điều khiển tốc độ cầm chừng cho một số động cơ thông dụng tại việt nam

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

Đề tài NCKH Cấp Trường

Lê Quang Vũ

TÓM TẮT
Hiện nay, thị trường ô tô Việt Nam đang có nhiều biến động tích cực. Ngành
công nghiệp ô tô có chiều hướng nhập khẩu xe nguyên chiếc ào ạt nhờ áp dụng mức
thuế mới. Vì thế số lượng xe tăng lên nhanh chóng, nhất là ở các đô thị lớn. Một đặc
điểm của dòng xe nhập khẩu là rất hiếm phụ tùng thay thế và thiếu các cơ sở bảo
dưỡng sửa chữa. Bên cạnh đó, dòng xe này chủ yếu là dòng xe đã qua sử dụng. Vì thế
các hư hỏng và trục trặc kỹ thuật của dòng xe này là rất thường gặp. Trong các hệ
thống của dòng xe này, hệ thống thường gặp trục trặc nhất là hệ thống cầm chừng hay
hệ thống không tải. Nó là một trong ba hệ thống quan trọng nhất trên một chiếc động
cơ xe hơi đời mới. Hệ thống này thường gây ra các hiện tượng trong một thời điểm tức
thời rất khó kiểm tra kỹ thuật như: Òa ga, sượng ga hay tăng tốc đột ngột gây ra những
tai nạn giao thông đáng tiếc. Vì thế việc nhiên cứu phương pháp điều khiển, chế tạo
một hệ thống điều khiển độc lập hợp lý để an toàn hóa hệ thống này khi nó đã gặp trục
trặc là vấn đề cần thiết và đầy ý nghĩa chi dòng xe nhập khẩu đã qua sử dụng ở Việt
Nam hiện nay.
Do thời gian thực hiện đề tài còn hạn chế nên đề tài chỉ mới tập trung nghiên
cứu các vấn đề sau:
- Khảo sát các loại van cầm chừng của một số động cơ thông dụng.
- Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển các loại van cầm chừng.
- Lập trình cho mạch điều khiển tốc độ cầm chừng
- Thử nghiệm hệ thống trên xe lưu hành

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

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

4.1. Thuật toán điều khiển ............................................................. 28
5. Thực nghiệm hệ thống trên động cơ thực ............................................ 34
IV. Kết quả đạt được....................................................................................... 40
1. Tính khoa học ....................................................................................... 40
2. Khả năng triển khai ứng dụng thực tế .................................................. 40
3. Hiệu quả kinh tế, xã hội........................................................................ 40
Phần II Kết luận

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

Trang 2


Đề tài NCKH Cấp Trường

Lê Quang Vũ
PHẦN I

ĐẶT VẤN ĐỀ
I.

ĐỐI TƯNG NGHIÊN CỨU
Một động cơ ơ tơ đời mới hoạt động được bình thường cần có ba hệ thống điều

khiển chính: Hệ thống đánh lửa bằng đện tử, hệ thống phun xăng điều khiển bằng máy
tính và hệ thống đều khiển tốc độ cầm chừng. Cả ba hệ thống này còn được gọi là hệ
thống điều khiển động cơ bằng máy tính. Nếu như hai hệ thống phun xăng và đánh lửa
là điều khiện cần cho động cơ hoạt động thì hệ thống điều khiển tốc độ cầm chừng là
đều khiện đủ. Thiếu nó động cơ vẫn hoạt động được nhưng tạo ra những vấn đề nhất
thời ảnh hưởng đến chế độ hoạt động của động cơ và mức độ an tồn khi xe lưu thơng.

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

thơng số phù hợp với thơng số trong bộ nhớ của chương trình đều khiển. Vì thế sau
một thời gian hoạt động, ECU tự điều chỉnh thơng số để phù hợp với cơ cấu chấp hành
nên trong bộ nhớ của nó cũng có sự thay đổi thơng số này. Vì thế khi động cơ gặp sự
cố về tốc độ cầm chừng là lúc các thơng số đã thay đổi khác xa nhau. Điều này gây ra
một tình trạng là hệ thống cũ khơng thể hoạt động được bình thường mà khi thay mới
phụ tùng cũng khơng thể đáp ứng được thơng số hoạt động cho hệ thống. Vì thế giải
pháp chế tạo một modul rời để điều khiển chế độ cầm chừng cho động cơ là một giải
pháp có thể khắc phục được sự cố này của động cơ xe hơi đời mới.

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

Trang 4


Đề tài NCKH Cấp Trường

Lê Quang Vũ
PHẦN II

GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
I.

MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI
Để giải quyết vấn đề cấp bách và mang tính thời sự đó, đề tài nghiên cứu vấn đề

này nhằm hai mục đích chính:
- Giải quyết sư cố thường gặp và gây ra nhiều hậu quả của hệ thống điều khiển
tốc độ cầm chừng trên động cơ ơ tơ đời mới.
- Chế tạo một hệ thống nhỏ nhằm hồn thiện mạch điều khiển hệ thống điện
động cơ với phương hướng nhắm tới việc chế tạo hồn thiện hộp ECU điều

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

Lê Quang Vũ

Hình 1.1 Vị trí van loại motor bước

a. Cấu tạo:

1-Rotor
2-Stator
3-Van
4-Bệ van
5-Trục van

Hình 1.2 Cấu tạo van loại motor bước

Rotor : gồm một nam châm vĩnh cửu 16 cực. Số cực phụ thuộc vào từng loại
động cơ.
Stator : gồm hai bộ lõi, 16 cực xen kẽ nhau. Mỗi lõi được quấn hai cuộn dây
ngược chiều nhau.
b. Hoạt động
ECU điều khiển chuyển động của van kim bằng cách nối đất liên tục bốn cuộn
dây stato. Mỗi dòng điện gây ra một xung qua các cuộn dây, trục van sẽ di chuyển
một bước. Chiều quay được đảo chiều bằng cách đảo trật tự dòng điện qua các cuộn
dây stato. Với loại rotor và stator 16 cực, cứ mỗi lần dòng điện đi qua các cuộn dây thì
rotor quay được 1/32 vòng. Cụm van bao gồm cuộn dây stator điện, rotor nam châm
vĩnh cửu, van và trục van. Trục van là một trục vít được bắt vít vào trong rôto. Một
Điều khiển tốc độ cầm chừng cho động cơ thông dụng ở Việt Nam

Trang 6

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

Lê Quang Vũ

ISCV loại solenoid quay được lắp đặt vào trong thân bướm gió. Loại van nhỏ,
nhẹ, và có độ tin cậy cao này kiểm soát lượng khí vào và cho phép đi qua van bướm
gió. Vì vậy không cần phải dùng thêm một van khí phụ nào nữa.Theo cách này, thể
tích lượng khí nạp qua đường tắt nạp vào động cơ được thực hiện bằng một van xoay
di động, van này đóng kín hoặc mở lỗ thông dựa vào tín hiệu nhận từ ECU. Mặc dù
các kiểu động cơ cũ vẫn có một vit chỉnh tốc độ không tải, nhưng ngày nay nó không
còn được sử dụng nữa. Iscv loại solenoid quay đáp ứng được lượng không khí lớn nên
nó được dùng để điều khiển tốc độ không tải lạnh nhanh và các loại hệ thống không tải
khác.
a. Cấu tạo

Hình 1.5 Cấu tạo của van xoay

Nam châm vĩnh cửu: Đặt ở đầu trục van có hình trụ. Nó sẽ quay dưới tác
dụng của lực đẩy hay lực kéo của 2 cuộn T1 và T2.
Van: Đặt treo ở tiết diện giữa của trục van. Nó sẽ điều khiển lượng gió đi
qua mạch rẽ. van xoay cùng với trục của nam châm
Cuộn T1 và T2: đặt đối diện nhau, ở giữa là nam châm vĩnh cửu. ECU
nối mass một trong hai cuộn dây để điều khiển đóng mở van
Cuộn lò xo lưỡng kim: Dùng để đóng mở van theo nhiệt độ nước làm
mát khi mạch điều khiển điện không làm việc. Một đầu của cuộn lò xo lưỡng kim
được bắt vào chốt cố định, còn điểm kia bắt vào chấu bảo vệ. trên chấu bảo vệ có một
rãnh, một chốt xoay liền trục với van sẽ đi vào rãnh này. Chốt xoay sẽ không kích hoạt
Điều khiển tốc độ cầm chừng cho động cơ thông dụng ở Việt Nam

Trang 8

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

của một tín hiệu chu trình làm việc nhận từ ECU. ACV có thể cho một lượng khí lớn
đi qua, vì vậy một van không khí cơ khí riêng biệt được sử dụng cho không tải lạnh
Điều khiển tốc độ cầm chừng cho động cơ thông dụng ở Việt Nam

Trang 9


Đề tài NCKH Cấp Trường

Lê Quang Vũ

nhanh của động cơ được trang bị hệ thống này. Kết cấu của van này bao gồm: solenoid
điện, van thường đóng để đóng nhánh khí sạch từ bầu lọc khí đến ống nạp, ECU kiểm
soát van này bằng cách áp dụng một tỉ lệ làm việc đa dạng tần số 10HZ đến solenoid,
làm cho van truyền lượng không khí vào ống góp nạp. Vị trí của van điện từ được xác
định bằng tỉ lệ giữa thời gian dòng điện chạy qua so với thời gian mà nó tắt. Nói theo
cách khác, van mở rộng khi dòng điện chạy lâu hơn trong cuộn dây.

Hình 1.7 Van cầm chừng loại ACV

1.4.

Loại van VSV điều khiển bật tắt

Hình 1.8 Van cầm chừng loại VSV

Hệ thống ISC loại bật tắt van ngắt chân không được điều khiển bởi các tín hiệu
từ ECU hoặc trực tiếp bằng các mạch điện đèn sau và bộ sấy kính cửa sau. VSV được
lắp điển hình trên động cơ (thường là dưới ống góp nạp) hoặc trong khoang động cơ,
điều khiển lượng không khí cố định vào ống góp nạp động cơ. Loại van này thường

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

Đề tài NCKH Cấp Trường
2.1.

Lê Quang Vũ

Các loại cảm biến được sử dụng trong hệ thống

2.1.1. Cảm biến tốc độ động cơ

Cảm biến này báo về tốc độ động cơ để tính toán hoặc tìm góc đánh lửa tối ưu
và lượng nhiên liệu sẽ phun cho từng xy lanh. Cảm biến này cũng được dùng vào mục
đích điều khiển tốc độ cầm chừng hoặc cắt nhiên liệu ở chế độ cầm chừng cưỡng bức.
Có nhiều cách bố trí cảm biến NE trên động cơ: trong delco, trên bánh đà hoặc trên
bánh răng cốt cam. Đôi khi ECU chỉ dựa vào một xung lấy từ cảm biến hoặc IC đánh
lửa để xác định tốc độ động cơ. Cảm biến tốc độ động cơ có nhiều loại khác nhau như:
cảm biến điện từ loại nam châm quay hoặc nam châm đứng yên, cảm biến quang, cảm
biến Hall…
2.1.1.1. Loại cảm biến điện từ
a. Cấu tạo

Hình 2.1 Cảm biến điện từ Toyota

Hình trên trình bày sơ đồ bố trí của cảm biến tốc độ động cơ dạng điện từ trên
xe TOYOTA loại nam châm đứng yên. Cảm biến gồm có rotor để khép kín mạch từ và
cuộn dây cảm ứng mà lõi gắn với một nam châm vĩnh cửu đứng yên. Số răng trên
rotor và số cuộn dây cảm ứng thay đổi tùy thuộc vào loại động cơ. Phần tử phát xung
NE có thể có 4; 24 hoặc sử dụng số răng của bánh đà. ở đây ta xem xét cấu tạo và hoạt
động của bộ tạo tín hiệu NE loại một cuộn dây cảm ứng – rotor 4 răng. Rotor này

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

Đề tài NCKH Cấp Trường

Lê Quang Vũ

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý cảm biến điện từ loại 24 xung

2.1.2. Cảm biến vị trí bướm ga
Cảm biến vị trí cánh bướm ga được lắp trên trục cánh bướm ga. Cảm biến này
đóng vai trò chuyển vị trí góc mở cánh bướm ga thành tín hiệu điên áp gửi về ECU.
Tín hiệu cầm chừng (IDL) dùng để điều khiển phun nhiên liệu khi động cơ hoạt động
ở chế độ cầm chừng cũng như hiệu chỉnh thời điểm đánh lửa. Tín hiệu toàn tải (PSW)
dùng để tăng lượng nhiên liệu phun ở chế độ toàn tải để tăng công suất động cơ. Trên
một số xe, cảm biến vị trí bướm ga còn giúp ECU điều khiển hộp số tự động. Có nhiều
loại cảm biến vị trí bướm ga. Nhưng hiện nay phổ biến nhất là cảm biến bướm ga loại
tuyến tính.
a. Cấu tạo

Hình 2.4 Cảm biến vị trí bướm ga loại có chân IDL

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

Trang 14


Đề tài NCKH Cấp Trường

Lê Quang Vũ

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+

Bộ ổn áp

Cảm
biến
nhiệt độ
nước

Bộ chuyển
đổi A/D

Điện trở chuẩn

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý đo nhiệt độ nước làm mát

Trên sơ đồ ta thấy: Điện áp 5V qua điện trở chuẩn (điện trở này có giá trị không
đổi theo nhiệt độ) tới cảm biến, trở về ECU rồi về mass. Như vậy điện trở chuẩn và
nhiệt điện trở trong cảm biến nhiệt độ nước làm mát tạo thành một cầu phân áp. Điện
áp giữa cầu được đưa đến bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - số.(bộ chuyển đổi ADCanalog to digital converter). Khi nhiệt độ động cơ thấp, giá trị điện trở cảm biến cao và
điện áp gửi đến bộ chuyển đổi ADC lớn. tín hiệu điện áp được chuyển đổi thành một
dãy xung vuông và được giải mã nhờ bộ vi xử lý để thông báo cho ECU biết đông cơ
đang lạnh. Khi động cơ nóng, giá trị điện trở cảm biến giảm kéo theo điện áp đặ giảm,
báo cho ECU biết là động cơ đang nóng.
b. Cấu tạo:
Thường là trụ rỗng có ren ngoài, bên trong có gắn một điện trở dạng bán dẫn có
hệ số nhiệt điện trở âm.
3
1
2
3

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

ADC

CPU

E2
THW

E2

E1

Cảm biến
nhiệt độ nước

Hình 2.8 Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát

d. Đường đặc tuyến:
R (kΩ)
20
10
5
2
1
0.5
0.3
0.2
0.1
- 20

0

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

cánh bướm ga vào động cơ nhằm tăng lượng hỗn hợp để giữ tốc độ cầm chừng khi
động cơ hoạt động ở các chế độ tải khác nhau. Lượng khí tắt này được kiểm soát bởi
một van điện gọi là van điều khiển cầm chừng. Đôi khi biện pháp mở thêm cánh bướm
ga cũng được sử dụng.

Hình 2.10 Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển tốc độ cầm chừng

2.2.2. Các chế độ hoạt động
a. Chế độ khởi động:
Khi động cơ ngưng hoạt động, tức không có tín hiệu tốc độ động cơ gửi đến ECU
thì van điều khiển mở hoàn toàn, giúp động cơ khởi động lại dễ dàng.

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

Trang 18


Đề tài NCKH Cấp Trường

Lê Quang Vũ

b. Chế độ sau khởi động
Nhờ thiết lập trạng thái khởi động ban đầu, việc khởi động dễ dàng và lượng gió
phụ vào nhiều hơn. Tuy nhiên, khi động cơ đã nổ (tốc độ tăng) nếu van vẫn mở lớn
hoàn toàn thì tốc độ động cơ sẽ tăng quá cao. Vì vậy, khi động cơ đạt được một tốc độ
nhất định (phụ thuộc vào nhiệt độ nước làm mát), ECU gửi tín hiệu đến van điều khiển
cầm chừng để đóng từ vị trí mở hoàn toàn đến vị trí được ấn định theo nhiệt độ nước
làm mát.

