(Luận văn thạc sĩ) mô hình dạy học hệ thống lái trợ lực điện giao tiếp máy tính thông qua labview

TỔNG QUAN

Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu

Trong những năm gần đây, ngành Công Nghệ Ô tô đã chứng kiến sự phát triển nhanh chóng, đặc biệt trong việc chuyển đổi từ các hệ thống điều khiển cơ khí, thủy lực, khí nén sang các giải pháp điều khiển điện và điện tử Hệ thống lái trợ lực bằng điện (Electric Power Steering - EPS) hiện đang được ứng dụng rộng rãi trên hầu hết các hãng xe toàn cầu, bao gồm cả Việt Nam Ford đã công bố rằng hệ thống EPS sẽ được trang bị cho 80-90% xe của hãng vào năm 2012, với các mẫu xe sản xuất từ năm 2008 như Ford Escape và Mercury Mariner đã tích hợp công nghệ này.

Hệ thống lái trợ lực bằng điện EPS hoạt động dựa trên năng lượng từ ắc quy, cung cấp các chức năng trợ lực thông thường nhưng vượt trội hơn hẳn so với các hệ thống lái trợ lực truyền thống.

 Hệ thống EPS có kích thước nhỏ gọn, dễ lắp đặt, bảo dưỡng

 Giảm tiêu tốn nhiên liệu, một số nghiên cứu cho thấy rằng nhiên liệu tiêu tốn tiết kiệm (5% – 8%) so với cùng một xe trang bị hệ thống lái HPS

 Không phụ thuộc vào tốc độ vòng quay của động cơ

Hệ thống lái có khả năng thích ứng cao trong các điều kiện làm việc khác nhau, giúp quản lý hệ thống hiệu quả hơn Điều này đạt được nhờ khả năng tích hợp nhiều thông số vào các mạch điều khiển và xử lý các chương trình phần mềm được cài đặt sẵn trong EPS-ECU.

Việc thu hồi năng lượng từ động cơ nhiệt khi có dư thừa giúp giảm tiêu thụ nhiên liệu, đồng thời cung cấp năng lượng cho bình tích năng lượng (ắc quy) Năng lượng này sau đó được sử dụng để hỗ trợ lực điều khiển của người lái, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành.

Hệ thống lái ô tô được cải thiện nhờ các đèn báo, giúp kiểm soát chặt chẽ và nâng cao an toàn trong quá trình di chuyển Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ điện tử cũng làm cho hệ thống trở nên phức tạp hơn, đòi hỏi người sử dụng phải chú ý đến việc bảo trì hệ thống cung cấp điện, bao gồm máy phát điện và ắc quy.

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái trên thế giới:

Hiện nay, ngành công nghiệp ô tô đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ nhờ vào ứng dụng công nghệ tin học, điều khiển và vật liệu mới, cùng với sự tiến bộ của các lĩnh vực khoa học công nghệ khác như vô tuyến điện tử và chế tạo máy Sự gia tăng tốc độ sử dụng ô tô đã thúc đẩy các nhà khoa học tại các trung tâm nghiên cứu ở Mỹ, Tây Âu và Nhật Bản đầu tư vào nghiên cứu an toàn chuyển động Trong cấu tạo ô tô, hệ thống lái và hệ thống phanh được coi là hai yếu tố quan trọng nhất đảm bảo an toàn khi di chuyển.

Trong những năm gần đây, hàng trăm công trình khoa học đã được công bố nhằm hoàn thiện hệ thống lái (HTL), đặc biệt là trong lĩnh vực động học và động lực học của HTL bốn bánh (4WS - Four Wheel Steering) Tác giả Samkr Moham từ Mỹ đã giới thiệu loại xe với hệ thống lái ở cả bốn bánh vào tháng 6 năm 2000 Nhiều nhà khoa học Đức cũng đang nghiên cứu về hệ thống điều khiển cho xe có HTL 4WS Các trung tâm khoa học công nghệ lớn tại Mỹ, Tây Âu và Nhật Bản đang nỗ lực nghiên cứu tự động điều khiển HTL, với sự tham gia của hàng trăm nhà khoa học hàng đầu Hãng Mercedes đã trình diễn xe với HTL tự động, hứa hẹn sẽ ứng dụng trên các loại đường thông minh trong tương lai Để nâng cao tính điều khiển và tiện nghi, các nhà khoa học cũng đang phát triển bộ cường hoá tích cực PPS (Progressive Power Steering), nhằm cải thiện cảm giác lái và khả năng điều khiển HTL khi xe chạy ở tốc độ cao, đặc biệt cho các xe thế hệ mới vượt quá 100 km/h.

Các nhà công nghệ đang phát triển các cấu trúc mới cho hệ thống lái (HTL), bao gồm cơ cấu điều khiển góc đặt trục lái và vô lăng (Tilt Steering), cùng với ghế ngồi điều chỉnh theo 3 chiều để tạo sự thuận tiện tối đa cho người lái Xu hướng nghiên cứu HTL tại các trung tâm công nghiệp ô tô lớn trên thế giới đang tích cực áp dụng các thành tựu về điện, điện tử và tin học nhằm kiểm soát tính năng và tối ưu hóa chế độ hoạt động của hệ thống Do đó, HTL với chức năng đảm bảo tính dẫn hướng đang thu hút sự chú ý của các nhà khoa học hàng đầu thế giới, tập trung nghiên cứu với nhiều nỗ lực lớn.

Nghiên cứu động học hệ thống truyền lực (HTL) thông qua mối tương quan hình học giữa các khâu độc lập giúp xác định sự thay đổi động học của từng khâu Từ đó, có thể rút ra kết luận về khả năng sử dụng của các HTL khác nhau trên xe.

 Xác định lực tác dụng lên vành tay lái để tính toán khả năng áp dụng các hệ thống trợ lực để điều khiển lái

Xây dựng các mô hình động học của hệ thống lái ô tô (HTL) dựa trên các giả thiết cơ học gần gũi với điều kiện thực tế, từ đó nghiên cứu và cải thiện tính năng điều khiển của xe.

 Nghiên cứu các hệ thống lái có điều khiển Điện – Thủy lực hoặc điện– điện tử

 Nghiên cứu các hệ thống lái tự động

Sau đây là một số công trình tiêu biểu nhất:

Nghiên cứu "Điều khiển động lực học của hệ thống lái trợ lực điện" của Prasanth Babu Kandula tại Cleveland State University vào tháng 08 năm 2010, trình bày việc áp dụng bộ điều khiển loại bỏ tác động gây nhiễu (ADRC) cho hệ thống trợ lực lái điện (EPAS) trên ô tô Mục tiêu chính là giảm mô men xoắn từ người lái và cải thiện cảm giác lái trong điều kiện có rối loạn từ bên ngoài Kết quả mô phỏng và phân tích tần số cho thấy sự ổn định và hiệu suất vượt trội của bộ điều khiển ADRC, với ưu điểm là chỉ cần hai thông số điều chỉnh, dễ dàng thực hiện và tối ưu hóa trong thực tế.

 Công trình nghiên cứu của Shin Hung Chang, Pin Yung Chen , Yi Hua Ting và

Shih Wei Hung từ Phòng thí nghiệm và nghiên cứu cơ khí, Viện nghiên cứu Công nghệ Công nghiệp Đài Loan, đã nghiên cứu ứng dụng thuật toán logic mờ trong thiết kế điều khiển hệ thống lái trợ lực điện Nghiên cứu này nhằm thay thế các hệ thống lái trợ lực thủy lực và trợ lực điện – thủy lực, với mục tiêu cải thiện hiệu quả hoạt động của hệ thống trợ lực lái.

Công trình nghiên cứu của giáo sư Lưxốp tại Matxcơva vào năm 1972 đã áp dụng phương pháp thực nghiệm để xác định động học và động lực học của hệ thống lái (HTL) Ông sử dụng các thiết bị thí nghiệm nhằm đánh giá các thông số quan trọng của HTL, bao gồm độ nhạy nhẹ của cơ cấu lái, lực tác động lên vòng tay lái, lực trong các phần tử dẫn động lái, và lực cản quay vòng của bánh xe dẫn động lái Ngoài ra, nghiên cứu còn tập trung vào việc xác định ma sát, hệ số hiệu dụng, cũng như đánh giá độ mòn và độ mỏi của cơ cấu lái.

