Đang tải... (xem toàn văn)
Trong những năm gần đây, sự phát triển của lĩnh vực điện tử được ứng dụng rộng rãi trên ô tô nhằm đáp ứng hầu hết các đòi hỏi ở một ô tô hiện đại như: tăng công suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm khí thải độc haị, tăng tính an toàn và tiện nghi của ô tô. Vì tính gọn nhẹ, thời gian đáp ứng nhanh, khả năng xử lý tốt các tình huống là những đặc tính ưu việt của việc ứng dụng điện tử để tự động điều khiển các hệ thống trên ô tô. Chúng đã từng bước thay thế những kỹ thuật điều khiển tự động thuần cơ khí. Hệ thống lái trên ô tô là một điển hình. Hiện nay việc sử dụng hệ thống lái trợ lực điện để dẫn hướng bánh xe trên ô tô ngày càng được quan tâm. Bởi nó góp phần vào việc sử dụng hiệu quả đảm bảo độ tin cậy cao và an toàn trong sử dụng.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM - oOo VÕ DUY MINH NGHIÊN CỨU, LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN TRÊN Ô TÔ, THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HCM 09 - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM - oOo VÕ DUY MINH NGHIÊN CỨU, LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN TRÊN Ô TÔ, THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC MÃ SỐ: 60520116 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRẦN VĂN TRUNG TP HCM 09 - 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 09 năm 2017 ii LỜI CẢM ƠN Học viên xin chân thành cảm ơn sâu sắc TS TRẦN VĂN TRUNG tận tình hướng dẫn hết lịng đóng góp nhiều ý kiến quan trọng quý giá định hướng giúp học viên hoàn thành nội dung khoa học luận văn Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy, Cô Khoa Kỹ Thuật Động Lực (Cơ Khí Ơ Tơ) trường Đại học Giao Thơng Vận Tải Thành phố Hồ Chí Minh tận tình giúp đỡ học viên, góp phần vào thành cơng luận văn Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban giám đốc, q Trưởng phịng hành Nhà Máy Đường An Khê chi nhánh Công Ty Cổ Phần Đường Quảng Ngãi Thành công luận văn, học viên biết ơn sâu sắc đến người thân gia đình, bạn bè đồng nghiệp hỗ trợ động viên học viên suốt thời gian thực luận văn iii TÓM TẮT Trong năm gần đây, phát triển lĩnh vực điện tử ứng dụng rộng rãi ô tô nhằm đáp ứng hầu hết địi hỏi tô đại như: tăng công suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm khí thải độc haị, tăng tính an tồn tiện nghi tơ Vì tính gọn nhẹ, thời gian đáp ứng nhanh, khả xử lý tốt tình đặc tính ưu việt việc ứng dụng điện tử để tự động điều khiển hệ thống ô tô Chúng bước thay kỹ thuật điều khiển tự động khí Hệ thống lái tơ điển hình Hiện việc sử dụng hệ thống lái trợ lực điện để dẫn hướng bánh xe ô tô ngày quan tâm Bởi góp phần vào việc sử dụng hiệu đảm bảo độ tin cậy cao an toàn sử dụng Luận văn trình bày nghiên cứu lý thuyết điều khiển lái có trợ lực chế tạo mơ hình HTL có trợ lực điện Ứng dụng vi điều khiển Arduino thay ECU trợ lực lái để điều khiển hệ thống tảng kết cấu hệ thống lái trợ lực điện có sẵn, ngồi luận văn cịn đánh giá thực nghiệm trình làm việc hệ thống với điều khiển thiết kế thông qua việc so sánh với ECU nguyên xe Kết luận văn dùng để tham khảo việc lựa chọn phương án tính tốn thiết kế, lắp đặt vận hành hệ thống lái trợ lực điện kiểu tích hợp điều khiển ô tô Nội dung luận văn cịn dùng làm tài liệu giảng dạy nghiên cứu cho đối tượng sinh viên, học sinh chuyên ngành kỹ thuật khí động lực trường đại học, cao đẳng, trung học chuyên nghiệp làm tài liệu tham khảo cho cán bộ, cơng nhân kỹ thuật chun ngành Mơ hình chế tạo từ đề tài dùng để giảng