Tài liệu THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI Ô TÔ KẾT NỐI MÁY TÍNH PHỤC VỤ ĐÀO TẠO

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU ÑAØO TAÏO SAU ÑAÏI HOÏC THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI Ô TÔ KẾT NỐI MÁY TÍNH PHỤC VỤ ĐÀO TẠO DESIGNING, MANUFACTURING A MODEL OF AUTOMOTIVE STEERING SYSTEM, WHICH IS LINKED WITH COMPUTER TO SERVE THE TRAINING WORK Mạc Tiến Hưng1, Phùng Minh Lộc2 Ngày nhận bài: 08/4/2015; Ngày phản biện thông qua: 22/4/2015; Ngày duyệt đăng: 15/9/2015 TÓM TẮT Bài báo này giới thiệu nội dung chính về thực hành hệ thống lái phổ biến trên ô tô thế hệ mới, từ đó làm cơ sở thiết kế và chế tạo mô hình, gồm 2 phần: Phần 1: Mô hình, phục vụ thực hành cấu tạo và nguyên lý hoạt động; Phần 2: Kết nối với máy tính, phục vụ nội dung vận hành và báo lỗi thường gặp của hệ thống. Sản phẩm đã được thử nghiệm tại Khoa Kỹ thuật giao thông, đáp ứng nhiệm vụ thiết kế đặt ra. Từ khoá: Mô hình hệ thống lái ô tô, trợ lực điện ABSTRACT This newspaper presents the main content about pratice of popular steering system of the car in new generation, that is the basis to design and manufacture this model, it includes two parts: - The first part: The model, which serves the practising composition and principle of operation. - The second part: The computer linking, which serves about pratice of control and informing the errors of system which often happen. This product was experimented at the faculty of transportation engineering, which met the missions that are required by designing. Keywords: The model of the automotive steering system, electrical assistance I. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngành công nghệ ô tô hiện nay phát triển rất nhanh, đặc biệt là các hệ thống điều khiển cơ khí, thủy lực, khí nén… được thay thế điều khiển bằng điện. Trong đó, hệ thống lái ô tô trợ lực điện (Electric Power Steering – EPS) là một trong những hệ thống đang được ứng dụng trên hầu hết các hãng xe trên thế giới, như: Toyota, Kia, Honda, Ford, Mitsubishi, BMW, Lexus … Hệ thống lái ô tô trợ lực bằng điện làm việc trên cơ sở phụ thuộc năng lượng của ắc quy, thực hiện các chức năng trợ lực thông thường nhưng có nhiều ưu điểm nổi bật so với các hệ thống lái trợ lực truyền thống trước đây. Do tính hiện đại, đồng bộ và giá thành cao nên sinh viên hầu như không có điều kiện tiếp cận thực hành trên hệ thống thực trên xe. 1 2 Một số trường đại học và cơ sở sản xuất đồ dùng dạy học trong nước cũng đã chú tâm chế tạo mô hình hệ thống lái phục vụ đào tạo như: Nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống lái không trục lái [1], Nghiên cứu thiết kế chế tạo ECU điều khiển trợ lực lái điện [2]… Các mô hình này thiếu một số chức năng cần thiết để học tập và nghiên cứu trên mô hình, như không quan sát được các chế độ hoạt động của hệ thống, không đo kiểm được một số thông số cơ bản… Thực tế đó đòi hỏi cấp thiết cần phải chế tạo mô hình phục vụ đào tạo, mô hình này phải có khả năng thông báo các thông số khi vận hành và báo lỗi tương thích với hệ thống lái trợ lực điện thực. Mạc Tiến Hưng: Cao học Kỹ thuật giao thông 2012 – Trường Đại học Nha Trang TS. Phùng Minh Lộc: Khoa Kỹ thuật giao thông – Trường Đại học Nha Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 109 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu: 1.1. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình hệ thống lái ô tô trợ lực điện có thể vận hành ở các chế độ hoạt động, tạo được các pan thông dụng tương đồng với thực tế, phục vụ công tác đào tạo; - Thiết kế mạch giao tiếp, mạch điều khiển, viết chương trình giao tiếp giữa mô hình và máy vi tính, giúp cho giáo viên và sinh viên có thể trực tiếp quan sát sự hoạt động của hệ thống qua dữ liệu hiển thị trên màn hình. 1.2. Đối tượng nghiên cứu - Hệ thống lái ô tô trợ lực điện; - Mô hình giảng dạy hệ thống lái trợ lực điện có giao tiếp máy tính thông qua ngôn ngữ lập trình Visual Basic; - Nghiên cứu ứng dụng ngôn ngữ lập trình Visual Basic. 