BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRẦN HƯNG THƯ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
CUNG CẤP NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ Ô TÔ

Chuyên ngành : Tự ñộng hóa
Mã số: 60.52.60 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Đà Nẵng – năm 2012

ñộng cơ ô tô nhằm mục ñích:
- Loại bỏ hiện tượng kẹt hoặc bó hay xảy ra với cơ cấu bướm ga
ñiều khiển bằng cơ khí do lò xo bướm ga không thể hồi về. Điều này
ngăn cản bướm ga ñóng lại (gây hiệu ứng chạy quá ở ñộng cơ).
- Bướm ga ñiều khiển ñiện tử cũng giúp giảm khí thải và cải
thiện mức ñộ tiêu hao nhiên liệu ở ñộng cơ.
- Ưu ñiểm chính của bướm ga ñiều khiển ñiện tử chính là nó cho
phép ñộng cơ có thể kết hợp ñiều khiển momen với ñiều khiển hành
trình chạy xe, ñiều khiển lực kéo và ñiều khiển ổn ñịnh.
2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu của ñề tài là ñiều khiển mô tơ ñiện một
chiều quay bướm ga trong ñộng cơ xe Toyota ñời 5A-FE.
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hệ thống ñiều khiển cấp nhiên
liệu, sự ảnh hưởng của các thông số, góc mở của bướm ga ñến hệ
thống.
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các phương pháp ñiều khiển ñộng
cơ một chiều và thiết kế hệ thống ñiều khiển tự ñộng cung cấp nhiên
liệu cho ñộng cơ ô tô.
Thiết kế hệ thống ñiều khiển vị trí bướm ga và mô phỏng kết quả
trên phần mềm Matlab Sinmulink.
2 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu tổng quan về hệ thống ñiều khiển bướm ga ñiện tử,
hệ thống cấp nhiên liệu cho ñộng cơ ô tô, các cảm biến sử dụng trong
ô tô và khối cấp gió của ñộng cơ.
Nguyên cứu các kỹ thuật ñiều khiển vị trí cho ñộng cơ DC: ñiều
khiển mờ, thích nghi, neural, PID và lựa chọn phương án thiết kế
hệ thống.

1.2.1. Mô tả
Góc mở của bướm ga thông thường ñược ñiều khiển trực tiếp
bằng dây cáp nối từ bàn ñạp ga ñến bướm ga ñể mở và ñóng nó.
Trong hệ thống này, dây cáp ñược loại bỏ, và ECU ñộng cơ dùng
môtơ ñiều khiển bướm ga ñể ñiều khiển góc mở của bướm ga ñến
một giá trị tối ưu tương ứng với mức ñộ ñạp bàn ñạp ga. Ngoài ra,
góc mở của bàn ñạp ga ñược nhận biết bằng cảm biến vị trí bàn ñạp
ga, và góc mở của bướm ga ñược nhận biết bởi cảm biến vị trí bướm
ga. Hệ thống ECTS-i bao gồm cảm biến vị trí bướm ga, ECU ñộng
cơ và cổ họng gió. Cổ họng gió bao gồm bướm ga, môtơ ñiều khiển
bướm ga, cảm biến vị trí bướm ga và các bộ phận khác. Trong ñó
ECM(Engine Control Unit) là một modul của ECU.
1.2.2. Cấu tạo và hoạt ñộng
Góc mở của bướm ga thông thường ñược ñiều khiển trực tiếp
bằng dây cáp nối từ bàn ñạp ga ñến bướm ga ñể mở và ñóng nó.
Trong h
ệ thống này, dây cáp ñược loại bỏ, và ECU ñộng cơ dùng
môtơ ñiều khiển bướm ga ñể ñiều khiển góc mở của bướm ga ñến
4 một giá trị tối ưu tương ứng với mức ñộ ñạp bàn ñạp ga. Ngoài ra,
góc mở của bàn ñạp ga ñược nhận biết bằng cảm biến vị trí bàn ñạp
ga, và góc mở của bướm ga ñược nhận biết bởi cảm biến vị trí bướm
ga. Hệ thống ECTS-i bao gồm cảm biến vị trí bướm ga, ECU ñộng
cơ và cổ họng gió. Cổ họng gió bao gồm bướm ga, môtơ ñiều khiển
bướm ga, cảm biến vị trí bướm ga và các bộ phận khác.

