NGUYÊN CỨU MÔ PHỎNG BƯỚM GA ĐIỆN TỬ TRÊN TOYOTA CAMRY 2016

s

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỂN TRỌNG NAM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ
TÊN ĐỀ TÀI: NGUYÊN CỨU MÔ PHỎNG BƯỚM GA
ĐIỆN TỬ TRÊN TOYOTA CAMRY 2016

CBHD: Ts. Nguyển Tuấn Nghĩa
Sinh viên: Nguyển Trọng Nam
Mã số sinh viên: 2018605620

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ
Hà Nội – Năm 2022


i


ii


iii

MỤC LỤC
MỤC LỤC ........................................................................................................ iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................. vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH .............................................................................. vii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
TỔNG QUAN VỀ BƯỚM GA ĐIỆN TỬ ................................. 2
Đặt vấn đề và tính cấp thiết của đề tài ..................................... 2
Đặt vấn đề ........................................................................... 2
Tính cấp thiết của đề tài...................................................... 2
Mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu .................... 3
Mục tiêu của đề tài.............................................................. 3
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................... 3
Chức năng nhiệm vụ và phân loại hệ thống bướm ga ............. 4
Chức năng nhiệm vụ của hệ thống bướm ga ...................... 4
Phân loại hệ thống điều khiển bướm ga ............................. 4
Hệ thống điều khiển bướm ga bằng cơ khí .............................. 4
Cấu tạo ................................................................................ 4
Nguyên lý hoạt động........................................................... 5
Hệ thống điều khiển bướm ga bằng điện tử ............................. 6
Cấu tạo ................................................................................ 6
Ngun lý hoạt động........................................................... 6
MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG .................................................... 8
Hệ thống điều khiển bướm ga trên động cơ 2AR-FE .............. 8


iv

Giới thiệu về hệ thống ETCS-i ........................................... 8
Cấu tạo và hoạt động của cổ họng gió................................ 9
Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển bướm ga điện
tử trên động cơ 2AR-FE .......................................................................... 10
Chức năng dự phòng (chức năng an toàn)........................ 13

Mạch điều khiển bướm ga ................................................ 15
Kết cấu các bộ phận chính hệ thống bướm ga ....................... 18
Cảm biến vị trí bướm ga ................................................... 18
Mơtơ bướm ga .................................................................. 22
Ly hợp điện từ................................................................... 24
Cơ cấu an toàn .................................................................. 24
ECU ( Electronic Control Unit) ........................................ 25
Hệ thống điều khiển tốc độ khơng tải ISC ....................... 27
Giới thiệu tổng quan về tình hình nghiên cứu bướm ga điện tử
trên xe ơ tơ: ................................................................................................ 29
Xây dựng mơ hình hệ thống điều khiển bướm ga tự động .... 32
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BƯỚM GA ĐIỆN TỬ
40
Giới thiệu phần mềm mô phỏng matlab/simulink ................. 40
Tổng quan về Matlab ........................................................ 40
Mơi trường lập trình Matlab ............................................. 40
Công cụ mô phỏng trực quan Simulink............................ 41
Thiết kế hệ thống điều khiển bướm ga thông minh ............... 44
Điều khiển vịng kín hồi tiếp ............................................ 44


v

Điều khiển Adaptive Sliding Mode .................................. 45
Xây dựng mơ hình và mô phỏng hệ thống điều khiển bướm
ga bằng công cụ Matlab/Simulink............................................................ 45
Mơ hình hệ thống bướm ga điện tử điều khiển hồi tiếp ... 45
Mơ hình hệ thống bướm ga Adaptive Sliding Mode........ 48
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................... 52
Tài liệu tham khảo ........................................................................................... 54

Phụ lục 1 .......................................................................................................... 56
Phụ lục 2 .......................................................................................................... 57


vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

1
2
3
4
5
6
7

Ký hiệu chữ viết
tắt
ECU
DC
PID
APP
ISCV
ISC
ETCS-i

8
9
10

IC
TPS
ECM

Electric Control Unit
Direct current
Proportional Integral Derivative
Cảm biến vị trí bàn đạp ga
Van điều chỉnh : tốc độ không tải
Hệ thống điều khiển không tải
Hệ Thống điều khiển bướm ga điện tử - thơng
minh
Mạch tổ hợp
Cảm biến vị trí bướm ga
Vi xử lý

11
12

VTA
TRC

Tín hiệu đóng mở bướm ga
Điều khiển lực kéo

13
14
15

ABS

VVT-i
VPA

Hệ thống phanh ABS
Hệ thống phân phối khí tự động - thơng minh
Tín hiệu từ bàn đạp ga

STT

Chữ viết đầy đủ


vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1.Vị trí bướm ga được gắn trên ơ tơ ...................................................... 3
Hình 1.2. Bướm ga dẫn động bằng cơ khí ........................................................ 5
Hình 1.3. Bướm ga điều khiển điện tử .............................................................. 6
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển bướm ga điện tử............... 8
Hình 2.2. Cấu tạo cụm cổ họng gió................................................................. 10
Hình 2.3. Sơ đồ mạch điện bộ chấp hành bướm ga ........................................ 11
Hình 2.4. Góc mở bướm ga ứng với các chế độ ............................................. 12
Hình 2.5. Mối quan hệ của các bộ phận giữ chức năng dự phịng.................. 13
Hình 2.6. Hoạt động dự phịng khi cảm biến APPS bị hỏng .......................... 14
Hình 2.7. Các chế độ dự phòng khi cảm biến APPS bị hỏng ......................... 15
Hình 2.8. Sơ đồ khối mạch điều khiển bướm ga điện tử ............................... 16
Hình 2.9. Sơ đồ mạch điều khiển bướm ga ..................................................... 17
Hình 2.10. Cấu tạo cảm biến vị trí bướm ga loại phần tử Hall ....................... 19
Hình 2.11. Cảm biến vị trí bàn đạp ga ............................................................ 20
Hình 2.12. Cảm biển bướm ga loại Hall ......................................................... 21

Hình 2.13. Sơ đồ điện điều khiển mơtơ DC .................................................... 22
Hình 2.14. Sơ đồ mạch điện điều khiển ở chế độ đóng bướm ga ................... 23
Hình 2.15. Sơ đồ khối hoạt động của ECU ..................................................... 25
Hình 2.16. Sơ đồ khối các hệ thống trong ECU với bộ vi xử lý ..................... 27
Hình 2.17. Trích hình 18 của tài liệu số [3] .................................................... 29
Hình 2.18. Trích hình 2,4 của tài liệu số [4] ................................................... 30
Hình 2.19. Trích hình 2, 3 của tài liệu số [5] .................................................. 31
Hình 2.20. Tín hiệu góc đặt, góc đo ................................................................ 32
Hình 2.21. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bướm ga ..................................... 32
Hình 3.1. Khối thư viện Simulink ................................................................... 42
Hình 3.2. Cửa sổ mơ hình làm việc trên simulink .......................................... 43
Hình 3.3. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bướm ga ....................................... 43


viii

Hình 3.4. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển với vịng kín hồi tiếp .................... 44
Hình 3.5. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Adaptive Sliding Mode ................ 45
Hình 3.6. Bảng thơng số lựa chọn ................................................................... 46
Hình 3.7. Sơ đồ mô phỏng hệ thống với điều khiển hồi tiếp .......................... 47
Hình 3.8. Kết quả mơ phỏng hệ thống với điều khiển vịng hở với góc đặt ... 47
Hình 3.9. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bướm ga Adaptive Sliding Mode 48
Hình 3.10. Sơ đồ khối bướm ga ...................................................................... 49
Hình 3.11. Kết quả mô phỏng điều khiển Adaptive Sliding Mode với góc đặt
40° ................................................................................................................... 49
Hình 3.12. Trích hình số 16 [3] kết quả mơ phỏng với tín hiệu dạng step ..... 50
Hình 3.13. Bảng tổng kết các phương pháp điều khiển .................................. 50


1

MỞ ĐẦU
Hiện nay, bướm ga điện tử đã dần thay thế bướm ga điều khiển bằng dây
cáp cơ khí. Với ngành ơ tơ đã có những bước tiến về khoa học, kỹ thuật như:
điều khiển điện tử, kỹ thuật bán dẫn,… Tìm ra phương pháp điều khiển có độ
chính cao, phù hợp để đáp ứng nhanh.
Thông qua việc làm đề tài này đã góp phần cho sinh viên củng cố lại các
kiến thức đã được học tập và nghiên cứu về ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô tại
trường Đại Học Công nghiệp Hà Nội.
Với học phần Đồ án , em xin lựa chọn đề tài : “ Nghiên cứu mô phỏng bướm
ga điện tử trên TOYOTA CAMRY 2016” để tìm hiểu sâu hơn về hệ thống cũng
như củng cố kiến thức cho bản thân. Được sự hướng dẫn của thầy : Nguyễn
Tuấn Nghĩa, em đã hoàn thành đồ án của mình. Đồ án của em gồm 4 chương :
Chương 1 : Tổng quan về bướm ga điện tử
Chương 2 : Mơ hình hóa hệ thống
Chương 3 : Mơ phỏng hệ thống điều khiển bướm ga điện tử
Chương 4 : Kết luận và hướng phát triển
Do thời gian, điều kiện nghiên cứu, và trình độ cịn nhiều hạn chế cho
nên em khơng thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý,
và giúp đỡ của quý thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo : Nguyễn Tuấn Nghĩa cùng các
thầy trong bộ môn đã giúp em hoàn thành được học phần này!
Em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, Ngày Tháng Năm 2022
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Trọng Nam


2

TỔNG QUAN VỀ BƯỚM GA ĐIỆN TỬ
Đặt vấn đề và tính cấp thiết của đề tài
Đặt vấn đề
Trong thời kì cơng nghiệp, hóa hiện đại hóa đất nước các ngành đều có
những bước phát triển. Trong đó ngành ơ tơ có những bước phát triển rất nhanh
chóng và được phát triển trong nhiều ngành kinh tế như: vận tải, du lịch,.. Bên
cạnh để đảm bảo phát triển gắn liền với hài hịa với mơi trường, giảm phát thải,
giảm nồng độ chất độc hại trong khí thải.
Do đó gần đây các nhà sản xuất ô tô đã dần thay thế bướm ga điều khiển
bằng cơ khí mà thay vào đó là bướm ga điều khiển điện tử kết hợp với hệ thống
điều khiển phun xăng nhằm tối ưu việc sử dụng nhiên liệu, giảm phát thải ra
mơi trường, đảm bảo tính an tồn, nâng cao cơng suất động cơ,…
Tính cấp thiết của đề tài
So với bướm ga cơ khí thì bướm ga điện tử có nhiều ưu điểm hơn hẳn
(bướm ga cơ khí dễ bị kẹt, độ rơ của các khớp nối,..). Loại bỏ hiện tượng kẹt
hoặc bó hay xảy ra với cơ cấu bướm ga điều khiển bằng cơ khí do lị xo bướm
ga khơng thể hồi về.Điều này ngăn cản bướm ga đóng lại( gây hiệu ứng chạy
quá ở động cơ). Bướm ga điều khiển điện tử cũng nhằm giảm khí thải và cải
thiện mức độ tiêu hao nhiên liệu ở động cơ. Ưu điểm chính của bướm ga điều
khiển điện tử là động cơ có thể kết hợp kiểm sốt mơ-men xoắn với kiểm sốt
hành trình, kiểm sốt lực kéo và kiểm soát độ ổn định.
Bộ điều khiển trung tâm ECU (bộ điều khiển điện) là bướm ga điện tử kết
hợp với các cảm biến khác trên xe, có thể điều khiển thời gian đóng / mở và
góc mở bướm ga theo quy trình tùy theo trạng thái hoạt động của động cơ. Điều
kiện hoạt động thực tế và hệ số an toàn của động cơ và xe. Ví dụ, nếu hệ số
bám đường của xe kém, xe đi vào góc nhỏ, buồn ngủ hoặc người lái xe có nồng
độ cồn cao, ECU sẽ thu thập thơng tin này thơng qua các cảm biến. Nó có thể
từ đó. Kiểm soát tốc độ tối đa của xe nhờ bướm ga điện tử.

3

Mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài
Phân tích cấu tạo của bướm ga điện tử của ơ tơ để tìm ra cách điều khiển
bướm ga điện tử của ô tô tốt hơn. Điều chỉnh hoặc kết hợp các phương pháp
này, chẳng hạn như sử dụng kỹ thuật điều khiển PID và bộ bù thích hợp, hoặc
phương pháp backstepping,bám trượt (Sliding Mode) và thêm các thơng số mới
... để kiểm sốt phản ứng thời gian thực của hệ thống, bám sát vị trí mong muốn
của chân ga.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: bộ bướm ga điện tử trên xe Toyota Camry

Hình 1.1.Vị trí bướm ga được gắn trên ơ tơ
Phạm vi thực hiện: Xác định bộ bướm ga của ô tô, xác định các giai đoạn
phi tuyến của hệ thống, xây dựng các mơ hình tốn học và mơ phỏng trong
phần mềm Matlab / Simulink.
Chúng tôi đề xuất các giải pháp điều khiển và mơ phỏng hệ thống trên
máy tính. Thực hiện các thử nghiệm xác minh.


4

Chức năng nhiệm vụ và phân loại hệ thống bướm ga
Chức năng nhiệm vụ của hệ thống bướm ga
Với động cơ thì khơng khí đi vào trong thơng qua bướm ga. Khi nhấn
chân ga thì bướm ga sẽ được mở ra, tùy thuộc vào mức độ nhấn của bàn đạp ga
và cho phép khơng khí đi vào ống nạp. Cho đến nay, hầu hết các bướm ga được
người lái điều khiển trực tiếp thơng qua dây cáp. Ngồi ra, hệ thống điều khiển
tự động (Cruise Control) cũng làm thêm phương pháp điều khiển cơ, phát sinh

nhiều vấn đề liên quan đến cơ cấu bướm ga. Đó là lý do tại sao trong nhiều năm
gần đây, bướm ga dẫn động điện và điều khiển điện tử thông qua ECU làm cho
cơ chế điều tiết đơn giản hơn.
Thân bướm ga truyền thống (cơ) thường được trang bị cảm biến bướm
ga. Cảm biến vị trí bướm ga được gắn trên thân bướm ga. Cảm biến này
chuyển độ mở bướm ga thành tín hiệu điện áp và gửi đến ECU.
Nhiệm vụ chính của hệ thống điều khiển bướm ga trên xe ô tô là:
+ Các chế độ làm việc như: chế độ cầm chừng, 1 phần tải hay toàn tải
sẽ được đánh giá
+ Điều chỉnh tỉ lệ khơng khí - nhiên liệu phù hợp.
+ Ứng với các chế độ hoạt động khác nhau sẽ có cơng suất động cơ phù hợp
+ Cắt nhiên liệu khi giảm tốc đột ngột.
Phân loại hệ thống điều khiển bướm ga
Người ta phân loại theo phương pháp điều khiển, cấu tạo, hoạt động khi
phân loại hệ thống điều khiển bướm ga
+ Hệ thống điều khiển bướm ga bằng cơ khí
+ Hệ thống điều khiển bướm ga bằng điện tử
Hệ thống điều khiển bướm ga bằng cơ khí
Cấu tạo


5

Bướm ga được dẫn động bằng cơ khí là một phần bộ phận cấu tạo của
bộ chế hịa khí. Với các xe đời cũ bộ chế hịa khí thường được sử dụng. Cơ
cấu bướm ga bao gồm các bộ phận chính như sau:lị xo hồi vị, các chốt định
vị, bàn đạp ga được lắp trong khoang cabin của ô tô, cánh bướm ga, chốt dẫn
đơng.

Hình 1.2. Bướm ga dẫn động bằng cơ khí

1-Bướm gió, 2- Van tự động và lị xo của van, 3- Buồng hao
Nguyên lý hoạt động
Người lái vận hành bàn đạp ga, tác động đến việc đóng mở bướm ga
thơng qua dẫn động bằng cơ khí để điều khiển hệ thống bướm ga.
Cơ cấu bướm ga trong hình ảnh trên hoạt động như một van điều khiển
bộ chế hịa khí. Khi động cơ chạy, cả bướm ga và van gió đều mở, khơng khí
được hút từ trên cao vào và đi qua họng khuếch tán. Tại đây, vùng tiết diện
lưu thơng bị thu hẹp khiến khí lưu thông nhanh hơn, áp suất giảm xuống, đồng
thời tạo ra chân không hút nhiên liệu từ buồng phao qua đường nhiên liệu
chính và phun ra dưới dạng tia. Do đó, xăng được phun vào dịng khí tốc độ
cao, trộn với khơng khí và bay hơi tạo thành hỗn hợp khí dễ cháy. Lượng
khơng khí được hút vào từ bộ chế hịa khí phụ thuộc vào độ mở của van tiết
lưu. Độ mở bướm ga càng lớn thì lượng khơng khí đi qua càng nhiều. Điều


6

này có nghĩa là luồng khơng khí trong họng khuếch tán sẽ nhanh hơn và lượng
xăng được hút vào nhiều hơn. Do đó, bướm ga có thể điều khiển hoạt động
của động cơ ở nhiều chế độ tải khác nhau tùy theo điều kiện làm việc. Điều
khiển bướm ga được thực hiện thông qua bàn đạp và hệ thống truyền động cơ
khí.
Hệ thống điều khiển bướm ga bằng điện tử
Cấu tạo
Bộ bướm ga điều khiển điện tử (ETC), hoặc bộ truyền động điều biến
bướm ga (TAC), thay thế các bướm ga được điều khiển bằng dây cáp hoặc
thanh kết nối trong nhiều ô tô hiện đại ngày nay. Thanh hoặc cáp kết nối điều
khiển cơ khí giữa bàn đạp ga và thân bướm ga đã được thay thế bằng cảm
biến vị trí bướm ga và thân bướm ga hoạt động điện tử. Bướm ga điện tử
chứa các thành phần chính là cảm biến vị trí bướm ga, ECU động cơ và mơ

tơ điều khiển bướm ga.

Hình 1.3. Bướm ga điều khiển điện tử
1-Cảm biến vị trí bàn đạp ga, 2-Bướm ga, 3-Cảm biến vị trí bướm ga,
4-Mơ tơ, 5-ECU động cơ
Nguyên lý hoạt động
Bướm ga điều khiển điện tử loại bỏ kẹt thường xuất hiện trong cơ cấu
bướm ga điều khiển cơ khí do lị xo bướm ga khơng quay trở lại. Khi người


7

lái vận hành bàn đạp ga trong cabin, cảm biến vị trí bàn đạp và cảm biến vị trí
bướm ga sẽ nhận tín hiệu và gửi đến ECU động cơ. ECU động cơ gửi tín hiệu
đến mơ tơ bướm ga để điều khiển việc đóng mở bướm ga [1]. ECU có thể xử
lý các lựa chọn tốt nhất bằng bàn đạp ga thông minh hơn người lái, đặc biệt
nếu xe mất lực kéo hoặc mất kiểm soát khi bắt đầu di chuyển. Người lái có thể
khơng phản ứng đủ nhanh, vì vậy máy tính điều khiển được tích hợp trên xe
sẽ đóng một phần ga để tăng độ bám đường và giảm độ trượt của bánh xe.
Điều khiển tốc độ chạy không tải của bướm ga điều khiển điện được cung cấp
bởi một van điều khiển lượng khí nạp ở chế độ chạy không tải độc lập trên
thân của cụm bướm ga. Điều này cho phép khơng khí đi qua cánh bướm ga.


8

MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG
Hệ thống điều khiển bướm ga trên động cơ 2AR-FE
Giới thiệu về hệ thống ETCS-i
Ngày nay, với xu hướng phát triển chung của thị trường toàn cầu, ngành

cơng nghiệp ơ tơ đang phát triển nhanh chóng để phù hợp nhu cầu của người
sử dụng, với việc ứng dụng mạnh mẽ công nghệ điều khiển tự động vào ơ tơ,
việc sửa chữa, bảo dưỡng định kì. Nó đang dần thay thế cơ chế điều khiển cơ
học bắt buộc. Ơ tơ ngày càng có nhiều hệ thống điều khiển điện tử, mang lại
nhiều thuận lợi trong việc điều khiển, sửa chữa, bảo dưỡng và đặc biệt là điều
khiển điện tử. Được thực hiện một cách chính xác và ổn định, nó đã giúp chiếc
xe thải ra ít chất thải độc hại làm ơ nhiễm nó hơn. Nó giúp tiết kiệm mơi trường,
nhiên liệu và kiểm sốt từng chế độ hoạt động của xe. (Electronic Throttle
Control System intelligent–ETCS-i) trên động cơ 2AR-FE của dòng xe Camry
của hãng Toyota nhằm đem lại những trải nghiệm tuyệt vời.

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển bướm ga điện tử

1- Cảm biến vị trí bàn đạp ga, 2- Bướm ga, 3- Cảm biến vị trí bướm ga, 4- Mơ
tơ bướm ga, 5- ABS,TRAC,VSC ECU, 6-Phun nhiên liệu, 7- Đánh lửa,
8- Điều khiển hành trinh, 9- Đo lưu lượng khí, 10- ECM


9

Hệ thống điều khiển bướm ga điện động cơ 2AR-FE (ETCS-i-Electronic
Throttle control system) là một hệ thống điều khiển điện được kết nối trực tiếp
giữa bàn đạp ga và cánh bướm ga. Nghiên cứu về hệ thống điều khiển bướm ga
điện tử đã được đề xuất trong gần 10 năm, nhưng nó mới chỉ được sử dụng
trong dịng xe Toyota Camry trong vài năm gần đây.
Ở hệ thống ETCS-i, khác với hệ thống ga truyền thống được điều khiển
trực tiếp từ bàn đạp ga thơng qua cáp nối và lị xo hồi vị, cáp nối là một cụm
chi tiết gọi là cảm biến vị trí và cơ cấu chấp hành được tích hợp bên trong thân
bướm ga. Bao gồm:một mơ tơ điện một chiều để tạo lực kéo, lò xo hồi vị, bánh
răng giảm tốc. [2]

Góc mở của bướm ga thông thường được điều khiển trực tiếp bởi dây
nối giữa bàn đạp ga và bướm ga để đóng mở. Hệ thống này loại bỏ sự cần thiết
của dây cáp và ECU động cơ sử dụng một mô tơ điều khiển bướm ga để điều
khiển độ mở của bướm ga đến giá trị tối ưu theo mức độ nhấn của bàn đạp ga.
Ngồi ra, góc mở của bàn đạp ga được phát hiện bởi cảm biến vị trí bàn đạp ga,
và độ mở của bướm ga được phát hiện bởi cảm biến vị trí bướm ga.
Hệ thống ECTS-i bao gồm cảm biến vị trí bướm ga, ECU động cơ và cổ
họng gió. Cổ họng gió bao gồm các bộ phận như bướm ga, mô tơ điều khiển
bướm ga và cảm biến vị trí bướm ga và 1 số bộ phận khác. [1]
Cấu tạo và hoạt động của cổ họng gió
Cổ họng gió bao gồm bướm ga, cảm biến vị trí bướm ga dùng để phát
hiện góc mở của bướm ga, mơtơ bướm ga để mở và đóng bướm ga, và một lị
xo hồi để trả bướm ga về một vị trí cố định. Ứng dụng một mô tơ điện một
chiều trên mơ tơ bướm ga giúp tiêu thụ ít năng lượng và có độ nhạy tốt.


10

Hình 2.2. Cấu tạo cụm cổ họng gió

1- Bướm ga; 2-Cảm biến vị trí bướm ga; 3- Bánh răng giảm tốc; 4-Ly
hợp từ; 5-IC; 6-Mô tơ bướm ga; 7-Cánh bướm ga
ECU động cơ điều khiển góc mở và hướng dịng điện chạy qua mô tơ
điều khiển bướm ga, quay hoặc giữ mơ tơ, đóng mở bướm ga thơng qua một
loạt các bánh răng giảm tốc. Việc mở bướm ga thực tế được phát hiện bởi cảm
biến vị trí bướm ga và các thơng số của nó được đưa trở lại ECU động cơ. Nếu
khơng có dịng điện chạy qua động cơ, lò xo hồi vị sẽ mở bướm ga về vị trí cố
định (khoảng 7 độ). Tuy nhiên, ở chế độ chạy khơng tải, bướm ga đóng lại nhỏ
hơn vị trí cố định. Khi ECU động cơ phát hiện sự cố, nó sẽ bật đèn báo hỏng
trên bảng đồng hồ và ngắt nguồn điện cho động cơ, nhưng bướm ga vẫn được

giữ ở góc mở khoảng 7 độ, vì vậy bạn có thể lái xe an tồn. nơi. trọn. Mơ hình
đầu tiên với hệ thống ETCS-i sử dụng ly hợp từ giữa mơ tơ và bướm ga. Nó
có thể được sử dụng để kết nối và ngắt kết nối với mô tơ.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển bướm ga điện tử trên
động cơ 2AR-FE
Hệ thống điều khiển bướm ga điện tử có một mạch cấp nguồn riêng biệt.
Nếu điện áp + B được theo dõi và điện áp thấp (nhỏ hơn 4V), ECU sẽ xác định
rằng ETCS bị lỗi và cắt dòng điện đến cơ cấu chấp hành bướm ga. Khi điện áp


11

trở nên khơng ổn định, ETCS cũng vậy. Do đó, nếu điện áp thấp, dòng điện bộ
chấp hành sẽ bị cắt.

Hình 2.3. Sơ đồ mạch điện bộ chấp hành bướm ga
Nếu sửa chữa được thực hiện và hệ thống trở lại bình thường, ECU sẽ
hút dịng điện qua bộ truyền động bướm ga để cho phép nó khởi động. Chế độ
điều khiển. ETCS-i điều khiển độ mở của bướm ga đến giá trị tối ưu tùy theo
độ nhấn của bàn đạp ga. Động cơ về cơ bản sử dụng chế độ bình thường, nhưng
có thể sử dụng cơng tắc điều khiển để chuyển sang chế độ công suất cao hoặc
lái xe trên đường trơn trượt.
Hệ thống bướm ga có nhiều chế độ hoạt động khác nhau, bao gồm:
- Điều khiển phi tuyến (non-linear control)
Điều khiển phi tuyến tính nghĩa là ECU điều khiển hoạt động của cánh
bướm ga dựa trên nhiều yếu tố như tốc độ dịch chuyển của chân ga, tốc độ động
cơ, tốc độ xe, tình trạng mặt đường để động cơ hoạt động bình thường đạt hiệu
quả tốt hơn. Ở trạng thái trượt, bướm ga được điều khiển nhằm mục đích ổn
định xe.

12

- Điều khiển giảm giật khi sang số
Cánh bướm ga được điều khiển cùng lúc với điều khiển hộp số tự
động trong quá trình chuyển số để giảm va đập trong quá trình chuyển số(khi
lên hay xuống).
- Điều khiển tốc độ cầm chừng
ECU điều khiển hoạt động của bướm ga để duy trì tốc độ cầm chừng
nhất định.
- Điều khiển lực kéo TRC
Là một phần của hệ thống TRC, khi ECU nhận được tín hiệu từ hộp điều
khiển ABS & TRC, bướm ga sẽ đóng nếu bánh lái bị trượt. Trên đường trơn
trượt (chẳng hạn như đường tuyết), bạn có thể thấy công suất động cơ giảm
tương ứng với lực của bàn đạp ga. Bạn phải đạp ga sâu hơn. Tuy nhiên, trong
tình huống trơn trượt, van tiết lưu mở lớn sẽ tạo ra nhiều điện hơn, nhưng mặt
đường sẽ không thể nhận hết lực (do hệ số ma sát thấp), gây ra hiện tượng trượt.
Do đó, khi nhận được tín hiệu điều khiển ABS và TRC, ECU sẽ điều khiển van
tiết lưu và từ từ đóng lại cho đến khi nó khơng cịn nhận được tín hiệu đóng
trượt từ ABS và TRC để chống trượt xe.

Hình 2.4. Góc mở bướm ga ứng với các chế độ
- Điều khiển hỗ trợ chống trượt (VSC -Vehicle skid control)
Bằng cách thay đổi độ mở bướm ga với tín hiệu từ ECU ABS & TRC,
hoạt động của VSC trở nên hiệu quả hơn.
- Điều khiển chạy tự động


13

Hệ thống ga điện tử hỗ trợ kiểm soát lái xe tự động. Nhờ hệ thống bướm
ga điện tử, bộ điều khiển hành trình được tích hợp vào ECU. Khi người lái cài
đặt chế độ lái tự động, việc điều khiển ga hồn tồn phụ thuộc vào tín hiệu từ
điều khiển hành trình ECU.
Chức năng dự phịng (chức năng an tồn)
Khi ECU động cơ phát hiện có điểm bất thường hệ thống ETCS-i, nó sẽ
bật chỉ báo hư hỏng trên bảng điều khiển để cảnh báo cho người lái xe. Mạch
cảm biến ở cảm biến vị trí bàn đạp ga gồm hệ thống chính và phụ. Khi một biến
thể cảm biến bị lỗi và ECU phát hiện sự chênh lệch điện áp bất thường trong
tín hiệu giữa hai biến thể cảm biến, ECU cơ học sẽ chuyển sang chế độ hoạt
động hạn chế. Chuyển sang hoạt động bị hạn chế, các mạch khác được sử dụng
để tính tốn góc của bàn đạp ga và xe đang vận hành với độ mở bướm ga hạn
chế hơn bình thường. Ngồi ra, nếu cả hai mạch đều bị lỗi, ECU động cơ sẽ đặt
bướm ga ở chế độ không tải. Xe này chỉ chạy trong phạm vi khơng tải.

Hình 2.5. Mối quan hệ của các bộ phận giữ chức năng dự phòng
Cảm biến vị trí bướm ga cũng có hai mạch cảm biến là chính và phụ.
Nếu mạch cảm biến bị lỗi và ECU động cơ phát hiện điện áp bất thường giữa
hai mạch phát hiện, ECU động cơ sẽ cắt dòng điện đến động cơ điều khiển
bướm ga và chuyển sang chế độ hoạt động hạn chế. Lúc này bướm gamở một


14

góc khơng đổi nhờ lị xo hồi vị, lượng phun nhiên liệu và thời điểm đánh lửa
được điều khiển bởi tín hiệu bàn đạp ga. Cơng suất động cơ bị hạn chế nghiêm
trọng, nhưng chiếc xe vẫn có thể tiếp tục lái. Khi ECU động cơ phát hiện lỗi
trong hệ thống động cơ điều khiển bướm ga, nó sẽ hoạt động như thể cảm biến
vị trí bướm ga khi bị hư hỏng. [1]
Hoạt động dự phòng trong trường hợp cảm biến bàn đạp ga APPS bị

hỏng:

Hình 2.6. Hoạt động dự phịng khi cảm biến APPS bị hỏng

Khi có bất thường về tín hiệu cảm biến bàn đạp ga. Chế độ dự phòng của
ECU sẽ bắt đầu hoạt động. Nếu một trong hai tín hiệu từ cảm biến bàn đạp ga
bị hỏng, hệ thống sẽ điều khiển bướm ga hoạt động trong giới hạn từ vị trí
khơng tải đến vị trí mở là 25% độ mở bướm ga tối đa và giữ cho động cơ hoạt
động. Xe có thể tiếp tục chạy đến trạm sửa chữa. Tuy nhiên, nếu cả tín hiệu
VPA và VPA2 của cảm biến APPS đều bị mất, ECU sẽ nhận biết rằng bàn đạp
ga đang ở vị trí thấp nhất và sẽ điều khiển động cơ hoạt động ở chế độ cầm
chừng.


15

Hình 2.7. Các chế độ dự phịng khi cảm biến APPS bị hỏng
Hoạt động dự phòng trong trường hợp cảm biến bướm ga (TPS) bị
hỏng:
Nếu tín hiệu cảm biến vị trí bướm ga bị mất, hệ thống dự phịng cũng sẽ
bắt đầu hoạt động. Ở trạng thái này, khi nhiệt độ động cơ đạt đến nhiệt độ hoạt
động, tốc độ cầm chừng của động cơ trở nên cao hơn bình thường. Tuy nhiên,
nếu người lái nhấn chân ga sâu, cánh bướm ga sẽ di chuyển. Đồng thời, hệ
thống phun xăng và đánh lửa cũng được điều chỉnh để ECU hoạt động ở chế
độ dự phịng.
Mạch điều khiển bướm ga
Tín hiệu từ cảm biến bàn đạp ga được đưa đến bộ vi xử lý, bộ vi xử lý sẽ
gửi tín hiệu ra để điều khiển mạch công suất làm quay mô tơ cánh bướm ga.
Đồng thời, có tín hiệu phản hồi từ cảm biến vị trí bướm ga để bộ vi xử lý so
sánh nhằm điều khiển cánh bướm ga chính xác hơn. Khi các tín hiệu kiểm sốt

hành trình hoặc kiểm soát lực kéo được truyền đi, bộ vi xử lý cũng sẽ điều khiển
các cánh bướm ga ứng các chế độ đó.


16

Hình 2.8. Sơ đồ khối mạch điều khiển bướm ga điện tử
Tín hiệu từ cảm biến bàn đạp ga được đưa đến bộ vi xử lý, bộ vi xử lý sẽ
gửi tín hiệu ra để điều khiển mạch cơng suất làm quay mơ tơ cánh bướm ga.
Đồng thời, có tín hiệu phản hồi từ cảm biến vị trí bướm ga để bộ vi xử lý so
sánh nhằm điều khiển bướm ga chính xác hơn. Khi các tín hiệu kiểm sốt hành
trình hoặc kiểm sốt lực kéo được truyền đi, bộ vi xử lý cũng sẽ điều khiển các
cánh bướm ga ứng với các chế độ đó.
Tín hiệu tương tự từ cảm biến vị trí bướm ga và cảm biến vị trí bàn đạp
ga được bộ chuyển đổi A/D chuyển thành tín hiệu kỹ thuật số trước khi gửi đến
bộ vi xử lý [2]. Quá trình chuyển đổi được điều khiển bởi sự kết hợp của vi điều
khiển AT89S52 và bộ chuyển đổi ADC0808.
Tín hiệu đầu vào là tín hiệu được chuyển thành tín hiệu số. Sau khi
chuyển đổi sang tín hiệu kỹ thuật số, bộ vi xử lý sẽ so sánh tín hiệu kỹ thuật số
của cảm biến vị trí chân ga với tín hiệu kỹ thuật số của cảm biến vị trí bàn đạp
ga để cho phép bộ vi xử lý điều khiển bướm ga. Nếu có tín hiệu kiểm sốt hành
trình hoặc kiểm sốt độ bám đường trong khi thực hiện việc này, bộ xử lý sẽ
ưu tiên chạy chế độ kiểm sốt hành trình hoặc kiểm sốt độ bám đường. Data1
là tín hiệu kỹ thuật số của cảm biến vị trí bướm ga, và data2 là tín hiệu kỹ thuật
số của cảm biến vị trí bàn đạp ga sau khi được chuyển đổi từ tín hiệu tương tự.