dạy hệ thống lái trợ lực điện – điện tử phục vụ cho việc nghiên cứu nâng cao điều khiển lái tự động ( không người lái) Cấu trúc luận văn gồm chương: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết iv Chương 3: Lập trình điều khiển hệ thống lái trợ lực điện ô tô Chương 4: Thiết kế,chế tạo điều khiển mơ hình hệ thống lái trợ lực điện kiểm nghiệm Chương 5: Kết luận Tài liệu tham khảo v MỤC LỤC Trang TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU viii DANH SÁCH CÁC BẢNG ix DANH SÁCH CÁC HÌNH x Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý thực tính cấp thiết đề tài 1.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.3 Mục tiêu nhiêm vụ nghiên cứu … 1.4 Đối tượng nghiên cứu 1.5 Hướng nghiên cứu CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG LÁI 2.1 Vai trị tơ phát triển kinh tế - xã hội 2.2 Vài nét vấn đề giao thơng vai trị hệ thống lái 2.3 Khái quát hệ thống lái 2.3.1 Công dụng,yêu cầu,phân loại 2.3.2 Đặc điểm kết cấu hệ thống lái 10 2.3.2.1 Hệ thống lái khơng có trợ lực 10 2.3.2.2 Hệ thống lái có trợ lực 11 2.3.2.3 Các phương pháp bố trí trợ lực lái 13 2.4 Động lực học quay vịng tơ 14 vi 2.4.1 Phương trình động lực học 14 2.4.2 Các trạng thái quay vòng xe 18 2.4.3 Các yếu tố kết cấu sử dụng ảnh hưởng tới lực lái,tính ổn định tính dẫn hướng hệ thống lái 21 2.4.3.1 Các góc đặt bánh xe 21 2.4.3.2 Góc Camber (góc nghiêng ngang bánh xe) 23 2.4.3.3 Góc Caster khoảng Caster 26 2.4.3.4 Góc Kingpin (góc nghiêng ngang trụ đứng) 29 2.4.3.5 Độ chụm độ mở (góc dỗng) 32 CHƯƠNG 3: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN TRÊN Ô TÔ 33 3.1 Phân tích đặc điểm kết cấu 33 3.1.1 Trợ lực thủy lực điều khiển với van điện từ 33 3.1.1.1 Hệ thống lái trợ lực thủy lực với van điện từ lắp bơm trợ lực thực điều khiển lưu lượng 33 3.1.1.2 Hệ thống trợ lực thủy lực với van điện từ mạch dầu van trợ lực lái 34 3.1.1.3 Hệ thống lái trợ lực thủy lực với van điện từ cửa vào van trợ lực 37 3.1.1.4 Hệ thống lái trợ lực thủy lực với cách thay đổi tốc độ bơm trợ lực lái 37 3.1.2 Hệ thống lái trợ lực điện – điện tử 40 3.1.2.1 Trợ lực trục lái 42 3.1.2.2 Trợ lực cấu lái 49 3.1.3 Cảm biến hệ thống trợ lực lái điện – điện tử 52 3.2 Các phương pháp điều khiển 59 3.2.1 Phương pháp điều khiển lưu lượng (Flow Control Method) 59 3.2.2 Phương pháp điều khiển mạch tách qua xilanh trợ lực(Cylinder Bypass Control Method) 59 vii 3.2.3 Phương pháp điều khiển đặc tính van (Valve Characteristics Control Method) 59 3.2.4 Phương pháp điều khiển phản lực dầu (Hydraulic Reaction Force Method) 60 3.3 Giới thiệu giải thuật điều khiển PID 60 3.4 Bộ vi điều khiển ARDUINO - UNO 63 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ,CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN TRÊN Ơ TƠ THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN VÀ KIỂM NGHIỆM 66 4.1 Thiết kế,chế tạo điều khiển hệ thống lái trợ lực điện 66 4.1.1 Lưu đồ giải thuật 66 4.2 Thiết kế mơ hình hệ thống lái có trợ lực điện 67 4.2.l Mục đích xây dựng mơ hình 67 4.2.2 Thiết kế khung mơ hình 67 4.3 Kiểm nghiệm độ ổn định tin cậy 69 4.3.1 Mục đích thí nghiệm 70 4.3.2 Kết thí nghiệm 70 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 73 5.1 Kết nghiên cứu 73 5.2 Hướng phát triển đề tài 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 PHỤ LỤC 76 viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU HTL Hệ thống lái 4WS Hệ thống lái bánh PPS Bộ cường hóa tích cực TS Vơ lăng PID Giải thuật điều khiển NNL Nguồn lượng VPP Van phân phối