Hình 1.4. Hệ thống ñiều khiển bướm ga ñiện tử thông minh
1.2.2.1. Cấu tạo và hoạt ñộng của cổ họng gió

Trong chương tác giả ñã giới thiệu tổng quan về hệ thống cung
cấp nhiên liệu trên ô tô, hệ thống ñiều khiển bướm ga ñiện tử thông
minh và các cảm biến ñược sử dụng trong hệ thống ñiều khiển ô tô.
Các khái quá trên sẽ làm cơ sở lý thuyết ñể thiết kế hệ thống ñiều
khiển bướm ga ñiện tử sử dụng ñộng cơ ñiện 1 chiều 24V ñược trong
ch
ương 3.
6 CHƯƠNG 2
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
2.1. KHÁI QUÁT CHUNG
Hiện nay ñộng cơ ñiện một chiều vẫn ñược dùng rất phổ biến
trong các hệ thống truyền ñộng ñiện chất lượng cao, dải công suất
ñộng cơ một chiều từ vài W ñến hàng MW. Đây là loại ñộng cơ ña
dụng và linh hoạt, có thể ñáp ứng yêu cầu mômen, tăng tốc, và hãm
với tải trọng nặng. Động cơ ñiện một chiều cũng dễ dàng ñáp ứng
với các truyền ñộng trong khoảng ñiều khiển tốc ñộ rộng và ñảo
chiều nhanh với nhiều ñặc tuyến quan hệ mômen - tốc ñộ, tốc ñộ - vị
trí.
Trong ñộng cơ ñiện một chiều, bộ biến ñổi ñiện chính là các
mạch chỉnh lưu ñiều khiển. Chỉnh lưu ñược dùng làm nguồn ñiều
chỉnh ñiện áp phần ứng ñộng cơ.
2.1.1. Mô tả toán học
2.1.1.1. Chế ñộ xác lập của ñộng cơ ñiện một chiều
2.1.1.2. Chế ñộ quá ñộ của ñộng cơ ñiện một chiều
2.2.2.3. Trường hợp khi từ thông kích từ không ñổi
2.1.2. Mô tả toán học chỉnh lưu ñiều khiển

L
R
T =
: Hằng số thời gian ñiện từ của mạch phần ứng
K
i
=R
s
: Điện trở của mạch Sensor
T
i
=R.C : Hằng số thời gian của sensor dòng ñiện.
J : Momen quán tính
Viết ngắn gọn lại ta có sơ ñồ như trên hình 2.13.

Hình 2.13. Mạch vòng dòng ñiện
Từ sơ ñồ trên hình 2.12 và hình 2.13 ta có hàm truyền của ñối
tượng ñiều khiển của mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện:









+=
+
=

ñộ như trên hình 2.15.
9
Hình 2.15. Sơ ñồ mạch vòng ñiều chỉnh tốc ñộ

sww
Ci
w
TKR
TCuK
pR
2

)( =
(2.25)
Vậy R
ω
(p) là khâu tỷ lệ (P).
Tiêu chuẩn này ñược sử dụng khi hệ thống khởi ñộng ñã mang
tải, lúc ñó ta không coi I
C
là nhiễu nữa.
2.3.2.3. Tổng hợp mạch vòng vị trí
Sơ ñồ cấu trúc hệ thống ñiều chỉnh vị trí còn lại như hình 2.16.
Hình 2.16. Sơ ñồ cấu trúc hệ thống ñiều chỉnh vị trí
Trong ñó:
i
K

1
)(
)(
+
=
(2.31)
10 Nếu khi tổng hợp mạch vòng vị trí R
ϕ
(p) dùng chuẩn tối ưu
modul, ta có hàm truyền của bộ ñiều khiển vị trí như sau:

)41(
2
)( pT
TKK
K
pR
s
r
ω
ϕϕ
ω
ϕ
+=
(2.36)
Sau khi tổng hợp ra các bộ ñiều khiển, ta có sơ ñồ cấu trúc của
hệ thống ñiều khiển vị trí ñộng cơ ñiện một chiều như trên hình 2.16.

Ngoài ra, ñể ñảm bảo ñộ tin cậy, cảm biến này truyền các tín hiệu từ
hai hệ thống có các ñặc ñiểm ñầu ra khác nhau. Cảm biến này cũng
có hai loại cảm biến : loại tuyến tính và loại phần tử Hall. Trong thiết
kế này sử dụng loại phần tử Hall.
Điện áp ñiều khiển ñược lấy từ cảm biến vị trí bàn ñạp ga.
Khi ñiện áp ra của cảm biến là 0V, tức là chưa có tín hiệu ñiều
khiển nhưng lúc khởi ñộng máy thì ñiện áp ñặt vào hệ thống là 0,5V
ứng với góc mở của bướm ga là 10
0
ñể duy trì máy hoạt ñộng ở chế
ñộ garanty.
Góc mở của bướm ga tăng tỉ lệ thuận với ñiện áp ñiều khiển ñầu
vào.
Điện áp ra của cảm biến là 4,5V ứng với góc mở hoàn toàn của
bướm ga là 90
0
.
3.1.1. Các thông số cơ bản
3.1.2. Tính toán các thông số và xây dựng hàm truyền ñộng
cơ ñiện một chiều
12
Hình 3.2. Sơ ñồ cấu trúc của ñộng cơ ñiện một chiều
kích từ ñộc lập
Từ sơ ñồ cấu trúc của ñộng cơ ñiện một chiều kích từ ñộc lập
dùng ñể tính toán các tham số trình bày trên hình 3.2.
Hàm truyền ñộng cơ có dạng:
( )

−
ppTTKK
TR
pR
usiibd
uu
i
026,0
1
1
10.6,4.85,1.24.2
026,0.56,7
)
1
1(
2
.
)(
3

V
ậy ta có hàm truyền của bộ ñiều khiển dòng ñiện như sau:

13




TCuK
pR
(3.21)
Vậy )( pR
ω
là khâu tỉ lệ (P).

9474
0114,0.07,0
56,7
.
===
C
kd
TCu
R
K
(3.22)

- Vòng ñiều khiển vị trí
Bộ ñiều chỉnh vị trí R
ϕ
(p)

)10.2,10.21(
3,0.2.10.10.4
.10.23,7
)21(
2
)(

hinh 3.15.
Ba chỉ tiêu chất lượng của hệ thống là ñộ quá ñiều chỉnh σ
max
,
th
ời gian quá ñộ T
max
, và số lần dao ñộng n sẽ do các yêu cầu thiết kế
ñặt ra.
14 3.2.1. Sơ ñồ mô phỏng hệ thống ñiều khiển vị trí bướm ga
Hình 3.3. S
ơ ñồ mô phỏng hệ ñiều khiển vị trí dùng ñộng cơ DC
15
3.2.2. Kết quả tốc ñộ và vị trí bướm ga ứng với từng mức
ñiện áp ñiều khiển
3.2.3. Kết quả ñáp ứng tốc ñộ và vị trí của ñộng cơ theo thời
gian tăng ga
+ Tốc ñộ:
0
2
4
6
8
10

+ Vị trí:
0 2 4 6 8 10
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.65V
3V
2V
1V
0.5V

Hình 3.13. Đáp ứng vị trí của ñộng cơ với tín hiệu ñiều khiển
tối ña 5V theo thời gian tăng ga
Nhận xét:
Theo biểu ñồ mối quan hệ ñáp ứng vị trí theo thời gian tăng tốc
như hình trên ta thấy:
- Thời gian tăng tốc càng nhanh thì tốc ñộ ñộng cơ tăng càng
nhanh nhưng ñộ quá ñiều chỉnh về vị trí lớn vì do quán tính của
ñộng. Khi thời gian tăng tốc càng nhỏ thì ñộ quá ñiều chỉnh vị trí
càng giảm.
- Vị trí bướm ga cũng tăng tỉ lệ thuận với tốc ñộ, tốc ñộ càng
nhanh thì ñáp ứng vị trí ñến góc mở 90

3V

Hình 3.14. Đáp ứng tốc ñộ của ñộng cơ với tín hiệu ñiều khiển
tối thiểu -5V theo thời gian giảm ga
Khi giảm ga thì ñộng cơ quay với chiều ngược lại ñể ñưa vị trí
bướm ga quay theo chiều ngược lại ñể giảm lượng nhiên liệu cung
cấp cho ñộng cơ ô tô, giảm tốc ñộ ñộng cơ ô tô.
+ Vị trí:
0
2
4
6
8
10
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.60.5V
1V
2V
3V
5V

yêu cầu so với công nghệ. Thực tế ta thấy thời gian ổn ñịnh vị trí của
19 hệ thống lâu xấp xỉ 4s do ñó trong chương 4 tác giả sử dụng bộ ñiều
khiển mờ bù vị trí của hệ bằng cách bù tín hiệu ñiện áp ñiều khiển
ñầu vào nhằm ñạt thời gian ổn ñịnh nhanh,giảm ñộ vọt lố của hệ.
CHƯƠNG 4
ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU
TRÊN ĐỘNG CƠ Ô TÔ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ
4.1. BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN VỊ TRÍ
4.1.1. Phân tích tính phi tuyến của bộ ñiều khiển vị trí
4.1.2. Sự cần thiết của bộ ñiều khiển mờ
4.2. XÂY DỰNG KHÂU BÙ MỜ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP
NHIÊN LIỆU
4.2.1 Mờ hóa
4.2.2 Luật ñiều khiển và luật hợp thành
Bảng các luật ñiều khiển mờ
STT

