Mạc Tiến Hưng, Phùng Minh Lộc

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 109

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 TẮTBài báo này giới thiệu nôi dung chính về thực hành hệ thống lái phổ biến trên ô tô thế hệ mới, từ đó làm cơ sơ thiết

kế và chế tạo mô hình, gồm 2 phần:Phần 1: Mô hình, phục vụ thực hành cấu tạo và nguyên lý hoạt đông;Phần 2: Kết nối với máy tính, phục vụ nôi 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

ABSTRACTThis 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

1 Mạc Tiến Hưng: Cao học Kỹ thuật giao thông 2012 – Trường Đại học Nha Trang2 TS. Phùng Minh Lôc: Khoa Kỹ thuật giao thông – Trường Đại học Nha Trang

I. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngành công nghê ô tô hiên nay phát triển rất

nhanh, đặc biêt là các hê thống điều khiển cơ khí, thủy lực, khí nén… được thay thế điều khiển bằng điên. Trong đó, hê thống lái ô tô trợ lực điên (Electric Power Steering – EPS) là môt trong những hê thống đang được ứng dụng trên hầu hết các hãng xe trên thế giới, như: Toyota, Kia, Honda, Ford, Mitsubishi, BMW, Lexus …

Hê thống lái ô tô trợ lực bằng điên làm viêc trên cơ sở phụ thuôc năng lượng của ắc quy, thực hiên các chức năng trợ lực thông thường nhưng có nhiều ưu điểm nổi bật so với các hê thống lái trợ lực truyền thống trước đây. Do tính hiên đại, đồng bô và giá thành cao nên sinh viên hầu như không có điều kiên tiếp cận thực hành trên hê thống thực trên xe.

Môt số trường đại học và cơ sở sản xuất đồ dùng dạy học trong nước cũng đã chú tâm chế tạo mô hình hê 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 tao ECU điều khiển trợ lưc lái điện [2]…

Các mô hình này thiếu môt số chức năng cần thiết để học tập và nghiên cứu trên mô hình, như không quan sát được các chế đô hoạt đông của hê thống, không đo kiểm được môt 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 hê thống lái trợ lực điên thực.


110 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

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 hê thống lái ô tô trợ lực điên có thể vận hành ở các chế đô hoạt đông, 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 đông của hê thống qua dữ liêu hiển thị trên màn hình.1.2. Đối tượng nghiên cứu

- Hê thống lái ô tô trợ lực điên;- Mô hình giảng dạy hê thống lái trợ lực điên

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: - Ly thuyết: Hê thống lái ô tô trợ lực điên; Vi điều

khiển hê thống; Ngôn ngữ lập trình Visual Basic...

- Thực nghiêm: Chế tạo, thử nghiêm mô hình hê 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 ly làm viêc và vận hành

hê thống lái ô tô trợ lực điênSinh viên tìm hiểu cấu tạo của hê thống thông

qua viêc quan sát cách bố trí các phần tử trong hê thống lái trên mô hình: Đông cơ điên DC trợ lực, cảm biến mô men xoắn, ECU-EPS, đèn báo EPS; Các bô phận truyền lực trung gian từ vành tay lái đến trục lái, cac đăng và cơ cấu lái, bô phận giảm tốc từ đông cơ trợ lực đến trục lái hoặc cơ cấu lái.

Mục vận hành được thiết kế thể hiên 2 trường hợp: có trợ lực lái và không có trợ lực lái

- Bài 2: Báo lỗi môt 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 điên điều khiển bô phận trợ lực lái

2. Thiết kế, chế tạo mô hìnhHình 1 là Sơ đồ khối của mô hình hê thống lái ô

tô trợ lực điên thiết kế

Hình 1. Sơ đồ khối mô hình hệ thốngCác chi tiết linh kiên chính sẽ sử dụng các thiết

bị có sẵn trên thị trường nhằm mục đích thể hiên trực quan, chính xác cấu tạo của hê thống lái trợ lực điên. Theo đó, các thiết bị được lựa chọn bao gồm: cảm biến vành tay lái, đông cơ điên trợ lực, cơ cấu lái và dẫn đông lái. Để mô tả nguyên ly làm viêc, tác giả tự chế tạo phần điều khiển cho hê thống, bao gồm: mạch điều khiển trung tâm, mô đun nhận tín hiêu từ các cảm biến, giao diên công suất cho đông cơ điên trợ lực. Ngoài ra, để khảo sát rõ đặc điểm làm viêc của hê thống môt cách sinh đông hơn, mô hình đã xây dựng mạch giao tiếp và phần mềm trên máy tính.

