Luận án Nghiên cứu hệ thống lái Steer By Wire điện tử - Thủy lực

Nội dung text: Luận án Nghiên cứu hệ thống lái Steer By Wire điện tử - Thủy lực

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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
5. 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
6. 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
7. v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU STT Thông số Ký hiệu Đơn vị 2 1 Mô men quán tính động cơ DCM1 퐽 1 kgm 2 Hệ số cản động cơ DCM1 1 N.m/(rad/s) 3 Hệ số cứng trục động cơ DCM1 퐾 1 N.m/rad 4 Hệ số mô men động cơ DC 1 N.m/A 5 Điện trở phần ứng 푅 1 ohm 2 6 Mô men quán tính vành lái 퐽푠푤 kgm 7 Hệ số cản vành lái 푠푤 N.m/(rad/s) 8 Hệ số cứng vành lái 퐾푠푤 N.m/rad 9 Hệ số ma sát nhớt động cơ DCM1 1 N.m/(rad/s) 10 Hệ số ma sát nhớt vánh lái 푠푤 N.m/(rad/s) 11 Tỷ số truyền hộp giảm tốc 𝑖 1 - 2 12 Mô men quán tính động cơ DCM2 퐽 2 kgm 13 Hệ số cản động cơ DCM2 2 N.m/(rad/s) 14 Hệ số cứng trục động cơ DCM2 퐾 2 N.m/rad 15 Hệ số ma sát nhớt động cơ DCM2 2 N.m/(rad/s) 16 Hệ số mô men động cơ DCM2 N.m/A 17 Điện trở phần ứng 푅 2 ohm 18 Tỷ số truyền hộp giảm tốc 𝑖 2 - 2 19 Mô men quán tính thanh xoắn 퐽푡 kgm 20 Hệ số cản thanh xoắn 푡 N.m/(rad/s) 21 Hệ số cứng thanh xoắn 퐾푡 N.m/rad 2 22 Mô men quán tính bánh răng 퐽 kgm 23 Hệ số cản bánh răng N.m/(rad/s) 24 Hệ số cứng bánh răng 퐾 N.m/rad 25 Bán kính bánh răng m 26 Hệ số cản thanh xoắn N.m/(rad/s) 27 Khối lượng thanh răng 푅 kg 28 Hệ số khớp nối dẫn động lái 퐾 푅 N.m/rad
8. vi 29 Khối lượng cụm xy lanh - pít tông thủy lực kg 30 Dịch chuyển của cụm xy lanh – pít tông; m 31 Dịch chuyển của thanh răng; m 32 Hệ số cản thanh răng 푅 N.m/(rad/s) 33 Chiều dài đòn quay bánh xe dẫn hướng 푙 m 2 34 Mô men quán tính của bánh xe quanh tâm quay 퐽퐹푊 kgm 35 Hệ số cản bánh răng 𝑖 N.m/(rad/s) 36 Hệ số cứng bánh răng 퐾 𝑖 N.m/rad 37 Mô đun đàn hồi khối 훽 kgf/m2 3 38 Thể tích dầu trong bơm 푠 .m 39 Lưu lượng qua bơm 푞 l/min 40 Hệ số lưu lượng dòng chảy - 41 Tỷ trọng chất lỏng 𝜌 kg/ m3 2 42 Diện tích pít tông m 43 Chiều dài xy lanh 퐿 m 2 44 Mô men quán tính khối của xe kgm 45 Khối lượng xe kg 46 Độ cứng của lốp trước khi quay vòng N /rad 47 Độ cứng của lốp sau khi quay vòng N /rad 2 48 Mô men quán tính vành lái 퐽푠푤 kgm 2 49 Mô men quán tính trục lái 푠 kgm 50 Hệ số cản nhớt 푠 N.m/(rad/s) 51 Khoảng cách từ trọng tâm đến trục trước 퐿 m 52 Khoảng cách từ trọng tâm đến trục sau 퐿 m 53 Vận tốc dọc của xe m/s
9. 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
10. 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
11. 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 푒1 giữa góc quay mô phỏng 휃 1 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 푒2 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 푒3 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 퐹_ 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
12. 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
13. 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 푒4 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 푒4 114
14. 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 푒4 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 푒5 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 푒5 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
15. 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
16. 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.
17. 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:
18. 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.
19. 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
20. 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.
21. 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Hệ thống lái với vấn đề quay vòng và ổn định hướng chuyển động ô tô Các kết quả thống kê và nghiên cứu thực nghiệm [10],[11],[12] cho thấy: Tỷ lệ tai nạn giảm đáng kể đối với các phương tiện được trang bị hệ thống cân bằng điện tử (ESC). Khi có vấn đề mất ổn định, hệ thống này sẽ can thiệp vào hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh (ABS) nhằm điều chỉnh góc xoay và tốc độ của từng bánh xe sao cho cân bằng với góc trượt quán tính của xe, nhờ vậy mà xe không bị chệch hướng đột ngột hay lật xe. Tuy nhiên sự tham gia của chúng đôi khi làm ảnh hưởng đến sự linh hoạt cũng như giới hạn sự hoạt động của xe, nhưng với hệ thống lái lại cho khả năng tốt hơn để thỏa mãn các vấn đề nêu trên: Trong một số trường hợp, việc sử dụng hệ thống lái thay vì phanh sẽ an toàn hơn bởi vì việc đánh lái phát sinh ít ma sát hơn giữa lốp xe và mặt đường. Trường hợp lốp xe phía sau đã đạt đến giới hạn độ bám của chúng khi xe đang chạy, lúc này kiểm soát duy nhất là bánh xe phía trước, nếu phanh trong tình huống này thường dẫn đến xe bị mất hướng và quay tròn không thể kiểm soát được [13]. (a) (b) Hình 1.3: Lực tác động lên bánh xe DH:(a) Lực tạo ra do phanh Fx, (b) Lực tạo ra khi lái Fy 푡 Trên Hình 1.3 mô men tạo ra do phanh: = 퐹 , mô men tạo ra do lái: = 푃 2 퐿 2퐹 . Lực bên Fy ở mỗi lốp xe chỉ bằng một phần tư lực theo chiều dọc Fx, tạo ra
22. 7 퐹 trong cùng một khoảng thời gian: 퐹 = vì vậy = 퐹 . Kết quả này cho thấy hệ 4 퐿 2 thống lái đặc biệt hữu ích để kiểm soát một chiếc xe khi lực 퐹 đã đến giới hạn bám. Đối với thiết kế trên ô tô hiện đại, tính an toàn và tiện nghi được đặt lên hàng đầu, chính vì vậy quỹ đạo chuyển động của ô tô được khảo sát một cách chặt chẽ trong nhiều tình huống khẩn cấp và tình trạng đường thay đổi [14]. Hình 1.4: Các bậc tự do của ô tô trong không gian Quỹ đạo chuyển động của ô tô là tổng hợp kết quả tương tác giữa hệ thống lái, động cơ, hệ thống truyền lực, hệ thống treo, phanh, lốp xe và tình trạng mặt đường. Ồn định quỹ đạo chuyển động thường được khảo sát qua động lực học theo phương dọc, động lực học theo phương ngang và động lực học theo phương thẳng đứng (Hình 1.4). Tổng hợp tác động của ba quỹ đạo này được phản ánh qua tương tác lốp với mặt đường. Do vậy, trên tất cả các khảo sát về quỹ đạo mô hình toán học của lốp được đưa vào một cách phù hợp. Các nhà thiết kế và người sử dụng quan tâm đến độ ổn định của thân xe nhằm đảm bảo tính an toàn và êm dịu của thân xe. Hay nói cách khác, để ổn định quy đạo chuyển động của thân xe cần khảo sát tình trạng mặt đường thông qua tác động của lốp lên thân xe. Một cách chung nhất, quỹ đạo chuyển động của xe được thể hiện qua ba tính chất: Tính năng động lực (performance), tính điều khiển (handling), và dao động theo phương thẳng đứng (ride) [15]. Tính năng động lực là khả năng ô tô có vận tốc trung bình lớn nhất trong điều kiện đường cụ thể, được đánh giá thông qua gia tốc của xe, góc dốc lớn nhất có thể vượt, thời gian, quãng đường tăng tốc và vận tốc lớn nhất. Chất lượng của việc điều khiển được thể hiện chính trong việc ổn định trạng thái cân bằng xe trước những tác động bên ngoài ngẫu nhiên. Tính điều khiển chuyển động là tình trạng thay đổi về không gian trạng thái của hành khách hay người sử dụng theo
23. 8 những ảnh hưởng ngẫu nhiên từ mặt đường. Khi khảo sát đảm bảo hướng chuyển động của ô tô thì phải xem xét đến cả ba tình trạng trên và mối quan hệ giữa chúng. Có thể thấy sự tương tác giữa xe và môi trường chuyển động qua Hình 1.5. Hình 1.5: Sơ đồ tương tác giữa ô tô, người lái và môi trường Khi khảo sát đảm bảo hướng chuyển động ô tô hay bất kì trạng thái khác một cách đầy đủ thì ta đều phải quan tâm đến động lực học của xe [16]. Động lực học xe được phân thành ba nhánh chính Hình 1.6: Động lực học theo phương dọc (Longgitudinal), động lực học theo phương ngang (Lateral), động lực học theo phương thẳng (Vertical). Hình 1.6: Động lực học điều khiển ô tô
24. 9 Động lực học theo phương ngang chủ yếu tập trung khảo sát quá trình quay vòng của xe. Khi ô tô chuyển động quay vòng, trạng thái động lực học theo phương ngang cần được khảo sát một cách kỹ lưỡng nhằm đảm bảo an toàn cũng như cảm giác thoải mái cho người sử dụng. Động lực học theo phương thẳng đứng khảo sát chuyển động lắc ngang của khung xe, trạng thái quay vòng, biến dạng bánh xe theo phương ngang, tình trạng mất ổn định hướng khi phanh. Hay nói cách khác, khi khảo sát hệ thống lái thì ngoài việc khảo sát động lực học bản thân hệ thống lái thì ta cần xem xét mối quan hệ trực tiếp đến động lực học theo phương ngang Hình 1.7 [6]. a) b) 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 Tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô là khả năng ô tô giữ được trạng thái chuyển động theo yêu cầu trong nhiều điều kiện chuyển động khác nhau. Tùy thuộc vào các trạng thái chuyển động khác nhau, ô tô có thể mất ổn định hướng chuyển động khi có tác dụng của lực ngang (do tác dụng của gió hoặc mặt đường nghiêng), khi quay vòng hoặc phanh gấp trên đường có hệ số bám khác nhau ở hai bên bánh xe. Trong những điều kiện sử dụng phức tạp như vậy, ô tô phải giữ được quỹ đạo chuyển động mong muốn theo tín hiệu điều khiển của người lái. Khi ô tô quay vòng, do ảnh hưởng lực quán tính ly tâm gây nên sự biến dạng bên của lốp. Do sự biến dạng của lốp, bán kính quay vòng thực tế của ô tô có thể khác với bán kính quay vòng mong muốn của lái xe. Điều này dẫn đến mất ổn định quỹ đạo chuyển động gây nguy hiểm cho người và phương tiện. Trong trường hợp lốp xe không
25. 10 biến dạng (ô tô quay vòng với tốc độ thấp xem như không chịu ảnh hưởng của lực quán tính ly tâm), bán kính quay vòng thực tế của ô tô trùng với bán kính quay vòng lý thuyết R và được xác định gần đúng theo góc quay của bánh xe dẫn hướng δ và chiều dài cơ sở L của ô tô theo công thức (1.1) [18]. LL RR (1.1) t tan Trong trường hợp này, trạng thái quay vòng của ô tô được gọi là quay vòng đúng (neutral steering). Tuy nhiên trong thực tế, do tính đàn hồi của lốp, các phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe khi ô tô quay vòng nên có các góc lệch bên trước (αf ) và sau (αr) như Hình 1.8. 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 Các góc lệch bên được xác định như sau: FFyfyr fr ; (1.2) CC fr Các lực Fyf , Fyr sẽ khiến các bánh xe cầu trước và bánh xe cầu sau lăn lệch khỏi phương chuyển động ban đầu dưới các góc lệch bên αf và αr. Trong đó Cαf và Cαr: Độ cứng bên tổng cộng của các bánh xe cầu trước và cầu sau. Với các góc quay nhỏ δ, αf, αr<<1, bán kính quay vòng thực tế của ô tô được xác định gần đúng như sau: