MỤC LỤC
MỤC LỤC...1
LỜI NÓI ĐẦU.. 3
CHƯƠNG I. ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.. 4
I. ĐẶT VẤN ĐỀ. 4
II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.. 5
CHƯƠNG II. THIẾT KẾ CẢM BIẾN VÀ BỘ THU THẬP DỮ LIỆU.. 8
I. CÁC SỐ LIỆU CẦN THU THẬP. 8
II. PHƯƠNG ÁN THU THẬP SỐ LIỆU.. 8
2.1. Lượng tiêu thụ nhiên liệu. 8
2.2. Số vòng quay động cơ. 11
2.3. Vận tốc. 12
2.5. Độ mở bướm ga. 14
2.6. Vị trí tay số và tín hiệu phanh. 14
III. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ.. 15
3.1. Mạch điều khiển trung tâm.. 15
3.1.1. Tổng quan. 15
3.1.2. Cấu tạo mạch. 16
3.2. Module đọc ghi thẻ nhớ MMC/SD.. 20
3.2.1. Sơ lược về giao tiếp MMC/SD Card thông qua chuẩn truyền thông SPI 20
a. Chuẩn truyền thông SPI 20
b. Giao tiếp MMC/SD Card. 23
3.2.2. Ghi và đọc dữ liệu thí nghiệm vào MMC/SD Card. 25
a. Ghi dữ liệu. 25
b. Đọc dữ liệu. 29
3.3. Cảm biến vận tốc. 31
3.4. Cảm biến gia tốc. 34
3.5. Xác định tốc độ động cơ. 37
3.6. Cảm biến vị trí tay ga. 39
CHƯƠNG III. THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH THÍ NGHIỆM.. 43
I. THIẾT KẾ KỊCH BẢN THÍ NGHIỆM.. 43
II. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM.. 47
2.1. Đánh giá quan hệ giữa gia tốc và lượng tiêu thụ nhiên liệu. 48
2.2. Điều khiển chuyển số thích hợp. 50
2.3. Số lần khởi động và thời gian nổ máy không tải 53
CHƯƠNG IV. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ.. 54
I. TÍNH TOÁN HÀM TRUYỀN BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 54
II. THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TAY GA ĐIỆN TỬ.. 58
2.1. Thiết kế mô hình tay ga điện tử. 58
2.2. Xây dựng hàm truyền từ tay ga đến động cơ servo. 62
III. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TẮT MÁY XE KHI DỪNG ĐÈN ĐỎ 66
KẾT LUẬN.. 69
PHỤ LỤC.. 70
Phụ lục 1: Code chương trình chính. 70
Phụ lục 2: Code chương trình đọc dữ liệu từ thẻ nhớ ra máy tính. 75
Phụ lục 3: Code chương trình điều khiển động cơ Servo. 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 79
LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại ngày nay, phương tiện di chuyển cá nhân đang ngày càng trở nên phổ biến. Ở nước ta, số người sử dụng xe máy làm phương tiện di chuyển cá nhân nhiều vào loại hàng đầu thế giới. Và khi đó tính trạng ô nhiễm môi trường do phát thải độc hại cũng trở thành một vấn đề nhức nhối. Trong khi hệ thống luật pháp của Nhà nước về những tiêu chuẩn khí thải đối với các phương tiện giao thông đang lưu hành, đặc biệt là với xe máy còn chưa phát huy hết hiệu lực, thì một thực trạng vẫn đang tiếp diễn là lượng khí thải độc hại phát tán ra môi trường của các phương tiện giao thông ngày càng gia tăng không ngừng. Để có được những giải pháp ngăn chặn tình trạng phát thải độc hại ra môi trường, bên cạnh những biện pháp cải tiến kỹ thuật thì những biện pháp về cách thức vận hành xe trong một môi trường giao thông phức tạp như nước ta cũng là một vấn đề đáng quan tâm. Cách thức vận hành hợp lý sẽ nâng cao tính kinh tế nhiên liệu, cũng đồng nghĩa với việc giảm lượng phát thải độc hại ra môi trường.
Hai đề tài chúng em lựa chọn đó là “Nghiên cứu các yếu tố vận hành ảnh hưởng đến tính kinh tế nhiên liệu của xe máy” và “Thiết kế hệ thống tay ga điện tử cho xe máy nhằm cải thiện tính kinh tế nhiên liệu”. Mục tiêu của hai đề tài là: nghiên cứu các yếu tố vận hành trong môi trường giao thông nước ta, từ đó thiết kế một hệ thống giúp cải thiện các kỹ năng điều khiển xe của người tham gia giao thông phù hợp với môi trường giao thông Việt Nam, hướng tới lượng tiêu thụ nhiên liệu tối ưu trong các quá trình vận hành.
Chúng em xin chân thành cảm ơn: ………….. cùng toàn thể các Thầy trong Bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng – Viện Cơ khí động lực – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện và giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài tốt nghiệp này!
CHƯƠNG I. ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Xe máy hiện nay là một loại phương tiện di chuyển cá nhân rất phổ biến ở nhiều quốc gia trên thế giới đặc biệt là ở Việt Nam. Bên cạnh đó, giao thông ở Việt Nam có những đặc thù riêng: trong vòng 5 năm trở lại đây, số lượng xe mô tô, xe gắn máy đã tăng rất nhanh với tốc độ trên 10%/năm. Hệ quả tất yếu của việc gia tăng số lượng phương tiện di chuyển cá nhân quá nhanh đó là tình trạng phát thải độc hại ra môi trường.
Theo một kết quả thí nghiêm tại Thụy Sỹ để so sánh hệ số phát thải của xe mô tô, gắn máy không lắp thiết bị xử lý khí thải với ô tô con đạt tiêu chuẩn Euro 3 cho thấy: phát thải trung bình trên một quãng đường đi (g/km) của xe mô tô, xe gắn máy cao hơn ô tô gấp 8 hoặc 18 hoặc 39 lần đối với CO, 23 hoặc 74 hoặc 222 lần đối với HC; 1,7 hoặc 4 hoặc 7,8 lần đối với NOx tùy theo điều kiện giao thông là trên đường trong đô thị hoặc đường đồng bằng hoặc đường cao tốc.
II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Trên thực tế, các yếu tố vận hành xe máy tác động nhiều đến tính kinh tế nhiên liệu của xe. Do vậy, việc thiết kế hệ thống điều khiển xe tự động có quan tâm đến các yếu tố vận hành là giải pháp làm tăng tính kinh tế nhiên liệu của xe và đồng thời giải pháp này mang tính thực thi cao vì nó không can thiệp vào kết cấu động cơ của nhà sản xuất. Để thực hiện được việc điều khiển xe tự động thì trước hết phải tìm hiểu được các yếu tố vận hành có ảnh hưởng trực tiếp đến tính kinh tế nhiên liệu. Các yếu tố này bao gồm:
+ Chế độ khởi hành: Khởi hành ở các tay số khác nhau từ thấp đến cao có ảnh hưởng như thế nào đến lượng tiêu thụ nhiên liệu.
+ Gia tốc xe: Kỹ năng tăng tốc của người lái tốt hay không tốt.
+ Kỹ năng chuyển số: Người vận hành nên chuyển số ở giá trị vận tốc và số vòng quay động cơ là bao nhiêu thì sẽ nâng cao được tính kinh tế nhiên liệu.
+ Thời gian chạy không tải: Khi dừng xe (dừng đèn đỏ) trong trường hợp nào thì nên tắt máy và trong trường hợp nào thì không nên tắt.
CHƯƠNG II. THIẾT KẾ CẢM BIẾN VÀ BỘ THU THẬP DỮ LIỆU
I. CÁC SỐ LIỆU CẦN THU THẬP
Dữ liệu cần thu thập phải phản ánh hết được trạng thái hoạt động của hệ thống người-xe bao gồm các thông tin sau:
+ Lượng tiêu thụ nhiên liệu
+ Số vòng quay động cơ
+ Độ mở bướm ga
+ Vận tốc
+ Vị trí tay số
+ Tín hiệu phanh
II. PHƯƠNG ÁN THU THẬP SỐ LIỆU
Với các số liệu yêu cầu cần thu thập ở trên, cần đề ra phương án để thu thập. Với từng loại tín hiệu cần có một phương án thu thập cụ thể với yêu cầu: tín hiệu thu nhận được là chính xác và không ảnh hưởng đến kết cấu cũng như quá trình vận hành của xe.
2.1. Lượng tiêu thụ nhiên liệu
Để đo lượng tiêu thụ nhiên liệu, ta lựa chọn biện pháp lắp thêm một bình xăng phụ cho phép đo được lượng nhiên liệu tiêu thụ.
2.2. Số vòng quay động cơ
Để xác định tốc độ động cơ thì có nhiều phương pháp khác nhau, có thể đo tốc độ của truc khuỷu đông cơ, trục cam của động cơ…
Tuy nhiên do ta sử dụng mẫu xe máy có sẵn nên để tránh can thiệp vào các kết cấu trong xe và không phải lắp đặt thêm các chi tiết phụ mà vẫn đảm bảo độ chính xác và tin cậy, cũng như làm việc ổn định của xe thì trong đồ án này chúng em lựa chọn phương án dùng tín hiệu từ cuộn dây đánh lửa có sẵn trên động cơ, trích một đường tín hiệu từ cuộn đây đánh lửa và đưa về vi điều khiển để xử lý.
2.3. Vận tốc
Để đo vận tốc của xe trên xe sử dụng hệ thông đo cơ khí. Với hệ thông này thì không có được các tín hiệu điện cần thiết để đưa về vi điều khiển để xử lí.
Để có được tín hiệu điện để đưa về vi điều khiển thì cần thiết kế bộ cảm biến để đo vân tốc của xe. Trong đề tài sử dụng một cảm biến thu phát LED đôi Opto-Isolator. Tận dụng hàng lỗ tản nhiệt trên đĩa phanh bánh trước (lỗ sáng) để làm tín hiệu cho cảm biến nhận biết. Khi cảm biến bị che (chỗ không có lỗ) thì tín hiệu điện áp gửi về vi điều khiển là 0V. Khi cảm biến không bị che (ở vị trí lỗ tản nhiệt) thì giá trị điện áp vi điều khiển nhận được là +5V.
2.4. Gia tốc
Sử dụng một module cảm biến ba trục MMA7260 để đo gia tốc chuyển động của xe. Module cảm biến ba trục MMA7260, có ưu điểm là tín hiệu đầu ra của các trục là dạng điện áp.Với tín hiệu đầu ra là dạng điện áp việc lập trình và xử lí tín hiệu từ cảm biến để vi điều khiển xử lí trở lên đơn giản và dễ dàng hơn.
2.6. Vị trí tay số và tín hiệu phanh
Tín hiệu tay số và tín hiệu phanh được trích trực tiếp từ chân báo đèn số và đèn phanh. Tín hiệu điện áp của các đèn này là +12V nên cần đi qua một cầu hạ áp xuống điện áp +5V trước khi đi vào vi điều khiển. Vi điều khiển sẽ ghi nhận vị trí chân số cũng như tín hiệu phanh trong quá trình xe vận hành.
III. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ
3.1. Mạch điều khiển trung tâm
3.1.1. Tổng quan
Mạch điều khiển chính bao gồm nhiều module nhỏ được tích hợp bên trong. Mạch có các chức năng chính:
- Cấp nguồn một chiều +5V cho vi điều khiển, nguồn một chiều +5V và +3.3V cho các module cảm biến.
- Kết nối vi điều khiển với các module cảm biến, module giao tiếp MMC/SD card (SPI), giao tiếp UART, ISP.
- Chứa các chân cắm riêng rẽ cho từng Port để có thể thực hiện thêm những chức năng khác nếu có phát sinh thêm, hoặc sử dụng mạch với mục đích khác.
3.1.2. Cấu tạo mạch
a. Khối nguồn
Nguồn điện cấp cho hệ thống là nguồn điện một chiều +12V lấy từ Ác-quy qua một giắc cắm DC. Điện áp sẽ được đi qua một IC nguồn LM7805 để tạo ra nguồn +5V. Sau đó lại tiếp tục đi qua một IC nguồn LM1117-3.3 để tạo ra nguồn +3.3V. Hai điện áp +5V và +3.3V này sẽ được nối với các chân cắm nguồn được tích hợp sẵn trên board mạch, cung cấp điện áp phù hợp cho các module cảm biến.
b. Khối xử lý trung tâm
Vi xử lý trung tâm sử dụng là vi xử lý AVR Atmega32. Vi xử lý kết nối với thạch anh ngoài 8MHz, một nút bấm Reset. Điện áp cấp cho vi xử lý là +5V. Các PORT chờ được kết nối như trong
c. Các chân tín hiệu cảm biến
Với yêu cầu của thí nghiệm cần có 15 chân dành cho các tín hiệu cảm biến chia thành 3 dãy.
Dãy SV7 gồm có 4 chân dành cho các tín hiệu đánh lửa, gia tốc, tay ga và vận tốc. Mỗi chân đều có lắp thêm các tụ và điện trở có tác dụng chống nhiễu cho tín hiệu đi vào vi xử lý. Tín hiệu đánh lửa được đưa vào một IC khuếch đại thuật toán LM324. Chức năng cụ thể của bộ khuếch đại thuật toán LM324 sẽ được trình bày trong mục khác.
3.2. Module đọc ghi thẻ nhớ MMC/SD
3.2.1. Sơ lược về giao tiếp MMC/SD Card thông qua chuẩn truyền thông SPI
a. Chuẩn truyền thông SPI
Chuẩn giao tiếp truyền thông SPI (Serial Peripheral Bus) là một chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao do hãng Motorola đề xuất. Đây là kiểu truyền thông Master-Slave, trong đó có một chip Master điều phối quá trình truyền thông và các chip Slave được điều khiển bởi chip Master vì thế truyền thông chỉ xảy ra giữa Master và Slave. SPI là một cách truyền “song công” (full duplex), nghĩa là tại cùng một thời điểm quá trình truyền và nhận có thể xảy ra đồng thời. SPI đôi khi được gọi là chuẩn truyền thông “4 dây” vì có bốn đường truyền giao tiếp trong chuẩn này đó là: SCK (Serial Clock), MISO (Master Input – Slave Output), MOSI (Master Output – Slave Input) và SS (Slave Select). Hình 2.15 thể hiện một kết nối giữa 1 chip Master và 3 chip Slave thông qua 4 đường.
b. Giao tiếp MMC/SD Card
MMC là viết tắt của cụm từ Multi-Media Card và SD là Secure Digital Card. Nhìn chung MMC và SD giống nhau về mặt cấu trúc vật lý và phương thức giao tiếp. SD card xuất hiện sau MMC card nên SD card có nhiều tình năng và tốc độ cao hơn MMC card. Tuy nhiên, đối với việc ghi-đọc MMC và SD ở tốc độ thấp bằng các vi điều khiển (như AVR) thì sự khác nhau của hai loại card này là không có nhiều khác biệt.
Về phương thức giao tiếp, MMC và SD card đều có thể được giao tiếp thông qua hai chế độ cơ bản là SD/MMC mode và SPI mode. Giao tiếp bằng mode SD/MMC có tốc độ cao nhưng đòi hỏi vi điều khiển cũng phải có tốc độ cao. Mode này không phù hợp với việc giao tiếp bằng vi điều khiển. Ngược lại, mode giao tiếp SPI tuy có tốc độ thấp hơn nhưng phù hợp với các vi điều khiển như AVR.
- Chân 1: CS (Chip Select) là chân chọn chip dùng trong mode SPI, chân này nối với chân chọn chip của chip điều khiển
- Chân 2: DI (Data Input) hay là chân MOSI của chuẩn SPI, chân này được nối với chân MOSI trên chip điều khiển.
- Chân 3, 6: là các chân GND.
- Chân 4: là chân nguồn nuôi thẻ.
- Chân 5: CLK là chân giữ nhịp trong mode SPI, chân này sẽ được nối với SCK trên chip điều khiển.
3.2.2. Ghi và đọc dữ liệu thí nghiệm vào MMC/SD Card
a. Ghi dữ liệu
Với 6 loại tín hiệu cần thu thập để tiến hành phân tích, tiến hành thực hiện chạy thí nghiệm trên một cung đường cố định, đo đạc, xử lý các tín hiệu và lưu trữ vào thẻ nhớ. 6 loại tín hiệu cần thu thập bao gồm: tín hiệu đánh lửa (ne), vận tốc (v), gia tốc (a), tín hiệu tay ga, tín hiệu vị trí tay số và tín hiệu phanh. 6 tín hiệu này sẽ được vi điều khiển thu nhận từ các cảm biến, chuyển đổi sang định dạng văn bản và lưu giữ vào thẻ nhớ.
b. Đọc dữ liệu
Sau khi ghi được dữ liệu thí nghiệm vào thẻ nhớ, ta sẽ tiến hành đọc dữ liệu từ thẻ nhớ ra máy tính. 6 bộ dữ liệu được lưu trữ theo thời gian thí nghiệm trong một bảng giá trị cụ thể. Việc đọc dữ liệu trong thẻ nhớ được vi xử lý thực hiện. Bằng việc sử dụng một module giao tiếp UART kết nối với máy tính thông qua cổng USB, dữ liệu ghi trong thẻ nhớ sẽ được hiển thị lên màn hình máy tính dưới dạng văn bản thông qua cửa sổ Terminal. Từ đó ta có thể lấy được bộ số liệu thí nghiệm để tiến hành xử lý. Hình 7 mô tả cách kết nối module giao tiếp UART để hiển thị dữ liệu đọc được từ thẻ nhớ lên màn hình Terminal trên máy tính.
3.3. Cảm biến vận tốc
Đĩa chắn sáng, cùng với cảm biến photodiode là thành phần cơ bản tạo nên bộ đo vận tốc góc của bánh xe trong quá trình vận hành xe. Tuy nhiên do việc sử dụng xe máy có sẵn nên việc chế tạo và lắp thêm đĩa chắn sáng gặp nhiều khóc khăn trong quá trình lắp giáp thêm đĩa lên xe. Vì vậy ta sư dụng đĩa phanh trên xe với đặc điểm có lỗ tản nhiệt có sẵn trên đĩa phanh. Những lỗ này như các của sổ đóng mở lien tục giữa bên thu và phát cảu cảm biến để tạo ra xung vận tốc.
Vấn đề về độ chính xác, khả năng đáp ứng của phép đo vận tốc liên quan tới tín hiệu mà cảm biến đo được, tín hiệu này một phần phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của đĩa chắn sáng và số lượng cảm biến.
Trong khuôn khổ đồ án, ta xử dụng loại cảm biến quang như hình dưới với đặc điểm sử dụng đơn gản , giá thành thấp, độ tin cậy cao.
Nguyên lý hoạt động:
- Khi không có vật cản giữa bên thu và bên phát khi đó transistor thông làm cho điện áp chân tới vi xử lí được kéo lên +5V.
- Khi có vật cản giữ bên thu và bên phát làm transistor bị khóa không có dòng điện qua điện trở R2 làm điện áp trên chân tới vi điều khiển bị hạ xuống 0V.
Như vậy dựa vào đặc điểm hoạt động của loại cảm biên này và kết hợp với các lỗ tản nhiệt trên đĩa phanh ta tạo ra được bộ đo tốc độ của xe.
3.4. Cảm biến gia tốc
Trong thí nghiệm sử dụng cảm biến gia tốc loại MMA7260 trên modul gia tốc 7260.
Thông số cơ bản cảm biến MMA7260
Nguyên lí hoạt động:
MMA7260 là một cảm biến vi cơ bề mặt (surface-micromachined integrated-circuit accelerometer) thuộc loại điện dung.
Với module này ta có thể lấy ra các tín hiệu gia tốc theo các trục X, Y, Z trên các chân tương ứng của modul về AVR để xử lí . Tín hiệu ra của cảm biến là dạng điện áp. Vi vậy các tín hiệu đưa về được đưa đến các chân ADC của vi điều khiển.
Với xe máy có gia tốc không cao và có yêu cầu về độ nhạy lớn lên ta lựa chọn chế độ hoạt động của cảm biến là g-Select 1 và 2 đều là 0 để có đọ nhạy là 800mV/g và g-Range là 1,5g
Để cảm biến hoạt động ta cần cấp điện áp 3,3V vào chân Sleep của cảm biến. Nếu không cấp điện áp cho chân Sleep của cảm biến thì cảm biến sẽ ở chế độ tạm nghỉ chưa hoạt động.
3.5. Xác định tốc độ động cơ
Tốc độ động cơ xác định thông qua tốc độ đánh lảu của động cơ, vì vậy ta cần xác định được tốc độ đánh lửa thông qua cảm biến đánh lửa lắp trên xe.
Các loại xe Honda thông thường được trang bị hệ thống đánh lửa điện tử không dùng bộ vít lửa, được gọi là hệ thống CDI hay đánh lửa điện dung. Ưu điểm của hệ thống này là hiệu quả đánh lửa cao, ổn định.
Hệ thống đánh lửa trên xe bao gồm hai loại đánh lửa AC-CDI và đánh lửa DC-CDI, trên xe wave 110s sử dụng hệ thống đánh lửa DC-CDI.
CHƯƠNG III. THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH THÍ NGHIỆM
I. THIẾT KẾ KỊCH BẢN THÍ NGHIỆM
Các cách thức vận hành khác nhau sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến lượng tiêu thụ nhiên liệu của xe trong từng điều kiện vận hành cụ thể. Do vậy các thí nghiệm cần phải hợp lý và đạt được mục đích cuối cùng là thể hiện rõ sự ảnh hưởng của các cách thức vận hành xe khác nhau tới lượng tiêu thụ nhiên liệu.
Thông số kỹ thuật của xe thí nghiệm:
- Trọng lượng bản thân: 100 kg
- Dài x Rộng x Cao: 1.925mm x 710 mm x 1.090mm
- Độ cao yên: 770 mm
- Khoảng cách gầm so với mặt đất: 140 mm
- Dung tích bình xăng: 3,7 lít
- Dung tích nhớt máy: 1 lít khi rã máy / 0.8 lít khi thay nhớt
- Phuộc trước: Ống lồng, giảm chấn thủy lực
- Phuộc sau: Lò xo trụ, giảm chấn thủy lực
- Loại động cơ: Xăng, 4 kỳ, 1 xy-lanh, làm mát bằng không khí.
Để các kết quả thí nghiệm không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài, tiến hành tất cả các thí nghiệm trong cùng một điều kiện thí nghiệm: Tất cả các thí nghiệm đều được thực hiện trong khuân viên trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, xe chạy thí nghiệm chỉ chở một người.
II. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Kết thúc quá trình thí nghiệm sau khi đã thu được một lượng số liệu nhất định. Tổng số thí nghiệm đã thực hiện là 175 thí nghiệm với tất cả các kịch bản ở trên.
Các số liệu thống kê trong bảng được ghi nhận từ tất cả các số liệu đã tiến hành thí nghiệm và được xử lý trên máy tính bằng hai công cụ là phần mềm Microsoft Office Exel và Matlab.
2.1. Đánh giá quan hệ giữa gia tốc và lượng tiêu thụ nhiên liệu
Với mục đích cuối cùng là tối ưu hóa quá trình điều khiển của người lái theo gia tốc vận hành mong muốn, trước tiên cần tìm được giá trị gia tốc trung bình mong muốn.
Trong quá trình điều khiển, không phải người điều khiển nào cũng có kỹ năng điều khiển tốt, hoặc nếu người lái có kỹ năng điều khiển tốt thì chưa chắc hệ thống chấp hành đáp ứng được hết yêu cầu điều khiển. Do vậy, giá trị gia tốc kỳ vọng là rất khó đạt được.
Giá trị phương sai được tính toán và thống kê trong bảng trên. Giá trị phương sai này cho biết độ sai lệch của giá trị gia tốc thực tế đo được so với giá trị gia tốc kỳ vọng của người điều khiển mong muốn. Như vậy, nếu phương sai gia tốc càng lớn thì mức độ điều khiển gia tốc thực của xe khác xa với gia tốc mong ước càng kém. Hay nói cách khác, phương sai gia tốc càng lớn thì kỹ năng điều khiển xe càng kém, điều này sẽ ảnh hưởng tới tính kinh tế nhiên liệu của xe.
2.2. Điều khiển chuyển số thích hợp
Thời điểm chuyển số thích hợp có liên quan trực tiếp đến tốc độ vòng quay động cơ. Nếu chuyển số sớm, tức là động cơ sẽ thường xuyên hoạt động ở vùng tốc độ thấp và ngược lại. Để đánh giá thời điểm chuyển số của 1 hành trình vận hành xe, đề tài đưa ra khái niệm tỷ lệ thời gian động cơ hoạt động ở các số vòng quay khác nhau.
Tìm mối quan hệ của thời điểm sang số ( thời điểm sang số ứng với số vòng quay của động cơ) ảnh hưởng tới lượng tiêu thụ nhiên liệu. Đề tài đã lựa chọn 3 thí nghiệm để đánh giá: thí nghiệm chạy tăng tốc nhanh tới vận tốc tối đa 30 (km/h), chạy ổn định ở vận tốc 25 (km/h) với tay số 4, vận tốc 20 (km/h) ở tay số 2.
Từ kết quả phân tích trên, có thể kết luận được số vòng quay động cơ làm việc với lượng tiêu thụ nhiên liệu là tốt nhất là trong khoảng 1500 – 2500 (vòng/phút). Như vậy, nếu điều khiển thời điểm chuyển số rơi vào khoảng vận tốc động cơ này sẽ đạt được tính kinh tế nhiên liệu tốt nhất.
Xét trong điều kiện thực tế, việc thiết kế bộ điều khiển tự động chuyển số là một công việc khá phức tạp và đòi hỏi can thiệp trực tiếp đến kết cấu của hệ thống truyền lực do vậy đề tài đã đề ra phương án thiết kế bộ tự động nhắc nhở thời điểm chuyển số dựa trên điều kiện các yếu tố vận hành và số vòng quay của động cơ. Tín hiệu cảnh báo sẽ sử dụng ngay đèn báo số trên bảng đồng hồ, vi điều khiển trung tâm sẽ thu nhận các thông số vận hành từ các cảm biến lắp trên xe để phân tích và đưa ra quyết định cảnh báo người lái thời điểm sang số thích hợp, bằng cách đưa ra tín hiệu điều khiển nhấp nháy đèn báo số cần chuyển.
2.3. Số lần khởi động và thời gian nổ máy không tải
Khởi động xe rồi tắt máy 20 lần, đo lượng tiêu hao nhiên liệu là 2ml. Như vậy trung bình mỗi lần khởi động sẽ tốn 0.1ml nhiên liệu.
Chạy xe ở chế độ không tải nóng trong thời gian 400s, đo lượng tiêu hao nhiên liệu là 10ml. Vậy mỗi giây chạy không tải sẽ tiêu tốn 0.025ml nhiên liệu.
Kết luận: Trong trường hợp dừng xe lớn hơn 4s thì việc tắt máy đi và khởi động lại sẽ tiết kiện nhiên liệu hơn việc không tắt máy.
Trong điệu kiện vận hành thực tế, để giảm nhẹ lượng thao tác của người lái trong quá trình điều khiển xe, đề tài đề ra phương án thiết kế bộ tự động tắt và khởi động xe. Với kết quả phân tích như trên, việc dừng xe lớn hơn 4s sẽ tiêu tốn lượng nhiên liệu lớn hơn việc tắt máy và khởi động xe lại, bộ điều khiển sẽ liên tục tính toán vận tốc xe cùng với thời gian xe dừng tại chỗ. Khi đủ điều kiện thời gian dừng xe tại chỗ (vận tốc = 0) lớn hơn 4s thì vi điều khiển sẽ điều khiển cho xe tắt máy. Khi cần khởi động lại, người lái chỉ cần giữ phanh và tăng ga nhẹ, xe sẽ tự động khởi động lại mà không cần sử dụng công tắc khởi động trên xe.
CHƯƠNG IV. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ
I. TÍNH TOÁN HÀM TRUYỀN BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
Để thiết kế hệ thống tay ga điện tử cần phải xây dựng mô hình toán học hệ thống động lực học xe máy. Tuy nhiên, việc xây dựng mô hình dựa trên các thông số kỹ thuật của xe sẽ rất phức tạp đòi hỏi phải biết các thông số như quán tính quay của chi tiết, đường kính, hành trình của piston… hơn nữa hệ phương trình mô phỏng sẽ rất phức tạp gây khó khăn cho việc thiết kế bộ điều khiển.
Với yếu tố đầu vào là độ mở tay ga, yếu tố đầu ra là vận tốc xe.
Sau khi sử dụng thuật toán được xây dựng trên Matlab, ta xác định được hàm truyền.
Sự phù hợp giữa mô hình mô phỏng và thực tế đạt: 62,25%
Với hàm truyền trên, ta có thể khảo sát tính năng điều khiển của xe bằng đáp ứng bước (Step reponse).
Theo như đồ thị, với đáp ứng bước, độ vượt quá giá trị mong muốn (overshoot) là 40% và thời gian quá độ (setting time) lớn. Điều này có nghĩa là tính điều khiển của hệ thống kém khiến cho người điều khiển khó tiếp cận đến giá trị gia tốc mong muốn làm tăng sự sai lệch về gia tốc (phương sai gia tốc) ảnh hưởng xấu đến tính kinh tế nhiên liệu.
II. THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TAY GA ĐIỆN TỬ
2.1. Thiết kế mô hình tay ga điện tử
Sau khi đã bước đầu xây dựng được hàm truyền cho bộ điều khiển tay ga điện tử, đề tài bước đầu chế tạo mô hình tay ga điện tử.
Để kéo được quả ga trên động cơ xe máy, một động cơ servo được sử dụng. Động cơ servo là loại động cơ điều khiển có hồi tiếp, phương pháp điều khiển sử dụng là phương pháp điều rộng xung (PWM).
Động cơ servo được thiết kế để quay có giới hạn chứ không phải quay liên tục như động cơ DC hay động cơ bước. Công dụng chính của động cơ servo là đạt được góc quay chính xác trong khoảng từ 0o - 180o. Một puli được lắp vào trục ra của động cơ servo sẽ cho phép động cơ kéo được quả ga trên động cơ xe máy với một tỷ số truyền nhất định và hoàn toàn có thể điều chỉnh được như mong muốn của người thiết kế.
Trên trục ra của động cơ servo còn lắp thêm một cảm biến kiểu biến trở để đo vị trí góc quay của động cơ. Biến trở này có tác dụng đo độ trễ trong quá trình làm việc của động cơ servo. Qua việc so sánh mức độ đáp ứng của hệ thống thông qua độ trễ đo được, người thiết kế sẽ có giải pháp để giảm độ trễ làm việc, từ đó đưa hệ thống làm việc nhanh đạt giá trị mong muốn.
Để điều khiển động cơ servo hoạt động theo mong muốn cần có một mạch điều khiển. Trên mạch có một vi xử lý trung tâm, vi điều khiển lựa chọn là AVR Atmega8. Vi điều khiển này cũng có cấu tạo và chức năng tương tự như vi điều khiển AVR Atmega32 trong phần trên đã đề cập, nhưng có bộ nhớ nhỏ hơn cũng như ít chân giao tiếp hơn.