XLL Xi lanh lực CCL Cơ cấu lái PS ECU Hộp điều khiển trợ lực lái EPS Trợ lực lái điện EPS ECU Hộp điều khiển lái MRE Mạch từ trở 69 hệ thống lái mô hình, mơ hình hệ thống lái hình thành cần kiểm tra số thông số vị trí trung gian cấu lái, kiểm tra độ rơ kết cấu, độ vững kết cấu Hình 4.3 – Mơ hình sau hoàn thiện 4.3 KIỂM NGHIỆM ĐỘ ỔN ĐỊNH VÀ TIN CẬY Dùng máy Oscilloscope đo trực tiếp mơ hình hệ thống Máy oscilloscope có khả đo nhiều kênh tín hiệu với khả đáp ứng nhanh độ xác cao Trong thí nghiệm máy dùng để đo thay đổi điện áp theo thời gian Trong thí nghiệm đo tác giả chọn thang đo thời gian 1ms (khoảng cách hai lưới bề đứng 1ms), thang đo điện áp 5V (khoảng cách hai lưới ngang 5V) Hình 4.4 - Máy Oscillocope 70 Máy Oscilloscope có chức sau: Xác định tín hiệu xung cảm biến xung điều khiển Xác định cường độ dòng điện Xác định dao động mạch 4.3.1 Mục đích thí nghiệm Nhằm xác định tín hiệu đầu hệ thống lái trợ lực điện Đồng thời kiểm tra lại chế hoạt động hệ thống cho phù hợp với xe thực tế 4.3.2 Kết thí nghiệm 4.3.2.1 Xung tín hiệu từ cảm biến Hình 4.5 – Tín hiệu cảm biến mơ men Dùng máy đo sóng ta đo tín hiệu cảm biến mơ men lái đánh lái chưa đánh lái, qua hình ta thấy tín hiệu ngõ cảm biến tín hiệu điện áp Tín hiệu thay đổi mơ men thay đổi Ở vị trí người lái khơng tác dụng lên vành lái điện áp ngõ tín hiệu 2,5V xem điện áp chuẩn, ta tác động lên vành lái đánh sang phải giá trị điện áp thay đổi theo chiều hướng tăng dần, giá trị điện áp có chiều hướng giảm ta thực đánh lái sang trái Mô men lớn giá trị điện áp thay đổi nhiều 4.3.2.2 Đo xung tín hiệu điều khiển Motor trợ lực chế độ Để đánh giá kết đạt điều khiển mà ta chế tạo có đáp ứng hệ thống hay khơng, ta dùng máy sóng đo tín hiệu ngõ điều khiển motor trợ lực lái Sau ta thực tương tự điều đo tín hiệu ngõ điều khiển motor 71 lực lái điểu khiển chuẩn (EPS-ECU) chuẩn hãng sản xuất chế độ đánh lái khác so sánh kết (a) (b) Hình 4.6 – Tín hiệu điều khiển Motor đánh lái sang phải (a) – Tín hiệu từ điều khiển chuẩn (b) – Tín hiệu từ điều khiển ta chế tạo Qua hình ta thấy dạng sóng tín hiệu điều khiển có hình dạng khác điều khiển dùng thuật tốn khác Nhưng quan ta thấy hai dạng sóng điều khiển motor dạng điều chế độ rộng xung, từ hình máy sóng ta thấy độ rộng xung điện áp tần số xung điều khiển tương đối giống nhau, có chút sai số so với chuẩn sai số không đáng kể, điều khiển đáp ứng hệ thống Ta tiếp tục kiểm nghiệm tín hiệu điều khiển ngõ đánh lái sang trái, kết tương tự ta phân tích Hình 4.7 mơ tả dạng sóng điều khiển đánh lái sang trái 72 (a) (b) Hình 4.7 – Tín hiệu điều khiển Motor đánh lái sang trái (a) – Tín hiệu từ điều khiển chuẩn (b) – Tín hiệu từ điều khiển ta chế tạo 73 Chương 5: KẾT LUẬN 5.1 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Xuất phát từ định hướng phát triển ngành cơng nghiệp Ơtơ Việt Nam để tiếp cận nhanh với kỹ thuật – công nghệ Trong sản xuất, lắp ráp ôtô, tiến tới sản xuất phụ tùng kỹ thuật cao Đề tài “Nghiên cứu, lập trình điều khiển hệ thống lái trợ lực điện ô tô Thiết kế chế tạo điều khiển hệ thống lái trợ lực điện” bước đầu tiếp cận với mảng kỹ thuật cao công nghệ ôtô Nội dung phương pháp nghiên cứu luận văn đáp ứng yêu cầu nhiệm vụ đặt đề tài Đề tài tóm tắt nghiên cứu nước nước hệ thống lái Phần đề tài trình bày phân tích cách hệ thống kỹ lưỡng lý luận kết cấu có ảnh hưởng đến hệ thống lái; Các giải pháp kỹ thuật điều khiển hệ thống lái trợ lực Ngoài việc nghiên cứu, nội dung phần dùng làm tài liệu giảng dạy tài liệu chuyên đề