4. Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe Mercedes Benz MB140
4.3. Thiết kế mạch điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho xe MB140
4.3.4.3. Chức năng các bộ phận
a. Các tín hiệu cảm biến
Tín hiệu cảm biến tốc độ động cơ NE và cảm biến góc trục khuỷu G:
ECU động cơ sử dụng tín hiệu G và NE để nhận biết góc của trục khuỷu và tốc độ động cơ. Đây là loại cảm biến điện từ loại nam châm đứng yên: gồm có một rôto để khép mạch từ và cuộn dây cảm ứng mà lõi thép gắn với một nam châm vĩnh cửu đứng yên. Rôto của tín hiệu NE có 24 răng, tức 1 cuộn nhận tín hiệu có 24 răng.
Cuộn dây cảm ứng sẽ phát ra 24 xung trong mỗi vòng quay của trục cam. Rôto của
71 tín hiệu G có 4 răng sẽ cho 4 xung dạng sin cho mỗi vòng quay của trục cam, 1 cuộn kích có 4 răng.
Hình 4-11 Sơ đồ và dạng xung cảm biến G và cảm biến NE Tín hiệu cảm biến bướm ga (loại điện trở):
Cảm biến vị trí bướm ga được lắp ở trên trục cánh bướm ga. Cảm biến này đóng vai trò chuyển vị trí góc mở cánh bướm ga thành tín hiệu điện thế gởi đến ECU.
Hình 4-12 Mạch điện cảm biến vị trí cánh bướm ga loại biến trở
Cấu tạo gồm hai con trượt, ở mỗi đầu con trượt được thiết kế có các tiếp điểm cho tín hiệu cầm chừng và tín hiệu góc mở cánh bướm ga.
Khi cánh bướm ga mở, con trượt trượt theo điện trở và tạo ra điện áp tăng dần tương ứng với góc mở cánh bướm ga.
b. Mạch tạo xung răng cưa dùng vi mạch khuếch đại thuật toán
Có nhiều sơ đồ tạo các xung răng cưa như: sơ đồ dùng transitor, sơ đồ dùng khuếch đại thuật toán, sơ đồ dùng IC định thời 555. Ở đây em chọn sơ đồ dùng khuếch đại thuật toán dạng mạch tích phân đơn giản.
72 Nguyên lý: Xây dựng trên cơ sở khuếch đại lối vào đảo trong đó thành phần hồi tiếp là tụ C. Điện áp lối ra được cho bởi phương trình sau:
] )
( 1[ ) ) (
(
0
0
C t C
ra i t dt Q
C C
t t Q
U
Trong đó: Q0 là điện tích trên tụ tại thời điểm t = 0, iC(t) = R
t Uvao( )
Do đó ta có điện áp lối ra (Ura) là: Ura t RCtUvao t dtUra
0
) 0
1 ( ) (
Thành phần Ura0 xác định từ điều kiện ban đầu của tích phân:
Ura0 = Ura(t=0) = Q0/C
Nếu lối vào Uvao là một xung vuông có giá trị điện áp không đổi trong khoảng 0 ÷ t thì Ura(t) là biến thiên điện áp dạng đường thẳng.
) 0
( 1 vao ra
ra U t U
U RC
Độ chính xác của phương trình trên phụ thuộc vào giả thiết U0 0 hay dòng điện đầu vào IC gần bằng 0.
Hình 4-13 Mạch tạo xung răng cưa dùng khếch đại thuật toán dạng mạch tích phân
Hình 4-14 Sơ đồ dạng sóng tín hiệu điện áp tạo xung răng cưa t- Thời điểm từ điểm chết trên đến thời điểm đánh lửa
73 c. Bộ chia áp, bộ chuyển đổi tần số sang điện áp
Bộ chia áp: ta sử dụng cầu chia áp –phân áp.
Với U là điện áp nguồn cung cấp của tín hiệu tải động cơ với U =5V, các điện trở R1, R2 (giả sử R1 > R2).
Cách tính V: + Cộng tổng trở R = R1+ R2. + Chia điện áp U cho R.
Suy ra: V= R1. R U
Giá trị điện áp Vbđ cũng tính tương tự như V .
Hình 4-15 Sơ đồ cầu chia áp tín hiệu tải động cơ Bộ chuyển đổi tần số sang điện áp:
Do tín hiệu đầu vào mạch của các cảm biến tốc độ động cơ NE và cảm biến vị trí góc quay của trục khuỷu G thể hiện dưới dạng tần số nên ta sử dụng bộ chuyển đổi tần số sang điện áp để đưa các các tín hiệu này sang dạng điện áp.
Ta có: Vout = k.fin
Trong đó: Vout - Tín hiệu ra của qua bộ biến đổi.
k - Là hằng số.
fin - Tín hiệu vào bộ chuyển đổi.
Bộ chuyển đổi tần số sang điện áp dùng để chuyển đổi tín hiệu tần số của cảm biến tốc độ động cơ fNE và tín hiệu tần số góc quay của trục khuỷu fG sang tín hiệu điện áp VNE và VG.
74 d. Mạch trừ điện áp, mạch cộng điện áp, mạch so sánh
Mạch trừ điện áp: chúng ta tạo một tín hiệu điện áp đầu ra bằng độ chênh lệch của các tín hiệu ngõ vào. Trong mạch thiết kế này, ta có tín hiệu ngõ vào của mạch trừ là tín hiệu Vcb và tín hiệu điện áp của tốc độ động cơ VNE.
Hình 4-16 Mạch trừ điện áp loại không đảo
Ta sử dụng phương pháp chồng chất để xác định điện áp ngõ ra. Đầu tiên giả sử rằng Vcb được nối đất, ta có:
V+ = Vcb R R
R
2 1
2
Nên V0cb = V
R R R
3 4
3 = ( )
3 4 3
R R R
) (
2 1
2
R R
R
.Vcb Bây giờ giả sử VNE nối đất ta có:
NE VNE R V R
3 4
0
Vì vậy điện áp ta có điện áp ngõ ra:
Vra = V0cb + V0NE = ( )
3 4 3
R R R
) (
2 1
2
R R
R
. Vcb - VNE R R
3 4
Mạch cộng điện áp: dùng để cộng các tín hiệu điện áp lại với nhau.
Ở đây ta có: Vout = Vra + V
Trong đó: Vout là điện áp tổng của Vra và V
Vra là điện áp ra của mạch trừ hai tín hiệu Vcb và VNE. V
là điện áp theo tải trọng động cơ.
75 Trong sơ đồ mạch cộng điện áp, ta có hai tín hiệu ngõ vào Vra và V được cung cấp qua hai điện trở R1 và R2 vào mạch khuếch đại với Rf là điện trở hồi tiếp, Rc (là điện trở bù offset).
Ta có phương trình dòng điện tại hai ngõ vào bộ khuếch đại:
if = i1 + i2
Điện áp ngõ vào – (opamp) bằng 0 kết hợp với phương trình if = i1 + i2 ta có:
f out ra
R v R v R
v
2 1
Ta có điện áp ngõ ra vout:
vout = -( v R v R R
R f
ra f
2 1
)
Các giá trị R1, R2 ta có thể chọn tùy ý để tạo ra các hệ số tỉ lệ cần thiết và phù hợp với thực tế. Ở đây ta chọn Rf =R1 = R2 =1. Suy ra vout = - (Vra + V)
Hình 4-17 Mạch cộng điện áp loại đảo Mạch so sánh
Hình 4-18 Mạch so sánh sử dụng IC khuếch đại thuật toán
76 Mạch này có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa răng cưa VG với điện áp điều khiển Vout. Tại các thời điểm điện áp răng cưa bằng điện áp điều khiển thì phát ra các xung điều khiển đánh lửa IGT.
Nguyên lý: Điện áp đầu ra của khâu tạo xung VG sẽ được đưa vào đầu vào đảo của khuếch đại thuật toán và điện áp điều khiển V sẽ được đưa vào đầu vào không đảo của khuếch đại thuật toán. Nếu VG > V thì điện áp Ura = +E, nếu VG <V thì khuếch đại thuật toán sẽ lật trạng thái và Ura= - E.
Hình 4-19 Đồ thị điện áp xung ra IGT Như trên ta có: t =
n 6 360
= n
n cb
6
360
t =
n V V Vcb NE
6
t = n Vout 6
Mặt khác ta có: VG = a.t với a là hằng số.
Khi VG = Vout thì ta có: a = 6n
Từ đồ thị điện áp xung ra IGT trên hình 4-19, ta thấy khi thời gian từ điểm chết trên đến thời điểm đánh lửa t giảm, dẫn đến giá trị Vout sẽ giảm, thời điểm đánh lửa (tín hiệu đánh lửa IGT sẽ xuất hiện sớm hơn). Phù hợp với t =
n Vout