F Rodionov và Fitterman (1980) đã nghiên cứu động học HTL bằng hai phương pháp đồ thị và đại số, tập trung vào các thông số hình học của hệ thống treo phía trước Họ đã phân tích mối quan hệ giữa các yếu tố như góc nghiêng dọc của trục đứng, góc nghiêng ngoài của bánh xe, góc chụm bánh xe và độ chuyển dịch ngang của tiếp điểm bánh xe với mặt đường Đặc biệt, góc nghiêng ngang của trục đứng cũng có ảnh hưởng lớn đến độ ổn định chuyển động của ô tô Phương pháp đồ thị, dù trực quan, nhưng tốn công sức và độ chính xác phụ thuộc vào sự cẩn thận thực hiện, chỉ phù hợp cho các sơ đồ động học đơn giản Trong khi đó, phương pháp giải tích, đặc biệt khi kết hợp với máy tính, cho phép xử lý các trường hợp phức tạp và dễ dàng thực hiện tính toán cho nhiều vị trí và thông số hình học khác nhau.

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong vùng ASEAN và trong nước:

Sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật đã dẫn đến nhiều nghiên cứu hiệu quả về hệ thống trợ lực thủy lực (HTL) trên toàn cầu, với những cải tiến và tối ưu hóa trong quá trình điều khiển Chương trình và công nghệ chế tạo mô hình phục vụ giảng dạy và nghiên cứu cũng đã được hoàn thành và đánh giá cao.

Trong những năm gần đây, nhiều cán bộ khoa học công nghệ đã tập trung nghiên cứu các hệ thống ô tô, đặc biệt là hệ thống truyền lực (HTL) và hệ thống phanh Các nhóm nghiên cứu từ các trường Đại học đã nỗ lực ứng dụng phần mềm chuyên dụng như Alaska 2.3, Sap 90, và Simulink trong nghiên cứu ô tô Việt Nam đang trong giai đoạn xây dựng nền công nghiệp ô tô, tập trung vào lắp ráp và chương trình nội địa hóa các cụm chi tiết và phụ tùng ô tô, với một số công trình nghiên cứu đã được công bố.

 Thạc sĩ Lê Thanh Nhàn [9]nghiên cứu thiết kế chế tạo ECU điều khiển trợ lực lái điện (tháng 10 năm 2008) (xem hình 1.1):

Nội dung nghiên cứu chủ yếu của đề tài:

Bài viết đã giới thiệu tổng quan về các hệ thống lái điều khiển trợ lực, nêu rõ đặc tính và các tình huống hoạt động thực tế của hệ thống Qua đó, tác giả đã lập trình và xử lý các tình huống nhằm phát triển một hệ thống lái an toàn và tiện lợi.

Vi điều khiển là một thành phần quan trọng trong các hệ thống điện tử, và ngôn ngữ lập trình Assembly giúp lập trình các vi điều khiển này hiệu quả Các ứng dụng của vi điều khiển rất đa dạng, bao gồm việc hiển thị thông tin trên màn hình LCD, chuyển đổi tín hiệu và điều khiển các mạch điện Để thực hiện những ứng dụng này, việc lựa chọn linh kiện điện tử phù hợp và phổ biến trên thị trường Việt Nam là rất cần thiết.

Dự án này tập trung vào việc thiết kế mạch điều khiển cho hệ thống trợ lực lái điện, bao gồm việc xây dựng sơ đồ khối điều khiển và lưu đồ thuật toán điều khiển Ngoài ra, chúng tôi đã lập trình phần mềm để nạp vào vi điều khiển và chế tạo thành công mạch điều khiển trợ lực lái điện.

Sau khi hoàn thành việc chế tạo, chúng tôi đã tiến hành thử nghiệm trên mô hình Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian và vì đây là một hệ thống mới, hiện tại có rất ít xe được trang bị, nên việc thử nghiệm thực tế vẫn chưa thể thực hiện.

Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu

Hệ thống trợ lực thủy lực được xây dựng từ các chi tiết và thiết bị nhập khẩu, tuy nhiên, nó chủ yếu chỉ phục vụ cho việc giảng dạy về cấu tạo và nguyên lý hoạt động cơ bản Các mô hình này thiếu nhiều chức năng cần thiết cho việc học tập và nghiên cứu, như khả năng quan sát các chế độ hoạt động của hệ thống và đo đạc một số thông số cơ bản.

Hiện tại, các thiết bị và mô hình hiện có chưa đáp ứng đủ nhu cầu giảng dạy và nghiên cứu về hệ thống lái trợ lực điện tại Việt Nam.

1.3 Mục tiêu và đối tƣợng nghiên cứu

Áp dụng kiến thức lý thuyết về hệ thống lái ô tô, vi điều khiển, thiết kế mạch giao tiếp và mạch điều khiển, cùng với việc viết chương trình giao tiếp, sẽ nâng cao chất lượng dạy và học Nhờ đó, giáo viên và học viên có thể trực tiếp quan sát hoạt động của hệ thống qua dữ liệu hiển thị trên máy tính, đồng thời điều khiển các chế độ hoạt động của hệ thống lái từ xa.

- Mô hình giảng dạy hệ thống lái trợ lực điện có giao tiếp máy tính thông qua phần mềm LabVIEW

- Nghiên cứu ứng dụng phần mềm LabVIEW

- Các loại card giao tiếp

- Các card chuyển đổi tín hiệu từ Analog qua Digital và ngược lại.

Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của đề tài

1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài:

Trong lĩnh vực dạy học, đặc biệt là đào tạo nghề, mô hình dạy học đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả giảng dạy Giao tiếp giữa máy tính và mô hình giảng dạy giúp giáo viên chủ động hơn trong quá trình truyền thụ kiến thức và rèn luyện kỹ năng cho học viên Mặc dù việc kết nối máy tính với thiết bị công nghiệp đã phổ biến, nhưng ứng dụng trong giáo dục vẫn còn hạn chế Do đó, đề tài “mô hình hệ thống lái trợ lực điện có giao tiếp máy tính thông qua LabVIEW” được chọn nghiên cứu nhằm tận dụng những thành tựu của phần mềm này, mang lại cho giáo viên và học viên một công cụ học tập và nghiên cứu mới.

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu: Đề tài là mô hình dạy học nên phạm vi nghiên cứu chủ yếu tập trung nghiên cứu lý thuyết về hệ thống lái trợ lực điện, mạch giao tiếp giữa máy tính với mô hình thông qua phần mềm LabVIEW, thiết kế giao diện mô phỏng trên máy tính và thiết kế bố trí mô hình.

Phương pháp nghiên cứu

Bài viết này sẽ tìm hiểu về lý thuyết, nhiệm vụ, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các hệ thống lái trợ lực thủy lực (HPS) và trợ lực thủy lực - điện (EHPS) đang được ứng dụng trên ô tô hiện nay Qua đó, chúng ta sẽ phân tích và rút ra những nhược điểm của các hệ thống này.

 Tìm hiểu lý thuyết về nhiệm vụ, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống lái trợ lực điện (Electric Power Steering – EPS)

 Nghiên cứu một số sơ đồ mạch điện điều khiển hệ thống lái trợ lực điện của một số hãng xe

Nghiên cứu lý thuyết động học quay vòng và động học của hệ thống lái nhằm xác định mô men quay của vành tay lái cùng với mô men cản do mặt đường tác động lên hệ thống lái Từ những phân tích này, chúng tôi phát triển phương pháp lập trình điều khiển hệ thống từ phần mềm.

Phần mềm LabVIEW cho phép lập trình điều khiển hệ thống hiệu quả, giúp người dùng dễ dàng thay đổi các thông số quan trọng như tốc độ ô tô, tốc độ động cơ và mô men cản quay vòng Việc ứng dụng LabVIEW trong quản lý và điều khiển các thông số này không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn tối ưu hóa quá trình vận hành.

Nghiên cứu lý thuyết về vi điều khiển là cần thiết để thiết kế các card giao tiếp giữa máy tính và mô hình Sử dụng phần mềm LabVIEW giúp truyền và nhận tín hiệu một cách hiệu quả.

