TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
KHOA CƠ KHÍ-BỘ MÔN CƠ KHÍ Ô TÔ
BÀI GIẢNG
CÁC HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ
PGS.TS. Đào Mạnh Hùng
Ths. Đỗ Khắc Sơn
HÀ NỘI 2012
CHƯƠNG1. KHÁI QUÁT V
Ề HỆ THỐNG
CƠ ĐI
ỆN TỬ TR
ÊN Ô TÔ
11. KHÁI NI
ỆM
Hệ thống cơ điện tử là thiết bị công nghệ cơ khí điều khiển tự động bởi thiết
bị điện tử => Thiết bị công nghệ cơ khí + bộ điều khiển tự động bằng điện tử.
Thiết bị công nghệ cơ khí + bộ điều khiển tự động.
Các thành ph
ần của hệ thống cơ điện tử
1. Thiết bị công nghệ cơ khí:
Đây chính là cơ cấu máy công tác, thực hiện các thao tác của quá trình công
nghệ.
2. Cảm biến (sensor)
Là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ dạng này qua dạng khác, được dùng để
xác định giá trị các đại lượng vật lý. Ví dụ cảm biến vận tốc, cảm biến gia
tốc, cảm biến ứng suất, cảm biến áp suất, cảm biến lưu lượng…
3. Cơ cấu chấp hành (actuator)
Đây là thiết bị nhận nguồn năng lượng từ bên ngoài và tác động vào thiết bị
công nghệ trên cơ sở tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển. Trong các hệ
thống cơ điện tử thường gặp ba loại cơ cấu chấp hành là công tắc, động cơ
(điện) tịnh tiến và động cơ (điện)quay.

bánh xe bị trượt quay.
Trên những đường trơn trượt, tải động cơ ảnh hưởng lớn đến sự quay
thân xe khi tăng tốc. Khi bánh xe đ
ã b
ị trượt dọc, khả năng bám ngang giảm
đi rất nhiều, tức là mất khả năng điều khiển hướng.
TCS giúp ô tô có duy trì khả năng điều khiển hướng của ô tô khi tăng
tốc và giúp tăng khả năng động lực học vì duy trì
đư
ợc độ trượt trong phạm
vi tốt nhất (đặc biết là với những loại xe có tính năng động lực học cao như
xe đua) và có tác dụng như bộ vi sai hạn chế trượt.
Hệ thống điều khiển quá trình động lực học ô tô VDC (Vehicle
Dynamics Control) được giới thiệu trên ô tô vào cuối những năm 1990. Lúc
bấy giờ, hệ thống này làm việc tương tự như TCS nhưng có thêm cảm biến
quay thân xe và cảm biến gia tốc ngang. Hệ thống thực hiện điều chỉnh lực
kéo tại các bánh xe và tốc độ ô tô để tối thiểu hóa sự sai lệch hướng chuyển
động của ô tô và hướng của các bánh xe dẫn hướng.
- Hiện nay trên ô tô sử dụng hệ thống điều khiển ổn định của ôtô ESC
(electronic stability control). Nó thực hiện điều chỉnh lựckéo và lực phanh
tại các bánh xe để tránh các hiện tượng quay vòng thừa và quay vòng thiếu.
Trên ô tô hiện nay, các bộ vi xử lý 8, 16 và 32 bít
đư
ợc sử dụng để
hực hiện các chức năng điều khiển khác nhau. Các bộ vi điều khiển với các
bộ nhớ EEPROM/EPROM và nhiều thiết bị chức năng khác như ADC,
PWM, Timer,… được tích hợp trong chip dần được ứng dụng trên ô tô.
Các bộ vi điều khiển loại 32 bit dùng cho điều khiển động cơ, hệ
thống truyền lực, túi khí; loại 16 bit dùng cho ABS, TCS, VDC, hệ thống
điều hòa không khí… và loại 8 bit hiện chỉ dùng để điều khiển ghế, cửa,

