đồ án van tt vvti hoàn thiện nhất199

BÁO CÁO ĐỀ TÀI
1.Tên nhiệm vụ
- Đề tài: Điêu khiển van tuyến tính kiểu điện tử
2. Mục tiêu đề tài
- Mô tả nhiệm vụ của van
- Xây dựng mạch điều chế độ rộng xung từ 0-12v
- Hiển thị cường độ dòng điện
- Hiển thị điện áp hiệu dụng tương ứng với độ rộng xung
2. Mục đích của nhiệm vụ
- Hiển thị cường độ dòng điện và điện áp hiệu dụng tương
ứng với độ rộng xung qua các chế độ làm việc của van biến
thiên VVT-i
3. Phương án thực hiện
- Xây dựng và thiết kế mạch ic555 để đọc xung cho vi xử lí.
- Xây dựng mạch cơng suất IRF520 để ổn định đầu ra dòng
điện vào động cơ.
- Hiển thị thơng số cường độ dịng điện và độ rộng xung trên
LCD.
- Lập trình trên vi điều khiển Arduino và mơ phỏng mạch trên
Proteus.
- Xây dựng mơ hình thực tế và gá đặt.
- Khảo nghiệm trên thực tế dưới sự giám sát của các thầy.

1


MỤC LỤC
A.
1.
2.
3.

a.
b.
c.
B.
1.
2.
3.
4.
5.
6.

Phần mở đầu
Sơ đồ và Cấu tạo van VVT-i
Nguyên lí hoạt động của van VVT-i
Các chế độ làm việc của van
Làm sớm thời điểm phối khí
Làm muộn thời điểm phối khí
Hoạt động của bộ điều khiển khi giữ nguyên vị trí
Nội dung
Phân tích nhiệm vụ được giao
Sơ đồ nguyên lí mạch
Tính tốn thiết kế mạch
Hiển thị lên LCD
Lập trình điều khiển các mạch
Đánh giá khảo nghiệm mạch

2


A.Phần mở đầu

1. Cấu tạo của van biến thiên VVT-i
a. Sơ đồ cấu tạo

Sơ đồ cấu tạo hệ thống van VVT-i
b. Cấu tạo van
Bộ chấp hành của hệ thống VVT-i bao gồm bộ điều khiển VVT-i
dùng để xoay trục cam nạp, áp suất dầu dùng làm lực xoay cho bộ
điều khiển VVT-i và van điều khiển dầu phối phí trục cam để điều
khiển đường đi của dầu.
Các bộ phận của hệ thống gồm: Bộ xử lý trung tâm ECU 32 bit;
bơm và đường dẫn dầu; bộ điều khiển phối khí (VVT) với các van
3


điện; các cảm biến: VVT, vị trí bướm ga, lưu lượng khí nạp, vị trí trục
khuỷu, nhiệt độ nước. Ngồi ra, VVT-i thường được thiết kế đồng bộ
với cơ cấu bướm ga điện tử ETCS-i, đầu phun nhiên liệu 12 lỡ (loại
bỏ sự hỡ trợ bằng khí) và bộ chia điện bằng điện tử cùng các bugi
đầu iridium.
c. Nhiệm vụ
Bộ điều khiển VVT-i bao gồm một vỏ được dẫn động bởi xích cam
và các cánh gạt được cố định trên trục cam nạp, áp suất dầu gửi từ
phía làm sớm hay làm muộn trục cam nạp sẽ xoay các cánh gạt của
bộ điều khiển VVT-i để thay đổi liên lục thời điểm phối khí của trục
cam nạp. Khi động cơ ngừng, trục cam nạp chuyển động đến trạng
thái muộn nhất để duy trì khả năng khởi động. Khi áp suất dầu
không đến bộ điều khiển VVT-i ngay lập tức sau khi động cơ khởi
động, chốt hãm sẽ hãm các cơ cấu hoạt động của bộ điều khiển
VVT-i để tránh tiếng gõ.
Van điều khiển dầu phối khí trục cam hoạt động theo sự điều khiển

( tỷ lệ hiệu dụng ) từ ECU động cơ để điều khiển vị trí của van ống
và phân phối áp suất dầu cấp đến bộ điều khiển VVT-i để phía làm
sớm hay làm muộn. Khi động cơ ngừng hoạt động, thời điểm phối
khí xupap nạp được giữ ở góc muộn tối đa.
2. Ngun lí hoạt động của module van VVT-i
a. Sơ đồ nguyên lí hoạt động

4


VVT-i

Sơ đồ khối nguyên lí hoạt động của van

b.Nguyên lí hoạt động
Trong quá trình hoạt động, các cảm biến vị trí bướm ga và lưu
lượng khí nạp cung cấp các dữ liệu chính về ECU để tính tốn thơng
số phối khí theo yêu cầu chủ động. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
động cơ cung cấp dữ liệu hiệu chỉnh, cảm biến vị trí cam VVT và vị
trí trục khuỷu thì cung cấp các thơng tin về tình trạng phối khí thực
tế.
Trên cơ sở các yếu tố chủ động, hiệu chỉnh và thực tế, ECU sẽ
tổng hợp được lệnh phối khí tối ưu cho buồng đốt. Lệnh này được
tính tốn trong vài phần nghìn giây và quyết định đóng (mở) các
van điện của hệ thống thủy lực. Áp lực dầu sẽ tác động thay đổi vị

5


trí bộ điều khiển phối khí, mở các xu-páp nạp đúng mức cần thiết

vào thời điểm thích hợp.
Như vậy, thay cho hệ thống cam kiểu cũ với độ mở xu-páp không
đổi, VVT-i đã điều chỉnh vô cấp hoạt động của các van nạp. Độ mở
và thời điểm mở biến thiên theo sự phối hợp các thơng số về lưu
lượng khí nạp, vị trí bướm ga, tốc độ và nhiệt độ động cơ.
4.Các chế độ làm việc của van biến thiên thơng minh VVT-i

ECU điều khiển thời điểm phối khí tối ưu
+ Khi không tải, khởi động, tải nhỏ (Khi nhiệt độ thấp, tốc
độ động cơ thấp):

6


ECU điều khiển làm muộn thời điểm phối khí
Thời điểm phối khí của trục cam nạp được làm muộn lại và
góc trùng điệp của xupáp giảm đi để giảm khí xả chạy ngược lại
phía đường nạp gây nổ ngược. Điều này làm ổn định q trình cháy
ở chế độ khơng tải, cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và giúp cho việc
khởi động động cơ dễ dàng.
+ Khi tải trung bình:

ECU điều khiển làm sớm thời điểm phối khí.
Thời điểm phối khí được làm sớm lên và độ trùng điệp xupáp tăng lên để tăng
lượng khí xả luân hồi nội bộ và giảm tổn thất cơng suất cho q trình nạp do đó cải
thiện tính kinh tế nhiên liệu và giảm nồng độ khí xả độc hại.
+ Khi tốc độ thấp hoặc trung bình và tải nặng:

7

ECU điều khiển làm sớm thời điểm phối khí.
Điều khiển xupáp nạp mở sớm khi đó ẽ làm xupáp nạp đóng ớm nhằm làm
giảm hiện tượng khí nạp quay ngược lại đường nạp và cải thiện hiệu quả nạp. Và
xupáp thải mở muộn để sử dụng hết áp suất đy của kỳ cháy.
+ Khi tốc độ cao và tải nặng:

ECU điều khiển làm sớm thời điểm phối khí.
Thời điểm mở van nạp được làm muộn lại đồng thời van xả mở sớm nhằm
tăng hiệu quả nạp và giảm tổn thất cơng suất cho q trình xả. Thời điểm mở
xupáp nạp thay đổi thực tế dựa trên tín hiệu từ cảm biến vị trí trục cam và được
điều khiển bằng ECU.
a. Làm sớm thời điểm phối khí
Khi van điều khiển dầu phối khí trục cam được đặt ở vị trí như trên
hình vẽ bằng ECU động cơ, áp suất dầu tác động lên khoang cánh
gạt phía làm sớm thời điểm phối khí để quay trục cam nạp về chiều
làm sớm thời điểm phối khí.

8


Van hoạt động ở chế độ mở sớm

Trục cam quay về phía làm sớm thời điểm phối khí.
b. Làm muộn thời điểm phối khí
Khi ECU đặt van điều khiển thời điểm phối khí trục cam ở vị trí
như chỉ ra trong hình vẽ, áp suất dầu tác dụng lên khoang cánh gạt
phía làm muộn thời điểm phối khí để làm quay trục cam nạp theo
chiều quay làm muộn thời điểm phối khí.

9


Van hoạt động ở chế độ muộn

Trục cam quay về phía làm muộn thời điểm phối khí.
c. Hoạt động của bộ điều khiển khi giữ nguyên vị trí
ECU động cơ tính tốn góc phối khí chuẩn theo tình trạng vận
hành. Sau khi đặt thời điểm phối khí chuẩn, van điều khiển dầu phối
khí trục cam duy trì đường dầu đóng như được chỉ ra trên hình vẽ,
để giữ thời điểm phối khí hiện tại.
Ngồi ra, cịn một cảm biến đo nồng độ oxy dư đặt ở cụm góp
xả cho biết tỷ lệ % nhiên liệu được đốt. Thông tin từ đây được gửi về
ECU và cũng được phối hợp xử lý khi hiệu chỉnh chế độ nạp tối ưu
nhằm tiết kiệm xăng và bảo vệ môi trường.

10


Van hoạt động ở chế độ giữ

Trục cam được cố định.
Vị trí lắp van
Ở đầu trục cam có bầu đường dầu đi vào xoay trục cam,kiểu sole loi thì đó là vị trí
của van VVT-I.

11


Vị trí van

B.Nội dung
1.Phân tích nhiệm vụ
Tên đề tài : Điều khiển van tuyến tính kiểu điện tử.
Mục tiêu :
- Mô tả nhiệm vụ của van.
- Xây dựng mạch điều chế độ rộng xung từ 0-12v.
- Hiển thị cường độ dòng điện.
- Hiển thị điện áp hiệu dụng tương ứng với độ rộng xung.
Nội dung
-Để đo và xây dựng mạch điều chế độ rộng xung, ta có thể sử dụng
nhiều mạch khác nhau nhưng chủ yếu là mạch IC555, L298,…
-Mạch L298

12


Modun L298N
L298N là trình điều khiển động cơ H-Bridge kép cho phép điều
khiển tốc độ và hướng của hai động cơ DC cùng một lúc. Mơ-đun có
thể điều khiển động cơ DC có điện áp trong khoảng từ 5 đến 35V,
với dòng điện cực đại lên đến 2A. Chân IN1 của L298 nối với chân
tín hiệu tạo xung PWM.
-Mạch IC555

Mạch điều chế độ rộng xung 12V bằng IC555
13


-Mạch tạo xung vuông IC555 được sử dụng để tạo xung vng với

tần số và biên độ có thể điều chỉnh được trên mạch, thích hợp cho
các ứng dụng tạo xung, điều khiển động cơ nhanh chậm
Do mạch IC555 có các linh kiện giá thành rẻ, dễ chế tạo, tạo được
các xung để điều chỉnh van VVT-I phù hợp với yêu cầu của đề tài .
Mong muốn đạt được
-Xây dựng được mạch điều chế độ rộng xung từ 0-12V qua mạch
tạo xung vuông IC555, thông qua LCD hiển thị được điện áp hiệu
dụng và cường độ dòng điện
Những thiết bị đã cho
-Mơ hình van biến thiên thơng minh VVT-i sử dụng dòng điện một
chiều DC

14


Mơ hình mạch van biến thiên VVT-i
Phương án thiết kế
+Dựa trên mơ hình có sẵn trên lớp và sử dụng bảng mạch Arduino
Uno R3 đã được hướng dẫn đóng vai trò là vi điều khiển thực hiện
nhiệm vụ đồ án.
+Thiết kế và lắp mạch để điều khiển chạy van biến thiên VVT-i có
thể dùng mạch IC555, L298,...Sử dụng mạch IC555 do thơng số
phù hợp và có tính hiệu quả
+Phương án hiển thị theo yêu cầu: Sử dụng cổng kết nối I2C để kết
nối với màn hình LCD.
+Chiết áp để điều khiển điện áp : 5k (Mô phỏng CB tốc độ vịng
quay),10k(Mơ phỏng CB nhiệt độ),20k(Mơ phỏng CB đường dầu).
15

+Xây dựng và lắp gá cho mạch.
*Những mạch và linh kiện cần chuẩn bị
+Vi xử lí: Arduino UNO R3, có thể sử dụng các vi xử lí khác như
Arduino Nano(Atmega-328),Arduino Mega,...
+Bộ hiển thị:Sử dụng cổng kết nối I2C để kết nối LCD 16x2( có thể
dùng loại LCD khác).
+ IC555
+Tụ hóa 0,1 µF
+Chiết áp 5k,10k,20k ohm dùng để điều khiển dịng điện vào van
VVT-i.
+Điện trở 1k ohm( 3 điện trở)
+Đèn led.
+Tấm mica 15cmx20cm.
+Dăm đực.
+Dây nối đực cái
+Dây nối cái cái.
+Dây điện để hàn mạch.
+Thiếc và máy hàn.
+Đồng hồ vạn năng(dùng để đo dịng điện,điện áp,điện trở).
+Bu lơng đai ốc để cố định mạch.
+Nguồn ac quy 12V.
+Modun IRF 520.
2.Sơ đồ và nguyên lí mạch

16


Sơ đồ kết nối mạch
Chiết áp điều chỉnh điện áp
Sử sụng chiết áp 5k,10k,20k ohm để điều chỉnh dòng điện

Chiết áp 10k ohm
IC555

17


IC555
Chân số 1: “GND” là chân nối đất, tất cả các mức điện áp điều
được so sánh với áp tại đường dây nối đất.
Chân số 2: “Trigger” là chân kích : chân trigger được dùng để
cung cấp đầu vào kích cho IC 555 hoạt động ở chế độ đơn ổn.
Chân này là đầu vào đảo của bộ so sánh có nhiệm vụ làm cho
transistor của flip flop chuyển trạng thái từ set sang reset. Ngõ
ra của bộ định thời phụ thuộc vào độ lớn xung bên ngoài đưa vào
chân trigger. Một xung âm
Chân số 3: “Output” là chân xuất tín hiệu ra : Ngõ ra của bộ định
thời luôn luôn có sẵn ở chân này. Có hai cách để 1 tải có thể kết
nối với chân output. Cách 1 là kết nối giữ chân 3 (output) và
chân 1 (GND) hoặc giữa chân 3 và chân 8 (chân nguồn). Tải nối
giữa chân output và chân nguồn được gọi là tải thường mở, tải
nối giữa chân outpur và chân GND được gọi là tải thường đóng.
Chân số 4: “Reset” là chân reset vi mạch: Bất cứ khi nào bộ định
thời bị reset, một xung âm được đưa đến chân 4. Đầu ra được
thiết lập lại trạng thái ban đầu bất kể điều kiện đầu vào. Khi
chân này không được sử dụng, ta nối lên Vcc để tránh mọi khả
năng kích hoạt sai.
Chân số 5: “Control voltage” là chân điện áp điều khiển. Chân
ngưỡng (threshold) và chân kích (trigger) điều khiển sử dụng
chân này. Biên độ sóng ra được quyết định bởi một biến trở hoặc

một điện áp bên ngoài được đưa vào chân này. Vì vậy, lượng điện
áp trên chân này sẽ quyết định khi nào bộ so sánh được chuyển
đổi, và do đó thay đổi biên độ của đầu ra. Khi không sử dụng
chân này, ta nên nối đất thông qua 1 tụ 0,01 micro Farad để
chống nhiễu.

18


Chân số 6: “Threshold” là chân ngưỡng. Nó là ngõ vào không đảo
của bộ so sánh 1, được so sánh với ngõ vào đảo với điện áp tham
chiếu là 2/3Vcc, bộ so sánh trên chuyển sang +Vsat và đầu ra
được đặt lại.
Chân số 7: “discharge” là chân xả điện. Chân này nối vào cực C
của transistor và thường có một tụ điện nối giữa chân xả điện và
chân nối đất. Nó được gọi là chân xả điện vì khi transistor dẫn
bão hịa, tụ C xả điện thơng qua transistor. Khi transistor ngắt, tụ
được nạp thông qua điện trở và tụ bên ngoài.
Chân số 8: “Vcc” là chân cấp nguồn. Nguồn cung cấp trong
khoảng từ 5V đến 18V.
Tụ hóa

Tụ hóa 0,1 uF
Tụ hóa 0.1uF 50V là tụ phân cực, có dung mơi là một lớp hóa
chất. Tụ hóa 0.1uF 50V là tụ có hình trụ, trị số được ghi trực
tiếp trên thân tụ. Sau trị số điện dung bao giờ cũng có giá trị
điện áp, điện áp ghi trên tụ chính là điện áp cực đại mà tụ có
thể chịu được, vượt qua giá trị này thì lớp cách điện sẽ bị đánh
thủng , trong thực tế ta phải lắp tụ có trị số điện áp cao gấp
khoảng 1,5 lần điện áp của mạch điện.

Modun IRF520

19


Modun IRF520
- Điện áp vào: 3.3V - 5V DC
- Điện áp ra: 0 - 24V DC
- Dòng điện ra tối đa: 5A
-Chân VIN moddun IRF520 nối dương nguồn 12V.
-Chân GND modun IRF520 nối âm nguồn 12V.
-Chân V+ modun IRF520 nối đầu dương van VVT-i.
-Chân V- modun IRF520 nối đầu âm van VVT-i.
-Chân SIG modun IRF520 nối chân 3 ic555.
-Chân GND modun IRF520 nối chân GND ic555.

Adruino UNO R3

20


Sơ đồ chân Arduino UNO
-

Điện áp hoạt động 5V
Điện áp vào khuyên dùng 7-12V
Điện áp vào giới hạn 6-20V
Chân dương chiết áp nối chân 5V
Chân SDA của I2C nối vào chân A4 Arduino
Chân SCL của I2C nối vào chân A5 Arduino

Chân GND của I2C nối vào chân GND Arduino
Chân VCC của I2C nối vào chân ICSP Arduino
Chân 9 Arduino nối chân 2 của ic555.
Chân GND Arduino nối chân 6 ic555.
Chân 8 VCC ic555 nối chân 5V Arduino.

3.Thiết kế các mạch thành phần

21


Sơ đồ khối ic555
Các điện trở trong hoạt động như một mạch phân chia áp, cấp cho
ngõ vào không đảo của bộ so sánh trên và ngõ vào đảo của bộ so
sánh dưới. Trong hầu hết các ứng dụng, ngõ vào điều khiển không
được điều chỉnh nên được giữ cố định bằng Vcc. Bộ so sánh trên
(UC) có ngõ vào là chân ngưỡng (chân 6) và chân điều khiển (chân
5). Ngõ ra của bộ so sánh trên nối vào chân set (S) của Flip-flop.
Bất cứ khi nào điện áp ngưỡng vượt quá điện áp điều khiển, bộ so
sánh trên sẽ set flip-flop lên mức cao, ngõ ra Q của flip-flop được
đưa vào cực B của transistor làm nó dẫn bão hòa và được xả qua
chân 7. Ngõ ra Q của Flip-flop cịn đi đến khối đảo ra chân 3 thì
xuống mức thấp. Những điều kiện này sẽ đúng cho đến khi bộ so
sánh thấp hơn kích hoạt flip-flop. Ngay cả khi điện áp chân ngưỡng
giảm xuống dưới Vcc, bộ so sánh trên cũng không làm thay đổi ngõ
ra của Flip-flop. Điều này có nghĩa là bộ so sánh trên chỉ có thể set
ngõ ra của Flip-flop ở mức cao.
Để thay đổi ngõ ra của flip-flop xuống mức thấp thì điện áp ở chân
ngưỡng phải giảm xuống dưới Vcc. Khi điều này xảy ra, ngõ ra của
bộ so sánh dưới (LC) sẽ được nối vào chân reset (R) của Flip-flop

làm ngõ ra xuống mức thấp dẫn đến ngắt transistor và làm chân 3
lên mức cao. Những điều kiện này sẽ tiếp tục độc lập với điện áp
trên đầu vào kích hoạt. Bộ so sánh dưới cũng chỉ có thể làm cho
ngõ ra Flip-flop ở mức thấp.
22


Từ các lập luận trên, có thể kết luận rằng để có ngõ ra ở mức thấp
của IC 555 thì cần điện áp ngưỡng phải vượt quá điện áp điều khiển
(Vcc), khi đó transistor dẫn và xả qua chân 7. Mặt khác để ngõ ra
mức cao thì áp trên ngưỡng phải giảm xuống dưới Vcc làm ngắt
transistor.
Có thể cấp điện áp cho đầu vào điều khiển để làm thay đổi mức
điên áp để việc chuyển đổi xảy ra. Để chống nhiễu khi mạch hoạt
động sai nên nối đất chân 5 của IC qua tụ 0,01nF
Vì ngõ ra reset (chân 4) của IC 555 làm việc ở mức thấp nên chỉ
hoạt động khi ngõ ra ở mức thấp ứng với trường hợp transistor dẫn.
Transitor sẽ phóng điện tiếp tục và bộ khuếch đại công suất sẽ cho
ra mức thấp. Trạng thái này sẽ tiếp tục cho đến khi chân reset được
đưa lên mức cao. Điều này cho phép đồng bộ hóa hoặc đặt lại hoạt
động của mạch. Khi không sử dụng chân reset được nối lên nguồn
Vcc.
Thiết kế mạch:

Sơ đồ mạch
Linh kiện gồm:
-Mạch NE555.
-Van VVT-i.
23

-Chiết áp 5k,10k,20k ohm.
-Điện trở 1k ohm
-Đèn led
-Mosfet IRF520
-IC555.
-Tụ hóa 0,1uF
Nguyên lí mạch:
-Nguồn dương acquy 12V nối với chân VIN của modun mạch công
suất IRF520.
-Nguồn âm acquy 12V nối với chân GND của modun mạch công
suất IRF520.
-Chân V+ modun mạch công suất IRF520 nối với đầu dương van
VVT-i.
-Chân V- modun mạch công suất IRF520 nối với đầu âm van VVT-i.
-Chân SIG modun mạch công suất IRF520 nối với chân 3 ic555.
-Chân GND modun mạch công suất IRF520 nối với chân 1 ic555.
-Chân 9 Arduino nối với chân 2 ic555.
-Chân 5V Arduino nối với chân 8 ic555.
-Chân GND Arduino nối chân 6 ,chân 4 và chân 7 ic555.
-Chân A0 Arduino nối với chân tín hiệu chiết áp 5k ( mơ phỏngcảm
biến tốc độ vịng quay).
-Chân A1 Arduino nối với chân tín hiệu chiết áp 10k ( mô phỏng cảm
biến nhiệt độ).
-Chân A2 Arduino nối với chân tín hiệu chiết áp 20k (mơ phỏng cảm
biến đường dầu).
4.Hiển thị LCD
-

Thơng số kí thuật của LCD 16x2

Màn hình được sử dụng để hiện thị trạng thái hoặc các thơng số
LCD 16x2 có 16 chân trong đó cs 8 chân dữ liệu D0-D7 và 3 chân
điều khiển RS RW EN 5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn
nền cho LCD 16x2
Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng điều khiển cấu hình LCD ở
chế độ lệnh hoặc chế độ dữ liệu chúng còn giúp ta cấu hình ở chế
độ đọc ghi .

24


Màn hình LCD 16x2

Thơng số kĩ thuật I2C
-

Điện áp hoạt động 2.5-6v DC
Hỡ trợ màn hình LCD1602
Giao tiếp I2C
Địa chỉ mặc định 0X27( có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân
A0 A1 A2
Tích hợp chân cắm để ngắt mở led
Tích hợp biến trở xoay chiều để điều chỉnh độ tương phản cho
LCD
Để sử dung màn hình LCD giao tiếp với I2C sử dụng Adruino thì
ta cần cài đặt thư viện LiquidCrystal_I2C.h

Modun I2C

25