2. Phương pháp nghiên cứu: - Lý thuyết: Hệ thống lái ô tô trợ lực điện; Vi điều khiển hệ thống; Ngôn ngữ lập trình Visual Basic... Số 3/2015 - Thực nghiệm: Chế tạo, thử nghiệm mô hình hệ thống lái có kế nối máy tính. III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 1. Các bài thực hành hệ thống lái ô tô - Bài 1: Cấu tạo, nguyên lý làm việc và vận hành hệ thống lái ô tô trợ lực điện Sinh viên tìm hiểu cấu tạo của hệ thống thông qua việc quan sát cách bố trí các phần tử trong hệ thống lái trên mô hình: Động cơ điện DC trợ lực, cảm biến mô men xoắn, ECU-EPS, đèn báo EPS; Các bộ phận truyền lực trung gian từ vành tay lái đến trục lái, cac đăng và cơ cấu lái, bộ phận giảm tốc từ động cơ trợ lực đến trục lái hoặc cơ cấu lái. Mục vận hành được thiết kế thể hiện 2 trường hợp: có trợ lực lái và không có trợ lực lái - Bài 2: Báo lỗi một số hư hỏng thường gặp. Mô hình thiết kế có thể tạo ra các Pan do lỗi thường gặp tương tự thực tế từ thiết bị điện điều khiển bộ phận trợ lực lái 2. Thiết kế, chế tạo mô hình Hình 1 là Sơ đồ khối của mô hình hệ thống lái ô tô trợ lực điện thiết kế Hình 1. Sơ đồ khối mô hình hệ thống Các chi tiết linh kiện chính sẽ sử dụng các thiết bị có sẵn trên thị trường nhằm mục đích thể hiện trực quan, chính xác cấu tạo của hệ thống lái trợ lực điện. Theo đó, các thiết bị được lựa chọn bao gồm: cảm biến vành tay lái, động cơ điện trợ lực, cơ cấu lái và dẫn động lái. Để mô tả nguyên lý làm việc, tác giả tự chế tạo phần điều khiển cho hệ thống, bao gồm: mạch điều khiển trung tâm, mô đun nhận tín hiệu từ các cảm biến, giao diện công suất cho động cơ điện trợ lực. Ngoài ra, để khảo sát rõ đặc điểm làm việc của hệ thống một cách sinh động hơn, mô hình đã xây dựng mạch giao tiếp và phần mềm trên máy tính. Hệ thống lái trợ lực điện của dòng xe Toyota Vios được chọn cho việc chế tạo mô hình. Sau khi chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh, phần cơ - điện của mô hình biểu thị trên hình 2. 110 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Hình 2. Mô hình đã chế tạo 1- Khung mô hình; 2- Hệ thống lái trợ lực điện; 3- Cơ cấu lái; 4- Dẫn động lái; 5- Bộ tạo mô men cản; 6- Các Board mạch điều khiển và kết nối máy tính. Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản 3. Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển và kết nối máy tính 3.1. Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển của mô hình: Nhiệm vụ thiết kế mạch điều khiển bao gồm thiết kế các mô đun đầu vào, đầu ra và mạch xử lí trung tâm. Các mô đun đầu vào bao gồm: mô đun nhận tín hiệu hồi về từ cảm biến, mô đun mô phỏng tín hiệu tốc độ; Các mô đun đầu ra bao gồm: mô đun hiển thị, mô đun giao tiếp máy tính, mô đun điều khiển động cơ trợ lực. Ngoài ra, trong mạch điều Số 3/2015 khiển còn có các bộ phận giao tiếp như: nút nhấn, công tắc, đèn tín hiệu, … 3.2. Mạch tạo tín hiệu cảm biến tốc độ xe: Trong thực tế, tín hiệu tốc độ xe gửi về ECU–EPS theo dạng xung vuông [5]. Tuy nhiên, với mô hình hệ thống lái trợ lực không có xung tốc độ hồi về như trong thực tế. Vì vậy, ta phải giả lập tín hiệu tốc độ này bằng cách sử dụng một cảm biến kiểu biến trở, giá trị cảm biến sẽ thay đổi khi ta thay đổi vị trí của volume điều chỉnh. Dưới đây là mạch giả lập tín hiệu tốc độ xe (hình 3): Hình 3. Mạch giả lập tín hiệu tốc độ xe 3.3. Thiết kế mạch giao tiếp máy tính: Căn cứ vào yêu cầu của hệ thống đo, tác giả lựa chọn phương thức giao tiếp nối tiếp sử dụng Vi mạch Max232 [3]. Dưới đây là sơ đồ nối dây mạch giao tiếp sử dụng vi mạch MAX232 (hình 4): Hình 4. Mạch giao tiếp máy tính Thành phần chính trong sơ đồ trên là vi mạch đơn giản nhất là chỉ dùng ba đường dẫn TxD, RxD Max232, một vi mạch chuyên dùng trong giao diện và GND (mass). Các chân RxIN được kết nối với nối tiếp với máy tính. Chúng có nhiệm vụ chuyển máy tính để nhận dữ liệu về vi mạch Max232, sau khi đổi mức TTL ở lối vào thành mức +10V hoặc –10V chuyển đổi thành mức TTL vi mạch sẽ xuất tín hiệu ở phía truyền và các mức +3…+15V hoặc -3…-15V TTL qua các đường TxIN cho vi điều khiển. Ngược thành mức TTL ở phía nhận. lại khi truyền dữ liệu từ vi điều khiển về máy tính, vi Vi mạch MAX232 có hai bộ đệm truyền và hai bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu ở mức TTL đến các chân nhận. Trong các ứng dụng truyền thông không quá RxOUT vi mạch Max232 sẽ chuyển tín hiệu lên mức phức tạp như trong ứng dụng này thì cách truyền dữ liệu cao để chuyển đến máy tính qua các chân TxOUT. TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 111 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Để tương thích với các cổng COM có sẵn trên máy tính, sử dụng các đầu cắm tín hiệu loại DB-9 ( 9 chân) các cổng nối tiếp theo chuẩn RS-232C cho máy tính PC. Các đầu cắm nối tiếp trên hộp máy PC bao giờ cũng là loại đầu cắm đực (male), đầu cắm cáp nối ra thiết bị ngoại vi là đầu cắm cái (female). 3.4. Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển trung tâm: Mạch điều khiển trung tâm có nhiệm vụ nhận tín hiệu hồi về từ cảm biến mô men xoắn, cảm biến tốc độ xe; chuyển đổi, tính toán, phân tích và xuất các tín hiệu điều khiển cho động cơ trợ lực. Để đảm bảo khả năng điều khiển mềm dẻo của hệ thống, tác giả lựa chọn phương án xây dựng bộ xử lí trung tâm bằng vi điều khiển ATMEGA16 [4] Dưới đây là board mạch điều khiển sau khi chế tạo (hình 5). Số 3/2015 Hình 5. Board mạch điều khiển sau khi chế tạo 3.5. Kết nối máy tính: Tác giả chọn ngôn ngữ Visual Basic để xây dựng phần mềm kết nối máy tính. Sau khi viết chương trình với ngôn ngữ Visual Basic 6.0, giao diện chính của chương trình trên màn hình biểu thị trên hình 6. Hình 6. Giao diện chính của chương trình trên màn hình 4. Thử nghiệm mô hình và thảo luận kết quả: Sau khi chế tạo, lắp ráp và kết nối máy tính hoàn chỉnh, các chi tiết trên bảng điều khiển của mô hình đã hoạt động đúng chức năng như đã thiết kế như sau: 4.1. Màn hình hiển thị LCD: được biểu thị trên hình 7 Cho phép người sử dụng theo dõi diễn biến của quá trình hệ thống trợ lực lái làm việc. Màn hình LCD cho phép quan sát các thông số sau: - Dòng 1: hiển thị giá trị điện áp hồi về từ hai cảm biến mômen lái dưới dạng điện áp. - Dòng 2: bên trái cho phép người sử dụng quan sát giá trị của mômen lái được chuyển đổi về đơn vị Nm; bên phải của dòng này người sử dụng có thể quan sát được trạng thái hiện thời của quá trình đánh lái: + Vô lăng lái đang tự do, không có tác động quay lái: không hiển thị. + Vô lăng quay trái: hiển thị “Left”. 112 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG + Vô lăng quay phải: hiển thị “Right”. - Dòng 3: hiển thị giá trị mô phỏng của vận tốc xe với đơn vị Km/h. - Dòng 4: hiển thị độ lớn của dòng điện trợ lực với đơn vị Ampe (A). Khi không có trợ lực thì dòng này hiển thị “Not Suppo” (không trợ lực). Hình 7. Hiển thị của màn hình LCD khi hệ thống không quay lái 4.2. Các lựa chọn trên bảng điều khiển: biểu thị trên hình 8 Trên bảng điều khiển của mô hình có các lựa chọn sau: Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 Hình 8. Các lựa chọn trên Panel điều khiển 4.3. Kết quả thử