BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CẦM CHỪNG CHO
MỘT SỐ ĐỘNG CƠ THÔNG DỤNG TẠI VIỆT NAM
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T2010 - 25

S KC 0 0 3 0 2 0

Tp. Hồ Chí Minh, 2010

Trang 1


Đề tài NCKH Cấp Trường

Lê Quang Vũ

Mục lục
Phần I Đặt vấn đề
Đối tượng nghiên cứu ................................................................................................ 4
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ................................................................ 4
Những vấn đề còn tồn tại ........................................................................................... 5
Phần II Giải quyết vấn đề
I.
Mục đính của đề tài .................................................................................. 6
II.
Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 6
III. Nội dung ..................................................................................................... 6
1. Khảo sát thực trạng các hệ thống cầm chừng sử dụng tại Viêt Nam ..... 6
1.1. Loại sử dụng motor bước 6 day ................................................ 6
1.2. Loại van xoay ............................................................................ 9
1.3. Loại ACV điều khiển bằng hệ số tác động ............................ 10
1.4. Loại VSV điều khiển bật tắt .................................................... 11
2. Cơ sở lý thuyết điều khiển tốc độ cầm chừng ...................................... 13
2.1. Các loại cảm biến được sử dụng trong hệ thống..................... 13
2.2. Lý thuyết điều khiển tốc độ cầm chừng .................................. 19
3. Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển tốc độ cầm chừng .......................... 21
3.1. Thiết kế mạch điều khiển ....................................................... 21
3.2. Thi công mạch điều khiển ....................................................... 27
4. Lập trình cho mạch điều khiển ............................................................. 28

Những triệu chứng và hậu quả khi hệ thống này hoạt động khơng bình thường là hồn
tồn khơng thể kiểm sốt được. Vì thế đề tài nghiên cứu chế tạo một modul sử dụng
mạch vi điều khiển để điều khiển hệ thống này một cách độc lập cho những xe đã có
triệu chứng hư hỏng hệ thống điều khiển cầm chừng. Modul chỉ nhận tín hiệu từ động
cơ như tốc độ động cơ, cảm biến bướm ga và tín hiệu máy lạnh để điều khiển van cầm
chừng theo đúng chế độ ngun thủy của động cơ xe hơi khi chưa gặp sư cố kỹ thuật.
II. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Sự cố về tốc độ cầm chừng hay tốc độ khơng tải là một vấn đề lớn đối với xe
hiện hành. Một số tài xế có thời gian điều khiển xe lâu năm còn gọi sự cố này là “bệnh
nan y” và họ chỉ biết chấp nhận sự cố mà chưa có biện pháp khắc phục. Ở các cơ sở
bảo trì của các hãng lớn tại Việt Nam thì họ chỉ biết dự đốn và thay thế một vài phụ
tùng liên quan đến sự hoạt động của hệ thống. Một đặc điểm của hệ thống này là khi
có sự bảo dưỡng, thay thế. Nó có thể hoạt động bình thường trong một khoảng thời
gian ngắn mà khơng khắc phục được hồn tồn. Như vậy có thể nói việc khắc phục sự
cố này ở Việt Nam hồn tồn chưa có cơ sở kỹ thuật đúng đắn. Vì thế đề tài “điều
khiển tốc độ cầm chừng cho một số loại động cơ thơng dụng tại Việt Nam” là mới mẽ
và hết sức cần thiết.
Điều khiển tốc độ cầm chừng cho động cơ thơng dụng ở Việt Nam

Trang 3


Đề tài NCKH Cấp Trường

Lê Quang Vũ

III. NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI
Hộp ECU điều khiển động cơ khi xuất xưởng ln có một hệ số điều khiển nhất
định cho một hệ thống chấp hành. Trong q trình hoạt động, do sự hao mòn về cơ khí
và lão hóa về thời gian nên hệ số này của các bộ chấp hành có sự thay đổi và khơng có

khiển phun xăng đánh lửa cho động cơ ơ tơ phục vụ cho các phòng thí nghiệm
ơ tơ và lắp lẫn phụ tùng trên thị trường.
II.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Trong q trình thực hiện đề tài, người làm đề tài đã sử dụng một số phương pháp
nghiên cứu sau:
- Phương pháp nghiên cứu tài liệu
- Phương pháp khảo sát đối tượng
- Phương pháp lập trình vi xử lý
- Phương pháp thực nghiệm và xử lý số liệu
III.