ABS: H
ệ thống phanh chống bó cứng.
TEMS: H
ệ thống treo điều khiển điện tử
TRC: H
ệ thống chống trượt bánh xe.
ECU Động cơ
H
Ệ THỐNG
CƠ ĐI
ỆN TỬ TRÊN Ô TÔ
A/C: H
ệ thống điều ho
à không khí.
1.3.1. CH
ỨC NĂNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
Ch
ức năng của hệ thố
ng đi
ều khiển động cơ bao gồm EFI, ESA, ISC.
Chúng đi
ều khiển các tính năng cơ bản của động cơ, chức năng chẩn đoán, và
ch
ức năng dự phòng và an toàn. Chức năng dự phòng, an toàn chỉ hoạt động khi
có s
ự cố trong hệ thống điều khiển. Ngo
ài ra, còn có các th
i
ết bị điều khiển phụ
trên đ

ơ (NE)
Tăng tốc/ Giảm tốc (VTA)
Nhi
ệt độ nước làm mát (THW)
Nhi
ệt độ khí nạp (THA)
Nhiên
liệu
Các
cảm
biến
ECU
ĐC
Vòi phun
ECU s
ử dụn
g các tín hi
ệu n
ày để xác định khoảng thời gian phun cần thiết
nh
ằm đạt được hoà khí với tỉ lệ tối ưu phù hợp từng điều kiện hoạt động của động
cơ.
b. ESA: (đánh l
ửa sớm điện tử)
ECU đư
ợc lập tr
ình với số liệu đảm bảo thời điểm đánh lửa tối ưu ở mọi
ch
ế
đ

ều ho
à không bật hay tắt
(A/C)
Các c
ảm bíên truyền tín hiệu
đ
ến ECU, nó sẽ điều khiển dòng khí
b
ằng van ISC, qua đường khí phụ
và
đi
ều chỉnh tốc đọ không tải đén giá
tr
ị
tiêu chu
ẩn.
d. Các ch
ức năng
Bug
i
B
ộ chia điện
Cu
ộn đánh lửa v
à IC đánh
l
ửa
ECU
đ
ộng cơ

ày
v
ẫn tiếp tục điều khiển việc phun nhi
ên liệu và thời điểm đánh lửa.
1.3.2 M
ẠCH CẤP NGUỒN
M
ạch này cấp nguồn điện cho ECU động cơ, bao gồm : khoá đ
i
ện và Rơle
EFI chính.
Phân lo
ại mạch cấp nguồn:
Dòng
đi
ện chạy trự
c ti
ếp từ khoá điện đến cuộn dây của R
ơle EFI chính để
kích ho
ạt R
ơle (không sử dụng môtơ bước trong van điều khiển ISC).
ECU động cơ trực tiếp kích hoạt Rowle EFI chính ( sử dụng mô tơ bước
trong van điều khiển ISC)
a. Đ
ộng cơ không có van ISC loại môtơ bước
Hình : Mạch điện động cơ không có van ISC loại môtơ bước
Khi khoá đi
ện bật ON, dòng điện đến cuộn dây Rơle EFI chính làm tiếp
đi

ữ liệu trong bộ nhớ trong ECU động cơ.
Hình : M
ạch điện động c
ơ van ISC loại môtơ bước (chỉ một số kiểu xe)
c. M
ạch VC
T
ừ điện áp ắc quy cấp cho
c
ực +B, +B1, ECU động cơ trích
m
ột điện áp không đổi
5V đ
ể cấp
cho b
ộ vi xử lí theo mạch sau:
Hình: M
ạch VC (chỉ 1 số
kiểu xe)
1.4.XU HƯ
ỚNG PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
Các hệ thống cơ điện tử trên ô tô hiện đang được phát triển theo
hướng hoàn toàn tự động nhằm nâng cao tính năng an toàn, tính thân thiện
với môi trường, tính tiện nghi.
Các hệ thống điều khiển bằng điện và các hệ thống mạng không dây
để truyền thông giữa ô tô với các trung tâm điều độ giao thông và với các ô
tô khác đang được nghiên cứu ứngdụng.
Các hệ thống vi cơ điện MEMS (Micro ElectroMechanical System),
rada sóng ngắn đang được nghiên cứu ứng dụng trên các ô tô và các hệ
thống cơ điện tử trên ô tô ngày càng tinh tế với nhiều chức năng ưu việt.

c
ủa chíp tiếp xúc với áp suất
đư
ờng ống nạp, phía kia tiếp xúc với độ chân không trong buồng chân không.
Áp su
ất đường ống nạp thay đổi làm hình dạng của chíp silicon thay đổi, và
giá trị điện trở cũng dao động theo mức độ biến dạng. Sự dao động của giá trị
đi
ện trở này được chuyển hoá thành tín hiệu điện áp nhờ IC lắp bên trong cảm
bi
ến và sau đó được gửi đến ECU động cơ ở cực PIM dùng làm tín hiệu áp suất
đư
ờng ống nạp. Cực VC của ECU động c
ơ cấp nguồn không đổi 5V đến IC.
Đặc tính của áp suất đường ống nạp và điện áp ra:
Buồng chân không
Chip Silic
Buồng
chân không
Lọc
áp suất đường ống nạp
áp suất đường ống nạp
Điện áp ra
(PIM)
Cảm biến áp suất
đường ống nạp
Đến đường ống nạp
Mạch điện
Áp suất đường ống nạp
kPa (tuyệt đối)

s
ẽ đẩy mở tấm đo cho đến khi lực tác dụng cân bằng với lò xo.
M
ột biến trở được lắp đồng trục với tấm đo, sẽ chuyển hoá lượng khí nạp
thành tín hi
ệu điện áp (VS) đ
ưa đến ECU. Buồng giảm chấn và tấm giảm chấn có
tác dụng ngăn không cho tấm đo rung động khi lượng khí nạp thay đổi đột ngột.
Trên đư
ờng khí tắt có vít chỉnh không tải.
C
ảm biến lưu lượng loại cánh có hai kiểu tín hiệu điện áp: loại VS giảm khi
lư
ợng khí nạp lớn, loại VS tăng khi lượng khí nạp tăng.
Lo
ại 1: ECU động c
ơ cấp điện áp không
đ
ổi 5V đến cực VC của cảm biến
lưu lư
ợng khí nạp. Điện áp ra tại cực VS sẽ báo chính xác góc mở của tấm đo v
à
báo chính xác lư
ợng khí nạp.
Tiêp điểm
trượt
Lò xo
hồi
Cảm biến
nhiệt độ




 2
)2()2(
2
2.2.2. Lo
ại xoáy quang học Karman
C
ảm nhận trực tiếp lượng khí nạp bằng quang học, có kích thước nhỏ gọn,
k
ết cấu đ
ơn giản.
Công tắc bơm nhiên liệu
Góc mở tấm đo
(lượng khí nạp)
Biến trở
Điện áp
Công tắc bơm nhiên liệu
Biến trở
Góc mở tấm đo
(lượng khí nạp)
Điện áp
Điện áp ắc quy
M
ột thanh (bộ tạo xoáy) đặt giữa dòng chảy của k
hông khí sinh ra m
ột
xoáy không khí g
ọi l

ạy qua dây
s
ấy , dây sẽ được làm mát phụ thuộc vào
kh
ối lượng không khí nạp vào. Bằng cách
đi
ều khiển d
òng điện chạy qua dây sấy để
gi
ữ cho nhiệt độ của dây không đổi có thể
đo đư
ợc lượng khí nạp bằng cách đo dòng
đi
ện.
Với: f: tần số xoáy Karman.
V: tốc độ dòng không khí.
d : đường kính của thanh tạo xoáy.
Trong c
ảm biến l
ượ
ng khí n
ạp thực tế, dây sấy đ
ược mắc trong mạch cầu.
M
ạch cầu này có điện thế tại điểm A, B bằng nhau khi tích điện trở tính theo
đư
ờng chéo là bằng nhau (R
a
+ R
3

c
ủa khí nạp bằng cách dùng một nhiệt trở R
a
.
Như v
ậy, khối lượng khí nạp có
th
ể đo được một cách chính xác.
- Khi nhi
ệt độ khí nạp thay đổi, ECU động c
ơ không cần hiệu chỉnh khoảng
th
ời gian phun theo sự thay đổi của nhiệt độ.
- Khi m
ật độ không khí giảm xuống, khả năng làm mát dây sấy giảm, khi đó
kh
ối lượng khí nạp nhận biết c
ũng giảm n
ên không cần hiệu chỉnh phun.
2.3. C
ẢM BIẾN VỊ TRÍ B
ƯỚM GA
C
ảm biến vị trí b
ướm ga được lắp trên cổ họng gió, nó chuyển góc mở
bướm ga thành một điện áp gửi về ECU. Tín hiệu IDL được sử dụng chủ yếu để
đi
ều khiển cắt nhiên liệu khi giảm t
ốc v
à hiệu chỉnh thời điểm đánh lửa, còn tín

năng khác tu
ỳ theo kiểu của động cơ. Chúng
bao g
ồm:
- Công t
ắc cháy sạch LSW để hiệu
ch
ỉnh cháy s
ạch.
- Cực L1, L2, L3 điều khiển ECT;
ACC1, ACC2 đ
ể nhận biết sự giảm tốc.
2.3.2. Lo
ại tuyến tính
Bao g
ồm hai tiếp điểm tr
ượt, tại mỗi đầu của nó có lắp các tiếp điểm để tạo
tín hiệu IDL và VTA.
Loại 2 tiếp điểm
Loại 3 tiếp điểm
Loại có cực L1, L2, L3
Loại có cực ACC1, ACC2
CB vị trí
bướm ga
Đóng
Mở
Điện trở
Con trượt (tiếp điểm cho tín hiệu VTA)
Con trượt (tiếp điểm cho tín hiệu IDL)
M

Kết cấu cơ bản và hoạt động của chúng là như nhau.
2.4.1. Lo
ại đặt bên trong bộ chia điện
B
ộ chia điện trong hệ thống điều
khi
ển động c
ơ bao gồm rôto và các cuộn
nhận tín hiệu G và NE.
S
ố lượng ră
ng cu
ộn Rôto nhận tín
hi
ệu khác nhau tuỳ theo loại động cơ.
Nguyên lí ho
ạt động của bộ tạo tín
hi
ệu G v
à NE sử dụng một cuộn nhận tín
hi
ệu v
à rôto 4 răng cho tín hiệu G, và
m
ột cuộn nhận tín hiệu và rôto 24 răng cho tín hiệu NE.
a. Tín hiệu G:
CB vị trí bướm ga
Đến các ECU khác
Không tải Mở hoàn toàn
Đóng Bướm ga Mở

à kích hoạt cuộn nhận tín hiệu 4 lần trong
m
ỗi vòng quay trục bộ chia điện, tạo ra tín hiệu dạng sóng như hìn
h v
ẽ. Từ tín
hi
ệu này ECU động cơ nhận biết pittông nào ở gần điểm chết trên (ĐCT)
b.Tín hi
ệu NE:
Tín hi
ệu NE đến ECU động c
ơ cho biết tốc độ động cơ. Tín hiệu NE được
sinh ra trong cu
ộn dây nhận tín hiệu nhờ rôto giống nh
ư khi tạo ra tín hiệu G,
khác bi
ệt duy nhất là rôto tín hiệu NE có 24 răng. Nó kích hoạt cuộn nhận tín hiệu
NE 24 lần trong 1 vòng quay của bộ chia điện. Từ các tín hiệu này, ECU động cơ
nh
ận biết tốc độ động cơ cũng như từng thay đổi 30
o
m
ột của góc quay trục
khu
ỷu.
Rôto tín hiệu G
Cuộn nhận
tín hiệu G
Tín hiệu G
1 vòng quay Rôto

răng)
Tín hiệu NE (1 cuộn nhận tín hiệu, 4
răng)
Tín hiệu
G
Tín hiệu
NE
Tín hiệu
NE
Tín hiệu
NE
Tín hiệu
G
Tín hiệu NE
(1 cuộn nhận tín
hiệu, 4 răng)
Tín hiệu NE
(2 cuộn nhận tín
hiệu, 4 răng)
Tín hiệu G
(1 cuộn nhận tín hiệu, 1
răng)
2.4.2. Lo
ại cảm biến vị trí cam
K
ết cấu và hoạt động của cảm biến vỉ trí cam giống như loại đặt trong bộ
chia đi
ện, ngoại trừ nó loại bỏ hệ thống phân phối điện áp khỏi bộ chia điện.
M
ạch điện, dạng sóng của tín hiệu G v

