Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hệ thống lái Steer by wire điện tử thủy lực

Chia sẻ: Tần Mộc Phong | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:170

Thêm vào BST

Báo xấu

44
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hệ thống lái Steer by wire điện tử thủy lực được thực hiện với mục tiêu nhằm nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm để chuyển đổi hệ thống lái có trợ lực thủy lực trên ô tải HINO 300Series sang hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực. Bơm thủy lực trợ lực lái vẫn được dẫn động trực tiếp từ động cơ của ô tô. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hệ thống lái Steer by wire điện tử thủy lực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN XUÂN TUẤN NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG LÁI STEER BY WIRE ĐIỆN TỬ - THỦY LỰC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI- 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN XUÂN TUẤN NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG LÁI STEER BY WIRE ĐIỆN TỬ THỦY LỰC Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1: PGS TS. Nguyễn Văn Bang 2: PGS TS. Đinh Thị Thanh Huyền HÀ NỘI- 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, nghiên cứu được thực hiện với sự hướng dẫn của PGS TS. Nguyễn Văn Bang và PGS TS. Đinh Thị Thanh Huyền tại Bộ môn Cơ khí ô tô, Khoa Cơ khí – Đại học GTVT và chưa công bố trong bất cứ công trình nào khác, các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực. TẬP THỂ HƯỚNG DẪN TÁC GIẢ LUẬN ÁN PGS.TS. Nguyễn Văn Bang Nguyễn Xuân Tuấn PGS.TS. Đinh Thị Thanh Huyền
ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i MỤC LỤC ....................................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU......................................................................................... v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................................... viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... xiii MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................................................. 6 1.1 Hệ thống lái với vấn đề quay vòng và ổn định hướng chuyển động ô tô .......... 6 1.2 Hệ thống lái Steer by wire (SBW) ................................................................... 11 1.2.1 Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống lái SBW ............................................. 12 1.2.2 Chuyển đổi từ hệ thống lái thông thường sang hệ thống lái SBW ....... 13 1.3 Các nghiên cứu trong và ngoài nước ............................................................... 17 1.3.1 Các nghiên cứu trong nước: .................................................................. 17 1.3.2 Các nghiên cứu ngoài nước:.................................................................. 18 1.4 Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu của luận án .......................... 24 1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu.............................................................................. 24 1.4.2 Nội dung nghiên cứu ............................................................................. 24 1.4.3 Phương pháp nghiên cứu....................................................................... 24 1.5 Kết luận chương ............................................................................................... 25 CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI SBW ĐIỆN TỬ - THỦY LỰC ........................................................ 26 2.1 Cơ sở lý thuyết ................................................................................................. 26 2.2 Xây dựng mô hình động lực học hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực ........... 29 2.2.1 Các giả thiết xây dựng mô hình ............................................................ 29 2.2.2 Hệ thống trợ lực thủy lực ...................................................................... 32 2.2.3 Động cơ điện một chiều ........................................................................ 36 2.2.4 Cụm bánh xe dẫn hướng ....................................................................... 37 2.2.5 Cụm vành lái ......................................................................................... 38 2.2.6 Bộ chấp hành dẫn hướng....................................................................... 39
iii 2.2.7 Mô hình động lực học đổi hướng chuyển động ô tô ............................. 42 2.2.8 Bộ phận điện tử ..................................................................................... 43 2.3 Xây dựng sơ đồ khối mô phỏng động lực học hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực 44 2.3.1 Sơ đồ khối mô phỏng động lực học vành tay lái................................... 44 2.3.2 Sơ đồ khối động lực học bộ chấp hành dẫn hướng ............................... 45 2.4 Kết luận chương ............................................................................................... 48 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG LÁI SBW ĐIỆN TỬ - THỦY LỰC................................................................................................................... 49 3.1 Tổng quan về điều khiển .................................................................................. 49 3.1.1 Bộ điều khiển PID ................................................................................. 49 3.1.2 Điều khiển LQR .................................................................................... 52 3.1.3 Bộ điều khiển trượt (SMC) ................................................................... 53 3.2 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực bằng phương pháp điều khiển SMC ................................................................................................ 58 3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển chấp hành dẫn hướng ....................................... 59 3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển tạo cảm giác lái ................................................ 64 3.3 Mô phỏng hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực ............................................... 68 3.3.1 Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực .................. 68 3.3.2 Mô phỏng vành lái ................................................................................ 69 3.3.3 Mô phỏng bộ chấp hành dẫn hướng ...................................................... 70 3.3.4 Mô phỏng đổi hướng chuyển động ô tô ................................................ 73 3.4 Kết luận chương ............................................................................................... 76 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .......................................................... 77 4.1 Mục đích và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm........................................ 77 4.1.1 Mục đích thực nghiệm .......................................................................... 77 4.1.2 Phương pháp thực nghiệm .................................................................... 78 4.2 Nghiên cứu thực nghiệm trên ô tô với hệ thống lái trợ lực thủy lực ............... 79 4.2.1 Các bước chuẩn bị thực nghiệm ............................................................ 79 4.2.2 Phương pháp thực hiện ......................................................................... 82 4.2.3 Kết quả thực nghiệm ............................................................................. 82
iv 4.3 Chuyển đổi hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực ............................................. 85 4.3.1 Khảo sát, đo đạc các thông số trên xe ô tô tải HINO 300Series ........... 86 4.3.2 Chuyển đổi cụm vành lái tái tạo cảm giác ............................................ 87 4.3.3 Chuyển đổi cụm chấp hành dẫn hướng ................................................. 87 4.3.4 Tính toán, kiểm nghiệm các thông số làm việc của hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực trên xe ô tô HINO 300Series ............................................................. 89 4.3.5 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống lái ................................................ 92 4.3.6 Lắp đặt lên xe và vận hành thử ........................................................... 103 4.3.7 Hiển thị kết quả và lưu trữ dữ liệu ...................................................... 105 4.4 Nghiên cứu thực nghiệm trên ô tô với hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực . 106 4.4.1 Các bước chuẩn bị thực nghiệm .......................................................... 106 4.4.2 Phương pháp thực hiện: ...................................................................... 111 4.4.3 Kết quả thực nghiệm ........................................................................... 111 4.5 Kiểm chứng mô hình lý thuyết với thực nghiệm và đánh giá kết quả ........... 118 4.6 Kết luận chương ............................................................................................. 120 KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................................. 121 NHỮNG KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ........................... 123 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ................................................... 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 125 PHỤ LỤC I ..................................................................................................................... 1 PHỤ LỤC II .................................................................................................................... 7 PHỤ LỤC III ................................................................................................................. 21
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU STT Thông số Ký hiệu Đơn vị 1 Mô men quán tính động cơ DCM1 𝐽𝑚1 kgm2 2 Hệ số cản động cơ DCM1 𝐶𝑚1 N.m/(rad/s) 3 Hệ số cứng trục động cơ DCM1 𝐾𝑚1 N.m/rad 4 Hệ số mô men động cơ DC 𝑘𝑚1 N.m/A 5 Điện trở phần ứng 𝑅𝑚1 ohm 6 Mô men quán tính vành lái 𝐽𝑠𝑤 kgm2 7 Hệ số cản vành lái 𝐶𝑠𝑤 N.m/(rad/s) 8 Hệ số cứng vành lái 𝐾𝑠𝑤 N.m/rad 9 Hệ số ma sát nhớt động cơ DCM1 𝐵𝑚1 N.m/(rad/s) 10 Hệ số ma sát nhớt vánh lái 𝐵𝑠𝑤 N.m/(rad/s) 11 Tỷ số truyền hộp giảm tốc 𝑖𝑚1 - 12 Mô men quán tính động cơ DCM2 𝐽𝑚2 kgm2 13 Hệ số cản động cơ DCM2 𝐶𝑚2 N.m/(rad/s) 14 Hệ số cứng trục động cơ DCM2 𝐾𝑚2 N.m/rad 15 Hệ số ma sát nhớt động cơ DCM2 𝐵𝑚2 N.m/(rad/s) 16 Hệ số mô men động cơ DCM2 𝑘𝑚 N.m/A 17 Điện trở phần ứng 𝑅𝑚2 ohm 18 Tỷ số truyền hộp giảm tốc 𝑖𝑚2 - 19 Mô men quán tính thanh xoắn 𝐽𝑡𝑏 kgm2 20 Hệ số cản thanh xoắn 𝐶𝑡𝑏 N.m/(rad/s) 21 Hệ số cứng thanh xoắn 𝐾𝑡𝑏 N.m/rad 22 Mô men quán tính bánh răng 𝐽𝑝 kgm2 23 Hệ số cản bánh răng 𝐶𝑝 N.m/(rad/s) 24 Hệ số cứng bánh răng 𝐾𝑝 N.m/rad 25 Bán kính bánh răng 𝑟𝑝 m 26 Hệ số cản thanh xoắn 𝐶𝑝 N.m/(rad/s) 27 Khối lượng thanh răng 𝑚𝑅 kg 28 Hệ số khớp nối dẫn động lái 𝐾𝑇𝑅 N.m/rad
vi 29 Khối lượng cụm xy lanh - pít tông thủy lực 𝑚𝐻 kg 30 Dịch chuyển của cụm xy lanh – pít tông; 𝑥𝐻 m 31 Dịch chuyển của thanh răng; 𝑥𝑟 m 32 Hệ số cản thanh răng 𝐶𝑇𝑅 N.m/(rad/s) 33 Chiều dài đòn quay bánh xe dẫn hướng 𝑙 m 34 Mô men quán tính của bánh xe quanh tâm quay 𝐽𝐹𝑊 kgm2 35 Hệ số cản bánh răng 𝐶𝑇𝑖 N.m/(rad/s) 36 Hệ số cứng bánh răng 𝐾𝑇𝑖 N.m/rad 37 Mô đun đàn hồi khối 𝛽 kgf/m2 38 Thể tích dầu trong bơm 𝑉𝑠 .m3 39 Lưu lượng qua bơm 𝑞𝑝 l/min 40 Hệ số lưu lượng dòng chảy 𝐶𝑑 - 41 Tỷ trọng chất lỏng 𝜌 kg/ m3 42 Diện tích pít tông 𝐴𝑝 m2 43 Chiều dài xy lanh 𝐿 m 44 Mô men quán tính khối của xe 𝐼𝑧 kgm2 45 Khối lượng xe 𝑚𝑉 kg 46 Độ cứng của lốp trước khi quay vòng 𝐶𝑓 N /rad 47 Độ cứng của lốp sau khi quay vòng 𝐶𝑟 N /rad 48 Mô men quán tính vành lái 𝐽𝑠𝑤 kgm2 49 Mô men quán tính trục lái 𝐼𝑠𝑐 kgm2 50 Hệ số cản nhớt 𝑏𝑝𝑠 N.m/(rad/s) 51 Khoảng cách từ trọng tâm đến trục trước 𝐿𝑓 m 52 Khoảng cách từ trọng tâm đến trục sau 𝐿𝑟 m 53 Vận tốc dọc của xe 𝑉𝑥 m/s
vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT SBW Steer By Wire HPAS Hydraulic power assisted steering/Hệ thống lái trợ lực thủy lực ABS Antilock braking system/Hệ thống chống bó cứng bánh xe ECU Electric control unit/Bộ điều khiển điện tử SMC Sliding mode control/Bộ điều khiển trượt EAPS Electric assis power steering/Hệ thống lái trợ lực điện EFI Electronic fuel injection/Phun xăng điện tử ISC Idle speed control/Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ ESC Electronic stability control/Hệ thống cân bằng điện tử DCM1 Động cơ điện một chiều tạo cảm giác lái DCM2 Động cơ điện một chiều chấp hành dẫn hướng VL Vành lái BXDH Bánh xe dẫn hướng DH Dẫn hướng PWM Xung điều khiển tốc độ động cơ điện FSMC Hiển thị màn hình TFT PMIC Bộ cấp nguồn 3v3 OUTPUT Đầu ra điều khiển INPUT Đầu vào điều khiển DC Động cơ điện một chiều CPU Khối vi xử lý Encoder Cảm biến đo góc MCU Mạch điều khiển động cơ điện một chiều GPS Thiết bị định vị
viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các ứng dụng công nghệ “X - by wire” trên ô tô. ............................................ 2 Hình 1.2: Hệ thống lái SBW trên xe Nissan Infiniti Q50 ................................................. 3 Hình 1.3: Lực tác động lên bánh xe DH:(a) Lực tạo ra do phanh Fx, (b) Lực tạo ra khi lái Fy.................................................................................................................................. 6 Hình 1.4: Các bậc tự do của ô tô trong không gian .......................................................... 7 Hình 1.5: Sơ đồ tương tác giữa ô tô, người lái và môi trường .......................................... 8 Hình 1.6: Động lực học điều khiển ô tô ............................................................................ 8 Hình 1.7: Mô hình nghiên cứu chuyển dịch theo phương ngang a) Mô hình lắc ngang thân xe; b) Mô hình phân tích lực bánh xe........................................................................ 9 Hình 1.8: Mô hình quay vòng ô tô a) Quay vòng khi lốp xe không biến dạng; b) Quay vòng khi lốp xe biến dạng bên ........................................................................................ 10 Hình 1.9: Hệ thống lái SBW có 3 động cơ điện.............................................................. 12 Hình 1.10: Hệ thống lái SBW có 1 động cơ điện............................................................ 13 Hình 1.11: Hê thống lái SBW trợ lực thủy lực ............................................................... 13 Hình 1.12: Chuyển đổi từ hệ thống lái thông thường sang hệ thống lái SBW ............... 14 Hinh 1.13: Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái thông thường có trợ lực thủy lực ........................ 14 Hinh 1.14: Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái SBW ................................................................... 15 Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống lái trợ lực thủy lực trên ô tô tải ...................................... 27 Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực ............................................. 28 Hình 2.3: Sơ đồ hoạt động của hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực ............................. 29 Hình 2.4: Mô hình động lực học hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực ........................... 30 Hình 2.5: Sơ đồ quan hệ vật lý giữa các mô hình con trong hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực ............................................................................................................................ 31 Hình 2.6: Sơ đồ cấu tạo hệ thống thủy lực trên xe ô tô................................................... 33 Hình 2.7: Mô hình động lực học hệ thống thủy lực ........................................................ 33 Hình 2.8: Mô hình phần ứng động cơ điện một chiều .................................................... 36 Hình 2.9: Mô hình bánh xe dẫn hướng với mặt đường ................................................... 37 Hình 2.10: Mô hình động lực học cụm vành lái ............................................................. 38 Hình 2.11: Mô hình động lực học bộ chấp hành dẫn hướng ........................................... 39 Hình 2.12: Mô hình động lực học đổi hướng chuyển động ô tô ..................................... 43
ix Hình 2.13: Sơ đồ khối mô phỏng động lực học cụm vành lái ........................................ 44 Hình 2.14: Sơ đồ khối mô phỏng động lực học bộ chấp hành DH. ................................ 46 Hình 3.1: Khâu tỷ lệ (P) .................................................................................................. 50 Hình 3.2: Khâu tích phân (I) ........................................................................................... 51 Hình 3.3: Khâu vi phân (D)............................................................................................. 51 Hình 3.4: Cấu trúc điều khiển phản hồi tối ưu trạng thái dương .................................... 53 Hình 3.5: Cấu trúc điều khiển phản hồi tối ưu trạng thái âm .......................................... 53 Hình 3.6: Quỹ đạo pha của hệ bậc hai ............................................................................ 55 Hình 3.7: Hiện tượng chattering của hàm sign(x), và sat(x). .......................................... 57 Hình 3.8: Sơ đồ điều khiển bộ chấp hành dẫn hướng ..................................................... 59 Hình 3.9: Sơ đồ điều khiển cụm vành lái ........................................................................ 65 Hình 3.10: Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực .......................... 69 Hình 3.11: Đồ thị biểu diễn góc quay vành lái ............................................................... 70 Hình 3.12: Đồ thị biểu diễn góc quay động cơ DCM1 mô phỏng và mong muốn ....... 70 Hình 3.13: Sai lệch 𝑒1 giữa góc quay mô phỏng 𝜃𝑚1 và mong muốn . ........................ 70 Hình 3.14: Đồ thị biểu diễn điện áp cấp cho động cơ DCM1......................................... 70 Hình 3.15: Đồ thị biểu diễn góc quay động cơ DCM2 mô phỏng và mong muốn ....... 72 Hình 3.16: Đồ thị biểu diễn sai lệch 𝑒2 .......................................................................... 72 Hình 3. 17: Đồ thị biểu diễn góc quay bánh xe DH mô phỏng ....................................... 72 Hình 3.18: Đồ thị biểu diễn sai lệch 𝑒3 .......................................................................... 72 Hình 3.19: Đồ thị biểu diễn điện áp điều khiển cấp cho động cơ DCM2 ....................... 73 Hình 3.20: Đồ thị biểu diễn trợ lực thủy lực 𝐹_𝐵 ........................................................... 73 Hình 3.21: Đồ thị biểu diễn góc quay vành lái ............................................................... 74 Hình 3.22: Đồ thị dịch chuyển ngang thân xe................................................................. 74 Hình 3.23: Đồ thị góc quay thân xe ................................................................................ 74 Hình 3.24: Đồ thị biểu diễn mô men cản hệ thống lái .................................................... 74 Hình 3.25: Đồ thị dịch chuyển ngang thân xe................................................................. 75 Hình 3.26: Đồ thị góc quay thân xe ................................................................................ 75 Hình 3.27: Đồ thị biểu diễn mô men cản hệ thống lái .................................................... 75 Hình 4.1: Nhóm nghiên cứu và xe thí nghiệm HINO 300Series .................................... 79 Hình 4.2: Xe ô tô tải HINO 300Series ............................................................................ 80
x Hình 4.3: Thiết bị đo góc đặt bánh xe dẫn hướng ........................................................... 81 Hình 4.4: Thiết bị đo góc quay bánh xe dẫn hướng ........................................................ 81 Hình 4.5: Dụng cụ đo độ dơ vành lái .............................................................................. 82 Hình 4.6: Lắp đặt các dụng cụ đo lên ô tô ...................................................................... 82 Hình 4.7: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ góc quay VL và góc quay BXDH khi đánh lái bên phải ........................................................................................................................... 83 Hình 4.8: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ góc quay VL và góc quay BXDH khi đánh lái bên trái ............................................................................................................................. 84 Hình 4.9: Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa góc  và góc  thực tế .................................... 85 Hình 4.10: Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa góc  và góc  theo lý thuyết và thực tế ...... 85 Hình 4.11: Nhóm NC khảo sát, đo đạc các thông số xe HINO 300Series...................... 86 Hình 4.12: Sơ đồ cấu tạo cụm vành lái tạo cảm giác ...................................................... 87 Hình 4.13: Cụm vành lái tạo cảm giác ............................................................................ 87 Hình 4.14: Sơ đồ cấu tạo bộ chấp hành dẫn hướng ........................................................ 88 Hình 4.15: Chế tạo, lắp ráp bộ chấp hành dẫn hướng: a) Hộp giảm tốc; b) Bộ chấp hành dẫn hướng ........................................................................................................................ 88 Hình 4.16: Đồ thị biểu diễn lực từ mặt đường tác dụng lên bánh xe dẫn hướng ............ 90 Hình 4.17: Cụm động cơ DCM2: a) Động cơ điện; b) Bộ giảm tốc ............................... 91 Hình 4.18: Sơ đồ điều khiển hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực ................................. 93 Hình 4.19: Cảm biến đo góc (400 xung) ......................................................................... 93 Hình 4.20: Sơ đồ khối hoạt động của cảm biến đo góc .................................................. 94 Hình 4.21: Sơ đồ nối dây cảm biến đo góc ..................................................................... 94 Hình 4.22: Sơ đồ điều khiển động cơ.............................................................................. 95 Hình 4.23: Mạch điều khiển động cơ - Module driver BTS7960 ................................... 96 Hình 4.24: Sơ đồ điều khiển khối driver BTS7960 ........................................................ 96 Hình 4.25: Sơ đồ nối dây khối driver BTS7960 ............................................................. 96 Hình 4.26: Sơ đồ chân mạch điện trên táp lô xe HINO 300 Series ................................ 97 Hình 4.27: Sơ đồ khối hoạt động đo dòng và áp của động cơ điện ................................ 98 Hình 4.28: Mạch điện tử khối đo dòng và áp của động cơ điện ..................................... 98 Hình 4.29: Sơ đồ chân khối đo dòng và áp của động cơ điện......................................... 98 Hình 4.30: Màn hình hiển thị thông tin ........................................................................... 99
xi Hình 4.31: Sơ đồ nối dây khối nút điều khiển ................................................................ 99 Hình 4.32: Sơ đồ chân khối cổng giao tiếp ................................................................... 100 Hình 4.33: Vi xử lý STM32F407VET6 ........................................................................ 100 Hình 4.34: Sơ đồ bố trí các mạch điều khiển ................................................................ 101 Hình 4.35: Bo mạch điều khiển sau khi lắp ráp: a/ Mặt trước mạch điều khiển; b/ Mặt sau mạch điều khiển ...................................................................................................... 102 Hình 4.36: Sơ đồ khối điều khiển vành lái .................................................................... 102 Hình 4.37: Sơ đồ khối điều khiển động cơ DCM2 ....................................................... 103 Hình 4.38: Lắp cụm vành lái lên xe: a) Trước chuyển đổi; b) Sau khi chuyển đổi ...... 104 Hình 4.39: Lắp bộ chấp hành DH lên xe: a) Trước chuyển đổi; b) Sau chuyển đổi..... 104 Hình 4.40: Kiểm tra và vận hành hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực. ....................... 104 Hình 4.41: Chạy thử xe với hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực................................. 104 Hình 4.42: Sơ đồ kết nối bộ điều khiển với máy tính ................................................... 105 Hình 4.43: Cổng truyền tín hiệu từ thiết bị sang máy tính............................................ 106 Hình 4.44: Sơ đồ hoạt động của bộ điều khiển với máy tính ........................................ 106 Hình 4.45: Xe thực nghiệm và nhóm nghiên cứu ......................................................... 107 Hình 4.46: Bản đồ địa điểm thực nghiệm ..................................................................... 108 Hình 4.47: Sơ đồ tuyến đường thực nghiệm hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực....... 108 Hình 4.48: Sơ đồ tuyến đường thực nghiệm quỹ đạo chuyển động xe ô tô .................. 109 Hình 4.49: Màn hình hiển thị kết quả ........................................................................... 109 Hình 4.50: Máy tính hiển thị và lưu trữ kết quả............................................................ 109 Hình 4.51: Lắp đặt thiết bị định vị GPS ........................................................................ 110 Hình 4.52: Giao diện phần mềm Dewesoft ................................................................... 110 Hình 4.53. Sơ đồ đấu nối thiết bị thực nghiệm ............................................................. 111 Hình 4.54: Đồ thị góc quay vành lái ............................................................................ 112 Hình 4.55: Đồ thị góc quay vành lái và góc quay trục cơ cấu lái ................................. 112 Hình 4.56: Đồ thị Sai lệch góc quay vành lái và góc quay trục vào cơ cấu lái 𝑒4 ....... 113 Hình 4.57: Đồ thị biểu diễn điện áp điều khiển động cơ DCM2 ................................. 113 Hình 4.58: Đồ thị góc quay vành lái ............................................................................ 113 Hình 4.59: Đồ thị góc quay vành lái và góc quay trục vào cơ cấu lái .......................... 114 Hình 4.60: Đồ thị sai lệch góc quay vành lái và góc quay trục vào cơ cấu lái 𝑒4 ........ 114
xii Hình 4.61: Đồ thị biểu diễn điện áp cấp cho động cơ DCM2 ...................................... 114 Hình 4.62: Đồ thị góc quay vành lái và góc quay trục vào cơ cấu lái ........................ 115 Hình 4.63: Đồ thị sai lệch góc quay vành lái và góc quay trục vào cơ cấu lái 𝑒4 ........ 115 Hình 4.64: Đồ thị biểu diễn điện áp cấp cho động cơ DCM2 ...................................... 116 Hình 4.65: Đồ thị biểu diễn quỹ đạo chuyển động ô tô HINO 300Series với hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực ................................................................................................. 117 Hình 4.66: Biểu diễn quỹ đạo quay vòng với bán kính quay vòng nhỏ nhất ............... 117 Hình 4.67: Đồ thị biểu diễn góc quay vành lái thực nghiệm ....................................... 118 Hình 4.68: Đồ thị góc quay trục cơ cấu lái lý thuyết và thực nghiệm ........................ 118 Hình 4.69: Đồ thị sai lệch giữa góc quay trục cơ cấu lái lý thuyết và thực nghiệm 𝑒5 119 Hình 4.70: Đồ thị biểu diễn góc quay vành lái thực nghiệm ....................................... 119 Hình 4.71: Đồ thị góc quay trục cơ cấu lái lý thuyết và thực nghiệm ......................... 119 Hình 4.72: Đồ thị sai lệch góc quay trục cơ cấu lái thuyết và thực nghiệm 𝑒5 ............ 120 Hình I.1 Thông số kỹ thuật xe tải HINO 300Series .......................................................... 1 Hình II.1: Ổn định Lyapunov ............................................................................................ 9 Hình II.2: Ổn định tiệm cận Lyapunov ............................................................................. 9 Hình II.3: Sơ đồ bố trí các mạch điều khiển ................................................................... 14 Hình II.4: Bo mạch điều khiển sau khi lắp ráp: a/ Mặt trước mạch điều khiển; b/ Mặt sau mạch điều khiển .............................................................................................................. 15 Hình II.5: Sơ đồ khối điều khiển vành lái ....................................................................... 15 Hình II.6: Sơ đồ khối điều khiển động cơ DCM2 ........................................................... 16 Hình II.7: Giao diện phần mềm biên soạn và dịch mã code ........................................... 