NỘI DUNG:

1. Khảo sát thực trạng các hệ thống cầm chừng sử dụng tại Việt Nam
1.1. Loại sử dụng Motor bước 6 dây
Van ISC loại mơ tơ bước được đặt ở buồng nạp hoặc thân bướm gió. Nó điều
chỉnh tốc độ khơng tải động cơ bằng mơ tơ bước và van kim, van kim điều khiển thể
tích khơng khí qua nhánh phụ của bướm ga. Van điều khiển tốc độ khơng tải điều
chỉnh khơng khí qua nhánh phụ từ đường khí nạp qua bướm gió theo hướng đến ống
góp nạp qua một lỗ mở giữa van kim và đế van.
Điều khiển tốc độ cầm chừng cho động cơ thơng dụng ở Việt Nam

Trang 5


Đề tài NCKH Cấp Trường


Đề tài NCKH Cấp Trường

Lê Quang Vũ

motor bước được gắn trong van ISC. Motor này quay roto thuận hay ngược chiều kim
đồng hồ, làm van chuyển động ra hay vào, do vậy làm tăng hay giảm khe hở giữa van
và đế van, do đó điều chỉnh được lượng khí đi qua đường khí tắt. Van ISC có 125
bước kể từ vị trí đóng hoàn toàn đến vị trí mở hoàn toàn. Van ISC có khả năng điều
chỉnh lượng lớn không khí chạy qua, nó cũng được dùng để điều khiển tốc độ không
tải nhanh. Và vì vậy, không cần phải dùng thêm van khí phụ.

Hình 1.3 Giản đồ hoạt động của motor bước

c. Mạch điện
Van ISC được nối với ECU như hình vẽ dưới đây. Tốc độ không tải tiêu chuẩn
tường ứng với từng nhiệt độ nước làm mát và trạng thái hoạt động của điều hòa không
khí được lưu trong bộ nhớ của ECU.

Hình 1.4 Mạch nguyên lý điểu khiển van loại motor bước

1.2.

Loại van xoay

Điều khiển tốc độ cầm chừng cho động cơ thông dụng ở Việt Nam

Trang 7


Đề tài NCKH Cấp Trường


Đề tài NCKH Cấp Trường

Lê Quang Vũ

sự hoạt động của lò xo lưỡng kim khi hệ thống điều khiển cầm chừng hoạt động không
tốt cũng như lúc lò xo lưỡng kim không tiếp xúc với mặt cắt có vát rãnh trên chấu bảo
vệ. cơ cấu này là thiết bị an toàn không cho tốc độ cầm chừng quá cao hay quá thấp do
mạch điều khiển bị hư hỏng.
b. Mạch điện

Hình 1.6 Mạch điều khiển van xoay

Hai cuộn dây được nối với hai transitor đặt trong ECU như hình vẽ. khi
transitor T1 mở, có dòng điện chạy qua cuộn dây đó. Từ trường của cuộn đây và từ
trường của nam châm vĩnh cửu sẽ làm cho van quay theo chiều kim đồng hồ, khi T2
mở, van sẽ quay theo chiều ngược lại. ECU điều khiển chuyển động của van bằng
cách gởi một tín hiệu điện ápdạng xung vào mỗi cuộn dây. Vị trí của van sẽ được
quyết đinh bởi sự khác nhau giữa hai từ trường của van(một của nam châm vĩnh cửu,
một do cuộn dây tạo ra). Tần số hoạt động rất cao khoảng 250hz. Tần số cao này giúp
van duy trì được vị trí tối ưu để đáp ứng thích hợp lượng khí nạp vào động cơ. Mạch
điện trong ecu được thiết kế để tạo ra dòng điện xoay chiều trong cuộn T1 khi hệ số
tác dụng thấp và trong cuộn T2 khi hệ số tác dụng cao. Bằng cách thay đổi hệ số tác
dụng (thời gian mở trên thời gian đóng), sự thay đổi từ trường làm cho trục van quay.
1.3.

Loại ACV điều khiển bằng hệ số tác dụng
Van này dược lắp trên ống góp nạp. Nó kiểm soát lượng không khí đi qua van

bướm gió bằng cách mở hoặc đóng đường khí phụ. Thời gian mở van là một đặc trưng

đóng và chỉ mở khi có dòng điện chạy qua các cuộn dây của solenoid. Không giống
Điều khiển tốc độ cầm chừng cho động cơ thông dụng ở Việt Nam

Trang 10


Đề tài NCKH Cấp Trường

Lê Quang Vũ

như các mạch điều khiển ECU bị nối đất khác, ECU điều khiển VSV bằng cách cung
cấp dòng điện đến cuộn solenoid khi đáp ứng được các điều kiện đã được lập trình
trước. Ngoài ra, dòng điện được cấp đến solenoid từ mạch điện đèn sau hoặc bộ sấy
kính cửa sau chay xuyên qua các điod cách ly. VSV cho phép chỉ một lượng nhỏ
không khí qua van bướm gió thường đóng khi nó mở, tốc độ động cơ tăng khoảng
100v/p khi nó được kích hoạt (cấp điện). Hệ thống ISC không dùng để điều khiển
không tải lạnh nhanh, các động cơ được trang bị hệ thống này dùng một van không khí
cơ khí để điều khiển không tải lạnh nhanh.

Hình 1.9 Sơ đồ mạch điện loại VSV

Kết cấu của loại van này như hình vẽ. các tín hiệu từ ECU động cơ làm cho
dòng điện chạy qua cuộn dây. Dòng này sẽ kích thích cuộn dây, làm mở van, tăng tốc
độ không tải xấp xỉ khoảng 100v/p (tốc độ không tải nhanh được điều khiển bằng một
van khí phụ)

2. Cơ sở lý thuyết điều khiển tốc độ cầm chừng
Điều khiển tốc độ cầm chừng cho động cơ thông dụng ở Việt Nam

Trang 11

đươc gắn đồng trục với bộ chia điện.
b. Nguyên lý hoạt động
Điều khiển tốc độ cầm chừng cho động cơ thông dụng ở Việt Nam

Trang 12


Đề tài NCKH Cấp Trường

Lê Quang Vũ

Bộ phận chính của cảm biến là một cuộn cảm ứng, một nam châm vĩnh cửu và một
rotor dùng để khép kín mạch từ có số răng tùy loại động cơ. Khi cựa răng của rotor
không nằm đối diện với cực từ, từ thông đi qua cuộn cảm ứng sẽ có giá trị thấp vì khe
hở không khí lớn có từ trở cao. Khi một cựa răng tiến đến gần cực từ của cuộn dây,
khe hở không khí giảm dần khiến từ thông tăng nhanh. Như vậy, nhờ sự biến thiên từ
thông, trên cuộn dây sẽ xuất hiện một sức điện động. khi cựa răng đối diện với cực từ
của cuộn dây, từ thông đạt giá trị cực đại, nhưng điện áp ở hai đầu cuộn dây bằng
không. Khi cựa răng rotor di chuyển ra khỏi cực từ, thì khe hở không khí tăng dần làm
từ thông giảm sinh ra một sức điện động theo chiều ngược lại. hoàn toàn tương tự cho
loại 24 răng.
c. Mạch điện và dạng xung

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý cảm biến điện từ 4 xung

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý cảm biến điện từ 4 xung hai cuộn dây

Điều khiển tốc độ cầm chừng cho động cơ thông dụng ở Việt Nam

Trang 13

Loại này có cấu tạo gồm hai con trượt, ở đầu mỗi con trượt được thiết kế có các
tiếp điểm cho tín hiệu cầm chừng và tín hiệu góc mở cánh bướm ga, có cấu tạo như
hình vẽ trên.
b. Mạch điện

Hình 2.5 Sơ đồ mạch điện cảm biến bướm ga

Một điện áp không đổi 5V từ ECU cung cấp đến cực VC. Khi cánh bướm ga
mở, con trượt trượt dọc theo điện trở và tạo ra điện áp tăng dần ở cực VTA tương ứng
với góc mở cánh bướm ga. Khi cánh bướm ga đóng hoàn toàn, tiếp điểm cầm chừng
nối cực IDL với cực E2, trên đa số các xe, trừ Toyota, cảm biến bướm ga loại biến trở
chỉ có 3 dây VC, VTA và E2 mà không có dây IDL.
2.1.3. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (THW)
a. Nguyên lý
Điện trở nhiệt là một phần tử cảm nhận sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ. Nó
được làm bằng vật liệu bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm(NTC- negative temperature
coeficient). Khi nhiệt độ tăng thì điện trở giảm và ngược lại. các loại cảm biến nhiệt
độ hoạt động cùng nguyên lý nhưng mức hoạt động và sự thay đổi điện trở theo nhiệt
độ có khác nhau. Sự thay đổi giá trị điện trở sẽ làm thay đổi giá trị điện áp được gửi
đến ECU trên nền tảng cầu phân áp.

Điều khiển tốc độ cầm chừng cho động cơ thông dụng ở Việt Nam

Trang 15


Đề tài NCKH Cấp Trường

Lê Quang Vũ
B+

2

1

Đầu ghim
Vỏ
Điện trở

Hình 2.7 Cấu tạo cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Điều khiển tốc độ cầm chừng cho động cơ thông dụng ở Việt Nam

Trang 16


Đề tài NCKH Cấp Trường

Lê Quang Vũ

Ở động cơ làm mát bằng nước, cảm biến được gắn ở thân máy, gần bọng nước làm
mát. Trong một số trường hợp cảm biến được lắp trên lắp máy.
c. Mạch điện:
E C U
Đến rơle

5V

+B
+B


12

20

40

60

76 100

0

C

212

Hình 2.9 Đặc tuyến theo nhiệt độ của cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Điều khiển tốc độ cầm chừng cho động cơ thông dụng ở Việt Nam

Trang 17


Đề tài NCKH Cấp Trường

Lê Quang Vũ

2.2. Lý thuyết điều khiển tốc độ cầm chừng
2.2.1. Khái quát
Để điều khiển tốc độ cầm chừng, người ta cho thêm một lượng gió đi tắt qua

100%

A

B

t0 nước
200

Hình 2.11 Đặc tuyến điều khiển chế độ sau khởi động

c. Chế độ hâm nóng
Khi nhiệt độ động cơ tăng lên, van điều khiển tiếp tục đóng từ B tới C cho đến khi
nhiệt độ nước làm mát đạt 800C.
%độ mở
100%

A

B
C
t0nước
200

800

Hình 2.12 Đặc tuyến điều khiển chế độ hâm nóng

d. Chế độ máy lạnh
Khi động cơ đang hoạt động, nếu ta bật điều hòa không khí, do tải của máy nén lớn


Điều khiển tốc độ cầm chừng cho động cơ thông dụng ở Việt Nam

Trang 20


Đề tài NCKH Cấp Trường

Lê Quang Vũ

3.1.2. Mạch xử lý xung tốc độ động cơ
Để làm tín hiệu báo về vi điều khiển, chúng ta chỉ sử dụng bán kỳ dương
của xung tốc độ động cơ và nắn thành xung vuông với mức cao là 5 V và mức
thấp là 0V. Mạch xử lý tín hiệu này như sau:
Trong mạch điện, diode D1 có tác dụng loại bỏ bán kỳ âm của xung kích.
Diode Zener DZ1 (4.7V) để giới hạn hiệu điện thế trên chân V- mục đích giữ an
toàn cho Opamp. Diode D2 có tác dụng dập dao động R-C sau khi răng cảm biến
đi qua. Ban đầu xung tốc độ động cơ đi qua diode D1, qua điện trở R1 = 1K Ω và
R3 = 10K Ω tạo cầu phân áp cho cực âm Opamp.

Hình 3.2 Mạch nắn xung tốc độ động cơ

Khi điện áp trên chân này cao hơn điện áp chân dương thì xung ngắt báo về
vi điều khiển ở mức 0V. Ở chân dương của Opamp được phân áp bởi biến trở tinh
chỉnh 10 K Do điện áp nguồn của cầu phân áp là 5V nên chân (+) của Opamp luôn
có mức điện áp là V+. Để tạo được số lượng xung ưng ý nhất thì biến trở được
chinh với các mức điện trở ở hai cầu như sau: R5 = 4,7K Ω và R3 = 1K Ω
V+ =

Vc × R5


⇔

Vk > 0,96 ≈ 1(V)

Ngoài ra để bảo đảm xung kích luôn thường ở trạng thái mức cao ta sử dụng
điện trở R4 nối lên 5 V. Đầu ra của Opamp ta đặt thêm điện trở R2 để bảm đảm an
toàn cho vi điều khiển.
3.1.3. Mạch cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Hình 3.3 Mạch xử lý tín hiệu nhiệt độ nước làm mát

Chân THW được nối qua điện trở R1 và treo lên Vcc =5V trước khi đưa vào
kênh ADC của vi điều khiển để bảo đảm an toàn cho vi điều khiển. Khi nhiệt độ
nước làm mát tăng dần thì tạo cầu phân áp cho chân THW. Mức điện áp trên chân
THW dịch chuyển trong khoảng từ 0V đến 5V. Vi điều khiển sẽ đo mức điện áp
này để nhận ra nhiệt độ nước làm mát.
3.1.4. Mạch xử lý tín hiệu STA của công tắc khởi động

Điều khiển tốc độ cầm chừng cho động cơ thông dụng ở Việt Nam

Trang 22


Đề tài NCKH Cấp Trường

Lê Quang Vũ

Hình 3.4 Mạch xử lý tín hiệu STA


quay và loại van VSV điều khiển bật tắt :
Theo lý thuyết nghiên cứu ở trên thì mạch được thiết kế để điều khiển như sau:

Hình 3.6 Mạch điều khiển van ISC

Dựa trên nguyên lý cấu tạo của môtơ được nghiên cứu ở trên thì chúng ta
cần điều khiển sự đóng ngắt các chân ra của các cuộn dây môtơ. Mạch dùng Opto
PC817 cách ly điện áp. Điều khiển đóng ngắt các chân ta dùng Transistor
Darlington Tip122 (NPN) có tần số đóng ngắt cao. Khi có tín hiệu tích cực mức 1
ở PHASE 1 thì PC817 dẫn làm cho Tip 122 dẫn và chân tương ứng của cuộn dây
cần điều khiển được nối với mass, khi đó phần dây đó sẽ có dòng chạy qua, sinh ra
từ thông. Từ đó các tín hiệu PHASE-OUT 1 này sẽ điều khiển được cuộn dây. Vì
để điều khiển môtơ bước 6 dây ta cần tới 4 tín hiệu PHASE_OUT như trên để điều
khiển, nên khi vẽ mạch ta phải vẽ mạch như trên bốn lần.Từ đó ta có các tín hiệu
điều khiển PHASE_OUT1…PHASE_OUT4. Khi công tắc điều khiển cuộn dây
đóng, thì có dòng điện đi qua, làm dòng điện tăng chậm. Khi công tắc mở, sự tăng
mạch điện áp có thể làm hư công tắc trừ khi ta biết cách giải quyết thích hợp. Vì
vậy ta mắc thêm các diod như theo sơ đồ nguyên lý sau.

Điều khiển tốc độ cầm chừng cho động cơ thông dụng ở Việt Nam

Trang 24