 Nghiên cứu thiết kế mô hình giảng dạy hệ thống lái trợ lực điện có giao tiếp máy tính theo LabVIEW

 Soạn bộ tài liệu hướng dẫn kiểm tra, chẩn đoán và sửa chữa hệ thống và thiết kế một số bài học thực hành trên mô hình.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan về hệ thống lái trợ lực

2.1.1 Công dụng hệ thống lái trợ lực:

Hệ thống trợ lực lái giúp giảm cường độ lao động và mệt mỏi cho người lái, đặc biệt trong những chuyến đi dài Trên các xe tốc độ cao, trợ lực lái còn nâng cao tính an toàn khi xảy ra sự cố như nổ lốp hoặc mất áp suất, đồng thời giảm va đập từ bánh xe lên vành tay lái Để cải thiện sự êm dịu khi di chuyển, hầu hết các xe hiện đại sử dụng lốp bản rộng và áp suất thấp, tăng diện tích tiếp xúc với mặt đường, nhưng điều này cũng yêu cầu lực lái lớn hơn.

Tăng tỷ số truyền của cơ cấu lái có thể giúp giảm lực lái, nhưng điều này cũng yêu cầu người lái phải quay vô lăng nhiều hơn khi xe thực hiện các vòng quay Hệ quả là việc quay vòng gấp sẽ trở nên khó khăn hơn.

Vì vậy, để giữ cho hệ thống lái nhanh nhạy trong khi vẫn chỉ cần lực lái nhỏ, cần phải có trợ lực lái

2.1.2 Phân loại hệ thống lái trợ lực:

Hệ thống lái trợ lực hiện nay được áp dụng phổ biến trên hầu hết các loại ô tô, với nhiều hình thức trợ lực khác nhau Tuy nhiên, hệ thống này chủ yếu được phân thành hai nhóm chính.

- Nhóm trợ lực thủy lực đơn thuần

- Nhóm trợ lực có điều khiển điện – điện tử

Các phương pháp điều khiển của hai nhóm nêu trên có thể được mô tả tóm tắt như sau:

Phương pháp điều khiển lưu lượng sử dụng van điện từ Solenoid tại cửa ra của bơm để mở đường dầu đi tắt về đường hồi dầu Bộ điều khiển điện tử điều chỉnh van này mở khi ô tô chạy ở tốc độ cao, giúp giảm lưu lượng bơm đến van và xy lanh trợ lực, từ đó tăng lực lái Việc giảm độ cản giữa bơm và xy lanh trợ lực làm giảm yêu cầu về trợ lực Khi lái ở tốc độ cao, dòng dầu thủy lực đến xy lanh trợ lực sẽ giảm, tạo ra sự cân bằng giữa tỉ lệ phản hồi và lực phản lái tại điểm cân bằng.

Phương pháp điều khiển mạch tách qua xy lanh trợ lực (Cylinder Bypass Control Method) sử dụng một van điện và một mạch rẽ để thiết lập hai khoang cửa của xy lanh trợ lực Bộ điều khiển điện tử kéo dài thời gian mở van để phù hợp với tốc độ ô tô, giúp giảm áp suất dầu trong xy lanh và tăng cường cảm giác lái Phương pháp này cũng đạt được sự cân bằng giữa phản hồi lái và lực cản, tương tự như phương pháp điều khiển lưu lượng.

Phương pháp điều khiển đặc tính van (Valve Characteristics Control Method) giới hạn áp suất điều khiển thông qua cơ cấu van xoay, điều chỉnh lượng và áp suất dầu cung cấp cho xy lanh trợ lực thành các phần khác nhau Phần điều khiển thứ tư được điều chỉnh bởi tín hiệu động cơ, giúp kiểm soát dòng dầu giữa các phần Hiệu quả lái được tối ưu hóa bằng cách phát hiện biến đổi điều khiển của phần thứ tư, từ đó điều chỉnh tỉ lệ trợ lực Hệ thống này có cấu trúc đơn giản và cung cấp dòng dầu hiệu quả từ bơm đến xy lanh trợ lực, cho phép phản hồi tốt Khi dòng điện cấp cho van điện từ đạt 0,3A, van sẽ mở hết cỡ, phù hợp cho việc lái xe ở tốc độ cao.

Phương pháp điều khiển phản lực dầu (Hydraulic Reaction Force Method) sử dụng cơ cấu phản lực dầu để điều chỉnh hiệu quả trợ lực lái Cơ cấu này được lắp đặt trên van xoay (van trợ lực), giúp tăng áp suất dầu cung cấp cho khoang phản lực tương ứng với tốc độ xe.

Hệ thống lái có trợ lực thủy lực

2.2.1 Cấu trúc tổng quát HTL trợ lực thuỷ lực:

Hệ thống trợ lực thủy lực (HTL) bao gồm các bộ phận chính như vành lái, trục lái, bình chứa dầu, bơm trợ lực, cơ cấu lái, van điều khiển, xy lanh trợ lực và các ống dẫn dầu thủy lực.

Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống lái trợ lực thủy lực[6]

2.2.2 Mô hình toán học HTL trợ lực thuỷ lực:

Dựa trên mô hình tổng quát của hệ thống lái trợ lực thuỷ lực ta có thể xây dựng mô hình toán học như sau:

Hình 2.2: Sơ đồ khối mô hình toán học HTL có trợ lực

1- Vô lăng; 2- Trục lái chính; 3- Cơ cấu lái; 4- Dẫn động lái; 5a, 5b – Bánh xe dẫn hướng; 6- Xi lanh trợ lực;

P 1 - Lực quay vòng của người lái đặt trên vành tay lái

P 2 - Lực trên ngõng lái (hoặc thanh răng)

P 3-1 , P 3-2 - Lực cản quay vòng các bánh xe

M 1 – Mô men do người lái tác động vào trục lái

Trong mô hình toán học của hệ thống lái (HTL) có trợ lực, phần tử trợ lực đóng vai trò quan trọng bằng cách tạo ra lực P TL hỗ trợ cho lực của người lái Cơ cấu lái 3 sẽ tổng hợp hai lực: lực từ mô men M 1 chuyển hóa từ lực người lái P 1 và lực P TL từ phần tử trợ lực Cả hai lực này đều thay đổi theo lực cản quay vòng của ô tô.

2.2.3 Đặc tính trợ lực lái:

Trong thiết kế hệ thống trợ lực lái, có thể điều chỉnh lực lái P1 trên vô lăng ở mức tương đối nhỏ (3-5kg) tại vị trí PCmax Tuy nhiên, nếu giữ đặc tính này cố định, sẽ dẫn đến mất cảm giác lái ở tốc độ cao do lực cản quay vòng giảm và lực tác động lên vô lăng trở nên rất nhỏ Do đó, các hệ thống trợ lực lái hiện đại áp dụng chế độ điều khiển thay đổi hệ số trợ lực, tức là giảm lực P TL khi tốc độ tăng, có thể giảm xuống mức 0, giúp duy trì cảm giác lái cho người điều khiển.

P TL không hoạt động, có nghĩa là người ta có thể tạo ra một loạt các đặc tính trợ lực, thể hiện qua các đường tia trên đồ thị đặc tính trợ lực (xem hình 2.3).

Hình 2.3: Đồ thị đặc tính trợ lực

2.2.4 Giải pháp điều khiển thay đổi hệ số trợ lực lái:

Một số mẫu xe HONDA sản xuất trước năm 1992 sử dụng bơm dầu phụ gắn ở trục dây công tơ mét Bơm này tạo ra dòng dầu với lưu lượng thay đổi theo tốc độ xe, ảnh hưởng đến van trợ lực và làm giảm hệ số trợ lực.

Hệ thống trợ lực thủy lực điều khiển điện điện tử

Hệ thống lái trợ lực điện – điện tử có nhiều loại với thiết kế và bố trí khác nhau, do đó, cần phân tích cấu trúc và phương pháp điều khiển riêng biệt cho từng kiểu hệ thống.

