Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái nhằm tăng ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

34
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bố cục của luận án gồm có bốn chương như sau: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu; Xây dựng mô hình động lực học ô tô và hệ thống lái; Thiết kế bộ điều khiển và khảo sát chuyển động của ô tô với hệ thống lái tích cực; Nghiên cứu thực nghiệm.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái nhằm tăng ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ----------***---------- NGUYỄN ANH TUẤN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỶ SỐ TRUYỀN HỆ THỐNG LÁI NHẰM TĂNG ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô - máy kéo Ngành: Cơ khí động lực Mã số: 95.20.116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2018
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Giao thông Vận Tải Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Đào Mạnh Hùng 2. TS. Nguyễn Khắc Huân Phản biện 1: PGS.TS. Bùi Hải Triều Phản biện 2: GS.TS. Vũ Đức Lập Phản biện 3: PGS.TS. Lưu Văn Tuấn Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá Cấp Trường họp tại Trường Đại Học Đại học Giao thông Vận Tải vào hồi ……. ngày...… tháng … năm 201…. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia, Hà Nội - Thư viện Trường Đại học Đại học Giao thông Vận Tải
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hệ thống lái là một trong những hệ thống quan trọng của ô tô, có chức năng thay đổi và ổn định hướng khi ô tô chuyển động, do đó giữ vai trò quyết định đến tính an toàn chuyển động của ô tô. Hệ thống lái tích cực AFS (Active Front Steering) giúp người lái kiểm soát được các tình huống mất ổn định, nâng cao tính an toàn chuyển động của ô tô. Hệ thống lái tích cực là một trong các công nghệ mới được ứng dụng trong ngành ô tô. Tại Việt Nam cho tới nay đã có một vài đề tài đề cập đến ảnh hưởng của hệ thống lái đến quỹ đạo chuyển động của ô tô, tuy nhiên các hướng nghiên cứu mới tập trung chủ yếu vào các hệ thống lái có trợ lực chứ chưa đầu tư nghiên cứu sâu về hệ thống lái tích cực. Xuất phát từ các yêu cầu thực tế trên, nghiên cứu sinh đã chọn đề tài: “Nghiên cứu điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái nhằm tăng ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô” nhằm góp phần tạo dựng cơ sở lý thuyết và kiểm nghiệm trên mô hình bán thực nghiệm phục vụ cho việc đánh giá chất lượng của sản phẩm được thiết kế, chế tạo, hoàn thiện bộ điều khiển điện tử trên hệ thống lái tích cực nói chung. 2. Mục tiêu nghiên cứu + Xây dựng mô hình động lực học của ô tô + Xây dựng mô hình động lực học hệ thống lái tích cực + Xây dựng thuật toán, thiết kế bộ điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái nhằm ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô và được kiềm chứng bằng mô hình bán thực nghiệm 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài: là hệ thống lái tích cực trên ô tô con Phạm vi nghiên cứu của đề tài: + Đề tài chỉ nghiên cứu điều khiển thay đổi tỷ số truyền góc của hệ thống lái + Tiến hành thực nghiệm trên mô hình bán thực nghiệm với các chế độ quay vòng ổn định, chuyển làn, chuyển động thẳng vận tốc thay đồi và khi có gió ngang 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận án là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. 5. Nội dung và bố cục của luận án Xuất phát từ mục đích, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu, bố cục của luận án gồm có bốn chương như sau: Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học ô tô và hệ thống lái. Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển và khảo sát chuyển động của ô tô với hệ thống lái tích cực. Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm.
2 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô 1.1.1. Khái quát về an toàn chuyển động An toàn chuyển động là những giải pháp kỹ thuật đảm bảo cho ô tô và người ngồi trên xe an toàn trong quá trình chuyển động, đây là một trong những vấn đề đang được rất nhiều các nhà khoa học nghiên cứu hiện nay. An toàn chuyển động có thể được chia thành hai loại là an toàn thụ động và chủ động. 1.1.2. Ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô * Mất ổn định hướng khi quay vòng Khi ô tô quay vòng, do ảnh hưởng của sự biến dạng bên của lốp, bán kính quay vòng thực tế của ô tô có thể khác với bán kính quay vòng mong muốn của người điều khiển, dẫn đến mất ổn định quỹ đạo chuyển động gây nguy hiểm cho người và phương tiện. * Mất ổn định hướng do tác dụng của gió ngang Khi ô tô đang chuyển động thẳng, giá trị lực gió ngang lớn sẽ làm các lốp xe bị biến dạng bên và lăn lệch khỏi hướng chuyển động thẳng. * Mất ổn định hướng khi phanh Hiện tượng mất ổn định quỹ đạo chuyển động còn có thể xảy ra khi ô tô phanh gấp trên đường có hệ số bám không đều giữa hai bên bánh xe hoặc bánh xe giữa các cầu bị bó cứng không đồng thời. 1.1.3. Tỷ số truyền của hệ thống lái * Tỷ số truyền góc Tỷ số truyền góc của cơ cấu lái là tỷ số giữa góc quay vành lái và góc quay bánh xe dẫn hướng  sw ic   FW Trong đó: δsw là góc quay vành lái δFW là góc quay bánh xe dẫn hướng * Tỷ số truyền lực Là tổng tỷ số giữa mô men cản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng và mômen đặt lên vành lái cần thiết để khắc phục lực cản quay vòng. TFW il  Tsw Trong đó: TFW - mô men tác dụng lên bánh xe dẫn hướng Tsw - mô men đặt lên vành lái 1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài và trong nước 1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Đối với hệ thống lái tích cực (Active Steering), các công trình nghiên cứu trên thế giới tập trung vào các hướng sau:
3 - Hướng thứ nhất: Nghiên cứu và thiết lập mô hình động lực học của ô tô với hệ thống lái tích cực để ổn định quỹ đạo tiêu biểu là các công trình như: Sylvain Tardy đã nghiên cứu ổn định chuyển động của ô tô với hệ thống lái tích cực với phần mềm CarMaker Simulations. - Hướng thứ hai: Nghiên cứu thay đổi tỷ số truyền khi xe thay đổi tốc độ của các tác giả Wolfgang Reinelt, Katsuhiko Satoh… đã phát triển hệ thống điều khiển hệ thống lái tích cực. - Hướng thứ ba: Nghiên cứu về cơ cấu chấp hành của hệ thống lái tích cực như cơ cấu bánh răng hành tinh, mô tơ trợ lực lái của Willy Klier và Wolfgang Reinelt và Bjoern Avak - Hướng thứ tư: Các nghiên cứu về bộ điều khiển của hệ thống lái tích cực tiêu biểu như công trình của Masao Nagai và FengYing Tuy nhiên, sự hiểu biết của chúng ta về các công nghệ này chưa thật sự hoàn thiện vì các công trình nghiên cứu của các tác giả chỉ công bố công bố một phần hoặc không công bố nên việc tiếp cận các công nghệ trên là rất khó khăn. 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước Liên quan đến hệ thống lái và quỹ đạo chuyển động của ô tô, trong nước cũng đã có một số tác giả quan tâm nghiên cứu. Đỗ Sanh cùng các cộng sự đã biên soạn tài liệu về động học, động lực học, trong đó đã khảo sát động học quay vòng của ô tô ở tốc độ cao. Nguyễn Khắc Trai đã cho xuất bản tài liệu sách về tính điều khiển và quỹ đạo chuyển động của ô tô. Đào Mạnh Hùng đã làm rõ hơn mối quan hệ tác động giữa bánh xe và mặt đường của ô tô tải ở Việt Nam. Nguyễn Tuấn Anh đã giới thiệu bộ điều khiển tối ưu hệ thống lái tích cực ô tô trên tạp chí giao thông vận tải và tiến hành đánh giá chất lượng bộ điều khiển trong trường hợp có tác động của gió ngang. Tóm lại, các đề tài nghiên cứu trong nước những năm gần đây mới chỉ dừng lại ở mức phân tích động học và động lực học hệ thống lái thông thường, hệ thống lái tích cực chưa được nghiên cứu sâu sắc để đánh giá hiệu quả và tác động đối với quá trình chuyển động của ô tô. 1.3. Kết luận chương 1 Chương 1 đã khái quát tiến trình phát triển của các hệ thống lái trên ô tô để thấy được vị trí và vai trò của hệ thống lái tích cực. Qua nghiên cứu các công trình liên quan đến đề tài trong, ngoài nước: ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô, mối quan hệ giữa tốc độ xe và tỷ số truyền, cơ cấu chấp hành, bộ điều khiển của hệ thống lái tích cực cho thấy nghiên cứu điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái nhằm tăng ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô là hướng nghiên cứu mang nhiều tính mới, khả thi, có ý nghĩa khoa học cao nhằm từng bước làm chủ kỹ thuật, công nghệ hiện đại theo xu thế nội địa hóa sản phẩm và phát triển công nghiệp phụ trợ cho ngành ô tô Việt Nam.
