nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển phun xăng dùng vi điều khiển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN QUỐC CƯỜNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN PHUN XĂNG
DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN

NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ô TÔ MÁY KÉO - 605246

S K C0 0 0 9 8 7

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2004


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN
PHUN XĂNG DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN
Chuyên ngành: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ ÔTÔ
Mã số ngành: 605246

Họ và tên học viên: KS. Trần Quốc Cường
Người hướng dẫn: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

TP. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2004


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay đa phần các xe ô tô sử dụng động cơ xăng trên thò trường thế giới
đều sử dụng hệ thống phun xăng. Đây là một hệ thống có nhiều ưu điểm so với hệ
thống nhiên liệu sử dụng bộ chế hòa khí như tính kinh tế và tính hiệu quả cao hơn.
Hơn nữa nhờ biện pháp này có thể giảm tối đa lượng khí thải độc hại của động cơ
nhằm giảm mức ô nhiễm môi trường. Hiện nay việc nghiên cứu hệ thống này trên
thế giới đang rất được chú trọng vì các tiêu chuẩn về mức độ khí xả độc hại trên
thế giới ngày càng khắc khe hơn.
Việt nam tuy chưa áp dụng nghiêm khắc tiêu chuẩn về nồng độ ô nhiễm của
khí xả ô tô nhưng sẽ phải bắt buộc áp dụng trong một tương lai gần. Để áp dụng
được các tiêu chuẩn này thì biện pháp tối thiểu là động cơ phải được điều khiển
cấp nhiên liệu tự động theo lập trình. Hiện nay Việt nam chưa có một liên doanh
hay một nhà máy nào có thể sản xuất hoàn chỉnh toàn bộ ô tô kể cả hệ thống điều
khiển nhiên liệu, mà giá thành nhập một hệ thống điều khiển nhiên liệu rất đắt.
Hơn nữa khi các xe đang lưu hành tại Việt nam sử dụng hệ thống này nếu như xảy
ra hư hỏng thì thường phải đặt mua tại hãng với giá rất cao hoặc thay thế bằng các
hệ thống đã qua sử dụng khác đôi khi không đúng loại làm cho tính kinh tế nhiên
liệu, tính hiệu quả và khả năng chống ô nhiễm khí thải không cao.
Luận văn này được hoàn thành trên cơ sở thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu và
chế tạo mạch điều khiển phun xăng theo lập trình bước đầu áp dụng cho động cơ
Susuki sản xuất năm 1996. Đây là loại động cơ 3 xylanh sử dụng hệ thống đánh
lửa trực tiếp và phương pháp điều khiển vòng kín với tiêu chuẩn khí xả khắc khe
chỉ phổ biến ở thò trường Châu âu. Do đó, việc nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển
phun xăng cho loại động cơ này sẽ là cơ sở và là tiền đề cho việc nghiên cứu chế
tạo các loại ECU khác nhau cho các động cơ khác nhau.
Với hơn 100 trang thuyết minh bao gồm 6 chương và 3 phụ lục, luận văn đã
đề cập tới các vấn đề quan trọng trong quá trình thực hiện chế tạo mạch điều khiển

phun xăng theo lập trình. Tuy nhiên việc nghiên cứu chế tạo ECU là một vấn đề
rộng đòi hỏi phải có sự tập hợp của rất nhiều chuyên ngành và có đầy đủ thiết bò
thực nghiệm, mặt khác do trình độ và thời gian có hạn nên luận văn không tránh
khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự góp ý của Thầy Cô và các bạn đồng
nghiệp để đề tài được hoàn thiện hơn.
Trần Quốc Cường

1


TÓM TẮT
Đề tài:
“Nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển phun xăng dùng vi điều khiển”
Nội dung của đề tài được trình bày trong 6 chương:
Chương 1:
Chương dẫn nhập, chương này trình bày lý do chọn đề tài, mục đích nghiên
cứu, đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu.
Chương 2:
Lý thuyết về hệ thống điều khiển phun xăng. Chương này chủ yếu nghiên
cứu về các loại cảm biến, nghiên cứu bộ điều khiển điện tử ECU và các cơ cấu
chấp hành. Ngoài ra, chương này còn trình bày thuật toán điều khiển lập trình cho
động cơ.
Chương 3:
Phương pháp tính toán thời gian mở kim phun trong D-Jetronic : phương pháp
tốc độ – tỷ trọng. Ứng dụng phương pháp này để tính toán lượng phun cơ bản cho
động cơ SUZUKI Cappuccino (SX 306). Phương pháp tính toán các đại lượng hiệu
chỉnh như: hiệu chỉnh thời gian mở kim phun theo nhiệt độ động cơ, theo nhiệt độ
khí nạp,…
Chương 4:
Chọn các linh kiện để chế tạo mạch điều khiển phun xăng bao gồm: vi điều

khiển, bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số ADC, IC, transistor,… Nghiên cứu lý
thuyết vi điều khiển, bộ chuyển đổi AD.
Chương 5:
Xây dựng sơ đồ khối mạch điều khiển phun xăng, thiết kế và chế tạo mạch
điều khiển phun xăng, đồng thời nghiên cứu thuật toán điều khiển phun xăng nhằm
giúp cho quá trình lập trình bằng ngôn ngữ Assembly được dễ dàng.
Chương 6:
Thực nghiệm trên động cơ và hiệu chỉnh các bảng số liệu tính toán trên cơ
sở lý thuyết ở chương 3 nhằm đạt các giá trò tối ưu.
Kết luận và đề nghò

2


ABSTRACT
Subject:
“Design and manufacture fuel injection control module by using
microcontroller”
Chapter 1:
Introduction, reasons for choosing issue, research objectives and research
methodology.
Chapter 2:
Theory of electronic fuel injection control system. Structural analysis of ECU
operations, types of sensors, actuators used in fuel injection system. Besides, this
chapter also provides programmed control algorithm of internal combustion
engine.
Chapter 3:
Method of calculating opening time of injector of D - Jetronic: speed –
density method. Using this method for calculating basic amount of fuel of SUZUKI
Cappuccino (SX 306) engine. How to calculate adjustable quantity such as:

adjustment of opening time of injector according to parameters: water temperature,
intake air temperature, …ect.
Chapter 4:
Collecting component parts for making fuel injection control circuit:
Microcontroller, Analog to Digital Converter (ADC), IC, transistor, …ect. Theory of
microcontroller, AD converter.
Chapter 5:
Constructing block diagram of fuel injection control circuit, designing and
manufacturing it. Besides, studying fuel injection control algorithm in order to write
programme by using Assembly language easily.
Chapter 6:
Testing and adjusting values calculated in chapter 3 in order to get optimal
values.
Conclusion and suggestion for implementation.

3


MỤC LỤC
Lời nói đầu……………………………….……………………………………………………………………………………………………….…1
Tóm tắt…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..2
Mục lục……………………………………………………………………………………………………………………………………………………4
Các chữ viết tắt…………………………………….……………………………………………………………………………………………6
Chương 1: Chương dẫn nhập.………………………………………………………………………………………………………7
1.1 Đặt vấn đề và tầm quan trọng của vấn đề……………………………………………………………7
1.2 Mục đích nghiên cứu……………………………………….……………………………………………………………8
1.3 Đối tượng nghiên cứu…………………………………………………………………………………………………..8
1.4 Phương pháp nghiên cứu……….……………………….……………………………………………………………8
1.5 Giới hạn đề tài…………………………………………………………………………………………………………………9
Chương 2: Hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ ô tô……………………………………….10

2.1 Khái quát về hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ…………………………….10
2.1.1 Lòch sử phát triển………………………………………………………………………………………………10
2.1.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ và
thuật toán điều khiển………………………………………………………………………………………11
2.2 Phân tích các cảm biến tín hiệu vào dùng cho hệ thống điều khiển
lập trình cho động cơ Suzuki cappucino – SX306……………………………………….….15
2.2.1 Những nguyên lý cơ bản và đặc trưng đo lường……………………………………15
2.2.2 Cảm biến áp suất đường ống nạp……………………………………………………………….16
2.2.3 Cảm biến tốc độ động cơ và vò trí piston…………………………………………………20
2.2.4 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ……………………………………….…….24
2.2.5 Cảm biến nhiệt độ khí nạp……………………………………………………………………………27
2.2.6 Cảm biến vò trí bướm ga…………………………………………………………………………………28
2.2.7 Cảm biến ôxy…………………………………………………………………………………………………….30
2.2.8 Tín hiệu máy khởi động…………………………………………………………………………………34
2.3 Các cơ cấu chấp hành…………………………………………………………………………………………………34
2.3.1 Kim phun………………………………………………………………………………………………………………34
2.3.2 van điều khiển tốc độ cầm chừng………………………………………………………………41
2.4 Bộ điều khiển điện tử…………………………………………………………………………………………………43
2.4.1 Phân tích quá trình xử lý tín hiệu của ECU…………………………………………….46
2.4.2 Sự cần thiết của tín hiệu vào cho các xung phun…………………………………49
2.4.3 Các chế độ vận hành vòi phun…………………………………………………………………….51
2.4.4 ECU điều khiển khoảng thời gian phun nhiên liệu…………………………….51
Chương 3: Tính toán điều khiển phun xăng………………………………………………………………………53
3.1 Tính toán độ rộng xung phun cơ bản……………………………………………………………………58
3.2 Hệ số làm đậm quá trình sấy nóng động cơ………………………………………………………61
3.3 Hệ số làm đậm theo nhiệt độ khí nạp………………………………………………………………….62
3.4 Hệ số làm đậm phụ thuộc độ mở bướm ga……………………………………………………….63
4

3.5 Tính toán điều khiển quá trình phun nhiên liệu thời kỳ khởi động lạnh.64
3.6 Điều khiển cho quá trình sau khởi động…………………………………………………………….65
3.7 Điều khiển cho quá trình giảm tốc đột ngột …………………………………………………….65
3.8 Điều khiển cho quá trình tăng tốc đột ngột……………………………………………………….65
3.9 Điều khiển hạn chế tốc độ……………………………………………………………………………………….66
3.10 Điều chỉnh Lambda………………………………………………………………………………………………….66
3.11 Hiệu chỉnh theo điện áp ắc quy…………………………………………………………………………..68
Chương 4: Chọn linh kiện chế tạo mạch điều khiển phun xăng
dùng vi điều khiển………………………………………………………………………………………………….69
4.1 Vi điều khiển…………………………………………………………………………………………………………………69
4.1.1 Giới thiệu khái quát về họ vi điều khiển MSC - 51…………………………..69
4.1.2 Giới thiệu vi điều khiển AT89C52……………………………………………………………70
4.1.3 Bộ đònh thời (timer) và các ngắt……………………………………………………………….79
4.2 Giới thiệu ADC 0809………………………………………………………………………………………………….83
4.2.1 Giới thiệu ADC 0809………………………………………………………………………………………83
4.2.2 Nguyên lý hoạt động………………………………………………………………………………………85
4.2.3 Mạch tạo xung Clock cho ADC 0809………………………………………………………86
4.3 Các linh kiện khác……………………………………………………………………………………………………….86
Chương 5: Chế tạo mạch điều khiển phun xăng…………………………………………………………….88
5.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển phun xăng………………………………………………………………88
5.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển phun xăng………………………………………………….90
5.3 Sơ đồ mạch in và bố trí linh kiện…………………………………………………………………………..92
5.3.1 Sơ đồ mạch in…………………………………………………………………………………………………….92
5.3.2 Sơ đồ bố trí linh kiện……………………………………………………………………………………….93
5.4 Thuật toán điều khiển phun xăng………………………………………………………………………….93
Chương 6: Thí nghiệm tạo số liệu cho hoạt động
của mạch điều khiển phun xăng (ECU)……………………………………………………….95
6.1 Giới thiệu động cơ……………………………………………………………………………………………………….95
6.2 Tạo đường đặc tính phun thời kỳ khởi động………………………………………………………97
6.3 Tạo các bảng số liệu phun thời kỳ chạy ổn đònh…………………………………………….97

6.3.1 Độ rộng xung phun cơ bản…………………………………………………………………………….97
6.3.2 Hiệu chỉnh theo nhiệt độ động cơ……………………………………………………………98
6.4 Một số hình ảnh thực nghiệm………………………………………………………………………………98
6.5 Phân tích khí xả ở chế độ không tải…………………………………………………………………..104
Phụ lục A………………………………………………………………………………………………………………………………………….105
Phụ lục B………………………………………………………………………………………………………………………………………….109
Phụ lục C………………………………………………………………………………………………………………………………………….112
Kết luận và đề nghò..............................................................................................124
Tài liệu tham khảo……………………………………………………………………………………………………………………..126

5


CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ADC : Analog to Digital Converter.
: Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số.
ĐCT : Điểm chết trên.
ECU : Electronic Control Unit.
: Bộ điều khiển điện tử.
EFI

: Electronic Fuel Injection.
: Phun nhiên liệu điều khiển bằng điện tử.

