từ các cảm biến và chuyển các dữ liệu đã được xử lý đến điều khiển các cơ cấu chấp hành. Hoạt động bên trong CPU sẽ được xây dựng thành sơ đồ cấu trúc như sau: 4 Hình 2. 4: Cấu trúc làm việc của CPU Dữ liệu thông tin có thể được trao đổi qua lại giữa các thành phần trong CPU để có thể phục vụ nhiều tình huống vận hành máy khác nhau. Dữ liệu sẽ được đưa vào bộ ghi nhận lưu trữ, sau đó được xử lý trong bộ tính toán đại số và logic.

Dữ liệu được xử lý có thể được đưa trở lại bộ ghi nhận lưu trữ để thực hiện việc tích hợp lệnh. Bộ ghi nhận lưu trữ và tính toán đại số và logic có thể trao đổi dữ liệu thông tin 2 chiều với bộ điều khiển để từ đó xuất ra tín hiệu điều khiển. Đường truyền bên trong ECU Đường truyền BUS bên trong ECU được dùng để chuyển các lệnh và số liệu trong ECU để dữ liệu có thể được đưa từ bộ xử lý đến các cơ cấu chấp hành. Thiếu đi đường truyền BUS thì ECU không thể truyền mệnh lệnh điều khiển các bộ phận khác.

Các mạch giao tiếp đầu vào và ra của ECU Về mô hình chung của các mạch bên trong ECU, việc giao tiếp tín hiệu vào và ra cũng như xử lý tín hiệu được mô tả bên dưới: 5 Hình 2. 5: Các mạch điện hoạt động bên trong ECU Với nguồn (Power supply) được cấp sẵn, tín hiệu từ các đầu vào (Inputs) sẽ được tổng hợp tại mạch giao tiếp đầu vào (Input ciruit) và truyền vào mạch xử lý (Processing circuit). Tín hiệu qua xử lý sau đó sẽ được đưa đến mạch giao tiếp đầu ra (Output circuit) để từ đó truyền đến các cơ cấu chấp hành đầu ra (Outputs). Bộ điều khiển ECU hoạt động trên cơ sở tín hiệu số nhị phân với điện áp cao biểu hiện cho số 1, điện áp thấp biểu hiện cho số 0.

Mỗi giá trị 0 hoặc 1 gọi là bit. Mỗi dãy gồm 8bit như vậy sẽ tương đương 1 byte. Byte này được dùng để biểu hiện cho một lệnh hoặc 1 mẫu thông tin. 6: Minh họa xung dựa theo các giá trị bit (0 và 1) 2.

Mạch giao tiếp đầu vào • Bộ chuyển đổi A/D (ADC-Analog to Digital Converter): dùng để chuyển các tín hiệu từ đầu vào, với sự thay đổi điện áp trên các cảm biến nhiệt độ, cảm biến bướm ga,… thành các tín hiệu số để bộ vi xử lý hiểu được. Như vậy thì giá trị điện áp thay đổi liên tục sẽ được chuyển đổi thành giá trị nhị phân và được đưa vào bộ nhớ trong của ECU để CPU xử lý. 7: Sơ đồ bên trong bộ ADC • Bộ đếm (counter): đếm xung tín hiệu từ các cảm biến rồi gửi số đếm đến bộ vi xử lý. 8: Sơ đồ mạch điện bộ đếm • Bộ nhớ trung gian (Buffer): phục vụ việc chuyển tín hiệu xoay chiều thành tín hiệu sóng vuông dạng số.

Nó không giữ và dùng lại lượng đếm như trong bộ đếm. Bộ phận chính là một transistor, với nhiệm vụ đóng mở theo cực tính của tín hiệu xoay chiều. Bộ nhớ trung gian là nơi tiếp nhận và lưu trữ liên tục từng mảng dữ liệu nhỏ được truyền đến khi ADC thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi sóng. Mục đích sử dụng của bộ nhớ trung gian là để giảm thời gian đợi dữ liệu nhập/xuất được xử lý khi dữ liệu được xử lý theo từng phần nhỏ ngay khi vừa được tải đến.

9: Sơ đồ mạch điện bộ nhớ trung gian 7 2. Mạch xử lý tín hiệu • Bộ khuếch đại (Amplifier): dùng để khuếch đại tín hiệu của một số cảm biến cho tín hiệu nhỏ và khó đọc. 10: Sơ đồ mạch điện bộ khuếch đại • Bộ ổn áp (Voltage regulator): trong ECU thường có hai bộ ổn áp, 5V và 12V. 2 chuẩn này là tuân theo giá trị điện áp tiêu chuẩn đọc được từ các chân tín hiệu trong các cảm biến hay các cơ cấu chấp hành.

Mục đích của bộ phận này là cho ra tín hiệu xung cố định và chính xác (các giá trị nhị phân 0 hoặc 1) để tín hiệu xuất ra từ ECU có thể điều khiển các cơ cấu chấp hành hoạt động chuẩn xác ứng với tình trạng máy. 11: Sơ đồ mạch điện bộ ổn áp 2.