Tài liệu Xây dựng mạch đo và phần mềm thu thập, xử lý tín hiệu băng thử công suất bánh (word + bản vẽ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Họ và tên : Nguyễn Thanh Tùng Lớp : Ô tô B Bộ môn : Ô tô và xe chuyên dụng Khóa : 49 1. Đề tài thiết kế: Xây dựng mạch đo và phần mềm thu thập, xử lý tín hiệu băng thử công suất bánh xe 2. Các số liệu ban đầu: Tham khảo băng thử công suất MD – 1000 3. Nội dung các phần thiết kế và tính toán: 1 – Khảo sát hiện trạng băng thử MD – 1000 và đề xuất phương án phục hồi 2 – Xây dựng mạch xử lý tín hiệu cảm biến 3 – Xây dựng mô hình thuật toán đo công suất bánh xe 4 – Xây dựng phần mềm thu thập dữ liệu và xử lý tín hiệu 4. Các bản vẽ: 1 - Sơ đồ băng thử……….……................................................ A0 - Xử lý tín hiệu cảm biến tốc độ…......................................... A0 - Xử lý tính hiệu cảm biến lực…............................................ A0 - Hệ thống điều khiển………………………..........................A0 - Thuật toán thử nghiệm công suất ngoài................................A0 - Thuật toán thử nghiệm vận tốc không đổi….. …….............A0 5. Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hữu Nam 6. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 02/2009 7. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 05/2009 Ngày ..... tháng …. năm 2009 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN Cán bộ hướng dẫn thiết kế (kí và ghi rõ họ tên) (ký và ghi tên họ tên) Sinh viên đã hoàn thành và nộp toàn bộ thiết kế cho bộ môn Ngày ...... tháng ..... năm 2009 (ký và ghi rõ họ tên) 2 MỤC LỤC Lời nói đầu…………………………………………………………………….. 5 Chương I: KHẢO SÁT HIỆN TRẠNG BĂNG THỬ CÔNG SUẤT MD – 1000 VÀ ĐƯA RA PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ………………………………………..... 6 1. Đặc điểm Băng thử công suất bánh xe…………………………………….... 6 2. Nguyên lý hoạt động của Băng thử công suất………………………………. 9 3. Cấu tạo Băng thử công suất bánh xe………………………………………... 13 4. Đánh giá hiện trạng Băng thử MD – 1000………………………………….. 17 5. Đề xuất phương án xử lý……………………………………………………. 18 Chương II: XÂY DỰNG MẠCH XỬ LÝ TÍN HIỆU…………………………. 20 1 Cảm biến tốc độ……………………………………………………………… 20 2.Cảm biến lực………………………………………………………………….. 25 3. Mạch nguồn cấp cho các mạch đo tín hiệu…………………………………... 31 Chương III: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐO CÔNG SUẤT BÁNH XE…….. 33 1. Chế độ thử nghiệm Đặc tính kéo theo chế độ làm việc đặc tính ngoài của động cơ………………………………………………………………….. 33 2. Chế độ do vân tốc không đổi…………………………………………………. 39 Chương IV: XÂY DỰNG PHẦN MỀM THU THẬP DỮ LIỆU VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU………………………………………………………………. 43 1. Nhiệm vụ của Phàn mềm……………………………………………………... 43 2. Cấu trúc phần mềm và giao diện làm việc……………………………………. 44 3 3. Phần cứng……………………………………………………………………... 47 4. Phần mềm…………………………………………………………………….. 50 5. Một số chức năng của phần mềm……………………………………………. 52 Kết luận…………………………………………………………………………. 59 Phụ lục……………………………………………………………………………60 4 LỜI MỞ ĐẦU Sự phát triển nhanh chóng của ngành Ô tô có được là nhờ tiếp thu các tiến bộ của các ngành Cơ khí chế tạo, Vật liệu, Điện, Điện tử, Điều khiển…. Tuy nhiên ngành Ô tô cũng có các đặc thù riêng, yêu cầu phải có các phương pháp nghiên cứu và đánh giá riêng. Do đó sự có mặt của các Băng thử nghiệm trong các nhà máy, phòng thí nghiệm đóng một vai trò vô cùng quan trọng. Điều kiện nước ta chưa thể sản xuất các Băng thử này, nên hầu hết các Băng thử trong nước đều được nhập khẩu. Trong thời gian thực tập tốt nghiệp, em đã được tiếp xúc với Băng thử Công suất bánh xe MD – 1000 cho xe tải 2 cầu sau chủ động và hiện tại Băng thử này đang gặp trục trặc, cho ra kết quả không chính xác, ảnh hưởng tới hoạt động của cơ sở. Sau thời gian tìm hiểu và làm việc với Băng thử, em được giao nhiệm vụ “Xây dựng mạch đo và Phần mềm thu thập, xử lý tín hiệu Băng thử Công suất bánh xe”. Đây là một đề tài hoàn toàn mới, yêu cầu cần có thời gian nghiên cứu, khảo nghiệm và đánh giá lâu dài. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng do thời gian và kinh nghiệm bản thân có hạn nên bản đồ án này không tránh khỏi có các thiếu sót. Em kính mong được các thầy và các bạn đóng góp ý kiến để đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn: PHẠM HỮU NAM đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn giúp em hoàn thành đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy trong bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng – Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội và các bạn trong bộ môn đã giúp em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành đồ án này. Sinh viên Nguyễn Thanh Tùng 5 Chương I. KHẢO SÁT HIỆN TRẠNG BĂNG THỬ CÔNG SUẤT MD – 1000 VÀ ĐƯA RA PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ 1. Đặc điểm Băng thử công suất bánh xe: 1.1. Định nghĩa: Băng thử công suất là một thiết bị được sử dụng để đo momen và tốc độ từ đó có thể tính ra công suất của động cơ nổ, động cơ điện hay một thiết bị có chuyển động quay, từ đó cho phép xác định các thông số khác của nó. Băng thử công suất đóng một vai trò to lớn trong ngành công nghiệp xe. Nó cho phép đánh giá khả năng hoạt động của các xe mới sản xuất hoặc đánh giá các thông số khác của xe như khí thải, chuẩn đoán trạng thái xe. Hình 1.1: Sơ đồ Băng thử công suất xe 2 cầu sau chủ động 1.2. Đặc điểm của Băng thử: 6 Băng thử công suất Ô tô 2 cầu sau chủ động thuộc loại Chassis Dynanometer là thiết bị được sử dụng để mô phỏng đặt tải lên xe thử nghiệm. Hệ thống này bao gồm kết cấu cơ khí, cơ – điện và điện tử được sử dụng để mô phỏng tải thật đặt lên xe trong phòng thí nghiệm. Băng thử sử dụng Phanh điện từ - PAU để hấp thụ momen truyền từ bánh xe tới con lăn và chuyển hóa năng lượng hấp thụ này thành nhiệt. Bộ điều khiển điện tử của hệ thống sử dụng loại điều khiển có hồi tiếp (PID) để điều khiển quá trình hấp thụ năng lượng này, mà thực chất là tải tác động lên xe thử nghiệm. Một số thông số cơ bản của Băng thử MD – 1000 theo tài liệu MD – 1000 Series Maintenance & Service Manual: Công suất: Làm việc liên tục ở mức 500 mã lực Công suất làm việc lớn nhất 1200 mã lực Giá trị đo được 2000 mã lực Bộ phận gây tải: Phanh điện từ làm mát bằng gió MDK – 400 Hệ thống điều khiển: Máy tính và Phần mềm MD – 7000 Có khả năng điều khiển bằng tay từ xa Con lăn: Đường kính con lăn 452 mm Khoảng cách con lăn 762 mm Chiều dài trục: Khoảng cách 2 cầu xe 1168 – 1524 mm Vận tốc làm việc: Lớn nhất 200km/h Liên tục 175km/h 7 Bộ nâng hạ: Giữa 2 con lăn cầu giữa, sử dụng hệ thống khí nén Nguồn điện cung cấp: 230VAC ba pha, 60Hz, 40A 120VAC một pha, 60Hz, 15A cho máy tính Hình 1.2: Sơ đồ bố trí mẫu của Băng thử MD – 1000 2. Nguyên lý hoạt động của Băng thử công suất: 2.1. Nguyên lý hoạt động của Băng thử công suất bánh xe: 8 Công suất của ôtô được xác định thông qua vận tốc của bánh xe ( lực kéo tiếp tuyến ( Fk vbx ) và ): N  Fk � vbx Quá trình thử nghiệm Đường cong công suất ngoài của bánh xe ô tô được xác định khi bướm ga mở hoàn toàn và khi ô tô chất đầy tải. Trong quá trinh thử nghiệm các bánh xe chủ động của xe thử nghiệm được đặt giữa con lăn chủ động và con lăn bị động. Bánh xe chủ động làm quay các con lăn chủ động. Con lăn chủ động được nối với bộ PAU. Khi xe chuyển động, bánh xe quay sẽ làm cho con lăn chủ động quay, và do đó làm cho Rotor của PAU quay theo. PAU hoạt động theo nguyên tắc dòng điện Fucô tạo ra mômen cản để cản chuyển động của các con lăn chủ động, và sinh ra các chế độ tải và chế độ tốc độ khác nhau trong khi thử. Do bộ phận gây tải PAU được thiết kế đặt theo kiểu động cơ đặt treo, khi PAU gây tải lên bánh xe, momen bánh xe truyền tới sẽ tạo nên Momen phản ứng tại vỏ của “động cơ đặt treo” hay tại Stator của PAU. Để ngăn cản không cho Stator quay tự do, trên Stator của PAU có một cánh tay đòn gắn với cảm biến lực cho phép xác định được Momen phản ứng trên Stator. Bằng cách xác đinh được Momen phản ứng trên Stator có thể tính toán ngược trở lại được Momen kéo tại bánh xe hay là tính được Lực kéo tiếp tuyến trên bánh xe. Số vòng quay của bánh xe chủ động của xe được xác định như sau: nbx =n cl × r cl r bx ncl =ncb Trong đó: 9 ncl : ncb : Fk : 2.2. số vòng quay của con lăn chủ động (vg/ph). số vòng quay xác định được trên cảm biến đo tốc độ (vg/ph). lực kéo tiếp tuyến ( N ). Các công thức tính cơ bản: Đường truyền công suất từ động cơ tới Bánh xe chủ động: Động cơ  Hộp số  Các Đăng  Cầu chủ động  Bánh xe chủ động Công suất phát ra tại bánh xe: N k =N e . ηtl =N f + N ω ± N i ± N j Trong đó: Nk – Công suất kéo phát ra tại bánh xe, kW Ne – Công suất động cơ, kW Nf – Công suất tiêu hao do lực cản lăn, kW Nω – Công suất tiêu hao do lực cản không khí, kW Ni – Công suất tiêu hao do lực cản dốc, kW Nj – Công suất tiêu hao do lực cản quán tính, kW ηtl – Hiệu suất của hệ thống truyền lực Trong trường hợp Ô tô chuyển động trên đường bằng, không có gia tốc, phương trình cân bằng công suất của ô tô có dạng sau: N k =N e . ηtl =N f + N ω 10 Hình 1.3: Sơ đồ tính lực tương tác giữa con lăn và bánh xe Do có góc đặt giữa trục bánh xe và trục con lăn chủ động, nên công suất phản ứng trên Stator thu được là công suất mà bánh xe truyền tới trên trục con lăn: N=F k . v bx =Gφ . φ . v bx Trên băng thử phần công suất bánh xe truyền cho trục con lăn: ' ' N =F k . v bx =G φ . cos Υ .φ . v bx Khi đó góc Υ1 và góc Υ2 đối với băng thử được tính theo công thức sau: sin Υ 1= D1 2.( Rbx +R cl ) 11 D1 + D2−D 2 sin Υ 2= Rbx + R cl Momen phản ứng của Stator: M p ư =F lc . L Trong đó: Mpư – Momen phản ứng của Stator, Nm Flc – Lực tác dụng lên Cảm biến lực, N L – Cánh tay đòn treo Cảm biến lực, m Momen của Bánh xe thực tế: M bx =M p ư + M ms=M p ư /η HT Trong đó: Mbx – Momen tại Bánh xe chủ động, Nm Mms – Momen ma sát trong HT truyền lực Băng thử, Nm η HT – Hiệu suất truyền lực trong HT truyền lực Băng thử Từ công thức tính cơ bản trên, có thể tính ra Công suất kéo tại bánh xe chủ động theo công thức sau: N bx =M bx . ω=( M p ư + M ms ) .ω=F bx . v bx = Trong đó: ω ( M p ư + M ms ) r bx . v bx – Vận tốc góc bánh xe, rad/s 12 v bx – Vận tốc dài bánh xe, m/s Fbx – Lực kéo tiếp tuyến bánh xe, N rbx – Bán kính bánh xe, m 3. Cấu tạo Băng thử công suất bánh xe: Băng thử công suất bánh xe là một tổ hợp hoàn chỉnh gồm nhiều bộ phận cơ khí, điện, điện tử kết hợp lại nhằm thử nghiệm xe và thu thập các kết quả thử nghiệm. Cấu tạo băng thử gồm các bộ phận chính sau: - Kết cấu cơ khí Bộ phận tạo tải Hệ thống đo và thu thập dữ liệu Hệ thống điều khiển 13 Hình 1.4: Cấu tạo Băng thử MD - 1000 3.1. Kết cấu cơ khí: Kết cấu cơ khí của Băng thử là bộ phận quan trọng nhất của băng thử. Kết cấu cơ khí của Băng thử bao gồm: Khung dầm đỡ toàn bộ Băng thử, Hệ thống con lăn và Các ổ lăn. Phần khung dầm đỡ của băng thử bao gồm các dầm thép kết nối với nhau tạo thành. Để dễ dàng cho quá trình vận chuyển, dầm thép này được chia thành 2 khối cơ bản: dầm trái và dầm phải. Các dầm thép được nối với nhau bằng cách hàn hoặc nối bulông. Hệ thống con lăn của Băng thử gồm có 6 con lăn chia thành 2 bộ con lăn chủ động và 1 bộ con lăn bị động. Khi xe đi vào thử nghiệm, cầu giữa của xe sẽ 14 nằm đè lên 1 bộ con lăn chủ động và 1 bộ con lăn bị động, cầu sau sẽ nằm trên bộ con lăn chủ động còn lại. Để nối 2 con lăn tạo thành bộ con lăn, giữa 2 con lăn có khớp nối răng. 2 bộ con lăn chủ động được nối liên động với nhau bằng đai răng. Các con lăn được đặt trên các gối ổ đỡ được bắt chặt trên phần khung dầm. Kích thước con lăn: Đường kính D = 452 mm, chiều rộng : W = 965 mm Ổ lăn được sử dụng trong Băng thử MD – 1000 là loại gối ổ lăn. Ổ lăn được bắt trên khung giá đỡ chính của băng thử và điều chỉnh độ đồng tâm bằng các bulông đặt 2 bên ổ. 3.2. Bộ phận tạo tải – Phanh điện từ: Bộ phanh điện từ - PAU hoạt động dựa trên nguyên tắc dòng điện xoáy hay dòng điện Phucô. Nguyên tắc dòng điện xoáy hay dòng điệu Phucô là chuyển động năng của vật chuyển động thành nhiệt năng. Bằng cách tạo ra một trường tĩnh điện và đặt vào đó một đĩa kim loại. Khi đó sẽ có những dòng điện xoay quanh đường sức từ sinh ra trong đĩa kim loại đang chuyển động, gọi là dòng Phucô hay dòng điện xoáy, những dòng điện này sẽ sinh ra một lực chống lại sự chuyển động của đĩa kim loại. 15 Hình 1.4: Phanh điện từ làm mát bằng gió Nếu như từ trường thay đổi thì lực hay mômen chống lại sự quay của đĩa kim loại cũng thay đổi. Và các thực nghiệm đã chứng minh rằng, nếu sử dụng nam châm điện để tạo ra từ trường, dòng điện cấp cho nam châm tỷ lệ thuận với lực cản sinh ra. Đây chính là nguyên tắc chế tạo và điều khiển bộ phanh điện từ PAU. Bộ phanh điện từ - PAU sử dụng trong Băng thử MD – 1000 là loại phanh điện từ làm mát bằng gió. Gồm có 2 phần: - Phần Rotor: là phần gắn với bộ con lăn chủ động thông qua khớp nối. Ngoài ra Rotor được chế tạo bề mặt phía ngoài có dạng cánh quạt gió có tác dụng làm mát phanh điện từ trong quá trình hoạt động. - Phần Stator: là phần tạo ra từ trường tĩnh điện. Phần Stator có chứa các cuộn dây. Phần khung của Stator được đặt trên ổ bi, tạo cho bộ PAU có dạng “Động cơ đặt treo”. Stator chính là phần sinh ra Momen phản ứng ứng với Momen từ bánh xe truyền tới. Trên vỏ Stator có gắn cảm biến lực để xác định Momen phản ứng này. 3.3. Hệ thống đo và thu thập dữ liệu: 16 Hệ thống đo và thu thập dữ liễu đóng vai trò quan trọng trong việc quá trình thử nghiệm xe. Hệ thống đo cho phép thu thập các kết quả đo một cách tự động và truyền về máy tính để xử lý kết quả đo. Hệ thống đo của Băng thử công suất bao gồm 2 loại cảm biến là cảm biến lực và cảm biến tốc độ. - Cảm biến lực (Loadcell) là cảm biến đo lực phản ứng sinh ra trên Stator của Phanh điện từ. Cảm biến lực của Băng thử là cảm biến kéo nén được treo trên cánh tay đòn trên vỏ Stator. Băng thử MD – 1000 có 2 cảm biến - cho 2 bộ Phanh điện từ. Cảm biến tốc độ trên Băng thử MD – 1000 là loại cảm biến loại cảm ứng, điện áp ra của cảm biến cho phép xác định được tốc độ quay của con lăn. 3.4. Hệ thống điều khiển: Hệ thống điều khiển hoạt động cùng với hệ thống đo tạo thành tổ hợp đo điều khiển cho băng thử, cho phép người sử dụng băng thử vận hành quá trình thử nghiệm một cách tự động và đơn giản. Kết hợp với kết quả đo từ Hệ thống đo, Hệ thống điều khiển sẽ truyền các tín hiệu qua Mạch điều khiển trong hộp điều khiển tới điều khiển Phanh điện từ bằng cách tăng giảm lực phanh. Mạch điều khiển bao gồm 2 phần chính: - Mạch nhận tín hiệu: nhận tín hiệu điều khiển Phanh điện từ từ máy tính - tới mạch cách ly Mạch cách ly và điều khiển: là mạch điều khiển trực tiếp Phanh điện từ, nhận tín hiệu điều khiển từ Mạch nhận tín hiệu. 17 Hình 1.5: Hộp điều khiển 4. Đánh giá hiện trang Băng thử MD – 1000: 4.1. Kết cấu cơ khí: Băng thử MD – 1000 được bảo quản tương đối tốt. Phần khung dầm đỡ toàn bộ Băng thử được đặt trong hố thử nghiệm được bảo quản tốt. Các bộ phận cơ khí khác như con lăn, khớp nối được bôi trơn đầy đủ. Con lăn và đai răng trong tình trạng tốt. 4.2. Bộ phận tạo tải – Phanh điện từ: Phanh điện từ - PAU có yêu cầu khe hở giữa Rotor và Phần ứng trên Stator một khoảng nhất định, phần Đĩa Rotor bị rỉ sét, có thể khe hở này không đảm bảo đúng yêu cầu kĩ thuật do đó cần có các đánh giá kỹ hơn về Phanh điện từ để có thể đưa ra kết quả chính xác hơn. 18 4.3. Hệ thống đo, thu thập dữ liệu và Hệ thống điều khiển: Phần Mạch điều khiển và Phần mềm là một phần rất quan trọng trong Băng thử, mạch đo và điều khiển băng thử nằm trong một tổng thể Hộp điều khiển. Tình trạng hiện tại kết quả thử nghiệm không chính xác, do đó có thể có hỏng hóc hoặc sai sót trong 2 bộ phận này. 5. Để xuất phương án xử lý: Sau khi đánh giá thực tế Băng thử MD – 1000, sinh viên xin đề xuất phương án xử lý phục hồi chức năng: - Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của Băng thử MD – 1000 từ đó đưa ra Phương - thức thử nghiệm, thuật toán điều khiển Băng thử cho các chế độ thử nghiệm Chế tạo toàn bộ Mạch điều khiển bao gồm: Mạch đo các thông số tốc độ và lực - của Băng thử và Mạch điều khiển Phanh điện từ Xây dựng Phần mềm thu thập dữ liệu và Phần mềm điều khiển quá trình thử nghiệm. Ưu điểm: Nếu nghiên cứu đạt kết quả tốt thì kết quả này sẽ cho phép nắm vững công nghệ thử nghiệm công suất xe, không chỉ với xe 2 cầu sau chủ động mà với nhiều loại xe khác nhau. Nhược điểm: Thời gian nghiên cứu lâu dài, yêu cầu phải có khảo nghiệm, đánh giá để đạt được độ chính xác mong muốn. Tuy nhiên do thời gian và trình độ sinh viên hiện còn hạn chế, trong khuôn khổ đồ án này, sinh viên sẽ chỉ nghiên cứu một số phần của phương án xử lý, giúp phục hồi một số chức năng cơ bản nhất của băng thử: 19 - Xây dựng nguyên lý thử nghiệm cho băng thử công suất Xây dựng mạch đo và gửi tín hiệu đo được về máy tính Xây dựng phần mềm thu thập và xử lý tín hiệu. Chương II. XÂY DỰNG MẠCH XỬ LÝ TÍN HIỆU Trên băng thử MD – 1000 có sử dụng 2 loại cảm biến thu thập dữ liệu trong quá trình thử nghiệm: Cảm biến tốc độ được gắn trực tiếp vào Rotor của Phanh điện từ nhằm đo tốc độ của Rotor, đồng thời là tốc độ con lăn. 20