4 CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA Ô TÔ VÀ HỆ THỐNG LÁI 2.1. Xây dựng mô hình chuyển động của ô tô 2.1.1. Mô hình động lực học ô tô chuyển động trong mặt phẳng Mô hình ô tô hai vết bánh xe (Hình 2.1), nghiên cứu chuyển động của ô tô trong trường hợp tổng quát khi chịu tác dụng của phản lực dọc và phản lực ngang từ mặt đường lên các bánh xe, các lực ngang...với giả thiết tải trọng tĩnh phân bố đối xứng theo phương chuyển động của ô tô. Hình 2.1. Mô hình chuyển động của ô tô trong mặt phẳng Trong đó: C-Trọng tâm ô tô; δi - Góc quay của các bánh xe dẫn hướng thứ i, 1 ,  2  0, 3 ,  4  0 ; αi - Góc lệch bên của bánh xe thứ i (i = 1 ÷ 4); ψ - Góc quay thân xe quanh trục thẳng đứng qua trọng tâm; β - Góc lệch thân xe so với phương chuyển động; v - Vận tốc chuyển động của ô tô; vxC ,vyC - Các thành phần vận tốc ô tô trong hệ tọa độ trọng tâm; vi - Vận tốc của bánh xe thứ i (i = 1÷ 4); v - Gia tốc tiếp tuyến của ô tô; a  v     - Gia tốc hướng tâm của ô tô; Fyi - Phản ht lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe thứ I; Fxi - Lực dọc tác dụng lên bánh xe thứ i (i = 1÷ 4); b1, b2 - Khoảng cách từ trọng tâm đến tâm vết bánh xe bên trái, bên phải; a1, a2 - Khoảng cách từ trọng tâm đến tâm vết bánh xe phía trước, phía sau; Fwx - Lực cản không khí Fwx  0, 5cw Aw vx2 , trong đó cw là hệ số cản không khí, ρw là mật độ không khí, và A là diện tích cản chính diện của ô tô.; Fwy - Lực gió ngang; lw - Khoảng cách từ điểm đặt lực gió ngang tới trọng tâm xe. Biến đổi hệ phương trình trên thành hệ phương trình với các biến là v, β,  như sau: v  v        Fx1  Fy11  Fx 2  Fy 2 2  Fx3  Fx 4  Fwx  1 (2.1) m v       v 1 mv  Fx11  Fy1  Fx 2 2  Fy 2  Fy 3  Fy 4  Fwy  (2.2) 1    Fx1  Fy11  b1   Fx11  Fy1  a1   Fx 2  Fy 2 2  b2  (2.3)    J z    Fx 2 2  Fy 2  a1  Fx 3b2  Fy 3a2  Fx 4b1  Fy 4 a2  Fwylw    Các phương trình 2.1 - 2.3 được sử dụng để khảo sát chuyển động của ô tô khi quay vòng và khi chịu tác dụng của lực ngang. Để có thể khảo sát, cần phải xác định được các phản lực Fy từ mặt đường lên các bánh xe.
5 2.1.2. Mô hình động lực học của bánh xe đàn hồi Bánh xe trực tiếp tương tác với mặt đường để tạo ra các trạng thái chuyển động của ô tô theo tín hiệu điều khiển của người lái, do đó bánh xe ảnh hưởng lớn đến các tính chất động lực học của ô tô. Mô hình này nhằm xác định giá trị của phản lực ngang Fy   dựa vào góc lệch bên  i của lốp. Hình 2.2 [45] là mô hình chuyển động bánh xe, trong đó vxi là vận tốc dọc của bánh xe, vyi là vận tốc ngang của bánh xe, vi là tổng hợp vận tốc của bánh xe và βi là góc hợp bởi phương vận tốc vi và phương chuyển động của thân xe. Ở đây các lực tác dụng từ mặt đường lên bánh xe bao gồm: phản lực thẳng đứng Fzi, phản lực ngang Fyi, phản lực dọc Fxi. để xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô khi chuyển động ổn định cần xác định được các phản lực ngang Fyi, trong đó các lực này được xác định thông qua các góc lệch bên của bánh xe. Hình 2.2. Các lực tác dụng từ mặt đường lên bánh xe [45] 2.1.3. Mô hình xác định tải trọng tác dụng lên các bánh xe Sử dụng mô hình chuyển động của ô tô trong không gian để xác định tải trọng thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe như hình 2.3. Từ hình vẽ ta thấy, các ngoại lực gây ra tải trọng thẳng đứng ở các bánh xe bao gồm: Trọng lượng bản thân của xe G, lực cản không khí Fwx, lực gió ngang Fwy, lực quán tính tiếp tuyến Ftt  mv , lực quán tính ly tâm Flt  mv     . Các lực quán tính đặt Hình 2.3. Mô hình xác định tải trọng thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe tại trọng tâm ô tô, có chiều cao so với mặt đường là hg. Lực cản không khí và lực gió ngang đặt tại tâm hình học của tiết diện ô tô theo phương ngang cách mặt đất hwx và theo phương dọc cách mặt đất hwy. Sử dụng các phương trình cân bằng mô men, xác định được phản lực tại các bánh xe theo công thức sau:
6   mv sin   mv     cos   a2 hwy hg Fz1  G  Fwy  2 L 2  b1  b2  2  b1  b2  (2.4)   Fwx  g mv cos   mv     sin   g Fwx  g Fwy hwx h h h  2L 2L 2a1 2b1  mv sin   mv     cos    a2 hwy hg Fz 2  G  Fwy  2 L 2  b1  b2  2  b1  b2  (2.5)  Fwx  g mv cos   mv     sin   g Fwx  g Fwy  hwx h h h  2L 2L 2a1 2b2  mv sin   mv     cos    a2 hwy hg Fz 3  G  Fwy  2 L 2  b1  b2  2  b1  b2  (2.6)  Fwx  g mv cos   mv     sin   g Fwx  g Fwy hwx h h h  2L 2L 2a2 2b2   mv sin   mv     cos   a2 hwy hg Fz 4  G  Fwy  2 L 2  b1  b2  2  b1  b2  (2.7)   Fwx  g mv cos   mv     sin   g Fwx  g Fwy hwx h h h  2L 2L 2a2 2b1 2.2. Xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô Hình 2.4 là sơ đồ simulink mô phỏng động lực học chuyển động của ô tô. Đầu vào của mô hình bao gồm: vận tốc ô tô v, góc quay của các bánh xe dẫn hướng i, các thông số của mô hình lốp. Đầu ra của mô hình là vận tốc của trọng tâm ô tô (vx và vy), quỹ đạo chuyển động của trọng tâm ô tô (dịch chuyển theo phương dọc x và phương ngang y). Từ góc quay của các bánh xe dẫn hướng fl, fr kết hợp với các thông số vận tốc của xe vx, vy,  và tải trọng thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe Fzi sẽ xác định được phản lực ngang tác dụng lên các bánh xe thông qua mô hình bánh xe. Đưa các phản lực ngang này vào mô hình phẳng hai vết bánh xe sẽ xác Hình 2.4. Sơ đồ simulink mô phỏng động lực học chuyển định các góc quay , động của ô tô
7 β và các vận tốc góc quay  ,  của thân xe. Kết hợp các góc quay, vận tốc góc quay này với vận tốc chuyển động v của xe, ta thu được quỹ đạo chuyển động của ô tô. 2.3. Xây dựng mô hình hệ thống lái ô tô 2.3.1. Mô hình hệ thống lái tích cực Mô hình của hệ thống lái tích cực (Hình 2.5), bao gồm hệ thống lái bị động và cơ cấu Harmonic có mô tơ điều khiển. Các giả thiết xây dựng mô hình bao gồm: - Động lực học của hệ thống lái được coi là tuyến tính - Không có tổn hao truyền lực và truyền động bên trong hệ thống lái Trong đó: K SL1 , K SL 2 - độ cứng của đòn đòn bên;  SLL1 ,  SLL 2 - góc xoay ngang phía dưới của đòn ngang bên của bên trái và bên phải;  - hệ số quay đòn ngang bên của hệ thống lái; BSL1 , BSL 2 - hệ số cản giảm chấn của thanh điều chỉnh liên kết bánh xe bên trái và bên phải; CFFW 1 , CFFW 2 - lực ma sát khô giữa mặt đường và bánh xe bên trái, bên phải; AT1 , AT2 - mô men từ mặt đường tác dụng lên bánh xe bên trái và bên phải; FW1, FW2 - góc quay của bánh xe bên trái và bánh xe bên phải; ηF - Hiệu suất của bộ truyền bánh răng; ηB - Hiệu suất phản hồi của bộ truyền bánh răng; RP - bán kính của bánh răng truyền lực; KT - Độ cứng của lò xo xoắn van trợ lực thủy lực; ηB - Hiệu suất của hệ thống lái thủy lực; mR - khối lượng của thước lái; NL - chiều dài của thanh liên kết từ thước lái đến bánh xe; Φ - hệ số bám của bánh xe;  sc - góc quay của trục lái phía trên  Motor - góc quay mô tơ;  scc - góc quay của trục lái phía dưới.  sw - góc quay vành lái; Tsw - mô men tác dụng lên vành lái; Ksc - độ cứng xoắn của trục lái; Bsw - hệ số cản xoắn của trục lái;  sc - góc quay của trục lái;  P - góc quay của bánh răng; YR - dịch chuyển ngang của thanh răng; CFR - lực ma sát khô tác dụng giữa bánh răng và thanh răng; Hình 2.5. Sơ đồ hệ thống lái tích cực BR - hệ số cản dịch chuyển ngang giữa trục bánh răng và thanh răng;  SLU 1 ,  SLU 2 - góc xoay ngang phía trên của đòn bên;
8 Đối với hệ thống lái bị động, góc quay bánh xe dẫn hướng thay đổi khi người lái xoay vành lái. Tuy nhiên khi ô tô chuyển động dưới tác dụng của lực ngang và biến dạng bên của bánh xe thì bánh xe thay đổi một góc so với điều khiển của người lái. Để khắc phục hiện tượng này, hệ thống lái tích cực với mô tơ điều khiển giúp bù lại góc sai lệch tại các bánh xe dẫn hướng, giúp ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô. 2.3.2. Mô hình toán học hệ thống lái tích cực a. Mô hình toán học cơ cấu Harmonic Quan hệ giữa các góc quay của cơ cấu Harmonic có dạng: N 1 1  scc   sc   Motor N N Trong đó N là tỷ số truyền cơ cấu Harmonic. b. Mô hình toán học xác định góc quay bánh xe dẫn hướng theo góc quay vành lái với hệ thống lái tích cực Viết các phương trình này dưới dạng ma trận: M1x  C1x  K1x  F1  G1 (2.8) Trong đó: x   scc1 , YR ,  FW 1 ,  FW 2  T  N   N N 1    N  1 Bsw 0 0 0   N  1 I sc  I sccc  0 0 0     N    BR M1   0 1 0 0 0 0 0   MR   C    0 0 1 0 1  BSL1  0 0 0   0 0 0 1   I FW 1      BSL 2   0 0 0  I FW 2    N N 1  N  1 KT     N  1 K sc  N KT  0 0     N RP    F KT 1  B F   B K SL1  B K SL 2     2  K SL1  K SL 2   2 KT   K1   RP M R MR  NL RP  NL M R NL M R   K SL1 K   0  SL1 0   N L I FW 1 I FW 1     K SL 2 K SL 2  0 0   N L I FW 2 I FW 2 