EGR : Exhaust Gas Recirculation.
: Lưu hồi khí thải.
EPA : Environmental Protection Agency.
: Cơ quan bảo vệ môi trường.
IDL

: Idle.
: Không tải.

ISC

: Idle Speed Contol.
: Điều khiển tốc độ cầm chừng.

ISCV : Idle Speed Control Valve.
: Van điều khiển tốc độ cầm chừng.
NTC : Negative Temperature Co-efficient.
: Hệ số nhiệt điện trở âm.
PIM : Pressure Intake Mannifold.
: p suất đường ống nạp.
PSW : Power Switch.
: Tiếp điểm toàn tải.
TDC : Top Dead Center.
: Điểm chết trên.
VTA : Voltage Throttle Angel.
: Điện áp báo góc quay của bướm ga.

6


Chương 1

CHƯƠNG DẪN NHẬP
1.1 Đặt vấn đề và tầm quan trọng của vấn đề:
Đã hơn 118 năm kể từ khi chiếc ô tô đầu tiên trên thế giới ra đời, đến nay ô
tô đã trở thành một phương tiện vận chuyển cần thiết không gì thay thế được trong

xã hội loài người. So với các phương tiện giao thông khác, ô tô có vò trí vô cùng
quan trọng vì tỉ lệ hành khách tham gia giao thông bằng đường bộ cao hơn hẳn so
với các loại phương tiện giao thông khác, hằng năm tỷ lệ tăng trưởng trong sản
xuất ôtô đạt xấp xỉ 3%.
Trên thế giới hiện nay ô tô được tập trung vào sản xuất ở 14 nước, sản lượng
của các công ty này chiếm trên 60% lượng ô tô trên toàn thế giới. Các công ty này
là: General, Motor, Ford, Toyota, Nissan, Honda, Misubishi….
Ở Việt nam hiện có 12 liên doanh lắp ráp ô tô và 39 doanh nghiệp sản xuất
lắp ráp trong nước chuyên lắp ráp 2 dòng xe du lòch và thương mại. Năm 2002
ngành sản xuất ô tô trong nước đã sản xuất và tiêu thụ 28.232 xe ô tô các loại, tăng
54,37% so với năm trước, trong đó các liên doanh nước ngoài chiếm 24.550 chiếc.
Đến quý 3 năm 2003, ngành đã sản xuất và tiêu thụ tổng cộng 28.8038 xe ô tô các
loại, trong đó liên doanh nước ngoài chiếm 22.699 chiếc. (Số liệu do Cục đăng
kiểm Việt nam cung cấp).
Như vậy theo thời gian nhất là ở vào thời điểm này, khi mà nền kinh tế nước
ta đang trên đà phát triển và đang trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa đất
nước thì vấn đề xe ôtô gia tăng nhanh là một vấn đề cần quan tâm.
Như chúng ta đã biết, hiện nay phần lớn các ô tô sử dụng ở Việt Nam và
trên thế giới đều được trang bò hệ thống điều khiển điện tử để điều khiển các hoạt
động của ô tô như : điều khiển phun xăng, điều khiển đánh lửa, điều khiển hệ
thống phanh ABS, điều khiển hộp số, điều khiển hệ thống treo… nhằm mục đích
thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng cũng như các tiêu chuẩn về
môi trường. Tuy nhiên, cùng với sự tăng trưởng về số lượng và chất lượng của ô tô
đã làm nảy sinh một vấn đề mới đối với ôtô sử dụng hệ thống phun xăng điện tử ở
Việt nam đó là:
 Các xe ôtô sau một thời gian sử dụng có thể bò hư hỏng hộp điều khiển
điện tử ECU hay đều bò dư xăng hoặc thiếu xăng do các nguyên nhân
gây ra ở trong ECU (nếu thay mới giá thành rất đắt, trong khi ở Việt nam
chưa chế tạo được hộp điều khiển điện tử ECU). Dẫn đến tình trạng động

7


cơ không hoạt động được hoặc làm giảm tính kinh tế nhiên liệu và làm ô
nhiễm môi trường xung quanh.
 Ô nhiễm do khí thải từ ô tô đã trở thành nguồn ô nhiễm chính đối với
môi trường sống hiện nay, đặc biệt là ở các thành phố lớn điều này càng
nghiêm trọng.
 Giá thành phụ tùng thay thế, đặc biệt là hộp ECU khá đắt.
Chính từ các nguyên nhân trên và được sự hướng dẫn của Thầy PGS. TS Đỗ
Văn Dũng mà người nghiên cứu chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển
phun xăng theo lập trình” nhằm mục đích nghiên cứu chế tạo và tiến tới chế tạo
hoàn chỉnh để thay thế các ECU đã bò hư hỏng trên ô tô, làm cơ sở để nghiên cứu
chế tạo các mạch điều khiển điện tử khác và góp phần vào việc thực hiện ước mơ
một ngày nào đó Việt nam sẽ tự mình sản xuất được ô tô.
1.2 Mục đích nghiên cứu:
Thực hiện đề tài ‚Nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển phun xăng theo lập
trình‛ nhằm giúp cho người thực hiện đề tài có điều kiện ứng dụng những kiến
thức đã được trang bò ở nhà trường, đồng thời có cơ hội để tìm hiểu những kiến
thức mới như lập trình hợp ngữ cũng như thực hành về Vi điều khiển…
Sản phẩm của đề tài có thể ứng dụng rộng rãi, trước mắt là phục vụ cho
học viên, sinh viên ngành cơ khí động lực nghiên cứu về Vi điều khiển, chuyển
đổi A/D… Nếu phát triển đề tài hoàn chỉnh (bao gồm cả điều khiển đánh lửa theo
lập trình), sẽ tạo ra một sản phẩm hữu dụng trong ngành ôtô Việt Nam.
1.3 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu đề tài này là hệ thống điều khiển điện tử gồm các
thiết bò cảm biến liên tục đo các điều kiện vận hành của động cơ, bộ điều khiển
điện tử ECU (Electronic Control Unit) đánh giá các tín hiệu cảm biến , sử dụng các
bảng dữ liệu và thực hiện các tính toán nhằm xác đònh tín hiệu ra cho các thiết bò
tác động. Đồng thời nghiên cứu các bộ phận và linh kiện điện tử như : chip AT

89C52, chuyển đổi ADC, transistor… nhằm lắp ráp hoàn chỉnh mạch điện tử thay
thế cho ECU để điều khiển phun xăng theo lập trình.
1.4 Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển phun xăng theo lập trình dựa trên cơ sở
nghiên cứu:
 Nghiên cứu cấu tạo và mạch điện các cảm biến tín hiệu vào như : cảm biến
tốc độ động cơ, cảm biến áp suất đường ống nạp, cảm biến nhiệt độ khí nạp,
cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến ô-xy, cảm biến vò trí bướm ga…

8


 Lý thuyết về hệ thống điều điều khiển phun xăng, cơ sở tính toán lượng
nhiên liệu phun cơ bản và các hệ số làm đậm trong các điều kiện vận hành
của ôtô.
 Trên cơ sở nghiên cứu như nêu trên, tiếp tục nghiên cứu các bộ phận, linh
kiện điện tử và ngôn ngữ lập trình assembly.
 Thực nghiệm: lắp đặt trên board và viết chương trình thử nghiệm.
1.5 Giới hạn đề tài:
Do các chủng loại động cơ khác nhau có kết cấu khác nhau như : sử dụng
cảm biến đo tốc độ, cảm biến đo lưu lượng gió,… khác nhau và dung tích xy lanh
khác nhau nên không thể nào dùng chung một ECU cho các loại động cơ khác
nhau. Do đó, được sự cho phép của Thầy hướng dẫn nên người thực hiện đề tài chỉ
nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển phun xăng cho một loại động cơ cụ thể –
động cơ SUZUKI Cappuccino (SX 306).

9


Chương 2

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH
CHO ĐỘNG CƠ Ô TÔ
Trong chương này giới thiệu một số nét về hệ thống điều khiển tự động
động cơ và đề cập đến những lý thuyết cơ bản về phần cứng khi thiết kế ECU. Bao
gồm việc phân tích các cảm biến, dạng tín hiệu của cảm biến, cơ cấu chấp hành,
phân tích quá trình xử lý tín hiệu trong ECU, các biến đổi của đầu vào và các biến
đổi của đầu ra trong ECU từ đó lấy cơ sở cho việc tìm chọn linh kiện và thiết kế
phần cứng một cách phù hợp đảm bảo ổn đònh cho quá trình làm việc của ECU.
2.1 Khái quát về hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ ô tô
2.1.1 Lòch sử phát triển
Vào thế kỷ 19, một kỹ sư người Pháp ông Stevan đã nghó ra cách phun nhiên
liệu cho một máy nén khí. Sau đó một thời gian, một người Đức đã cho phun nhiên
liệu vào buồng cháy nhưng không mang lại hiệu quả nên không được thực hiện .
Đầu thế kỷ 20, người Đức áp dụng hệ thống phun nhiên liệu trong động cơ 4 thì
tónh tại (nhiên liệu dùng trên động cơ này là dầu hỏa nên hay bò kích nổ và hiệu
suất rất thấp). Tuy nhiên sau đó sáng kiến này đã được ứng dụng thành công trong
việc chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu cho máy bay ở Đức. Đến năm 1966,
hãng BOSCH đã thành công trong việc chế tạo hệ thống phun xăng kiểu cơ khí.
Trong hệ thống phun xăng này, nhiên liệu được phun liên tục vào trước supap hút
nên có tên gọi là K-Jetronic (K – Konstant – liên tục, Jetronic – phun). K – Jetronic
được đưa vào sản xuất và ứng dụng trên các xe của hãng Mercedes và một số xe
khác, là nền tảng cho việc phát triển hệ thống phun xăng thế hệ sau như KE –
Jetronic, Mono – Jetronic, L – Jetronic, Motronic,…
Tên tiếng Anh của K – Jetronic là CIS (Continuous Injection System) đặc
trưng cho các hãng xe Châu u và có 4 loại cơ bản cho CIS là: K – Jetronic, K –
Jetronic với cảm biến ôxy và KE – Jetronic (có kết hợp điều khiển bằng điện tử)
hoặc KE – Motronic (kèm điều khiển góc đánh lửa sớm). Do hệ thống phun cơ khí
còn nhiều nhược điểm nên đầu những năm 80, BOSCH đã cho ra đời hệ thống phun
sử dụng kim phun điều khiển bằng điện. Có hai loại: hệ thống L – Jetronic (lượng

nhiên liệu được xác đònh nhờ cảm biến đo lưu lượng khí nạp) và D – Jetronic
(lượng nhiên liệu được xác đònh dựa vào áp suất trên đường ống nạp).
Đến năm 1984 người Nhật (mua bản quyền của BOSCH) đã ứng dụng hệ
thống phun xăng L – Jetronic và D – Jetronic trên các xe của hãng Toyota (dùng

10


với động cơ 4A – ELU). Đến năm 1987 hãng Nissan dùng L – Jetronic thay cho bộ
chế hòa khí của xe Nissan Sunny.
Song song với sự phát triển của hệ thống phun xăng, hệ thống điều khiển
đánh lửa theo chương trình (ESA – Electronic Spark Advance) cũng được đưa vào sử
dụng vào những năm đầu thập kỷ 80. Sau đó vào đầu những năm 90, hệ thống
đánh lửa trực tiếp (DIS – Direct Ignition Sys tem) ra đời, cho phép không sử dụng
delco và hệ thống này đã có mặt trên hầu hết các xe thế hệ mới.
Ngày nay, gần như tất cả các ô tô đều được trang bò hệ thống điều khiển
động cơ cả xăng và diesel theo lập trình, chúng giúp động cơ đáp ứng được các yêu
cầu gắt gao về khí xả và tính tiết kiệm nhiên liệu. Thêm vào đó, công suất động cơ
cũng được cải thiện rõ rệt.
Những năm gần đây, một thế hệ mới của động cơ phun xăng đã ra đời. Đó là
động cơ phun trực tiếp: GDI (Gasoline Direct Injection). Trong tương lai gần, chắc
chắn GDI sẽ được sử dụng rộng rãi.

 Ưu điểm của hệ thống phun xăng:
-

Có thể cấp hỗn hợp khí – nhiên liệu đồng đều đến từng xylanh.

-

Có thể đạt được tỷ lệ khí – nhiên liệu chính xác với tất cả các dải tốc độ
động cơ.

-

Đáp ứng kòp thời với sự thay đổi góc mở bướm ga.

-

Khả năng hiệu chỉnh hỗn hợp khí - nhiên liệu dễ dàng: có thể làm đậm
hỗn hợp khi nhiệt độ thấp hoặc cắt nhiên liệu khi giảm tốc.

-

Hiệu suất nạp hỗn hợp không khí – nhiên liệu cao.

-

Do kim phun được bố trí gần supap hút nên dòng khí nạp trên ống góp
hút có khối lượng thấp (chưa trộn với nhiên liệu) sẽ đạt tốc độ xoáy lốc
cao, nhờ vậy, nhiên liệu sẽ không còn thất thoát trên đường ống nạp và
hòa khí sẽ được trộn tốt hơn.

2.1.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển lập trình động cơ và thuật toán điều
khiển
2.1.2.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ
Hệ thống điều khiển lập trình động cơ là một hệ thống điều khiển động cơ
bằng điện tử và chương trình điều khiển đã được lập trình sẵn nhằm cung cấp một
lượng nhiên liệu và một góc đánh lửa sớm tối ưu cho quá trình làm việc của động
cơ. Hệ thống có thể được chia thành 3 phần với 3 chức năng khác nhau gồm:

11


 Các cảm biến tín hiệu đầu vào (Input sensors) giúp ECU nhận biết tình trạng
hoạt động của động cơ. Các tín hiệu vào bao gồm: tín hiệ u áp suất đường ống nạp
mang thông tin về áp suất đường ống nạp từ đó dựa vào tốc độ động cơ và nhiệt độ
khí nạp ECU sẽ tính ra được lượng không khí nạp và lượng xăng phun cơ bản. Tín
hiệu nhiệt độ nước mang thông tin về nhiệt độ của động cơ, nhiệt độ khí nạp cho
ECU biết nhiệt độ của không khí, đây chính là thông tin về mật độ khí nạp. Tín
hiệu vò trí piston cho ECU biết vò trí ĐCT của máy chuẩn. Tín hiệu số vòng quay
giúp ECU tính toán lượng nhiên liệu phun và điều chỉnh thời điểm đánh lửa.Tín
hiệu vò trí bướm ga cho ECU biết động cơ đang làm việc ở chế độ tải nào và cho
ECU biết thời điểm tăng tốc. Tín hiệu khởi động cho ECU biết phải phun xăng theo
chế độ khởi động. Tín hiệu bật điều hòa cho ECU biết thời điểm cần tăng tốc độ
cầm chừng.

 ECU - Bộ điều khiển điện tử (hay Microcomputer) là bộ não của hệ thống điều
khiển động cơ, là bộ phận thu nhận thông tin từ các cảm biến tín hiệu đầu vào, xử
lý chúng và đưa ra các tín hiệu điều khiển các bộ tác động dựa trên cấu trúc
chương trình đã được cài đặt sẵn trong EEPROM của ECU.

12


Sử dụng máy vi tính (microcomputer) đã đưa khoa học điều khiển động cơ
sang thời kỳ rất hiện đại bằng việc gia tăng tốc độ xử lý thông tin nên cho phép hệ
thống điều khiển động cơ điều khiển nhiều chức năng của động cơ. Với khả năng
xử lý thông tin cực kỳ nhanh cho phép các ECU hiện đại thực hiện chương trình đã
được cài đặt sẵn một cách cực kỳ chính xác. Với bất kỳ điều kiện hoạt động nào

của động cơ, ECU đều có thể đưa ra các tín hiệu điều khiển phun nhiên liệu và
đánh lửa là tối ưu.

 Ngõ ra (outputs) là các cơ cấu chấp hành (actuators) như kim phun, bobine, van
điều khiển cầm chừng,… nhận tín hiệu điều khiển từ ECU để phun nhiên liệu, đánh
lửa, chỉnh tốc độ cầm chừng,… sao cho phù hợp nhất,
2.1.2.2 Thuật toán điều khiển lập trình
Thuật toán điều khiển lập trình cho động cơ được nhà chế tạo viết và cài đặt
sẵn trong CPU. Tuỳ thuộc vào từng chế độ làm việc hay tình trạng động cơ, mà
ECU tính toán dựa trên lập trình có sẵn đó để đưa ra những tín hiện điều khiển sao
cho động cơ làm việc tối ưu nhất. Các hệ thống điều khiển kiểu cổ điển trên ô tô
thường được thiết kế với liên hệ ngược (feedback control). Mặc dù trong một hệ
thống điều khiển có nhiều thông số phụ thuộc, đầu tiên ta hãy xem xét hệ thống
với một thông số. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống này được trình bày như hình 2.2.

Thông số điều khiển xuất hiện ở đầu ra được ký hiệu (t). Tín hiệu so R(t)
đã được đònh sẵn. Cảm biến sẽ đưa ra tín hiệu V t  tỉ lệ thuận với (t), tức là:
V t  ks . t 

Khi đó sẽ xuật hiện sự chênh lệch điện thế giữa tín hiệu thực và tín hiệu so
Ve(t):
Ve  t   R  t   V  t 

Nếu hệ thống làm việc lý tưởng thì giá trò Ve(t) trong một khoảng thời gian
nào đó (ví dụ ở chế độ động cơ đã ổn đònh) phải bằng 0. Trên thực tế giữa 2 tín
hiệu nêu trên luôn có sự chênh lệch và mạch điện điều khiển điện tử sẽ dựa vào sự
chênh lệch này để hình thành xung Va(t) điều khiển cơ cấu chấp hành (chẳng hạn

13

kim phun). Việc thay đổi sẽ tác động đến thông số đầu vào U(t) của động cơ (ví dụ
tỉ lệ hòa khí).
Ngày nay, có rất nhiều phương pháp điều khiển động cơ dựa trên cơ sở sử
dụng máy tính để xử lý tín hiệu. Thông thường các máy tính này giải bài toán tối
ưu có điều kiện biên để điều khiển động cơ. Mục tiêu của bài toán tối ưu là điều
khiển động cơ đạt công suất lớn nhất với mức tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất trong
các điều kiện giới hạn về độ độc hại của khí thải. Như vậy ta có thể biểu diễn hệ
thống điều khiển ô tô tối ưu trong mối quan hệ của 3 vectơ sau:
y  y1, y2 , y3 , y4 ;
u  u1, u2 , u3 , u4 , u5 ;

x  x1, x2 , x3 ;

Vec tơ y(t) là hàm phụ thuộc vào các thông số ở ngõ ra bao gồm các thành
phần sau:
y1 xt , ut  : tốc độ tiêu hao nhiên liệu.
y2 xt , ut  : tốc độ phát sinh HC.
y3 xt , ut  : tốc độ phát sinh CO.

y4 xt , ut  : tốc độ phát sinh NOx.

Vectơ x(t) mô tả tình trạng của động cơ tức điều kiện hoạt động , phụ thuộc
vào các thông số:
x1: áp suất trên đường ống nạp.
x2: tốc độ quay của trục khuỷu.
x3: tốc độ xe.
Vectơ u(t) mô tả các thông số được hiệu chỉnh bởi hệ thống điện tử , bao
gồm các thành phần:
u1: tỉ lệ khí-nhiên liệu trong hòa khí (AFR – air fuel ratio).

u2: góc đánh lửa sớm.
u3: sự lưu hồi khí thải (EGR-Exhaust Gas Recirculation).
u4: vò trí bướm ga.
u5: tỉ số truyền của hộp số.
Để giải bài toán tối ưu nêu trên với các điều kiện biên, người ta xác đònh
mục tiêu tối ưu là lượng tiêu hao nhiên liệu F theo chu trình thử EPA Environmental Protection Agency :
14


T

F   y1 xt , u t d t 
0

Trong đó:
x3(t) là tốc độ xe quy đònh khi thử nghiệm xác đònh thành phần khí thải theo
chu trình EPA, T là thời gian thử nghiệm. Như vậy, động cơ đốt trong sẽ được điều
khiển sao cho F luôn đạt giá trò nhỏ nhất với điều kiện biên là quy đònh của các
nước về nồng độ các chất độc hại trong khí thải.
T

 y  x  t  , u t   dt  G

T

0

0

2

2

 y  x  t  , u t   dt  G
3

3

T

 y  x  t  , u t   dt  G
4

4

0

Trong đó: G2, G3, G4 hàm lượng chất độc trong khí xả theo qui đònh tương
ứng với HC, CO vàNOX. Trong quá trình xe chạy, các vectơ x(t), u(t) là các thông
số động. Khi giải bài toán tối ưu nêu trên, ta cũng có thể đặt ra các giới hạn của
vectơ này.
Trên thực tế, các kết quả tối ưu thường được xác đònh bằng thực nghiệm và
được nạp vào bộ nhớ EEPROM dưới dạng bảng tra ( look-up table).
2.2 Phân tích các cảm biến tín hiệu vào dùng cho hệ thống điều khiển lập trình
cho động cơ SUZUKI Cappuccino - SX 306
2.2.1 Những nguyên lý cơ bản và các đặc trưng đo lường
Các đại lượng vật lý là đối tượng đo lường như nhiệt độ, áp suất… được gọi là
các đại lượng cần đo m1, m2, m3, … Sau khi tiến hành các công đoạn thực nghiệm để
đo m1, m2, m3, … ta nhận được đại lượng điện tương ứng ớ đầu ra. Đại lượng điện
này cùng với sự biến đổi của nó chứa đựng tất cả các thông tin cần thiết để nhận

biết m1, m2, m3, …. Việc đo đạc mi thực hiện được là nhờ sử dụng các cảm biến.
Cảm biến là một thiết bò chòu tác động của đại lượng cần đo m không có tính
chất điện và cho ta một đặc trưng mang bản chất điện (như điện tích, điện áp, dòng
điện hoặc trở kháng) ký hiệu là s. Đặc trưng điện s là hàm của đại lượng cần đo m
s = f(m)
Trong đó s là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến và m là đại
lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo). Việc đo đạc s cho
phép nhận biết giá trò của m

15


Đại lượng cần đo
(m)

Cảm biến

Đại lượng điện
(s)

Một trong những vấn đề quan trọng khi sử dụng cảm biến là làm sao cho độ
nhạy của chúng không đổi nghóa là độ nhạy ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố như
giá trò đại lượng cần đo m (độ tuyến tính), tần số thay đổi của nó (dải thông), thời
gian sử dụng (độ lão hóa) và ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải
là đại lượng đo) của môi trường xung quanh.
Vì cảm biến là một phần tử của mạch điện, nên có thể coi cảm biến như một
máy phát trong đó s là điện tích, điện áp hay dòng và như vậy ta có cảm biến loại
tích cực gọi tắt là cảm biến tích cực như cảm biến áp suất đường ống nạp,cảm biến
thời điểm G, NE, kích nổ… Như một trở kháng, trong đó s là điện trở, độ tự cảm
hoặc điện dung, trường hợp này ta có cảm biến loại thụ động gọi tắt là cảm biến

thụ động như cảm biến nhiệt độ nước, nhiệt độ khí nạp…
Khi dùng cảm biến để xác đònh một đại lượng cần đo, không phải chỉ có một
đại lượng này tác động lên cảm biến. Trên thực tế ngoài đại lượng cần đo còn có
nhiều đại lượng vật lý khác có thể gây tác động ảnh hưởng đến tín hiệu đo. Những
đại lượng như vậy gọi là đại lượng ảnh hưởng hoặc đại lượng gây nhiễu .
Sai số phép đo là hiệu số giữa giá trò thực và giá trò đo được. Sai số phép đo
chỉ có thể được đánh giá một cách ước tính bởi vì không thể biết giá trò thực của đại
lượng cần đo. Khi đánh giá sai số thường phân làm hai loại bao gồm sai số hệ
thống và sai số ngẫu nhiên. Ví dụ như ta đo một đại lượng đã biết trước giá trò thực
của nó, nếu như giá trò trung bình của các giá trò đo được luôn lệch khỏi giá trò thực
không phụ thuộc vào số lần đo liên tiếp thì ta nói trong trường hợp này có sai số hệ
thống. Còn sai số ngẫu nhiên của phép đo là sai số mà sự xuất hiện cũng như dấu
và biên độ của chúng mang tính không xác đònh. Một số nguyên nhân của sai số
ngẫu nhiên có thể dự đoán được nhưng độ lớn của chúng thì không thể biết trước.
Dưới đây ta sẽ xét và đánh giá riêng các đại lượng trên của từng loại cảm
biến sử dụng trong hệ thống điều khiển động cơ bằng điện tử của động cơ SUZUKI
Cappuccino - SX 306
2.2.2 Cảm biến áp suất đường ống nạp (MAP sensor - Manifold Absolute
Pressure)
Cảm biến này (đôi khi còn gọi là bộ cảm biến chân không) được dùng trên
động cơ trang bò hệ thống phun xăng kiểu D-jetronic, đặt ở phía đầu đường chân
không hướng thẳng đến đường ống nạp (hình 2.3), đo thể tích khí nạp một cách
gián tiếp thông quasự thay đổi áp suất tuyệt đối, là hàm của tải động cơ.
Cảm biến MAP có 3 loại là loại áp kế điện, loại điện dung và loại sai lệch
từ tính. Phần này trình bày loại áp kế điện.