17 Hình III.1: Hình ảnh nhóm NC chụp cùng các chuyên gia của HINO Việt Nam .......... 21 Hình III.2: Hình ảnh nhóm NC tháo lắp, đo đạc chi tiết ................................................. 21 Hình III.3: Bản vẽ cơ cấu lái được thiết kế từ các thông số đo đạc ................................ 21 Hình III.4: Hình ảnh quá trình chế tạo các bộ phận ........................................................ 22 Hình III.5: Hình ảnh quá trình lắp ráp các bộ phận ........................................................ 23 Hình III.6: Hình ảnh quá trình cài đặt điều khiển và vận hành ....................................... 23 Hình III.7: Hình ảnh quá trình lắp đặt thiết bị và thực nghiêm....................................... 25 Hình III.8: Hình ảnh đoàn chuyên gia HINO Việt Nam tham quan sản phẩm ............... 25
xiii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Thông số mô phỏng cụm vành lái ................................................................. 45 Bảng 2.2: Thông số mô phỏng bộ chấp hành ................................................................. 46 Bảng 2.3: Thông số mô phỏng hệ thống thủy lực .......................................................... 47 Bảng 2.4: Thông số mô phỏng đổi hướng chuyển động của xe ..................................... 47 Bảng 4.1: Các thông số kỹ thuật của xe HINO 300Series .............................................. 80 Bảng 4.2: Thông số đo đạc khi đánh lái sang phải ......................................................... 83 Bảng 4.3: Thông số đo đạc khi đánh lái sang trái ........................................................... 84 Bảng 4.4: Thông số của động cơ điện tạo cảm giác lái DCM1 ...................................... 87 Bảng 4.5: Thông số của động cơ điện chấp hành dẫn hướng DCM2 ............................. 88 Bảng 4.6: Biểu diễn chiều quay của cảm biến góc ......................................................... 95 Bảng 4.7: Tra cứu dây tín hiệu tốc độ xe ........................................................................ 97 Bảng 4.8: Thông số của vi xử lý STM32F407VET6 .................................................... 100 Bảng 4.9: Dữ liệu được thiết bị đóng gói để truyền đi.................................................. 105 Bảng I.1: Các thông số kỹ thuật của xe ô tô tải HINO 300Series ..................................... 2
1 MỞ ĐẦU Trên ô tô hiện đại, tính an toàn và tiện nghi được đặt lên hàng đầu. Hệ thống lái là một trong những hệ thống của ô tô có chức năng thay đổi và ổn định hướng khi ô tô chuyển động, do đó ảnh hưởng đến tính an toàn chủ động của ô tô. Với sự phát triển vượt bậc của ngành công nghiệp điện tử, việc ứng dụng các công nghệ điện tử lên các bộ phận, tổng thành trên ô tô là xu hướng tất yếu, công nghệ này đã được áp dụng lên tổng thành động cơ (điều khiển chân ga, EFI, ESA, ISC…), hệ thống an toàn như chống bó cứng phanh ABS, hệ thống ESC, phanh tay điện tử…Hệ thống lái ô tô cũng không ngoài xu hướng đó. Việc ứng dụng công nghệ điện tử vào hệ thống lái – Hệ thống lái Steer by wire (SBW) là một bước phát triển tiếp theo đáp ứng được với các đòi hỏi ngày càng cao về an toàn chuyển động cho ô tô, thoải mái, linh hoạt cho người lái và hơn nữa nó đáp ứng tốt nhất những yêu cầu cho một chiếc xe ô tô tự lái trong tương lai.  Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu: Hệ thống lái SBW là một trong các hệ thống trên ô tô được ứng dụng công nghệ điện tử. Thời gian gần đây có nhiều nhà khoa học trong nước và trên thế giới đã và đang nghiên cứu hoàn thiện hệ thống lái SBW, các nghiên cứu này cũng là tiền đề phát triển cộng nghệ lái tự động. Công nghệ lái hiện đại này được dự báo là công nghệ sử dụng trên phương tiện vận tải trong tương lai tại các thành phố lớn. Do vậy, nghiên cứu hệ thống lái SBW có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn nhằm nắm bắt các công nghệ tiên tiến trên thế giới để từng bước làm chủ công nghệ trong tương lai. Hiện nay công nghệ X-by wire được áp dụng trên ô tô như Hình 1.1 cho một số hệ thống như: Động cơ (Direct fuel injection), hệ thống phanh (Brake by wire), hệ thống treo (Active suspension), hệ thống lái (Electrically assisted power steering)… công nghệ này đã cho thấy những lợi ích rõ ràng: Nâng cao tính tiện nghi, cải thiện hiệu suất, tăng độ tin cậy, độ an toàn, giảm chi phí sản xuất, chi phí vận hành.