nghiệm mô hình: - Trường hợp 1: Xe đứng yên, không có hỗ trợ trợ lực khi đánh lái, thay đổi tải từ dẫn động lái lên vành tay lái. Bảng 1. Dữ liệu biểu bảng đã xuất sang excel trường hợp 1 STT Hướng quay lái Momen lái Tốc độ xe Dòng điện trợ lực Thời gian 116 117 … 146 147 Quay phải Quay phải 4.12 3.44 0 0 0 0 9:47:39 PM 9:47:39 PM Quay trái Quay trái -4.09 -3.9 0 0 0 0 9:47:42 PM 9:47:42 PM - Trường hợp 2: Xe đứng yên, có hỗ trợ trợ lực khi đánh lái, không gây tải từ dẫn động lái lên vành tay lái. Bảng 2. Dữ liệu biểu bảng đã xuất sang excel trường hợp 2 STT Hướng quay lái Momen lái Tốc độ xe Dòng điện trợ lực Thời gian 30 31 … 70 71 Quay phải Quay phải 0.37 1.6 0 0 17.4 17.4 9:57:19 PM 9:57:19 PM Quay trái Quay trái -1.65 -0.4 0 0 -13.4 -13.4 9:57:24 PM 9:57:24 PM - Trường hợp 3: Xe đứng yên, có hỗ trợ trợ lực khi đánh lái, thay đổi tải từ dẫn động lái lên vành tay lái Bảng 3. Dữ liệu biểu bảng đã xuất sang excel trường hợp 3 STT Hướng quay lái Momen lái Tốc độ xe Dòng điện trợ lực Thời gian 57 58 … 206 207 Quay phải Quay phải 2.98 0.21 0 0 19.7 19.7 9:51:11 PM 9:51:11 PM Quay trái Quay trái -1.7 -2.71 0 0 -22 -22 9:51:31 PM 9:51:31 PM - Trường hợp 4: Có hỗ trợ trợ lực khi đánh lái, vừa thay đổi tải vừa thay đổi tốc độ xe Bảng 4. Dữ liệu biểu bảng đã xuất sang excel trường hợp 4 STT Hướng quay lái Momen lái Tốc độ xe Dòng điện trợ lực Thời gian 42 43 … 103 104 Quay phải Quay phải 0.24 1.79 200 200 16.9 16.9 9:54:30 PM 9:54:31 PM Quay trái Quay trái -2.6 -0.81 200 200 -16.7 -16.7 9:54:38 PM 9:54:38 PM TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 113 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 Nhận xét: IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - Mô hình làm việc đúng theo yêu cầu đã đặt 1. Kết luận: các công việc đã làm được gồm có: - Mô hình được thiết kế hoàn chỉnh dựa trên cơ sở các thiết bị xe Toyota Vios, sản xuất năm 2007. - Mô hình được giao tiếp với máy tính làm tăng tính trực quan và tạo ra hưng phấn cho người học. Tuy nhiên, nghiên cứu này cũng còn một số hạn chế: các pan hư hỏng trên mô hình để phục vụ cho công tác giảng dạy chưa nhiều; bộ tạo mô men cản quay vòng chưa tạo được giá trị mô men cản tương đồng với thực tế trong quá trình hoạt động. ra, thể hiện đầy đủ các thông số cơ bản phản ánh khách quan quá trình làm việc của hệ thống. - Phản ánh rõ ràng sự thay đổi của mô men lái khi thay đổi tải tác động từ dẫn động lái lên vành tay lái. Khi tăng tải tác động thì mô men đánh lái cũng tăng dần. - Quá trình làm việc khi có sự hỗ trợ của động cơ trợ lực và không trợ lực có thể quan sát rõ ràng trên màn hình LCD hoặc khi so sánh trên phần mềm máy tính. Khi có trợ lực thì mô men lái giảm rõ rệt và lực quay lái nhẹ. - Sự ảnh hưởng của tốc độ xe cũng được thể hiện rõ trên các thiết bị hiển thị, khi tốc độ xe tăng thì mô men đánh lái cũng giảm theo sự tăng của tốc độ xe. 2. Kiến nghị: Trên cơ sở những hạn chế của việc nghiên cứu này, do đó hướng phát triển của việc nghiên cứu về sau sẽ tập trung giải quyết các vấn đề đó hoàn thiện hơn, cụ thể là: - Phát triển thêm 1 số pan để cung cấp nhiều thông tin hơn. - Mômen cản tác động từ dẫn động lái lên vành tay lái còn nhỏ, kiến nghị lắp thêm mômen cản. TÀI LIỆU THAM KHẢO: 1. Trần Văn Lợi (2010), Nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống lái không trục lái. 2. Lê Thanh Nhàn (2008), Thiết kế hộp ECU điều khiển hệ thống lái trợ lực điện. 3. Ngô Diên Tập (2003), Kỹ Thuật Vi Điều Khiển Với AVR, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội. 4. Datasheet of AVR 8-bit Microcontroller ATMEGA 16. 5. Toyota (2009), Toyota service training. 114 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG