Nghiên cứu mô phỏng mạch điều khiển quạt làm mát động cơ ô tô sử dụng ECU

Tác giả thực hiện nghiên cứu mô phỏng mạch điều khiển quạt làm mát dùng ECU bằng phần mềm Proteus và CodevisionAVR. Trong đó phần mềm Proteus được dùng để mô phỏng mạch điều khiển và phần mềm CodevisionAVR được dùng để viết chương trình điều khiển. HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V – VCME 2018 Nghiên cứu mô mạch điều khiển quạt làm mát động ô tô sử dụng ECU Simulation study of cooling fan control circuit for engines using ECU Nguyễn Thành Bắc Khoa Cơng nghệ Ơtơ, Trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội Email: [email protected]/ [email protected] Mobile: 0902219922 Tóm tắt Từ khóa: Điều khiển quạt làm mát động cơ; Hệ thống làm mát động cơ; Mô điều khiển quạt làm mát động cơ; Quạt làm mát động Trên ô tô đời thường sử dụng động điện chiều để dẫn động quạt làm mát động Đồng thời để điều khiển quạt làm mát ô tô dùng điều khiển ECU Làm tiền đề cho việc nghiên cứu thiết kế chế tạo ECU điều khiển quạt làm mát động ô tô Tác giả thực nghiên cứu mô mạch điều khiển quạt làm mát dùng ECU phần mềm Proteus CodevisionAVR Trong phần mềm Proteus dùng để mô mạch điều khiển phần mềm CodevisionAVR dùng để viết chương trình điều khiển Trong nghiên cứu vi điều khiển sử dụng cho ECU Atmega16 Kết nghiên cứu cho thấy mạch chương trình điều khiển điều khiển quạt làm mát theo nhiệt độ làm việc động cơ, đồng thời chương trình điều khiển cài đặt ngưỡng điểu khiển quạt làm mát theo yêu cầu nhiệt độ làm việc ổn định loại động ô tô khác Abstract Keywords: Engine cooling fan; Engine cooling fan control; Engine cooling system; Simulation of engine cooling fan control Nowadays, new cars use DC motors to drive cooling fans At the same time, these cars use ECU controllers for the cooling fans As a prerequisite for research on designing and manufacturing engine cooling fans’ ECUs, the author conducted simulation research on the circuit of cooling fans’ ECU using Proteus and CodevisionAVR software The Proteus software was used to simulate the control circuits and the CodevisionAVR software was used to write control programs In this study, the microcontroller used for ECU was Atmega16 The results showed that the control circuit and controlling program were able to control the cooling fan conform to the operating temperature of the engine, and the control program was able to set the fan’s control threshold according to the required stable working temperatures of different types of automobile engines Ngày nhận bài: 10/8/2018 Ngày nhận sửa: 05/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 ĐẶT VẤN ĐỀ Trên ô tô đời sử dụng quạt làm mát cho động dẫn động động điện chiều Để điều khiển động điện dẫn động quạt làm mát ô tô thường dùng HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V – VCME 2018 ECU Tuy nhiên nước chưa có cơng bố mô mạch điều khiển quạt làm mát động ô tô dùng ECU hướng ứng dụng