2.3.1 Hệ thống lái trợ lực thủy lực với van điện từ lắp ở bơm trợ lực thực hiện điều khiển lưu lượng:

Sơ đồ cấu trúc hệ thống xem hình 2.4 và bơm trợ lực xem hình 2.5

Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống lái trợ lực thủy lực với van điện từ lắp ở bơm trợ lực[6]

Hình 2.5: Bơm trợ lực lái và van điện từ[6]

Trong phương pháp điều khiển van điện từ, ECU trợ lực lái (PS-ECU) điều chỉnh độ mở van từ cửa cấp đến cửa hồi dầu dựa trên tốc độ ô tô Điều này giúp giảm áp suất trong hệ thống trợ lực lái tương ứng với tốc độ di chuyển của xe Tín hiệu tốc độ ô tô được thu thập thông qua cảm biến tốc độ lắp đặt ở trục thứ cấp của hộp số.

2.3.2 Hệ thống trợ lực thủy lực với van điện từ trên mạch dầu van trợ lực lái:

Van trợ lực lái được chế tạo theo nguyên lý mạch cầu thuỷ lực gồm 6 cửa:

+ Cửa P: Cửa dầu từ bơm trợ lực đến

+ Cửa R: Cửa dầu từ van trợ lực về bình dầu

+ Cửa A và cửa B: Cửa dầu đến 2 phía của piston xi lanh trợ lực

Cửa C và cửa D kết nối với van điện từ, trong đó độ mở của van được điều khiển bởi chuỗi xung từ ECU lái (PS - ECU) Khi van điện từ mở lớn ở tốc độ cao, nó sẽ cản trở dòng dầu từ cửa B hồi về thùng dầu, ảnh hưởng đến chuyển động của piston xi lanh trợ lực lái Hệ thống trợ lực lái (HTL) sẽ trở nên kém nhạy và làm cho việc lái xe trở nên nặng nề hơn ở tốc độ cao.

Hình 2.6: Sơ đồ HTL thay đổi hệ số trợ lực lái bằng van điện từ ở van trợ lực

Hình 2.7: Sơ đồ mạch cầu thủy lực[9]

Hình 2.8: (a) - Vị trí bố trí van điện từ; (b) - Sơ đồ mạch dầu;

(c) - Mối quan hệ giữa áp suất dầu và mô men trợ lực lái

Mô men trợ lực (Nm) Áp suất

2.3.3 Hệ thống lái trợ lực thủy lực với van điện từ tại cửa vào ra (cửa P và cửa R) của van trợ lực:

Bằng cách điều chỉnh độ mở của van điện từ theo tốc độ ô tô, một phần dầu từ bơm trợ lực lái được dẫn qua van điện từ và trở về bình dầu, dẫn đến sự thay đổi áp suất và lưu lượng cung cấp cho xi lanh trợ lực, từ đó điều chỉnh lực lái.

Hình 2.9: Nguyên lý thay đổi hệ số trợ lực bằng van điện từ tại cửa vào ra[9]

2.3.4 Hệ thống lái trợ lực thủy lực với cách thay đổi tốc độ bơm trợ lực lái:

Trong hệ thống bơm trợ lực lái điện, bơm không được dẫn động bằng dây đai từ động cơ mà thay vào đó, nó được điều khiển bởi một động cơ điện thông qua PS - ECU Tốc độ bơm phụ thuộc vào hai yếu tố chính: tốc độ ô tô và tốc độ đánh tay lái, được phản ánh qua tín hiệu từ cảm biến tốc độ ô tô và cảm biến góc đánh lái Việc điều khiển bơm trợ lực có thể được thực hiện theo hai cách, tùy thuộc vào loại motor dẫn động bơm.

(a) Sơ đồ hệ thống (b) Cấu trúc và tín hiệu ra

(c) Sơ đồ tổng quát hệ thống Hình 2.10: Hệ thống lái trợ lực thủy lực có điều khiển thay đổi tốc độ motor dẫn động bơm

Motor ĐK bơm trợ lực

Cảm biến tốc độ xe

Cảm biến tốc độ ô tô

Cảm biến góc đánh lái

Rô to nam châm Ổ bi

Nhựa từ tính Giắc nối

Hệ thống trợ lực lái sử dụng motor điện một chiều thông thường với cổ góp và chổi than để điều khiển bơm trợ lực Tốc độ hoạt động của bơm sẽ thay đổi lưu lượng và áp suất trong hệ thống, từ đó ảnh hưởng đến hệ số trợ lực lái.

Hiện nay, sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật lập trình trong các hệ thống điều khiển ô tô đã dẫn đến việc áp dụng động cơ bước (không có cổ góp và chổi than) trong các hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện để điều khiển bơm trợ lực lái.

Xe Ford Focus 2007, được sản xuất bởi liên doanh ô tô Ford – Việt Nam, áp dụng công nghệ điều khiển tốc độ bơm theo tốc độ ô tô và góc lái.

Hình 2.11: Bề mặt lập trình cho tốc độ bơm[9]

A - Tốc độ bơm (vòng/ phút)

B - Tốc độ quay lái (độ/ giây)

Hệ số trợ lực tối ưu trong chuyển động của xe là một khái niệm phức tạp, được nghiên cứu và thử nghiệm để tạo ra một bề mặt mạng lưới, hay còn gọi là Map Nhờ vào công nghệ và kỹ thuật tiên tiến hiện nay, việc điều khiển hệ số trợ lực phức tạp này trở nên khả thi thông qua việc sử dụng motor bước Hình 2.12 minh họa cấu trúc của motor bước.

Hình 2.12: Cấu tạo motor bước[9]

1- Giắc điện; 2- Hộp điều khiển; 3- Phớt; 4- Vòng bi; 5- Trục; 6- Nắp che;

7- Rô to có nam châm; 8- Stato; 9- Bộ phân phối; 10- Vòng bi;

Hệ thống trợ lực lái sử dụng motor điện áp 12 V không chổi than để điều khiển bơm thuỷ lực, với tốc độ bơm được tăng cường khi đánh lái nhằm tiết kiệm năng lượng trong quá trình lái xe Phương pháp điều khiển motor hoàn toàn điện tử, không có chổi than và cổ góp, giúp toàn bộ hệ thống không cần bảo dưỡng.

Trong hơn 85% tình huống lái xe, bơm trợ lực lái hoạt động ở chế độ chờ và tiêu thụ dòng điện dưới 4A Tuy nhiên, khi cần thiết, tốc độ bơm có thể tăng nhanh chóng trong trường hợp khẩn cấp Hệ thống sử dụng điều khiển tốc độ liên tục, với motor không chổi than để tăng độ tin cậy và kéo dài tuổi thọ bơm Bơm thủy lực là loại bơm bánh răng, đi kèm với một buồng cộng hưởng trong thân bơm giúp giảm tiếng ồn Ngoài ra, van hạn chế áp suất được lắp trong vỏ bơm nhằm giới hạn áp suất dầu thủy lực ở mức tối đa.

Hệ thống lái trợ lực điện – điện tử

Hệ thống lái trợ lực điện - điện tử ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về tốc độ, chất lượng và tiết kiệm năng lượng trong phương tiện Nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển điện tử được cải tiến để nâng cao chức năng và đặc tính của nó Hai đề xuất quan trọng là áp dụng lôgíc toán học và phát triển hệ thống lái chuyên sâu, điều chỉnh trợ lực phù hợp với điều kiện giao thông và bề mặt đường, tạo cảm giác nhạy bén cho người lái Khả năng phản ứng tức thời của trợ lực lái là yếu tố then chốt, giúp người lái chú ý đến biến đổi do phản lực lái Hệ thống cung cấp thông tin quan trọng về vận tốc, gia tốc và phản lực lái, không chỉ cải thiện mối quan hệ giữa người lái và phương tiện mà còn tạo sự đồng bộ giữa cảm giác của người lái và hệ thống lái, đồng thời giải quyết vấn đề tự động bù khi phương tiện gặp biến đổi không đồng đều.

Trợ lực lái điện (EPS – Electric Power Steering) là hệ thống điện hoàn chỉnh giúp giảm sức cản trong việc điều khiển lái bằng cách cung cấp dòng điện từ motor điện Hệ thống này bao gồm cảm biến tốc độ xe, cảm biến lái (mô men, vận tốc góc), bộ điều khiển điện tử ECU và motor Tín hiệu đầu ra từ các cảm biến sẽ được gửi tới ECU để tính toán chế độ điều khiển, từ đó điều chỉnh hoạt động của motor trợ lực.

Hệ thống lái trợ lực điện – điện tử gồm có 3 loại trợ lực cơ bản:

 Motor trợ lực bố trí trên trục lái (hình 2.13)

 Motor trợ lực bố trí trên cơ cấu lái và được thiết kế rời (hình 2.14)

Motor rời, có trục vít ăn khớp với bánh vít trên thanh răng của cơ cấu lái

 Motor trợ lực bố trí trên cơ cấu lái và được thiết kế liển (hình 2.15)

Hình 2.13: Hệ thống lái trợ lực điện – điện tử với motor trợ lực bố trí trên trục lái[15]

Hình 2.14: Hệ thống lái trợ lực điện – điện tử với motor trợ lực bố trí trên cơ cấu lái và đƣợc thiết rời[15]

Cơ cấu lái trục răng – thanh răng

Ly hợp điện từ Đến vành lái

Cơ cấu trục răng - thanh răng

Hình 2.15: Hệ thống lái trợ lực điện – điện tử với motor trợ lực bố trí trên cơ cấu lái và đƣợc thiết kế liền[15]

2.4.1 Trợ lực trên trục lái:

Motor trợ lực và cơ cấu giảm tốc trục vít-bánh vít được lắp đặt ở trục lái chính, gần đoạn các đăng trục lái Tại vị trí này, cảm biến mô men lái cũng được bố trí, cùng với ECU trợ lực lái điện – điện tử (ECU - EPS), như thể hiện trong hình 2.16.

Hình 2.16: Cơ cấu trợ lực lái điện – điện tử trợ lực trên trục lái[15] a Bố trí tổng quá;t b Cụm motor trợ lực

Hệ thống ECU-EPS được điều khiển theo sơ đồ tổng quát, trong đó có bốn nhóm tín hiệu đầu vào chính.

1- Nhóm tín hiệu từ cảm biến mô men lái

2- Tín hiệu tốc độ ô tô: Tín hiệu này có thể gửi trực tiếp về ECU-EPS hoặc truyền dữ liệu thông qua mạng CAN (Controller Area Network)

3- Tín hiệu tốc độ động cơ (xung NE từ cảm biến trục khuỷu) thông qua ECU động cơ và mạng CAN truyền tới ECU-EPS

4- Nhóm dữ liệu cài đặt và tra cứu thông qua giắc kết nối dữ liệu DLC3 (Data Link Connector) để truy nhập các thông tin cài đặt và tra cứu thông tin làm việc của hệ thống và báo lỗi hệ thống

Hình 2.17: Sơ đồ tổng quát của hệ thống lái điện trợ lực trên trục lái[12]

Hình 2.18: Bố trí các cụm và Tablô thể hiện đèn báo lỗi P/S.[12]

Những sự cố trong quá trình vận hành hệ thống được ghi lại trong bộ nhớ của ECU- EPS và cảnh báo bằng đèn P/S trên táplô (hình 2.18)

Motor trợ lực lái có thể được điều khiển theo 2 cách:

Phương pháp điều khiển điện áp (Voltage Control Method):

Trong phương pháp điều khiển điện áp, tốc độ quay và mô men của motor trợ lực được điều chỉnh chủ yếu dựa vào tín hiệu từ cảm biến mô men lái và cảm biến tốc độ đánh lái.

ECU điều khiển trƣợt Đèn báo trợ lực

Hình 2.19: Sơ đồ mô phỏng quá trình điều khiển motor trợ lực lái theo phương pháp điều khiển điện áp[9]

Khi ô tô di chuyển ở vận tốc thấp, việc điều khiển thông thường được áp dụng, trong đó giá trị (R.i + k.N) trong công thức (2.2) được sử dụng để tối ưu hóa tốc độ phản hồi của motor, từ đó mang lại tính năng tiện lợi cho hệ thống lái Ở vận tốc cao, cả hai loại điều khiển vẫn có thể được sử dụng để duy trì hiệu suất.

Trong phương pháp điều khiển ngược, giá trị mô men chống rung (k.N) được điều chỉnh xuống thấp hơn, nhằm đảm bảo rằng nó tỷ lệ thuận với tốc độ động cơ.

 Trong phương pháp thứ hai – Điều khiển chống rung, mô men motor sinh ra sẽ ngược chiều với chiều quay của motor với V = 0 khi vành lái được tự do

Phương pháp điều khiển dòng điện (Current Control Method): (xem hình 2.20)

Trong phương pháp này, dòng điện của motor được điều chỉnh để đạt giá trị tương ứng với mô men của motor, nhằm đảm bảo nó phù hợp với tín hiệu tốc độ phản hồi từ cảm biến tốc độ động cơ.

Cảm biến tốc độ xe Cảm biến tốc độ đánh lái

Vành lái Thanh xoắn Bánh xe

Hình 2.20: Sơ đồ mô phỏng quá trình điều khiển motor trợ lực lái theo phương pháp điều khiển dòng điện[9]

Hai phương pháp điều khiển motor dựa trên mối quan hệ giữa các thông số như điện áp cực V, trở kháng L, điện trở R, sức điện động cố định K, tốc độ quay vòng N, cường độ dòng điện i và thời gian t Mối liên hệ này được thể hiện trong mạch tương đương của motor, như minh họa trong hình 2.21.

V m =L(di/ dt) + R.i + K.N (2.1) = R.i + k.N (2.2) Trong đó cường độ dòng điện i tỉ lệ với mô men quay của motor T m

Hình 2.21: Mạch tương đương của motor

Theo công thức (2.2), có hai phương pháp điều khiển motor Trong phương pháp điều khiển motor điện, dòng điện mục tiêu I T (tương ứng với mô men quay T M) được xác định từ tín hiệu đầu ra T của cảm biến mô men Sự điều khiển được thực hiện nhằm đảm bảo không có sự khác biệt giữa giá trị dòng điện mục tiêu I T và giá trị tìm ra I M thông qua phản hồi của cảm biến dòng điện.

Trong phương pháp điều khiển điện áp, điện áp thành phần V M1 được tính bằng công thức R.i k T T M, trong đó kT là hệ số tỉ lệ cố định Mô men được tính toán từ tín hiệu đầu ra của cảm biến mô men và điện áp thành phần của motor, được biểu diễn qua V M2 = k.N Tốc độ của motor được xác định dựa trên tín hiệu đầu ra θ1 từ cảm biến vận tốc góc của bánh lái Hai điện áp thành phần này được đưa vào và lấy ra trong quá trình điều khiển.

Sơ đồ điều khiển tổng quát của cả hệ thống được mô tả trên hình 2.22

Hình 2.22: Sơ đồ điều khiển tổng quát của ECU trợ lực lái điện[9]

Các tín hiệu từ cảm biến mô men lái, tốc độ ô tô, điện áp ác quy và góc quay vô lăng được gửi về bộ xử lý trung tâm (ECU) Tại đây, ECU thực hiện tính toán chế độ điều khiển đã được lập trình sẵn, từ đó điều khiển mạch công suất (Drive Unit) cùng với các transistor hoặc mạch tổ hợp MOSFET, được điều khiển ON/OFF để cấp điện cho motor trợ lực.

Cảm biến vận tốc góc

Cảm biến tốc độ xe Điện áp ắc quy Đèn báo P/S

Mạch ổn áp Mạch kiểm tra mô men

Mạch mã hóa đầu vào

Phương pháp điều khiển các MOSFET dẫn động motor (hình 2.23)

Hình 2.23: Điều khiển chế độ motor[9]

Các đặc tính của quá trình điều khiển (hình 2.24)

Hình 2.24: Đặc tính điều khiển[9]

Trong tương lai, để giảm chi phí bảo dưỡng sửa chữa motor trợ lực thông thường được thay bằng motor bước (không cần cổ góp và chổi than)

Mô hình toán học của hệ thống này có thể được mô phỏng như sau:

Hình 2.25: Mô hình toán học của hệ thống trợ lực trên trục lái

1- Vô lăng; 2- Trục lái chính; 3- Cơ cấu lái; 4- Dẫn động lái;

5a, 5b – Bánh xe dẫn hướng; 6- Motor trợ lực lái

P 1 - Lực quay vòng của người lái đặt trên vành tay lái

P 2 - Lực trên ngõng lái (hoặc thanh răng)

P 3-1 , P 3-2 - Lực cản quay vòng các bánh xe

M 1 – Mô men do người lái tác động vào trục lái

M TL – Mô men trợ lực lái

2.4.2 Trợ lực trên cơ cấu lái:

Phương pháp điều khiển motor riêng được lắp ở cơ cấu lái cũng tương tự như cách điều khiển motor trên trục lái chính đã được trình bày ở phần 2.4.1

Motor trợ lực được tích hợp trực tiếp vào cơ cấu lái, tạo thành một bộ phận đồng bộ, mang lại sự gọn gàng cho hệ thống Mặc dù phương án này có chi phí cao, nhưng nó đang được ứng dụng cho các dòng xe cao cấp như Lexus và xe lai.

Phần kéo dài của thanh răng được thiết kế dưới dạng trục vít, ăn khớp với ruột của rôto motor trợ lực lái thông qua các viên bi tuần hoàn Rôto có cấu trúc rỗng và được trang bị các rãnh ren vít Để điều khiển chế độ trợ lực, cảm biến mô men lái gửi tín hiệu giá trị mô men về EPS ECU, từ đó EPS ECU sẽ tính toán chế độ trợ lực phù hợp.

PHẦN MỀM LABVIEW

Những khái niệm cơ bản

LabVIEW (Virtual Instrument Engineering Workbench) là một môi trường lập trình đồ họa, chủ yếu được sử dụng để đo lường, kiểm tra, đánh giá, xử lý và điều khiển các thiết bị Năm 1983, NI bắt đầu nghiên cứu nhằm giảm thiểu thời gian lập trình hệ thống thiết bị, dẫn đến sự ra đời của LabVIEW với giao diện Front Panel trực quan và Block Diagram tiên tiến Phiên bản LabVIEW đầu tiên được phát hành vào năm 1986, chỉ chạy trên hệ điều hành Macintosh.

Mặc dù Mac chưa được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng và công cụ đo lường, nhưng khả năng đồ họa của nó hỗ trợ tốt cho kỹ thuật LabVIEW Vào năm 1980, NI đã cải tiến LabVIEW bằng cách tích hợp nhiều công nghệ phần mềm mới dựa trên phản hồi từ người dùng trong nhiều năm Đặc biệt, phiên bản LabVIEW 2 đã được nâng cấp, giúp tốc độ của các VI đạt được hiệu suất tương đương với các chương trình viết bằng ngôn ngữ C, đồng thời được cấp bằng sáng chế cho những đổi mới trong công nghệ LabVIEW.

Năm 1992, LabVIEW được giới thiệu cho Windows và Sun với kiến trúc linh động mới Đến năm 1993, LabVIEW 3 ra đời, hỗ trợ hệ điều hành Windows, Macintosh và Sun, cho phép các VI viết trên một nền tảng có thể chạy trên nền tảng khác Danh sách các nền tảng được LabVIEW hỗ trợ ngày càng mở rộng, bao gồm Windows NT, Power Macs và HP Workstation.

Năm 1996 LabVIEW 4 được nâng cấp với những khả năng mạnh hơn trong việc hiệu chỉnh và phát triển không gian làm việc của người dùng trong môi trường

LabVIEW, đồng thời hỗ trợ thêm những công năng gỡ rối chương trình cao cấp hơn

LabVIEW 5 và 5.1 tiếp tục được cải tiến hơn với công nghệ built_in web server, dynamic programming và Control framework(VI Server) … giúp dễ dàng chia sẻ dữ liệu qua mạng internet hoặc ứng dụng điều khiển qua các mạng

LabVIEW 6 và 7 đã được phát hành với nhiều cải tiến đáng kể về tốc độ thực hiện và các tính năng hỗ trợ mới như giao tiếp phần cứng, điều khiển từ xa và lập trình nhúng Hiện tại, phiên bản mới nhất của LabVIEW mà chúng ta đang sử dụng là 8.5 và 8.6.

LabVIEW ngày càng trở nên phổ biến trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật và sản xuất nhờ khả năng giúp kỹ sư thiết kế chương trình nhanh chóng mà không cần nhiều kiến thức lập trình Bên cạnh đó, LabVIEW còn tương thích với nhiều loại phần cứng và các nền tảng như Apple, Macintosh, Sun và Microsoft Windows.

LabVIEW là một ngôn ngữ lập trình đa năng, tương tự như các ngôn ngữ lập trình hiện đại khác Nó bao gồm thư viện thu nhận dữ liệu, các thiết bị điều khiển, cũng như công cụ phân tích, biểu diễn và lưu trữ dữ liệu Ngoài ra, LabVIEW còn cung cấp các công cụ phát triển chuyên biệt cho việc kết nối và điều khiển thiết bị hiệu quả.

LabVIEW khác biệt với các ngôn ngữ lập trình thông thường bởi vì nó sử dụng ngôn ngữ lập trình đồ họa, cho phép người dùng tạo ra các chương trình dưới dạng sơ đồ khối, thay vì dựa vào cơ chế dòng lệnh như các ngôn ngữ khác.

3.1.2 VI (Virtual Instrument) - Thiết bị ảo

Lập trình LabVIEW sử dụng các thiết bị ảo (VI) để mô phỏng các thiết bị thực tế, với các đối tượng được thêm vào thông qua phần mềm Các VI trong LabVIEW tương tự như các hàm trong các ngôn ngữ lập trình khác.

3.1.3 Front Panel và Block Diagram

Chương trình trong LabVIEW bao gồm hai phần chính: giao diện người dùng (Front Panel) và sơ đồ khối (Block Diagram) với mã nguồn và các biểu tượng kết nối (Icon/Connector).

Front Panel là một giao diện tương tác giống như bảng điều khiển của thiết bị thực tế, bao gồm các nút bấm, nút bật, đồ thị và bộ điều khiển Người dùng có thể sử dụng chuột và bàn phím để nhập dữ liệu, sau đó chạy chương trình và quan sát kết quả Front Panel thường bao gồm hai thành phần chính: bộ điều khiển (Control) và bộ hiển thị (Indicator) Bộ điều khiển là các đối tượng giúp cung cấp dữ liệu đầu vào cho chương trình, trong khi bộ hiển thị là các đối tượng dùng để hiển thị kết quả đầu ra của chương trình.

Hình 3.1: Front Panel và Block Diagram 3.1.3.2 Block Diagram:

Block Diagram của một VI được thiết kế trong môi trường LabVIEW, bao gồm nhiều đối tượng và hàm để xây dựng cấu trúc lệnh cho chương trình Đây là mã nguồn đồ họa của một VI, trong đó các đối tượng trên Front Panel được thể hiện bằng các thiết bị đầu cuối trên Block Diagram Các thiết bị đầu cuối này không thể bị loại bỏ trừ khi đối tượng tương ứng trên Front Panel cũng bị xóa.

Cấu trúc của Block Diagram bao gồm các thiết bị đầu cuối (Terminal), nút (Node) và dây nối (Wire) Terminal là các cổng cho phép dữ liệu truyền qua giữa Block Diagram và Front panel, cũng như giữa các Node trong Block Diagram, thường được biểu diễn dưới dạng các biểu tượng của các Function Nodes là các phần tử thực hiện chương trình, tương tự như các mệnh đề, toán tử, hàm và chương trình con trong các ngôn ngữ lập trình thông thường Wires là các dây nối dữ liệu giữa các Node, giúp kết nối và truyền tải thông tin trong toàn bộ sơ đồ.

Biểu tượng của VI được sử dụng khi một VI cần truy cập chức năng của một VI khác, được gọi là SubVI SubVI tương đương với chương trình con trong các ngôn ngữ lập trình khác.

Terminal là thành phần kết nối đầu vào và đầu ra của các VI trong quá trình sử dụng Mỗi VI có một biểu tượng mặc định hiển thị ở góc trên bên phải của cửa sổ Front Panel và Block Diagram.

Hình 3.2: Vị trí Icon và Connector

Kỹ thuật lập trình trên LabVIEW

3.2.1 Các công cụ hỗ trợ lập trình

Programming in LabVIEW requires the use of several key panels: the Tools Palette, Controls Palette, and Function Palette These panels provide essential functions that enable users to create and modify both the Front Panel and the Block Diagram.