Góc quay

Bù tốc ñộ

Số mệnh ñề

1 AV Z 1
2 AN Z 1

0.02s+1
Ramp
10/pi
0.3s+1
PHVT
2.89e-3
0.001s+1
PHTD
1.85
0.002s+1
PHDD
HCTD
-K-
Gain1
GOC QUAY BUOM GA
FUZZY
0.504
0.1583
1
0.01s+1
17.35
0.161s+1
DTDK
DONG
1
252.6s
DOI TOC
21
3V
2V
1V
0.5V

0
2
4
6
8
10
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.65V
data2
data3
1V
0.5V

Hình a. Chưa có bộ ñiều khiển mờ Hình b. Có bộ ñiều khiển mờ
Hình 4.11. Đồ thị mô phỏng vị trí tăng ga khi U

0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.60.5V
1V
2V
3V
5V

Hình a. Chưa có bộ ñiều khiển mờ Hình b. Có bộ ñiều khiển mờ
Hình 4.12. Đồ thị mô phỏng vị trí giảm ga khi U
dk
ñặt sau 4s
Tùy theo m
ức ñộ ñạp ga nhanh hay chậm của người ñiều khiển
mà ñộng cơ quay nhanh hay chậm ñể bướm ga ñạt ñến vị trí mong
22 muốn. Với tín hiệu ñiều khiển ñặt vào hệ thống có thời gian nhất
ñịnh thì chỉ tiêu chất lượng của hệ thống có bộ ñiều khiển mờ cao
hơn, ñộ quá ñiều chỉnh thấp hơn, và thời gian quá ñộ giảm, hệ thống
nhanh ñạt tới vị trí mong muốn của người ñiều khiển. Bên cạnh ñó ta
có thể kết hợp thêm các cảm biến khác như cảm biến áp suất ñường
ống nạp, cảm biến nhiệt ñộ khí nạp, cảm biến lượng ô xy trong

Chế ñộ bình thường là chế ñộ làm việc thường xuyên bảo ñảm
ñộng cơ vận hành tốt và chuyển ñộng êm dịu.
4.4.2. Chế ñộ ñường tuyết (Snow Mode)
Khi góc bàn ñạp ga là không ñổi so với chế ñộ bình thường,
nhưng có sự can thiệp của hệ thống chống trượt (Skid Control ECU),
ECU sẽ ñiều khiển bướm ga mở nhỏ hơn bình thường bằng cách thay
ñổi tín hiệu ñiều khiển ñầu vào ñể ñảm bảo ôtô làm việc ổn ñịnh.
4.4.3. Chế ñộ công suất (Power Mode)
Trên ôtô có trang bị contact Power. Khi contact on, ECU sẽ ñiều
khiển tăng tỉ số từ bàn ñạp ga ñến góc mở bướm ga làm tăng công
suất ñộng cơ bằng cách tăng tín hiệu ñiều khiển ñầu vào của mạch.
4.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
Trong chương 4 tác giả ñã giải quyết ñược các vấn ñề liên quan
tới chế ñộ vận hành của ô tô.
Với kết quả mô phỏng ở trên ta nhận thấy rằng với bộ ñiều khiển
bù mờ như ñã thiết kế thì chất lượng của hệ thống luôn luôn ñược
ñảm bảo khi ta thay ñổi vị trí ñặt ở tín hiệu ñầu vào, giảm ñược thời
gian quá ñộ của hệ thống.
Kết quả mô phỏng thu ñược hoàn toàn phù hợp với các kết quả
nghiên cứu lý thuyết, ñiều này chứng tỏ rằng thuật toán và cách thức
xây dựng bộ ñiều khiển bù mờ là ñúng ñắn và chính xác.
Độ quá ñiều chỉnh, thời gian quá ñộ, số lần dao ñộng của hệ
truy
ền ñộng ñều tốt, nhất là ñộ quá ñiều chỉnh và thời gian quá ñộ rất
nhỏ.