16


Hình 2.3 Cảm biến áp suất đường ống nạp

Loại cảm biến này dựa trên nguyên lý cầu Wheatstone. Mạch cầu
Wheatstone được sử dụng trong thiết bò nhằm tạo ra một điện thế phù hợp với sự
thay đổi điện trở.
Cảm biến bao gồm một tấm silicon nhỏ (hay gọi là màng ngăn) dày hơn ở
hai mép ngoài (khoảng 0,25 mm) và mỏng ở giữa (khoảng 0,025 mm). Hai mép
được làm kín cùng với mặt trong của tấm silicon tạo thành buồng chân không trong
cảm biến. Mặt ngoài tấm silicon tiếp xúc với áp suất đường ống nạp. Hai mặt của
tấm silicon được phủ thạch anh để tạo thành điện trở áp điện (Piezoresistor).

Khi áp suất trong đường ống nạp thay đổi, giá trò của điện trở áp điện sẽ
thay đổi. Các điện trở áp điện được nối thành cầu Wheatstone. Khi màng ngăn
17


không bò biến dạng (tương ứng với trường hợp động cơ chưa hoạt động hoặc tải
lớn), tất cả bốn điện trở áp điện đều có giá trò bằng nhau và lúc đó không có sự
chênh lệch điện áp giữa hai đầu cầu. Khi áp suất đường ống nạp giảm, màng
silicon bò biến dạng dẫn đến giá trò điện trở áp điện cũng bò thay đổi và làm mất
cân bằng cầu Wheatstone. Kết quả là giữa hai đầu cầu sẽ có sự chênh lệch điện áp
và tín hiệu này được khuếch đại để điều khiển mở transistor ở ngõ ra của cảm biến
có cực C treo. Độ mở của transistor phụ thuộc vào áp suất đường ống nạp dẫn tới
sự thay đổi điện áp báo về ECU qua chân PIM (Pressure Intake Manifold).

Sơ đồ nối dây từ cảm biến đến ECU như hình 2.4. Khi áp suất đường ống
nạp tăng (gần đến áp suất khí quyển) tín hiệu điện áp PIM tăng theo tỷ lệ tương
ứng.
Tín hiệu cảm biến này được sử dụng như là đầu vào cho điều khiển nhiên
liệu và đánh lửa trong hệ thống điều khiển động cơ đốt trong. Trong hệ thống hiệu
chỉnh theo tốc độ thì việc sử dụng cảm biến áp suất hay được sử dụng hơn là cảm
biến lưu lượng khí nạp MAF (Mass Air Flow), bởi vì nó rẻ hơn. Do có độ chính xác

cao nên ngày càng có nhiều nhà máy sản xuất sử dụng cảm biến lưu lượng MAF
trong các loại xe đời mới.
Đặc tính của cảm biến MAP như hình 2.5.
Dãi sai số của cảm biến áp suất MAP là 1% trong dãi nhiệt độ làm việc của
động cơ, sai số có thể tăng lên khi nhiệt độ vượt giá trò tới hạn và được mô tả bởi
18


đường đặc tính hình 2.6.
Sai số của cảm biến áp suất cũng tăng khi giá trò áp suất nằm ngoài khoảng
cho phép được mô tả bởi đường đặc tính hình 2.7.
Ngoài sai số do nhiệt độ hay áp suất nằm ngoài khoảng thì kết quả đo giá trò
áp suất của ECU luôn luôn tồn tại sai số. Trong đó bao gồm sai số hệ thống và sai
số ngẫu nhiên.

Trong trường hợp này, sai số hệ thống có thể được bỏ qua bởi vì kết quả đo
không phải được thông báo ra cho người sử dụng mà phục vụ ngay cho việc tính
toán của ECU. Việc tính toán này được lập trong quá trình thí nghiệm trên chính
phần cứng của ECU với chính loại cảm biến này do đó nếu có tồn tại sai số hệ
thống thì giá trò tính ra trong quá trình thí nghiệm cũng theo sai số này và giá trò
tính ra trong quá trình chạy ổn đònh cũng được tính theo sai số này. Điều đó dẫn tới
sai số này không ảnh hưởng tới kết quả tính toán của ECU. Sai số này sẽ gây ảnh
hưởng nếu như chúng ta dùng phần tính toán này cho một ECU có phần cứng khác
với phần cứng của ECU thí nghiệm. Sai số ngẫu nhiên là sai số mà sự xuất hiện
cũng như dấu và biên độ của chúng mang tính không xác đònh. Đối với cảm biến
áp suất thì việc xuất hiện sai số ngẫu nhiên trong kết quả đo của ECU là không
tránh khỏi nếu như ta không có biện pháp khắc phục, và sai số này sẽ gây ảnh
hưởng rất lớn đến quá trình tính toán lượng phun nhiên liệu. Để hiểu rõ hơn về sai
số ngẫu nhiên của cảm biến áp suất ta xét đườn g đặc tính làm việc của cảm biến
áp suất ở hình 2.8.