Hê thống lái trợ lực điên của dòng xe Toyota Vios được chọn cho viêc chế tạo mô hình. Sau khi chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh, phần cơ - điên của mô hình biểu thị trên hình 2.

Hình 2. Mô hình đã chế tạo 1- Khung mô hình; 2- Hệ thống lái trợ lực điện; 3- Cơ cấu lái; 4- Dẫn đông lái; 5- Bô tạo mô men cản; 6- Các Board mạch điều khiển và kết nối máy tính.



3. Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển và kết nối máy tính3.1. Thiết kế, chế tao mach điều khiển của mô hình:

Nhiêm 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 hiêu hồi về từ cảm biến, mô đun mô phỏng tín hiêu tốc đô; Các mô đun đầu ra bao gồm: mô đun hiển thị, mô đun giao tiếp máy tính, mô đun điều khiển đông cơ trợ lực. Ngoài ra, trong mạch điều

khiển còn có các bô phận giao tiếp như: nút nhấn, công tắc, đèn tín hiêu, …3.2. Mach tao tín hiệu cảm biến tốc độ xe:

Trong thực tế, tín hiêu tốc đô xe gửi về ECU–EPS theo dạng xung vuông [5].

Tuy nhiên, với mô hình hê thống lái trợ lực không có xung tốc đô hồi về như trong thực tế. Vì vậy, ta phải giả lập tín hiêu tốc đô này bằng cách sử dụng môt 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 hiêu tốc đô xe (hình 3):

Hình 3. Mạch giả lập tín hiệu tốc độ xe 3.3. Thiết kế mach giao tiếp máy tính:

Căn cứ vào yêu cầu của hê 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):

Thành phần chính trong sơ đồ trên là vi mạch Max232, môt vi mạch chuyên dùng trong giao diên nối tiếp với máy tính. Chúng có nhiêm vụ chuyển đổi mức TTL ở lối vào thành mức +10V hoặc –10V ở phía truyền và các mức +3…+15V hoặc -3…-15V thành mức TTL ở phía nhận.

Vi mạch MAX232 có hai bô đêm truyền và hai bô nhận. Trong các ứng dụng truyền thông không quá phức tạp như trong ứng dụng này thì cách truyền dữ liêu

đơn giản nhất là chỉ dùng ba đường dẫn TxD, RxD và GND (mass). Các chân RxIN được kết nối với máy tính để nhận dữ liêu về vi mạch Max232, sau khi chuyển đổi thành mức TTL vi mạch sẽ xuất tín hiêu TTL qua các đường TxIN cho vi điều khiển. Ngược lại khi truyền dữ liêu từ vi điều khiển về máy tính, vi điều khiển sẽ gửi tín hiêu ở mức TTL đến các chân RxOUT vi mạch Max232 sẽ chuyển tín hiêu lên mức cao để chuyển đến máy tính qua các chân TxOUT.

Hình 4. Mạch giao tiếp máy tính



Để tương thích với các cổng COM có sẵn trên máy tính, sử dụng các đầu cắm tín hiêu loại DB-9 ( 9 chân) các cổng nối tiếp theo chuẩn RS-232C cho máy tính PC. Các đầu cắm nối tiếp trên hôp 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 tao mach điều khiển trung tâm:

Mạch điều khiển trung tâm có nhiêm vụ nhận tín hiêu hồi về từ cảm biến mô men xoắn, cảm biến tốc đô xe; chuyển đổi, tính toán, phân tích và xuất các tín hiêu điều khiển cho đông cơ trợ lực. Để đảm bảo khả năng điều khiển mềm dẻo của hê thống, tác giả lựa chọn phương án xây dựng bô xử lí trung tâm bằng vi điều khiển ATMEGA16 [4]

Dưới đây là board mạch điều khiển sau khi chế tạo (hình 5).

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 diên chính của chương trình trên màn hình biểu thị trên hình 6.