9  Bsw sw  K sc sw   0         R sgn Y   PS F     B  K SL1  K SL 2    CF  MR R MR PS  ,  M R NL      F1   G1    FW sgn  FW 1   CF 1 K SL1     AT   I FW 1  I FW 1 1 I FW 1        CFFW sgn    FW 2      1 AT  K SL 2    I 2 I FW 2   I FW 2   FW 2 c. Mô hình toán học xác định mô men của mô tơ điều khiển từ góc quay bánh xe dẫn hướng với hệ thống lái tích cực I scc  N 2 I M  scc 2  CM sgn  scc 2   T  scc 2  T YR K K (2.9) TMotor   N N N .RP 2.4. Mô hình mô phỏng hệ thống lái Trên hình 2.6 là mô hình tổng quát hệ thống lái tích cực Hình 2.6. Sơ đồ Simulink hệ thống lái tổng quát 2.5. Kết luận Trong chương này tác giả đã xây dựng mô hình động lực học chuyển động của ô tô, hệ thống lái tích cực và xây dựng các thuật toán điều khiển thay đổi tỷ số truyền hệ thống lái tích cực bằng phần mềm Matlab. Đã xác định sự phụ thuộc của vận tốc góc quay thân xe  , gia tốc góc quay thân xe  vào góc quay bánh xe dẫn hướng δi. Trên cơ sở xây dựng mô hình động lực học của bánh xe đàn hồi để xác định giá trị của phản lực ngang F   dựa vào góc y
10 lệch bên  i của lốp theo công thức thực nghiệm “Magic Formula” của Pacejka, xây dựng mô hình xác định tải trọng tác động lên bánh xe để xác định tải trọng thẳng đứng Fz . Đã xây dựng mô hình động học hệ thống lái tích cực trên cơ sở hệ thống lái bị động và cơ cấu Harmonic để xác định được góc bù của mô tơ để thay đổi góc quay bánh xe dẫn hướng nhằm ổn định quỹ đạo chuyển động ô tô. CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ VỚI HỆ THỐNG LÁI TÍCH CỰC 3.1. Thiết kế bộ điều khiển 3.1.1. Đặt vấn đề Hiện nay, có rất nhiều kiểu điều khiển được ứng dụng trên các hệ thống điện tử ô tô như điều khiển PID, TS, logic mờ.... Việc dùng lý thuyết mờ sẽ giúp chúng ta giải quyết các tham số trên một cách tối ưu nhất. Mục tiêu của bộ điều khiển AFS là ổn định quỹ đạo mong muốn của ô tô bằng cách: Tối thiểu sai lệch giữa vận tốc góc, gia tốc góc quay thân xe lý thuyết xác định theo tín hiệu điều khiển của người lái và vận tốc góc, gia tốc góc quay thân xe thực tế. 3.1.2. Thiết kế bộ điều khiển AFS - Fuzzy Logic Tập luật điều khiển được xây dựng trên nguyên tắc “If…Then” kết hợp với kiến thức chuyên gia trong lĩnh vực nghiên cứu. Luật điều khiển được xây dựng nhằm nâng cao khả năng ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô. Tập luật điều khiển bao gồm 25 luật được trình trong bảng 3.1: Bảng 3.1. Tập luật của bộ điều khiển logic mờ Sai lệch gia tốc góc Delta_sup NL NS Z PS PL NL PL PL PS PS PS NS PL PS Z Z NS Sai lệch vận tốc góc Z PS Z Z Z NS PS PS Z Z NS NL PL NS NS NS NL NL Quan hệ truyền đạt của bộ điều khiển mờ thể hiện mối quan hệ giữa tín hiệu đầu vào (sai lệch vận tốc và sai lệch gia tốc góc quay thân xe) với tín hiệu đầu ra (góc bù bánh xe dẫn hướng). Quan hệ này được thể hiện trên hình 3.1.
11 Hình 3.1. Quan hệ truyền đạt của bộ điều khiển mờ 3.1.3. Thiết kế bộ điều khiển Fuzzy logic của mô tơ với hệ thống lái tích cực Chương trình điều khiển mô tơ được xây dựng dựa trên lưu đồ thuật toán và từ sơ đồ thuật toán trên tác giả đã sử dụng phần mềm Matlab R2016a và mã nguồn mở Arduino hỗ trợ trên Simulink để phát triển và mô phỏng các thuật toán chạy độc lập trên Arduino (Hình 3.2). Hình 3.2. Mô hình tổng quát điều khiển mô tơ của hệ thống lái tích cực Đầu vào của mô hình điều khiển là các thông số được lấy từ tín hiệu góc quay vành lái, góc quay trục lái sau mô tơ VGRS, tín hiệu chân ga, tín hiệu đo áp suất lốp sau đó các thông số trên được vào mô hình lái tích cực để tính toán ra góc quay bánh xe dẫn hướng. Sau đó góc quay này sẽ được đưa vào tính toán lực ngang tác động lên bánh xe theo biểu thức Pacejka. Thông số trên được đưa vào mô hình phẳng hai vết để tính ra góc lệch thân xe, vận tốc góc quay thân xe, gia tốc góc quay thân xe. Giá trị trên được tiếp tục đưa vào mô hình Fuzzy Logic để xác định góc quay hiệu chỉnh rồi đưa ra xung điều khiển cung cấp cho driver công suất để điều khiển mô tơ, đảm bảo quỹ đạo chuyển động của ô tô một cách chủ động nhất. Ngoài ra còn có một tín hiệu góc quay bánh xe dẫn hướng để đưa thông số góc quay bánh xe dẫn hướng lên màn hình quan sát.
12 3.2. Mô phỏng khảo sát chuyển động của ô tô với tác động điều khiển tỉ số truyền của hệ thống lái 3.2.1. Khảo sát chuyển động của ô tô khi quay vòng Khi độ cứng ngang lốp trước nhỏ hơn độ cứng ngang lốp sau sẽ xảy ra trường hợp quay vòng thiếu, góc đánh lái quay trái 90 độ, thời gian đánh lái 5s, tốc độ xe 40 km/h, hệ số quay vòng Ks = 0.11 Hình 3.3. Các lực ngang tác dụng lên các lốp Hình 3.4. Góc quay trục lái trước và sau mô tơ Quỹ đạo Quỹ đạo Hình 3.5. Góc quay trung bình bánh xe dẫn hướng Hình 3.6. Quỹ đạo chuyển động của ô tô Nhận xét: - Khi quay vành lái một góc 1.57 rad (90 độ) thì góc quay của trục lái phía trước mô tơ là 90 độ. Khi có sự điều chỉnh của mô tơ bước thì góc quay trục lái phía sau mô tơ đạt 180 độ (Hình 3.4 ) do góc quay điều chỉnh của mô tơ quay thêm một góc 90 độ nên góc quay trung bình bánh xe dẫn hướng đạt 19 độ so với góc quay mong muốn là 20 độ (Hình 3.5 ). - Khi không có mô tơ điều chỉnh, giá trị gia tốc ngang đạt 3,96 [m/s2] so với giá trị mong muốn là 4.4 [m/s2]. Giá trị của gia tốc ly tâm khi có mô tơ điều chỉnh sẽ gần với giá trị của gia tốc ly tâm mong muốn - Trong trường hợp quay vòng thiếu, đường kính quay vòng của ô tô khi không có sự can thiệp của hệ thống lái tích cực là 90 m, khi có hệ thống lái tích cực là 75 m, quỹ đạo theo lý thuyết mong muốn là 72 m. Như vậy, hệ thống lái tích cực sẽ điều chỉnh góc quay bánh xe dẫn hướng để quỹ đạo của ô tô tiến gần hơn với quỹ đạo mong muốn (Hình 3.6) tương ứng với tỷ số truyền của hệ thống lái là 14.5
13 3.2.2. Khảo sát chuyển động của ô tô khi chuyển động thẳng a. Khảo sát chuyển động của ô tô dưới tác dụng của gió ngang Tiến hành mô phỏng khảo sát chuyển động khi ô tô chịu tác dụng của lực gió ngang với giả thiết lực gió ngang đặt tại tâm thiết diện xe, góc đánh lái bằng 0, tốc độ xe đạt 80 km/h, lực gió ngang 500 N Lực ngang [N] Thời gian [s] Hình 3.7. Các lực ngang tác dụng lên các lốp Quỹ đạo [m] Quỹ đạo [m] Hình 3.8. Quỹ đạo chuyển động của ô tô Hình 3. 9. Đồ thị tỷ số truyền
14 Nhận xét: - Khi không có điều khiển, giá trị của các lực ngang tác dụng lên lốp (Hình 3.7) như sau: bánh xe phía trước bên trái và sau trái đạt giá trị Fy1 = Fy4= 145 [N], bánh xe trước phải và sau bên phải đạt Fy3 = Fy2 = 105[N]. - Gia tốc ngang tại trọng tâm của ô tô cũng đạt giá trị trung bình sau khi có hệ thống lái tích cực là 0.006 [m/s2], giảm 10 lần so với khi không có hệ thống lái tích cực là 0.06 [m/ s2] và tiệm cận với giá trị mong muốn là 0 [m/ s2]. - Quỹ đạo chuyển động của ô tô (Hình 3.8), cho thấy khi có tác động của lực gió ngang 500 N thì ô tô sẽ bị lệch khỏi quỹ đạo chuyển động thẳng 1,4 m trên chiều dài quãng đường là 100 m, khi đó mô tơ của hệ thống lái tích cực sẽ quay một góc điều chỉnh phù hợp để giữ quỹ đạo chuyển động thẳng của ô tô và lệch so với đường quỹ đạo chuyển động thẳng 0,8 m sau 100 giây, tỷ số truyền trong trường hợp này là 16,2 (Hình 3.9). b. Khảo sát chuyển động của ô tô khi chuyển động thẳng thay đổi tốc độ Thí nghiệm được tiến hành trong trường hợp chuyển động của ô tô khi không có sự tác động của lực gió ngang, vận tốc tăng dần đều từ V = 0 - 140 km/h, độ cứng lốp trước và lốp sau bằng nhau, người lái giữ vành lái ở vị trí ô tô chuyển động thẳng. [50]. Vận tốc [km/h] Hình 3.10. Đồ thị tỷ số truyền theo vận tốc Nhận xét: Đồ thị hình 3.10 cho thấy mối quan hệ phụ thuộc giữa vận tốc và tỷ số truyền theo tỷ lệ thuận. Lúc mới bắt đầu di chuyển và tốc độ thấp thì tỷ số truyền nhỏ, khi vận tốc ô tô tăng cao (lớn hơn 100 km/h) thì tỷ số truyền cũng tăng theo. Nếu tốc độ 100 km/h thì mô tơ AFS không tác động vào hệ thống lái vả tỷ số truyền lúc này là 17.5. 3.2.3. Khảo sát chuyển động của ô tô khi chuyển làn Tiến hành mô phỏng khảo sát chuyển động của ô tô khi chuyển làn với điều kiện đầu vào là góc quay vành lái góc quay vành lái dao động từ 50 độ đến -50 độ, tốc độ V=80 km/h, các kích thước của sa hình được mô phỏng theo tiêu chuẩn quốc tế (ISO 3888) [28] với cung đường tiêu chuẩn có chiều dài là 60 m bao gồm 2 làn đường, các giá trị a = 3.135 m và b = 3.850 m. Trên đoạn đường thí nghiệm có bố trí cọc mốc di động và kẻ vạch.
15 Góc quay [độ] Có điều khiển Nhận xét: - Khi không có sự can thiệp Không điều khiển của hệ thống lái tích cực, các lực ngang cực đại tác dụng lên lốp như sau: bánh xe tích cực phía trước bên trái và phải đạt giá trị Fy1 = Fy2 = 190 [N], bánh xe sau bên trái Hình 3.11. Đồ thị góc quay bánh xe dẫn hướng và bên phải đạt Fy3 = Fy4 =200 [N] được thể hiện trên 300 Fy fl (Hình 3.12). Lực ngang [N] 200 Fy Fy Fr rl - Đồ thị hình 3.13 cho thấy 100 Fy rr quỹ đạo chuyển động của ô 0 N tô khi có sự can thiệp của hệ -100 thống lái tích cực sẽ tiệm cận với quỹ đạo mong muốn. -200 -300 0 1 2 3 4 Thời gian [ s ] 5 6 7 8 9 - Khi không có sự can thiệp Hình 3.12. Đồ thị các lực ngang tác dụng lên các lốp của mô tơ bước thì độ lệch lớn nhất của quỹ đạo thực tế và mong muốn theo thí nghiệm trên là 0,2 [m]. Khi có sự can thiệp của mô tơ thì Quỹ đạo [m] độ lệch lớn nhất của quỹ đạo thực tế và mong muốn khi thí nghiệm chuyển làn là 0,05 [m], tương ứng với tỷ số truyền là 16,3 Quỹ đạo [m] Hình 3.13. Đồ thị quỹ đạo chuyển động của ô tô 3.3. Kết luận chương 3 - Trên cơ sở lý thuyết chương 2 tác giả đã nghiên cứu nguyên lý về điều khiển mờ dùng để thiết kế bộ điều khiển hệ thống lái AFS theo hướng Fuzzy logic. Các mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm Matlab R2016a và công cụ Simulink cho phép mô phỏng động lực học của ô tô với hệ thống lái tích cực AFS. - Đã tiến hành khảo sát quỹ đạo chuyển động của ô tô khi có hoặc không có điều khiển của hệ thống lái tích cực AFS. Đồng thời đã phân tích, đánh giá các kết quả mô phỏng bằng phần mềm trong các điều kiện quay vòng thiếu, quay vòng thừa, chuyển làn, chuyển động thẳng với tốc độ thay đổi và có tác động của gió ngang để thấy được vai trò điều khiển của mô tơ nhằm ổn định quỹ đạo chuyển động ô tô.
16 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1. Mục đích, nhiệm vụ và đối tượng thí nghiệm 4.1.1. Mục đích thí nghiệm Kiểm nghiệm tính đúng đắn của mô hình lý thuyết. Xác định các thông số đầu vào như tốc độ, góc quanh vành tay lái, hệ số bám, tải trọng trên mô hình bán thực nghiệm. Thiết kế và chế tạo bộ điều khiển hệ thống lái tích cực. 4.1.2. Đối tượng thí nghiệm Đối tượng thí nghiệm được chọn là bệ thử hệ thống lái tích cực AFS có gắn mô tơ VGRS của ô tô Lexus LX 470. Các thông số đầu vào để khảo sát chuyển động hệ thống lái tích cực có gắn mô tơ VGRS được thể hiện trên bảng 4.1 Hình 4.1. Lưu đồ bộ điều khiển mô tơ lái tích cực 4.1.3. Điều kiện thí nghiệm Để thí nghiệm và xử lý các số liệu xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô khi sử dụng hệ thống lái tích cực AFS có gắn mô tơ VGRS trên mô hình bán thực nghiệm. 4.2. Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống lái tích cực AFS Nghiên cứu thực nghiệm là phương pháp phổ biến được áp dụng để kiểm chứng lại cơ sở lý thuyết đã được xây dựng và thường được tiến hành trên trên sản phẩm thật hoặc trên mô hình bán thực nghiệm. NCS đã đưa ra phương án thiết kế mô hình hệ thống lái tích cực AFS bán thực nghiệm. Mô hình bán thực nghiệm là sự kết hợp của cụm hệ thống thực, máy tính và phần mềm chuyên dùng. 4.2.1. Hệ thống lái tích cực Kết cấu cơ khí bao gồm hệ thống lái và cầu trước được lấy nguyên bản từ ô tô Lexus LX 470 để đảm bảo tính chính xác của các góc đặt bánh xe, hệ thống lái… trong quá trình thử nghiệm (Hình 4.2).
17 Hình 4.2. Cụm cầu trước của xe Lexus LX 470 4.2.2. Bộ phận tạo tải Khi ô tô chuyển động, tải trọng của ô tô tác dụng lên mặt đường thay đổi theo tình trạng mặt đường và tốc độ chuyển động của ô tô. Chức năng chính của bộ phận tạo tải (Hình 4.3) là tạo ra lực cản tương ứng lên cầu trước của mô hình như khi ô tô chuyển động trên các loại đường khác nhau. Bộ phận đo tải trọng tác động lên bánh xe là cảm biến tải trọng 1. Đĩa đo góc quay bánh xe đẫn hướng; 2. Cảm biến đo tải trọng tác động của bánh xe lên mặt đường; 3. Bộ phận tạo tải trọng tác động của Hình 4.3. Các bộ phận tạo tải cho mô hình AFS bánh xe và mặt đường 4.2.3. Cụm đo góc quay bánh xe Dịch chuyển bánh xe bên phải và bên trái ảnh hưởng trực tiếp bởi góc đặt bánh xe và thông số hình thang lái. Trong luận án, NCS sử dụng các cảm biến đo độ dịch chuyển góc quay (Hình 4.4) có chức năng chính là theo dõi góc quay vành lái và góc quay bánh xe dẩn hướng. 1.Cảm biến đo góc quay bánh xe dẫn hướng; 2. Cảm biến đo độ dịch chuyển trục lái trước mô tơ AFS; 3. Cảm biến đo độ dịch chuyển trục lái Hình 4.4. Cụm đo góc quay bánh xe dẫn hướng sau mô tơ AFS 4.2.4. Cảm biến đo góc quay Luận án dùng 3 cảm biến đo góc quay Omron E6F-CWZ5G thuộc loại encoder tương đối với 360 xung trong một vòng quay (Hình 4.8), để đo góc xoay vành lái, góc xoay trục lái sau mô tơ và góc xoay bánh xe với đường kính trục: 10mm, đường kính thân: 60mm, điện áp hoạt động: 12...24V DC.
18 4.2.5. Cấu trúc điều khiển động cơ một chiều không chổi than (BLDCM) BLDCM có ba cuộn dây stator và một rotor là nam châm vĩnh cửu. Dòng điện cảm ứng rotor có thể được bỏ qua do điện trở suất cao của cả nam châm và lõi thép không gỉ. Mô tơ được cung cấp từ nguồn điện áp một chiều ba pha theo phương pháp điều chế xung thay đổi tần số theo thời gian (PWM) (Hình 4.5) Hình 4.5. Sơ đồ chức năng mạch điều khiển mô tơ BLDC 4.2.6. Chế tạo bộ điều khiển mô tơ của hệ thống lái tích cực a. Khái quát về bộ điều khiển lái tích cực Bộ điều khiển hệ thống lái tích cực (AFS) được nghiên cứu chế tạo bố trí trên mô hình hệ thống (Hình 4.6), có chức năng chính là điều khiển mô tơ của hệ thống lái tích cực. Nó bao gồm các bộ phận sau: Khối chuyển đổi điện áp, khối phân tích các cảm biến và tín hiệu điều khiển, khối điều khiển mô tơ nguồn điện và chương trình matlab tạo thành bộ điều khiển hệ thống lái tích cực AFS. 1- Nguồn cung cấp cho vi xử lý; 2- Bộ phận chuyển đổi DC - DC cách ly, chống nhiễu; Hình 4.6. Hộp điều khiển hệ thống lái tích cực 3- Bộ vi xử lý đọc cảm biến (có tích hợp mạch giao tiếp với máy tính); 4- Bộ vi xử lý xử lý các giá trị và điều khiển mô tơ; 5- Mạch lọc tín hiệu đầu vào chống nhiễu; 6- Driver LoadCell; 7- Nguồn cung cấp cho mạch khiển mô tơ; 8- Mạch điều khiển mô tơ; 9- Tản nhiệt; 10- Mạch điều khiển chốt mô tơ. Dựa trên sơ đồ mạch nguyên lý mô tả trên, tác giả đã chế tạo mạch điều khiển mô tơ của hệ thống lái tích cực (ECU - VGRS) gồm 4 khối chính là: Khối chuyển đổi điện áp - cấp nguồn, khối đọc các giá trị cảm biến, khối điều khiển mô tơ và khối điều khiển khóa mô tơ (Hình 4.7). Board mạch điều khiển động cơ một chiều Hình 4.7. Mạch điều khiển mô tơ không chổi than với dãi điện áp 12-48V DC với một chiều không chổi than đầu vào là chiều quay và tín hiệu điều chế độ rộng xung từ vi điều khiển. Với cơ chế trên, board mạch sẽ nhận chiều quay thì dữ liệu chiều quay đưa vào và tín hiệu điều chế xung