2 Hình 1.1: Các ứng dụng công nghệ “X - by wire” trên ô tô. Nối tiếp sự phát triển đó, xu hướng tiếp theo trong việc phát triển hệ thống lái là hoàn toàn loại bỏ trục lái – Hệ thống lái SBW, đây sẽ là thay đổi lớn nhất từ trước đến nay đối với hệ thống lái ô tô, cải thiện sự an toàn và gia tăng hiệu suất điều khiển, do đó cần được quan tâm nghiên cứu sâu hơn nữa và chứng minh hiệu quả của nó trong thực tế. Hệ thống lái SBW: Thay vì sử dụng trục lái cơ khí để truyền động đến cơ cấu lái (hệ thống lái truyền thống), hệ thống sử dụng một bộ chấp hành dẫn hướng (động cơ điện, thủy lực…) và một bộ điều khiển điện tử (gồm các cảm biến và bộ xử lý điện tử ECU). Việc nghiên cứu chuyển đổi từ hệ thống lái thông thường trên ô tô sang hệ thống lái SBW là nghiên cứu mang tính ứng dụng thực tiễn cao, liên quan đến các nghiên cứu động lực học của hệ thống lái và nghiên cứu điều khiển tối ưu cho hệ thống. Trên thế giới đã có nhiều tác giả nghiên cứu về hệ thống lái SBW, nhưng những nghiên cứu khoa học này rất khó để tiếp cận (các nghiên cứu bản quyền, nghiên cứu đặt hàng của các nhà sản xuất…), hoặc các nghiên cứu mới dừng ở mức độ mô phỏng hoặc nghiên cứu mới thực nghiệm trên mô hình mà chưa thực sự được kiểm chứng trên ô tô thực. Năm 2013 được đánh dấu với việc hãng sản xuất ô tô Nissan của Nhật Bản đã lần đầu tiên đưa hệ thống lái SBW lên mẫu xe thương mại Infiniti Q50 như Hình 1.2:
3 Hình 1.2: Hệ thống lái SBW trên xe Nissan Infiniti Q50 Hệ thống lái SBW trang bị trên xe Nissan intifiti Q50 gồm có: (1) Hệ thống cảm biến góc quay: Gửi tín hiệu (góc quay vành lái ) đến hệ thống tính toán điện tử. (2) Bộ phận ly hợp: Phần lớn thời gian ở trạng thái mở. Được kích hoạt khi hệ thống gặp sự cố, giúp duy trì liên kết cơ khí giữa vành lái với cơ cấu lái. (3) Hệ thống xử lý điện tử (ECU): Kiểm soát động cơ điện và hệ thống cảm biến góc quay vành lái sao cho góc quay bánh xe tương thích đúng với yêu cầu của người lái. (4) Hai động cơ điện: Không cần động cơ điện công suất lớn, tiết kiệm không gian lắp đặt, 02 động cơ điện này thực hiện vai trò của việc dẫn động lái và hình thang lái. Mặc dù vẫn còn chờ các đánh giá từ phía người dùng cũng như những cải tiến cho hệ thống của nhà sản xuất, nhưng bước đầu cho thấy hướng phát triển mới đối với hệ thống lái trên ô tô. Ở nước ta cũng đã có một số nghiên cứu trong vài năm gần đây về hệ thống lái SBW, tuy nhiên các nghiên cứu mới chỉ dừng lại trên mô hình bán thực nghiệm. Do đó việc nghiên cứu hệ thống lái SBW đầy đủ về cả phương diện lý thuyết và kiểm nghiệm trên xe ô tô thực tế là rất cần thiết. Luận án với định hướng nghiên cứu: “Nghiên cứu hệ thống lái Steer by wire điện tử -thủy lực” mong muốn đáp ứng phần nào các nhu cầu cấp thiết đặt ra đó.  Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống lái trợ lực thủy lực trên ô tô tải HINO 300Series.
4  Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm để chuyển đổi hệ thống lái có trợ lực thủy lực trên ô tải HINO 300Series sang hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực. Bơm thủy lực trợ lực lái vẫn được dẫn động trực tiếp từ động cơ của ô tô.  Ý nghĩa khoa học của nghiên cứu: - Là nghiên cứu đầu tiên ở Việt nam hoàn thành việc chuyển đổi hệ thống lái có trợ lực thủy lực trên ô tô HINO 300Series thành hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực. - Đã xây dựng mô hình động lực học và mô hình mô phỏng hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực phù hợp với đối tượng nghiên cứu, đạt độ chính xác cần thiết - Nghiên cứu phương pháp điều khiển phù hợp, xây dựng luật điều khiển. Thiết kế chế tạo bộ điều khiển công nghiệp hoạt động ổn định trên đối tượng nghiên cứu.  Ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu: - Hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực lắp trên Ô tô HINO 300Series là sản phẩm công nghiệp đã được thử nghiệm không tải, có tải tại chỗ và vận hành trên đường giao thông nội bộ. - Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng cho việc giảng dạy, nghiên cứu khoa học, chuyển giao công nghệ. - Mở ra một hướng nghiên cứu mới về việc chuyển đổi từ hệ thống lái ô tô thông thường sang hệ thống lái SBW.  Đóng góp của nghiên cứu: - Lần đầu tiên trong nước đã nghiên cứu chuyển đổi thành công hệ thống lái có trợ lực thủy lực trên xe ô tô HINO 300Series sang hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực. Sản phẩm hoàn thành là hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực lắp trên xe hoạt động ổn định, tin cậy ở các chế độ khai thác trong thực tế: Đánh lái tại chỗ (có trợ lực thủy lực và không có trợ lực thủy lực), di chuyển trên đường giao thông nội bộ với vận tốc 5 ÷ 10 km/h. - Mô hình lý thuyết, các thông số của hệ thống được tính toán và đo đạc từ các bộ xử lý, cảm biến điện tử cho kết quả chính xác; Bộ số liệu thực nghiệm được tiến
5 hành công phu, đầy đủ với các thiết bị, dụng cụ thí nghiệm hiện đại đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy. - Đã nghiên cứu tạo cảm giác lái cho hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực đầy đủ nhất bao gồm: Tạo mô men cảm giác khi đánh lái; Giới hạn vành lái khi đánh hết lái về hai phía bằng điện; Tự động trả vành lái về điểm cân bằng tương ứng với khi ô tô chuyển động thẳng.