Hình 6. Giao diện chính của chương trình trên màn hình4. 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 đông 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 hê thống trợ lực lái làm viêc. Màn hình LCD cho phép quan sát các thông số sau:

- Dòng 1: hiển thị giá trị điên áp hồi về từ hai cảm biến mômen lái dưới dạng điên 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 hiên thời của quá trình đánh lái:

+ Vô lăng lái đang tự do, không có tác đông quay lái: không hiển thị.

+ Vô lăng quay trái: hiển thị “Left”.

+ 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 đô lớn của dòng điên 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 lưa chọn trên bảng điều khiển: biểu thị trên hình 8

Trên bảng điều khiển của mô hình có các lựa chọn sau:



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 đông 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 Quay phải 4.12 0 0 9:47:39 PM117 Quay phải 3.44 0 0 9:47:39 PM…

146 Quay trái -4.09 0 0 9:47:42 PM147 Quay trái -3.9 0 0 9:47:42 PM- Trường hợp 2: Xe đứng yên, có hỗ trợ trợ lực khi đánh lái, không gây tải từ dẫn đông lái lên vành tay lái.

Bảng 2. Dữ liệu biểu bảng đã xuất sang excel trường hợp 2STT Hướng quay lái Momen lái Tốc độ xe Dòng điện trợ lực Thời gian

30 Quay phải 0.37 0 17.4 9:57:19 PM31 Quay phải 1.6 0 17.4 9:57:19 PM…70 Quay trái -1.65 0 -13.4 9:57:24 PM71 Quay trái -0.4 0 -13.4 9:57:24 PM- Trường hợp 3: Xe đứng yên, có hỗ trợ trợ lực khi đánh lái, thay đổi tải từ dẫn đông lái lên vành tay lái


57 Quay phải 2.98 0 19.7 9:51:11 PM58 Quay phải 0.21 0 19.7 9:51:11 PM…

206 Quay trái -1.7 0 -22 9:51:31 PM207 Quay trái -2.71 0 -22 9:51:31 PM- Trường hợp 4: Có hỗ trợ trợ lực khi đánh lái, vừa thay đổi tải vừa thay đổi tốc đô xe


42 Quay phải 0.24 200 16.9 9:54:30 PM43 Quay phải 1.79 200 16.9 9:54:31 PM…

103 Quay trái -2.6 200 -16.7 9:54:38 PM104 Quay trái -0.81 200 -16.7 9:54:38 PM



Nhận xét:- Mô hình làm viêc đúng theo yêu cầu đã đặt

ra, thể hiên đầy đủ các thông số cơ bản phản ánh khách quan quá trình làm viêc của hê thống.

- Phản ánh rõ ràng sự thay đổi của mô men lái khi thay đổi tải tác đông từ dẫn đông lái lên vành tay lái. Khi tăng tải tác đông thì mô men đánh lái cũng tăng dần.

- Quá trình làm viêc khi có sự hỗ trợ của đông 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 rêt và lực quay lái nhẹ.

- Sự ảnh hưởng của tốc đô xe cũng được thể hiên rõ trên các thiết bị hiển thị, khi tốc đô xe tăng thì mô men đánh lái cũng giảm theo sự tăng của tốc đô xe.

IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1. Kết luận: các công viêc 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 môt số hạn

chế: các pan hư hỏng trên mô hình để phục vụ cho công tác giảng dạy chưa nhiều; bô tạo mô men cản quay vòng chưa tạo được giá trị mô men cản tương đồng với thực tế trong quá trình hoạt đông.

2. Kiến nghị:Trên cơ sở những hạn chế của viêc nghiên cứu

này, do đó hướng phát triển của viêc nghiên cứu về sau sẽ tập trung giải quyết các vấn đề đó hoàn thiên hơn, cụ thể là:

- Phát triển thêm 1 số pan để cung cấp nhiều thông tin hơn.

- Mômen cản tác đông từ dẫn đông 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 truc lái.2. Lê Thanh Nhàn (2008), Thiết kế hộp ECU điều khiển hệ thống lái trợ lưc 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.

Mạc Tiến Hưng, Phùng Minh Lộc

Documents

Transcript of Mạc Tiến Hưng, Phùng Minh Lộc