phần mềm Proteus Codevisionavr Ở nước số nghiên cứu [8-9] tiến hành xây dựng mơ hình điều khiển hệ thống làm mát dạng toán học dùng phần mềm matlab simulink, phương pháp tốt nhiên yêu cầu vi điều khiển có tốc độ cấu hình cao dẫn đến chi phí nghiên cứu chế tạo điều khiển lớn Do nghiên cứu khơng dùng phương pháp Làm tiền đề cho việc nghiên cứu thiết kế chế tạo ECU điều khiển quạt làm mát động tơ với thuật tốn chương trình điều khiển khơng cần q nặng tốn học mà đảm bảo xác chi phí nghiên cứu thiết kế chế tạo nhỏ công bố nghiên cứu Bài báo trình bày nghiên cứu mơ mạch điều khiển, thuật tốn điều khiển chương trình điều khiển quạt làm mát dùng ECU phần mềm Proteus codevisionavr Thông số nhiệt độ làm việc ổn định động ô tô nghiên cứu sử dụng động D4BB MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN QUẠT LÀM MÁT DÙNG ECU Sơ đồ mô mạch điều khiển quạt làm mát dùng ECU thực phần mềm Proteus [7] (Hình 1) Mạch điều khiển quạt làm mát sử dụng vi điều khiển Atmega16 [1] Cảm biến đo nhiệt độ động sử dụng loại LM35 [4] +5V LCD1 LM35 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 RS RW E VSS VDD VEE 74.6 10 11 12 13 14 RS RW E D4 D5 D6 D7 VOUT ADC0 U1 13 12 ADC0 40 39 38 37 36 35 34 33 RESET PC0/SCL PC1/SDA PC2/TCK PC3/TMS PC4/TDO PC5/TDI PC6/TOSC1 PC7/TOSC2 XTAL1 XTAL2 PA0/ADC0 PA1/ADC1 PA2/ADC2 PA3/ADC3 PA4/ADC4 PA5/ADC5 PA6/ADC6 PA7/ADC7 PD0/RXD PD1/TXD PD2/INT0 PD3/INT1 PD4/OC1B PD5/OC1A PD6/ICP1 PD7/OC2 PB0/T0/XCK PB1/T1 PB2/AIN0/INT2 PB3/AIN1/OC0 PB4/SS PB5/MOSI PB6/MISO PB7/SCK AREF AVCC 22 23 24 25 26 27 28 29 RS RW E 14 15 16 17 18 19 20 21 PD0 D4 D5 D6 D7 +12V MOTOR FAN SW1 T1 0.00 PD0 R1 +5V 32 30 ATMEGA16 Hình Sơ đồ hệ thống điều khiển quạt làm mát dùng ECU nhiệt độ động nhỏ nhiệt độ làm việc ổn định LCD1- Màn hình hiển thị; Atmega16- Vi điều khiển (ECU); LM35- Cảm biến nhiệt độ; SW1- Khóa điện; Motor fan- Động điện dẫn động quạt làm mát; T1- Transistor; +5V- Nguồn chiều V; +12V- Nguồn chiều 12 V; R1- Điện trở HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V – VCME 2018 Trong điều khiển tự động nói chung sử dụng nhiều loại vi điều khiển khác như: Atmega8, Atmega16, Atmega32, Atmega64, Atmega128, Atmega1280, MSP430C1101, MSP430C1111, Pic16f1516, Pic16f1517 Mỗi loại vi điều khiển có ưu nhược điểm riêng, tùy theo ứng dụng điều khiển mà lựa chọn cho phù hợp Trong nghiên cứu vi điều khiển chọn Atmega16, dòng vi điều khiển bit, thơng số vi điều khiển Atmega16 thể Bảng [1] Đây loại vi điều điều khiển có tần số làm việc tối đa 16 MHz, có tích hợp cổng ADC dùng để đọc tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ LM35 gửi về, đồng thời vi điều khiển có sẵn thị trường Việt Nam, giá thành phù hợp cho bước nghiên cứu thiết kế chế tạo điều khiển quạt làm mát động ô tơ dùng ECU với chi phí nhỏ mà đảm báo tính xác q trình điều khiển Bảng Các thơng số vi điều khiển Atmega16 Thông số Giá trị Điện áp làm việc Tần số làm việc Số chân loại PDIP Số chân I/O Số kênh ADC 10 bit Số kênh PWM Số kênh time bit Số kênh time 16 bit Bộ nhớ chương trình flash Bộ nhớ EEPROM Bộ nhớ SRAM 4,5 ÷ 5,5 V ÷ 16 MHz 40 32 16 K bytes 512 bytes K byte Để đo nhiệt độ dung dịch nói chung sử dụng nhiều loại cảm biến nhiệt độ khác như: LM35, PT100, SHT10, SHT11, SHT15, SHT21, SHT25, SHT71, SHT75, TCB, TCE, TCJ, TCK, TCN, TCR, TCS, TCT Tùy theo yêu cầu độ xác, dải đo chi phí mà lựa chọn cho phù hợp Trong nghiên cứu lựa chọn cảm biến nhiệt độ LM35 độ xác, dải đo cảm biến phù hợp, đồng thời cảm biến có sẵn thị trường Việt Nam với giá thành thấp Một số thông số cảm biến LM35 giới thiệu Bảng Bảng Thơng số cảm biến nhiệt độ LM35 [4] Thơng số Dải đo Độ xác Dòng tiêu thụ Điện áp nguồn Giá trị o -55 ữ 150 C 0,5 oC < 60 àA ÷ 30 V Để điều khiển cấp dòng cho động điện chiều dùng nhiều loại Transistor công suất khác như: 2N6547, 2N6545, 2N6609, 2N1711, 2N1893, 2N2219, 2SA1085, 2SA715 Tùy theo yêu cầu công suất chi phí mà lựa chọn cho phù hợp Trong nghiên cứu lựa chọn Transistor T1 loại 2N6547 [10] có cơng suất, điện áp chi phí phù hợp đồng thời có sẵn thị trường Việt Nam Transistor T1 dùng để điều khiển cấp dòng cho động điện dẫn động quạt làm mát Các thông số transistor 2N6547 thể Bảng HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Bảng Các thơng số Transistor 2N6547 Thơng số Cơng suất lớn Dịng điện lớn cực C Dòng điện lớn cực B Dải nhiệt độ làm việc Giá trị 175 W 30 A 20 A -65 ÷ 200 oC THUẬT TỐN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 3.1 Thuật tốn điều khiển Thuật tốn điều khiển biểu diễn phương pháp sau: - Ngôn ngữ tự nhiên: cách biểu diễn thuật tốn theo ngơn ngữ tự nhiên, người ta sử dụng ngôn ngữ thường ngày để liệt kê bước thuật toán Phương pháp biểu diễn khơng u cầu người viết thuật tốn người đọc thuật toán phải nắm quy tắc Tuy vậy, cách biểu diễn thường dài dịng, khơng thể rõ cấu trúc thuật tốn, đơi lúc gây hiểu lầm khó hiểu cho người đọc Gần khơng có quy tắc cố định việc thể thuật tốn ngơn ngữ tự nhiên - Mã giả (pseudo-code): thể thuật toán mã giả, người viết vay mượn cú pháp ngơn ngữ lập trình để thể thuật toán Tất nhiên mã giả thường dùng kết hợp phần ngôn ngữ tự nhiên Một vay mượn cú pháp khái niệm ngơn ngữ lập trình chắn mã giả bị phụ thuộc vào ngơn ngữ lập trình - Lưu đồ hay sơ đồ khối (flowchart): lưu đồ hay sơ đồ khối công cụ trực quan để diễn đạt thuật toán Biểu diễn thuật toán lưu đồ giúp người đọc theo dõi phân cấp trường hợp trình xử lý thuật toán Phương pháp lưu đồ thường dùng thuật tốn có tính rắc rối, khó theo dõi trình xử lý Phương pháp dùng nhiều nghiên cứu chuyên điều khiển [2-3, 5] Trên sở phân tích đặc điểm phương pháp biểu diễn thuật tốn điều khiển trên, nghiên cứu lựa chọn phương pháp biểu diễn thuật toán điều khiển flowchart, phương pháp số đông nhà nghiên cứu chuyên sâu điều khiển thường sử dụng để công bố nghiên cứu Đồng thời phương pháp phù hợp với việc biểu diễn thuật toán điều khiển phức tạp tơ nói chung thuật tốn điều khiển hệ thống động tơ nói riêng Thuật tốn điều khiển quạt làm mát động tơ dạng flowchart thể Hình 2, cụ thể thực theo trình tự sau: - Tính ADC (Analog Digital Converter) hàm đọc giá trị ADC từ cảm biến nhiệt độ động gửi ECU; - Tính điện áp hàm chuyển đổi giá trị ADC thành giá trị điện áp; - Tính nhiệt độ hàm chuyển đổi giá trị điện áp thành giá trị nhiệt độ; - So sánh giá trị nhiệt độ động thực với nhiệt độ ổn định động (nhiệt độ ổn định động lưu nhớ vi điều khiển), nhiệt độ động thực lớn nhiệt độ ổn định động điều khiển động quạt gió quay ngược lại điều khiển động quạt gió dừng; - Q trình tính tốn lặp lại liên tục nhằm điều khiển quạt làm mát xác theo nhiệt độ làm việc động HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Thuật tốn điều khiển 3.2 Chương trình điều khiển Chương trình điều khiển thực phần mềm CodeVisionAVR [6] viết ngơn ngữ lập trình C++ bao gồm số hàm điều khiển sau: + Hàm đọc giá trị ADC từ cảm biến nhiệt độ LM35 gửi ECU: void DocADC0(void) { ADC0= (float)read_adc(0); } + Hàm chuyển đổi giá trị ADC thành tín hiệu điện áp: void DocDienAp(void) { DienAp= (float)ADC0*5/1023; } + Hàm chuyển đổi giá trị điện áp thành tín hiệu nhiệt độ: void DocNhietDo(void) { NhietDo= (float)DienAp*100-0.1; } + Hàm điều khiển động điện quạt làm mát quay: void QuatQuay(void) { PORTD.0=1; } + Hàm điều khiển động điện quạt làm mát dừng: void QuatDung(void) { PORTD.0=1; } + Hàm điều khiển động điện dẫn động quạt làm mát theo tín hiệu nhiệt độ làm việc động D4BB: void DKQuatlammat(void) { if (NhietDo>75) { QuatQuay(); } else {QuatDung(); } } Chương trình điều khiển biên dịch nạp vào ECU điều khiển quạt làm mát phần mềm Proteus KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Đã mô mạch điều khiển quạt làm mát động ô tô dùng ECU phần mềm Proteus, xây dựng thuật tốn điều khiển chương trình điều khiển phần mềm Codevisionavr HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V – VCME 2018 Sau nạp chương trình điều khiển vào vi điều khiển Atmega16 (ECU), kết chảy mô phần mềm Proteus cho thấy: Vi điều khiển tính tốn tín hiệu nhiệt độ từ cảm biến gửi Cụ thể thay đổi nhiệt độ làm việc động khoảng từ 74,5oC ÷ 75,5oC với bước nhẩy 0,1oC, kết nhiệt độ động ô tô, nhiệt độ ECU tính tốn thị hình LCD1, sai lệch nhiệt độ động ô tô nhiệt độ ECU tính tốn thể Bảng Ở nghiên cứu đưa bảng số liệu so sánh nhiệt độ động ô tô thực nhiệt độ mà ECU tính tốn khoảng nhiệt độ xoay quanh nhiệt độ làm việc ổn định động D4BB kể nhằm đánh giá tính xác chức tính tốn tín hiệu nhiệt độ động tín hiệu đầu vào để điều khiển động dẫn động quạt làm mát Kết nhiệt độ động nhiệt độ ECU tính tốn ngồi vùng kể cho kết tượng tự, khuôn khổ báo nên xin phép trình bày nghiên cứu sau Qua Bảng cho thấy sai lệch nhỏ đạt 0,0 oC nhiệt độ động ô tô 74,6oC 75,1oC, sai lệch lớn đạt 0,4oC nhiệt độ động ô tô 74,7oC 75,2oC, sai lệch trung bình đạt 0,2oC Bảng Kết mô nhiệt độ đông ô tô nhiệt độ ECU tính tốn đươc Nhiệt độ động tơ (oC) Nhiệt độ ECU tính tốn (oC) Sai lệch (oC) 74,5 74,6 0,1 74,6 74,6 0,0 74,7 75,1 0,4 74,8 75,1 0,3 74,9 75,1 0,2 75,0 75,1 0,1 75,1 75,1 0,0 75,2 75,6 0,4 75,3 75,6 0,3 75,4 75,6 0,2 75,5 75,6 0,1 Hiển thị giá trị nhiệt độ làm việc động ô tô mà ECU tính tốn hình LCD1 với sai lệch trình bày (Bảng 4) Điều khiển quạt làm mát động làm việc theo tín hiệu nhiệt độ làm việc động Cụ thể động D4BB dùng ô tơ có nhiệt độ làm việc ổn định 75oC (nhiệt độ làm việc ổn định thay đổi cho phù hợp với loại động ô tơ khác nhau), tín hiệu nhiệt độ làm việc ổn định động đưa vào hàm điều kiện điều khiển động dẫn động quạt làm mát chương trình điều khiển Kết chạy mơ hình mô cho thấy: Khi nhiệt độ động ô tô tăng đến 74,7oC, lúc theo Bảng nhiệt độ ECU tính tốn 75,1oC (nhiệt độ lớn nhiệt độ làm việc ổn định động cơ) ECU xuất tín hiệu vào chân PD0 để điều khiển mở Transiator T1 cho dòng điện từ nguồn +12V qua khóa điện vào động dẫn động quạt làm mát mát, nhờ điều khiển cho quạt làm mát quay (Hình 3) Nhiệt độ động tô tăng lớn 74,7oC, lúc theo Bảng nhiệt độ ECU tính tốn lớn nhiệt độ làm việc ổn định động ECU trì xuất tín hiệu điều khiển quạt làm mát quay +12V MOTOR FAN SW1 T1 PD0 R1 Hình Sơ đồ mạch công suất điều khiển quạt làm mát quay HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V – VCME 2018 Khi nhiệt độ động ô tô giảm 74,6oC lúc theo Bảng nhiệt độ ECU tính toán 74,6oC (nhiệt độ nhỏ nhiệt độ làm việc ổn định động cơ) ECU ngắt tín hiệu đặt vào chân PD0 điều khiển khóa Transistor T1 ngắt dòng điện từ nguồn vào động dẫn động quạt làm mát, quạt làm mát ngừng làm việc (Hình 4) Nhiệt độ động tô giảm nhỏ 74,6oC, lúc theo Bảng nhiệt độ ECU tính tốn nhỏ nhiệt độ làm việc ổn định động ECU trì ngắt tín hiệu điều khiển quạt làm mát ngừng làm việc +12V MOTOR FAN SW1 T1 0.00 R1 PD0 Hình Sơ đồ mạch cơng suất điều khiển quạt làm mát ngừng làm việc Cụ thể, kết chạy mô mạch điều khiển quạt làm động ô tô nhiệt độ động thay đổi khoảng từ 74,5oC ÷ 75,5oC với bước nhảy 0,1oC trạng thái làm việc quạt làm mát thể Bảng Từ Bảng cho thấy có bốn điểm nhiệt độ làm việc động 74,7oC; 74,8oC; 74,9oC 75,0oC sai lệch so với nhiệt độ làm việc ổn định động ô tô 0,3oC; 0,2oC; 0,1oC 0,0oC quạt làm mát quay Sai lệch nhiệt độ lớn 0,3oC chấp nhận nghiên cứu mô thực tế hệ thống làm mát động ô tô Tại điểm nhiệt độ khác bốn điểm nhiệt độ trạng thái làm việc quạt làm mát đáp ứng yêu cầu Bảng Trạng thái làm việc quạt làm mát theo nhiệt độ làm việc động ô tô K- Quạt làm mát không quay; Q- Quạt làm mát quay Nhiệt độ động ô tô (oC) 74,5 74,6 74,7 74,8 74,9 75,0 75,1 75,2 75,3 75,4 75,5 Trạng thái quạt làm mát K K Q Q Q Q Q Q Q Q Q KẾT LUẬN ECU tính tốn nhiệt độ động với sai lệch không 0,4 oC Sai lệch chấp nhận nghiên cứu mô nghiên cứu thực nghiệm điều khiển hệ thống làm mát động đôt dùng ô tô Điều khiển quạt làm mát động làm việc theo tín hiệu nhiệt độ làm việc động với sai lệch nhiệt độ làm việc đông ô tô với nhiệt độ làm việc ổn định