ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRỢ LỰC LÁI ĐIỆN TRÊN XE TOYOTA CAMRY 2015 BẰNG MATLABSIMULINKMỤC LỤCLỜI CẢM ƠNiLỜI NÓI ĐẦUiiDANH MỤC CÁC HÌNHivDANH MỤC CÁC BẢNGviDANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆUviiPHẦN MỞ ĐẦUviii1. Lý do chọn đề tài:viii2. Mục tiêu nghiên cứu:viii3. Giới hạn đề tài:ix4. Mục tiêu nghiên cứu:ixCHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU11.1 Lịch sử phát triển của hệ thống trợ lực lái trên ô tô:11.2 Thông tin về xe Toyota Camry 2015:2CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ THỐNG LÁI TRÊN Ô TÔ42.1 Công dụng phân loại yêu cầu42.2 Nguyên lý hoạt động, cấu tạo hệ thống lái:5CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH KẾT CẤU HỆ THỐNG TRỢ LỰC LÁI TRÊN TOYOTA CAMRY 2015143.1.Giới thiệu Toyota Camry 2015143.2. Đặc điểm kết cấu hệ thống lái xe Camry 2015153.3. Hệ thống trợ lực lái điện trên Toyota camry 201516CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU MODEL HỆ THỐNG TRỢ LỰC LÁI ĐIỆN ELECTRIC POWER STEERING SYSTEM194.1. Chọn giải pháp mô phỏng194.2. Giới thiệu chung về phần mềm mô phỏng MatlabSimulink194.2.1. MatlabSimulink:194.2.2 MatlabStateflow:204.4. Động cơ PMSM:214.5 PMSM driver:234.6 Cảm biến và các hệ thống cơ khí:394.7 Hoạt động của model:434.8 Kết quả:44PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ VÀ TỔNG KẾT.45DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO46
Lý do chọn đề tài
Trong tháng 3/2022, cả nước ghi nhận 788 vụ tai nạn giao thông, trong đó có 556 vụ nghiêm trọng và 232 vụ va chạm Hậu quả là 491 người chết, 252 người bị thương nặng và 229 người bị thương nhẹ Nguyên nhân chủ yếu dẫn đến tai nạn bao gồm việc sử dụng bia rượu, chất kích thích, chạy quá tốc độ, phóng nhanh vượt ẩu và ý thức tham gia giao thông kém Đặc biệt, nguyên nhân "mất lái" cũng đóng góp không nhỏ vào số vụ tai nạn, thường do lỗi điều khiển của người lái hoặc sự cố kỹ thuật của xe Điều này cho thấy hệ thống lái là một trong những yếu tố quan trọng quyết định sự an toàn của xe Do đó, nhóm chúng tôi đã nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống lái điện trên Toyota Camry 2015 để phân tích sâu hơn trong đề tài của mình.
Mục tiêu nghiên cứu
Hệ thống lái trên ô tô, đặc biệt là hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Camry 2015, có cấu tạo và nguyên lý hoạt động đặc biệt quan trọng Việc hiểu rõ về các thành phần và cách thức hoạt động của hệ thống này giúp người dùng nắm bắt được hiệu suất và tính năng điều khiển của xe.
- Hiểu rõ được thành phần, phân loại và nguyên lý hoạt động của các chi tiết có trong hệ thống lái.
Giới hạn đề tài
Hệ thống trợ lực lái điện trên ô tô là một hệ thống phức tạp, kết hợp giữa cơ khí và điện tử điều khiển Bài viết này sẽ mô phỏng động lực học của hệ thống, tập trung vào việc quan sát momen giữa người lái và momen trợ lực.
Mục tiêu nghiên cứu
Tìm hiểu hệ thống lái trên ô tô nói chung.
- Tìm hiểu hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Camry 2015 nói riêng.
- Tìm nguồn tài liệu chính thống, uy tín, độ chính xác cao.
- Đọc và hiểu sâu sắc các nguồn tài liệu tìm được để phục vụ cho dự án.
- Nghiên cứu, thiết kế mô phỏng hoạt động của hệ thống trên phần mềm matlap Simulink.
- Tham khảo tài liệu hãng, tài liệu trên mạng, các video liên quan đến đề tài.
-Sử dụng model của matlab/Simulink
GIỚI THIỆU
Lịch sử phát triển của hệ thống trợ lực lái trên ô tô
Hệ thống trợ lực tay lái đầu tiên được lắp đặt trên ô tô vào năm 1876 bởi một thợ máy tên là Fitts, mặc dù ông không được nhiều người biết đến Tiếp theo, hệ thống này đã được áp dụng trên một chiếc xe tải Colombia có trọng tải 5 tấn.
Hình 1.1 Trợ lực lái ô tô
Robert E Twyford, cư dân Pittsburgh, Pennsylvania, đã đăng ký bằng sáng chế cho cơ cấu trợ lực cơ khí vào tháng 4 năm 1900 (bằng sáng chế số 646.477 U.S), và áp dụng công nghệ này trên chiếc xe đầu tiên trang bị hệ thống dẫn động toàn phần.
Kỹ sư Francis W Davis, làm việc tại hãng Pierce-Arrow, đã phát minh ra bộ phận trợ lực dễ chế tạo hơn và vào năm 1926, ông giới thiệu hệ thống trợ lực đầu tiên hoạt động hiệu quả Sau đó, Davis gia nhập General Motors và sáng chế hệ thống trợ lực thủy lực, nhưng hãng cho rằng chi phí sản xuất quá cao Cuối cùng, ông gia nhập Bendix, một nhà sản xuất phụ tùng ô tô.
Trong Thế chiến thứ hai, quân đội cần những phương tiện hạng nặng dễ điều khiển hơn, do đó, tính năng trợ lực tay lái đã được trang bị cho xe bọc thép và xe tăng của quân đội Hoa Kỳ và Anh Quốc.
Vào năm 1951, Chrysler đã giới thiệu hệ thống trợ lực tay lái đầu tiên cho xe khách thương mại với mẫu Chrysler Imperial, mang tên “Hydraguide” Hệ thống này dựa trên một số bằng sáng chế đã hết hạn của Davis Đến năm 1952, General Motors ra mắt mẫu Cadillac, áp dụng hệ thống trợ lực tay lái dựa trên những thành tựu mà Davis đã đạt được gần 20 năm trước đó.
Vào năm 1958, Charles F Hammond, một nhân viên tại hãng Detroit, đã đăng ký một số bằng sáng chế cải tiến hệ thống trợ lực lái tại Văn phòng sở hữu trí tuệ Canada.
Thông tin về xe Toyota Camry 2015
Thị trường ô tô Việt Nam gần đây chứng kiến sự gia tăng của nhiều thương hiệu xe hạng sang Tuy nhiên, Toyota Camry vẫn giữ vị thế là mẫu xe hạng trung cao cấp biểu tượng cho sự thành đạt, bền vững và ổn định trong lòng người tiêu dùng Việt Nam Những người sở hữu Toyota Camry thường toát lên phong thái đĩnh đạc, từng trải và mang một "chất" riêng biệt.
Toyota Camry lần đầu tiên ra mắt người tiêu dùng Việt Nam vào tháng 1/1998, góp phần quan trọng vào sự thành công của thương hiệu xe Nhật Bản trong suốt 20 năm qua Với biểu tượng 3 hình eclipse lồng ghép, Camry thể hiện sự quan tâm đến khách hàng, chất lượng sản phẩm, và nỗ lực không ngừng trong phát triển khoa học công nghệ.
Toyota Camry 2015 được ra mắt tại Việt Nam vào cuối tháng 4/2015 với ba phiên bản: 2.0E, 2.5G và 2.5Q Xe có bốn màu sơn ngoại thất: Đen, bạc, nâu vàng và xanh ghi ánh kim, cùng với nội thất được thiết kế với hai tông màu chủ đạo: Đen và vàng nhạt.
TỔNG QUAN HỆ THỐNG LÁI TRÊN Ô TÔ
Công dụng phân loại yêu cầu
2.1.1 Công dụng của hệ thống lái ô tô
Hệ thống lái của ôtô đóng vai trò quan trọng trong việc thay đổi hướng di chuyển của xe thông qua việc quay các bánh xe dẫn hướng Việc điều khiển hướng di chuyển được thực hiện nhờ vào vô lăng, trục lái, cơ cấu lái và các thanh dẫn động lái Vô lăng giúp người lái điều khiển, trong khi trục lái truyền động quay từ vô lăng tới cơ cấu lái, giúp tăng lực quay và truyền mômen lớn hơn tới các thanh dẫn động lái, từ đó chuyển động đến các bánh xe dẫn hướng.
2.1.2 Phân loại của hệ thống lái ô tô
* Theo cách bố trí vành tay lái
- Hệ thống lái với vành tay lái bố trí bên trái;
- Hệ thống lái với vành tay lái bố trí bên phải
* Theo số lượng cầu dẫn hướng
- Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu trước;
- Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu sau:
- Hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở tất cả các cầu
* Theo kết cấu của cơ cấu lái
- Cơ cấu lái loại trục vít- bánh vít;
- Cơ cấu lái loại trục vít- cung răng
- Cơ cấu lái loại trục vít- con lăn;
- Cơ cấu lái loại trục vít chốt quay,
- Cơ cấu lái loại liên hợp gồm trục vít, ê cu, cung răng);
- Cơ cấu lái loại bánh răng trụ - thanh răng
* Theo kết cấu và nguyên lý làm việc của trợ lực
- Hệ thống lái có trợ lực thủy lực;
- Hệ thống lái có trợ lực khí nén;
- Hệ thống lái có trợ lực điện.
2.1.3 yêu cầu của hệ thống lái ô tô.
- Đảm bảo quay vòng ô tô thật ngoặt trong một thời gian rất ngắn trên một diện tích rất bé
- Đảm bảo lực đặt lên vành tay lái bé
- Đảm bảo động học quay vòng đúng trong đó các bánh xe của tất cả các cầu phải lăn theo những vòng tròn đồng tâm
- Đảm bảo ô tô chuyển động thẳng ổn định.
Để đảm bảo an toàn cho xe, cần chú trọng đến khả năng an toàn bị động, trong đó hiệu suất thuận phải lớn hơn hiệu suất nghịch Điều này giúp giảm thiểu tác động từ mặt đường thông qua cơ cấu lái lên vô lăng, mang lại trải nghiệm lái xe ổn định và an toàn hơn.
- Đảm bảo tính tùy động.
Nguyên lý hoạt động, cấu tạo hệ thống lái
2.2.1 Hệ thống lái cơ khí:
2.2.1.1 Cấu tạo đặc điểm của hệ thống lái cơ khí:
Có 2 loại cơ cấu lái:
- Loại trục vít- thanh răng.
Các bánh răng trong hệ thống lái không chỉ điều khiển bánh trước mà còn hoạt động như bánh răng giảm tốc, giúp giảm lực quay của vô lăng bằng cách tăng mô men đầu ra.
Tỷ lệ giảm tốc, hay còn gọi là tỷ số truyền cơ cấu lái, thường dao động từ 18 đến 20:1 Tỷ lệ này càng lớn sẽ giúp giảm lực đánh lái, nhưng đồng thời cũng yêu cầu người lái phải xoay vô lăng nhiều hơn khi thực hiện các vòng quay Hiện nay, hầu hết các loại xe đều sử dụng cơ cấu lái dạng trục vít- thanh răng.
Hình 2.1 Cấu tạo chung của hệ thống lái cơ khí.
* Loại trục vít- thanh răng.
Trục vít ở đầu thấp hơn của trục lái chính kết hợp với thanh răng, cho phép chuyển động khi vô lăng quay Khi trục vít quay, thanh răng di chuyển sang trái hoặc phải, và chuyển động này được truyền tới các đòn cam lái qua các đầu nối của thanh răng và rotuyn lái.
- Cấu tạo đơn giản và gọn nhẹ Do hộp truyền động nhỏ nên thanh răng đóng vai trò thanh dẫn động lái.
Cấu trúc lái của xe được thiết kế với các răng ăn khớp trực tiếp, mang lại độ nhạy cao và chắc chắn Điều này giúp giảm thiểu hiện tượng quay trượt và sức cản quay, đồng thời cải thiện việc truyền mô-men, làm cho việc lái xe trở nên nhẹ nhàng hơn.
Cụm cơ cấu lái hoàn toàn kín nên không cần phải bảo dưỡng
Cấu tạo của hệ thống bao gồm các rãnh hình xoắn ốc trên trục vít và đai ốc, với các viên bi thép chuyển động lăn trong hành trình của trục vít và rãnh đai ốc Đai ốc bi được thiết kế với các răng để ăn khớp với trục rẻ quạt, giúp giảm lực ma sát trượt xuống mức tối thiểu Nhờ vào cấu tạo này, hệ thống có khả năng chịu tải lớn và sức cản trượt giữa trục vít và trục rẻ quạt cũng được giảm thiểu nhờ sự hỗ trợ của các viên bi, mang lại góc hoạt động rộng.
Cơ cấu này bao gồm hai phần chính: một khối kim loại với đường ren rỗng bên trong và một vành răng bên ngoài có các răng ăn khớp Vành tay lái được kết nối với một trục có ren, tương tự như êcu lớn, và tương tác với các rãnh ren trên khối kim loại thông qua các viên bi tròn.
Khi xoay vành tay lái, êcu sẽ quay theo, nhưng nếu êcu không đi sâu vào khối kim loại do bị giữ lại, khối kim loại sẽ di chuyển ngược lại Điều này khiến bánh răng gắn với khối kim loại quay, dẫn đến việc các cánh tay đòn chuyển động và bánh xe được điều hướng Êcu kết hợp với khối kim loại nhờ các viên bi tròn, giúp giảm ma sát giữa các chi tiết và giảm độ dơ của cơ cấu Độ dơ xuất hiện khi điều chỉnh tay lái; nếu không có các viên bi, các răng sẽ tách rời trong chốc lát, gây ra độ dơ cho tay lái.
2.2.2 Hệ thống lái trợ lực thủy lực
2.2.2.1 Cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực
Hệ thống lái trợ lực thủy lực bao gồm các thành phần chính như bơm dầu trợ lực, cụm van chia dầu, hộp thước lái và vô lăng Bơm dầu trợ lực có nhiệm vụ bơm dầu thủy lực vào hệ thống, giúp hỗ trợ lực khi người lái điều khiển vô lăng Cụm van chia dầu kết nối với thước lái, cho phép điều phối dầu từ bơm và xả về bình chứa, đồng thời điều chỉnh áp suất để hỗ trợ chuyển hướng Hộp thước lái sử dụng cơ cấu trục vít – thanh răng và xylanh thủy thực, chuyển đổi chuyển động quay của vô lăng thành chuyển động tịnh tiến của thanh răng, giúp bánh xe chuyển hướng Cuối cùng, vô lăng cho phép người lái điều hướng xe bằng cách quay theo chiều kim đồng hồ để rẽ trái và ngược lại để rẽ phải.
Hình 2.3 Hoạt động của hệ thống khi đánh lái sang phải.
Khi người lái đánh lái sang phải, vô lăng sẽ quay theo chiều kim đồng hồ, làm cho thanh răng chuyển động từ trái sang phải nhờ cơ cấu thanh răng trục vít Phản lực từ mặt đường tác động lên bánh xe qua thanh răng sẽ điều khiển van chia, mở đường dầu có áp lực từ bơm đến quan van và ống dẫn dầu vào cổng 1 của hộp thước lái Dầu áp lực sẽ tác động lên pittông trợ lực, hỗ trợ chuyển động từ trái sang phải Dầu trong khoang còn lại của thước lái được đẩy qua ống dẫn dầu, van chia và trở về bình chứa.
Hình 2.4 Hoạt động của hệ thống khi đánh lái sang trái
Khi người lái đánh lái sang trái, vô lăng sẽ quay theo chiều ngược kim đồng hồ, khiến thanh răng di chuyển từ phải sang trái Lực tác động từ mặt đường làm thanh xoắn điều khiển mở cửa dầu có áp lực từ bơm qua van chia, dẫn dầu vào công số 2 của thước lái Điều này giúp trợ lực đẩy thanh răng di chuyển nhẹ nhàng hơn, trong khi dầu từ khoang còn lại của thước lái được đẩy qua công 1 và dẫn về bình chứa.
2.2.3 Hệ thống lái trợ lực điện
Hình 2.5 Cấu tạo chung của hệ thống lái trợ lực điện.
Hệ thống điện EPS được bố trí giữa vành lái và hộp số truyền, với một bộ cảm biến 4 đo góc quay và mô men trên vành lái Ngoài ra, giữa hộp số truyền và cơ cấu lái, có mô men cảm biến cản bánh xe dẫn hướng được lắp đặt trên CCL.
Chương trình điều khiển mô tơ DC bao gồm các trạng thái cụ thể của kết cấu xe, dựa trên các tiêu chí như tốc độ ô tô, đặc tính quay vòng tĩnh và động, các tình huống nguy hiểm, mức độ trợ lực, giảm chấn của hệ thống, cùng với các chức năng chẩn đoán và thông tin tổng quát từ hệ thống CAN.
Hình 2.6 Hoạt động của hệ thống lái trợ lực điện1.Vô lăng 3 Phản lực mặt đường lên lốp xe
2 mô tơ trợ lực điện 1+2 Trợ lực khi đánh lái.
Hệ thống lái trợ lực điện hoạt động dựa trên tín hiệu từ cảm biến mô men trong cụm trợ lực lái Khi người lái điều khiển vô lăng, phản lực từ mặt đường tác động lên bánh xe, làm thước lái tác động lên thanh xoắn trong cụm trợ lực Cảm biến mô men đo mô men đánh lái và gửi tín hiệu về hộp điều khiển Dựa vào tín hiệu này, hộp điều khiển cung cấp dòng điện điều khiển cho mô tơ trợ lực, giúp giảm lực đánh lái và làm cho việc điều khiển trở nên nhẹ nhàng hơn.
2.2.4 Hệ thống lái trợ lực điện, thủy lực(EHPS)
Hình 2.7 Cấu tạo hệ thống lái trợ điện thủy lực
Hệ thống lái có trợ lực sử dụng lực động cơ để điều khiển bơm trợ lực, tạo ra áp suất thủy lực, trong khi hệ thống EHPS sử dụng mô tơ để tạo áp suất này, giúp giảm lực cần thiết để điều khiển vô lăng Việc giảm tải cho động cơ nhờ hệ thống này không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn tiết kiệm nhiên liệu ECU đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát tốc độ quay của mô tơ và lượng xã của bơm dựa trên các thông số như tốc độ xe và góc quay của vô lăng.
2.3 So sánh ưu nhược điểm của từng loại trợ lực lái.
Hệ thống lái Ưu điểm Nhược điểm
Cơ khí +Đáp ứng hầu hết các yêu cầu của hệ thống lái.
Khi người lái thực hiện việc quay xe, họ cần phải áp dụng một lực lớn lên vành lái để điều khiển bánh dẫn hướng, điều này có thể dẫn đến sự mệt mỏi cho người lái.
+Truyền động được công suất cao và lực lón.
+Điều chỉnh được vận tốc làm việc tinh và vô cấp.
+Kết cấu gọn nhẹ, vị trí của các phần tử dẫn và bị dẫn không lệ thuộc nhau.
+Có khả năng giảm khối lượng và kích | thước nhờ chọn áp suất thủy lực cao.
PHÂN TÍCH KẾT CẤU HỆ THỐNG TRỢ LỰC LÁI TRÊN TOYOTA CAMRY 2015
Giới thiệu Toyota Camry 2015
Trên thị trường ô tô hiện nay, Toyota Camry vẫn là một mẫu xe sang được ưa chuộng, nhờ vào việc lắng nghe nhu cầu người dùng và hướng đến phong cách trẻ trung, năng động hơn Mẫu xe 2015 được xem là huyền thoại trong phân khúc Sedan hạng D, đặc biệt quen thuộc với khách hàng Việt Nam Với thiết kế thể thao hơn, Toyota Camry vẫn giữ được sự lịch lãm và sang trọng, thể hiện qua cả ngoại thất lẫn nội thất.
Camry 2015 nổi bật về hiệu suất vận hành, cho thấy rõ ưu điểm của thương hiệu Toyota Đây là một mẫu xe rất đáng sở hữu, đặc biệt khi giá trị của nó giảm ít qua thời gian sử dụng.
Thông số xe Toyota Camry 2015:
Bán kính vòng quay tối thiểu
Trọng lượng không tải
4 xy lanh thẳng hàng, 16 van, DOHC, VVT-i kép, ACI
178 mã lực , tại 6.000 vòng/phút
MacPherson với thanh cân bằng
Hệ thống treo sau Độc lập 2 liên kết với thanh cân bằng
Mức tiêu hao trung bình
Bảng 3.1 Thông số xe Toyota Camry 2015:
Đặc điểm kết cấu hệ thống lái xe Camry 2015
3 2.1 Vành tay lái và trục lái
Vành tay lái và trục lái nằm trong buồng lái, với trục lái chính truyền động quay từ vô lăng đến cơ cấu lái Ống đỡ trục lái cố định trục chính vào thân xe, trong khi đầu trên của trục được thiết kế thon và có răng cưa Vô lăng được gắn chặt vào trục lái bằng một đai ốc Trục lái của xe Camry 2.5Q sử dụng dạng ống lồng, kết nối với cơ cấu lái thông qua khớp các đăng.
Hình thang lái được lắp đặt phía sau trục tâm cầu trước, có chức năng truyền động từ cơ cấu lái đến các bánh xe dẫn hướng với tỷ số truyền là 0,984 Phần chính của hình thang lái là cơ cấu hình thang lái, bao gồm 6 khâu: hai thanh kéo bên, thanh răng, hai đòn quay bên (cam quay) và dầm cầu.
Hệ thống lái phải đảm bảo các yêu cầu sau
- Quay vòng ôtô thật ngoặt trong một thời gian ngắn trên một diện tích bé
- Điều khiển lái phải nhẹ nhàng thuận tiện
- Động học quay vòng phải đúng để các bánh xe không bị trượt khi quay vòng
Hệ thống trợ lực lái điện trên Toyota camry 2015
3 3.1 Nguyên lý làm việc trợ lực lái
Khi xe di chuyển thẳng, thanh xoắn nối giữa trục sơ cấp và trục thứ cấp không tạo ra mô men xoắn, dẫn đến không có độ lệch pha giữa cảm biến hai và cảm biến ba Do đó, không có tín hiệu truyền tới ECU EPS, khiến rơle điều khiển không nhận được tín hiệu từ ECU và không cấp điện cho mô tơ, làm cho trợ lực không hoạt động.
3 3.2 Cảm giác mặt đường và tính tùy động
Trong quá trình quay vòng, mô men lái thanh xoắn bị xoắn, tạo ra độ lệch pha giữa vòng phát hiện thứ hai và ba Tín hiệu tỉ lệ với mô men được đưa vào ECU dựa trên độ lệch pha này ECU sau đó tính toán mô men trợ lực theo tốc độ xe và điều khiển mô tơ điện với cường độ phù hợp.
Trong suốt quá trình điều khiển xe, các hoạt động đều được cảm biến ghi lại và gửi liên tục về hệ thống điều khiển trung tâm Hệ thống này sẽ so sánh dữ liệu thu thập được với các chương trình đã được tính toán trước đó.
3 3.3 Bố trí hệ thống trợ lực lái điện trên Toyota camry 2015
Hệ thống trợ lực lái bao gồm một motor điện trợ lực và cơ cấu giảm tốc trục vít-bánh vít, được lắp đặt tại trục lái chính, gần đoạn các đăng trục lái Tại vị trí này, cảm biến moment lái cũng được bố trí, cùng với bộ điều khiển điện tử của trợ lực lái điện (EPS ECU).
Hình 3.2 Sơ đồ trợ lực lái điện trên trục lái 1-ECU của EPS; 2-Motor điện một chiều; 3-Cảm biến moment
Hệ thống được điều khiển theo sơ đồ tổng quát hình 3.2 trên đó có thể nhận thấy tín hiệu đầu vào của EPS ECU gồm 4 nhóm tín hiệu:
Hình 3.3 Sơ đồ trợ lực lái
A-Tín hiệu cảm biến mô men số 1;B- Tín hiệu cảm biến mô men số2; 1- Giắc nối đa năng số 1; 2- Giắc nối đa năng số 2; 3- Táp lô; 4- ABS+TRC ECU; 5- Cảm biến tốc độ ô tô; 6- ECU
Mô tơ ; 7- Cảm biến vị trí trục khuỷu; 8- Đèn báo; 9- Mô tơ trợ lực;10- EPS ECU; 11- Giắc kết nối dữ liệu số 1; 12- Giắc kết nối dữ liệu số 2
1- Nhóm tín hiệu (2 hoặc 4 tín hiệu) từ cảm biến mômen lái
2- Tín hiệu vận tốc chuyển động ô tô có thể gửi trực tiếp về EPS ECU hoặc thông qua ECU truyền lực và mạng điều khiển vùng (CAN - Controller Area Network) và các giắc nối truyền tới EPS ECU.
3- Tín hiệu tốc độ mô tơ (xung biểu diễn số vòng quay trục khuỷu ne từ cảm biến trục khuỷu) thông qua ECU động cơ và mạng CAN truyền tới EPS ECU
Nhóm dữ liệu cài đặt và tra cứu thông qua giắc kết nối DLC3 cho phép truy cập thông tin cài đặt và theo dõi hoạt động của hệ thống, đồng thời cung cấp khả năng báo lỗi hiệu quả.
NGHIÊN CỨU MODEL HỆ THỐNG TRỢ LỰC LÁI ĐIỆN ELECTRIC POWER
Chọn giải pháp mô phỏng
Hiện nay, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin đã dẫn đến sự ra đời của nhiều phần mềm ứng dụng trong các lĩnh vực kỹ thuật, đặc biệt là cơ khí Các phần mềm thiết kế đồ họa và mô phỏng đang trở nên phổ biến, vì vậy việc chọn phần mềm ứng dụng để mô phỏng hệ thống truyền lực trên ô tô là một quyết định hợp lý.
Khi thực hiện mô phỏng, sản phẩm cần thõa mãn các yêu cầu sau:
Thể hiện được kết cấu các cụm chi tiết chính của hệ thống truyền lực
Hoạt động của sản phẩm mô phỏng giống như quá trình làm việc của hệ thống
Có độ chính xác cao và có tính thẩm mỹ
Thao tác đơn giản khi giới thiệu về sản phẩm
Từ những yêu cầu chọn phần mềm matlab Simulink là phần mềm chính để thiết kế sản phẩm mô phỏng.
Giới thiệu chung về phần mềm mô phỏng Matlab-Simulink
Simulink là một phần mở rộng của Matlab, chuyên dùng để mô phỏng các hệ động học, hệ tuyến tính và phi tuyến, cũng như các mô hình trong thời gian liên tục hoặc gián đoạn Điểm nổi bật của Simulink là khả năng lập trình thông qua sơ đồ cấu trúc, sử dụng các đối tượng đồ họa.
Simulink cung cấp giao diện đồ họa để xây dụng mô hình ở dạng sơ đồ khối Bằng thao tác
Người sử dụng có thể nhấn và kéo chuột để đưa các khối chuẩn từ thư viện Simulink vào vùng làm việc, nhằm xây dựng mô hình mô phỏng Để thực hiện điều này, trước tiên cần khởi động Matlab và Simulink, sau đó mở thư viện khối Simulink và chọn các nhóm phù hợp Simulink cung cấp nhiều thư viện khác nhau để hỗ trợ quá trình này.
-Nhóm Continuous và Discrete: chứa các khối cơ bản để xử lý tín hiệu liên tục và rời rạc;
-Nhóm Function&table: chứa các khối thực hiện việc gọi hàm từ Matlab, khối nội suy và khối hàm truyền;
-Nhóm Math: chứa các khối thực thi các hàm toán học;
-Khối Monlinear: chứa các khối phi tuyến;
-Nhóm Sinks&Systems: chứa các khối công cụ xử lý tín hiệu;
-Nhóm Sinks: chứa các khối thực hiện chức năng xuất kết quả;
Nhóm Source chứa các khối phát tín hiệu Để sao chép một khối từ thư viện vào cửa sổ mô hình, bạn chỉ cần chọn khối và kéo thả vào cửa sổ mô hình Để sao chép khối trong cửa sổ mô hình, nhấn phím Ctrl và kéo chuột đến vị trí mong muốn Nếu cần xóa khối, hãy chọn nó và nhấn phím Delete.
Stateflow là một công cụ trong Simulink, cho phép thực hiện chức năng của một cơ cấu máy hữu hạn trạng thái trong mô hình mô phỏng Mô hình này có thể bao gồm các khối từ Simulink, Toolbox và Stateflow Một sơ đồ Stateflow kết hợp các đối tượng đồ họa và phi đồ họa để tạo nên một cấu trúc mô phỏng hoàn chỉnh.
Trạng thái (State) là thuật ngữ mô tả cách hệ thống được điều khiển bởi các sự kiện, phản ánh tình trạng hoạt động hoặc không hoạt động Các trạng thái này liên tục thay đổi dựa trên các điều kiện và sự kiện diễn ra trong hệ thống.
Có hai loại trạng thái là trạng thái loại trừ (OR) mô tả phương thức loại trừ lẫn nhau, trạng thái ngang hàng (AND).
Chuyển đổi (Transitions) là hành động chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác của hệ thống thông qua một đối tượng gọi là “chuyển đổi” Đối tượng này được thể hiện đồ họa, nối giữa đối tượng nguồn (nơi bắt đầu chuyển đổi) và đối tượng đích (nơi kết thúc chuyển đổi) bằng một đường cong có mũi tên Điểm phân chia của chuyển đổi thành các đoạn gọi là điểm nút Chuyển đổi mặc định là loại chuyển đổi đặc biệt, không có đối tượng nguồn, nhằm báo cho Stateflow biết trạng thái con nào sẽ hoạt động ngay sau khi trạng thái mẹ được kích hoạt Nhãn của một chuyển đổi xác định rõ ràng chuyển đổi đó, có thể chứa sự kiện, điều kiện, hoạt động có điều kiện hoặc hoạt động chuyển đổi.
Sự kiện trong sơ đồ Stateflow không phải là đối tượng đồ họa nhưng đóng vai trò quan trọng trong việc kích hoạt hoạt động của sơ đồ Khi một sự kiện xảy ra, các trạng thái trong sơ đồ sẽ được đánh giá, dẫn đến việc truyền đi sự kiện này có thể kích hoạt chuyển đổi hoặc khởi động một hoạt động cụ thể nào đó.
Dữ liệu trong sơ đồ Stateflow là những đối tượng phi đồ hoạ, được sử dụng để lưu trữ các giá trị số Điều kiện là mệnh đề logic có giá trị đúng hoặc sai, giúp xác định việc chuyển đổi xảy ra khi mệnh đề đó đúng.
Hành động trong mô hình Stateflow bao gồm các hoạt động diễn ra khi khởi động, như chuyển đổi giữa các trạng thái hoặc thực hiện hành động trong một trạng thái cụ thể Mỗi trạng thái có thể bao gồm các hành động đi vào, ở lại, đi ra và hành động theo sự kiện, tạo nên sự linh hoạt và tương tác trong quá trình điều khiển.
Matlab – Simulink và Matlab - Stateflow là những công cụ mạnh mẽ cho việc mô phỏng các hệ thống hỗn hợp, bao gồm cả các quá trình động lực liên tục và gián đoạn cùng với các hành vi logic phức tạp Stateflow cho phép triển khai các hệ thống điều khiển có khả năng giám sát trạng thái và tự động điều chỉnh để phù hợp với đối tượng điều khiển.
Hình 4.1 Model tổng quát trợ lực lái điện ô tô
Mô hình này minh họa việc áp dụng Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) nhằm tăng cường lực điều khiển do người lái tác động trong hệ thống lái trợ lực điện.
Động cơ PMSM
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) kết hợp ưu điểm của động cơ cảm ứng và động cơ DC không chổi than, mang lại mật độ công suất cao hơn, độ tin cậy và hiệu quả vượt trội Nhờ có rôto nam châm vĩnh cửu, PMSM sở hữu mô-men xoắn cao hơn trong kích thước khung nhỏ hơn và không tiêu thụ dòng điện rôto Với tỷ lệ công suất trên kích thước cao, động cơ này cho phép thiết kế nhỏ gọn mà vẫn duy trì hiệu suất mô-men Chính vì những lợi ích này, động cơ đồng bộ vĩnh cửu trở thành lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng truyền động điện.
Khối mô phỏng động cơ PMSM với các thông số cơ bản như sau:
Number of pole pairs: số cặp cực 4
Permanent magnet flux linkage parameterization (Tham số hóa liên kết từ thông của nam châm vĩnh cửu): xác định liên kết thông lượng.
Permanent magnet flux linkage (Liên kết từ thông của nam châm vĩnh cửu):
Stator parameterization (tham số của stator): Xác định theo Ld, Lq và L0.
Stator d-axis inductance, Ld: Tự cảm trục D.
Stator q-axis inductance, Lq: Tự cảm trục Q.
Stator zero-sequence inductance, L0: tự cảm trục zero-sequence
Stator resistance per phase, Rs: điện trở mỗi pha.
Rotor angle definition: (xác định góc của roto): xác định là góc giữa pha A và trục D Block port:
~: mở rộng với cổng 3 pha.
N: cổng bảo toàn điện được kết nối với pha trung tính
R: Cổng bảo toàn quay cơ học được liên kết với rôto động cơ.
C: Cổng bảo toàn quay cơ học liên kết với vỏ động cơ.
Hình 4.3 Thông số khối PMSM
Trong mô hình này, động cơ được kết nối với nguồn điện 3 pha qua port ~, đảm bảo cung cấp điện và điều khiển hiệu quả Port n là dây trung tính, được nối với một điện trở và kết nối với mass để ổn định hệ thống.
Port R rotor với nhiệm vụ quay sinh momen phục vụ việc lái.
Port C là vỏ động cơ stator nối với sườn xe để cố định động cơ cũng tức là nó là tham chiếu cho port R.
PMSM driver
Khối driver điều khiển động cơ có chức năng điều chỉnh điện áp 3 pha cho động cơ PMSM nhằm tạo ra mô-men xoắn Quá trình điều khiển này phụ thuộc vào tín hiệu từ cảm biến mô-men tại cổng m.
Command value: giá trị lệnh
OutputPwm compare: so sánh Điều chế xungError: lỗi
THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU:
Hình 4.6 Thuật toán điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu:
Command value: giá trị lệnh
Phase current: dòng điện pha
OutputPwm compare: so sánh Điều chế xung
Xác định cấu hình chế độ bộ điều khiển và đầu vào bộ điều khiển dựa trên lệnh của người dùng.
Chuyển đổi tín hiệu vật lý sang tín hiệu mới mà không thay đổi giá trị giúp hệ thống nhận diện và thực hiện các lệnh tương ứng.
Command value: giá trị lệnh
Position valid: vị trí hợp lệ
OutputController mode: chế độ điều khiểnVelocity command: lệnh vận tốcPosition command: lệnh vị tríTorque command: lệnh moment
Thuật toán điều khiển động cơ khởi động từ chế độ chờ lệnh bật Khi nhận được lệnh, động cơ sẽ quay để xác định vị trí rotor đã biết và hợp lệ Sau đó, quá trình điều khiển vòng kín sẽ được kích hoạt.
Khi nhận được yêu cầu dừng động cơ, động cơ sẽ giảm tốc độ cho đến khi đạt tốc độ bằng không, sau đó thuật toán sẽ chuyển về chế độ chờ.
Lớp này chuyển đổi các đơn vị trình điều khiển thành đơn vị kỹ thuật, thực hiện các quy tắc điều khiển và tính toán các giá trị so sánh cho trình điều khiển PWM.
Bus cảm biến là cấu trúc lưu trữ các giá trị từ Bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (ADC) và thiết bị ngoại vi bộ mã hóa cầu phương Đầu ra của bộ điều khiển so sánh các giá trị này, sử dụng Bộ điều biến độ rộng xung (PWM) để tạo ra điện áp pha.
Controller mode: chế độ điều khiển
Velocity command: lệnh vận tốc
Position command: lệnh vị trí
OutputVelocity: vận tốcPosition valid: vị trí hợp lệPwm compare: so sánh Phương pháp điều xung
Bộ điều khiển dòng điện luôn vận hành
Bộ điều khiển khởi động, vận tốc và mô-men xoắn được kích hoạt tùy chọn. Input
Controller mode: chế độ điều khiển
Velocity command: lệnh vận tốc
OutputPhase voltage: điện áp pha
Velocity measured: vận tốc đo được
Position command: lệnh vị trí
Position measured: vị trí đo được
Bộ điều khiển điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua việc sử dụng phản hồi từ vận tốc rôto so với tốc độ được chỉ định Đầu ra của bộ điều khiển cung cấp lệnh dòng điện tỷ lệ thuận với mômen điện từ của động cơ.
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có cấu trúc mà từ thông của rôto được cố định nhờ vào các nam châm, dẫn đến việc dòng điện của cuộn dây một chiều luôn duy trì ở mức không.
Velocity command: lệnh vận tốc
Velocity measured: vận tốc đo được
Bộ điều khiển điều chỉnh vị trí động cơ thông qua phản hồi vị trí roto so với vị trí chỉ định Đầu ra của bộ điều khiển là lệnh dòng điện tương ứng với mô men điện từ của động cơ.
Động cơ đang được điều khiển là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, trong đó từ thông của rôto là cố định nhờ vào các nam châm Điều này dẫn đến việc dòng điện cuộn dây một chiều luôn được duy trì ở mức không.
Position command: lệnh vị trí
Position measured: vị trí đo được
Hình 4.13 Torque control Đầu ra của bộ điều khiển là lệnh dòng điện tỷ lệ thuận với mômen điện từ của động cơ.
Trong cấu hình này, mô-men xoắn chỉ đơn thuần là lệnh hiện tại Có thể thêm một thuật ngữ khuếch đại bổ sung để chuyển đổi dòng điện thành mô-men xoắn dựa trên các thông số động cơ đã biết.
Điều khiển dòng điện stato được thực hiện thông qua việc biến đổi thời gian pha ba pha và hệ thống phụ thuộc tốc độ (ABC), kết hợp với một hệ thống hai tọa độ thời gian bất biến.
Controller mode: chế độ điều khiển q current command: lệnh dòng điện q
Rotor position: vị trí rotor
OutputPhase voltages: điện áp pha
Bộ điều khiển điều chỉnh dòng điện một chiều và dòng điện vuông góc.
Dòng điện từ lệnh sẽ được trừ cho dòng điện đo đạc hiện tại Sau đó, dữ liệu này được đưa vào khối thực hiện các thuật toán điều khiển PID, bao gồm cả thời gian liên tục và thời gian rời rạc, với các tính năng nâng cao Kết quả là hai điện áp được tạo ra, sau đó được nhập thành một bus duy nhất.
Chuyển đổi so sánh các giá trị số lượng PWM thành một chu kỳ nhiệm vụ chuẩn hóa.
Sau khi so sánh độ điều xung, dữ liệu sẽ được chuyển qua khối xử lý để quản lý việc truyền dữ liệu giữa các tốc độ và nhiệm vụ khác nhau, cuối cùng cho ra kết quả điều chế độ rộng xung.
Hình 4.17 Inverter Điều chế độ rộng xung sẽ được xử lý và đưa qua cảm biến, cho ra được cường độ dòng điện và điện áp.
Cảm biến và các hệ thống cơ khí
Khối này mô phỏng một vật cơ học tham chiếu ở đây là khung gầm của xe.
Khối đại diện cho một quán tính quay cơ học lý tưởng ở đây là lực quán tính lái.
Khối đại diện cho một cảm biến mô-men xoắn lý tưởng, biến đổi biến số thành tín hiệu điều khiển tỷ lệ với mô-men xoắn Cảm biến này được coi là lý tưởng vì không bị ảnh hưởng bởi quán tính, ma sát, độ trễ hay tiêu thụ năng lượng.
Cổng R và C là những cổng cơ học, đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối với momen xoắn cần theo dõi Trong khi đó, cổng T là cổng tín hiệu vật lý, chịu trách nhiệm xuất ra kết quả của momen xoắn cần theo dõi.
Chiều dương là từ R đến C.
Hình 4.22 Steering column and Sensor
Hướng thứ nhất sẽ đi vào khối Steering Column, khối này là khối Lò xo quay lý tưởng Mô tả bằng các phương trình động học: T= K*
Trong đó: T là momen xoắn truyền qua lò xo
K là Tỉ lệ của lò xo ( mặc định là 10 Nm/rad) là biến dạng của lò xo.
Hướng thứ hai tín hiệu sẽ đi vào khối Sensor.
Hình 4.23 Tổng quan khối sensor
Tín hiệu từ momen bánh lái được truyền vào khối cảm biến, qua các biến đổi, cho ra ba thông số quan trọng: sự chênh lệch góc quay vô lăng, vận tốc và độ dịch chuyển của tải trọng lái.
Các đầu vào cho bộ điều khiển PMSM bao gồm sự chênh lệch góc quay giữa hai đầu của trục vô lăng, cùng với vận tốc và độ dịch chuyển góc của tải trọng lái.
Biến tần PMSM được tối ưu hóa cho hiệu suất cao, cho phép hiển thị các dạng sóng điện áp và dòng điện trên biến tần điện áp cùng với phạm vi dòng điện Đồng thời, các dạng sóng mô-men xoắn cũng được thể hiện rõ ràng trong phạm vi mô-men xoắn cơ học.
Hình 4.24 mô tả đầu vào của Steering Wheel dưới dạng vận tốc góc do người lái thể hiện qua đồ thị hình sin Tín hiệu này được chuyển đổi thành tín hiệu vật lý nhờ Simulink-PS Converter (S-PS) và được truyền đến cổng S của Nguồn vận tốc góc lý tưởng (Steering Wheel) Khối nguồn này tạo ra chênh lệch vận tốc tại các thiết bị đầu cuối tương ứng với tín hiệu vật lý đầu vào, với đặc điểm là đủ mạnh để duy trì vận tốc xác định bất kể mô-men xoắn tác động lên hệ thống.
Chiều dương của khối được xác định từ cổng R đến cổng C, với vận tốc đo được là ω R - ω C, trong đó ω R và ω C là vận tốc góc tuyệt đối tại cổng R và C Mômen quay được coi là dương khi hướng từ R đến C, trong đó cổng C là cổng bảo toàn quay cơ học liên kết với điểm tham chiếu.
Tín hiệu sẽ được truyền đến cảm biến mô-men xoắn lý tưởng, nơi nó sẽ chuyển đổi biến số qua cảm biến thành tín hiệu điều khiển tương ứng với mô-men xoắn Cảm biến này được coi là lý tưởng vì không tính đến các yếu tố như quán tính, ma sát, độ trễ và tiêu thụ năng lượng.
Sau khi xuất tín hiệu qua cổng T, tín hiệu sẽ được chuyển đổi từ dạng vật lý sang dạng Simulink thông qua bộ chuyển đổi được gọi là drive, đại diện cho mô men của người lái với đơn vị là Nm.
Sau đó, tín hiệu vật lý momen lái từ đầu C sẽ đi vào 2 khối Steering Column và Sensor.
Hoạt động của model
Hình 4.25.Hoạt động của model
Tín hiệu từ vô lăng lái, được đại diện bởi cụm khối Steering Wheel, được truyền qua trục lái (Steering Column) đến cơ cấu lái Momen của trục lái được cảm biến đo và gửi tín hiệu đến bộ điều khiển PMSM Drive Bộ điều khiển này xuất điện áp 3 pha để điều khiển động cơ PMSM, tạo ra momen trợ lực lái qua R Tổng momen của Steering Column và động cơ PMSM sẽ được điều chỉnh bằng cách trừ đi lượng hao hụt do hệ thống treo và quán tính, từ đó đạt được momen lái tổng.
Hình 4.26 Đồ thị kết quả
Đồ thị mô men lái, trợ lực lái và tổng mô men đồng pha cho thấy sự hoạt động hiệu quả của mô hình trợ lực, phản ánh chính xác yếu tố thời điểm trong quá trình lái xe.
Lực lái của động cơ con người là yếu tố quan trọng nhất trong quá trình lái xe, thể hiện qua việc đồ thị driver luôn cao hơn đồ thị Power assist Sự khác biệt này giúp người lái duy trì cảm giác lái tốt hơn.
Tổng momen= Power assist+Driver