sâu hệ thống lái để giảng dạy trường cao đẳng đại học chun ngành khí ơtơ Trong phần xây dựng mơ hình thí nghiệm, đề tài thiết kế chế tạo mơ hình sống hệ thống lái ơtơ sản phẩm đề tài nghiên cứu Mơ hình mô hoạt động hệ thống lái ơtơ thực thí nghiệmnghiên cứu mơ hình như: - Đo đạc thơng số tín hiệu từ cảm biến - Lập trình hệ thống với chương trình khác kiểm nghiệm - Thay điều khiển dòng vi điều khiển khác - Thay thử nghiệm cho ECU hãng Mơ hình cịn làm giáo cụ trực quan hệ thống lái để thực hành điều chỉnh, điều khiển hệ thống lái cho học sinh, sinh viên 74 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Mặc dù đề tài hoàn thành với phần nghiên cứu lý luận có sản phẩm thực tế Song đề tài cịn số phần phát triển thêm mức nghiên cứu cao như: - Thiết kế chế tạo ECU điều khiển lái ( EPS ECU) với chương trình lập cho dòng vi điều khiển khác đánh giá kết điều khiển mềm dẻo hệ thống - Lắp ráp nghiên cứu hiệu điều khiển hệ thống lái trợ lực khác - Chế tạo thêm phần dẫn động mặt đường giả định để nghiên cứu tác động mặt đường đến dao động hệ thống lái 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng, Lý thuyết ôtô máy kéo, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 1993 [2] Trương Minh Chấp, Dương Đình Khuyến, Nguyễn Khắc Trai, Thiết kế tính tốn ơtơ - máy kéo, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 1971 [3] Nguyễn Khắc Trai, Cấu tạo gầm xe con, Nhà xuất giao thông vận tải, 1996 [4] Phạm Minh Thái, Thiết kế hệ thống lái ôtô - máy kéo bánh xe, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội – Năm 1991 [5] Nguyễn Khắc Trai, Tính điều khiển quỹ đạo chuyển động ôtô, NXB Năm 1997 [6] Toyota service training [7] Daewoo Service Training [8] Ford Service Training [9] Automative Electronics Handbook, chủ biên Ronald K Jurgen-1995 [10] Luận án tiến sỹ kỹ thuật – Nguyễn Thanh Quang – 2001 [11] Tài liệu tra cứu ôtô Mitchell On Demand5 [12] Tài liệu tra cứu ôtô Auto-Tech Encyclopedia [13] Tài liệu tra cứu ôtô Autodata 76 PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN // These constants won't change They're used to give names // to the pins used: #include LiquidCrystal lcd(9, 8, 7, 5, 3, 2); const int location_sensor = A1; // Analog input pin that the potentiometer is attached to const int moment_sensor = A0; // Analog input pin that the potentiometer is attached to const int pwm = 6; // Analog output pin that the LED is attached to const int dir = 4; const int buzz = 13; int location_sensorValue = 0; // value read from the pot int moment_sensorValue = 0; // value read from the moment senser int output_location_Value = 0, output_moment_Value = 0; the PWM (analog out) int Q=0, i_output_pwm, l=0, i_err=0, pwm_inve, i=0; //pid int P=0, I=0, D=0, error=0,previous_error=0, PID_value =0; int Kp =1, Ki=1, Kd =1; void motor_control(int pwm_value); void setup() { // initialize serial communications at 9600 bps: delay(100); lcd.begin(16, 2); lcd.setCursor(0, 0); // In dong chu // value output to 77 lcd.print("DO AN TOT NGHIEP"); lcd.setCursor(0, 1); // In dong chu lcd.print("LOADING ."); pinMode(dir, OUTPUT); pinMode(buzz, OUTPUT); Serial.begin(9600); delay(5000); lcd.setCursor(0, 1); // In dong chu lcd.print("KHOI DONG XONG"); // Ngat timer cli(); // tắt ngắt toàn cục /* Reset Timer/Counter1 */ TCCR1A = 0; TCCR1B = 0; TIMSK1 = 0; /* Setup Timer/Counter1 */ TCCR1B |= (1 0){ l=pwm-Q; if(l255) l=255; motor_control(l); // motor_control(255); i_output_pwm=l; 83 } else { l=-pwm-Q; if(l>0) l=0; if (l