Trong quá trình thử nghiệm trên mô hình, do không tính toán đến việc tín hiệu điều khiển bị nhiễu, cũng như tải trọng làm việc của động cơ servo lớn nên ban đầu việc điều khiển không chính xác như mong muốn. Sau khi phát hiện ra nguyên nhân, chúng em đã chọn giải pháp thiết kế một mạch nguồn riêng cho động cơ servo tách biệt với mạch điều khiển. Khi đó động cơ làm việc đã chính xác như yêu cầu điều khiển.
2.2. Xây dựng hàm truyền từ tay ga đến động cơ servo
Sau khi đã thiết kế được mô hình điều khiển, chúng em tiến hành đo tốc độ đáp ứng của động cơ servo so với tốc độ điều khiển của tay ga điện tử. Với cảm biến vị trí dạng điện trở lắp trên trục của puli kéo có thể xác định được tốc độ và góc quay của động cơ servo trong quá trình điều khiển. Như chúng ta đã biết, khi người lái vặn tay ga, nếu là trong hệ thống tay ga cơ khí thì quả ga trên động cơ sẽ được kéo để đóng mở đường cấp nhiên liệu vào động cơ.
III. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TẮT MÁY XE KHI DỪNG ĐÈN ĐỎ
Với kết quả phân tích lượng tiêu thụ nhiên liệu của xe khi chạy không tải trong lúc dừng đèn đỏ và khi khởi động lại xe có thể rút ra nhận xét: trong trường hợp dừng xe lớn hơn 4s thì việc tắt máy đi và khởi động lại sẽ tiết kiện nhiên liệu hơn việc không tắt máy.
Bộ điều khiển tự động tắt máy xe khi dừng đèn đỏ hoạt động dựa theo nguyên tắc:
Khi bộ điều khiển trung tâm phát hiện xe đang dừng và chạy không tải thì bộ điều khiển sẽ đo thời gian xe dừng đèn đỏ, nếu thời gian vượt quá 4s thì hệ thống sẽ ra lệnh để tắt động cơ. Sau khi động cơ đã tắt, để khởi động lại xe, người lái cần bóp phanh để đảm bảo an toàn và thực hiện tăng ga tới mức phù hợp hệ thống sẽ tự động đề nổ khởi động xe.
KẾT LUẬN
Sau một thời gian làm việc nghiêm túc với sự tập chung và cố gắng cao nhất, cùng với sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của hai Thầy hướng dẫn là: ………….., chúng em đã hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp với hai đề tài: “Nghiên cứu các yếu tố vận hành ảnh hưởng đến tính kinh tế nhiên liệu của xe máy” và “Thiết kế hệ thống tay ga điện tử cho xe máy nhằm cải thiện tính kinh tế nhiên liệu”. Đề tài hướng tới việc điều chỉnh hợp lý các kỹ năng vận hành của người điều khiển xe máy nhằm hướng tới lượng tiêu thụ nhiên liệu tối ưu.
Trong hai đề tài này, chúng em đã thiết kế hoàn chỉnh bộ thu thập dữ liệu, tiến hành các thí nghiệm và lưu trữ được một bộ dữ liệu đủ để tiến hành phân tích và xử lý. Sau khi xử lý các số liệu này, chúng em đã xây dựng được thuật toán điều khiển và mô hình bộ điều khiển tay ga điện tử. Song do hạn chế về thời gian cũng như đây là những kiến thức mới, cần được xây dựng và trải qua quá trình thử nghiệm lâu dài mới đạt được kết quả nên chúng em chưa thể ứng dụng trên xe máy thực tế. Mục tiêu của chúng em là sẽ thiết kế hoàn chỉnh và ứng dụng bộ điều khiển tay ga điện tử trong cuộc thi “Lái xe sinh thải – Tiết kiệm nhiên liệu” do Honda tổ chức trong thời gian tới đây. Bên cạnh đó là tiếp tục phát triển hoàn chỉnh bộ thu thập dữ liệu, để có thể ứng dụng như một “hộp đen” trên xe máy.
Cuối cùng, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các Thầy trong Bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt là: ………….., đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để chúng em có thể hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. NGUYỄN HỮU CẨN, DƯ QUỐC THỊNH, PHẠM MINH THÁI, NGUYỄN VĂN TÀI, LÊ THỊ VÀNG – LÝ THUYẾT Ô TÔ MÁY KÉO – NXB KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT
2. PHẠM MINH TUẤN – LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG – NXB KHOA HỌC KỸ THUẬT
3. CÁC TÀI LIỆU TRÊN MẠNG INTERNET
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"