BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Hồ Hữu Hùng
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ABS DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN
(DỰ KIẾN ĐỔI TÊN THÀNH: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ABS TRONG HỆ
THỐNG PHANH KHÍ NÉN)
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Hà Nội – 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Hồ Hữu Hùng
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ABS DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 62520116
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS. TS. Lƣu Văn Tuấn
2. PGS. TS. Đào Mạnh Hùng
Hà Nội – 2015
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Công trình đƣợc thực
hiện tại Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội dƣới sự
hƣớng dẫn của PGS. TS. Lƣu Văn Tuấn và PGS. TS. Đào Mạnh Hùng. Các số liệu và kết
quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kì công
trình nào khác.
Hà Nội, ngày tháng năm
TẬP THỂ HƯỚNG DẪN Người cam đoan
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học 1 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học 2
Hồ Hữu Hùng PGS. TS. Lƣu Văn Tuấn PGS. TS. Đào Mạnh Hùng
i
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành Luận án Tiến sĩ này, bên cạnh sự cố gắng nỗ lực của bản thân, Tôi
đã nhận đƣợc sự động viên và giúp đỡ rất lớn của nhiều thầy giáo và tập thể nghiên cứu
khoa học.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến PGS. TS. Lưu Văn Tuấn – Trƣờng Đại
học Bách Khoa Hà Nội và PGS. TS. Đào Mạnh Hùng – Trƣờng Đại học Giao thông vận
tải Hà Nội, là những ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, định hƣớng, đào tạo và giúp đỡ tôi
trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Đề tài khoa học công nghệ cấp nhà nƣớc mã số
KC.03.05/11-15 và các thành viên trong đề tài đã tạo nhiều điều kiện nghiên cứu, thiết bị
thí nghiệm để thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo ở Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng – Viện
Cơ khí động lực, Bộ môn Tự động hóa – Viện Điện – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
đã giảng dạy, chỉ bảo và tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các anh, em đồng nghiệp trong Khoa Cơ khí, lãnh đạo
trƣờng Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ về thời gian và vật
chất để tôi hoàn thành luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các anh, em nghiên cứu sinh, cao học và sinh viên các
khóa thuộc bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng – Viện Cơ khí động lực – Trƣờng Đại học
Bách Khoa Hà Nội đã hết lòng hỗ trợ, động viên tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện
luận án.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng kính yêu và biết ơn tới đại gia đình, bạn bè đã
thực sự động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tôi học tập tại Trƣờng Đại học Bách
Khoa Hà Nội.
Hà Nội, ngày tháng năm
Nghiên cứu sinh
Hồ Hữu Hùng
ii
MỤC LỤC
Mục lục ................................................................................................................................. iii
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ................................................................................... vi
Danh mục các bảng............................................................................................................. viii
Danh mục các hình ảnh, đồ thị ............................................................................................. ix
Mở đầu ................................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ....................................................... 5
1.1. Hệ thống phanh ABS khí nén trên xe ô tô ............................................................... 5
1.2. Lịch sử phát triển hệ thống ABS khí nén ................................................................. 6
1.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc ............................................................................ 8
1.4. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc........................................................................... 11
1.5. Đối tƣợng nghiên cứu ............................................................................................ 14
1.5.1. Xe nghiên cứu và bố trí hệ thống ABS ....................................................... 15
1.5.2. Van chấp hành ABS và phƣơng pháp điều khiển........................................ 17
1.6. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 19
1.7. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................... 20
1.8. Kết luận chƣơng 1 .................................................................................................. 21
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................... 23
2.1. Quy trình nghiên cứu ............................................................................................. 23
2.2. Phƣơng pháp điều khiển ABS ................................................................................ 25
2.3. Nghiên cứu khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh khí nén có
ABS ............................................................................................................................... 28
2.4. Xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô trong quá trình phanh .......... 31
2.4.1. Chuyển động của ô tô trong quá trình phanh trên đƣờng bằng phẳng ........ 31
2.4.2. Động lực học bánh xe trong quá trình phanh .............................................. 34
2.4.3. Sự phân bố lại trọng lƣợng khi phanh ......................................................... 36
2.4.4. Mô hình mô phỏng chuyển động của xe ..................................................... 36
2.4.5. Mô hình mô phỏng bánh xe ......................................................................... 37
iii
2.5. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén .......................................... 37
2.5.1. Cơ sở tính toán áp suất và lƣu lƣợng khí nén trong hệ thống phanh ........... 38
2.5.2. Mô hình mô phỏng van phân phối .............................................................. 40
2.5.3. Mô hình mô phỏng van xả nhanh ở dòng phanh cầu trƣớc ......................... 42
2.5.4. Mô hình mô phỏng van gia tốc trên dòng phanh cầu sau ............................ 43
2.5.5. Mô hình mô phỏng bầu phanh và cơ cấu phanh .......................................... 43
2.6. Kết luận chƣơng 2 .................................................................................................. 45
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ABS DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN 47
3.1. Khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống ABS ........................................ 47
3.2. Thuật toán điều khiển hệ thống ABS ..................................................................... 49
3.3. Cảm biến và phƣơng pháp đo vận tốc góc bánh xe ............................................... 52
3.3.1. Cảm biến đo vận tốc góc bánh xe ............................................................... 52
3.3.2. Vành răng cảm biến ..................................................................................... 53
3.3.3. Phƣơng pháp xác định vận tốc góc và gia tốc góc bánh xe ......................... 55
3.4. Mô hình mô phỏng hoạt động của hệ thống ABS .................................................. 56
3.4.1. Mô hình mô phỏng van chấp hành ABS ..................................................... 56
3.4.2. Mô hình mô phỏng cảm biến đo vận tốc góc bánh xe ................................. 58
3.4.3. Mô hình mô phỏng bộ điều khiển ............................................................... 59
3.5. Mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô khi phanh bởi hệ thống phanh khí nén có
ABS ............................................................................................................................... 60
3.6. Nghiên cứu, xác định ngƣỡng gia tốc góc điều khiển ABS ................................... 61
3.6.1. Mô phỏng điều khiển theo độ trƣợt bánh xe .............................................. 62
3.6.2. Mô phỏng điều khiển theo gia tốc góc bánh xe ........................................... 64
3.6.3. Kết quả mô phỏng ....................................................................................... 65
3.7. Kết luận chƣơng 3 .................................................................................................. 69
CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ................................................................. 70
4.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm ........................................................................ 70
4.2. Nghiên cứu chính xác hóa ngƣỡng điều khiển....................................................... 70
iv
4.2.1. Quy trình mô phỏng thực nghiệm ............................................................... 70
4.2.2. Thiết bị thử nghiệm ..................................................................................... 71
4.2.3. Ngƣỡng điều khiển và hoạt động của hệ thống phanh khí nén có ABS ...... 76
4.3. Thử nghiệm đánh giá hiệu quả hệ thống ................................................................ 84
4.4. Kết luận chƣơng 4 .................................................................................................. 86
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................. 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 89
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................................. 1
PHỤ LỤC .............................................................................................................................. 1
v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục ký hiệu
Ký hiệu Đơn vị Giải thích
Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến cầu trƣớc, đến cầu sau a, b m
m Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến mặt đƣờng
Chiều dài cơ sở L m
N Lực tƣơng tác giữa lốp và mặt đƣờng theo các phƣơng x, y, z
N Lực cản lăn, lực cản không khí
Nm Mô men phanh
N Lực phanh
m Bán kính động lực học của bánh xe
Hệ số bám dọc, hệ số bám ngang
m/s Vận tốc dài của ô tô , vận tốc trƣợt của bánh xe
Độ trƣợt của bánh xe
m kg Khối lƣợng của ô tô
rad/s Vận tốc góc bánh xe
rad/s2 Gia tốc góc bánh xe
p N/m2 Áp suất khí nén
V m3 Thể tích bình chứa
T K Nhiệt độ của chất khí
n mol Khối lƣợng mol phân tử
R Jmol-1 K-1 Hằng số chất khí
γ N/m3 Trọng lƣợng riêng của chất khí
g m/s2 Gia tốc trọng trƣờng
vi
A m2 Tiết diện dòng chảy
Q m3/s Lƣu lƣợng khí nén
Khí dung của chất khí
Hệ số tiết lƣu Cv
G Trọng lƣợng riêng trung bình của chất khí
K Nhiệt độ của khí nén Tu
Danh mục chữ viết tắt
Ký hiệu Giải thích
Hệ thống phanh chống hãm cứng bánh xe Anti-look Braking System ABS khi phanh
Anti Skid Regulator Hệ thống chống trƣợt quay bánh xe ASR
Automatic Traction Control Hệ thống điều khiển lực kéo ATC
Electronic Control Unit Bộ điều khiển điện tử ECU
Electronic Stability Control Hệ thống điều khiển ổn định điện tử ESC
Integrated Circuit Vi mạch tích hợp IC
RSC Roll Stability Control Hệ thống ổn định chống lật
vii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1. Thông số của xe nghiên cứu ............................................................................... 15
Bảng 1. 2. Bảng trạng thái hoạt động của van chấp hành ABS ........................................... 19
Bảng 3. 1. Bảng trạng thái hoạt động của mô hình mô phỏng van chấp hành ABS ........... 58
Bảng 3. 2. Ngƣỡng gia tốc góc điều khiển ABS đƣợc xác định theo lý thuyết ................... 65
Bảng 4. 1. Các giá trị ngƣỡng gia tốc góc điều khiển ABS phù hợp với giá trị đo đƣợc
trong thực tế của hệ thống ABS luận án nghiên cứu ........................................................... 76
Bảng 4. 2. Ngƣỡng gia tốc góc điều khiển ABS đã đƣợc hiệu chỉnh qua mô phỏng thực
nghiệm ................................................................................................................................. 80
Bảng 4. 3. Ngƣỡng gia tốc góc điều khiển ABS ................................................................. 81
Bảng 4. 4. Quy chuẩn Việt Nam về hiệu quả phanh và kết quả thử nghiệm ....................... 84
Bảng 4. 5. Tiêu chuẩn Châu Âu ECE R13 về hiệu quả phanh và kết quả thử nghiệm ....... 85
viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1. 1. Phƣơng án bố trí ABS kiểu 4S/4M trên xe nghiên cứu ...................................... 16
Hình 1. 2. Trạng thái van chấp hành ABS khi không làm việc ........................................... 17
Hình 1. 3. Trạng thái van chấp hành ABS trong pha giảm áp ............................................. 18
Hình 1. 4. Trạng thái van chấp hành ABS trong pha giữ áp ............................................... 19
Hình 2. 1. Quy trình nghiên cứu, đề xuất thuật toán điều khiển .......................................... 23
Hình 2. 2. Quy trình nghiên cứu, xác định ngƣỡng điều khiển ........................................... 24
Hình 2. 3. Quan hệ giữa hệ số lực dọc, ngang và độ trƣợt dọc của bánh xe khi phanh ...... 25
Hình 2. 4. Phạm vi điều khiển của ABS .............................................................................. 27
Hình 2. 5. Các pha điều khiển áp suất trong hệ thống theo gia tốc góc bánh xe ................. 28
Hình 2. 6. Thiết bị tạo xung điều khiển van chấp hành ABS phục vụ khảo sát khả năng đáp
ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh ABS khí nén ..................................................... 30
Hình 2. 7. Áp suất khí nén trong bầu phanh khi phanh bình thƣờng................................... 30
Hình 2. 8. Các lực tác dụng vào xe khi phanh trên đƣờng thẳng, bằng phẳng .................... 32
Hình 2. 9. Phân bố ứng suất và phản lực từ đƣờng khi lốp lăn ........................................... 34
Hình 2. 10. Lực và mô men tác dụng lên bánh xe khi phanh .............................................. 35
Hình 2. 11. Sơ đồ hệ thống phanh khí nén trên ô tô ............................................................ 38
Hình 2. 12. Sơ đồ van phân phối trong hệ thống phanh khí nén ......................................... 41
Hình 2. 13. Sơ đồ nút chia khí nén đến các bầu phanh ....................................................... 42
Hình 2. 14. Sơ đồ van gia tốc trên dòng phanh cầu sau ...................................................... 43
Hình 2. 15. Sơ đồ mô tả bầu phanh ..................................................................................... 44
Hình 3. 1. Quy luật biến thiên của áp suất khí nén trong bầu phanh khi điều khiển ở tần số
0,5 Hz (bên trái) và 5 Hz (bên phải) .................................................................................... 48
Hình 3. 2. Quy luật biến thiên giá trị áp suất cao nhất và thấp nhất trong bầu phanh phía
sau theo tần số của xung điều khiển .................................................................................... 48
Hình 3. 3. Lƣu đồ thuật toán điều khiển ABS theo gia tốc góc bánh xe ............................. 51
ix
Hình 3. 4. Sơ đồ mạch của cảm biến E2A-S08KS02-WP-C1 2M ...................................... 53
Hình 3. 5. Vành răng và cảm biến lắp lên xe ...................................................................... 54
Hình 3. 6. Phƣơng pháp đo tần số ....................................................................................... 55
Hình 3. 7. Thông tin bộ điều khiển thu đƣợc từ cảm biến ................................................... 58
Hình 3. 8. Sơ đồ một mô đun trong mô hình mô phỏng bộ điều khiển hệ thống ABS theo
độ trƣợt của bánh xe ............................................................................................................ 59
Hình 3. 9. Sơ đồ một mô đun trong mô hình mô phỏng bộ điều khiển hệ thống ABS theo
gia tốc góc của bánh xe........................................................................................................ 60
Hình 3. 10. Sơ đồ khối mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô khi phanh bởi hệ
thống phanh khí nén có ABS ............................................................................................... 61
Hình 3. 11. Các pha điều khiển hệ thống theo độ trƣợt của bánh xe ................................... 63
Hình 3. 12. Biến thiên giá trị độ trƣợt, gia tốc góc và biến điều khiển ECU theo thời gian 64
Hình 3. 13. Gia tốc góc của bánh xe khi phanh trên đƣờng khô, v0 = 40 km/h .................. 66
Hình 3. 14. Độ trƣợt của bánh xe khi phanh trên đƣờng khô, v0 = 40 km/h ....................... 66
Hình 3. 15. Vận tốc của bánh xe và của xe khi phanh trên đƣờng khô, v0 = 40 km/h ........ 66
Hình 3. 16. Quãng đƣờng phanh khi phanh trên đƣờng khô, v0 = 40 km/h ........................ 67
Hình 3. 17. Gia tốc góc của bánh xe khi phanh trên đƣờng ƣớt, v0 = 40 km/h ................... 67
Hình 3. 18. Độ trƣợt của bánh xe khi phanh trên đƣờng ƣớt, v0 = 40 km/h ........................ 67
Hình 3. 19. Vận tốc của bánh xe và của xe khi phanh trên đƣờng ƣớt, v0 = 40 km/h ......... 68
Hình 3. 20. Quãng đƣờng phanh khi phanh trên đƣờng ƣớt, v0 = 40 km/h ......................... 68
Hình 4. 1. Sơ đồ quy trình mô phỏng thực nghiệm xác định ngƣỡng gia tốc góc điều khiển
ABS ..................................................................................................................................... 71
Hình 4. 2. Cấu trúc bộ điều khiển điện tử của hệ thống phanh ABS ................................... 72
Hình 4. 3. Bộ điều khiển điện tử hệ thống ABS .................................................................. 73
Hình 4. 4. Phần mềm hiển thị và ghi dữ liệu vận tốc góc bánh xe ...................................... 74
Hình 4. 5. Thiết bị đánh dấu quãng đƣờng phanh trên xe thử nghiệm ................................ 75
Hình 4. 6. Thiết bị đo ghi đa kênh DEWE5000 và các cảm biến ........................................ 76
x
Hình 4. 7. Vận tốc góc bốn bánh xe khi phanh với vận tốc ban đầu 40 km/h không dùng
ABS ..................................................................................................................................... 77
Hình 4. 8. Đồ thị vận tốc góc bánh xe khi phanh tại vận tốc 40km/h có ABS .................... 78
Hình 4. 9. Ảnh hƣởng của giá trị ngƣỡng gia tốc đến vận tốc góc bánh xe ........................ 79
Hình 4. 10. Quy luật biến thiên vận tốc góc các bánh xe khi thực nghiệm phanh trên đƣờng
tốt với vận tốc ban đầu 40km/h có ABS (sử dụng bộ giá trị ngƣỡng trong bảng Bảng 4. 2)
............................................................................................................................................. 81
Hình 4. 11. Biến thiên vận tốc góc các bánh xe khi phanh có ABS trên đƣờng phủ nhựa
asphalt khô, v0 = 40 km/h .................................................................................................... 82
Hình 4. 12. Biến thiên vận tốc góc các bánh xe khi phanh có ABS trên đƣờng phủ nhựa
asphalt ƣớt, v0 = 40 km/h ..................................................................................................... 83
xi
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Công nghiệp ô tô là ngành công nghiệp tạo nhiều việc làm và giá trị vật chất lớn
cho xã hội. Hiện nay trong nƣớc đã có nhiều công ty sản xuất, lắp ráp ô tô để phục vụ nhu
cầu trong nƣớc và xuất khẩu. Việc tiếp cận khoa học công nghệ cao là vấn đề cấp thiết,
giúp Việt Nam có thể sản xuất đƣợc ô tô hiện đại, đạt các tiêu chuẩn quốc tế và cạnh tranh
tốt về chất lƣợng và giá thành với các sản phẩm ô tô trên thế giới.
Hệ thống phanh là hệ thống an toàn chủ động quan trọng trên ô tô. Vận tốc và tải
trọng của xe tải ngày càng cao nên yêu cầu hệ thống phanh phải có hiệu quả càng cao. Bên
cạnh đó cần phải tăng tính năng ổn định hƣớng chuyển động cho xe khi phanh, đặc biệt là
khi phanh gấp. Hiệu quả phanh và ổn định hƣớng chuyển động của ô tô khi phanh phụ
thuộc nhiều yếu tố, trong đó điều khiển quá trình phanh là yếu tố có ảnh hƣởng lớn nhất.
Trên các xe ô tô tải tải trọng trung bình và lớn sử dụng hệ thống phanh khí nén có
độ trễ cao, phân bố trọng lƣợng trên các cầu xe thay đổi lớn theo điều kiện chở tải nên hiệu
quả phanh bị ảnh hƣởng rất lớn. Hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh (ABS) là một
hệ thống quan trọng, nhằm tăng tính ổn định hƣớng chuyển động và hiệu quả phanh. Nhờ
đó nâng cao tính an toàn khi vận hành cho xe. Một số nƣớc tiên tiến đã quy định bắt buộc
phải lắp đặt hệ thống ABS trên các loại xe tải.
Trên thế giới, các hãng sản xuất lớn đã nghiên cứu rất sâu về hệ thống ABS, có
thực nghiệm kiểm chứng và đã ứng dụng thƣơng mại vào hầu hết các loại xe. Tuy nhiên
các tài liệu, kết quả nghiên cứu là tƣ liệu riêng của các hãng, không đƣợc công bố hoặc có
công bố chỉ mang tính chất hƣớng dẫn sử dụng.
Trong khi đó, các xe tải hiện đang sử dụng trong nƣớc đa số sử dụng hệ thống
phanh khí nén và không có ABS. Do đó, việc nghiên cứu, làm chủ kỹ thuật, công nghệ
hiện đại trên ô tô nói chung, hệ thống phanh ABS khí nén nói riêng để từng bƣớc nghiên
cứu chế tạo, thay thế các cụm chi tiết trong hệ thống ABS của các hãng có ý nghĩa thực
tiễn đối với ngành công nghiệp ô tô nƣớc ta, giúp nâng cao chất lƣợng và khả năng cạnh
tranh cho các sản phẩm ô tô chế tạo trong nƣớc.
Đề tài khoa học công nghệ cấp nhà nƣớc: ―Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm
hệ thống ABS cho hệ thống phanh khí nén dùng trên ô tô lắp ráp tại Việt Nam‖, mã số
KC.03.05/11-15 (sau đây gọi tắt là đề tài KC.03.05/11-15) do Trƣờng Đại học Bách khoa
- 1 -
Hà Nội chủ trì thực hiện nhiều nội dung nghiên cứu, chế tạo các cụm chi tiết trong hệ
thống ABS. Trong các nội dung nghiên cứu của đề tài KC.03.05/11-15, nội dung nghiên
cứu, chế tạo bộ điều khiển điện tử yêu cầu có các kết quả nghiên cứu chi tiết về phƣơng
pháp và thuật toán điều khiển ABS và giá trị ngƣỡng điều khiển ABS. Đây là vấn đề
nghiên cứu không đƣợc các hãng công bố, cần phải có phƣơng pháp nghiên cứu khoa học,
trang thiết bị hiện đại để hoàn thiện nghiên cứu.
Xuất phát từ những yêu cầu thực tế trên, nghiên cứu sinh chọn đề tài: “Nghiên cứu
hệ thống ABS dẫn động khí nén” nhằm triển khai một số nội dung nghiên cứu của đề tài
KC.03.05/11-15.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Hiện nay trong nƣớc có nhiều doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp ô tô sử dụng hệ thống
phanh khí nén với sản lƣợng và chủng loại ngày càng tăng. Tuy nhiên đa số các chủng loại
ô tô này chƣa đƣợc trang bị ABS. Hệ thống ABS đang đƣợc nhập khẩu nguyên bộ nên phụ
thuộc nhiều vào các hãng sản xuất ở nƣớc ngoài, làm tăng giá thành sản xuất. Do đó, việc
nghiên cứu hệ thống phanh ABS khí nén để từng bƣớc nghiên cứu chế tạo, thay thế các
cụm chi tiết trong hệ thống ABS của các hãng có ý nghĩa thực tiễn đối với ngành công
nghiệp ô tô và công nghiệp phụ trợ trong nƣớc, giúp nâng cao chất lƣợng và khả năng cạnh
tranh cho các sản phẩm ô tô chế tạo trong nƣớc.
Luận án đã giải quyết đƣợc các vấn đề: Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống
phanh khí nén có ABS, đề xuất một thuật toán điều khiển hệ thống theo gia tốc góc bánh
xe; Thông qua bƣớc mô phỏng hoạt động của hệ thống trên máy tính, luận án đánh giá
đƣợc gần đúng đặc tính của hệ thống ABS khí nén trên một mẫu xe nghiên cứu, sơ bộ xác
định đƣợc ngƣỡng giá trị gia tốc góc của bánh xe để điều khiển chuyển đổi giữa các pha
tăng áp, giữ áp, giảm áp trong chu trình hoạt động của ABS; Nghiên cứu đặc tính của cảm
biến đo vận tốc góc bánh xe lên ô tô, từ đó xác định đƣợc gia tốc góc của bánh xe; Nghiên
cứu thực nghiệm nhằm hiệu chỉnh giá trị ngƣỡng gia tốc góc điều khiển. Đây là các vấn đề
có tính khoa học, là cơ sở cho các nghiên cứu hoàn thiện tiếp theo của hệ thống ABS khí
nén.
Kết quả nghiên cứu của luận án đƣợc đề tài KC.03.05/11-15 ứng dụng vào sản xuất
thử nghiệm bộ điều khiển điện tử ABS cho hệ thống phanh khí nén trên xe ô tô tải. Kết quả
thử nghiệm cho thấy hệ thống ABS hoạt động ổn định, hiệu quả phanh của ô tô trong
trƣờng hợp có ABS đƣợc cải thiện so với trƣờng hợp không có ABS.
- 2 -
Nội dung và bố cục của luận án
Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận án
đƣợc trình bày trong bốn chƣơng và sáu phụ lục:
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU: Trình bày tổng hợp kết quả
nghiên cứu về điều khiển hệ thống ABS khí nén trên thế giới và trong nƣớc; qua đó tìm ra
những vấn đề còn tồn tại trong các công trình nghiên cứu tại Việt Nam để xác định nội
dung và mục tiêu luận án cần thực hiện.
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT: Trình bày nghiên cứu cơ sở lý thuyết điều
khiển của hệ thống ABS, nghiên cứu và mô hình hóa chuyển động của ô tô trong quá trình
phanh; nghiên cứu và mô hình hóa hoạt động của hệ thống phanh khí nén trên xe nghiên
cứu.
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ABS DẪN ĐỘNG KHÍ
NÉN: Trình bày nghiên cứu, đề xuất phƣơng pháp và thuật toán điều khiển hệ thống phanh
khí nén có ABS, nghiên cứu và mô hình hóa hoạt động của hệ thống ABS làm cơ sở cho
nghiên cứu xác định giá trị ngƣỡng điều khiển hệ thống phanh khí nén có ABS bằng
phƣơng pháp mô phỏng trên máy tính.
CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM: Trình bày nghiên cứu thực nghiệm
xác định giá trị ngƣỡng điều khiển hệ thống phanh khí nén có ABS kết quả thử nghiệm
đánh giá hiệu quả phanh của hệ thống ABS trên xe nghiên cứu.
Phần kết luận và kiến nghị: Đánh giá kết quả nghiên cứu của luận án, đề xuất
hƣớng phát triển của các công trình nghiên cứu tiếp theo để từng bƣớc hoàn thiện hệ thống
phanh ABS khí nén.
Các kết quả nghiên cứu mới của luận án
Luận án đạt đƣợc các kết quả nghiên cứu mới sau:
Xác định đƣợc khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh khí nén
có ABS trên xe nghiên cứu;
Xây dựng đƣợc mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén có ABS trên ô tô tải
cỡ trung bình;
Đề xuất đƣợc phƣơng pháp điều khiển và một thuật toán điều khiển hệ thống
phanh khí nén có ABS;
- 3 -
Xác định đƣợc bộ giá trị ngƣỡng gia tốc góc bánh xe dùng để điều khiển
chuyển pha làm việc của các van chấp hành ABS trong quá trình ABS khí nén
Equation Chapter (Next) Section 1
hoạt động.
- 4 -
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Hệ thống phanh trên ô tô ngày càng phát triển hoàn thiện về kết cấu và quá trình
điều khiển, nâng cao tính năng an toàn cho xe ô tô. Nhiều thành tựu khoa học, công nghệ
đƣợc ứng dụng ngày càng phổ biến trên ô tô nói chung và hệ thống phanh nói riêng. Trên
cơ sở phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam, luận án
đề xuất các nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu.
1.1. Hệ thống phanh ABS khí nén trên xe ô tô
ABS (Anti-lock Braking System) là hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh.
ABS điều khiển áp suất phanh để duy trì lực bám dọc và bám ngang của bánh xe với mặt
đƣờng ở mức cao, nhờ đó nâng cao tính ổn định hƣớng chuyển động của ô tô khi phanh,
duy trì khả năng dẫn hƣớng và giảm quãng đƣờng phanh [69]. Trong trƣờng hợp phanh
trên đƣờng khô và với vận tốc cao (trên 35 km/h), quãng đƣờng phanh khi có ABS ngắn
hơn khi không có ABS. Tuy nhiên, trong trƣờng hợp phanh từ vận tốc thấp hơn, phanh trên
đƣờng trơn trƣợt, quãng đƣờng phanh khi có ABS có thể dài hơn khi không có ABS [59].
Hiệu quả của ABS khi phanh ở vận tốc thấp không cao nên hệ thống ABS không đƣợc kích
hoạt. Giới hạn vận tốc của ô tô trƣớc khi phanh để kích hoạt hệ thống ABS khác nhau theo
từng loại xe và theo nhà sản xuất ABS. Hệ thống ABS lắp trên xe tải rơ moóc hoặc sơ mi
rơ moóc giúp hạn chế đƣợc nguy cơ đầu kéo bị quay ngƣợc (jackknifing) khi phanh gấp,
nâng cao tính an toàn cho ô tô. Hơn nữa, các bánh xe không bị trƣợt lết trong quá trình
phanh nên hạn chế đƣợc tốc độ mài mòn của lốp xe [69].
So với hệ thống phanh thủy lực có ABS, hệ thống phanh ABS khí nén có tần số làm
việc thấp hơn do quá trình biến đổi áp suất khí nén trong bầu phanh chậm hơn nhiều so với
quá trình biến đổi áp suất dầu trong hệ thống phanh thủy lực. Theo công bố của hãng
Wabco [67], [68], [69], tần số hoạt động của hệ thống ABS khí nén do hãng chế tạo nằm
trong khoảng từ 3 đến 5 Hz.
Hiện nay hệ thống phanh ABS sử dụng cảm biến để xác định tình trạng lăn của
bánh xe, từ đó đƣa ra tín hiệu điều khiển van chấp hành ABS theo thuật toán đã đƣợc định
trƣớc. Một số hệ thống hiện đại còn tích hợp thêm cảm biến đo gia tốc dài của thân xe để
gia tăng hiệu quả điều khiển quá trình phanh. Dựa trên cấu trúc của hệ thống ABS cơ bản,
các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều hệ thống điều khiển khác nhằm nâng cao tính năng
ổn định và an toàn nhƣ hệ thống tự động điều khiển lực kéo (ATC - Automatic Traction
- 5 -
Control); Hệ thống điều khiển cân bằng điện tử (ESC - Electronic Stability Control) …
[48], [49].
Trên thế giới, ABS liên tục đƣợc nghiên cứu và phát triển nên hiệu quả của hệ
thống ngày càng cao. Ban đầu, hệ thống ABS khí nén lắp đặt trên xe tải nhƣ một lựa chọn
thêm cho sự an toàn, nhƣng với sự hiệu quả vƣợt trội của nó nên từ năm 1991, các nƣớc
Châu Âu đã bắt buộc các hãng phải lắp ABS lên xe tải hạng nặng, đến năm 1998 tiếp tục
áp dụng bắt buộc trên các loại xe tải hạng nhẹ [49]. Hiện nay, ABS đƣợc lắp đặt rộng rãi
trên hầu hết các loại xe, kể cả máy kéo nông nghiệp nhƣ một tiêu chuẩn an toàn [36].
Trong nƣớc hiện nay có nhiều doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp ô tô sử dụng hệ thống
phanh khí nén nhƣ Tổng công ty Máy động lực và máy nông nghiệp (VEAM), Công ty Cổ
phần ô tô Trƣờng Hải, Công ty cổ phẩn ô tô TMT, Công ty TNHH ô tô Chiến thắng,
Vinaxuki …. Sản phẩm ô tô của các doanh nghiệp ô tô trong nƣớc rất đa dạng, từ xe tải
trọng nhỏ đến các xe tải trọng lớn, từ xe con đến xe khách, xe buýt. Trong đó, các xe tải cỡ
trung bình trở lên và xe khách, xe buýt đƣợc trang bị hệ thống phanh khí nén. Số lƣợng xe
sử dụng hệ thống phanh khí nén khá lớn và ngày càng tăng. Tuy nhiên, chỉ có một số ít loại
xe có trang bị hệ thống phanh khí nén có ABS, còn đa số các dòng còn lại không có ABS.
ABS khí nén là hệ thống phức tạp, chủ yếu đƣợc nhập khẩu nguyên bộ từ các hãng
nhƣ Wabco, Bendix … nên giá thành của ô tô sản xuất, lắp ráp trong nƣớc có ABS bị tăng
cao. Với xu hƣớng nâng cao tính năng an toàn cho xe, gia tăng tỉ lệ nội địa hóa sản phẩm,
giảm giá thành sản xuất, các nhà sản xuất buộc phải nghiên cứu, hoàn thiện sản phẩm để
từng bƣớc làm chủ các công nghệ, quy trình công nghệ sản xuất.
1.2. Lịch sử phát triển hệ thống ABS khí nén
Quá trình phát triển hệ thống phanh ABS đã trải qua thời gian rất dài với nhiều
thành tựu đáng kể. Các nhà sản xuất dần chuyển sang nghiên cứu chuyên sâu về từng loại
phanh. Có thể kể đến hãng Bosch rất nổi tiếng với sản phẩm ABS cho hệ thống phanh thủy
lực, hãng Wabco và Bendix chiếm thị phần lớn trên thị trƣờng ABS dùng cho hệ thống
phanh khí nén. Hai hãng này có quá trình nghiên cứu, phát triển sản phẩm gần giống nhau.
Luận án trích dẫn một số sự kiện quan trọng của hãng Wabco [67], đại diện cho sự phát
triển của hệ thống ABS khí nén trên ô tô.
Năm 1969: Sau thời gian dài nghiên cứu, hệ thống phanh phanh ABS khí nén đầu
tiên đƣợc công bố tại triển lãm Ô tô IAA.
- 6 -
Năm 1974: Hãng WABCO và Mercedes-Benz chính thức ký kết thỏa thuận hợp tác
nhằm thúc đẩy phát triển hệ thống và thực hiện các thử nghiệm trên xe.
Năm 1975: WABCO bắt đầu phát triển hệ thống điều khiển điện tử của riêng mình
dựa trên việc xử lý tín hiệu tƣơng tự (Analog). WABCO đã hợp tác với các hãng khác để
mở rộng sản xuất.
Năm 1980: Giới thiệu thiết bị điện tử đƣợc số hóa hoàn toàn. Máy vi tính là bộ xử
lý trung tâm. Thử nghiệm cuối cùng đƣợc thực hiện vào mùa đông năm 1980 tại Lapland
với sự có mặt cùa nhiều chuyên gia từ nhiều nƣớc trên thế giới. Sau đó bộ điều khiển điện
tử hệ thống phanh này đƣợc sử dụng trên các xe thƣơng mại.
Năm 1981, hãng Mercedes-Benz và các hãng khác đã phát triển hệ thống ABS của
WABCO. Dòng sản phẩm thuộc thế hệ A gồm hệ thống điều khiển 2 kênh và điều khiển 4
kênh.
Năm 1986, hãng WABCO giới thiệu hệ thống chống trƣợt quay (qua hệ thống kiểm
soát lực kéo) với bộ điều khiển điện tử thế hệ B gồm 6 kênh điều khiển ABS.
Năm 1989, hãng WABCO giới thiệu cơ cấu chấp hành ABS dành cho moóc kéo,
kèm theo bộ chẩn đoán lỗi theo tiêu chuẩn ISO.
Năm 1990, hãng WABCO giới thiệu bộ điều khiển ABS/ASR thế hệ C, với bộ chẩn
đoán lỗi và các chức năng bổ sung đi kèm.
Tháng 10 năm 1991, Các nƣớc Châu Âu (EC) bắt buộc phải lắp đặt hệ thống phanh
ABS trên các xe tải hạng nặng.
Năm 1996, hãng WABCO giới thiệu hệ thống hệ thống ABS thế hệ D dành cho xe
kéo moóc và giới thiệu hệ thống điều khiển điện tử cho hệ thống phanh EBS
(Electronically controlled Braking System).
Năm 1998, hệ thống EBS dành cho xe kéo moóc đƣợc hoàn thiện và bắt đầu bắt
buộc phải lắp đặt hệ thống ABS trên các xe tải hạng nhẹ hơn.
Năm 2000, giới thiệu hệ thống ABS thế hệ E trên xe kéo moóc.
Năm 2003, hệ thống ABS đƣợc phát triển thêm chức năng điều khiển ổn định
chống lật – RSC (Roll Stability Control).
Năm 2008, hệ thống ABS phiên bản E4 đƣợc phát triển. Đây là phiên bản có chức
năng mở rộng thêm cho ABS nhƣ: Hệ thống điều khiển ổn định điện tử (ESC - Electronic
- 7 -
Stability Control), hệ thống ổn định chống lật (RSC - Roll Stability Control), hệ thống điều
khiển lực kéo (ATC - Automatic Traction Control) kết hợp điều khiển động cơ.
Nhƣ vậy, hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô đến nay đã khá hoàn thiện về kết
cấu, tính năng và chất lƣợng điều khiển, trong đó hệ thống chống hãm cứng bánh xe ABS
vẫn là hệ thống cơ bản. Nghiên cứu điều khiển hệ thống phanh ABS là cơ sở để phát triển
và tích hợp các hệ thống điều khiển tích cực khác trên xe.
1.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc
Lực phanh tối đa phụ thuộc vào hệ số bám giữa bánh xe và mặt đƣờng, trong khi hệ
số bám này lại phụ thuộc vào độ trƣợt của bánh xe. Do đó, để nâng cao lực phanh nhằm
nâng cao hiệu quả phanh và tính ổn định của xe khi phanh cần phải điều khiển để độ trƣợt
của bánh xe luôn nằm trong vùng tối ƣu, tại đó các giá trị hệ số bám dọc và bám ngang đều
cao. Các nghiên cứu sau đó đã chỉ ra rằng hiệu quả phanh cao nhất khi độ trƣợt của bánh
xe với mặt đƣờng nằm trong khoảng 15% – 30%. Đây chính là mục tiêu để nghiên cứu,
chế tạo hệ thống phanh có hệ thống chống hãm cứng (ABS). Trên thế giới đã có nhiều
nghiên cứu về hệ thống ABS, tiêu biểu có các công trình sau:
Tháng 5 năm 1991, Rutledge Jack công bố sáng chế ―Hệ thống phanh ABS khí nén
dành cho xe tải‖ [60]. Hệ thống điều khiển quá trình phanh ABS khí nén này khác với các
hệ thống phanh ABS trƣớc đó là không có ECU và cảm biến. Hệ thống tự động kích hoạt
mỗi khi ngƣời lái đạp phanh và áp suất khí nén trong bầu phanh vƣợt quá ngƣỡng 10 psi
(0,07 MPa). Hệ thống này có thể điều khiển ABS cho cả đầu kéo và rơ-moóc. Hệ thống sử
dụng bộ điều khiển đơn giản, chỉ là các bộ tạo xung để đóng mở van chấp hành ABS theo
thời gian đã định trƣớc. Do đó trong trƣờng hợp có lực bám lớn hơn lực phanh (đƣờng có
hệ số bám cao …) hoặc trƣờng hợp hệ số bám thấp và bánh xe bị trƣợt lết trƣớc khi áp suất
trong bầu phanh vƣợt ngƣỡng 10 psi, hiệu quả phanh không đạt tới giá trị cao nhất.
Nghiên cứu đặc tính của hệ thống khí nén, Ing. T. Hong ở công ty BarDyne (Mỹ)
và Richard K. Tessmann ở công ty FES (Mỹ) đã xây dựng mối quan hệ giữa các đại lƣợng
vận tốc, lƣu lƣợng, áp suất, trọng lƣợng riêng của chất khí, nhiệt độ dựa trên các phƣơng
trình Navier Storkes. Từ hệ phƣơng trình động học của dòng chất khí, tác giả sử dụng phần
mềm Hypneu để xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống. Các tác giả đã đƣa thêm ví dụ về
quá trình xả khí nén từ bình chứa và ví dụ về mô phỏng hệ thống treo khí nén để minh họa.
Kết quả nghiên cứu là nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo về hệ thống khí nén nói chung
- 8 -
và cụ thể trên hệ thống phanh khí nén trên ô tô. Công trình này đƣợc trình bày tại Chicago
trong hội nghị quốc tế về kỹ thuật thủy khí năm 1996 [38].
Tháng 6 năm 1998, JohnBernad (Ở Handsworth Wood, Birmingham) công bố
nghiên cứu về hệ thống điện tử điều khiển quá trình phanh của hệ thống phanh khí nén trên
ô tô. Hệ thống này có một bộ điều khiển trung tâm và 4 bộ điều khiển phụ. Bộ điều khiển
trung tâm xuất tín hiệu điều khiển cho từng bộ điều khiển phụ, các bộ điều khiển phụ hiệu
chỉnh theo các dữ liệu về độ trƣợt và áp suất khí nén để đƣa tín hiệu cuối cùng điều khiển
van chấp hành ABS. Hệ thống này xử lý dữ liệu từ nhiều loại cảm biến (cảm biến áp suất
khí nén, cảm biến bàn đạp phanh, cảm biến gia tốc dọc của ô tô, cảm biến vận tốc góc bánh
xe) nên xác định đƣợc chính xác trạng thái phanh, nhờ đó đƣa ra đƣợc phƣơng án điều
khiển tối ƣu. Độ tin cậy của hệ thống cao do cùng lúc đƣợc điều khiển từ hai cấp điều
khiển nên khi có sự cố với một bộ điều khiển, hệ thống ABS vẫn có thể tiếp tục làm việc
mặc dù hiệu quả phanh không cao nhƣ trƣớc. Tuy nhiên, hệ thống này có quá nhiều bộ
điều khiển giao tiếp liên tục với nhau, vì vậy giải quyết vấn đề truyền thông rất phức tạp,
yêu cầu về thiết bị đồng bộ.
Mark Bennett và Michael Tober đã nghiên cứu và thực hiện mô phỏng thực nghiệm
(HIL) sử dụng cảm biến điện từ và vành răng sử dụng trên ô tô thực tế và đăng trên tạp chí
SAE số 2002-01-3123 [45]. Nghiên cứu chỉ ra nhiều dạng tín hiệu khác nhau của cảm biến
trong các trƣờng hợp nhƣ bị mất răng, có va chạm với vành răng, khoảng cách cảm biến –
vành răng không đồng đều …
Tháng 8 năm 2005, Pierre Abboud và Thanh Ho công bố sáng chế ―Cơ cấu chấp
hành ABS sử dụng piston cân bằng áp suất‖ [53]. Tác giả đã nghiên cứu và thực nghiệm
một loại van chấp hành ABS rất đặc biệt, bên trong sử dụng piston cân bằng áp suất, do
vậy có thể tạo ra đƣợc các pha tăng áp, giảm áp và giữ áp chỉ với một cuộn dây. Khí nén
đƣợc cấp ở đầu vào với áp suất khoảng 120 psi (0,83 MPa), áp suất khí nén ở đầu ra đƣợc
điều chỉnh bởi van chấp hành ABS 3 vị trí. Vị trí của piston trong van ABS phụ thuộc vào
cƣờng độ dòng điện cấp vào cuộn dây. Hệ thống này có ƣu điểm là chỉ sử dụng một cuộn
dây kết hợp với piston cân bằng để điều khiển van chấp hành ABS. Tuy nhiên vì van chấp
hành ABS chỉ có một cuộn dây và piston có 3 vị trí làm việc nên rất khó điều khiển chính
xác vị trí piston, đặc biệt là khi hoạt động ở tần số cao.
Tháng 6 năm 2006, Timothy J. Frashure công bố công trình nghiên cứu ―Phân chia
hệ thống chống hãm cứng bánh xe‖ dành cho hệ thống phanh ô tô tải. Hệ thống của
- 9 -
Timothy J. Frashure gồm hai mô đun điều khiển riêng biệt. Hai mô đun điều khiển này
giao tiếp với nhau thông qua chuẩn truyền thông J1939. Ƣu điểm của cách thiết kế kiểu
này là mô đun điều khiển và van chấp hành ABS đƣợc tích hợp trong một cụm, do đó tổng
chiều dài dây tín hiệu và các đầu kết nối đƣợc giảm tối đa, độ tin cậy của hệ thống tăng lên
đáng kể. Hơn nữa, hệ thống đƣợc chia thành hai mô đun điều khiển ABS độc lập, nếu xảy
ra sự cố với một mô đun ABS thì hệ thống ABS ở kênh còn lại vẫn hoạt động bình thƣờng.
Giữa hai mô đun có giao tiếp nên hệ thống chỉ cần có một hệ thống chẩn đoán và đèn báo
lỗi. Nhƣợc điểm lớn của công trình này là hệ thống phức tạp, cần đến hai mô đun riêng biệt
để điều khiển ABS.
Năm 2007, JohnBernad và các cộng sự đã nghiên cứu điều khiển mờ ứng dụng cho
hệ thống ABS, đã đề xuất phƣơng án điều khiển theo kiểu trƣợt và logic mờ để điều chỉnh
lực phanh. Phƣơng pháp logic mờ trong phƣơng pháp nghiên cứu này đƣợc sử dụng để
đánh giá các thông số đầu vào chƣa biết của ECU – ABS. Công trình dừng lại ở nghiên
cứu, mô phỏng trên máy tính. Công trình đƣợc công bố trên tạp chí Journal on Sci&Tech
of Automatic Control.
Diego Pedroso dos Santos, Eduardo Lobo Lustosa Cabral đã xây dựng bộ điều
khiển ABS trên cơ sở điều khiển mờ [28] đƣợc công bố trên tạp chí SAE số 2008-36-0039
năm 2008. Mô hình xe đƣợc xây dựng giới hạn ở động lực học phƣơng dọc. Hệ thống điều
khiển có sử dụng thêm cảm biến gia tốc để xác định gia tốc dài của xe khi phanh nhằm tối
ƣu hóa quá trình điều khiển. Kết quả mô phỏng cho thấy quãng đƣờng phanh khi có ABS
giảm đáng kể so với trƣờng hợp không có ABS. Trên thực tế, cảm biến gia tốc dọc của xe
dễ bị nhiễu bởi rung động của thân xe, đặc biệt trên xe ô tô tải. Do đó cần có thuật toán và
chƣơng trình lọc tốt để hạn chế các nhiễu do rung động gây ra.
Jinglai Wu, Hongchang Zhang, Yunqing Zhang và Liping Chen đã xây dựng mô
hình vật lý mô tả hệ nhiêu đối tƣợng (tổng van, van gia tốc, bầu phanh) trong hệ thống
phanh khí nén bằng phần mềm AMESim. Nghiên cứu đƣợc đăng trên tạp chí SAE, số
2009-01-0408 [41], theo đó các thông số ảnh hƣởng lớn đến thời gian chậm tác dụng và
biến thiên áp suất khí nén đƣợc xác định bằng phƣơng pháp thử nghiệm. Bài báo cũng nêu
các khả năng cải tiến bề mặt vật liệu, kết cấu … để thu đƣợc các thông số tối ƣu, hệ thống
phanh khí sẽ có độ chậm tác dụng nhỏ nhất.
Cùng hƣớng nghiên cứu thực nghiệm (HIL), năm 2010, Wu Chao, Duan Jianmin và
Yu Yongchuan đã xây dựng mô hình thử nghiệm trong phòng thí nghiệm với các thiết bị
- 10 -
nhƣ trên xe thực tế và mô hình xe [72]. Trƣớc hết, mô hình đƣợc mô phỏng trong
Matlab/Simulink với nhiều tình huống sự cố nhƣ mất cảm biến, … sau đó hệ thống biên
dịch thành mã điều kiển với thời gian thực, mã điều khiển này đƣợc cập nhật vào phần
cứng DSPACE. Với phần mềm đi kèm của DSPACE có thể kiểm soát các pha trong quá
trình mô phỏng, có thể theo dõi và điều chỉnh các thông số mô phỏng trong thời gian thực.
Để xây dựng mô hình hệ thống phanh khí nén, Jeevan N Patil, Sivakumar
Palanivelu và Ajit Kumar Jindal bƣớc đầu xây dựng mô hình toán học cho van phân phối
(loại van kép, có hai dòng điều khiển phanh cho hai cầu độc lập). Công trình đƣợc công bố
trên tạp chí SAE số 2013-26-0150 [39]. Trong công trình này, các tác giả đã lập phƣơng
trình mô tả hoạt động của từng phần tử trong van, xây dựng mô hình bằng phần mềm
AMESim. Tác giả mô phỏng một chu trình phanh gồm đạp phanh (pha tăng áp) trong 0,3
giây, giữ phanh (giữ áp) trong 2,8 giây và nhả phanh (giảm áp) trong 0,3 giây. Mô hình mô
tả chi tiết van phân phối, kết quả nghiên cứu có độ chính xác cao, thể hiện đƣợc mối quan
hệ giữa độ trễ của sự biến thiên áp suất sau van với khe hở giữa các chi tiết chuyển động
bên trong van. Mô hình là cơ sở để mở rộng nghiên cứu cho cả hệ thống phanh khí nén.
Có thể nói các công trình nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển quá trình phanh ở
thời kỳ đầu tập trung giải quyết vấn đề hoàn thiện kết cấu. Thời gian gần đây các nghiên
cứu chủ yếu tập trung giải quyết vấn đề thuật toán điều khiển nhằm tối ƣu hóa hiệu quả
phanh và khả năng ổn định hƣớng chuyển động của ô tô khi phanh. Các nghiên cứu phần
lớn đƣợc thực hiện bằng mô hình mô phỏng trên máy tính, một số công trình thực hiện
nghiên cứu thực nghiệm. Tuy nhiên kết quả công bố một cách sơ lƣợc, nội dung khoa học
và các số liệu không đƣợc công bố nên khó sử dụng trực tiếp cho thực tế sản xuất.
Các hãng lớn nhƣ Wabco, Bendix, Bosch … đều các có nghiên cứu rất sâu vào hệ
thống ABS, có phòng thí nghiệm nghiên cứu cảm biến, tối ƣu kết cấu van chấp hành cũng
nhƣ thuật toán điều khiển và thiết kế bộ điều khiển … Sản phẩm của các hãng đƣợc thử
nghiệm, tối ƣu hóa thiết kế và sản xuất thƣơng mại để lắp đặt trên xe ô tô. Tuy nhiên tài
liệu nghiên cứu của các hãng xe là tài liệu bí mật, không đƣợc công bố. Các tài liệu kỹ
thuật do các hãng này công bố chỉ là hƣớng dẫn sử dụng và giới thiệu sản phẩm.
1.4. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
Thời gian gần đây, số lƣợng xe tải, xe khách sử dụng hệ thống phanh khí nén ở Việt
Nam tăng nhanh, đặc biệt là một số dòng xe lắp ráp trong nƣớc. Các công ty sản xuất, lắp
ráp ô tô trong nƣớc đang dần nội địa hóa các cụm chi tiết và tiến tới sản xuất ô tô với
- 11 -
thƣơng hiệu riêng. Do đó các nhà nghiên cứu trong nƣớc cần nhanh chóng làm chủ công
nghệ tiên tiến đã và đang đƣợc ứng dụng trên ô tô hiện đại. Thời gian qua, có một số nhà
khoa học đã nghiên cứu về hệ thống phanh có ABS, tiêu biểu có các công trình sau:
Đề tài KC.03.05/11-15 do Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội chủ trì đã hoàn thành
năm 2015 với các nội dung nghiên cứu chính: Nghiên cứu hệ thống phanh khí nén sử dụng
trên ô tô tải lắp ráp tại Việt Nam; Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo van chấp hành ABS; Thiết
kế, chế tạo cảm biến và vành răng đo vận tốc góc bánh xe cho hệ thống ABS; Thiết kế, chế
tạo bộ điều khiển điện tử cho hệ thống ABS khí nén. Sau khi chế tạo thử nghiệm và lắp đặt
lên xe để có hệ thống phanh khí nén có ABS, đề tài tiến hành các thực nghiệm để đánh giá
hiệu quả làm việc của hệ thống ABS trên ô tô lắp ráp trong nƣớc. Kết quả thử nghiệm cho
thấy hệ thống ABS khí nén trên xe nghiên cứu đạt Quy chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn
Châu Âu về hiệu quả phanh.
Trong các nội dung thực hiện của đề tài, nội dung thiết kế, chế tạo bộ điều khiển
điện tử cho hệ thống ABS khí nén có mức độ phức tạp cao nhất. Để chế tạo đƣợc bộ điều
khiển điện tử buộc phải có thuật toán điều khiển và các ngƣỡng điều khiển chuyển pha của
ABS. Hai vấn đề này là yếu tố cốt lõi của bộ điều khiển, không đƣợc các hãng sản xuất
ABS công bố, và cũng không thể giải mã đƣợc từ các sản phẩm ECU thƣơng mại trên thị
trƣờng.
Luận án đƣợc thực hiện nhằm nghiên cứu, đề xuất phƣơng pháp và thuật toán điều
khiển ABS, xác định các ngƣỡng điều khiển chuyển pha của ABS đối với loại xe do đề tài
KC.03.05/11-15 nghiên cứu. Nghiên cứu đƣợc thực hiện trên xe ô tô tải có tải trọng 2,98
tấn có hệ thống phanh chính là phanh khí nén, đã đƣợc đề tài KC.03.05/11-15 lắp đặt thêm
bốn van chấp hành ABS trƣớc các bầu phanh, lắp đặt cảm biến và vành răng lên các trống
phanh để xác định tình trạng lăn của tất cả các bánh xe. Kết quả nghiên cứu của luận án
đƣợc đề tài KC.03.05/11-15 ứng dụng vào thiết kế, chế tạo bộ điều khiển điện tử cho hệ
thống phanh khí nén có ABS.
Luận văn thạc sỹ của Nguyễn Trung Kiên (Năm 2013 – ĐH Bách khoa Hà Nội) với
đề tài ―Nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh khí nén có ABS‖ đã nghiên cứu, xây dựng
mô hình và thực hiện mô phỏng hệ thống phanh ABS khí nén trên xe tham khảo là xe tải
Kamaz-5320, tải trọng 8.000 kg. Tác giả đã xây dựng mô hình của các cụm chi tiết chính
trong hệ thống phanh nhƣ: mô phỏng van phân phối, đƣờng ống dẫn khí nén, bầu phanh,
cơ cấu phanh, van chấp hành ABS với nhiều giả thiết nhằm đơn giản hóa và chƣa xét đến
- 12 -
ảnh hƣởng của van gia tốc trên dòng phanh cầu sau, van xả nhanh trên dòng phanh cầu
trƣớc. Đề tài mô phỏng bộ điều khiển bằng Stateflow trong Matlab, thuật toán điều khiển
dựa trên độ trƣợt của các bánh xe trong quá trình phanh. Mô hình chƣa thực hiện mô phỏng
tín hiệu từ các cảm biến đo vận tốc góc bánh xe, giá trị độ trƣợt đƣợc lấy từ kết quả mô
phỏng chuyển động của thân xe. Tác giả thực hiện mô phỏng ở các vận tốc ban đầu khác
nhau, trên các loại đƣờng có hệ số bám khác nhau. Ngoài kết quả mô phỏng quãng đƣờng
phanh và vận tốc dài của xe, luận văn mới chỉ đề cập đến quy luật biến thiên của các thông
số liên quan đến bánh xe trƣớc bên trái nhƣ: áp suất khí nén trong bầu phanh, mô men
phanh bánh xe, vận tốc góc và độ trƣợt bánh xe. Quy luật biến thiên của các thông số liên
quan đến các bánh xe khác chƣa đề cập đến. Các kết quả của luận văn mới chỉ dừng lại ở
mô phỏng trên máy tính, chƣa đƣợc kiểm chứng qua thực nghiệm nên chƣa thể ứng dụng
trực tiếp vào công nghiệp sản xuất.
Luận án tiến sỹ của Lại Năng Vũ (Năm 2012 – ĐH Bách khoa Hà Nội) với đề tài
―Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô‖ đã nghiên cứu hệ thống điều khiển
quá trình phanh áp dụng cho phanh thủy lực có trợ lực chân không trên ô tô con. Tác giả đã
xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh thủy lực trên ô tô con bằng Matlab –
Simulink, bộ điều khiển đƣợc xây dựng bằng logic mờ (Fuzzy logic). Mô hình mô phỏng
có xét đến ổn định hƣớng chuyển động của ô tô khi phanh. Qua mô phỏng, tác giả tìm ra
ngƣỡng giá trị gia tốc góc để điều khiển ABS, đánh giá đƣợc hiệu quả làm việc của hệ
thống ABS. Tác giả đã chế tạo thành công bộ điều khiển điện tử và lắp đặt, thử nghiệm
trên xe Camry Le sản xuất năm 2001 nhằm đánh giá hoạt động của bộ điều khiển chế tạo,
thử nghiệm đánh giá hiệu quả của hệ thống ABS.
Luận văn thạc sỹ của Lại Năng Vũ (Năm 2007 – ĐH Bách khoa Hà Nội) với đề tài
―Tổng hợp bộ điều khiển điện tử và mô phỏng hệ thống phanh có ABS trên xe du lịch‖ đã
xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh thủy lực có ABS trên xe ô tô con và thử
nghiệm bộ điều khiển điện tử trên mô hình hệ thống phanh trong phòng thí nghiệm. Luận
văn đã sử dụng phần mềm Matlab - Stateflow để mô hình hóa các trạng thái điều khiển của
bộ điều khiển (trạng thái tăng áp, giữ áp, giảm áp) hệ thống phanh thủy lực. Ngoài nhiệm
vụ điều khiển các van chấp hành ABS khi cần thiết, bộ điều khiển còn có nhiệm vụ kích
hoạt bơm dầu phanh hoạt động để tăng áp suất dầu phanh trong hệ thống. Hệ thống đƣợc
mô phỏng điều khiển theo độ trƣợt của bánh xe trên mô hình mô phỏng hệ thống phanh
thủy lực kết hợp mô hình động lực học ½ xe. Tác giả đã tổng hợp đƣợc bộ điều khiển điện
tử cho mô hình ABS thủy lực trong phòng thí nghiệm.
