Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô583

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lại Năng Vũ NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH PHANH Ơ TƠ Chun ngành : Kỹ thuật ô tô - máy kéo Mã số : 62 52 35 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - Năm 2012 Công trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tập thể hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan PGS.TS Hồ Hữu Hải Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Nhật Chiêu Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Văn Bang Phản biện 3: PGS.TS Bùi Hải Triều Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi 14giờ, ngày 10 tháng năm 2012 Có thể tìm hiểu luận án tại: + Thư viện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội + Thư viện Quốc gia MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hệ thống phanh giữ vai trò quan trọng đảm bảo an toàn chuyển động tơ, giúp giữ an tồn cho người, hàng hóa phương tiện Để q trình phanh tơ đạt hiệu cao, giữ ổn định hướng chuyển động tốt phụ thuộc nhiều vào điều khiển trình phanh Hiện nay, đa số ô tô sử dụng hệ thống phanh có khả tự động điều chỉnh trở thành tiêu chuẩn đánh giá tiêu yêu cầu kỹ thuật độ tin cậy xe Tại Việt Nam tăng nhanh số lượng xe ô tô đại, đặt yêu cầu phải sớm làm chủ kỹ thuật, công nghệ ô tô Do đó, nghiên cứu hệ thống điều khiển q trình phanh có ý nghĩa thực tiễn, nhằm nâng cao chất lượng khả cạnh tranh cho sản phẩm ô tô chế tạo nước Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu hệ thống điều khiển q trình phanh tơ, đề xuất cấu trúc, thuật tốn mơ điều khiển chống hãm cứng bánh xe phanh có xét đến ổn định hướng chuyển động xe phanh Xây dựng thuật toán điều khiển, thiết kế, chế tạo điều khiển điện tử cho hệ thống phanh dẫn động thủy lực có ABS tơ nhằm góp phần bước làm chủ khoa học kỹ thuật đại ngành công nghiệp ô tô Việt Nam Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: nghiên cứu điều khiển điện tử hệ thống chống hãm cứng bánh xe (ECU-ABS) hệ thống phanh ABS dẫn động thủy lực ô tô Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu điều khiển q trình phanh xe tơ chỗ dẫn động phanh thủy lực có ABS, chưa kể đến kỹ thuật chẩn đoán lưu lỗi hệ thống Phương pháp nghiên cứu sản phẩm Phương pháp nghiên cứu: kết hợp mơ lý thuyết máy tính thực nghiệm ô tô Sản phẩm đề tài: thuật tốn điều khiển ECU-ABS, mơ hình mơ trình phanh hệ thống phanh ABS Chế tạo, thử nghiệm ECU- ABS cho ô tô chuyển đổi, hiển thị vận tốc góc, gia tốc góc bánh xe phanh Bố cục luận án Luận án phần mở đầu kết luận, gồm chương: Chương 1: Tổng quan điều khiển q trình phanh tơ Chương 2: Cơ sở điều khiển q trình phanh tơ Chương 3: Xây dựng mơ hình mơ hệ thống điều khiển q trình phanh tơ Chương 4: Thiết kế chế tạo thử nghiệm điều khiển điện tử hệ thống phanh ABS Chương TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH PHANH Ơ TƠ 1.1 Tai nạn giao thơng yếu tổ ảnh hưởng Sự tăng trưởng kinh tế Việt Nam năm gần kéo theo phát triển nhanh chóng phương tiện tơ số lượng, chủng loại, với gia tăng nhanh nguy làm an tồn giao thơng đường Tai nạn giao thơng ô tô gây phụ thuộc điều kiện môi trường giao thơng, người lái tình trạng kỹ thuật ô tô Hệ thống phanh ô tô hệ thống giúp bảo đảm ổn định an tồn chuyển động xe 1.2 Tình hình nghiên cứu giới 1.2.1 Sự phát triển hệ thống phanh ô tô Hệ thống phanh ô tô có tiến trình phát triển lâu dài, đến tương đối hoàn thiện Hệ thống phanh ABS ứng dụng xe ô tô từ năm 60, ngày trở thành tiêu chuẩn bắt buộc ô tô Với phát triển công nghiệp điện tử, hệ thống phanh ABS tích hợp với hệ thống khác thực chức năng: chống trượt quay TCS, phân bố lực phanh EBD, trợ lực phanh khẩn cấp BAS ổn định điện tử ESP Từ năm 2002 trở lại đây, hệ thống điều khiển xe tích hợp điều khiển đồng thời hệ thống phanh, lái, treo xe (thường gọi X-by-Wire), chấp hành thủy lực thay dần hệ thống điện Đến hệ thống phanh hoàn thiện, u cầu xử lý, tính tốn đưa tín hiệu điều khiển nhanh, xác địi hỏi trình điều khiển hệ thống hợp lý, khoa học nghiên cứu hệ thống điều khiển q trình phanh tơ u cầu cấp thiết 1.2.2 Các cơng trình nghiên cứu điều khiển q trình phanh Trên giới có nhiều đề tài nghiên cứu hệ thống phanh ABS, tiêu biểu cơng trình như: Rengaraj cộng sự: nghiên cứu động lực học xe hệ thống điều khiển ABS, xây dựng mơ hình Matlab/Simulink mô phần mềm chuyên dụng SimCar, thử nghiệm, đánh giá mơ hình mơ Cem Unsal Pushkin Kachroo: nghiên cứu đưa thuật toán điều khiển dựa mơ hình điều khiển trượt, sử dụng lọc Kalman để loại bỏ nhiễu Ming-Chin Wu Ming-Chang Shih: nghiên cứu điều khiển kết hợp theo độ rộng xung PWM độ trượt để thiết kế mô hình điều khiển hệ thống phanh ABS M Oudghiri cộng sự: nghiên cứu điều khiển theo kiểu trượt logic mờ để điều chỉnh lực phanh Hyeongcheol Lee Masayoshi Tomizuka: ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi để nghiên cứu chống trượt bánh xe Mark A Morton: nghiên cứu chế độ điều khiển chống trượt quay bánh xe ô tô rô bốt Hunsang Jung cộng sự: đề xuất mơ hình mơ trình điều khiển chống trượt quay bánh xe CHUN and Sunwoo: mơ q trình điều khiển chống trượt bánh xe dùng cho hệ thống TCS Như vậy, giới nhiều cơng trình nghiên cứu hệ thống phanh điều khiển trình phanh ô tô, nhiều lý kết nghiên cứu cơng bố chủ yếu mang tính chất giới thiệu, nhiều nội dung khoa học, số liệu công bố không thống chuyển giao ứng dụng vào cơng nghiệp tơ Việt Nam cịn khó khăn 1.3 Tình hình nghiên cứu Việt Nam Tại Việt nam có đề tài nghiên cứu hệ thống phanh ABS, tiêu biểu cơng trình: PGS.TS Phạm Hữu Nam: nghiên cứu bổ sung số tiêu để đánh giá hiệu phanh ô tô nước ta Luận án tiến sĩ Dương Tiến Minh: nghiên cứu nâng cao chất lượng phanh ô tơ qn với hệ thống phanh có lắp điều hòa lực phanh, nhằm nâng cao chất lượng phanh ô tô quân sử dụng Quân đội nhân dân Việt Nam Nguyễn Văn Tiềm: ứng dụng lý thuyết điều khiển đại-điều khiển thích nghi (logic mờ) mạng nơ ron nhân tạo, để điều khiển chống bó cứng bánh xe phanh mơ hình mơ ¼ xe Nguyễn Sỹ Đỉnh: đề xuất thiết lập mơ hình tính tốn động lực học dẫn động phanh thủy lực theo mơ hình đàn hồi lắp đặt, thử nghiệm hệ thống ABS lên xe UAZ - 31512 nhằm nâng cao chất lượng xe huy quân đội Các đề tài nghiên cứu hệ thống phanh ABS tác giả Nguyễn Mạnh Cường, Hồ Hữu Hùng, Nguyễn Thanh Tùng số đề tài nghiên cứu mô chuyển động ô tô phanh tác giả Vũ Tiến Linh, Đỗ Ngọc Thịnh Tóm lại, có nhiều cơng trình nghiên cứu vấn đề này, cơng trình chủ yếu nghiên cứu điều khiển hệ thống ABS phương diện lý thuyết, phương pháp nghiên cứu mô máy tính thử nghiệm mơ hình phịng thí nghiệm, kết thu khác nhiều so với thực tế Việc thiết kế chế tạo phận hệ thống ABS chưa nhiều dừng lại việc lắp đặt hệ thống ABS lên xe ô tô 1.4 Kết luận chương Do yêu cầu ngày cao tính an tồn chuyển động tiện nghi tơ, việc nghiên cứu động lực học chuyển động xe nói chung, nghiên cứu chuyển động xe phanh phát triển hệ thống điều khiển q trình phanh nói riêng nhà khoa học hãng sản xuất ô tô giới dành quan tâm đặc biệt Có thể nói, giới việc nghiên cứu hệ thống phanh điều khiển trình phanh phát triển tương đối tồn diện nhiều lý khác mà kết nghiên cứu chưa công bố cách đầy đủ, chủ yếu mang tính chất giới thiệu, việc ứng dụng vào sản xuất tơ nước cịn hạn chế Đối với nước ta, xuất phát từ yêu cầu thực tiễn mang tính cấp thiết ngành cơng nghiệp tơ địi hỏi nhanh chóng làm chủ kỹ thuật, công nghệ đại, tiến tới tự chủ khai thác, sửa chữa sản xuất chế tạo cụm, hệ thống, có hệ thống phanh Tuy có nhiều cơng trình nghiên cứu hệ thống phanh, điều khiển q trình phanh tơ, nay, kết nghiên cứu chưa đáp ứng yêu cầu thiết kế, chế tạo cụm, hệ thống, chi tiết nhằm nâng cao chất lượng ô tô lắp ráp sản xuất nước Với yêu cầu đó, nội dung nghiên cứu luận án làm sở cho đề tài điều khiển q trình phanh tơ sử dụng hệ thống phanh ABS Chương CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH PHANH ƠTƠ 2.1 Vấn đề điều khiển q trình phanh tơ Trong q trình phanh, bánh xe lăn, bám, trượt mặt đường tiếp nhận phản lực từ mặt đường Lực bám, đặc trưng hệ số bám ϕ , gồm hai thành phần hệ số bám dọc ϕ x hệ số bám ngang ϕ y Quan hệ ϕ x ϕ y theo độ trượt mô tả Hình 2.3 Trong vùng a (vùng ổn định), hệ số bám dọc ϕ x tăng nhanh theo tăng độ trượt λ đạt giá trị lớn nhất, vùng hệ số bám ngang ϕ y có giá trị cao Trong vùng b, hệ số bám dọc ϕ x giảm độ trượt tiếp tục tăng hệ số bám ngang ϕ y Hình 2.3 giảm nhanh Khi λ =100% (bánh xe trượt hồn tồn) hệ số bám ngang ϕ y có giá trị nhỏ Do đó, hệ thống ABS nghiên cứu, thiết kế nhằm trì độ trượt bánh xe nằm vùng có độ trượt tối ưu λ 2.2 Hệ thống chống hãm cứng bánh xe phanh Hình 2.7 1- Xy lanh chính; 2- Bộ chấp hành; 3- Xy lanh bánh xe; ECU Chức hệ thống ABS giữ cho bánh xe khơng bị trượt q trình phanh, giúp đảm bảo tính ổn định hướng hiệu phanh Kết đạt trì độ trượt bánh xe vùng có hệ số bám dọc cao Mục tiêu đạt nhờ điều chỉnh áp suất dầu dẫn động cấu phanh bánh xe 2.2.1 Chu trình điều khiển ABS Quá trình điều khiển hệ thống ABS thực theo chu trình kín Sơ đồ ngun lý hệ thống ABS Hình 2.7 2.2.2 Quá trình điều khiển hệ thống ABS Bộ ECU-ABS nhận tín hiệu từ cảm biến đo vận tốc góc đặt bánh xe, xử lý định chế độ điều khiển nhờ việc so sánh gia tốc góc bánh xe với giá trị ngưỡng gia tốc góc bánh xe Quá trình biến đổi Hình 2.8, sau: Khi người lái đạp phanh, áp suất dầu (p) hệ thống tăng lên, làm mô men phanh ( M b ) bánh xe tăng, đồng thời làm cho độ trượt bánh xe tăng làm tăng giá trị gia tốc góc ( ω ) chậm dần bánh xe Khi M b tăng đến thời điểm hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại (điểm đường cong ϕ x = f (λ ) Hình 2.8a), độ trượt bánh xe đạt giá trị độ trượt tối ưu (λ ) ω bánh xe tăng đột ngột, giá trị ϕ x bắt đầu giảm Hình 2.8 M b − Mϕ có giá trị lớn, bánh xe có xu hướng bị hãm cứng Giai đoạn ứng với đoạn 0-1 đường cong Mb = f (λ ) , ϕ x = f (λ ) Hình 2.8a Hình 2.8b, c gọi pha tăng áp Bộ điều khiển (ECU) so sánh ω bánh xe với giá trị ngưỡng gia tốc góc chậm dần ω , giá trị ω bánh xe nhỏ giá trị ngưỡng ω , ECU phát tín hiệu cho chấp hành giảm áp suất dầu dẫn động Sự giảm áp suất bắt đầu với độ trễ định quán tính hệ thống ABS Do độ trượt bánh xe tiếp tục tăng làm ϕ x giảm, đồng thời làm M b giá trị ω giảm đột ngột Giai đoạn ứng với đoạn 1-2 đường cong Mb = f (λ ) , đường cong ϕ x = f (λ ) Hình 2.8a Hình 2.8b, c gọi pha giảm áp Lúc ω bánh xe giảm dần đạt giá trị ngưỡng gia tốc góc giữ áp ω2 Hình 2.8c, ECU tín hiệu điều khiển chấp hành thực trình giữ áp suất hệ thống không thay đổi M b thời gian giữ ổn định, độ trượt bánh xe giảm, làm ω bánh xe tăng nhanh ω = ω3 bánh xe đạt giá trị cực đại vận tốc bánh xe tiến gần đến vận tốc ô tô, ϕ x tăng đạt giá trị cưc đại Giai đoạn ứng với đoạn 2-3 đường cong M b = f (λ ) , ϕ x = f (λ ) Hình 2.8a Hình 2.8b, c gọi pha giữ áp Khi ω bánh xe đạt giá trị cực đại ω3 ứng với thời điểm ϕ x max ECU tín hiệu điều khiển chấp hành thực trình tăng áp suất dẫn động phanh Như vậy, sau điểm lại bắt đầu pha tăng áp chu kỳ làm việc hệ thống ABS Từ lập luận thấy hệ thống phanh ABS điều khiển M b ϕ x thay đổi theo chu kỳ khép kín 1-2-3-1 (Hình 2.8a), bánh xe làm việc vùng có ϕ x ϕ y có giá trị cao Giá trị ω bánh xe điểm (1) gọi giá trị ngưỡng giảm áp ω1 , điểm (2) gọi giá trị ngưỡng giữ áp ω2 điểm (3) giá trị ngưỡng tăng áp ω3 làm sở để nghiên cứu, thiết kế chế tạo ECU-ABS 2.2.3 Ứng dụng lô gic điều khiển ABS a Ứng dụng lô gic truyền thống: hệ thống ABS lắp ô tơ điều khiển dựa thuật tốn lơ gic truyền thống Ưu điểm ECU ứng dụng lô gic truyền thống đơn giản, thuận tiện nghiên cứu, thiết kế, chế tạo tổng hợp điều khiển b Ứng dụng lô gic mờ: năm gần đây, điều khiển mờ ứng dụng nhiều lĩnh vực có ECU-ABS Ưu điểm việc ứng dụng thuật tốn lơ gic mờ: khơng cần miêu tả xác đối tượng khảo sát dễ dàng ứng dụng kinh nghiệm chuyên gia vào điều khiển hệ thống, giải tốn có nhiều yếu tố phi tuyến, phức tạp mà luật điều khiển truyền thống gặp khó khăn Tuy nhiên, chương trình điều khiển phức tạp nên việc ứng dụng điều khiển mờ tự động điều khiển ô tô nói chung hệ thống phanh nói riêng cịn hạn chế 2.2.4 Phương pháp điều khiển ABS 10 a Điều khiển theo giá trị độ trượt: Thuật toán điều khiển theo giá trị độ trượt λ ECU-ABS nhận tín hiệu từ cảm biến, tính tốn λ bánh xe, so sánh với giá trị độ trượt tối ưu λ Tùy theo giá trị λ , ECU-ABS tín hiệu điều khiển áp suất dầu hệ thống phù hợp với trạng thái chuyển động bánh xe trình phanh Phương pháp có ưu điểm đạt hiệu phanh cao, nhược điểm khó xác định xác giá trị λ b Điều khiển theo gia tốc góc bánh xe: Thuật tốn điều khiển theo gia tốc góc bánh xe ω ECU-ABS nhận tín hiệu từ cảm biến, tính tốn ω , so sánh với giá trị ngưỡng gia tốc góc chọn trước Tùy theo giá trị ω , ECU-ABS tín hiệu điều khiển áp suất dầu hệ thống phù hợp với trạng thái chuyển động bánh xe trình phanh Phương pháp thường ứng dụng thực tế xác định ω , q trình điều khiển khó đạt giá trị độ trượt tối ưu điều khiển khơng theo dõi λ trượt bánh xe đánh giá gián tiếp qua ω ω bánh xe 2.3 Sự quay thân xe phanh Trong thực tế, bánh xe ô tô chuyển động mặt đường thường xuyên có hệ số bám ϕ khác làm xuất mô men quay thân xe phanh, làm cho ô tô bị lệch hướng chuyển động Để giữ cho thân xe không bị quay phanh, yêu cầu hệ thống ABS điều khiển giảm áp suất dầu hệ thống dẫn động phanh nhằm tạo mô men ngược chiều với mô men làm quay thân xe, giữ cho xe ổn định hướng 2.4 Các tiêu đánh giá chất lượng trình phanh Chất lượng điều khiển trình phanh đánh giá theo tiêu hiệu phanh (quãng đường phanh S , gia tốc chậm dần phanh , thời gian phanh t p lực phanh F x hay lực phanh riêng) ổn định hướng tơ phanh (góc lệch thân xe γ độ lệch xe phanh AN), tiêu chuẩn phanh áp dụng nước ta theo Tiêu chuẩn châu Âu ECE Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6824-2001 13 Ý nghĩa số: fl - Bánh trước trái; fr - Bánh trước phải; rl - Bánh sau trái; rr - Bánh sau phải Hình 3.4 Mơ hình động lực học tơ phanh Với giả thiết mơ hình động lực tơ phanh trên, hệ phương trình vi phân chuyển động thân xe có dạng: ( ) ( ) m ( y + ε x) = ( Fxfl + Fxfr ) sin β + ( F yfl + F yfr) cos β + F yrl + F yrr I zε = a ( F xfl + F xfr) sin β + (F yfl +F yfr) cos β −b (F yrl +F yrr) m ( x − ε y) = Fxfl + Fxfr cos β − F yfl + F yfr sin β + F xrl +F xrr −F a B F xfr − F xfl cos β + F yfl −F + ( ) ( ) sin β + (F xrr −F xrl) (3.3-3.5) yfr Phản lực mặt đường tác dụng lên bánh xe phanh xác định theo công thức: m.g b m.ax hg m.a y b.h g − − Fzfl = (0.1) 2L 2L L B m g.b m.ax hg m.a y b.h g − + Fzfr = (0.2) 2L 2L L B m g a m.a x.h g m.a y.a h g + − Fzrl = (0.3) L B 2L 2L m ax hg + m a y.a h g F zrr = m g a + L B 2L 2L (0.4) Từ hệ phương trình trên, xây dựng mơ hình mơ động lực học chuyển động ô tô phanh Hình 3.5 14 Hình 3.5 Mơ hình mô chuyển động thân ô tô phanh 3.3 Mơ hình bánh xe Mơ hình chuyển động bánh xe, Hình 3.6 Phương trình vi phân chuyển động quay bánh xe có dạng: I wω fl = −M bfl − r bF xfl (3.14) I wω fr = −M bfr − rbF xfr (3.15) (3.16) I wω rr = −M brr − rb Fxrr (3.17) đó, Iw - mơ men qn tính bánh xe, I wω rl = −M brl − rb F xrl Hình 3.6 [kg m2 ]; rb - bán kính lăn bánh xe, [m]; Mbfl , Mbfr , Mbrl , Mbrr - mô men phanh bánh xe trước trái, trước phải, sau trái sau phải [N.m] Độ trượt dọc độ trượt bên bánh xe xác định sau: v − ω i rb cosα i r ω sinα i ; λ yi = b i λ xi = i vi vi đó, vi , α i - vận tốc dài góc lệch bên bánh xe Để mô tương tác lốp xe mặt đường, sử dụng mơ hình lốp xe Burckhardt Quan hệ hệ số bám độ trượt dạng: −C2λ − C λ (3.25) đó, C , C , C -các hệ số thực nghiệm ( ) Ta có mơ hình mơ động lực học bánh xe ô tô phanh ϕ = C1 − e Hình 3.10 3 15 Hình 3.10 Mơ hình mơ động lực học bánh xe 3.4 Mơ hình hệ thống dẫn động phanh thủy lực Luận án nghiên cứu điều khiển trình phanh với sơ đồ hệ thống dẫn động phanh thủy lực có ABS Hình 3.12 Hình 3.12 Sơ đồ hệ thống dẫn động phanh thủy lực có ABS Sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, để xây dựng mơ hình mơ hệ thống dẫn động phanh thủy lực có ABS Hình 3.13 Hình 3.13 Mơ hình mơ hệ thống dẫn động thủy lực có ABS 16 Trên sở kết cấu hệ thống dẫn động thủy lực xe ô tô thực, xây dựng mô hình khối, thiết lập phương trình cân lưu lượng, dịch chuyển áp suất dầu cụm, xây dựng mơ hình mơ khối: xy lanh phanh chính, van điều chỉnh áp suất, xy lanh công tác cấu phanh 3.4 Bộ điều khiển ABS có xét đến ổn định hướng Luận án đề xuất điều khiển ABS-SC dựa hệ thống ABS suy luận theo lô gics mờ Cấu trúc chức điều khiển trình bày mục 3.1, thuật tốn điều khiển điều khiển Hình 3.19 Mơ hình mơ suy luận mờ, Hình 3.21 Hình 3.19 Cơ sở để xây dựng suy luận theo lô gic mờ dựa điều kiện bảo đảm tính quay vịng ô tô, thiết kế với hai biến đầu vào sai lệch vận tốc quay thân xe vi phân Hình 3.21 Bộ suy luận theo lơgic mờ er , biến đầu , hệ số lựa chọn chế độ điều khiển ABS hay K điều khiển ổn định hướng Các biến đầu vào mờ hóa giá trị ngơn ngữ: (er , er ) = (NB, NM, ZE, PM, PB) Biến đầu mờ hóa giá trị ngơn ngữ: K =(NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB) 17 3.5 Mơ hệ thống điều khiển q trình phanh ô tô Mục tiêu việc mô nhằm đánh giá chất lượng phanh xác định giá trị ngưỡng gia tốc góc bánh xe sơ phục vụ trình thiết kế chế tạo thử nghiệm ECU-ABS 3.5.1 Mô đánh giá hoạt động hệ thống điều khiển phanh Để đánh giá hoạt động hệ thống, mô phanh xe đường nhựa khô ϕmax = 0,7 (Hình 3.27), đường nhựa ướt ϕmax = 0,5 (Hình 3.28) đường nửa khơ, nửa ướt (Hình 3.29) Hình 3.27 Hình 3.28 Nhận xét: Khi phanh gấp đường khơ đường ướt, xe khơng có hệ thống ABS, bánh xe nhanh chóng bị bó cứng Cịn xe có hệ thống ABS, q trình điều khiển ABS bánh xe khơng bị bó cứng, mà biến thiên theo quy luật giảm-tăng với tần suất khoảng lần/giây (đường khô) khoảng lần/giây (đường ướt) 18 Khi phanh đường nửa khô, nửa ướt: xe có hệ thống phanh ABS có xét đến ổn định hướng, vận tốc góc bánh xe biến đổi theo quy luật điều khiển ổn định hướng, ECU ưu tiên điều khiển giữ ổn định hướng chuyển động ô tô phanh Kết mô trường hợp làm việc điển hình phù hợp với kết mơ công bố 3.5.2 Mô đánh giá chất lượng phanh Để đánh giá chất lượng phanh, mô phanh xe đường khô đường ướt, vận tốc bắt đầu phanh khác trường hợp khơng có ABS có ABS Hình 3.33 Hình 3.34 Hình 3.35 Hiệu phanh đường nửa khơ, nửa ướt v0=40km/h Hiệu phanh vận tốc bắt đầu phanh v0=40km/h đường khơ Hình 3.33, đường ướt hình 3.34 đường nửa khơ, nửa ướt Hình 3.35 Tổng hợp kết mơ đánh giá chất lượng phanh số trường hợp Bảng 3.3 19 Bảng 3.3 So sánh tiêu hiệu phanh ô tô đường khô đường ướt khơng có có hệ thống ABS Gia tốc phanh (m/s 2) Thời gian phanh (s) Quãng đường phanh (m) Hiệu Hiệu Hiệu K có Có K có Có K có Có (km/h) ABS ABS ABS ABS ABS ABS Đường khô hệ số bám lớn ϕ max =0,7 40 2,64 2,19 -17% 14,68 11,65 -21% -3,99 -5,55 39% 60 3,99 3,11 -22% 33,34 25,05 -25% -4,00 -5,74 44% 80 5,37 4,11 -23% 60,06 43,84 -27% -3,98 -5,83 46% 100 6,79 5,03 -26% 95,49 67,77 -29% -3,93 -5,92 51% Đường ướt hệ số bám lớn ϕ max =0,5 40 5,40 3,53 35% 29,93 16,94 43% -2,00 -3,88 94% 60 8,22 4,79 42% 68,82 35,31 49% -1,98 -4,02 103% 80 11,17 6,10 45% 125,96 60,79 52% -1,95 -4,13 112% 100 14,32 7,40 48% 204,50 93,52 54% -1,897 -4,18 121% v0 2.5.3 Mô xác định giá trị ngưỡng gia tốc góc bánh xe Để xác định giá trị ngưỡng gia tốc góc bánh xe, tiến hành mô phanh gấp loại đường có ϕmax = (0,2; 0,4; 0,6; 0,8), với vận tốc bắt đầu phanh v0 =(20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120)km/h Trong trường hợp, giá trị ngưỡng gia tốc chọn thời điểm chuyển đổi trạng thái pha chu kỳ điều khiển Giá trị ngưỡng gia tốc góc giá trị trung bình gia tốc góc bánh xe trình phanh Hình 3.39 Mật độ phân bố chuẩn giá trị ngưỡng gia tốc Tổng hợp giá trị ngưỡng gia tốc, nhờ phương pháp quy hoạch thực nghiệm xây dựng quy luật phân bố chuẩn ngưỡng gia tốc góc Hình 3.39 Dựa quy luật phân bố chuẩn, chọn 20 giá trị ngưỡng gia tốc góc : ngưỡng giảm áp ω1 = −192,728rad/ s ; ngưỡng 2 giữ áp ω = −67,749 rad/ s ; ngưỡng tăng áp ω = 169,512 rad/ s 3.6 Kết luận chương Xây dựng mơ hình mơ động lực học tơ phanh, mơ hình mô hệ thống dẫn động phanh thủy lực, đề xuất cấu trúc xây dựng mơ hình mơ điều khiển ABS-SC Ứng dụng lô gic mờ suy luận mờ để điều khiển ổn định hướng chuyển động phanh Các mơ hình mơ động lực học phanh ô tô với hệ thống dẫn động phanh thủy lực xây dựng phần mềm Matlab-Simulink cho phép mô nghiên cứu đánh giá chất lượng q trình phanh khơng có ABS, có ABS thường ABS-SC Đây kết luận án Với thuật toán điều khiển theo độ trượt, luận án tiến hành mơ điều khiển q trình phanh hệ thống phanh ABS hệ thống phanh ABSSC với vận tốc bắt đầu phanh điều kiện mặt đường khác cho kết phù hợp với kết cơng bố, chứng tỏ mơ hình xây dựng sử dụng cho nghiên cứu Kết mơ minh chứng hệ thống ABS giúp nâng cao hiệu phanh, hệ thống ABS-SC nâng cao tính ổn định hướng xe phanh Sử dụng mơ hình mơ với thuật toán điều khiển theo độ trượt bánh xe phương pháp quy hoạch thực nghiệm xác định sơ giá trị ngưỡng gia tốc góc bánh xe ECU-ABS sử dụng xe nghiên cứu với giá trị ω1 = −192,728rad/ s ; ω2 = −67,749 rad/ s2 ; ω3 = 169,512rad/ s Kết giúp sơ lựa chọn giá trị ngưỡng gia tốc góc q trình thiết kế, chế tạo thử nghiệm ECU-ABS Chương Chương THIẾT KẾ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ HỆ THỐNG PHANH ABS 4.1 Cơ sở thiết kế ECU-ABS Bộ ECU-ABS thiết kế cho hệ thống phanh ABS ô tô du lịch loại chỗ, sử dụng cảm biến vận tốc góc đặt bánh xe, cấu chấp hành loại van vị trí 21 4.2 Thiết kế, chế tạo điều khiển (ECU-ABS) Luận án thiết kế, chế tạo ECU-ABS với cấu trúc đề xuất Hình 4.4, gồm mơ đun chính: khối thu xử lí tín hiệu từ cảm biến; khối nguồn; khối công suất điều khiển rơ le, van điện từ chấp hành vi điều khiển Sơ đồ thuật toán điều khiển ECU-ABS chế tạo Hình 4.9 Khi phanh xe với vận tốc v < , ABS chưa kích hoạt, hệ thống làm việc chế độ phanh bình thường, áp suất dầu hệ thống dẫn động trạng thái tăng áp thời điểm kết thúc trình phanh Hình 4.4 Sơ đồ cấu trúc ECU-ABS Khi phanh xe với vận tốc v ≥ , ABS làm việc, ECU xác định ω bánh xe Khi ω ≥ ω1 :ECU điều khiển van điện từ chấp hành thực tăng áp suất hệ thống làm ω giảm Nếu ω giảm đến ω1 , ω < ω1 ECU tín hiệu chấp hành thực chế độ giảm áp bơm dầu làm việc (bơm ON), làm áp suất dầu Hình 4.9 Sơ đồ thuật toán điều khiển ECU-ABS chế tạo hệ thống giảm xuống, ω tăng lên đến ω2 , ω ≥ ω ECU tín hiệu chấp hành thực chế độ giữ áp, làm áp suất dầu hệ thống không đổi ω tiếp tục tăng đến ω , ω ≥ ω ECU tín hiệu chấp hành thực chế độ tăng áp, làm áp suất dầu hệ thống tăng lên, ω giảm xuống Nếu ω giảm đến ω1 , ω < ω1 ECU tín hiệu chấp hành thực 22 chế độ giảm áp (bắt đầu chu kỳ tiếp theo) Giá trị ngưỡng điều khiển (ω1, ω ,ω ) xác định sơ từ mô Chương Sử dụng phần mềm Proter, thiết kế mô đun phù hợp với yêu cầu, tính kỹ thuật khối ECU-ABS Lựa chọn, lắp ráp linh kiện (vi xử lý thạch anh 8MGHZ, vi xử lý điều chỉnh xung M324 linh kiện điện tử khác), ECU-ABS chế tạo Hình 4.10 Lập trình, nạp chương trình cho vi xử lý với giá trị ngưỡng gia tốc sơ xác định từ mô Chương Lắp ECU-ABS lên xe thử nghiệm cho xe chạy phanh gấp loại đường với vận tốc khác để hiệu chỉnh giá trị ngưỡng gia tốc góc ECU-ABS Hình 4.10 Bộ điều khiển điện tử ECUABS chế tạo 4.3 Thử nghiệm điều khiển điện tử xe 4.3.1 Mục đích: xác định vận tốc gia tốc góc bánh xe phanh làm sở hiệu chỉnh giá trị ngưỡng gia tốc góc sử dụng thuật tốn điều khiển nạp cho điều khiển ECU-ABS Kiểm tra, đánh giá chất lượng ECU-ABS chế tạo Kiểm tra, đánh giá chất lượng trình phanh xe phanh khơng có ABS, có ABS sử dụng ECU-ABS nhập ngoại ECU-ABS chế tạo 4.3.2 Thiết bị: luận án thiết kế chế tạo Bộ chuyển đổi, hiển thị vận tốc gia tốc góc bánh xe Hình 4.11, giao diện hiển thị Hình 4.17 Camera tốc độ cao FASTCAM SA1.1 Bộ thiết bị đo Dawetron-5000 Cảm biến đo tốc độ xe loại S-400 cảm biến đo lực bàn đạp phanh 4.3.3 Qui trình thử nghiệm: thí nghiệm thực theo qui trình định cho nội dung, u cầu xe tơ thử nghiệm, điều kiện mặt đường, khí hậu, thời tiết, kỹ thuật người lái đo, lưu giữ kết 23 4.3.4 Nội dung thử nghiệm: a Đánh giá chất lượng ECU-ABS chế tạo: cho xe chạy với vận tốc ban đầu v0 =(30 40) km/h đường khơ có hệ số bám ϕ =0,7 đường ướt có hệ số bám ϕ =0,5 Kết đo vận tốc gia tốc góc bánh xe: đường khô, với v0 = 40km/h sử dụng ECU- ABS nhập ngoại Hình 4.17, sử dụng ECU- ABS chế tạo Hình 4.18 Hình 4.11 Bộ chuyển đổi, hiển thị vận tốc góc, gia tốc góc bánh xe Hình 4.17 Hình 4.18 Trên đường ướt, với v0= 40km/h sử dụng ECU- ABS nhập ngoại Hình 4.20, sử dụng ECU- ABS chế tạo Hình 4.21 Hình 4.20 Hình 4.21 Kết thử nghiệm cho thấy, có ABS, vận tốc góc biến đổi với tần số khoảng (6÷10) lần/giây (đường khơ), khoảng (8÷12) lần/giây (đường ướt) 24 với tương tự mô Điều minh chứng khả làm việc ECU-ABS chế tạo, phù hợp mô hình, thuật tốn điều khiển ECU-ABS luận án đề xuất b Đánh giá chất lượng trình phanh: xác định tiêu đánh giá chất lượng trình phanh, thực trường hợp xe ABS, có ABS sử dụng ECU-ABS nhập ngoại ECU-ABS chế tạo, phanh đường khơ cóϕ =0,7 đường ướt có ϕ =0,5; với vận tốc 30, 40 km/h Kết thử nghiệm v0 =40km/h: đường khơ Hình 4.25, đường ướt Hình 4.26; So sánh mô thử nghiệm đường khô khơng có ABS Hình 4.27 (a), có sử dụng ECU-ABS chế tạo Hình 4.27 (b) a) Hình 4.25 b) Hình 4.26 a) b) Hình 4.27(a) Hình 4.27(b) Các tiêu đánh giá chất lượng q trình phanh khơng có ABS có ABS sử dụng ECU-ABS nhập ngoại ECU-ABS chế tạo Bảng 4.5 Kết thử nghiệm cho thấy, chất lượng q trình phanh có ABS đạt hiệu phanh ổn định hướng tốt Kết chất lượng phanh phanh có ABS sử dụng ECU nhập ngoại ECU chế tạo chứng minh khả điều khiển ECU chế tạo Kết thực nghiệm kết mơ có tính tương đồng cao, sai khác chí tiêu hiệu phanh 25 khoảng (3÷5)% Như vậy, mơ hình mơ máy tính với giả thiết, phương pháp nghiên cứu luận án phù hợp, cho kết tin cậy Bảng 4.5 Các tiêu đánh giá chất lượng q trình phanh v0 Khơng có ABS km/ S ( m) p h Có ECU-ABS nhập ngoại t p ( s) AN( m) Sp ( m) 30 40 8,29 15,28 1,96 2,55 30 40 15,97 29,10 3,99 5,37 Có ECU-ABS chế tạo t p ( s) AN( m) Sp ( m) Đường nhựa khô (hệ số bám ϕ =0,7) 0,22 5,68 1,52 0,33 6,65 0,47 11,05 1,89 0,26 11,12 ϕ Đường nhựa ướt (hệ số bám =0,5) 0,43 9,33 2,75 0,26 9,97 0,64 15,99 3,30 0,31 16,28 4.5 Kết luận chương t p ( s) AN( m) 1,62 0,29 1,97 0,22 2,44 0,26 3,37 0,20 Đã đề xuất thuật toán điều khiển cho ECU-ABS Thiết kế chế tạo thử nghiệm thành công ECU-ABS cho xe tơ chỗ ngồi Thử nghiệm q trình phanh xe thực để hiệu chỉnh ngưỡng điều khiển xác định sơ Chương khảo sát hoạt động hệ thống trường hợp hệ thống phanh khơng có ABS, hệ thống phanh có ABS sử dụng ECU-ABS nhập ngoại ECU-ABS chế tạo Kết có ý nghĩa quan trọng, sở để nghiên cứu hồn thiện cơng nghệ chế tạo điều khiển điện tử cho hệ thống phanh ABS Kết thử nghiệm qua phân tích, đánh giá, so sánh chứng tỏ ECUABS chế tạo có khả điều khiển chống hãm cứng bánh xe phanh tương tự với ECU-ABS nhập ngoại Tổ chức trình nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm hợp lý, lựa chọn thiết bị thích hợp cho trình thí nghiệm nhằm đạt mục đích thử nghiệm, đồng thời góp phần bồi dưỡng nâng cao trình độ cho sinh viên chuyên ngành ô tô Thiết kế chế tạo chuyển đổi, hiển thị vận tốc góc, gia tốc góc bánh xe, kiểm chứng, so sánh thiết bị đại qua sử dụng thiết bị phục vụ trình nghiên cứu, thí nghiệm sinh viên sau 26 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Nghiên cứu hệ thống điều khiển q trình phanh tơ, đề xuất cấu trúc mô điều khiển chống hãm cứng bánh xe có xét đến ổn định hướng chuyển động xe phanh, xây dựng thuật toán điều khiển thiết kế chế tạo ECU-ABS cho hệ thống phanh dẫn động thủy lực có ABS tơ chỗ Luận án tập trung giải vấn đề cách trọn vẹn từ nghiên cứu lý thuyết đến thiết kế chế tạo sản phẩm, lắp đặt thử nghiệm xe thực Tuy nhiên, vấn đề phức tạp, khuôn khổ luận án chưa thể giải đầy đủ yêu cầu hệ thống phanh ABS có khả tự chẩn đốn, lưu, báo lỗi hệ thống tự động điều khiển xe vào vòng Kết nghiên cứu luận án rút số kết luận: Đã đề xuất cấu trúc tổng thể thuật toán điều khiển cho hệ thống chống hãm cứng bánh xe phanh có xét đến ổn định hướng chuyển động xe phanh Đây kết đạt làm sở cho nghiên cứu điều khiển q trình phanh tơ Xây dựng mơ hình mơ hệ thống phanh ABS có xét đến ổn định hướng chuyển động xe phanh Matlab-Simulink Mô trường hợp phanh khác cho thấy hệ thống làm việc tốt, thông số biến thiên tương tự kết mơ cơng bố Mơ hình kết mơ sử dụng để xác định sơ giá trị ngưỡng gia tốc góc bánh xe phục vụ chế tạo ECU-ABS Đã thiết kế chế tạo ECU-ABS Thử nghiệm xe thực chứng tỏ ECU-ABS chế tạo có khả điều khiển chống hãm cứng bánh xe tương tự với ECU-ABS nhập ngoại Đây kết có ý nghĩa quan trọng việc nghiên cứu nhằm hoàn thiện ECU-ABS cho ô tô sản xuất nước Kiến nghị hướng nghiên cứu Tiếp tục có luận án nghiên cứu hoàn thiện ECU-ABS với tính tự động chẩn đốn, lưu, báo lỗi điều khiển xe vào vịng Hồn thiện cơng nghệ chế tạo, đóng gói chạy thử nghiệm xe để đánh giá ổn định độ bền sản phẩm Nghiên cứu chế tạo, thử nghiệm ECU-ABS cho hệ thống phanh dẫn động khí nén hay thủy khí kết hợp tích hợp hệ thống điền khiển ổn định ô tô 27 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ [1] Nguyen Trong Hoan, Ho Huu Hai, Phung Anh Nam, Lai Nang Vu (2009), “The Study and Development of Vehicle ABS ECU”, The 15th Asia Pacific Automotive Enginneering Conference, HaNoi, 2009, APAC 15-146 [2] Lại Năng Vũ, Hồ Hữu Hải, Hồ Hữu Hùng (2010), “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm điều khiển điện tử hệ thống chống bó cứng bánh xe phanh (ABS-ECU)", Tạp chí Giao thơng vận tải, 4, 2010, tr 47-49 & 52 [3] Lại Năng Vũ, Lê Hồng Phương, Uông Văn Quang (2011), “Ước lượng độ trượt sử dụng luật điều khiển Fuzzy- Piz cho hệ thống phanh ABS", Tạp chí Nghiên cứu khoa học cơng nghệ qn sự, 14, tr 118-124 [4] Lại Năng Vũ, Nguyễn Quốc Cường, Hồ Hữu Hải, Ngơ Thanh Bình (2011), “Thiết kế, chế tạo thiết bị đo vận tốc góc, gia tốc góc bánh xe tơ có hệ thống phanh ABS”, Tạp chí Giao thơng vận tải, 12, 2011, tr 42-44&58 ... điều khiển nhanh, xác địi hỏi q trình điều khiển hệ thống hợp lý, khoa học nghiên cứu hệ thống điều khiển q trình phanh tơ u cầu cấp thiết 1.2.2 Các cơng trình nghiên cứu điều khiển q trình phanh. .. dẫn động cấu phanh bánh xe 2.2.1 Chu trình điều khiển ABS Quá trình điều khiển hệ thống ABS thực theo chu trình kín Sơ đồ ngun lý hệ thống ABS Hình 2.7 2.2.2 Quá trình điều khiển hệ thống ABS Bộ... công nghệ đại, tiến tới tự chủ khai thác, sửa chữa sản xuất chế tạo cụm, hệ thống, có hệ thống phanh Tuy có nhiều cơng trình nghiên cứu hệ thống phanh, điều khiển q trình phanh tơ, nay, kết nghiên