19


Hình 2.8 biểu diễn biến thiên
điện áp của cảm biến áp suất trên
đường ống nạp trong thời kỳ giảm
tốc. Sự biến thiên của tín hiệu là do
sự thay đổi áp suất trong đường ống
nạp mỗi khi xupáp nạp của một trong
các xy lanh mở. Đặc điểm của mạch
chuyển đổi A/D (Analog to Digital
converter) là thường được lấy mẫu tại
một thời điểm. Đối với cảm biến áp
suất nếu lấy mẫu tại một thời điểm sẽ
gây ra sai số do mạch chuyển đổi
không thể xác đònh được thời điểm
nào là thời điểm đúng vào giá trò
trung bình của tín hiệu. Ví dụ tại chu
kỳ lấy mẫu thứ nhất có thể sẽ đúng vào giá trò max, tại chu kỳ lấy mẫu tiếp theo
rất có thể sẽ rơi vào giá trò min điều đó sẽ gây cho ECU tính toán lượng nhiên liệu
không thể chính xác và nhiên liệu phun ra không đều. Đây chính là nguyên nhân
gây sai số ngẫu nhiên của giá trò áp suất. Nếu như không có biện pháp loại trừ sai
số này thì ECU sẽ không thể làm việc ổn đònh được.
2.2.3 Cảm biến tốc độ động cơ và vò trí piston
Cảm biến tốc độ động cơ (Engine speed; crankshaft angle sensor hay còn gọi
là tín hiệu NE) dùng để báo tốc độ động cơ để ECU tính toán lượng nhiên liệu phun
và góc đánh lửa tối ưu cho từng xilanh. Cảm biến này còn dùng cho mục đích điều
khiển tốc độ cầm chừng hoặc cắt nhiên liệu ở chế độ cầm chừng cưỡng bức.
Cảm biến vò trí piston (TDC sensor hay còn gọi là cảm biến G) báo cho ECU

biết vò trí tử điểm thượng hoặc trước tử điểm thượng của piston. Trong một số
trường hợp, chỉ có vò trí của piston xi lanh số 1 (hoặc số 6) được báo về ECU, còn vò
trí các xi lanh còn lại sẽ được ECU tính toán. Công dụng của cảm biến này là để
ECU xác đònh thời điểm đánh lửa và cả thời điểm phun. Vì vậy, trong nhiều hệ
thống điều khiển động cơ, số xung phát ra từ cảm biến phụ thuộc vào kiểu phun
(độc lập, nhóm hay đồng loạt) và bằng số lần phun trong 1 chu kỳ. Trên một số xe,
tín hiệu vò trí piston xi lanh số 1 còn dùng làm xung reset để ECU tính toán và nhập
giá trò mới trên RAM sau mỗi chu kỳ (sau mỗi 2 vòng quay trục khuỷu).
Có nhiều cách bố trí cảm biến G và 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 đònh vò trí piston lẫn tốc độ trục khuỷu.

20


Cảm biến vò trí xi lanh và cảm biến tốc độ động cơ có nhiều dạng khác nhau
như: cảm biến điện từ loại nam châm quay hoặc đứng yên, cảm biến quang, cảm
biến Hall... Trên động cơ SUZUKI Cappuccino - SX 306 dùng loại cảm biến Hall.

 Cảm biến Hall:
 Hiệu ứng Hall:
Một tấm bán dẫn loại P (hoặc N) có kích
thước như hình vẽ được đặt trong từ trường đều
B sao cho vectơ cường độ từ trường vuông góc
với bề mặt của tấm bán dẫn (hình 2.9). Khi cho
dòng điện IV đi qua tấm bán dẫn có chiều từ trái
sang phải, các hạt điện tử đang dòch chuyển với
vấn tốc v trong 
tấm bán dẫn sẽ bò tác dụng bởi
lực Lawrence FL có chiều hướng từ dưới lên

trên.



FL  q.B.v


Nếu vectơ B vuông góc với vectơ v ta

có thể viết:

Hình 2.9 Hiệu ứng Hall

FL = q.B.v
Trong đó q là điện tích hạt điện tử.

Như vậy, dưới tác dụng của lực Lawrence, các hạt điện tử sẽ bò dồn lên phía
trên của tấm bán dẫn khiến giữa hai bề mặt A1 và A2 xuất hiện hai lớp điện tích
trái dấu. Sự xuất hiện hai lớp điện tích trái dấu này tạo ra một điện trường E giữa
hai bề mặt A1 và A2 ngăn cản quá trình dòch chuyển của các hạt điện tử, các hạt
điện tử này sẽ chòu tác dụng của lực Culông FC .
FC = q.E
Khi đạt trạng thái cân bằng giữa hai bề mặt A1 và A2 của tấm bán dẫn, sẽ
xuất hiện một điện thế ổn đònh UH.
Khi cân bằng:

FL = FC
 q.E = q.B.v
 E = B.v


(2.1)

UH
 B.v
a

 UH = B.v.a

Ta lại có :
21


Iv = j.S
I v  q..v.a.d

v

Iv
q. .a.d

(2.2)
Trong đó:

j- Vectơ mật độ dòng điện.
- Mật độ của hạt điện tử.
d- Bề dày của tấm bán dẫn.

a  A1 A2

Thế (2.2) vào (2.1) ta được:
UH 

B.I v
q. .d

Điện thế UH chỉ vào khoảng vài trăm mV. Nếu dòng điện Iv được giữ không
đổi thì khi thay đổi từ trường B, điện thế UH sẽ thay đổi. Sự thay đổi từ trường làm
thay đổi điện thế UH tạo ra các xung điện áp được ứng dụng trong cảm biến Hall.
Hiện tượng vừa trình bày trên được gọi là hiệu ứng Hall (là tên của người đã khám
phá ra hiện tượng này).
 Cảm biến Hall:
2

VCC
Vout

1

3

4
mass

1. Phần tử Hall; 2. Ổn áp ; 3. Op – Amp; 4. Bộ xử lý tín hiệu
Hình 2.10 Sơ đồ cấu tạo cảm biến Hall
Do điện áp UH rất nhỏ nên trong thực tế, để điều khiển đánh lửa người ta
phải khuếch đại và xử lý tín hiệu trước khi đưa đến ECU. Hình 2.10 là sơ đồ khối
của một cảm biến Hall. Cảm biến Hall thường được đặt trong delco, gồm một rôto
bằng thép có các cánh chắn và các cửa sổ cách đều nhau gắn trên trục của delco.

Số cánh chắn sẽ tương ứng với số xylanh của động cơ. Khi rôto quay, các cánh
chắn lần lượt sẽ xen vào khe hở giữa nam châm và IC Hall (hình 2.11).

22


Hình 2.11 Cấu tạo delco với cảm biến Hall
1V

ELECTRONIC
MODULE

SIGNAL LINE

SUPPLY LINE

R

12V

B
GROUND

H
E

E

SUPPLY LINE

R

C

12V

B
GROUND

P
M

12V

SIGNAL LINE
ELECTRONIC
MODULE

C

H
E

E

P
M

US

Hình 2.12 Nguyên lý làm
việc của cảm biến Hall

t
Dwell angle

23