- 13 -
Luận án tiến sỹ của Nguyễn Sỹ Đỉnh (năm 2010 – Học viện Kỹ thuật Quân sự) đã
ứng dụng mô hình đàn hồi để thiết lập mô hình toán khảo sát mọi chế độ làm việc đặc
trƣng của hệ thống dẫn động phanh thủy lực. Trên cơ sở giải mô hình toán học của hệ
thống dẫn động phanh thủy lực làm việc ở chế độ không ABS bằng phần mềm, luận án đã
xác định đƣợc các thông số cơ bản làm cơ sở khoa học để lựa chọn các mô đun tiêu chuẩn
của hệ thống ABS lắp trên xe UAZ – 31512 nhằm nâng cao chất lƣợng xe chỉ huy trong
quân đội. Kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình khảo sát và hệ thống phanh đƣợc lắp
thêm ABS đã cải thiện đƣợc đáng kể hiệu quả phanh. Tuy nhiên, luận án không nghiên cứu
nội dung phát triển mới hệ thống ABS.
Luận án tiến sỹ của Nguyễn Văn Tiềm (năm 2009 – ĐH Giao thông Vận tải Hà
Nội) với đề tài ―Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển chuyển động thích nghi trên cơ sở
logic mờ và mạng nơ ron nhân tạo‖ đã xây dựng đƣợc hai thuật toán điều khiển thích nghi
trên cơ sở logic mờ và mạng nơ ron nhận tạo trên mô hình mô phỏng ¼ xe. Tác giả đã xây
dựng đƣợc hai mô hình hệ thống điều khiển thích nghi hệ phi tuyến và ứng dụng cho khảo
sát hệ thống điều khiển chuyển động tƣơng đối và bài toán điều khiển và bài toán điều
khiển chống bó cứng bánh xe ô tô khi phanh. Kết quả mô phỏng cho thấy thuật toán đã đề
xuất đảm bảo độ tin cậy, nâng cao đƣợc chất lƣợng điều khiển hệ phi tuyến. Tuy nhiên
nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở mô phỏng trên máy tính cho mô hình ¼ nên chƣa thể ứng
dụng trực tiếp vào sản xuất.
Nhìn chung, các công trình nghiên cứu trong nƣớc đã có nhiều ý nghĩa quan trọng
trong việc hoàn thiện cơ sở lý thuyết quá trình phanh cũng nhƣ giải quyết các vấn đề về
điều khiển quá trình phanh. Tuy nhiên, các nghiên cứu sâu về hệ thống ABS còn hạn chế,
chủ yếu tập trung nghiên cứu ABS cho hệ thống phanh thủy lực bằng mô hình mô phỏng,
các thực nghiệm chủ yếu đƣợc thực hiện trên mô hình có tính chất minh họa trong phòng
thí nghiệm. Một số ít công trình nghiên cứu về hệ thống ABS khí nén nhƣng đều chỉ dừng
lại ở mô phỏng trên máy tính, chƣa có các nghiên cứu thực nghiệm để hoàn thiện nghiên
cứu.
1.5. Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu của luận án là hệ thống phanh khí nén và hệ thống ABS (cảm
biến, van chấp hành ABS, bộ điều khiển) sử dụng cho xe ô tô tải cỡ trung bình, cụ thể đƣợc
giới thiệu trong các tiểu mục 1.5.1 và 1.5.2 sau đây.
- 14 -
1.5.1. Xe nghiên cứu và bố trí hệ thống ABS
Xe nghiên cứu là xe tải sử dụng hệ thống phanh khí nén đƣợc thiết kế không có
Bảng 1. 1. Thông số của xe nghiên cứu
ABS, có các thông số nhƣ trong Bảng 1. 1 sau:
1 Khối lượng
1.1 Khối lƣợng bản thân: 4.510 (kg)
1.2 Phân bố lên trục 1: 1.960 (kg) Phân bố lên trục 2: 2.550 (kg)
1.3 Trọng tải cho phép: 2.980 (kg) Khối lƣợng toàn bộ: 7.685 (kg)
1.4 Phân bố lên trục 1: 2.685 (kg) Phân bố lên trục 2: 5.000 (kg)
2 Kích thước
2.1 Kích thƣớc (dài x rộng x cao): 5.990 x 2.190 x 2.570 (mm)
2.2 Chiều dài cơ sở: 3.400 (mm)
Lốp xe 3
3.1 Trục 1: Cỡ lốp: 8.25-20 Trục 2: Cỡ lốp: 8.25-20
Hệ thống phanh 4
4.1 Phanh chính: Khí nén
4.2 Áp suất làm việc: 0,4 (MPa)
Luận án nghiên cứu khả năng lắp đặt ABS lên xe, nghiên cứu phƣơng án bố trí cảm
biến và van chấp hành ABS để tạo đối tƣợng nghiên cứu thuật toán điều khiển, ngƣỡng
điều khiển và bộ điều khiển điện tử.
Phương án bố trí cảm biến và van chấp hành ABS
Hệ thống ABS trên xe tải sử dụng hệ thống phanh khí nén rất đa dạng, đƣợc phân
loại theo số cảm biến (Sensor – S) và số van chấp hành ABS (Modulator – M) [48] nhƣ:
4S/4M, 6S/4M, 6S/6M …
Với xe nghiên cứu, hệ thống ABS có thể bố trí các phƣơng án 2S/2M, 4S/3M,
4S/4M. Phƣơng án 2S/2M sử dụng một cảm biến xác định tình trạng lăn của bánh xe cầu
trƣớc, một cảm biến xác định tình trạng lăn của bánh xe cầu sau. Hai bánh xe ở cầu trƣớc
đƣợc điều khiển chung bởi một van chấp hành ABS, các bánh xe ở cầu sau đƣợc điều
khiển bởi một van chấp hành ABS khác. Phƣơng án thiết kế này đơn giản nhất, có số lƣợng
- 15 -
cảm biến và van chấp hành ABS ít nhất, thuật toán và chƣơng trình điều khiển đơn giản.
Tuy nhiên, các bánh xe trên cùng một cầu đƣợc điều khiển chung nên không sử dụng hết
khả năng bám của từng bánh xe. Hơn nữa tình trạng lăn của các bánh xe trên cùng một cầu
đƣợc xác định bằng một cảm biến nên có thể xác định sai trạng thái lăn của từng bánh xe,
dẫn đến nguy cơ điều khiển không phù hợp. Phƣơng án 4S/3M sử dụng 4 cảm biến để xác
định tình trạng lăn của từng bánh xe, tuy nhiên chỉ có 3 van chấp hành ABS. Các bánh xe ở
cầu trƣớc đƣợc điều khiển độc lập, các bánh xe ở cầu sau đƣợc điều khiển chung. Phƣơng
án này phân bố lực phanh trên cầu sau tƣơng đối đồng đều nhƣng không sử dụng tối đa
đƣợc khả năng phanh của từng bánh xe. Phƣơng án 4S/4M sử dụng 4 cảm biến và 4 van
chấp hành ABS, giúp xác định đƣợc chính xác tình trạng lăn của từng bánh xe, điều khiển
độc lập từng bánh xe nên sử dụng đƣợc tối đa khả năng phanh tại từng bánh xe. Nhờ đó
nâng cao đƣợc hiệu quả hiệu quả phanh. Hơn nữa, khi xuất hiện sự sai lệch lực phanh trên
các bánh xe của cùng một cầu, bên bánh xe có hệ số bám cao sẽ đƣợc điều khiển làm giảm
áp suất phanh, hạn chế nguy cơ quay thân xe, tăng độ ổn định cho xe ô tô khi phanh. Tuy
nhiên thiết kế hệ thống, thuật toán và chƣơng trình điều khiển ABS của phƣơng án này
phức tạp nhất.
Nhờ các ƣu điểm vƣợt trội trên, xe nghiên cứu đƣợc lắp đặt theo phƣơng án bố trí
ABS kiểu 4S/4M. Xe đƣợc đề tài KC.03.05/11-15 lắp thêm bốn bộ vành răng và cảm biến
cho bốn bánh xe nhƣ trình bày ở mục 3.3, hệ thống phanh đƣợc lắp đặt thêm bốn van chấp
hành ABS nhƣ trình bày ở mục 1.5.2, bố trí ngay phía trƣớc các bầu phanh. Sơ đồ lắp đặt
Vành răng
Vành răng
Cảm biến
Bộ điều khiển
Cảm biến
Van chấp hành ABS
Van chấp hành ABS
Cảm biến
- - - - - Khí nén Điện
Cảm biến
Vành răng
Vành răng
Hình 1. 1. Phương án bố trí ABS kiểu 4S/4M trên xe nghiên cứu
hệ thống ABS lên xe nghiên cứu nhƣ Hình 1. 1.
- 16 -
1.5.2. Van chấp hành ABS và phƣơng pháp điều khiển
Van chấp hành ABS có nhiệm vụ điều khiển áp suất khí nén trong bầu phanh, nhằm
thực hiện các pha tăng áp, giảm áp và giữ áp, giúp nâng cao khả năng ổn định hƣớng
chuyển động của ô tô khi phanh và hiệu quả phanh.
Van chấp hành ABS do đề tài KC.03.05/11-15 chế tạo theo mẫu van chấp hành
ABS của hãng Wabco.
Hoạt động của van chấp hành ABS [48]
Hoạt động của van chấp hành ABS và sơ đồ đƣờng đi của khí nén trong trƣờng hợp
ABS không hoạt động và ABS hoạt động nhƣ sau:
Trường hợp ABS không hoạt động: Van chấp hành ABS lúc này đóng vai trò
nhƣ một đoạn đƣờng ống dẫn khí nén. Trạng thái của van điện từ điều khiển cấp khí, xả
Khoang điều khiển
Van màng điều khiển cấp khí (Mở)
Cổng cấp khí nén
Van điện từ điều khiển cấp khí (Đóng)
Cổng cấp khí nén tới bầu phanh
Van màng điều khiển xả khí (Đóng)
Van điện từ điều khiển xả khí (Đóng)
Khoang điều khiển
Cổng xả
Hình 1. 2. Trạng thái van chấp hành ABS khi không làm việc
khí và đƣờng đi của khí nén trong van ABS khi ABS không kích hoạt nhƣ Hình 1. 2.
Trường hợp ABS hoạt động ở pha tăng áp
Trƣờng hợp van chấp hành ABS hoạt động ở pha tăng áp, trạng thái của các van
điện từ và đƣờng đi của khí nén trong van giống hệt trƣờng hợp van chấp hành ABS không
hoạt động. Không có dòng điện điều khiển các van điện từ điều khiển cấp khí và xả khí.
Hoạt động của các van điện từ và đƣờng đi của khí nén trong van chấp hành ABS nhƣ
Hình 1. 2.
- 17 -
Trường hợp ABS hoạt động ở pha giảm áp
Để thực hiện giảm áp suất trong bầu phanh, van chấp hành ABS đóng đƣờng cấp
khí vào bầu phanh bằng cách đóng van màng điều khiển cấp khí. Mặt khác van chấp hành
ABS mở đƣờng xả khí từ bầu phanh ra môi trƣờng thông qua việc mở van màng điều khiển
xả khí. Để thực hiện đƣợc điều đó, bộ điều khiển cấp dòng điện điều khiển vào van điện từ
điều khiển cấp khí và van điện từ điều khiển xả khí. Hoạt động của các van điện từ và
Khoang điều khiển
Van màng điều khiển cấp khí (Đóng)
Cổng cấp khí nén
Cổng cấp khí nén tới bầu phanh
Van điện từ điều khiển cấp khí (Mở)
Van màng điều khiển xả khí (Mở)
Van điện từ điều khiển xả khí (Mở)
Khoang điều khiển
Cổng xả
Hình 1. 3. Trạng thái van chấp hành ABS trong pha giảm áp
đƣờng đi của khí nén trong van chấp hành ABS nhƣ Hình 1. 3.
Trường hợp ABS hoạt động ở pha giữ áp
Để thực hiện trạng thái giữ nguyên áp suất trong bầu phanh, van chấp hành ABS
đóng đƣờng cấp khí vào bầu phanh bằng cách đóng van màng điều khiển cấp khí, đồng
thời đóng đƣờng xả khí từ bầu phanh ra môi trƣờng thông qua việc đóng van màng điều
khiển xả khí. Khí nén trong bầu phanh bị cô lập, áp suất khí nén sẽ đƣợc giữ nguyên trong
pha này. Để thực hiện đƣợc điều đó, bộ điều khiển cấp dòng điện điều khiển vào van điện
từ điều khiển cấp khí và cắt dòng điện điều khiển vào van điện từ điều khiển xả khí. Hoạt
động của van điện từ và đƣờng đi của khí nén trong van chấp hành ABS nhƣ Hình 1. 4.
- 18 -
Khoang điều khiển
Van màng điều khiển cấp khí (Đóng)
Cổng cấp khí nén
Cổng cấp khí nén tới bầu phanh
Van điện từ điều khiển cấp khí (Mở)
Van màng điều khiển xả khí (Đóng)
Van điện từ điều khiển xả khí (Đóng)
Khoang điều khiển
Cổng xả
Hình 1. 4. Trạng thái van chấp hành ABS trong pha giữ áp
Từ kết cấu và hoạt động của van chấp hành ABS trên, nhận thấy các trạng thái tăng
áp, giảm áp, giữ áp đƣợc điều khiển bởi 2 van: van điện từ điều khiển cấp khí và van điện
từ điều khiển xả khí. Bảng trạng thái sau thể hiện hoạt động của van chấp hành ABS khi
Bảng 1. 2. Bảng trạng thái hoạt động của van chấp hành ABS
điều khiển ON/OFF các van điện từ.
Pha Giảm áp Giữ áp Tăng áp (ABS kích hoạt hoặc không) Van
OFF ON ON Van điện từ điều khiển cấp khí
OFF ON OFF Van điện từ điều khiển xả khí
Hai van điện từ điều khiển cấp và xả khí trong van chấp hành ABS đƣợc điều khiển
thông qua các cuộn dây trong van điện từ.
1.6. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu, xác định đƣợc khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống
phanh khí nén có ABS trên xe nghiên cứu;
- 19 -
Xây dựng đƣợc mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô trong quá trình phanh và
hệ thống phanh dẫn động khí nén có ABS nhằm phục vụ nghiên cứu, mô phỏng
xác định ngƣỡng điều khiển và quá trình điều khiển hệ thống;
Đề xuất đƣợc một thuật toán điều khiển hệ thống ABS dẫn động khí nén theo gia
tốc góc bánh xe và xác định đƣợc bộ giá trị ngƣỡng gia tốc góc bánh xe dùng để
điều khiển chuyển pha làm việc của các van chấp hành ABS trong quá trình ABS
khí nén hoạt động.
Phạm vi nghiên cứu
Luận án thực hiện nghiên cứu hệ thống ABS dẫn động khí nén trên ô tô tải cỡ trung
bình, sử dụng vành răng cảm biến và van chấp hành ABS do đề tài KC.03.05/11-15 chế
tạo. Hệ thống ABS dẫn động khí nén trên xe nghiên cứu sử dụng thông số từ bốn cảm biến
đo vận tốc góc của bốn bánh xe để điều khiển bốn van chấp hành ABS độc lập, do đó luận
án nghiên cứu thuật toán điều khiển hệ thống ABS theo gia tốc góc của các bánh xe khi
phanh. Luận án nghiên cứu mô phỏng chuyển động của xe trong quá trình phanh trên
đƣờng bằng, phẳng và nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh dẫn động khí nén có ABS
bằng phần mềm Matlab – Simulink, Matlab – StateFlow, chƣa xét đến quá trình phanh khi
xe quay vòng và phanh trên đƣờng có hệ số bám khác nhau giữa hai vết bánh xe. Qua quá
trình mô phỏng hoạt động của hệ thống trên máy tính, luận án xác định đƣợc gần đúng bộ
giá trị ngƣỡng gia tốc góc điều khiển ABS. Luận án thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm
trên các loại đƣờng thẳng, bề mặt đƣờng đồng nhất phủ nhựa asphalt (khô và ƣớt), phủ bê
tông (khô và ƣớt) ở các dải vận tốc khác nhau (từ 30 km/h đến 60 km/h) nhằm chính xác
hóa bộ giá trị ngƣỡng gia tốc góc điều khiển ABS và đánh giá hiệu quả hoạt động của toàn
bộ hệ thống.
1.7. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu hệ thống phanh ABS khí nén trên ô tô;
Nghiên cứu cảm biến và phƣơng pháp đo vận tốc góc, gia tốc góc bánh xe;
Nghiên cứu khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh khí nén có
ABS;
Nghiên cứu, xây dựng thuật toán điều khiển hệ thống phanh ABS khí nén;
- 20 -
Nghiên cứu, xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô tải trong quá
trình phanh trên đƣờng bằng phẳng;
Nghiên cứu, xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh ABS khí nén;
Nghiên cứu, xác định ngƣỡng điều khiển của hệ thống ABS khí nén;
Nghiên cứu thực nghiệm hệ thống phanh ABS khí nén trên đƣờng thử nghiệm.
Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng kết hợp phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực
nghiệm, cụ thể nhƣ sau:
Nghiên cứu lý thuyết: xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống trên máy tính, thực
hiện mô phỏng để khảo sát đặc tính của hệ thống, từ đó xác định sơ bộ giá trị ngƣỡng điều
khiển.
Nghiên cứu thực nghiệm: Đƣợc thực hiện nhiều lần trên cơ sở giá trị ngƣỡng điều
khiển đƣợc xác định sơ bộ từ mô phỏng lý thuyết, phân tích, đánh giá kết quả nhằm điều
chỉnh giá trị ngƣỡng điều khiển để hệ thống hoạt động tốt trong thực tế.
1.8. Kết luận chƣơng 1
Hệ thống ABS khí nén liên tục đƣợc nghiên cứu hoàn thiện về kết cấu và tính năng
làm việc, đƣợc lắp đặt thƣơng mại trên nhiều loại xe tải khác nhau. Ở các nƣớc phát triển,
hệ thống ABS khí nén bắt buộc phải đƣợc lắp đặt trên xe ô tô tải nhƣ một tiêu chuẩn an
toàn.
Trên thế giới, việc nghiên cứu, hoàn thiện hệ thống ABS khí nén đang đƣợc nhiều
nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và đạt đƣợc nhiều thành tựu. Tuy nhiên, kết quả nghiên
cứu đƣợc công bố mang tính chất giới thiệu, chƣa đủ chi tiết để có thể triển khai ứng dụng
vào thực tế. Việc nghiên cứu, ứng dụng công nghệ ABS vào sản xuất ô tô trong nƣớc còn
nhiều hạn chế.
Tại Việt Nam, có một số công trình nghiên cứu về hệ thống ABS nhƣng chủ yếu
tập trung vào ABS dành cho hệ thống phanh thủy lực. Cần có nhiều nghiên cứu, chế tạo
thử nghiệm tiếp theo để từng bƣớc làm chủ công nghệ ABS khí nén trên xe ô tô.
Việc nghiên cứu nhằm từng bƣớc làm chủ kỹ thuật, công nghệ ABS khí nén trên
các xe ô tô có ý nghĩa thực tiễn và khoa học, giúp phát triển nền công nghiệp phụ trợ sản
- 21 -
xuất ô tô, nâng cao khả năng cạnh tranh về chất lƣợng và giá thành cho ô tô sản xuất trong
nƣớc sản xuất.
Luận án đƣợc nghiên cứu nhằm giải quyết các vấn đề phức tạp trong nội dung thiết
kế, chế tạo bộ điều khiển điện tử cho hệ thống phanh khí nén có ABS của đề tài
KC.03.05/11-15. Kết quả nghiên cứu của luận án đƣợc đề tài KC.03.05/11-15 ứng dụng,
Equation Chapter (Next) Section 1
chế tạo thành công bộ điều khiển điện tử hệ thống ABS.
- 22 -
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Quy trình nghiên cứu
Với mục tiêu nghiên cứu, đề xuất phƣơng pháp điều khiển, thuật toán điều khiển và
xác định giá trị ngƣỡng điều khiển cho hệ thống phanh khí nén có ABS trên xe ô tô tải,
Hình 2. 1. Quy trình nghiên cứu, đề xuất thuật toán điều khiển
luận án tiến hành nghiên cứu theo quy trình nhƣ sơ đồ trên Hình 2. 1.
Hoàn thành giai đoạn này, luận án đề xuất đƣợc thuật toán điều khiển. Kết hợp
thuật toán điều khiển với các giá trị ngƣỡng điều khiển để có đƣợc chƣơng trình điều
khiển.
Bộ giá trị ngƣỡng điều khiển ABS đƣợc nghiên cứu, xác định theo các bƣớc:
nghiên cứu mô phỏng lý thuyết trên máy tính, sau đó sử dụng kết quả nghiên cứu mô
- 23 -
phỏng lý thuyết để tiến hành mô phỏng thực nghiệm. Quy trình nghiên cứu, xác định bộ
Hình 2. 2. Quy trình nghiên cứu, xác định ngưỡng điều khiển
giá trị ngƣỡng điều khiển đƣợc mô tả nhƣ sơ đồ trên Hình 2. 2.
- 24 -
2.2. Phƣơng pháp điều khiển ABS
Hiệu quả phanh và khả năng dẫn hƣớng chuyển động của ô tô phụ thuộc vào lực
bám dọc và lực bám ngang giữa bánh xe và mặt đƣờng. Các lực đó đƣợc xác định lần lƣợt
theo công thức sau:
(2.1)
(2.2)
Trong đó:
: Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe;
: Hệ số bám dọc giữa bánh xe và mặt đƣờng;
: Hệ số bám ngang giữa bánh xe và mặt đƣờng.
Với một loại xe nhất định, để duy trì đƣợc lực phanh lớn và khả năng điều khiển
hƣớng cần thực hiện điều khiển để duy trì Hệ số bám dọc và lực ngang có giá trị
lớn.
Hệ số lực dọc, hệ số bám ngang giữa bánh xe và mặt đƣờng phụ thuộc vào nhiều
yếu tố: tình trạng mặt đƣờng, kiểu lốp, chất lƣợng lốp, nhiệt độ, vận tốc, độ trƣợt … Trong
đó độ trƣợt là giá trị biến đổi liên tục trong quá trình phanh, và có thể điều khiển quá trình
phanh để duy trì giá trị độ trƣợt trong giới hạn mong muốn nhằm đạt đƣợc các giá trị và
lớn. Quan hệ giữa hệ số lực dọc, lực ngang và độ trƣợt của bánh xe đƣợc các tài liệu
Hình 2. 3. Quan hệ giữa hệ số lực dọc, ngang và độ trượt dọc của bánh xe khi phanh
công bố nhƣ đồ thị Hình 2. 3.
- 25 -
Độ trƣợt của bánh xe khi phanh đƣợc xác định theo công thức:
(2.3)
Trong đó:
v là vận tốc dài thực tế của bánh xe, bằng vận tốc dài của thân xe;
là vận tốc dài lý thuyết của bánh xe, đƣợc xác định nhƣ sau:
(2.4)
Trong đó: ω là vận tốc góc của bánh xe;
là bán kính động lực học của bánh xe.
Thông thƣờng, độ trƣợt đƣợc tính tƣơng đối:
(2.5)
Căn cứ vào quan hệ giữa hệ số lực dọc, hệ số bám ngang với độ trƣợt dọc của bánh
xe nhƣ Hình 2. 3, để đảm bảo khả năng điều khiển hƣớng chuyển động khi phanh và hiệu
quả phanh cao, cần duy trì đƣợc độ trƣợt của bánh xe khi phanh ở trong khoảng từ 10 –
30%. Hệ thống ABS sẽ điều khiển áp suất phanh nhằm duy trì độ trƣợt biến đổi trong
phạm vi đó.
Tuy nhiên, rất khó để xác định độ trƣợt của bánh xe khi phanh (xác định theo công
thức (2.5)) do vận tốc dài của bánh xe và bán kính động lực học bánh xe là những đại
lƣợng rất khó xác định đƣợc chính xác.
Thực tế giới hạn này có thể thay đổi trong phạm vi lớn, có thể bắt đầu sớm hoặc kết
thúc muộn hơn tùy theo điều kiện bám của bánh xe và mặt đƣờng (Hình 2. 4). Do đó căn
cứ theo ngƣỡng độ trƣợt của các bánh xe để điều khiển ABS có thể khiến mức độ hiệu quả
phanh không giống nhau trên các loại đƣờng khác nhau và khi sử dụng các loại lốp khác
nhau.
- 26 -
1- Lốp bố tròn chạy trên đƣờng khô;
2- Lốp bố chéo chạy trên đƣờng nhựa ƣớt;
3- Lốp bố tròn chạy trên đƣờng tuyết;
4- Lốp bố tròn chạy trên đƣờng băng.
Hình 2. 4. Phạm vi điều khiển của ABS
Mặt khác, gia tốc góc của bánh xe khi phanh là đạo hàm theo thời gian của vận tốc
góc bánh xe: nên nó thể hiện xu hƣớng bó cứng của bánh xe. Do đó, nếu xác định
đƣợc ngƣỡng gia tốc góc điều khiển phù hợp, hệ thống ABS có thể hạn chế sự trƣợt lết của
bánh xe và hạn chế sự suy giảm giá trị các hệ số bám dọc và hệ số bám ngang .
Vận tốc góc bánh xe có thể dễ dàng xác định với độ chính xác tƣơng đối cao
bằng cảm biến vận tốc góc, từ đó hệ thống dễ dàng tính toán đƣợc gia tốc góc của các bánh
xe trên cơ sở đạo hàm giá trị vận tốc góc đo đƣợc đó. Do đó luận án chọn phƣơng pháp
điều khiển ABS theo gia tốc góc của bánh xe khi phanh.
Trong khuôn khổ luận án, bộ điều khiển ABS đƣợc thiết kế nhằm mục đích điều
khiển chống bó cứng bánh xe khi phanh. Cơ cấu chấp hành gồm các van điện từ hoạt động
ở hai trạng thái mở và đóng (ON – OFF) để tạo ra các trạng thái tăng áp, giữ áp và giảm áp
suất khí nén trong bầu phanh (Mục 1.5.2), khả năng đáp ứng tần số điều khiển của cơ cấu
phanh không cao (Mục 3.1) nên luận án chọn phƣơng pháp điều khiển logic để điều khiển
hệ thống.
Trong quá trình điều khiển của ABS, các trạng thái (còn đƣợc gọi là pha) thay đổi
áp suất (tăng áp, giảm áp hay giữ áp) đƣợc kích hoạt dựa vào giá trị gia tốc góc của bánh
xe khi phanh. Luận án chọn bộ giá trị ngƣỡng gia tốc góc để điều khiển chuyển pha gồm 4
giá trị , pha điều khiển ABS theo gia tốc góc bánh xe đƣợc minh họa nhƣ
Hình 2. 5.
- 27 -
Hình 2. 5. Các pha điều khiển áp suất trong hệ thống theo gia tốc góc bánh xe
0
Khi bắt đầu phanh, van chấp hành ABS hoạt động ở trạng thái mặc định là tăng áp
suất trong bầu phanh. Gia tốc góc bánh xe giảm dần, đến khi giảm quá giá trị ngƣỡng thì
ECU điều khiển chuyển sang pha giữ áp. Giai đoạn này áp suất khí nén trong bầu phanh
không đổi và ở mức cao nên gia tốc góc bánh xe tiếp tục giảm. Khi gia tốc góc bánh xe nhỏ
hơn giá trị ngƣỡng thì ECU điều khiển chuyển sang pha giảm áp. Giai đoạn này áp suất
trong bầu phanh giảm, theo quán tính gia tốc góc bánh xe tiếp tục giảm sau đó tăng lên.
Khi gia tốc góc bánh xe lớn hơn giá trị ngƣỡng thì ECU điều khiển chuyển sang pha giữ
áp. Gia tốc góc bánh xe tiếp tục tăng theo quán tính, khi lớn hơn giá trị ngƣỡng thì ECU
điều khiển chuyển sang pha tăng áp. Quá trình điều khiển của hệ thống ABS lặp đi lặp lại
theo chu trình đó đến khi kết thúc.
Thuật toán điều khiển theo gia tốc góc bánh xe yêu cầu thông tin về gia tốc góc
bánh xe, do đó luận án cần thiết kế cảm biến đo vận tốc góc bánh xe, để từ đó có thể tính
toán đƣợc gia tốc góc phục vụ điều khiển của hệ thống ABS.
2.3. Nghiên cứu khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ
thống phanh khí nén có ABS
Để xây dựng đƣợc phƣơng pháp và thuật toán điều khiển hệ thống ABS, cần thiết
phải nghiên cứu đặc tính của đối tƣợng điều khiển. Một trong số các đặc tính quan trọng,
quyết định đến phƣơng pháp và thuật toán điều khiển là khả năng đáp ứng tần số điều
khiển của đối tƣợng điều khiển. Do đó luận án cần tiến hành nội dung nghiên cứu để xác
định đặc tính này của hệ thống phanh khí nén có ABS.
- 28 -
Khi ABS hoạt động, áp suất khí nén trong bầu phanh đƣợc điều khiển thay đổi theo
các trạng thái tăng áp, giữ áp và giảm áp suất theo trạng thái lăn của bánh xe. Tần số làm
việc của hệ thống càng cao càng tốt nhƣng không thể điều khiển để hệ thống hoạt động với
tần số quá cao vì hệ thống chỉ đáp ứng đến một giá trị tần số điều khiển nhất định. Hãng
Wabco hiện nay công bố chung khoảng tần số làm việc của hệ thống ABS trên hệ thống
phanh khí nén của hãng trong giới hạn 3 – 5 Hz [68]. Tùy theo kích cỡ xe, theo đặc điểm
và bố trí hệ thống phanh trên mỗi loại xe mà khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ
thống ABS trên mỗi loại xe cũng có thể khác nhau. Vì vậy, cần thiết phải nghiên cứu, xác
định khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh trên xe nghiên cứu nhằm làm
cơ sở thiết kế bộ điều khiển cho xe đó.
Mỗi chu kỳ làm việc của ABS, áp suất khí nén trong bầu phanh có thể thay đổi qua
ba trạng thái tăng áp, giữ áp và giảm áp. Nếu chu trình làm việc của hệ thống chỉ gồm 2
pha tăng và giảm áp suất với độ dài mỗi pha đƣợc xác định hợp lý thì hệ thống sẽ đáp ứng
đƣợc với tần số cao hơn.
Để xác định khả năng đáp ứng của hệ thống, luận án sử dụng phƣơng pháp thực
nghiệm. Phƣơng pháp này sử dụng các xung điều khiển dạng vuông có độ rộng và tần số
xác định trƣớc đƣợc dùng để điều khiển van chấp hành ABS hoạt động ở các chế độ tăng
và giảm áp suất trong bầu phanh. Trên cơ sở phân tích sự biến thiên áp suất khí nén trong
bầu phanh để xác định khả năng đáp ứng của hệ thống với tần số điều khiển, xác định đƣợc
tần số biến đổi áp suất khí nén tối đa trong quá trình điều khiển ABS.
Luận án đã thiết kế, chế tạo thiết bị tạo xung vuông với mức hai điện áp 24 V DC
(ON) và 0 V DC (OFF) có khả năng thay đổi độ rộng và tần số của xung điều khiển. Chuỗi
xung này đƣợc sử dụng để điều khiển van chấp hành ABS. Mạch nguyên lý của thiết bị tạo
xung điều khiển nhƣ Hình 2. 6.
Thực hiện thí nghiệm với các xung điều khiển có tần số tăng dần, nhận thấy van
chấp hành ABS vẫn đáp ứng tốt (đóng, mở van) ở tần số điều khiển 10 Hz. Tuy nhiên, thời
gian cần thiết để áp suất trong hệ thống thay đổi lớn hơn nhiều thời gian để van chấp hành
ABS đóng mở các van điện từ. Vì vậy, luận án cần tiến hành thêm các thực nghiệm để xác
định khả năng đáp ứng tần số điều khiển (tăng, giảm áp suất) của hệ thống.
- 29 -
Hình 2. 6. Thiết bị tạo xung điều khiển van chấp hành ABS phục vụ khảo sát khả năng đáp ứng tần
số điều khiển của hệ thống phanh ABS khí nén
Sau khi lắp đặt các van chấp hành ABS lên xe thí nghiệm, hai cảm biến (M5100
của hãng Sensys) đƣợc lắp đặt để đo áp suất khí nén trong bình chứa và trong bầu phanh
của bánh xe phía sau bên trái. Vì luôn có tổn thất trong đƣờng ống và qua các van nên thực
tế áp suất trong bầu phanh luôn nhỏ hơn áp suất trong bình chứa. Thực nghiệm cho thấy,
với loại xe thí nghiệm trong luận án, mức chênh lệch áp suất này vào khoảng 0,07 MPa.
Một thiết bị đo ghi áp suất khí nén với sai số nhỏ hơn 1% (đã đƣợc kiểm tra độ
chính xác tại Trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lƣờng chất lƣợng 1 - Quatest 1) đƣợc sử
dụng để theo dõi áp suất trong quá trình thí nghiệm.
Để khảo sát quá trình thay đổi áp suất trong bầu phanh, luận án đã thực hiện thử
nghiệm nhƣ sau: Đạp phanh dứt khoát với lực phanh lớn để van phân phối mở hoàn toàn, giữ
nguyên trạng thái đó trong khoảng 3 giây và thôi (nhả) phanh dứt khoát. Sự biến thiên áp
Hình 2. 7. Áp suất khí nén trong bầu phanh khi phanh bình thƣờng
suất nguồn khí nén và áp suất trong bầu phanh đƣợc thiết bị đo ghi lại nhƣ đồ thị Hình 2. 7.
- 30 -
Qua đồ thị này có thể nhận thấy tỉ lệ thời gian của quá trình tăng áp suất và thời
gian của quá trình giảm áp suất trong bầu phanh ở mức khoảng 60/40%. Từ nhận xét này,
luận án tiếp tục tiến hành các thí nghiệm nhƣ sau:
Tạo dãy xung có tần số thay đổi từ 0,5 Hz, 1 Hz, … 10 Hz để điều khiển van chấp
hành ABS hoạt động ở chế độ tăng áp và giảm áp luân phiên nhau với tỉ lệ thời gian tăng
áp/giảm áp là 60/40 %. Theo dõi, khảo sát sự biến thiên áp suất trong bầu phanh phía sau
bên trái và trong bình chứa.
Ghi lại giá trị áp suất trong bình chứa khí nén và giá trị áp suất cao nhất và thấp
nhất trong bầu phanh phía sau theo tần số điều khiển. Phân tích các giá trị này có thể đánh
giá đƣợc khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh khí nén có lắp ABS trên
xe nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu cụ thể về khả năng đáp ứng tần số đƣợc trình bày ở
mục 3.1.
2.4. Xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô trong quá
trình phanh
Việc xác định ngƣỡng điều khiển là quá trình phức tạp. Để giảm thời gian nghiên
cứu, luận án tiến hành xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô trong quá trình
phanh, kết hợp với mô hình mô phỏng hệ thống phanh ABS khí nén. Thông qua quá trình
mô phỏng trên máy tính, luận án xác định sơ bộ đƣợc ngƣỡng điều khiển. Đó là cơ sở cho
các nghiên cứu thực nghiệm tiếp theo nhằm hiệu chỉnh ngƣỡng điều khiển để hệ thống
phanh ABS hoạt động đạt đƣợc hiệu quả cao.
2.4.1. Chuyển động của ô tô trong quá trình phanh trên đƣờng bằng phẳng
Khi xe chuyển động, dao động của xe ảnh hƣởng đến lực tác động từ khung xe lên
bánh xe, từ đó ảnh hƣởng đến phản lực thẳng đứng từ đƣờng lên bánh xe. Do đó các
lực bám dọc và bám ngang cũng bị ảnh hƣởng, tác động đến hiệu quả phanh và ổn
định hƣớng chuyển động của ô tô. Tuy nhiên, trong quá trình phanh, ảnh hƣởng của dao
động khung xe, dầm cầu và bánh xe rất nhỏ so với sự phân bố lại trọng lƣợng lên các cầu
xe. Hơn nữa do mức độ phức tạp khi mô phỏng hệ thống phanh khí nén, và đối tƣợng khảo
sát là quá trình phanh trên đƣờng thẳng, bằng phẳng của xe tải, nên để đơn giản, luận án đã
giả thiết khung xe, dầm cầu và bánh xe là một khối thống nhất (bỏ qua hệ thống treo), chỉ
xét đến sự phân bố lại trọng lƣợng lên các cầu xe để nghiên cứu quá trình phanh.
- 31 -
Các lực tác dụng vào xe khi phanh trên đƣờng thẳng, bằng phẳng đƣợc thể hiện nhƣ
Hình 2. 8. Các lực tác dụng vào xe khi phanh trên đường thẳng, bằng phẳng
Hình 2. 8 [64], gồm:
là phản lực từ mặt đƣờng lên bánh xe trƣớc, sau;
là lực cản lăn bánh xe trƣớc, bánh xe sau;
là lực phanh ở bánh xe trƣớc, bánh xe sau;
là lực cản không khí theo phƣơng dọc;
G là trọng lƣợng của xe;
Phƣơng trình chuyển động theo phƣơng dọc của xe khi chịu tác dụng của các lực
đó đƣợc viết nhƣ sau:
(2.6)
Trong đó:
m là khối lƣợng của ô tô;
là gia tốc chuyển động của ô tô;
Lực cản không khí theo phƣơng dọc đƣợc xác định theo công thức:
(2.7)
Trong đó:
- 32 -
là hệ số khí động của ô tô, phụ thuộc hình dáng, bề mặt ô tô …;
A là diện tích cản chính diện của xe ô tô;
là mật độ không khí;
v là vận tốc tuyệt đối của ô tô so với không khí.
Lực cản lăn xuất hiện ngay khi các bánh xe có xu hƣớng quay. Ở vận tốc
thấp và mặt đƣờng xấu, lực cản lăn là lực cản chuyển động chính. Lực cản
lăn của cả xe là tổng lực cản lăn ở từng bánh xe. Lực cản lăn đƣợc xác định
theo công thức:
(2.8)
Lực phanh tại các bánh xe trên các cầu đƣợc xác định tƣơng tự
nhau từ công thức xác định mô men phanh trên một bánh xe nhƣ sau:
nếu (2.9)
nếu (2.10)
Trong đó: là mô men do cơ cấu phanh sinh ra, [Nm];
là bán kính động lực học của bánh xe, [m].
Trong quá trình phanh, lực cản không khí và lực cản lăn rất nhỏ so với lực phanh
nên luận án giả thiết bỏ qua các lực này trong quá trình tính toán. Do vậy, phƣơng trình
chuyển động của ô tô khi phanh có thể viết lại thành:
(2.11)
Từ phƣơng trình này, nếu xác định đƣợc các lực phanh sẽ xác định đƣợc
các thông số chuyển động của xe theo phƣơng dọc. Các mục 2.4.2 và 2.4.3 sau đây sẽ trình
bày cơ sở để xác định lực phanh này.
- 33 -
2.4.2. Động lực học bánh xe trong quá trình phanh
Khi xe chuyển động, lốp bị biến dạng theo phƣơng hƣớng kính và phƣơng tiếp
tuyến. Phản lực của đƣờng tác dụng lên lốp bị dịch chuyển một khoảng so với tâm
vết tiếp xúc giữa lốp và đƣờng nhƣ thể hiện trên Hình 2. 9 [58].
Hình 2. 9. Phân bố ứng suất và phản lực từ đường khi lốp lăn
Mặt đƣờng
Lực cản lăn đƣợc xác định theo công thức: trong đó là bán kính động
lực học của bánh xe.
Nhƣ đã nêu ở phân trƣớc, trong quá trình phanh, lực cản lăn rất nhỏ so với lực
phanh, và luận án đã giả thiết bỏ qua lực cản lăn của bánh xe. Khi đó phản lực của
đƣờng lên lốp đƣợc đặt trên trục đối xứng của bánh xe, tại vết tiếp xúc giữa bánh xe và mặt
đƣờng (Hình 2. 10).
Khi phanh, bánh xe chuyển dịch theo phƣơng dọc x, chuyển dịch theo phƣơng
thẳng đứng , chuyển động quay góc chịu tác dụng của các lực và mô men nhƣ Hình 2.
10 [10], [57], [58].
- 34 -
Hình 2. 10. Lực và mô men tác dụng lên bánh xe khi phanh
Trong đó:
là phản lực từ mặt đƣờng theo phƣơng dọc, do mô men phanh sinh ra;
là lực tác dụng từ khung xe thông qua hệ thống treo theo phƣơng dọc;
lực quán tính của khối lƣợng không đƣợc treo theo phƣơng dọc;
là phản lực thẳng đứng từ đƣờng lên bánh xe;
là lực tác dụng từ khung xe thông qua hệ thống treo theo phƣơng thẳng đứng;
là lực quán tính của khối lƣợng không đƣợc treo theo phƣơng thẳng đứng;
là mô men quán tính của bánh xe;
Chuyển động thẳng đứng đƣợc bỏ qua do giả thiết bỏ qua hệ thống treo, chuyển
động x là chuyển động theo thân xe và đƣợc xác định theo công thức (2.11). Cùng
với chuyển động x, chuyển động cần đƣợc xác định để làm cơ sở xác định độ
trƣợt của bánh xe và phản lực dọc của mặt đƣờng tác dụng lên bánh xe.
Với giả thiết bỏ qua lực cản lăn, phƣơng trình chuyển động quay của bánh xe khi
phanh đƣợc xác định nhƣ sau [57], [58], [64]:
(2.12)
Trong đó:
là mô men phanh do cơ cấu phanh sinh ra;
là mô men quán tính khối lƣợng quay của bánh xe;
- 35 -
là bán kính động lực học của bánh xe.
là lực phanh theo phƣơng dọc, đƣợc xác định theo công thức (2.1):
Từ đó, nếu biết mô men phanh , phản lực dọc của mặt đƣờng tác dụng lên bánh
xe (trong quá trình phanh chính là lực phanh) và các thông số mô men quán tính và bán
kính của bánh xe, có thể xác định đƣợc giá trị gia tốc góc và vận tốc góc của bánh xe.
2.4.3. Sự phân bố lại trọng lƣợng khi phanh
Trọng lƣợng phân bố lên cầu xe cần phải đƣợc xác định để có thể tính toán lực
phanh tác dụng lên bánh xe. Trong quá trình phanh, trọng lƣợng của xe phân bố lên các cầu
biến đổi theo gia tốc chậm dần của xe, đƣợc xác định theo các công thức:
Phân bố trên cầu trƣớc: (2.13)
Phân bố trên cầu sau: (2.14)
Trong đó:
a: Khoảng cách từ trọng tâm xe đến tâm cầu trƣớc [m];
b: Khoảng cách từ trọng tâm xe đến tâm cầu sau [m];
: Khoảng cách từ trọng tâm của xe đến mặt đƣờng [m];
L : Chiều dài cơ sở của xe [m].
2.4.4. Mô hình mô phỏng chuyển động của xe
Khi mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô trong quá trình phanh trên đƣờng bằng,
phẳng, luận án áp dụng phƣơng trình chuyển động của ô tô.
Từ phƣơng trình (2.11) xác định đƣợc vận tốc dọc của ô tô nhƣ sau:
(2.15)
Trong đó vo là vận tốc ban đầu (trƣớc khi phanh) của ô tô.
- 36 -
Trong quá trình phanh, trọng lƣợng của xe phân bố lên các cầu biến đổi theo gia tốc
chậm dần của ô tô. Trọng lƣợng phân bố lên cầu trƣớc và cầu sau đƣợc xác định
lần lƣợt theo phƣơng trình (2.13) và (2.14) là cơ sở để xác định các lực và .
2.4.5. Mô hình mô phỏng bánh xe
Khi mô phỏng chuyển động quay của bánh xe, luận án sử dụng phƣơng trình
chuyển động quay của bánh xe khi phanh (2.12).
Gia tốc góc của bánh xe đƣợc xác định từ công thức (2.12):
(2.16)
Từ đó, vận tốc góc của bánh xe đƣợc xác định theo công thức :
(2.17)
Các thông số xác định theo công thức (2.15) và xác định theo công thức
(2.17) là cơ sở để xác định độ trƣợt của bánh xe theo phƣơng trình (2.5).
2.5. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén
Hệ thống phanh chính trên xe ô tô sử dụng hệ thống phanh khí nén có ABS thƣờng
gồm các bộ phận chính: Máy nén khí, các bình chứa khí nén, van phân phối, van xả nhanh
ở dòng phanh cầu trƣớc, van gia tốc ở dòng phanh cầu sau, van chấp hành ABS cho từng
bầu phanh, các bầu phanh, các đƣờng ống dẫn khí nén và cơ cấu phanh ở mỗi bánh xe.
Sơ đồ hệ thống phanh khí nén có ABS trên xe ô tô thông thƣờng nhƣ trên Hình 2.
11 [20].
- 37 -
Cảm biến và vành răng
Trống phanh
Van ABS
Van ABS
Van phân phối
Van gia tốc
Van xả nhanh
Van ABS
Van ABS
Bầu phanh
Bầu phanh
Cảm biến và vành răng
Các bình chứa khí nén
Hình 2. 11. Sơ đồ hệ thống phanh khí nén trên ô tô
ECU
Mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén trên xe ô tô tải đƣợc xây dựng trong
môi trƣờng Matlab – Simulink. Các bộ phận thuộc ABS (van chấp hành ABS, cảm biến, bộ
điều khiển) đƣợc xây dựng mô hình mô phỏng trong môi trƣờng Matlab – Simulink và
Matlab –State-Flow, sau đó nhúng vào mô hình mô phỏng hệ thống phanh để tạo mô hình
mô phỏng hệ thống phanh khí nén có ABS. Mô hình mô phỏng các bộ phận này đƣợc trình
bày ở mục 3.4.
Mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén trên xe ô tô tải sử dụng các giả thiết:
Lực đạp phanh của ngƣời lái đủ để van phân phối mở hoàn toàn tại thời điểm
bắt đầu mô phỏng;
Áp suất khí nén trong các bình chứa không thay đổi trong quá trình phanh, có
giá trị bằng nhau và bằng 0,8 MPa;
2.5.1. Cơ sở tính toán áp suất và lƣu lƣợng khí nén trong hệ thống phanh
Phƣơng trình trạng thái của khí lý tƣởng ở trạng thái đẳng nhiệt:
(2.18)
- 38 -
Trong đó:
p là áp suất chất khí [N/m2]; V là thể tích bình chứa [m3];
n là khối lƣợng mol phân tử [mol];
T là nhiệt độ của chất khí [K]; R là hằng số chất khí (theo hệ đo lƣờng quốc tế, R = 8314 [Jmol-1 K-1]).
Phƣơng trình trạng thái này là cơ sở để xác định áp suất khí nén trong hệ thống khi
biết lƣu lƣợng đến các dung tích trong hệ thống.
Lƣu lƣợng của dòng khí là đại lƣợng quan trọng trong mô hình mô phỏng hệ thống
phanh khí nén. Do khí nén là môi chất có khả năng nén cao, nên lƣu lƣợng khối thƣờng
đƣợc sử dụng để tính toán thay cho lƣu lƣợng thể tích. Lƣu lƣợng khối của dòng khí đƣợc
xác định nhƣ sau [38]:
(2.19)
Trong đó:
γ là trọng lƣợng riêng của chất khí, γ = ρg [N/m3]; ρ là khối lƣợng riêng của chất khí kg/m3]; g là gia tốc trọng trƣờng m/s2];
u là vận tốc chuyển động của khí nén [m/s]; A là tiết diện dòng chảy [m2].
Lƣu lƣợng khối của chất khí chảy qua một tiết lƣu có thể xác định theo công thức
[38]:
(2.20)
Trong đó:
Cv là hệ số tiết lƣu;
là hệ số chuyển đổi (theo hệ SI, );
là độ chênh lệch áp suất giữa điểm trƣớc và sau tiết lƣu;
G là trọng lƣợng riêng trung bình của chất khí (với không khí, G = 1);
là áp suất sau tiết lƣu [N/m2];
- 39 -
là áp suất khí trời ( = 105 N/m2);
Tu là nhiệt độ của khí nén.
Khi có lƣu lƣợng khí nén đi vào và đi ra khỏi một dung tích, áp suất trong dung tích
đó thay đổi và có thể đƣợc mô tả nhƣ sau [38]:
(2.21)
Trong đó:
là áp suất khí nén trong dung tích N/m2];
là khí dung của chất khí – thể hiện tính chịu nén của chất khí;
lần lƣợt là lƣu lƣợng khí nén đi vào và đi ra khỏi dung tích
[m3/s].
Khí dung của chất khí ( ) đƣợc xác định theo hai trƣờng hợp. Trƣờng hợp áp suất
khí nén thay đổi nhanh đƣợc tính theo công thức [38]:
(2.22)
Trƣờng hợp áp suất khí nén thay đổi chậm đƣợc tính theo công thức [38]:
(2.23)
Trong đó: k là nhiệt trị riêng (với không khí, k = 1,4).
Trong mục này, luận án sẽ trình bày phƣơng trình mô tả quan hệ của áp suất và lƣu
lƣợng khí nén đi vào và đi ra khỏi các phần tử trong hệ thống phanh khí nén có ABS trên
xe nghiên cứu. Các phƣơng trình này là cơ sở để xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống
ABS khí nén.
2.5.2. Mô hình mô phỏng van phân phối
Van phân phối khí nén bao gồm 2 khoang, dẫn động độc lập cho hai dòng dẫn động
phanh cầu trƣớc và cầu sau. Sơ đồ van phân phối nhƣ Hình 2. 12.
- 40 -
Hình 2. 12. Sơ đồ van phân phối trong hệ thống phanh khí nén
Hệ số tiết lƣu của van nạp khoang trên và van nạp khoang dƣới van phân phối phụ
thuộc vào tiết diện thông qua khi mở van. Khi ngƣời lái đạp phanh, khí nén từ bình chứa
thứ nhất (Rear axle reservoir) có áp suất đi qua van phân phối đến điều khiển van gia
tốc ở dòng phanh cầu sau; khí nén từ bình chứa thứ hai (Front axle reservoir) có áp suất
đi qua van phân phối đến các bầu phanh cầu trƣớc. Lƣu lƣợng khí nén đi qua
khoang dƣới ra cầu trƣớc là Q1, đi qua khoang phía trên ra cầu sau là Q2. Áp dụng công
thức (2.20), các lƣu lƣợng này đƣợc xác định nhƣ sau:
(2.24)
(2.25)
Trong đó: lần lƣợt là áp suất khí nén tại cửa ra khoang dƣới của van
phân phối, áp suất tại cửa ra khoang trên của van phân phối, áp suất khí trời [N/m2];
lần lƣợt là hệ số tiết lƣu của khoang dƣới, khoang trên van phân phối.
Giả thiết áp suất khí nén trong hai bình chứa bằng nhau và bằng áp suất khí nén
trong bình cung cấp (Supply reservoir).
(2.26)
- 41 -
2.5.3. Mô hình mô phỏng van xả nhanh ở dòng phanh cầu trƣớc
Van xả nhanh trên dòng phanh cầu trƣớc có nhiệm vụ chia dòng khí nén đi từ van
phân phối đến các bầu phanh ở cầu trƣớc trong quá trình phanh và xả nhanh khí nén trong
các bầu phanh ở cầu trƣớc trong quá trình nhả phanh.
Van xả nhanh là phần tử giúp nối chung hai
đƣờng ống dẫn tới hai bầu phanh bên phải và bên trái
của cầu trƣớc với đƣờng ống dẫn khí nén từ van phân
phối.
Trong quá trình phanh, van xả nhanh đóng cửa
xả khí và phân chia khí nén đến các bầu phanh ở cầu
trƣớc. Ký hiệu các lƣu lƣợng vào van và ra khỏi
van đến các bầu phanh , áp suất khí nén tại
Hình 2. 13. Sơ đồ nút chia khí nén đến các bầu phanh
các đƣờng vào và ra của van nhƣ Hình 2. 13:
Áp dụng phƣơng trình bảo toàn lƣu lƣợng có:
(2.27)
Áp dụng công thức (2.20) có thể xác định đƣợc các lƣu lƣợng khí nén đi ra khỏi
van xả nhanh đến các bầu phanh nhƣ sau:
(2.28)
(2.29)
Áp dụng công thức (2.21), biến thiên áp suất khí nén tại cửa vào van nhƣ sau:
(2.30)
V là thể tích đƣờng ống Trong đó hệ số Cn đƣợc xác định theo công thức (2.22) với
dẫn khí nén [m3].
- 42 -
2.5.4. Mô hình mô phỏng van gia tốc trên dòng phanh cầu sau
Sơ đồ của van gia tốc đƣợc thể hiện nhƣ trên Hình 2. 14. Khi đạp phanh, khí nén đi
từ van phân phối đến điều khiển mở van gia tốc. Khí nén trong bình chứa đi qua van
gia tốc đến các bầu phanh phía sau. Khí nén đến bầu phanh phía sau bên trái có lƣu lƣợng
Hình 2. 14. Sơ đồ van gia tốc trên dòng phanh cầu sau
, áp suất . Khí nén đến bầu phanh phía sau bên phải có lƣu lƣợng , áp suất .
Áp dụng phƣơng trình (2.20), phƣơng trình xác định các đại lƣợng và khi
van gia tốc mở hoàn toàn nhƣ sau:
(2.31)
(2.32)
2.5.5. Mô hình mô phỏng bầu phanh và cơ cấu phanh
Phương trình mô tả bầu phanh
Bầu phanh là nơi tiếp nhận khí nén và tạo áp suất tác dụng lên màng bầu
phanh và đẩy màng chuyển động. Sơ đồ mô tả bầu phanh nhƣ Hình 2. 15:
- 43 -
Hình 2. 15. Sơ đồ mô tả bầu phanh
Hệ thống có bốn bầu phanh tƣơng ứng với bốn bánh xe, phƣơng trình mô tả các bầu
phanh này đều tƣơng tự nhau.
Khi có lƣu lƣợng khí nén [m3/s] đi vào bầu phanh, áp suất khí nén trong
bầu phanh tăng lên. Áp dụng phƣơng trình (2.21) với lƣu ý thể tích bầu phanh thay đổi do
màng bầu phanh dịch chuyển có đƣợc phƣơng trình xác định biến thiên áp suất nhƣ sau
[8]:
(2.33)
Trong đó:
F: Diện tích màng piston trong bầu phanh [m2];
y: Dịch chuyển của màng bầu phanh và cần đẩy [m];
V0: Thể tích ban đầu của bầu phanh [m3].
Màng bầu phanh và cần đẩy chuyển động do chịu tác dụng của các lực sau đây:
Lực do khí nén sinh ra: Lực của lò xo hồi vị:
Lực cản do ma sát trong bầu phanh:
Phản lực từ cơ cấu phanh:
Trong đó: C là độ cứng tƣơng đƣơng của hệ guốc phanh và trống phanh, là
biến dạng của hệ guốc phanh và trống phanh.
- 44 -
với y0 là khe hở ban đầu giữa guốc phanh và trống phanh, i
là tỉ số truyền chuyển động từ đầu cần đẩy của bầu phanh đến guốc
phanh.
Phƣơng trình chuyển động của màng bầu phanh và cần đẩy nhƣ sau::
(2.34)
Trong đó: m là khối lƣợng quy đổi về cần đẩy của hệ màng bầu phanh, cần đẩy và
các chi tiết liên quan gắn với nó.
Phương trình mô tả cơ cấu phanh
Mô men phanh tại các bánh xe đƣợc xác định theo công thức sau:
(2.35)
Trong đó: là hệ số mô men của cơ cấu phanh [N/m]; r: Bán kính của trống
phanh [m].
Hệ thống phanh đƣợc xây dựng có tính chất đối xứng nên mô hình mô phỏng các
bầu phanh và cơ cấu phanh còn lại đƣợc thực hiện tƣơng tự.
2.6. Kết luận chƣơng 2
Điều khiển quá trình phanh để duy trì độ trƣợt trong khoảng nhất định sẽ giúp duy
trì giá trị hệ số bám dọc và hệ số bám ngang cao, nhờ đó nâng cao tính ổn định hƣớng
chuyển động và hiệu quả phanh của ô tô. Tuy nhiên, độ trƣợt của bánh xe khi phanh là đại
lƣợng rất khó xác định chính xác nên khó thực hiện điều khiển hệ thống căn cứ theo độ
trƣợt của bánh xe. Trong khi đó, gia tốc góc của bánh xe thể hiện xu hƣớng bó cứng của
bánh xe khi phanh. Hơn nữa, gia tốc góc có thể xác định dễ dàng thông qua cảm biến đo
vận tốc góc bánh xe. Do đó luận án chọn phƣơng pháp điều khiển ABS theo gia tốc góc
bánh xe.
Việc xác định khả năng đáp ứng tần số điều khiển của đối tƣợng điều khiển là cần
thiết và có ý nghĩa quan trọng đối với việc đề xuất thuật toán và các thông số điều khiển
khác.
Việc xác định ngƣỡng điều khiển là quá trình phức tạp. Để giảm thời gian và chi
phí nghiên cứu, luận án tiến hành nghiên cứu thông qua các bƣớc: mô phỏng trên máy tính
- 45 -
để điều chỉnh thuật toán điều khiển và xác định sơ bộ ngƣỡng điều khiển; nghiên cứu thực
nghiệm trên cơ sở kết quả nghiên cứu lý thuyết nhằm chính xác hóa các thông số cần xác
định. Để có cơ sở thực hiện mô phỏng trên máy tính, luận án đã xây dựng mô hình mô
phỏng chuyển động của ô tô, kết hợp với mô hình mô phỏng của hệ thống phanh và hệ
Equation Chapter (Next) Section 1
thống ABS để có đƣợc đối tƣợng nghiên cứu hoàn chỉnh.
- 46 -
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ABS
DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN
Khả năng đáp ứng tần số điều khiển của đối tƣợng điều khiển là đặc tính quan
trọng, quyết định đến phƣơng pháp và thuật toán điều khiển. Do đó, để xây dựng đƣợc
phƣơng pháp và thuật toán điều khiển hệ thống ABS, cần thiết phải nghiên cứu khả năng
đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh khí nén có ABS.
Trên cơ sở phân tích khả năng đáp ứng tần số điều khiển và các đặc điểm của các
phƣơng pháp điều khiển ABS, luận án đề xuất thuật toán điều khiển ABS trong hệ thống
phanh khí nén trên xe nghiên cứu.
Hoạt động của hệ thống ABS dựa trên thông tin về sự lăn trƣợt của các bánh xe, do
đó cần nghiên cứu đặc tính của cảm biến đo vận tốc góc bánh xe và phƣơng pháp xác định
gia tốc góc các bánh xe để làm thông số đầu vào cho bộ điều khiển điện tử.
Để có thể thực hiện quá trình mô phỏng lý thuyết, luận án cần xây dựng mô hình
mô phỏng chuyển động của xe trên đƣờng thẳng kết hợp mô hình mô phỏng hệ thống
phanh khí nén có ABS. Phân tích kết quả mô phỏng để xác định ngƣỡng điều khiển theo
gia tốc góc bánh xe. Quá trình mô phỏng thực nghiệm nhằm hiệu chỉnh bộ giá trị ngƣỡng
điều khiển đƣợc trình bày trong Chƣơng 4.
3.1. Khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống ABS
Thực hiện nội dung nghiên cứu đã trình bày ở mục 2.3 với dãy xung điều khiển có
tần số thay đổi lần lƣợt từ 0,5 Hz, 1 Hz, … 10 Hz để điều khiển van chấp hành ABS hoạt
động ở chế độ tăng áp và giảm áp luân phiên nhau với tỉ lệ thời gian tăng áp/giảm áp là
60/40 %. Sự biến thiên áp suất khí nén trong bầu phanh và trong bình chứa đƣợc đo ghi lại
đầy đủ. Hình 3. 1 thể hiện đồ thị biến thiên áp suất trong bình chứa khí và trong bầu phanh
khi van chấp hành ABS đƣợc điều khiển bởi dãy xung có tần số 0,5 Hz và 5 Hz. Quy luật
biến thiên áp suất khi van chấp hành ABS đƣợc điều khiển bởi các dãy xung có tần số khác
đƣợc đề cập trong Phụ lục 1.
- 47 -
Áp suất bình chứa
Áp suất bình chứa
Áp suất bầu phanh
Áp suất bầu phanh
Hình 3. 1. Quy luật biến thiên của áp suất khí nén trong bầu phanh khi điều khiển ở tần số 0,5 Hz
(bên trái) và 5 Hz (bên phải)
Thống kê lại giá trị áp suất khí nén trong bình chứa và giá trị áp suất cao nhất và
thấp nhất trong bầu phanh phía sau theo tần số của xung điều khiển, luận án xây dựng đƣợc
Hình 3. 2. Quy luật biến thiên giá trị áp suất cao nhất và thấp nhất trong bầu phanh phía sau theo tần số của
xung điều khiển
đồ thị nhƣ Hình 3. 2.
Từ đồ thị thu đƣợc này, có thể nhận thấy, khi tần số điều khiển tăng dần và lớn hơn
1 Hz, giá trị áp suất cao nhất giảm dần, giá trị áp suất thấp nhất tăng dần, cụ thể nhƣ sau:
Khi tần số điều khiển hệ thống tăng và giảm áp là 0,5 Hz và 1 Hz, áp suất khí nén
trong bầu phanh đủ thời gian để tăng/giảm đến giá trị ổn định, giá trị lớn nhất đạt khoảng
0,72 MPa (khi áp suất bình chứa khoảng 0,79 MPa), giá trị nhỏ nhất xấp xỉ 0 MPa. Khi
tăng tần số điều khiển hệ thống đến 2 Hz, giá trị áp suất cao nhất trong bầu phanh bắt đầu
- 48 -
giảm, chỉ còn đạt khoảng 0,69 MPa, giá trị áp suất khí nén thấp nhất trong bầu phanh bắt
đầu tăng lên làm giảm độ chênh lệch giữa giá trị áp suất lớn nhất và giá trị áp suất nhỏ
nhất.
Khi tần số điều khiển hệ thống tăng đến 4 Hz, giá trị áp suất trong bầu phanh cao
nhất chỉ còn đạt đƣợc 0,59 MPa và giá trị áp suất thấp nhất trong bầu phanh tăng đến 0,22
MPa. Độ chênh lệch áp suất cao nhất và thấp nhất trong bầu phanh trƣờng hợp này là 0,59
– 0,22 = 0,37 (MPa).
Với tần số điều khiển hệ thống là 5 Hz, giá trị áp suất cao nhất trong bầu phanh chỉ
còn khoảng 0,52 MPa, bằng 0,52/0,72 = 72% giá trị áp suất cao nhất khi tần số điều khiển
thấp (0,5 Hz hoặc 1 Hz). Giá trị thấp nhất của áp suất khí nén trong bầu phanh tăng lên đến
0,28 MPa. Độ chênh lệch áp suất cao nhất và thấp nhất ứng với tần số này chỉ còn khoảng
0,24 MPa. Với giá trị áp suất trong bầu phanh nhƣ vậy, mô men phanh do cơ cấu phanh
sinh ra chỉ biến thiên trong phạm vi hẹp.
Từ đó có thể nhận định rằng, khi tần số điều khiển từ 5 Hz trở lên, giá trị cao nhất
của áp suất trong bầu phanh không lớn, áp suất biến thiên trong phạm vi nhỏ làm giảm ý
nghĩa của ABS. Từ đó, khi thiết kế bộ điều khiển ABS, không nhất thiết phải lấy mẫu tín
hiệu từ các cảm biến đo vận tốc góc bánh xe với tần số quá cao và chƣơng trình điều khiển
của bộ điều khiển cần thiết kế để phù hợp với khả năng đáp ứng của hệ thống.
3.2. Thuật toán điều khiển hệ thống ABS
Qua phân tích tại mục 2.2, luận án chọn phƣơng pháp điều khiển ABS theo gia tốc
góc bánh xe. Các tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển gồm: trạng thái công tắc đèn báo
phanh (đƣợc sử dụng để xác định trạng thái phanh); vận tốc ban đầu của ô tô trƣớc khi
phanh (nhằm xác định trạng thái kích hoạt ABS hay không) và gia tốc góc của các bánh xe
(để điều khiển thay đổi áp suất trong bầu phanh trong quá trình phanh).
Khi cấp nguồn điện, bộ điều khiển làm việc và liên tục theo dõi vận tốc góc, gia tốc
góc của các bánh xe và ở trạng thái chờ. Khi ngƣời lái đạp phanh (có tín hiệu từ công tắc
đèn báo phanh), bộ điều khiển lập tức chuyển sang chế độ hoạt động. Lúc này bộ điều
khiển tính toán vận tốc dài của ô tô (v) và so sánh với giá trị đƣợc đặt trƣớc ( ). Nếu vận
tốc dài của ô tô nhỏ hơn , hệ thống phanh không kích hoạt chế độ có điều khiển
của ABS mà chỉ hoạt động nhƣ trạng thái phanh bình thƣờng. Nếu vận tốc dài của ô tô lớn
hơn , bộ điều khiển sẽ chạy chƣơng trình điều khiển ABS đã đƣợc lập trình sẵn.
- 49 -
Pha hoạt động mặc định đầu tiên của chu trình điều khiển là pha tăng áp. Khi đó áp
suất khí nén trong bầu phanh tăng dần, mô men phanh tăng theo làm gia tốc góc của bánh
xe giảm dần. Khi gia tốc góc giảm đến giá trị nhỏ hơn giá trị ngƣỡng , ECU điều
khiển chuyển sang trạng thái giữ nguyên áp suất trong bầu phanh. Nếu gia tốc góc của
bánh xe chƣa giảm quá giá trị ngƣỡng , ECU tiếp tục điều khiển hệ thống hoạt
động ở trạng thái tăng áp suất trong bầu phanh.
Áp suất trong bầu phanh duy trì ở mức cao khiến gia tốc góc bánh xe tiếp tục
giảm, khi gia tốc góc giảm đến giá trị nhỏ hơn giá trị ngƣỡng thì ECU điều khiển
giảm áp suất trong bầu phanh. Nếu gia tốc góc của bánh xe chƣa giảm quá giá trị ngƣỡng
, ECU tiếp tục điều khiển hệ thống hoạt động ở trạng thái giữ nguyên áp suất
trong bầu phanh.
Khi ECU điều khiển chuyển sang trạng thái giảm áp, áp suất trong bầu phanh giảm,
mô men phanh giảm theo làm gia tốc góc của bánh xe tăng dần. Khi gia tốc góc bánh xe
tăng vƣợt quá giá trị ngƣỡng thì ECU điều khiển chuyển sang pha giữ nguyên áp
suất. Nếu quá trình giảm áp chƣa đủ để gia tốc góc bánh xe tăng vƣợt quá giá trị ngƣỡng
thì ECU tiếp tục điều khiển hệ thống hoạt động ở trạng thái giảm áp suất trong
bầu phanh.
Theo quán tính, gia tốc góc bánh xe tiếp tục tăng, và khi tăng vƣợt quá giá trị
ngƣỡng , ECU sẽ điều khiển chuyển sang pha tăng áp suất trong bầu phanh. Nếu
quá trình giữ áp chƣa đủ để gia tốc góc bánh xe tăng vƣợt quá giá trị ngƣỡng thì
ECU tiếp tục điều khiển hệ thống hoạt động ở trạng thái giữ nguyên áp suất trong bầu
phanh.
Chu trình điều khiển đƣợc lặp lại nhƣ vậy cho đến khi vận tốc dài của ô tô giảm
xuống thấp hơn mức đƣợc đặt trƣớc (v1) thì chuyển quá trình phanh sang kiểu phanh bình
thƣờng (van chấp hành ABS liên tục ở trạng thái tăng áp) cho đến khi kết thúc quá trình
phanh.
Để hệ thống làm việc nhƣ đã mô tả, luận án đề xuất thuật toán điều khiển ABS nhƣ
lƣu đồ trên Hình 3. 3:
- 50 -
Hình 3. 3. Lưu đồ thuật toán điều khiển ABS theo gia tốc góc bánh xe
Dựa trên lƣu đồ thuật toán điều khiển này, luận án tiến hành lập chƣơng trình điều
khiển và nạp vào bộ điều khiển điện tử để thực hiện các mô phỏng thực nghiệm nhằm hiệu
chỉnh ngƣỡng điều khiển.
- 51 -
3.3. Cảm biến và phƣơng pháp đo vận tốc góc bánh xe
Xe nghiên cứu là xe tải sử dụng hệ thống phanh khí nén không có ABS. Do đó đề
tài KC.03.05/11-15 cần phân tích đặc điểm kết cấu của xe nghiên cứu để chọn phƣơng án
lắp đặt vành răng đo vận tốc góc bánh xe, tính chọn cảm biến và tính số răng của vành răng
để đảm bảo hệ thống ABS làm việc ổn định. Đây là cơ sở để luận án nghiên cứu, đề xuất
thuật toán điều khiển hệ thống và nghiên cứu xác định các ngƣỡng điều khiển.
3.3.1. Cảm biến đo vận tốc góc bánh xe
Để xác định vận tốc góc, có một số phƣơng pháp: sử dụng tốc độ kế vòng kiểu điện
từ; sử dụng tốc độ kế vòng kiểu xung. Tốc độ kế vòng kiểu điện từ hoạt động dựa trên hiện
tƣợng cảm ứng điện từ. Cảm biến gồm có hai phần: phần cảm (nguồn từ thông) và phần
ứng (phần có từ thông đi qua). Khi có chuyển động tƣơng đối giữa phần cảm và phần ứng,
từ thông đi qua phần ứng biến thiên, trong nó xuất hiện suất điện động cảm ứng. Suất điện động này tỉ lệ với vận tốc cần đo. Tốc độ kế vòng kiểu xung làm việc theo nguyên tắc đo tần số chuyển động của phần tử chuyển động quay. Cảm biến loại này thƣờng có một đĩa
đƣợc mã hoá gắn với trục quay. Cảm biến từ trở biến thiên đƣợc sử dụng khi vật quay là
sắt từ, cảm biến quang đƣợc sử dụng khi vật quay có các lỗ, mặt phản xạ. Tùy thuộc vào
bản chất của vật quay và dấu hiệu mã hóa trên vật quay mà sử dụng loại cảm biến thích
hợp. Tốc độ kế kiểu xung có cấu tạo đơn giản, độ tin cậy cao, khả năng chống nhiễu và
chống suy giảm tín hiệu cao, dễ biến đổi tín hiệu sang dạng số.
Với điều kiện làm việc trong môi trƣờng bụi bẩn, nƣớc … (lắp tại vị trí gần bánh
xe) nên luận án đã lựa chọn loại cảm biến điện từ để đo vận tốc góc bánh xe, sử dụng kết
hợp với một đĩa quay dạng vành sắt từ đƣợc cắt răng (vành răng) để mã hóa tín hiệu. Khi
đĩa quay, từ trở của mạch từ biến thiên một cách tuần hoàn làm cho từ thông qua cuộn dây
biến thiên, trong cuộn dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng có tần số tỉ lệ với tốc độ
quay. Biên độ E của suất điện động trong cuộn dây phụ thuộc hai yếu tố: Khoảng cách giữa
cuộn dây và đĩa răng và tốc độ quay. Khoảng cách càng nhỏ E càng lớn, tốc độ quay càng
lớn thì E càng lớn. Khi tốc độ quay nhỏ, biên độ E rất bé và khó phát hiện, do vậy tồn tại
một vùng tốc độ quay không thể đo đƣợc. Mặt khác, nếu khoảng cách giữa các răng trên
đĩa răng quá nhỏ sẽ dẫn đến hiện tƣợng xen phủ tín hiệu suất điện động (đặc biệt là khi vận
tốc góc bánh xe lớn). Vì vậy cần phải tính toán số răng, kích thƣớc răng, khoảng cách giữa
các răng để đảm bảo độ chính xác và khả năng đo đƣợc trong dải đo rộng.
- 52 -
Vành răng cảm biến đƣợc gắn vào trống phanh. Khi bánh xe quay, các răng của
vành răng quét qua vùng từ trƣờng do cảm biến tạo ra, ở đầu ra của cảm biến sẽ có chuỗi
xung tƣơng ứng. Số xung tại đầu ra cảm biến trong một đơn vị thời gian thay đổi theo vận
tốc bánh xe.
Hiện nay các loại cảm biến đã đƣợc các hãng lớn trên thế giới (Autonics, Omron
Sensys …) chế tạo theo tiêu chuẩn. Do đó luận án chọn cảm biến có sẵn trên thị trƣờng,
sau đó thiết kế vành răng cảm biến. Cảm biến điện từ đƣợc lựa chọn là một loại cảm biến
của hãng Omron, có mã hiệu E2A-S08KS02-WP-C1-2M. Đây là loại cảm biến thông dụng
trong công nghiệp, dễ tìm mua và giá thành rẻ. Sơ đồ mạch điện trong cảm biến nhƣ Hình
3. 4.
Mạch tín hiệu đầu ra của cảm biến
Tải
này có transitor NPN, khi các răng của đĩa
răng quét qua cảm biến, transistor NPN ở đầu
Mạch cảm biến
ra sẽ thay đổi trạng thái khóa – dẫn một cách
liên tục, làm thay đổi mức điện áp tài đầu ra
của cảm biến (đầu dây số 4 – Hình 3. 4). Tín
Hình 3. 4. Sơ đồ mạch của cảm biến E2A-
hiệu ra là chuỗi xung vuông có điện áp cao
S08KS02-WP-C1 2M
(ON) khi phát hiện ra vật, có điện áp thấp
(OFF) khi không phát hiện ra vật. Mỗi xung
tƣơng ứng với một răng của đĩa răng đi qua vị trí của cảm biến.
Các thông số khác của cảm biến nhƣ sau:
Tần số làm việc lớn nhất: 1.500 Hz;
Điện áp hoạt động: 12 – 24 V (tối đa tới 32V);
3.3.2. Vành răng cảm biến
Vành răng cảm biến đƣợc gắn vào trống phanh. Khi bánh xe quay, các răng của
vành răng quét qua vùng từ trƣờng do cảm biến điện từ tạo ra, ở đầu ra của cảm biến sẽ có
chuỗi xung tƣơng ứng. Số xung tại đầu ra cảm biến trong một đơn vị thời gian thay đổi
theo vận tốc bánh xe.
Trên lý thuyết, với loại cảm biến ở trên, có thể xác định đƣợc chính xác vận tốc từ
khoảng xấp xỉ 0 km/h. Tuy nhiên, khi đó yêu cầu thời gian lấy mẫu đo cần đủ dài. Điều đó
khiến thời gian chờ của bộ điều khiển để cập nhật đƣợc giá trị mới từ cảm biến đo vận tốc
- 53 -
quá dài. Do đó bộ điều khiển không thể đƣa ra tín hiệu điều khiển van chấp hành ABS kịp
thời khiến hiệu quả hoạt động của ABS sẽ không cao.
Mặt khác, hiệu quả an toàn của ABS khi phanh ở vận tốc thấp không cao nên
không cần thiết phải kích hoạt ABS khi phanh ở vận tốc thấp. Nhìn chung, trên ô tô hiện
nay, ABS chỉ đƣợc kích hoạt khi phanh với vận tốc ban đầu từ 10 – 15 km/h trở lên. Luận
án chọn giá trị vận tốc dài của ô tô thấp nhất để kích hoạt ABS là .
Trên cơ sở đó, đề tài KC.03.05/11-15 đã thiết kế và chế tạo rành răng cảm biến đo
vận tốc góc bánh xe. Vành răng đƣợc lắp lên phần trống phanh có đƣờng kính 358 mm, có
các thông số chính nhƣ sau:
Số răng: 120 răng;
Vật liệu: thép CT3;
Bề rộng răng: 5 mm;
Khoảng cách giữa hai răng: 5 mm;
Chiều cao của răng: 12 mm;
Đƣờng kính lớn nhất của vành răng: 406 mm;
Đƣờng kính vị trí vành răng lắp lên trống phanh: 358 mm.
Cảm biến đƣợc lắp lên giá đỡ và điều chỉnh đảm bảo khoảng cách so với đỉnh răng
Hình 3. 5. Vành răng và cảm biến lắp lên xe
của vành răng trong phạm vi từ 1,0 – 1,5 mm nhƣ Hình 3. 5.
Sau khi lắp đặt, kiểm tra tín hiệu từ cảm biến cho thấy tín hiệu của cảm biến có
dạng xung vuông rõ ràng, không bị mất xung, ít bị ảnh hƣởng bởi điện áp đầu vào của cảm
biến. Xử lý dạng tín hiệu này để đƣa vào vi điều khiển thực hiện tính toán vận tốc góc bánh
xe là việc rất đơn giản. Điều đó cho thấy có thể sử dụng tín hiệu từ các cảm biến đo vận tốc
- 54 -
góc do đề tài KC.03.05/11-15 thiết kế, chế tạo để làm thông số điều khiển cho bộ điều
khiển điện tử trong hệ thống ABS.
3.3.3. Phƣơng pháp xác định vận tốc góc và gia tốc góc bánh xe
Phương pháp xác định vận tốc góc
Để xác định vận tốc góc bằng cảm biến điện từ kết hợp với rành răng, có thể sử
dụng phƣơng pháp đo tần số hoặc phƣơng pháp đo chu kỳ. Phƣơng pháp đo chu kỳ dựa
trên nguyên tắc xác định thời gian hệ thống đếm đủ số xung định trƣớc. Ở vùng vận tốc
thấp sẽ kéo dài thời gian chờ đủ xung, do đó có thể khiến quá trình điều khiển bị chậm
lại. Đây là điều không mong muốn trong thuật toán điều khiển của ABS.
Phƣơng pháp đo tần số đƣợc thực hiện bằng cách đếm số xung trong một
Hình 3. 6. Phương pháp đo tần số
khoảng thời gian cố định, từ đó tính toán ra tần số xung, tính ra vận tốc góc.
Phƣơng pháp này đạt đƣợc độ chính xác cao khi đo ở vùng vận tốc cao, hoặc sử
dụng loại vành răng có nhiều răng. Ở vùng vận tốc thấp, số xung đếm đƣợc trong khoảng
nhỏ, trong khi sai số về chu kỳ Δt1 và Δt2 sẽ là đáng kể. Do đó sai số của phƣơng pháp
đo tăng lên khi đo ở vận tốc thấp.
Với loại vành răng đƣợc thiết kế có 120 xung/vòng, vận tốc giới hạn nhỏ nhất của
xe để ABS kích hoạt khoảng 10 km/h, phƣơng pháp này vẫn đảm bảo độ chính xác cao để
điều khiển ABS.
Vận tốc góc của bánh xe (rad/s) đƣợc xác định theo công thức sau:
(3.1)
Trong đó:
- : Thời gian lấy mẫu (s);
- 55 -
- : Số xung đếm đƣợc trong khoảng thời gian ;
- p: Số (xung/vòng) của vành răng.
Phương pháp xác định gia tốc góc
Gia tốc góc của bánh xe đƣợc tính toán dựa trên đạo hàm của vận tốc góc. Trong
thiết kế phần cứng ECU, vi điều khiển đƣợc sử dụng để tính toán gia tốc góc bánh xe trên
cở sở đạo hàm số vận tốc góc bánh xe. Gia tốc góc bánh xe sau thời gian lấy mẫu k đƣợc
xác định theo công thức:
(3.2)
Trong đó:
: Vận tốc góc bánh xe tại chu kỳ lấy mẫu thứ k (rad/s);
: Vận tốc góc bánh xe tại chu kỳ lấy mẫu ngay trƣớc đó (rad/s);
: Khoảng thời gian lấy mẫu (s).
3.4. Mô hình mô phỏng hoạt động của hệ thống ABS
Luận án tiến hành xây dựng mô hình mô phỏng các bộ phận trong hệ thống ABS
bao gồm: Van chấp hành ABS, cảm biến đo vận tốc góc bánh xe, bộ điều khiển. Sau đó kết
hợp với các mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô (đƣợc trình bày ở mục 2.4) và mô
hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén trên xe (đƣợc trình bày ở mục 2.5) để có đƣợc mô
hình hoàn chỉnh hệ thống phanh khí nén có ABS trên xe nghiên cứu. Luận án sử dụng mô
hình tổng thể này để thực hiện các nghiên cứu, điều khiển hệ thống ABS.
3.4.1. Mô hình mô phỏng van chấp hành ABS
Luận án sử dụng van chấp hành ABS do đề tài KC.03.05/11-15 chế tạo tƣơng tự
nhƣ van chấp hành của hãng Wabco, trong đó có hai van khí nén gọi là van cấp khí và van
xả khí. Hai van khí nén này đƣợc điều khiển bằng hai van điện từ hoạt động ở các trạng
thái mở/đóng (ON/OFF). Bằng cách phối hợp các trạng thái làm việc của hai van khí nén
mà van chấp hành ABS tạo ra đƣợc các pha điều khiển tăng, giảm hoặc giữ nguyên áp suất
khí nén trong bầu phanh. Giả thiết áp suất khí nén trong bình chứa không thay đổi trong
quá trình phanh, lực đạp phanh của ngƣời lái là tức thời và đủ để mở hoàn toàn van phân
- 56 -
phối, quá trình chuyển trạng thái hoạt động của van chấp hành ABS (tăng áp, giữ áp, giảm
áp) diễn ra tức thời khi có tín hiệu điều khiển
Áp dụng phƣơng trình (2.20), lƣu lƣợng khí nén đi qua van ABS đến bầu
phanh trong pha tăng áp và lƣu lƣợng khí nén xả qua van ABS trong pha giảm áp
đƣợc xác định nhƣ sau:
(3.3)
(3.4)
Trong đó:
p là áp suất khí nén ở cửa vào van ABS;
là áp suất khí nén trong bầu phanh;
là áp suất khí quyển;
Ctr_Sup và Ctr_Exh là biến điều khiển dòng khí nén đi vào bầu phanh và biến
điều khiển xả khí nén ra khỏi bầu phanh. Các biến này có giá trị bằng 0 hoặc
1 tùy theo tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển, cụ thể nhƣ sau:
Ctr_Sup = 1 và Ctr_Exh = 0: Khí nén đƣợc cấp vào bầu phanh, khí nén trong
bầu phanh không đƣợc xả ra ngoài để thực hiện
pha tăng áp suất;
Ctr_Sup = 0 và Ctr_Exh = 0: Không cấp thêm khí nén vào bầu phanh và
không cho khí nén trong bầu phanh xả ra ngoài
để thực hiện pha giữ nguyên áp suất;
Ctr_Sup = 0 và Ctr_Exh = 1: Không cấp thêm khí nén vào bầu phanh, cho
phép khí nén trong bầu phanh xả ra ngoài để
thực hiện pha giảm áp suất.
Trạng thái hoạt động của mô hình mô phỏng van chấp hành ABS quan hệ với các
biến điều khiển nhƣ trong Bảng 3.1
- 57 -
Bảng 3. 1. Bảng trạng thái hoạt động của mô hình mô phỏng van chấp hành ABS
Tăng áp suất Trạng thái hoạt động Giữ áp suất Giảm áp suất (ABS kích hoạt hoặc không) Biến điều khiển
Ctr_Sup 1 0 0
Ctr_Exh 0 1 0
Trên cơ sở các phƣơng trình trên, mô hình mô phỏng đƣợc xây dựng cho 4 van
chấp hành ABS của 4 bánh xe độc lập.
3.4.2. Mô hình mô phỏng cảm biến đo vận tốc góc bánh xe
Trong mô hình mô phỏng, giá trị vận tốc góc của các bánh xe có thể lấy đƣợc từ mô
hình mô phỏng bánh xe. Giá trị vận tốc góc bánh xe trong trƣờng hợp này sẽ biến thiên liên
tục. Giá trị vận tốc góc đo đƣợc trong thực tế không biến thiên liên tục.
Trên thực tế, với cảm biến đo vận tốc góc bánh xe kiểu cảm biến điện từ và vành
răng, hai phƣơng pháp đo vận tốc góc bánh xe là đếm số xung xuất hiện trong một khoảng
thời gian và đo chu kỳ xuất hiện xung đều yêu cầu khoảng thời gian để đo và cập nhật
về cho vi xử lý. Thời gian này đƣợc gọi là thời gian lấy mẫu và giá trị của nó cần đƣợc tính
toán hợp lý nhằm đảm bảo độ chính xác và hiệu quả hoạt động của hệ thống. Trong mỗi
chu kỳ lấy mẫu , giá trị vận tốc góc mà vi xử lý nhận đƣợc là hằng số.
Sử dụng khối Zero order hold để giữ giá trị vận tốc góc không đổi trong suốt thời
gian đúng bằng thời gian lấy mẫu. Sau thời gian lấy mẫu trên, bộ điều khiển đƣợc cập nhật
Vận tốc góc khi có mô phỏng cảm biến
Vận tốc góc khi không có mô phỏng cảm biến
Hình 3. 7. Thông tin bộ điều khiển thu được từ cảm biến
các giá trị vận tốc góc bánh xe mới.
- 58 -
3.4.3. Mô hình mô phỏng bộ điều khiển
Để xác định ngƣỡng điều khiển, bƣớc đầu luận án thực hiện mô phỏng hệ thống
phanh ABS theo độ trƣợt để xác định miền biến thiên của gia tốc góc bánh xe. Sau đó thực
hiện mô phỏng hệ thống phanh ABS theo gia tốc góc bánh xe để xác định ngƣỡng gia tốc
góc. Vì vậy luận án cần xây dựng mô hình mô phỏng với hai bộ điều khiển khác nhau:
Điều khiển theo độ trƣợt và điều khiển theo gia tốc góc bánh xe.
Hệ thống phanh ABS có các trạng thái hoạt động: Phanh thƣờng (không kích hoạt
ABS), tăng áp, giữ áp, giảm áp và liên tục có sự chuyển đổi qua lại giữa các trạng thái đó.
Do đó luận án xây dựng bộ điều khiển trong môi trƣờng Matlab – StateFlow.
Bộ điều khiển đƣợc xây dựng gồm bốn mô đun độc lập cho từng bánh xe do xe
nghiên cứu đƣợc bố trí bốn cảm biến để xác định vận tốc góc của bốn bánh xe và bốn van
chấp hành ABS để điều khiển độc lập áp suất khí nén trong bốn bầu phanh tƣơng ứng.
Mô hình mô phỏng bộ điều khiển ABS theo độ trượt của bánh xe gồm bốn mô
đun tƣơng tự nhau, sơ đồ của một mô đun đƣợc thể hiện nhƣ Hình 3. 8. Trong mô hình bộ
Hình 3. 8. Sơ đồ một mô đun trong mô hình mô phỏng bộ điều khiển hệ thống ABS theo độ trượt
của bánh xe
điều khiển này, đầu vào là vận tốc dài của xe và độ trƣợt của từng bánh xe.
Luận án chọn giới hạn để kích hoạt ABS trong mô hình mô phỏng này là 12 km/h.
Nếu phanh gấp khi vận tốc ban đầu của xe nhỏ hơn 12 km/h thì bộ điều khiển không làm
việc, hệ thống phanh ABS hoạt động nhƣ hệ thống phanh không có ABS.
Khi phanh xe với vận tốc ban đầu của xe lớn hơn hoặc bằng 12 km/h, bộ điều khiển
sẽ kích hoạt ABS, lúc đó trạng thái làm việc đầu tiên sẽ là tăng áp suất trong bầu phanh.
- 59 -
Sau đó căn cứ theo độ trƣợt đo đƣợc và các giá trị ngƣỡng độ trƣợt để điều khiển chuyển
trạng thái thay đổi áp suất khí nén trong các bầu phanh.
Mỗi trạng thái trong mô hình StateFlow (Trạng thái Tang_ap, Trạng thái Giu_ap,
Trạng thái Giam_ap) có hai biến điều khiển, là biến Ctr_Sup và biến Ctr_Exh. Chức năng
của hai biến này lần lƣợt là điều khiển van cấp và điều khiển van xả trong van chấp hành
ABS nhƣ đã trình bày trong mục 3.4.1 (Bảng 3.1).
Mô hình mô phỏng bộ điều khiển ABS theo gia tốc góc bánh xe đƣợc xây dựng
gồm bốn mô đun tƣơng tự nhau, sơ đồ của một mô đun đƣợc trình bày nhƣ Hình 3. 9.
Trong mô hình bộ điều khiển này, đầu vào là vận tốc dài của xe và gia tốc góc của từng
bánh xe. Bộ điều khiển hoạt động theo thuật toán đã đƣợc xây dựng và trình bày ở mục
Hình 3. 9. Sơ đồ một mô đun trong mô hình mô phỏng bộ điều khiển hệ thống ABS theo gia tốc góc
của bánh xe
3.2.
Luận án chọn giới hạn để kích hoạt ABS trong mô hình này là 12 km/h. Mỗi trạng
thái trong mô hình StateFlow có hai biến điều khiển tƣơng tự nhƣ trong mô hình mô phỏng
bộ điều khiển theo độ trƣợt của bánh xe: Ctr_Sup và Ctr_Exh.
3.5. Mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô khi phanh bởi hệ
thống phanh khí nén có ABS
Trên cơ sở các quan hệ giữa các đại lƣợng vật lý trong quá trình phanh đã trình bày
ở mục đã nêu ở mục 2.3 và 2.4, luận án đã xây dựng đƣợc mô hình mô phỏng chuyển động
thẳng của ô tô trong quá trình phanh trên đƣờng bằng phẳng bởi hệ thống phanh khí nén có
ABS trong môi trƣờng Matlab – Simulink và Matlab – StateFlow. Sơ đồ khối của mô hình
mô phỏng này đƣợc thể hiện nhƣ Hình 3. 10. Chi tiết phần mô hình mô phỏng đƣợc giới
thiệu ở Phụ lục 2.
- 60 -
Khi tác động lên bàn đạp phanh, van phân phối mở. Ở dòng phanh cầu sau, khí nén
đi từ bình chứa qua van phân phối đến điều khiển mở van gia tốc. Khí nén từ bình chứa đi
qua van gia tốc đến các van chấp hành ABS và đến các cơ cấu phanh. Ở dòng phanh cầu
trƣớc, khí nén từ bình chứa qua van phân phối, tiếp đó qua van xả nhanh đến van chấp
hành ABS và đến các cơ cấu phanh. Do tác động điều khiển từ ECU, van chấp hành ABS
điều khiển áp suất khí nén trong bầu phanh của cơ cấu phanh. Mô men phanh do cơ cấu
phanh sinh ra tác dụng vào bánh xe làm thay đổi vận tốc chuyển động của bánh xe. Bánh
xe nhận lực từ mặt đƣờng tạo ra lực phanh. Lực phanh đƣợc truyền lên thân xe làm thay
đổi vận tốc chuyển động của xe. Vận tốc dọc của xe và vận tốc góc của bánh xe đƣợc đƣa
về ECU, từ đó ECU tính toán ra gia tốc góc của bánh xe và quyết định điều khiển các van
Hình 3. 10. Sơ đồ khối mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô khi phanh bởi hệ thống
phanh khí nén có ABS
chấp hành ABS theo thuật toán đã đƣợc chọn (mục 3.2).
3.6. Nghiên cứu, xác định ngƣỡng gia tốc góc điều khiển ABS
Giá trị ngƣỡng gia tốc góc bánh xe, tại đó có sự chuyển đổi trạng thái thay đổi áp
suất khí nén trong hệ thống, ảnh hƣởng có tính chất quyết định đến hiệu quả hoạt động của
hệ thống. Cho đến nay, chƣa có tài liệu nào công bố chi tiết về ngƣỡng gia tốc góc điều
khiển của ABS dành cho hệ thống phanh khí nén. Do bánh xe luôn xảy ra hiện tƣợng trƣợt
trong quá trình phanh nên việc xác định giá trị ngƣỡng gia tốc góc này để hệ thống ABS
- 61 -
hoạt động hiệu quả rất khó khăn.Trong mục này, luận án trình bày phƣơng pháp nghiên
cứu xác định các giá trị ngƣỡng gia tốc góc bánh xe điều khiển ABS, gốm các bƣớc:
Nghiên cứu mô phỏng lý thuyết: Sử dụng mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô
trong quá trình phanh kết hợp mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén có ABS, thực
hiện mô phỏng trong hai trƣờng hợp điều khiển theo độ trƣợt của bánh xe và điều khiển
theo gia tốc góc của bánh xe. Trƣớc hết, hệ thống đƣợc mô phỏng điều khiển theo theo độ
trƣợt. Theo dõi biến thiên giá trị gia tốc góc các bánh xe và các biến điều khiển của ECU
để xác định thời điểm điều khiển ứng với giá trị gia tốc góc bằng bao nhiêu. Từ đó xác
định đƣợc sơ bộ giá trị ngƣỡng gia tốc góc. Tiếp theo, thực hiện mô phỏng hệ thống phanh
ABS theo gia tốc góc bánh xe với bộ giá trị ngƣỡng đƣợc xác định sơ bộ qua bƣớc mô
phỏng theo độ trƣợt ở trên. Đánh giá hoạt động của hệ thống và điều chỉnh bộ ngƣỡng điều
khiển để xác định giá trị ngƣỡng gia tốc góc , , , phù hợp. Khi đó ABS hoạt
động tốt, đảm bảo độ trƣợt của bánh xe khi phanh ở trong phạm vi mong muốn và hiệu quả
phanh đạt mức cao.
Nghiên cứu mô phỏng thực nghiệm: Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển điện tử, viết
chƣơng trình điều khiển cho ABS sử dụng các bộ giá trị ngƣỡng gia tốc góc quanh giá trị
tìm đƣợc bằng mô phỏng lý thuyết. Thực hiện thử nghiệm nhiều lần, theo dõi vận tốc góc
của bánh xe, phân tích sự lăn – trƣợt của bánh xe và đánh giá hiệu quả phanh. Từ đó hiệu
chỉnh bộ giá trị ngƣỡng gia tốc góc điều khiển để hệ thống đạt hiệu quả cao.
Nội dung chi tiết các bƣớc này sẽ lần lƣợt đƣợc trình bày tiếp sau đây.
3.6.1. Mô phỏng điều khiển theo độ trƣợt bánh xe
Bộ điều khiển (gọi tắt là ECU) đƣợc xây dựng trên thuật toán điều khiển theo độ
trƣợt của bánh xe. Bắt đầu quá trình phanh, áp suất khí nén trong bầu phanh tăng làm độ
trƣợt của bánh xe tăng dần. Khi độ trƣợt vƣợt quá ngƣỡng giới hạn λ1, ECU điều khiển
chuyển sang trạng thái (pha) giữ nguyên áp suất trong bầu phanh. Theo quán tính, độ trƣợt
tiếp tục tăng lên, khi vƣợt quá giới hạn λ2, ECU sẽ chuyển sang pha điều khiển giảm áp
suất trong bầu phanh. Vận tốc góc của bánh xe tăng dần, độ trƣợt giảm dần đến khi nhỏ
hơn giá trị λ3, ECU điều khiển chuyển sang pha điều khiển giữ nguyên áp suất. Độ trƣợt
tiếp tục giảm đến khi nhỏ hơn giá trị λ4, ECU điều khiển chuyển sang pha điều khiển tăng
áp suất. Chu trình điều khiển gồm các pha tăng áp, giữ áp, giảm áp đƣợc điều khiển biến
- 62 -
đổi qua lại liên tục đến khi kết thúc quá trình hoạt động. Các pha điều khiển của ECU và
các giá trị ngƣỡng độ trƣợt của bánh xe đƣợc minh họa nhƣ trên Hình 3. 11.
λ2 λ3 λ1 λ4
Hình 3. 11. Các pha điều khiển hệ thống theo độ trượt của bánh xe
0
Hệ thống phanh khí nén có ABS đƣợc mô phỏng với phƣơng pháp điều khiển theo
theo độ trƣợt. Đây là phƣơng pháp điều khiển ABS tốt nhất với giả thiết biết trƣớc đƣợc
miền biến thiên độ trƣợt của các bánh xe cần đạt (ví dụ trong khoảng 10 – 30%) và luôn
xác định đƣợc thông tin về giá trị độ trƣợt thực tế của bánh xe. Với giả thiết đó, bằng cách
quy hoạch các bộ giá trị của ngƣỡng độ trƣợt điều khiển và các kết quả mô
phỏng tƣơng ứng (độ trƣợt bánh xe, quãng đƣờng phanh …), luận án chọn đƣợc bộ giá trị
độ trƣợt cho hiệu quả phanh cao nhất nhƣ sau: Ngƣỡng chuyển từ pha tăng áp sang pha giữ
áp: khi độ trƣợt λ > 18%; Ngƣỡng chuyển từ pha giữ áp sang pha giảm áp: khi độ trƣợt λ >
25%; Ngƣỡng chuyển từ pha giảm áp sang pha giữ áp: khi độ trƣợt λ < 20%; Ngƣỡng
chuyển từ pha giữ áp sang pha tăng áp: khi độ trƣợt λ < 16%;
Phân tích sự biến thiên gia tốc góc của bánh xe tƣơng ứng với các trạng thái hoạt
động của van chấp hành ABS (thông qua giá trị biến điều khiển từ ECU) trong trƣờng hợp
mô phỏng hoạt động (Hình 3. 12). Từ sự biến thiên của biến điều khiển van chấp hành
ABS (Ctr_Sup và Ctr_Exh) xác định đƣợc thời điểm ECU điều khiển chuyển pha. Từ các
giá trị gia tốc góc bánh xe trong quá trình phanh tại các thời điểm ECU điều khiển chuyển
pha, xác định đƣợc sơ bộ giá trị ngƣỡng gia tốc góc điều khiển hệ thống theo thuật toán
điều khiển đƣợc trình bày tại mục 3.2 (Hình 3. 3).
- 63 -
Hình 3. 12. Biến thiên giá trị độ trượt, gia tốc góc và biến điều khiển ECU theo thời gian
Bằng phƣơng pháp nghiên cứu nhƣ trên, luận án xác định đƣợc miền biến thiên giá
trị gia tốc góc bánh xe trong trƣờng hợp mô phỏng hoạt động của hệ thống điều khiển theo độ trƣợt nằm trong khoảng từ -125 rad/s2 đến +130 rad/s2. Giá trị ngƣỡng gia tốc góc bánh
xe để hệ thống điều khiển chuyển từ pha tăng áp sang pha giữ áp: khi gia tốc góc giảm nhỏ hơn giá trị -54,6 rad/s2. Giá trị ngƣỡng gia tốc góc bánh xe để hệ thống điều khiển chuyển từ pha giữ áp sang pha giảm áp: khi gia tốc góc giảm nhỏ hơn giá trị -88,3 rad/s2. Giá trị
ngƣỡng gia tốc góc bánh xe để hệ thống điều khiển chuyển từ pha giảm áp sang pha giữ áp: khi gia tốc góc tăng vƣợt qua giá trị +53,7 rad/s2. Giá trị ngƣỡng gia tốc góc bánh xe để
hệ thống điều khiển chuyển từ pha giữ áp sang pha tăng áp: khi gia tốc góc tăng vƣợt qua giá trị +74,2 rad/s2.
Các giá trị ngƣỡng gia tốc góc này là giá trị tham khảo quan trọng trong việc mô
phỏng theo gia tốc góc bánh xe nhằm xác định giá trị ngƣỡng gia tốc góc điều khiển ABS.
3.6.2. Mô phỏng điều khiển theo gia tốc góc bánh xe
Thực hiện mô phỏng hệ thống theo gia tốc góc bánh xe với bộ giá trị ngƣỡng gia
tốc góc xác định đƣợc sơ bộ ở bƣớc trên (Mục 3.6.1). Đánh giá kết quả mô phỏng để điều
- 64 -
chỉnh bộ giá trị ngƣỡng gia tốc góc điều khiển , , , . Quá trình này đƣợc thực
hiện nhiều lần đến khi hệ thống đạt hiệu quả phanh tốt nhất.
Bộ điều khiển đƣợc xây dựng trên thuật toán điều khiển theo gia tốc góc bánh xe.
Các trạng thái làm việc của ECU – ABS và các ngƣỡng giới hạn điều khiển và đƣợc mô tả
nhƣ trên Hình 2. 5.
Ngƣỡng gia tốc góc điều khiển chuyển trạng thái của bánh xe phía trƣớc và phía
sau là khác nhau. Trong mô hình bộ điều khiển này, đầu vào là vận tốc của xe và gia tốc
góc của từng bánh xe, đƣợc xác định từ mô hình mô phỏng chuyển động của bánh xe và
thân xe.
Khi vận tốc ban đầu của xe nhỏ hơn 12 km/h thì bộ điều khiển ABS không làm
việc, hệ thống phanh ABS hoạt động nhƣ hệ thống phanh không có ABS.
Khi phanh xe với vận tốc ban đầu của xe lớn hơn hoặc bằng 12 km/h, bộ điều khiển
sẽ kích hoạt ABS. Khi đó trạng thái làm việc đầu tiên sẽ là tăng áp suất trong bầu phanh.
Sau đó căn cứ theo gia tốc góc đo đƣợc của từng bánh xe và các giá trị ngƣỡng để điều
khiển áp suất khí nén trong bầu phanh tƣơng ứng.
3.6.3. Kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng sau đây cho thấy luận án đã xây dựng đƣợc mô hình mô phỏng
hệ thống phanh ABS khí nén phù hợp với hoạt động thực tế của hệ thống trên xe, xác định
đƣợc bộ ngƣỡng giá trị gia tốc góc điều khiển , , , phù hợp để điều khiển. Cụ
Bảng 3. 2. Ngưỡng gia tốc góc điều khiển ABS được xác định theo lý thuyết
thể, ngƣỡng gia tốc góc xác định đƣợc bằng lý thuyết nhƣ Bảng 3.2.
Ngƣỡng gia tốc góc (ε) điều Ngƣỡng gia tốc góc (ε) điều Chuyển pha khiển bánh xe cầu trƣớc khiển bánh xe cầu sau
= −61,6 (rad/s2) = −56,5 (rad/s2) Tăng áp → Giữ áp
= −82,0 (rad/s2) = −75,8 (rad/s2) Giữ áp → Giảm áp
= +45,3 (rad/s2) = +49,4 (rad/s2) Giảm áp → Giữ áp
= +66,7 (rad/s2) = +69,5 (rad/s2) Giữ áp → Tăng áp
Để kiểm tra mô hình mô phỏng, luận án thực hiện mô phỏng quá trình phanh của ô
tô khi phanh với vận tốc ban đầu 40 km/h và 72 km/h trên đƣờng khô và đƣờng ƣớt. Trên
- 65 -
mỗi loại đƣờng sẽ mô phỏng hai trƣờng hợp: hệ thống phanh có ABS và hệ thống phanh
không có ABS (không kích hoạt ABS). Sau đây là một số kết quả mô phỏng.
Một số kết quả mô phỏng quá trình phanh với vận tốc ban đầu trƣớc khi phanh v0 =
11,11 (m/s) (40 km/h), phanh trên đƣờng khô nhƣ các Hình 3. 13, Hình 3. 14, Hình 3. 15
và Hình 3. 16; phanh trên đƣờng ƣớt nhƣ các Hình 3. 17, Hình 3. 18, Hình 3. 19, Hình 3.
Hình 3. 13. Gia tốc góc của bánh xe khi phanh trên đường khô, v0 = 40 km/h
Hình 3. 14. Độ trượt của bánh xe khi phanh trên đường khô, v0 = 40 km/h
Hình 3. 15. Vận tốc của bánh xe và của xe khi phanh trên đường khô, v0 = 40 km/h
20. Kết quả mô phỏng hoạt động ở các trƣờng hợp khác đƣợc nêu ở Phụ lục 3.
- 66 -
Hình 3. 16. Quãng đường phanh khi phanh trên đường khô, v0 = 40 km/h
Hình 3. 17. Gia tốc góc của bánh xe khi phanh trên đường ướt, v0 = 40 km/h
Hình 3. 18. Độ trượt của bánh xe khi phanh trên đường ướt, v0 = 40 km/h
- 67 -
Hình 3. 19. Vận tốc của bánh xe và của xe khi phanh trên đường ướt, v0 = 40 km/h
Hình 3. 20. Quãng đường phanh khi phanh trên đường ướt, v0 = 40 km/h
Từ các đồ thị kết quả mô phỏng trên đây có thể nhận thấy:
Khi phanh gấp ở hệ thống phanh có ABS, các bánh xe có nguy cơ bị trƣợt, ECU
căn cứ vào gia tốc góc của bánh xe để điều khiển áp suất khí nén trong bầu phanh
của bánh xe tƣơng ứng. Vận tốc góc các bánh xe giảm, tăng theo chu kỳ đến khi
vận tốc của ô tô giảm xuống dƣới giá trị vận tốc giới hạn điều khiển ABS (12
km/h) ; Khi vận tốc dài của xe nhỏ hơn 12 km/h, ECU ngừng điều khiển, quá trình
phanh trở về với trạng thái phanh bình thƣờng, vận tốc góc của các bánh xe giảm
nhanh về giá trị 0 rad/s (bánh xe bị trƣợt lết). Tƣơng ứng với thời điểm đó, độ trƣợt của các bánh xe tăng nhanh đến 100%, gia tốc góc bánh xe tiến về giá trị 0 (rad/s2);
Khi phanh gấp ở hệ thống phanh không có ABS, các bánh xe nhanh chóng bị bó
cứng và trƣợt lết (độ trƣợt bằng 100%);
So với trƣờng hợp phanh trên đƣờng khô, trƣờng hợp phanh trên đƣờng có hệ số
bám thấp hơn (đƣờng ƣớt), gia tốc góc của bánh xe biến đổi nhanh hơn nên số chu
- 68 -
kỳ điều khiển lớn hơn. Tần số điều khiển của hệ thống vào khoảng 4 Hz trên đƣờng
khô, khoảng gần 5 Hz trên đƣờng trơn ƣớt.
Mô phỏng quá trình phanh trên đƣờng khô với vận tốc ban đầu 40 km/h, quãng
đƣờng phanh của ô tô trong trƣờng hợp phanh có ABS là khoảng 13,9 m, quãng
đƣờng phanh của ô tô trong trƣờng hợp phanh không có ABS là khoảng 14,8 m.
Hiệu quả phanh của ô tô tăng 6,5 % khi có ABS. Mô phỏng quá trình phanh trên
đƣờng ƣớt với vận tốc ban đầu 40 km/h, quãng đƣờng phanh của ô tô trong trƣờng
hợp có ABS là 15,4 m, quãng đƣờng phanh của ô tô trƣờng hợp không có ABS là
16,6 m. Hiệu quả phanh đƣợc cải thiện 7,8% khi có ABS.
3.7. Kết luận chƣơng 3
Khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh khí nén có ABS trên xe
nghiên cứu chỉ đạt đến 4 Hz, do đó khi thiết kế bộ điều khiển cần tính toán các thông số:
thời gian lấy mấu tín hiệu vận tốc góc, thời gian điều khiển van chấp hành ABS, phƣơng
pháp điều khiển … phù hợp để hệ thống làm việc tốt.
Trên cơ sở đặc tính và thông số của cảm biến đo vận tốc góc bánh xe và vành răng
do đề tài KC.03.05/11-15 thiết kế, chế tạo, luận án đã nghiên cứu và xác định gia tốc góc
bánh xe theo phƣơng pháp đạo hàm số vận tốc góc bánh xe. Gia tốc góc bánh xe đƣợc sử
dụng làm thông số điều khiển cho hệ thống ABS.
Luận án đã xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống ABS (van chấp hành ABS, cảm
biến và bộ điều khiển) và kết hợp với mô hình mô phỏng hệ thống phanh và mô hình mô
phỏng chuyển động của xe để có mô hình mô phỏng quá trình phanh của xe sử dụng hệ
thống phanh khí nén có ABS.
Mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén có ABS do luận án xây dựng cho kết
quả mô phỏng phù hợp với hoạt động của hệ thống trong thực tế. Do đó có thể sử dụng mô
hình mô phỏng này cho các nghiên cứu, phát triển tiếp theo về hệ thống phanh khí nén có
ABS trên xe ô tô.
Điều khiển ABS khí nén theo gia tốc góc bánh xe là phƣơng pháp khả thi và có
hiệu quả. Tuy nhiên, quá trình xác định các giá trị ngƣỡng gia tốc góc điều khiển phức tạp.
Kết quả có đƣợc từ giai đoạn mô phỏng trên máy tính là giá trị sơ bộ cho các nghiên cứu,
mô phỏng thực nghiệm tiếp theo.
Equation Chapter (Next) Section 1
- 69 -
CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
4.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm
Bằng phƣơng pháp thực nghiệm đã trình bày ở nội dung 2.3 và nghiên cứu, phân
tích kết quả thực nghiệm ở nội dung 3.1, và luận án đã xác định đƣợc khả năng đáp ứng tần
số điều khiển của hệ thống phanh khí nén có ABS trên xe nghiên cứu. Trên cơ sở đó luận
án nghiên cứu, đề xuất đƣợc thuật toán điều khiển hệ thống theo gia tốc góc các bánh xe
khi phanh. Luận án đã xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô trong quá trình
phanh, mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén có ABS, trên cơ sở đó nghiên cứu, xác
định đƣợc sơ bộ giá trị ngƣỡng điều khiển hệ thống ABS. Tiếp theo, luận án tiến hành các
nghiên cứu thực nghiệm nhằm mục đích:
Chính xác hóa bộ giá trị ngƣỡng gia tốc góc điều khiển ABS khí nén đã xác định sơ
bộ bằng phƣơng pháp mô phỏng trên máy tính.
Đánh giá hiệu quả hoạt động của toàn bộ hệ thống phanh khí nén có ABS trên xe
nghiên cứu.
4.2. Nghiên cứu chính xác hóa ngƣỡng điều khiển
Mô phỏng thực nghiệm theo chu trình lặp là một kỹ thuật đƣợc ứng dụng để nghiên
cứu, đánh giá và điều chỉnh sản phẩm ở giai đoạn cuối. Quá trình này thực hiện theo quy
trình và sử dụng các thiết bị nhƣ các mục sau để thực hiện.
4.2.1. Quy trình mô phỏng thực nghiệm
Hệ thống ABS và xe thử nghiệm đƣợc kiểm tra hoạt động trong phòng thí nghiệm.
Khi thấy hệ thống phanh ABS đã làm việc ổn định, đảm bảo an toàn, luận án tiến hành thử
nghiệm hệ thống trên đƣờng thử. Việc thử nghiệm trên đƣờng thử đƣợc thực hiện nhiều lần
với nhiều giá trị ngƣỡng điều khiển khác nhau. Các giá trị ngƣỡng điều khiển này đƣợc
tham khảo từ kết quả của bƣớc mô phỏng trên và đƣợc điều chỉnh dần sau mỗi lần mô
phỏng thực nghiệm để phù hợp với điều kiện vận hành thực tế của xe và của nhiều loại
đƣờng (đƣờng khô và ƣớt, đƣờng trải nhựa asphalt, đƣờng bê tông …). Mỗi ngƣỡng giá trị
điều khiển đƣợc thực hiện thí nghiệm nhiều lần trên nhiều loại đƣờng khác nhau, sau đó
thống kê kết quả của hiệu quả phanh và vận tốc góc các bánh xe. Qua đó tìm ra bộ giá trị
ngƣỡng điều khiển hợp lý nhất cho thuật toán điều khiển của bộ điều khiển.
Quy trình mô phỏng thực nghiệm đƣợc thực hiện theo sơ đồ sau:
- 70 -
Hình 4. 1. Sơ đồ quy trình mô phỏng thực nghiệm xác định ngưỡng gia tốc góc điều khiển ABS
4.2.2. Thiết bị thử nghiệm
4.2.2.1. Bộ điều khiển điện tử hệ thống ABS
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu ở chƣơng 3, luận án đã nghiên cứu thiết kế và đề tài
KC.03.05/11-15 đã chế tạo bộ điều khiển điện tử cho hệ thống ABS. Luận án sử dụng bộ
điều khiển này để nghiên cứu thực nghiệm nhằm hiệu chỉnh ngƣỡng điều khiển và thực
nghiệm đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống. Bộ điều khiển điện tử có cấu trúc và các
chức năng nhƣ sau:
Cấu trúc của bộ điều khiển
- 71 -
Hệ thống ABS thiết kế cho xe nghiên cứu thuộc kiểu 4S/4M, sử dụng 4 cảm biến
để đo vận tốc góc của bốn bánh xe, bốn van chấp hành ABS điều khiển độc lập cho từng
bánh xe nhƣ Hình 1. 1. Bộ điều khiển sẽ liên tục theo dõi vận tốc góc của các bánh xe và
đƣa ra tín hiệu điều khiển van chấp hành ABS khi cần thiết. Ngoài ra bộ điều khiển cần có
thêm thông tin về trạng thái đạp phanh của ngƣời lái thông qua công tắc đèn báo phanh.
Để thuận lợi trong việc hiển thị, khảo sát và lƣu trữ số liệu khi thử nghiệm, bộ điều
khiển đƣợc thiết kế thêm chức năng giao tiếp với máy tính và hiển thị trên màn hình LCD.
Hình 4. 2. Cấu trúc bộ điều khiển điện tử của hệ thống phanh ABS
Bộ điều khiển đƣợc thiết kế các khối chức năng nhƣ Hình 4. 2:
Chức năng của bộ điều khiển điện tử
Phần chính của bộ điều khiển là một vi điều khiển họ AVR của hãng Atmel, có
nhiệm vụ xử lý các tín hiệu từ cảm biến và đƣa ra tín hiệu điều khiển các van chấp hành
ABS theo chƣơng trình đã đƣợc nạp sẵn.
Các thông số kỹ thuật và chức năng của bộ điều khiển nhƣ sau:
Tốc độ hoạt động: 8 MHz;
Tƣơng thích với hệ thống ABS kiểu 4S/4M;
Dải điện áp hoạt động: 7 – 40 V DC;
Công suất tiêu thụ của bộ điều khiển: nhỏ hơn 5 W;
Có khả năng nạp nhiều chƣơng trình điều khiển ABS cùng lúc;
Có khả năng kết nối và truyền số liệu lên máy tình qua chuẩn truyền thông
RS232;
Có khả năng hiển thị số liệu lên màn hình LCD.
- 72 -
Hình 4. 3. Bộ điều khiển điện tử hệ thống ABS
Bộ điều khiển đƣợc chế tạo hoàn thiện nhƣ Hình 4. 3.
4.2.2.2. Thiết bị đo vận tốc góc bánh xe
Vận tốc góc của các bánh xe là thông số quan trọng, cho thấy tác động của bộ điều
khiển tới vận tốc góc của các bánh xe khi phanh. Để theo dõi và ghi lại vận tốc góc của các
bánh xe, luận án sử dụng thiết bị đo ghi vận tốc góc bánh xe. Thiết bị này sử dụng cảm
biến đo vận tốc góc bánh xe có sẵn trên hệ thống phanh ABS.
Thiết bị đo ghi vận tốc góc bánh xe sử dụng vi điều khiển 16 bit mã số
DSPIC30F4011 của Microchip. Đây là một loại vi điều khiển với nhiều tính năng mạnh,
đặc biệt có hỗ trợ các module chuyên xử lý tín hiệu dạng xung số, rất phù hợp với ứng
dụng đo vận tốc quay.
Thiết bị đo ghi vận tốc góc bánh xe đƣợc kiểm tra độ chính xác tại Trung tâm kỹ
thuật tiêu chuẩn đo lƣờng chất lƣợng 1 (Quatest 1), kết quả kiểm tra cho thấy sai số của
thiết bị đo đều nhỏ hơn 1%.
Phần mềm hiển thị và ghi dữ liệu vận tốc góc bánh xe
Phần mềm hiển thị và ghi dữ liệu đƣợc thiết kế bằng ngôn ngữ lập trình C#, đƣợc
đóng gói dƣới dạng file cài đặt (setup.exe), tƣơng thích với các hệ điều hành Microsoft XP,
- 73 -
Microsoft 7. Tốc độ truyền thông dữ liệu có thể chọn ở các mức: 9.600, 19.200, …187.500
kbps.
Phần mềm có khả năng nhận dữ liệu từ thiết bị đo vận tốc góc bánh xe (của 4 bánh
xe độc lập), hiển thị dƣới dạng đồ thị theo thời gian thực và lƣu dạng file database trong
Microsoft Access. Phần mềm có khả năng vẽ lại đồ thị từ số liệu thí nghiệm đã đƣợc lƣu
Hình 4. 4. Phần mềm hiển thị và ghi dữ liệu vận tốc góc bánh xe
trữ. Giao diện phần mềm nhƣ trên Hình 4. 4:
4.2.2.3. Thiết bị đánh dấu quãng đường phanh
Hiệu quả phanh là thông số rất quan trọng khi nghiên cứu hệ thống phanh. Trong
quá trình nghiên cứu, xác định bộ giá trị ngƣỡng điều khiển, luận án theo dõi thông số
quãng đƣờng phanh để đánh giá hiệu quả phanh trên đƣờng thẳng. Quãng đƣờng phanh có
thể đƣợc xác định bằng nhiều loại thiết bị khác nhau. Tuy nhiên, trong giai đoạn đầu của
quá trình thử nghiệm này chủ yếu phân tích, đánh giá vận tốc góc của bánh xe trong quá
trình phanh (sử dụng thiết bị đo vận tốc góc bánh xe). Do đó thử nghiệm ban đầu không
yêu cầu thiết bị đo quãng đƣờng phanh có độ chính xác quá cao. Hơn nữa, quá trình nghiên
cứu thực nghiệm nhằm chính xác hóa bộ giá trị ngƣỡng điều khiển trải qua thời gian dài
- 74 -
với nhiều lần thử nghiệm khác nhau. Nhằm tiết kiệm thời gian (thời gian lắp đặt, thiết đặt
thiết bị đo, xử lý kết quả đo ...) và chi phí nghiên cứu, luận án đã nghiên cứu thiết kế, đề tài
KC.03.05/11-15 đã chế tạo thiết bị đánh dấu quãng đƣờng phanh để chủ động trong việc
đo quãng đƣờng phanh trong quá trình thực hiện thử nghiệm.
Thiết bị đánh dấu quãng đƣờng phanh hoạt động trên nguyên tắc: khi ngƣời lái tác
động lên bàn đạp phanh, thiết bị điều khiển phun liên tục chất lỏng đánh dấu xuống mặt
đƣờng. Khi kết thúc quá trình phanh, ngƣời lái thôi tác động lên bàn đạp phanh, vòi phun
ngừng phun. Vết chất lỏng đánh dấu trên mặt đƣờng thể hiện quãng đƣờng chuyển động
Hình 4. 5. Thiết bị đánh dấu quãng đường phanh trên xe thử nghiệm
của xe trong quá trình phanh.
4.2.2.4. Thiết bị đo ghi đa kênh (DEWE5000)
Quá trình nghiên cứu thực nghiệm nhằm chính xác hóa bộ giá trị ngƣỡng điều
khiển ở giai đoạn cuối cùng yêu cầu xác định các thông số của quá trình phanh (quãng
đƣờng phanh, gia tốc phanh, thời gian phanh …) với độ chính xác cao. Với sự hỗ trợ của
Viện Kỹ thuật Cơ giới Quân Sự, thiết bị đo ghi đa kênh (DEWE5000) kết hợp với cảm biến vận tốc S400 của hãng CORREVIT® (dải đo từ 0,5 km/h đến 400 km/h) và cảm biến
đo lực bàn đạp phanh (dải đo từ 0 đến 1.500 N) đƣợc sử dụng để xác định các thông số của
quá trình phanh.
Phần mềm Dewesoft đi kèm thiết bị sử dụng tín hiệu từ cảm biến lực bàn đạp
phanh để xác định thời điểm phanh, thông qua tín hiệu từ cảm biến vận tốc S400 để xác
định các thông số của quá trình phanh.
- 75 -
Hình 4. 6. Thiết bị đo ghi đa kênh DEWE5000 và các cảm biến
4.2.3. Ngƣỡng điều khiển và hoạt động của hệ thống phanh khí nén có ABS
Trong thực tế, hệ thống ABS sử dụng vành răng có số răng hữu hạn (trƣờng hợp
luận án nghiên cứu là 120 răng – mục 3.3), với phƣơng pháp đo vận tốc nhƣ đã trình bày ở
mục 3.3.3, số xung mà hệ thống đếm đƣợc (nx) trong khoảng thời gian lấy mẫu (tm) là số
nguyên. Do đó giá trị gia tốc góc mà hệ thống xác định đƣợc không biến thiên liên tục, nó
chỉ có thể có các giá trị cách nhau những bƣớc nhất định. Bộ giá trị ngƣỡng điều khiển gần
nhất với bộ giá trị ngƣỡng điều khiển xác định đƣợc bằng mô phỏng lý thuyết (Bảng 3. 2)
Bảng 4. 1. Các giá trị ngưỡng gia tốc góc điều khiển ABS phù hợp với giá trị đo được trong thực
tế của hệ thống ABS luận án nghiên cứu
phù hợp với giá trị có thể đo đƣợc trong thực tế nhƣ trong Bảng 4. 1.
Ngƣỡng gia tốc góc (ε) điều Ngƣỡng gia tốc góc (ε) điều Chuyển pha khiển bánh xe cầu trƣớc khiển bánh xe cầu sau
= −62,8 (rad/s2) = −58,1 (rad/s2) Tăng áp → Giữ áp
= −83,7 (rad/s2) =−76,7 (rad/s2) Giữ áp → Giảm áp
= +46,5 (rad/s2) = +51,2 (rad/s2) Giảm áp → Giữ áp
= +67,4 (rad/s2) = +69,7 (rad/s2) Giữ áp → Tăng áp
Lập chƣơng trình điều khiển cho bộ điều khiển điện tử theo lƣu đồ thuật toán điều
khiển đã trình bày ở mục 3.2 với các giá trị ngƣỡng điều khiển xác định đƣợc nhƣ trong
Bảng 4. 1 và thực hiện thử nghiệm trên đƣờng thử để đánh giá hoạt động của hệ thống
ABS.
- 76 -
Để đảm bảo an toàn trong quá trình thử nghiệm, luận án thử nghiệm các trƣờng hợp
phanh với vận tốc ban đầu khoảng 30 km/h, sau đó thực hiện thử nghiệm phanh với vận tốc
ban đầu 40 km/h để có nhiều thời gian theo dõi, đánh giá hoạt động của hệ thống ABS.
Theo dõi, phân tích vận tốc góc của từng bánh xe trong quá trình phanh có điều khiển của
ABS để điều chỉnh bộ giá trị ngƣỡng gia tốc điều khiển. Sau đây là một số kết quả mô
phỏng thực nghiệm:
Phanh với vận tốc 40 km/h, không có ABS
Trƣờng hợp mô phỏng thực nghiệm này không sử dụng bộ điều khiển ABS. Hệ
thống phanh làm việc nhƣ hệ thống không có ABS.
Việc theo dõi vận tốc góc bánh xe trong trƣờng hợp này nhằm kiểm tra hoạt động
của hệ thống phanh trƣớc khi thử nghiệm với ABS. Hệ thống phanh phải đảm bảo hiệu quả
phanh giữa các bánh xe trên cùng một cầu tƣơng đồng nhau, cơ cấu phành phải sinh ra đủ
mô men phanh để các bánh xe đều bị trƣợt lết khi không có ABS.
Sau khi tiến hành bảo dƣỡng, hệ thống phanh đã đảm bảo các yêu cầu trên. Đồ thị
vận tốc góc các bánh xe nhƣ Hình 4. 7 thể hiện quá trình phanh khi không có ABS từ vận
Hình 4. 7. Vận tốc góc bốn bánh xe khi phanh với vận tốc ban đầu 40 km/h không dùng ABS
tốc ban đầu 40 km/h.
- 77 -
Các đồ thị vận tốc góc bánh xe này cho thấy: sự thay đổi vận tốc góc bánh xe trên
cùng một cầu xe tƣơng tự nhau, nhƣng có sự khác nhau giữa các bánh xe trên hai cầu
(trƣớc và sau). Các bánh xe ở cầu trƣớc bị bó cứng hoàn toàn muộn hơn các bánh xe ở cầu
sau. Trong trƣờng hợp này, quãng đƣờng phanh đo đƣợc bằng thiết bị đo quãng đƣờng
phanh là 13,8 m.
Trong quá trình phanh không có ABS, các bánh xe nhanh chóng bị bó cứng và các
bánh xe ở cầu sau bị bó cứng nhanh hơn các bánh xe ở cầu trƣớc. Đây là thông tin cần
đƣợc lƣu ý cho việc chọn giá trị ngƣỡng gia tốc góc điều khiển cho các bánh xe.
Phanh với vận tốc 40 km/h, có sử dụng ABS (giai đoạn 1)
Thử nghiệm đƣợc thực hiện trên đƣờng tốt, với vận tốc ban đầu 40 km/h, có ABS
với bộ điều khiển hoạt động theo các giá trị ngƣỡng điều khiển đã đƣợc hiệu chỉnh nhƣ ở
Hình 4. 8. Đồ thị vận tốc góc bánh xe khi phanh tại vận tốc 40km/h có ABS
Bảng 4. 1. Đồ thị vận tốc góc các bánh xe đƣợc ghi lại nhƣ trên Hình 4. 8.
Từ đồ thị vận tốc góc các bánh xe có thể nhận thấy: với bộ ngƣỡng gia tốc góc điều
khiển nhƣ Bảng 4. 1, vận tốc góc của các bánh xe có giảm, tăng trong quá trình phanh.
Điều đó cho thấy hệ thống phanh ABS có thực hiện điều khiển thay đổi áp suất trong bầu
phanh và bánh xe không bị trƣợt lết hoàn toàn trong quá trình phanh. Tuy nhiên, các bánh
xe có xuất hiện hiện tƣợng trƣợt lết trong một số khoảng thời gian ngắn (khoảng từ 0,2 s
đến 0,4 s). Có sự sai khác giữa quy luật biến thiên vận tốc góc khi mô phỏng thực nghiệm
- 78 -
và quy luật có khi mô phỏng lý thuyết trên máy tính (đƣợc trình bày tại mục 3.6.3 và phụ
lục 3) do mô hình mô phỏng trên máy tính sử dụng một số giả thiết đơn giản hóa và do sự
sai khác giữa giá trị ngƣỡng điều khiển trong Bảng 3. 2 (dùng cho mô phỏng lý thuyết) và
Bảng 4. 1 (đã quy về giá trị thực có thể xác định đƣợc).
Quãng đƣờng phanh đo đƣợc trong trƣờng hợp này là 13,7 m. So với trƣờng hợp
thử nghiệm không có ABS, quãng đƣờng phanh trong trƣờng hợp này có ngắn hơn nhƣng
không đáng kể (13,7 m so với 13,8 m).
Sự xuất hiện hiện tƣợng trƣợt lết của các bánh xe trong thời gian ngắn khi mô
phỏng thực nghiệm có thể suy luận là do giá trị ngƣỡng gia tốc góc để chuyển từ pha
tăng áp sang pha giữ áp và giá trị ngƣỡng để chuyển từ pha giữ áp sang pha giảm áp
còn thấp. Vì vậy khi ECU điều khiển chuyển sang pha giữ áp (tại điểm 2 trên Hình 4. 9) và
sau đó sang pha giảm áp (tại điểm 4) nhƣng theo quán tính các bánh xe tiếp tục giảm vận
tốc góc khiến các bánh xe bị trƣợt lết. Từ suy luận đó, có thể nhận định khi điều chỉnh tăng
giá trị ngƣỡng gia tốc lên thành các giá trị , lúc này ECU điều khiển chuyển
sang pha giữ áp (điểm 1 trên Hình 4. 9) và sau đó sang pha giảm áp (tại điểm 3) sớm hơn.
Hình 4. 9. Ảnh hưởng của giá trị ngưỡng gia tốc đến vận tốc góc bánh xe
Bánh xe tiếp tục giảm vận tốc góc theo quán tính, nhƣng không giảm đến mức bị lƣợt lết.
- 79 -
Từ phân tích trên đây, luận án đã hiệu chỉnh ngƣỡng gia tốc góc điều khiển
(ngƣỡng chuyển từ pha tăng áp sang pha giữ áp và ngƣỡng chuyển từ pha giữ áp sang pha
giảm áp) tăng dần lên và thực nghiệm lại sau mỗi lần hiệu chỉnh để phân tích hoạt động
của hệ thống. Sau nhiều lần hiệu chỉnh và thử nghiệm, luận án đƣa ra đƣợc bộ giá trị
Bảng 4. 2. Ngưỡng gia tốc góc điều khiển ABS đã được hiệu chỉnh qua mô phỏng thực nghiệm
ngƣỡng gia tốc góc điều khiển ABS nhƣ Bảng 4. 2.
Ngƣỡng gia tốc góc (ε) điều Ngƣỡng gia tốc góc (ε) điều Chuyển pha khiển bánh xe cầu trƣớc khiển bánh xe cầu sau
= −60,5 (rad/s2) = −55,8 (rad/s2) Tăng áp → Giữ áp
= −81,4 (rad/s2) = −74,4 (rad/s2) Giữ áp → Giảm áp
= +46,5 (rad/s2) = +51,2 (rad/s2) Giảm áp → Giữ áp
= +67,4 (rad/s2) = +69,7 (rad/s2) Giữ áp → Tăng áp
Phanh với vận tốc 40km/h, có sử dụng ABS (giai đoạn 2)
Thử nghiệm vẫn đƣợc thực hiện trên đƣờng tốt, với vận tốc ban đầu 40 km/h, có
ABS với bộ điều khiển hoạt động theo các giá trị ngƣỡng điều khiển đã đƣợc hiệu chỉnh
nhƣ trong Bảng 4. 2. Với nhiều lần thử nghiệm, biến thiên vận tốc góc các bánh xe khi
phanh đều tƣơng tự nhau, có dạng nhƣ trên đồ thị Hình 4. 10.
Từ các đồ thị thực nghiệm này có thể nhận định: sau khi điều chỉnh ngƣỡng gia tốc
góc điều khiển, các bánh xe không còn hiện tƣợng trƣợt lết. Vận tốc góc các bánh xe giảm,
tăng theo chu kỳ và giảm dần về ―0‖. Tuy nhiên, tần số hoạt động của hệ thống không cao
(thấp hơn kết quả mô phỏng lý thuyết), ở cầu trƣớc chỉ vào khoảng 1,5 Hz, ở cầu sau vào
khoảng 2 Hz. Hệ thống hoạt động với tần số thấp nên không phát huy đƣợc hiệu quả nhƣ
mong muốn và hiệu quả phanh không cao. Cụ thể, quãng đƣờng phanh đo đƣợc trong
trƣờng hợp này là khoảng 13,3 m.
- 80 -
Hình 4. 10. Quy luật biến thiên vận tốc góc các bánh xe khi thực nghiệm phanh trên đường tốt với
vận tốc ban đầu 40km/h có ABS (sử dụng bộ giá trị ngưỡng trong bảng Bảng 4. 2)
Có thể nhận định nguyên nhân khiến tần số hoạt động của hệ thống thấp có thể do
chênh lệch giữa các giá trị ngƣỡng và cũng nhƣ và lớn. Do đó luận án đã tiến
hành hiệu chỉnh các giá trị ngƣỡng gia tốc góc theo hƣớng thu hẹp chênh lệch giá trị giữa
các giá trị ngƣỡng và cũng nhƣ và để đạt đƣợc hiệu quả cao hơn.
Sau nhiều lần hiệu chỉnh và thực nghiệm, luận án xác định đƣợc bộ giá trị ngƣỡng
gia tốc góc điều khiển hệ thống phanh ABS khí nén lắp đặt trên xe nghiên cứu nhƣ trong
Bảng 4. 3. Với bộ giá trị ngƣỡng điều khiển này, hiệu quả phanh của ô tô là tốt nhất. Cụ
thể, khi thử nghiệm phanh có ABS với vận tốc ban đầu 40 km/h trên mặt đƣờng phủ nhựa
asphalt khô, quãng đƣờng phanh của ô tô đạt mức 13,1 m và giữ nguyên đƣợc quỹ đạo
Bảng 4. 3. Ngưỡng gia tốc góc điều khiển ABS
chuyển động thẳng của ô tô.
Ngƣỡng gia tốc góc (ε) điều Ngƣỡng gia tốc góc (ε) điều Chuyển pha khiển bánh xe cầu trƣớc khiển bánh xe cầu sau
= −58,1 (rad/s2) = −53,5 (rad/s2) Tăng áp → Giữ áp
= −79,1 (rad/s2) = −72,1 (rad/s2) Giữ áp → Giảm áp
- 81 -
Ngƣỡng gia tốc góc (ε) điều Ngƣỡng gia tốc góc (ε) điều Chuyển pha khiển bánh xe cầu trƣớc khiển bánh xe cầu sau
= +44,2 (rad/s2) = +48,8 (rad/s2) Giảm áp → Giữ áp
= +65,1 (rad/s2) = +67,4 (rad/s2) Giữ áp → Tăng áp
Kết quả thực nghiệm hoạt động của hệ thống phanh khí nén có ABS
Luận án đã xác định đƣợc bộ giá trị ngƣỡng gia tốc góc cuối cùng cho chƣơng trình
điều khiển ABS trong hệ thống phanh khí nén trên xe nghiên cứu nhƣ Bảng 4. 3 cho hiệu
quả điều khiển tốt nhất.
Với chƣơng trình điều khiển và các giá trị ngƣỡng điều khiển đó, luận án đã tiến
hành thử nghiệm nhiều lần ở một số chế độ thử nghiệm khác nhau (vận tốc ban đầu trƣớc
khi phanh v = 30 km/h, 40 km/h, trên đƣờng phủ nhựa asphalt khô, đƣờng phủ nhựa
asphalt ƣớt) tại Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội. Các kết quả của nhiều lần mô phỏng
thực nghiệm ở cùng một chế độ đều tƣơng tự nhau nên có thể nhận định rằng hệ thống
ABS hoạt động ổn định. Các Hình 4. 11 và Hình 4. 12 dƣới đây lần lƣợt trình bày đồ thị
biến thiên vận tốc góc của các bánh xe khi phanh gấp với vận tốc trƣớc khi phanh 40 km/h
Hình 4. 11. Biến thiên vận tốc góc các bánh xe khi phanh có ABS trên đường phủ nhựa asphalt
khô, v0 = 40 km/h
trên đƣờng phủ nhựa asphalt khô và đƣờng phủ nhựa asphalt ƣớt.
- 82 -
Hình 4. 12. Biến thiên vận tốc góc các bánh xe khi phanh có ABS trên đường phủ nhựa asphalt ướt,
v0 = 40 km/h
Qua các kết quả thu đƣợc từ thực nghiệm cho thấy:
Khi hệ thống phanh có ABS, vận tốc góc các bánh xe giảm – tăng theo chu kỳ và
giảm dần về ―0‖, không có bánh xe nào bị trƣợt lết trong quá trình phanh.
Tần số biến thiên vận tốc góc của các bánh xe xấp xỉ 3 Hz, giá trị này phù hợp với
kết quả nghiên cứu khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống ở mục 3.1.
Trong đa số trƣờng hợp thử nghiệm, quãng đƣờng phanh trong trƣờng hợp hệ
thống phanh có ABS ngắn hơn trƣờng hợp hệ thống không có ABS. Một số trƣờng
hợp thử nghiệm phanh với vận tốc ban đầu khoảng 30 km/h và các trƣờng hợp
phanh trên đƣờng trơn ƣớt có quãng đƣờng phanh có ABS dài hơn trƣờng hợp
không có ABS.
Sự biến thiên vận tốc góc của các bánh xe trong quá trình phanh có điều khiển của
ABS (trong thực tế) tƣơng tự với sự biến thiên vận tốc góc của các bánh xe trong
kết quả mô phỏng ở mục 3.6.3. Cụ thể, quy luật biến thiên vận tốc góc các bánh xe
trong quá trình phanh trên đƣờng khô ở vận tốc ban đầu 40 km/h thu đƣợc từ kết
quả mô phỏng (Hình 3. 15) và từ kết quả thực nghiệm (Hình 4. 11) có sự tƣơng
đồng; quy luật biến thiên vận tốc góc các bánh xe trong quá trình phanh trên đƣờng
ƣớt ở vận tốc ban đầu 40 km/h thu đƣợc từ kết quả mô phỏng (Hình 3. 19) và từ kết
- 83 -
quả thực nghiệm (Hình 4. 12) có sự tƣơng đồng. Điều đó cho thấy mô hình mô
phỏng chuyển động của ô tô và mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén có ABS
phù hợp với hoạt động thực tế của xe nghiên cứu trong quá trình phanh.
4.3. Thử nghiệm đánh giá hiệu quả hệ thống
Luận án đã tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm và xác định đƣợc giá trị ngƣỡng
điều khiển hệ thống ABS theo gia tốc góc bánh xe cho loại xe nghiên cứu. Các giá trị này
đƣợc sử dụng trong bộ điều khiển ABS do đề tài KC.03.05/11-15 chế tạo. Nhằm đánh giá
hoạt động của bộ điều khiển và của toàn bộ hệ thống ABS khí nén trên xe nghiên cứu, đề
tài KC.03.05/11-15 đã thực hiện các thử nghiệm đánh giá hiệu quả phanh trong các trƣờng
hợp xe nghiên cứu đƣợc lắp ABS và không đƣợc lắp ABS. Các trƣờng hợp thử nghiệm này
đƣợc thực hiện ở các trạng thái xe đầy tải (2,98 tấn) và xe không tải, ở các dải vận tốc
trƣớc khi phanh khác nhau.
Thử nghiệm hiệu quả phanh trên đƣờng thử đƣợc Trung tâm thử nghiệm xe cơ giới
– Cục Đăng kiểm Việt Nam thực hiện. Kết quả thử nghiệm đƣợc trích nhƣ các Bảng 4. 4
và Bảng 4. 5, các kết quả thử nghiệm khác nhƣ trong báo cáo thử nghiệm tại Phụ lục 5.
Kết quả theo quy chuẩn Việt Nam (thử ở vận tốc 30 km/h)
Hiệu quả phanh đƣợc đánh giá theo Quy chuẩn số QCVN 09: 2011 / BGTVT về
―Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về chất lƣợng an toàn kỹ thuật và bảo vệ môi trƣờng đối với
ô tô‖, đƣợc Bộ Giao thông vận tải ban hành theo thông tƣ số 56/2011/TT-BGTVT ngày 17
Bảng 4. 4. Quy chuẩn Việt Nam về hiệu quả phanh và kết quả thử nghiệm
tháng 11 năm 2011, kết quả thử nghiệm nhƣ trong Bảng 4. 4.
Kết quả thử nghiệm
Vận tốc ban đầu trước khi phanh: 30 km/h
Yêu cầu
Kết luận
Thông số kiểm tra
Không tải Đầy tải Không tải Đầy tải
TT
1.1
Gia tốc phanh lớn nhất (m/s2)
≥ 5,4
≥ 5,0
6,05
5,94
Đạt
1.2
Quãng đƣờng phanh (m)
≤ 9
≤ 10
8,15
8,52
Đạt
1.3
Hành lang phanh (m)
3
3
Đúng
Đúng
Đạt
1 Xe được lắp ABS
2 Xe không được lắp ABS
- 84 -
Kết quả thử nghiệm
Yêu cầu
Kết luận
Thông số kiểm tra
Không tải Đầy tải Không tải Đầy tải
2.1
Gia tốc phanh lớn nhất (m/s2)
≥ 5,4
≥ 5,0
6,07
5,92
Đạt
2.2
Quãng đƣờng phanh (m)
≤ 9
≤ 10
8,43
8,79
Đạt
2.3
Hành lang phanh (m)
3
3
Đúng
Đúng
Đạt
TT
Kết quả theo tiêu chuẩn Châu Âu ECE R13 (Thử kiểu 0)
Bảng 4. 5. Tiêu chuẩn Châu Âu ECE R13 về hiệu quả phanh và kết quả thử nghiệm
Hiệu quả phanh đƣợc đánh giá theo tiêu chuẩn Châu Âu ECE R13 nhƣ Bảng 4. 5.
= 60 km/h)
Thử kiểu 0 (Động cơ ngắt khỏi hệ thống truyền lực, TT
Thông số kiểm tra Yêu cầu Kết quả thử nghiệm
1 Xe được lắp ABS
1.1 Quãng đƣờng phanh (m) 36,7 31,56
1.2 Hành lang phanh (m) 3,5 Đạt
2 Xe không được lắp ABS
2.1 Quãng đƣờng phanh (m) 36,7 34,14
2.2 Hành lang phanh (m) 3,5 Đạt
Các kết thử nghiệm cho thấy hiệu quả của hệ thống phanh chính trên xe thử nghiệm
đáp ứng đƣợc các yêu cầu kỹ thuật theo Quy chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn Châu Âu (ECE
R13) về hệ thống phanh. Hiệu quả phanh đƣợc cải thiện rõ rệt khi phanh từ vận tốc cao (từ
50 km/h trở lên). Ở các dải vận tốc thấp (từ 40 km/h trở xuống), hiệu quả phanh không
đƣợc cải thiện đáng kể nhƣng vẫn đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của Quy chuẩn Việt Nam
và tiêu chuẩn Châu Âu.
Về mức độ ổn định của xe trong quá trình phanh, khi phanh có ABS ở tất cả các dải
vận tốc, xe đều chuyển động ổn định hơn trƣờng hợp phanh không có ABS (mặc dù cả hai
trƣờng hợp phanh xe đều không ra khỏi hành lang cho phép). Nhận xét này đƣợc rút ra từ
quan sát thực tế trong quá trình thử nghiệm, thiết bị thử nghiệm không đủ để đƣa ra các giá
trị định lƣợng cụ thể.
- 85 -
4.4. Kết luận chƣơng 4
Bằng nghiên cứu thực nghiệm, luận án đã hiệu chỉnh đƣợc bộ giá trị ngƣỡng gia tốc
góc đƣợc xác định từ mô phỏng lý thuyết trên máy tính.
Bộ giá trị ngƣỡng điều khiển đƣợc đề tài KC.03.05/11-15 ứng dụng để thiết kế, chế
tạo bộ điều khiển ABS. Các kết thử nghiệm cho thấy hiệu quả của hệ thống phanh chính
trên xe thử nghiệm đáp ứng đƣợc các yêu cầu kỹ thuật theo Quy chuẩn Việt Nam và tiêu
chuẩn Châu Âu (ECE R13) về hệ thống phanh. Hiệu quả phanh đƣợc cải thiện rõ rệt khi
phanh từ vận tốc cao (từ 50 km/h trở lên). Ở các dải vận tốc thấp (từ 40 km/h trở xuống),
hiệu quả phanh không đƣợc cải thiện đáng kể nhƣng vẫn đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của
Quy chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn Châu Âu.
- 86 -
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN VÀ KIẾN NGHỊ
Hệ thống ABS là một trong những hệ thống giúp tăng tính an toàn chủ động của ô
tô và đã đƣợc các nƣớc phát triển quy định là hệ thống bắt buộc phải có trên xe ô tô. Việc
nghiên cứu hệ thống ABS dành cho hệ thống phanh khí nén nhằm từng bƣớc làm chủ kỹ
thuật, công nghệ hiện đại trên các xe ô tô có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, và là cần thiết
đối với ngành công nghiệp sản xuất, lắp ráp ô tô trong nƣớc.
Luận án đã tiến hành các nội dung: Nghiên cứu về khả năng đáp ứng tần số điều
khiển của hệ thống, nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển và thuật toán điều khiển hệ thống
theo gia tốc góc bánh xe, thiết kế vành răng kết hợp với cảm biến cảm ứng từ để đo vận tốc
góc bánh xe, xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô trong quá trình phanh và
mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén có ABS, xác định các giá trị ngƣỡng điều khiển
và thiết kế chế tạo bộ điều khiển điện tử.
Từ các kết quả nghiên cứu của luận án rút ra một số kết luận sau:
1. Khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh khí nén có lắp ABS trên xe
nghiên cứu đạt khoảng 4 Hz.
2. Có thể áp dụng phƣơng pháp điều khiển logic theo giá trị gia tốc góc bánh xe cho
ABS trong hệ thống phanh. Thuật toán điều khiển ABS khí nén theo gia tốc góc do
luận án đề xuất kết hợp với các giá trị ngƣỡng gia tốc góc điều khiển hợp lý, có thể
điều khiển hệ thống làm việc hiệu quả, đáp ứng các tiêu chuẩn hiện hành của Việt
Nam và ECE về hệ thống phanh.
3. Giá trị ngƣỡng gia tốc góc điều khiển ABS có ý nghĩa quyết định đến hiệu quả điều
khiển của hệ thống phanh ABS. Các giá trị này cần đƣợc xác định phù hợp với
thuật toán điều khiển và đặc tính của xe sẽ ứng dụng nó. Đối với xe đã sử dụng để
thực nghiệm trong luận án, các giá trị ngƣỡng hợp lý để điều khiển ABS theo thuật
toán đã chọn nhƣ sau: Với các bánh xe cầu trƣớc: Ngƣỡng chuyển từ pha tăng áp sang pha giữ áp: khi gia tốc góc bánh xe ε giảm qua giá trị −58,1 (rad/s2); Ngƣỡng
chuyển từ pha giữ áp sang pha giảm áp: khi gia tốc góc ε giảm qua giá trị −79,1 (rad/s2); Ngƣỡng chuyển từ pha giảm áp sang pha giữ áp: khi gia tốc góc ε tăng quá giá trị +44,2 (rad/s2); Ngƣỡng chuyển từ pha giữ áp sang pha tăng áp: khi gia tốc góc ε tăng quá giá trị +65,1 (rad/s2). Với các bánh xe cầu sau: Ngƣỡng chuyển từ pha tăng áp sang pha giữ áp: khi gia tốc góc ε giảm qua giá trị −53,5 (rad/s2);
- 87 -
Ngƣỡng chuyển từ pha giữ áp sang pha giảm áp: khi gia tốc góc ε giảm qua giá trị −72,1 (rad/s2); Ngƣỡng chuyển từ pha giảm áp sang pha giữ áp: khi gia tốc góc ε tăng quá giá trị +48,8 (rad/s2); Ngƣỡng chuyển từ pha giữ áp sang pha tăng áp: khi gia tốc góc ε tăng quá giá trị +67,4 (rad/s2).
4. Mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô trên đƣờng bằng phẳng và mô hình
mô phỏng hệ thống phanh khí nén có ABS do luận án xây dựng bằng Matlab –
Simulink có thể tham khảo và sử dụng đƣợc cho các nghiên cứu, phát triển tiếp
theo về hệ thống phanh khí nén có ABS trên xe ô tô.
Kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo
1. Tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện thuật toán điều khiển khi có thêm các tín hiệu đầu
vào khác nhƣ: gia tốc dọc của xe, gia tốc góc quay thân xe để nâng cao chất lƣợng
điều khiển quá trình phanh.
2. Nghiên cứu thực nghiệm với nhiều mẫu xe ô tô tải tầm trung và ô tô buýt khác để
xác định ngƣỡng gia tốc góc điều khiển cho dòng xe tải trọng tƣơng đƣơng.
3. Nghiên cứu các hệ thống điều khiển tích hợp với ABS nhƣ ASR, ATC, ESC...
- 88 -
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Lại Năng Vũ (2009) Tổng hợp bộ điều khiển điện tử và mô phỏng hệ thống phanh có
ABS trên xe du lịch. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội.
[2] Lại Năng Vũ (2012) Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô. Luận án
tiến sỹ kỹ thuật, Hà Nội.
[3] Nguyễn Doãn Phƣớc (2007) Lý thuyết điều khiển nâng cao. NXB Khoa học và Kỹ
thuật, Hà Nội.
[4] Nguyễn Hữu Cẩn, Dƣ Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng
(1996) Lý thuyết ô tô máy kéo. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[5] Nguyễn Khắc Trai, Nguyễn Trọng Hoan, Hồ Hữu Hải, Phạm Huy Hƣờng, Nguyễn
Văn Chƣởng, Trịnh Minh Hoàng (2010) Kết cấu ô tô. NXB Bách Khoa Hà Nội.
[6] Nguyễn Sĩ Đỉnh (2010) Nghiên cứu động lực học dẫn động điều khiển hệ thống
phanh ô tô quân sự. Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Hà Nội.
[7] Nguyễn Trọng Thuần (2000) Điều khiển logic và ứng dụng. NXB Khoa học và Kỹ
thuật.
[8] Nguyễn Trung Kiên (2012) Nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh khí nén có ABS.
Luận văn thạc sỹ, Đại học Bách khoa Hà Nội.
[9] Nguyễn Văn Tiềm (2009) Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển chuyển động thích
nghi trên cơ sở lô gic mờ và mạng nơ ron nhân tạo. Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Hà Nội.
[10] Võ Văn Hƣờng, Nguyễn Tiến Dũng, Dƣơng Ngọc Khánh, Đàm Hoàng Phúc (2014)
Động lực học ô tô. NXB Giáo Dục Việt Nam.
Tiếng Anh
[11] Aldo Sorniotti (2004) Hardware in the Loop for Braking Systems with Anti-lock
Braking System and Electronic Stability Program. SAE Technical Paper Series.
2004-01-2062.
[12] Anshuman Gupta, Badal G. Bisen (2011) A Case Study of Reaction Time Reduction
of Vehicle Brake System. SAE International. doi:10.4271/2011-01-2379
[13] Aref M. A. Soliman, Mina M.S. Kalda (2012) An Investigation of Anti-lock Braking
System for Automobiles. SAE International 16 April 2012. doi:10.4271/2012-01-
0209.
- 89 -
[14] Asbeck (1990) Bipolar Transistors, High-Speed Semiconductor Devices. John Wiley
& Sons.
[15] Ashley L. Dunn, Gary J. Heydinger, Giorgio Rizzoni, Dennis A. Guenther (2003)
New Model for Simulating the Dynamics of Pneumatic Heavy Truck Brakes with
Integrated Anti-Lock Control. SAE Technical Paper Series. 2003-01-1322.
[16] Ayman A. Aly (2013) Hardware-in-the-loop of Simulation for a Hydraulic Antilock
Brake System. I.J. Intelligent Systems and Applications, 2013, 02, pp. 91-95.
[17] Ayman A. Aly, El-Shafei Zeidan, Ahmed Hamed, Farhan Salem (2011) An Antilock-
Braking Systems (ABS) Control: A Technical Review. Intelligent Control and
Automation, 2011, 2, 186-195.
[18] Bendix (2004) Service Data – M-12 /M-12R Antilock Modulator. USA.
[19] Bendix (2004) Service Data – M-30 Antilock Modulator Assembly. USA.
[20] Bendix (2004) The Air Brake Handbook. USA
[21] Bendix (2005) Service Data – ABS/ATC/ESP Controllers (Advanced Models). USA
[22] Bendix (2007) Service Data – ABS/ATC Controllers (Standard & Premium Models).
USA.
[23] Bosch (2002) Electronic Automotive Handbook. 1st Edition.
[24] C.L. Bowlin, S.C. Subramanian, S. Darbha and K.R. Rajagopal (2006) Pressure
control scheme for air brakes in commercial vehicles. IEE Proc. Intell. Transp. Syst.
Vol. 153, No. 1, March 2006, pp. 21-32.
[25] Cem Hatipoglu, Amer Malik (1999) Simulation Based ABS Algorithm Development.
SAE Technical Paper Series. 1999-01-3714
[26] Darshan Modi, Zarana Padia, Kartik Patel (2012) Fuzzy Logic Anti-lock Brake
System. International Journal of Scientific & Engineering Research Volume 3, Issue
7, July-2012, pp. 1-8.
[27] David A. Crolla (2009) Automotive Engineering. Elsevier
[28] Diego Pedroso dos Santos, Eduardo Lobo Lustosa Cabral (2008) A novel method for
controlling an ABS (Anti-lock Braking System) for heavy vehicle. SAE International,
doi: 10.4271/2008-36-0039.
[29] Doh-Young Park, Don-Ha Hwang, Ki-Chang Lee, Jeong-Woo Jeon, Yong-Joo Kim,
eong-Mok Cho, Joong-Seon Joh (2001) Development of HILS System for ABS ECU
of Commercial Vehicles. SAE Technical Paper Series. 2001-01-3186
- 90 -
[30] F. Yu, J.-Z. Feng, J. Li (2002) A fuzzy logic controller design for vehicle abs with a
on-line optimized target wheel slip ratio. International Journal of Automotive
Technology, Vol. 3, No. 4, 2002, pp. 165−170.
[31] Geoffrey Marczyk, David DeMatteo, David Festinger (2005) Essentials of Research
Design and Methodology. John Wiley & Sons.
[32] Georg Rill (2006) Vehicle Dynamics. Regensburg, Germany.
[33] Guofu Liu, Qi Zhang, Yueke Wang and Tingting Zhou (2004) An Investigation of
Digital Filter Technology on ABS Wheel Speed Signal. Proceedings of 2004
International Conference on Information Acquisition, pp. 151-154.
[34] Hans B.Pacejka (2003) Tyre and Vehicle Dynamics. Netherlands.
[35] Hideaki Sasaki, Takatoshi Nishimaki (2000) A Side-Slip Angle Estimation Using
Neural Network for a Wheeled Vehicle. SAE International, 2000-01-0695.
[36] http://agriculture1.newholland.com/eu/en-uk/equipment/products/agricultural-
tractors/t7-tier-4a/specifications truy cập ngày 24/3/2015.
[37] Huiyi Wang, Bo Gao, Jian Song (2001) Approach of Debugging Control Laws of
ABS Combined with Hardware-in-the-Loop Simulation and Road Experiment. SAE
Technical Paper Series. 2001-01-2729.
[38] Ing. T. Hong, Richard K. Tessmann (1996) The Dynamic of Pneumatic Systems
using Hypneu. International Fluid Power Exposition and Technical Conference, April
1996, Chicago.
[39] Jeevan N Patil, Sivakumar Palanivelu, Ajit Kumar Jindal (2013) Mathematical
Model of Dual Brake Valve for Dynamic Characterization. SAE International. 2013-
26-0150.
[40] Jianbo Lu, Dimitar Filev, Leonard Johnson (2011) Real-time Tire Imbalance
Detection Using ABS Wheel Speed Sensors. SAE International. doi:10.4271/2011-01-
0981.
[41] Jinglai Wu, Hongchang Zhang, Yunqing Zhang and Liping Chen (2009) Robust
Design of a Pneumatic Brake System in Commercial Vehicles. SAE International,
Volume 2, Issue 1, PP. 17-28.
[42] John Wilkinson, Cedric W. Mousseau, Thomas Klingler (2010) Brake Response
Time Measurement for a HIL Vehicle Dynamics Simulator. SAE International. 2010-
01-0079.
- 91 -
[43] L. Daniel Metz, Duane Meyers (2010) Controlled Braking Experiments with and
without ABS. 2010 SAE International. 2010-01-0100.
[44] Li He, Xiaolong Wang, Yunqing Zhang, Jinglai Wu, Liping Chen (2011) Modeling
and Simulation Vehicle Air Brake System. Proceedings 8th Modelica Conference,
Dresden, Germany, March 20-22, 2011, pp. 430-435.
[45] Mark Bennett, Michael Tober (2002) ABS System Validation: Integrating Tone Rings
and Wheel Speed Sensors in HIL Simulation. SAE International, 2002-01-3123.
[46] Matthew L. Shurtz, Gary J. Heydinger, Dennis A. Guenther, Scott B. Zagorski
(2006) Effects of ABS Controller Parameters on Heavy Truck Model Braking
Performance. SAE Technical Paper Series. 2006-01-3482.
[47] MAYANK KHARE (2012) Anti-lock Brake System (ABS): Implementation Of Anti-
lock Brake System Along With Its Advantages And Limitations. International Journal
of Instrumentation, Control and Automation (IJICA) ISSN: 2231-1890, Vol-1 Iss-
3,4, 2012, pp. 77-80.
[48] MERITOR WABCO (1999) Anti-lock Braking System training program.
[49] MERITOR WABCO (2011) Anti-lock Braking System (ABS) for Trucks, Tractors
and Buses. USA.
[50] Michael Blundell, Damian Harty (2004) Multibody Systems Approach to Vehicle
Dynamics. Elsevier.
[51] Naoto Ohkubo, Takehiro Horiuchi, Osamu Yamamoto, Hiromi Inagaki (2007) Brake
Torque Sensing for Enhancement of Vehicle Dynamics Control Systems. SAE
International, 2007-01-0867.
[52] Paul C. Niglas (2013) An Analysis of Braking Performance Using Hardware in the
Loop Simulation. SAE International. doi:10.4271/2013-01-2352
[53] Pierre Abboud, Thanh Ho (2005), ABS modulator solenoid with a pressure balancing
piston, US Patent number US5979503.
[54] Ping Xu, Yan Zheng (2009) Slip-Ratio Control of ABS Based on Sliding Mode
Control. 2009 Chinese Control and Decision Conference, pp. 5522-5526.
[55] Qingnian Wang, Yu Yang, and Liqiang Jin (2011) Research on ABS Regulation of
Electric Vehicle Driven by In-wheel Motors by AMESim Co-simulation with
Matlab/Simulink. International Conference on System Science, Engineering Design
and Manufacturing Informatization, pp. 227-232.
- 92 -
[56] QIU Bao-Mei, LIAN Yi-Ping, ZHENG Tai-Xiong (2011) Development and
Implementation of the ABS Based on Model Library. International Conference on
Mechatronic Science, Electric Engineering and Computer, 19-22, August 2011,
China, pp. 1552-1554.
[57] Rajesh Rajamani (2006) Vehicle Dynamics and Control. Springer
[58] Reza N.Jazar (2008) Vehicle Dynamics. Springer.
[59] Royal Automobile Club of Victoria, Ltd (2004) Research report 00/04: Effectiveness
of ABS and Vehicle Stability Control Systems.
[60] Rutledge Jack Jr (1991) Anti-lock air brake system for wheeled vehicles, US Patent
number US5018799 A.
[61] S.V. Natarajan, S.C. Subramanian, S. Darbha, K.R. Rajagopal (2007) A model of the
relay valve used in an air brake system. ScienceDirect, Elsevier.
[62] Tankut Acarman, Umit Ozguner, Cem Hatipoglu, Anne-Marie Igusky (2000)
Pneumatic Brake System Modeling for Systems Analysis. SAE Technical Paper
Series. 2000-01-3414.
[63] Terry D. Day, Sydney G. Roberts (2002) A Simulation Model for Vehicle Braking
Systems Fitted with ABS. SAE International, 2002-01-0559.
[64] Thomas D. Gilespie (1992) Fundamentals of Vehicle Dynamics. Society of
Automotive Engineers Inc.
[65] Tianku Fu (2000) Modeling and performance analysis of ABS system with Nonlinear
Control. National Library of Canada.
[66] Timothy P. Austin, Michael J. Farrell, Benjamin N. Smith (2012) An Examination of
Diagnostic Event Data in Bendix Antilock Brake System Electronic Control Units.
SAE International. doi:10.4271/2012-01-0994.
[67] WABCO (2003) ABS-Training. USA.
[68] WABCO (2006) ABS/ASR “D” – “Cab” Version Anti-lock Braking System for
Commercial Vehicles. USA.
[69] WABCO (2011) Anti-lock Braking System (ABS) and Anti-Slip regulation (ASR)
[70] Wade D. Bartlett (2004) Calculation of Heavy Truck Deceleration Based on Air
Pressure Rise-Time and Brake Adjustment. SAE Technical Paper Series.2004-01-
[71] Wai Kai Chen (2003) Logic design. CRC press.
2632.
- 93 -
[72] Wu Chao, Duan Jianmin,Yu Yongchuan (2010) A Hardware In Loop Test System for
Pneumatic Anti-lock Brake System. International Conference on Measuring
Technology and Mechatronics Automation, pp. 105-108.
[73] Yesim Oniz, Erdal Kayacan, Okyay Kaynak (2009) A Dynamic Method to Forecast
the Wheel Slip for Antilock Braking System and Its Experimental Evaluation. IEEE
Transactions On Systems, Man, And Cybernetics — Part b: Cybernetics, Vol. 39,
No. 2, April 2009, pp. 551-560.
[74] Younggu Cho (2011) The Simulation of ABS Stopping Distance. SAE International.
doi:10.4271/2011-01-0570
[75] Zhang Hongchang, Zhang Yunqing, and Chen Liping (2010) Hardware-in-the-Loop
Simulation of Pneumatic Antilock Braking System Based on Modelica. International
Journal of CAD/CAM Vol. 10, No. 1, pp. 29-37.
[76] ZHANG Jing-ming, SONG Bao-yu, SUN Gang (2008) An Advanced Control
Method for ABS Fuzzy Control System. International Conference on Intelligent
Computation Technology and Automation, pp. 845-849.
[77] Zhao Weiqiang, Changfu Zong, Hongyu Zheng, Huaji Wang, Shengnan Yang (2012)
Integrated HIL Test and Development System for Pneumatic ABS/EBS ECU of
Commercial Vehicles. SAE International. doi:10.4271/2012-01-2031
- 94 -
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
CỦA LUẬN ÁN
1. Hồ Hữu Hùng, Nguyễn Trung Kiên, Hồ Hữu Hải (2013) Mô phỏng hệ thống phanh
khí nén trên ô tô. Tạp chí Giao thông vận tải, số 12/2013, Trang 11 – 13.
2. Hồ Hữu Hải, Hồ Hữu Hùng, Nguyễn Trung Kiên (2014) Mô phỏng bộ điều khiển hệ
thống phanh ABS khí nén. Tạp chí Giao thông vận tải, số 3/2014, Trang 34 – 37.
3. Hồ Hữu Hùng, Lƣu Văn Tuấn, Đào Mạnh Hùng (2014) Mô phỏng bộ điều khiển
ABS theo gia tốc góc bánh xe dành cho hệ thống phanh khí nén. Tạp chí Cơ khí Việt
Nam, số đặc biệt năm 2014, Trang 18 – 23.
4. Hồ Hữu Hùng, Nguyễn Ngọc Tuấn, Trần Quang Tuấn, Lƣu Văn Tuấn (2014) Thiết
kế cảm biến đo vận tốc góc bánh xe dùng cho hệ thống phanh ABS khí nén. Tạp chí
Cơ khí Việt Nam, số đặc biệt năm 2014, Trang 24 – 29.
5. Đồng thực hiện đề tài khoa học công nghệ cấp nhà nƣớc: ―Nghiên cứu thiết kế chế
tạo thử nghiệm hệ thống ABS cho hệ thống phanh khí nén dùng trên ô tô lắp ráp tại
Việt Nam‖, mã số KC.03.05/11-15 do Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội chủ trì, đã
đƣợc đăng ký kết quả thực hiện nhiệm vụ khoa học và công nghệ sử dụng ngân sách
nhà nƣớc, số đăng ký 2015-52-449/KQNC ngày 17 tháng 6 năm 2015.
6. Ho Huu Hung, Ho Huu Hai, Luu Van Tuan, Le Anh Vu (2015) Study the
Responsibility to Control Frequency of Pneumatic Anti-lock Braking System, Journal
of Science & Technology Technical Universities. No.106B, pp 75 – 79.
7. Hồ Hữu Hùng, Dƣơng Ngọc Khánh, Lƣu Văn Tuấn (2015) Nghiên cứu, xác định
ngưỡng điều khiển ABS trong hệ thống phanh khí nén. Tạp chí Khoa học và công
nghệ, số 109/2015.
- 1 -
PHỤ LỤC
Phụ lục 1: Đồ thị biến thiên áp suất khí nén trong bình chứa và trong bầu phanh phía sau
Áp suất bình chứa
Áp suất bình chứa
Áp suất bầu phanh
Áp suất bầu phanh
bên trái theo tần số điều khiển ABS
Áp suất bình chứa
Áp suất bình chứa
Áp suất bầu phanh
Áp suất bầu phanh
Tần số điều khiển 1 Hz Tần số điều khiển 2 Hz
Áp suất bình chứa
Áp suất bình chứa
Áp suất bầu phanh
Áp suất bầu phanh
Tần số điều khiển 3 Hz Tần số điều khiển 3,5 Hz
Tần số điều khiển 4,5 Tần số điều khiển 4 Hz
- 1 -
Áp suất bình chứa
Áp suất bình chứa
Áp suất bầu phanh
Áp suất bầu phanh
Áp suất bình chứa
Áp suất bình chứa
Áp suất bầu phanh
Áp suất bầu phanh
Tần số điều khiển 5,5 Hz Tần số điều khiển 6 Hz
Áp suất bình chứa
Áp suất bình chứa
Áp suất bầu phanh
Áp suất bầu phanh
Tần số điều khiển 7 Hz Tần số điều khiển 8 Hz
Tần số điều khiển 9Hz Tần số điều khiển 10 Hz
- 2 -
PL2. 1. Sơ đồ mô phỏng khí nén đi qua khoang trên van phân phối đến van gia tốc
PL2. 2. Sơ đồ mô phỏng lưu lượng khí nén đi qua khoang dưới van phân phối đến dòng phanh cầu
trước
Phụ lục 2. Mô hình mô phỏng hệ thống phanh ABS khí nén trên Matlab – Simulink
- 3 -
PL2. 3. Sơ đồ mô phỏng tính áp suất ở đầu vào van xả nhanh.
PL2. 4. Sơ đồ mô phỏng lượng khí nén đi đến bầu phanh trước bên trái
- 4 -
PL2. 5. Sơ đồ mô phỏng lưu lượng khí nén đi qua van gia tốc đến bầu phanh sau bên phải
PL2. 6. Sơ đồ mô phỏng bầu phanh và cơ cấu phanh trước bên trái
- 5 -
PL2. 7. Sơ đồ mô phỏng bầu phanh và cơ cấu phanh sau bên phải
PL2. 8. Sơ đồ mô phỏng van chấp hành ABS
Trong đó khối Supply và khối Exhaust lần lƣợt đƣợc xây dựng nhƣ sau:
- 6 -
PL2. 9. Sơ đồ mô phỏng khối Supply trong van chấp hành ABS
PL2. 10. Sơ đồ mô phỏng khối Exhaust trong van chấp hành ABS
PL2. 11. Sơ đồ mô phỏng thân xe
- 7 -
PL2. 12. Sơ đồ mô phỏng bánh xe
PL2. 13. Sơ đồ mô phỏng thân xe
- 8 -
PL3. 1. Gia tốc góc của bánh xe trước phải và sau trái trên đường khô, v0 = 72 km/h
PL3. 2. Độ trượt của bánh xe trước phải và sau trái trên đường khô, v0 = 72 km/h
PL3. 3. Vận tốc của bánh xe và của thân xe trong quá trình phanh trên đường khô, v0 = 72 km/h
Phụ lục 3. Kết quả mô phỏng quá trình phanh với vận tốc ban đầu: v0 = 72 km/h
- 9 -
PL3. 4. Đồ thị quãng đường phanh trên đường khô, v0 = 72 km/h
PL3. 5. Gia tốc góc của bánh xe trước phải và sau trái trên đường ướt, v0 = 72 km/h
PL3. 6. Độ trượt của bánh xe trước phải và sau trái trên đường ướt, v0 = 72 km/h
- 10 -
PL3. 7. Vận tốc của bánh xe và của thân xe trong quá trình phanh trên đường ướt, v0 = 72 km/h
PL3. 8. Đồ thị quãng đường phanh trên đường ướt, v0 = 72 km/h
- 11 -
PL4. 1. Bên trong thiết bị đo ghi vận tốc góc bánh xe
PL4. 2. Bộ thiết bị đo ghi vận tốc góc bánh xe
Phụ lục 4. Thiết bị đo ghi vận tốc góc bánh xe
- 12 -
Phụ lục 5. Chứng nhận kết quả đo của Trung tâm thử nghiệm xe cơ giới
- 13 -
- 14 -
- 15 -
- 16 -
- 17 -
Phụ lục 6: Một số hình ảnh thử nghiệm
Thử nghiệm bộ điều khiển điện tử trên đƣờng phủ nhựa asphalt khô
Thử nghiệm bộ điều khiển điện tử trên đƣờng phủ nhựa asphalt ƣớt
- 18 -
Thử nghiệm hệ thống phanh khí nén có ABS trên đƣờng bê tông với sự hỗ trợ của Trung
tâm đo lƣờng – Viện Kỹ Thuật Cơ giới Quân sự:
Thử nghiệm hệ thống phanh khí nén có ABS trên đƣờng bê tông khô
Thử nghiệm hệ thống phanh khí nén có ABS trên đƣờng bê tông ƣớt
- 19 -
Thử nghiệm hệ thống phanh khí nén có ABS trên đƣờng thử bởi Trung tâm thử nghiệm xe
cơ giới – Cục Đăng kiểm Việt Nam:
- 20 -