động không 0,3 oC Sai lệch chấp nhận nghiên cứu mơ nghiên cứu thực nghiệm điều khiển hệ thống làm mát động đôt dùng ô tơ Chương trình điều khiển cho phép đặt ngưỡng nhiệt độ làm việc ổn định phù hợp với loại động khác có cơng suất quạt làm mát nhỏ 175 W mà thay đổi phần cứng mạch điều khiển cách thay giá trị nhiệt độ làm việc ổn định động hàm điều khiển động điện dẫn động quạt làm mát theo tín hiệu nhiệt độ làm việc động trình bày mục 3.2 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V – VCME 2018 Mơ hình mô sở cho việc nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch điều khiển quạt làm mát dùng ECU thường sử dụng ô tô đời DANH MỤC DANH PHÁP/KÝ HIỆU ADC Atmega16 CodevisionAVR ECU LCD LM 35 Motor Proteus T1 Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số Vi điều khiển Phần mềm viết chương trình điều khiển Bộ điều khiển (Engine Control Unit) Màn hình tinh thể lỏng (Liquid Crystal Display) Cảm biến nhiệt độ Động điện chiều Phần mềm mô mạch Transistor TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Atmel (2002), ATmega16, Atmel [2] J david Irwin Bogdan M Wilamowski (2011), Power electronics and motor drives, CRC Press – Taylor and Francis Group, LLC [3] Roland S Burns (2001), Advanced Control Engineering, Butterworth Heinemann [4] National Semiconductor Corporation (2000), LM35, National Semiconductor Corporation [5] Bert van Dam (2008), Microcontroller Systems Engineering – 45 projects for PIC, AYR and ARM, Elektor International Media BV [6] Hpinfotech (2018), Software CodeVisionAVR, truy cập ngày 26-04-2018, trang web http://www.hpinfotech.ro/cvavr_download.html [7] Labcenter (2018), Proteus software, truy cập ngày 26-04-2018, trang web https://www.labcenter.com/ [8] Caroline Palm (2016), Real Time Modeling of Engine Coolant Temperature In Engine with Double Cooling Circuits at Two Temperature Levels, Chalmers University of Technology [9] Robert Prabel Saif S Butt, Harald Aschemann (2015), “Robust Nonlinear Control of an Innovative Engine Cooling System”, IFAC-PapersOnLine [10] ST (2001), 2N6547 High power NPN silicon transistor, ST … codevisionavr Thông số nhiệt độ làm việc ổn định động ô tô nghiên cứu sử dụng động D4BB MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN QUẠT LÀM MÁT DÙNG ECU Sơ đồ mô mạch điều khiển quạt làm mát dùng ECU thực phần mềm… đồ mạch cơng suất điều khiển quạt làm mát ngừng làm việc Cụ thể, kết chạy mô mạch điều khiển quạt làm động ô tô nhiệt độ động thay đổi khoảng từ 74,5oC ÷ 75,5oC với bước nhảy 0,1oC trạng thái làm. .. dùng ô tô Điều khiển quạt làm mát động làm việc theo tín hiệu nhiệt độ làm việc động với sai lệch nhiệt độ làm việc đông ô tô với nhiệt độ làm việc ổn định động không 0,3 oC Sai lệch chấp nhận nghiên

– Xem thêm –

Xem thêm: Nghiên cứu mô phỏng mạch điều khiển quạt làm mát động cơ ô tô sử dụng ECU,

Xem thêm: Sửa Tủ Mát Tại Huyện Thanh Trì

Source: https://suachuatulanh.org
Category : Sửa Tủ Mát