Tool Panel xuất hiện trên Font Panel và Block Diagram, cho phép người dùng thiết lập các chế độ làm việc đặc biệt cho con trỏ chuột Khi chọn một công cụ, biểu tượng của con trỏ sẽ thay đổi theo biểu tượng của công cụ đó.

Khi thiết lập chế độ tự động lựa chọn công cụ, LabVIEW sẽ tự động chọn công cụ phù hợp trên bảng Tool Palette khi người sử dụng di chuyển con trỏ qua các đối tượng trên Front Panel hoặc Block Diagram Để truy cập vào Tool Palette, người dùng có thể chọn Menu: View => Tools Palette Các công cụ trong Tool Palette rất đa dạng và hữu ích cho quá trình phát triển ứng dụng.

Hình 3.3: Tools palette 3.2.1.2 Controls Palette (bảng điều khiển):

Bảng điều khiển chỉ xuất hiện trên mặt trước của thiết bị, bao gồm các bộ điều khiển và bộ hiển thị Hình ảnh minh họa bảng điều khiển được trình bày bên phải.

Bảng điều khiển cho phép người dùng thiết kế cấu trúc hiển thị với các thiết bị như công tắc, đèn và màn hình Người dùng có thể lựa chọn thiết bị chuẩn từ nhà sản xuất hoặc tự xây dựng thiết bị riêng Bảng điều khiển cung cấp dữ liệu đầu vào và hiển thị kết quả đầu ra một cách hiệu quả.

- Một số bộ điều khiển và hiển thị trên controls palette

Bộ công cụ này được sử dụng để hiển thị và điều khiển dữ liệu dạng số trong chương trình của LabVIEW

Bộ công cụ này cung cấp hai giá trị là True và False, cho phép người sử dụng điều khiển thiết bị bằng chuột Việc thay đổi giá trị của các thiết bị chỉ có hiệu lực khi chúng được thiết lập ở chế độ tương ứng.

Control Còn nếu ở chế độ là các Indicator thì giá trị không thay đổi vì chúng chỉ là các thiết bị hiển thị

Các điều khiển này dùng để nhập và hiển thị các ký tự, nó cũng có thể được xác lập ở chế độ đầu vào hay đầu ra

The Functions Palette is exclusively found on the Block Diagram, containing Virtual Instruments (VIs) and user-defined functions essential for creating block diagrams.

Bảng Function Palette cho phép lập trình viên thực hiện cú pháp, phép lặp và phép lựa chọn thông qua các nhóm hàm đã có sẵn Ngoài ra, người dùng còn có thể tạo ra và tái sử dụng các hàm, chức năng tự xây dựng từ bảng này.

Các hàm toán học được biểu diễn bằng các biểu tượng, cho phép người dùng dễ dàng chọn lựa và thực hiện Người dùng chỉ cần kéo và thả biểu tượng của hàm vào vị trí mong muốn trên Block Diagram, sau đó xác định các đầu vào và đầu ra cần thiết cho hàm đó.

Ngôn ngữ lập trình LabVIEW hỗ trợ đa dạng các kiểu dữ liệu, bao gồm Boolean, bytes, string, array, file, text, cluster và dạng số Việc chuyển đổi giữa các dạng dữ liệu này sang các cấu trúc khác là rất dễ dàng Dưới đây, chúng ta sẽ khám phá một số dạng dữ liệu cụ thể.

Trong lập trình, việc sử dụng biến là rất cần thiết để xử lý và thay đổi dữ liệu một cách hiệu quả Trong LabVIEW, biến được chia thành hai loại chính: biến toàn cục (global variables) và biến cục bộ (local variables).

Biến toàn cục trong LabVIEW được sử dụng để truyền và lưu trữ dữ liệu giữa nhiều VI khác nhau Chúng được coi là đối tượng trong LabVIEW và khi tạo ra một biến toàn cục, hệ thống sẽ tự động tạo ra một “VI toàn cục” đặc biệt Để tạo các biến toàn cục, người dùng có thể lựa chọn từ menu.

Trong việc sử dụng "Structs và Constants function", cần xác định kiểu dữ liệu cho chúng thông qua các Controls hoặc Indicators Mỗi biến toàn cục cần có một VI với tên duy nhất và được thiết lập chế độ chỉ cho phép ghi hoặc đọc Truy xuất vào biến toàn cục diễn ra nhanh chóng với các kiểu dữ liệu đơn giản như numerics và Boolean, nhưng khi làm việc với mảng, Clusters hay xâu lớn, thời gian và bộ nhớ xử lý sẽ tăng lên do yêu cầu quản lý bộ nhớ Một vấn đề tiềm ẩn là "sự tranh chấp dữ liệu", xảy ra khi nhiều đoạn mã song song thay đổi giá trị của một biến Đầu ra của VI phụ thuộc vào thứ tự thực thi, và nếu không có sự phụ thuộc dữ liệu, không thể xác định được thứ tự chạy Để quản lý biến toàn cục trong các VIs song song, có thể sử dụng một biến toàn cục bổ sung để kiểm soát khi nào dữ liệu được phép thay đổi và đọc giá trị mới.

Biến cục bộ cho phép người sử dụng đọc và viết thông tin trên các thiết bị điều khiển hoặc hiển thị trên Front Panel Để tạo biến cục bộ, người dùng cần chọn Local Variable từ bảng Structs & Constant Cần lưu ý rằng biến cục bộ chỉ có hiệu lực trên các thiết bị cùng nằm trong một lược đồ, không thể truy cập điều khiển khác ngoài lược đồ đó Mặc dù có thể tạo nhiều biến cục bộ cho mỗi thiết bị, nhưng việc này có thể làm tăng độ phức tạp, dẫn đến việc điều khiển thay đổi trạng thái một cách khó hiểu nếu lựa chọn sai phần tử Tương tự như biến toàn cục, biến cục bộ có thể được sử dụng mà không cần một giá trị cụ thể.

“dòng dữ liệu” hợp lệ khác sử dụng

Kiểu string (chuỗi) là tập hợp các kí tự có thể được sử dụng trong các phép toán và xử lý dữ liệu Để lưu trữ dữ liệu kiểu string, người dùng có thể chọn ô “String & path” từ bảng điều khiển (control palette).

SubVI và cách xây dựng subVI

Khi thiết kế chương trình trong LabVIEW, việc xác định đầu vào và đầu ra cho các VI là rất quan trọng, với mỗi VI thực hiện một chức năng cụ thể Các VI này có thể được sử dụng trong Block Diagram của một VI khác ở mức độ cao hơn, được gọi là SubVI SubVI hoạt động như một chương trình con trong các ngôn ngữ lập trình khác như C++ LabVIEW không giới hạn số lượng SubVI và cho phép mỗi SubVI gọi đến các SubVI khác, giúp chương trình trở nên dễ hiểu, gọn gàng và thuận tiện cho việc gỡ rối.

Có hai cách đơn giản nhất để xây dựng một SubVI: tạo một SubVI từ một VI và tạo một SubVI từ một phần của VI

3.3.2.1 Tạo một SubVI từ một VI:

Các SubVI được sử dụng thông qua biểu tượng (Icon) và kết nối (Connector) của chúng Icon là biểu tượng đồ họa đại diện cho một VI, trong khi Connector gán các Control và Indicator cho các đầu vào và đầu ra Để gọi một VI từ Block Diagram của VI khác, cần tạo Icon và Connector cho VI đó Để tạo Icon, người dùng có thể nhấp đúp vào biểu tượng Icon ở góc trên của Front Panel hoặc nhấp chuột phải và chọn Edit Icon Sau khi chọn Edit Icon, các công cụ bên trái cửa sổ sẽ giúp tạo kiểu Icon trong vùng soạn thảo Hình ảnh mặc định là đen-trắng, nhưng người dùng có thể chọn thiết kế Icon với 16 màu hoặc 256 màu Ngoài ra, có thể sao chép một Icon thành đen-trắng hoặc ngược lại.