% độ mở

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

sẽ làm tốc độ cầm chừng của động cơ tụt xuống. Nếu sự chênh lệch tốc độ thật sự của
Điều khiển tốc độ cầm chừng cho động cơ thông dụng ở Việt Nam

Trang 19


Đề tài NCKH Cấp Trường

Lê Quang Vũ

động cơ và tốc độ ổn định của bộ nhớ lớn hơn 20 v/p thì ECU sẽ gửi tín hiệu đến van
điều khiển để tăng lượng khí thêm vào qua đường bypass nhằm mục đích tăng tốc độ
động cơ khoảng 100 v/p. ở những xe có trang bị ly hợp máy lạnh điều khiển bằng
ECU, khi bật công tắc máy lạnh ECU sẽ gởi tín hiệu đến van diều khiển trước để tăng
tốc độ cầm chừng sau đó đến ly hợp máy nén để tránh tình trạng động cơ đang chạy bị
khựng đột ngột
3. Thiết kế, chế tạo mạch đều khiển cầm chừng
3.1. Thiết kế mạch điều khiển
3.1.1. Mạch cấp nguồn:
Mạch cấp nguồn sử dụng ổn áp LM7805. Mức điện áp vào từ ắc quy là
12V, điện áp ra là 05V cấp cho vi điều khiển và Vcc của cảm biến vị trí cánh
bướm ga.

Hình 3.1 Mạch cấp nguồn

Nguồn 12 V lấy từ cọc dương bình ắc quy cho qua diode để bảo đảm an
toàn khi cắm lộn cọc bình. Ở đầu vào ta đặt hai tụ C1 và C3 để dập xung nhọn bảo
đảm an toàn cho ổn áp LM 7805. Tương tự đầu ra ta đặt hai tụ C2 và C4 để chống
nhiễu nguồn. Tụ C3 và C4 là tụ DC có giá trị là 1000 µF và 470 µF. Tụ C1 và C2 là
hai tụ xoay chiều có giá trị 0,1 µ F. Ở đầu ra của mạch có led báo nguồn.

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

5 ×1
=
= 0.874 (V)
R3 + R5 1 + 4.7

Điện áp cầu dưới khi có xung kích là V- với thời điểm khi V- < 4.7 (V) ta có công
thức tính như sau:
V− =

Vk × R1 Vk × 10
=
= 0,9 .Vk (V)
R1 + R2 1 + 10

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

Trang 21


Đề tài NCKH Cấp Trường

Lê Quang Vũ

Như vậy bình thường chân ra của Opamp luôn ở mức logic 1 khi có xung
kích và Vk đạt tới mức mà V- > V+ thì đầu ra của Opamp ở mức logic 0. Ta tính
Vk để Opamp ngắt vi điều khiển
V- > V+
⇔

0,9.Vk > 0.87

⇔

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

Khi công tắc máy chưa bật để khởi động động cơ thì tín hiệu STA là 0V qua
cầu điện trở R1 và R2 đưa vào cực B nên TRANSISTOR C1815 không dẫn, lúc
này tín hiệu đưa về vi điều khiển là từ 5V qua R3 (ở mức 1). Khi bật công tắc máy
thì bắt đầu khởi động động cơ thì tín hiệu STA đưa về lúc này là 12V qua cầu điện
trở R1 và R2 đưa vào cực B làm cho TRANSISTOR C1815 dẫn, lúc này tín hiệu
đưa về vi điều khiển là 0V (ở mức 0) từ mass qua cực E đến cực C và ra vi điều
khiển. Tương tự như mạch xử lý tín hiệu STA thì mạch xử lý tín hiệu IDL cũng
tương tự như vậy cả về nguyên lý và cách thức hoạt động.
3.1.5. Mạch xử lý tín hiệu MGC của công tắc AC

Hình 3.5 Mạch xử lý tín hiệu AC

Khi công tắc AC chưa bật để khởi động máy lạnh thì tín hiệu MGC là 12V
qua cầu điện trở R3 và R2 đưa vào cực B nên TRANSISTOR A1015 không dẫn,
lúc này tín hiệu đưa về vi điều khiển là từ 5V qua R1 (ở mức 1). Khi bật công tắc
AC thì máy lạnh bắt đầu khởi động, tín hiệu MGC đưa về lúc này là 0V qua cầu
Điều khiển tốc độ cầm chừng cho động cơ thông dụng ở Việt Nam

Trang 23


Đề tài NCKH Cấp Trường

Lê Quang Vũ

điện trở R3 và R2 đưa vào cực B làm cho TRANSISTOR A1015 dẫn, lúc này tín
hiệu đưa về vi điều khiển là 0V (ở mức 0) từ mass qua cực E đến cực C và ra vi
điều khiển.
3.1.6. Driver điều khiển các van ISC
a. Mạch điều khiển cho van ISC loại môtơ bước 6 dây và loại cuộn dây

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