ộn dây nhận tín hiệu tạo ra tín hiệu G và NE.
Cuộn nhận
tín hiệu G
(G1)
Cuộn nhận
tín hiệu G
(G2)
Cuộn nhận
tín hiệu NE
Cuộn nhận tín hiệu G
Cuộn nhận tín hiệu NE
Tín hiệu G:
- Tín hi
ệu G1 cho biết góc trục khuỷu tiêu chuẩn để xác định thời điểm
phun và th
ời điểm đánh lửa tương ứng với ĐCT kỳ nén của xylanh 6.
- Tín hi
ệu G2 thực hiện chức năng tương tự cho xy lanh số 1.
Các c
ảm biến tạo ra tín hiệu này bao gồm: một đĩa tạo tín hiệu được gắn
ch
ặt tr
ên puli trục cam và quay 1 vòng trong 2 vòng quay trục khuỷu; một cuôn
nh
ận tín hiệu G tr
ên vỏ bộ chia điện.
Tín hi
ệu NE:
Nh
ờ tín hiệu này ECU động cơ biết tốc độ động cơ để xác định khoảng thời

ĐCT kỳ
nén
xylanh 6
Dây đai cam
Đ
ĩa tín hi
ệu NE
Trục
khuỷu
Cuộn nhận tín hiệu NE
Puly trục
khuỷu
1 vòng quay đĩa tín hiệu NE
Tín hiệu
NE
M
ẠCH ĐIỆN, DẠNG SÓNG CỦA TÍN HIỆU G, NE
Tín hiệu G1
Tín hiệu G2
Tín hiệu NE
Tín hiệu G1 (1 cuộn nhận tín hiệu, 1 răng)
Tín hiệu G2 (1 cuộn nhận tín hiệu, 1 răng)
Tín hiệu NE (1 cuộn nhận tín hiệu, 12 răng)
Tín hiệu G (1 cuộn nhận tín hiệu, 1 răng)
Tín hiệu NE (1 cuộn nhận tín hiệu, 36 răng)
2.5. C
ẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ N
ƯỚC LÀM MÁT
Nhi
ệt độ của nước làm mát được nhận biết bằng một nhiệt điện

độ khí nạp
Cảm biến lưu
lượng khí
Cảm biến lưu
lượng khí
Cảm biến nhiệt
độ khí nạp
2.7. C
ẢM BIẾN NỒNG ĐỘ ÔXY
Dùng cho đ
ộng cơ có lắp TWC (Bộ lọc khí xả ba thành phần)
C
ảm biến nhận biết tỷ lệ khô
ng khí – nhiên li
ệu là đậm hay nhạt so với tỷ lệ
lý thuy
ết. Cảm biến được lắp trong ống xả.
Có 2 lo
ại : Loại Zirconia, loại Titan.
2.7.1. Lo
ại Zirconia
Lo
ại n
ày có một phần tử được chế tạo bằng ZrO
2
(Điôxit Zirconia- m
ột loại
g
ốm). Phần tử này được phủ
c

ngoài ph
ần tử cảm biến. Vì lý do đó, điện áp do
nó t
ạo ra nhỏ (gần 0V). Ngược lại, nếu tỷ lệ
không khí - nhiên li
ệu đậm, Ôxy trong khí xả gần như biến mất. Điều này tạo sự
chênh l
ệch lớn
v
ề nồng độ b
ên trong và bên ngoài của cảm biến nên tạo điện áp
khá l
ớn (xấp xỉ 1V).
Platin (ph
ủ bên ngoài cảm biến) có tác dụng như một chất xúc tác
làm cho ôxy và CO (Mônoxit Cácbon) trong khí x
ả phản ứng với nhau. Nó làm
gi
ảm lượng ôxy và tăng độ nhạy
c
ủa cảm biến. Dựa trên tín hiệu này, ECU động
cơ tăng hay gi
ảm lượng phun để duy trì tỷ lệ hoà khí gần gía trị lý thuyết.
Khí trời
Đế
Platin
Lớp zirconia
Platin
Khí
xả

ũng giống nh
ư
ZrO2, m
ột loại gốm). Cảm biến n
ày dùng một phần
t
ử bằng
Titan lo
ại m
àng dày tạo nên trên đầu phía trư
ớc của một ống mỏng để
nh
ận biết nồng độ ôxy trong khí xả.
Ho
ạt động: Đặc tính của Titan là điện trở của nó thay đổi theo nồng độ
Ôxy trong khí x
ả. Điện trở này thay đổi đột ngột ở giới hạn đậm và nhạt của t
ỷ lệ
h
ỗn hợp không khí
– nhiên li
ệu (như đồ thị). Điện trở của Titan cũng thay đổi
m
ạnh t
ương ứng với sự thay đổi của nhiệt độ. Một bộ sấy được lắp trong ống
m
ỏng để giữ cho nhiệt độ của phần tử Titan không thay đổi.
C
ảm biến Ôxy n
ày được nố

Tỉ lệ khí – nhiên liệu
2.8. C
ẢM BIẾN HỖN HỢP NHẠT
Về c
ơ bản cảm biến hỗn hợp nhạt có cấu tạo giống như
c
ảm biến ôxy loại
ph
ần tử nhận biết bằng zirconia, như
ng nó đư
ợc sử dụng cho mục đích kh
ác.
Ho
ạt động:
C
ảm biến Ôxy loại phần tử nhận biết bằng zirconia hoạt động dựa tr
ên
nguyên t
ắc điện áp sẽ tạo ra nếu có sự chênh lệch lớn về nồng độ ôxy bên ngoài
và bên trong c
ủa cảm biến.
Tuy nhiên, trong c
ảm biến hỗn hợp nhạt, một điện áp
đư
ợc cấp đến phần tử
zirconia khi nhi
ệt độ cao (650
0
C hay cao hơn ), k
ết quả là dòng điện có giá trị tỷ

nóng zirconia. B
ộ sấy được điều khiển giống
như b
ộ sấy của cảm biến ôxy.
2.9. C
ẢM BIẾN TỐC ĐỘ XE
C
ảm biến
t
ốc độ xe nhận biết tốc độ thực tế mà xe
đang ch
ạy. Nó phát ra
m
ột tín hiệu SPD, chủ yếu dùng để điều khiển hệ thống ISC, và điều khiển tỷ tệ
h
ỗn hợp không khí
- nhiên li
ệu trong quá trình giảm tốc và tăng tốc v.v.
Có 4 lo
ại cảm biến: Loại công tắc lưỡi
gà, Lo
ại cảm biến quang học, Loại
đi
ện từ, Loại MRE (phần tử điện trở từ).
2.9.1. Lo
ại công tắc l
ưỡi gà
Lớp Zirconia
Bộ sấy
Vỏ bảo vệ

ư
ợc lắp trong bảng đồng hồ. Nó bao gồm một cảm biến
quang h
ọc làm từ một đèn LED, chiếu vào một transitor quang học. Một bánh xe
có x
ẻ rãnh
đ
ặt giữa đ
èn
LED và transitor quang h
ọc đ
ư
ợc dẫn động bằng cáp đồng hồ
t
ốc độ.
Các rãnh trên bánh xe s
ẽ tạo ra xung ánh sáng khi bánh xe quay, ánh sáng
do đèn LED chi
ếu đư
ợc chia th
ành 20 xung trong mỗi vòng quay của cáp. 20
xung này chuyển thành 4 xung nhờ bộ đếm số, sau đó gửi đến ECU.
2.9.3. Lo
ại điện từ
C
ảm biến này đ
ư
ợc lắp trong hộp số và nhận biết tốc độ quay của trục thứ
c
ấp hộp số. Nó bao gồm một nam châm vĩnh cửu, một cuôn dây và một lõi. Một