Để xác định kiểu Connector Terminal trong SubVI, bạn cần nhận và gửi dữ liệu qua các Terminal trong ô vuông Connector Bạn có thể chọn số Terminal cần thiết và gán một Front Panel Control hoặc Indicator cho mỗi Terminal Nếu Connector chưa hiển thị ở góc trái Front Panel, hãy chọn Show Connector từ menu Icon Kiểu Terminal ban đầu cho VI sẽ có số Terminal bên phải tương ứng với số Indicator trên Front Panel và số Terminal bên trái tương ứng với số Control Nếu không thể đạt được điều này, phần mềm sẽ tự động chọn kiểu Terminal phù hợp nhất Mỗi hình chữ nhật trong Connector đại diện cho một đầu vào hoặc đầu ra từ VI.

Hình 3.19: Icon mặc định và Icon sau khi đƣợc tạo

You can select a different Terminal style from the Pattern menu and add or remove Terminals by choosing Add Terminal or Remove Terminal Once you have selected the Connector Terminal Pattern, assign Front Panel Controls and Indicators to the Terminals by following these steps: Click on a Terminal of the Connector, then select a Front Panel Control or Indicator to assign A flashing border will appear around the selected Front Panel Control or Indicator Click on an open area of the Front Panel to make the flashing border disappear, successfully linking the Terminal with the chosen Front Panel Control or Indicator.

Hình 3.20: Cách thức tạo Connector của một VI

3.3.2.2 Tạo một SubVI từ một phần của VI: Để biến đổi một phần của VI thành một SubVI được gọi từ VI khác, chọn một phần trong Block Diagram của VI, sau đó chọn Edit\Create SubVI Phần đó sẽ tự động thành một SubVI Các Control và Indicator được tự động khai báo cho SubVI mới

SubVI mới tự động kết nối với các đầu dây hiện có, và một biểu tượng (Icon) của SubVI sẽ thay thế phần được chọn trong sơ đồ khối (Block Diagram) của VI gốc Người dùng có thể điều chỉnh biểu tượng và đầu nối (Connector) của SubVI này một cách tương tự như trước đây.

Ta xây dựng một VI dùng để mô phỏng việc đo nhiệt độ (Temperature) và dung tích (Volume) của một bình nước (Tank) trong môi trường LabVIEW

Hình 3.21: Front Panel và Block Diagram của một VI

1 Mở một Front Panel mới bằng cách chọn File => New Nếu đã đóng tất cả các VIs thì chọn New VI từ hộp thoại của LabVIEW

2 Chọn một cái bình (Tank) từ Control Numberic Palette và đặt nó lên Front Panel

3 Đánh Volume vào trong hộp nhãn của nó

4 Dùng chuột ở chế độ Labeling Tool đặt thang chỉ thị của Tank để hiển thị dung tích của Tank từ 0 đến 1000

5 Đặt một nhiệt kế (Thermometer) từ Control  Numberic Palette lân Front Panel Đánh nhãn của nó là Temp và đặt thang chỉ thị của nó từ 0 đến 100

6 Front Panel của VI sẽ giống như hình 3.21

1 Mở Block Diagram bằng cách chọn Windows => Show Diagram

2 Đặt các đối tượng được chọn dưới đây từ Functions palette lên cửa sổ Block Diagram

The Process Monitor in LabVIEW allows users to simulate reading temperature and volume values from a sensor or transducer by selecting a VI from the Activity Directory.

Random Number Generator (Functions => Numberic): Tạo ra một số ngẫu nhiên giữa 0 và 1

Multipy Function (Functions => Nmberic): Thực hiện phép nhân hai số Trong ví dụ này chúng ta cần 2 bộ nhân

Numberic Constant (Functions => Numberic): Tạo ra một hằng số Dùng chuột ở chế độ Labeling Tool đặt giá trị của nó Trong ví dụ này ta cần 2 hằng số

3 Dùng chuột ở chế độ Wring Tool nối tất cả các đối tượng như hình trên

4 Chọn File=> Save và lưu giữ VI với tên Temp & Volume.vi

5 Từ Front Panel chạy VI bằng cách nhấn vào nút Run trên thanh công cụ hoặc ấn Ctrl+R

6 Đóng VI bằng cách chọn File=> Close Xây dựng Icon của VI

7 Từ Front Panel của Temp & Volume.vi, bấm chuột phải vào Icon panel ở góc trên bên phải và chọn Edit Icon … để vào Icon Editor, hoặc có thể bấm đúp chuột trái vào Icon panel để làm xuất hiện Icon Editor

8 Xóa Icon mặc định của VI Dùng các công cụ ở bên trái của Icon Editor để vẽ Icon mới cho VI giống như hình

9 Sau khi xây dựng xong Icon mới cho VI, bấm nút OK để đóng Icon Editor, Icon mới sẽ xuất hiện thay thế cho Icon mặc định

Hình 3.22: Edit Icon của VI

3.3.4 Gỡ rối và sửa chương trình xây dựng trên LabVIEW

Khi phát triển chương trình trên LabVIEW, người dùng có thể dễ dàng sửa chữa và thay đổi các đối tượng bằng cách dịch chuyển, thay đổi hoặc loại bỏ chúng trên Front Panel và Block Diagram Lưu ý rằng các bộ phận Control và Indicator chỉ có thể được xóa trên Front Panel.

Một chương trình sẽ không thể chạy hoặc biên dịch khi còn tồn tại lỗi Khi có lỗi trong chương trình, nút Run sẽ hiển thị dấu gãy, cho thấy rằng VI vẫn đang trong quá trình soạn thảo và chưa khắc phục được lỗi.

LabVIEW cung cấp các công cụ hữu ích để theo dõi và xử lý lỗi trong quá trình lập trình Nếu chương trình không chạy sau khi hoàn thành, bạn có thể mở hộp Danh sách Lỗi (Window\ Show Error List) để tìm kiếm và xác định vị trí các lỗi phát sinh.

Nếu chương trình đã chạy nhưng kết quả không đạt yêu cầu, bạn có thể sử dụng công cụ theo dõi quá trình thực hiện để hiển thị kết quả sau mỗi bước Điều này giúp xác định độ chính xác của thuật toán Để sử dụng chức năng này, sau khi chương trình chạy, hãy nhấn vào nút trên thanh công cụ của Block Diagram, như được minh họa trong hình 3.23.

Hình 3.23: Gỡ rối chương trình

3.4 Xây dựng giao diện điều khiển trên máy tính

Hình 3.24: Giao diện trên cửa sổ Front Panel

Hình 3.2: Lập trình trên cửa sổ Block Diagram

Xây dựng giao diện điều khiền trên máy tính

THIẾT KẾ CARD GIAO TIẾP

4.1 Giới thiệu chung vi điều khiển.[7]

AVR là dòng vi điều khiển do Atmel sản xuất, sử dụng kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computer), một kiến trúc phổ biến trong các bộ xử lý hiện đại.

- Kiến trúc RISC với hầu hết các lệnh có chiều dài cố định, truy nhập bộ nhớ nạp, lưu trữ và 32 thanh ghi đa năng

- Kiến trúc bộ nhớ kiểu đường ống cho phép làm tăng tốc độ xử lý lệnh

Vi điều khiển AVR nổi bật với bộ phận ngoại tích hợp ngay trên chip, bao gồm các cổng I/O số, bộ biến đổi ADC 10 bit với 8 kênh vào, bộ định thời UART, bộ định thời RTC, và bộ điều chế độ rộng xung PWM Đặc biệt, vi điều khiển này có 48 đường dẫn I/O lập trình được, bộ truyền nhận UART, giao diện SPI đồng bộ, bộ timer/Counter 8 bit và 16 bit với chức năng so sánh và bắt mẫu, cùng với bốn lối ra PWM Ngoài ra, nó còn trang bị đồng hồ thời gian thực (RTC-Timer), bộ phát hiện trạng thái sụt điện áp nguồn nuôi, bộ so sánh Analog và bộ định thời Watchdog, giúp giảm thiểu việc phải lập trình phần mềm cho các chức năng này như ở nhiều vi điều khiển khác.

- Hầu hết các lệnh chỉ trừ lệnh nhảy và nạp/lưu trữ đều được thực hiện trong

THIẾT KẾ CARD GIAO TIẾP

THIẾT KẾ, THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN

THỰC NGHIỆM