Điều khiển huyển động ô tô điện cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ

- Hiệu suất sử dụng năng lượng cao, không gây ô nhiễm môi trường: Điện năng có thể được thu hồi trong quá trình hãm của xe, đồng thời xe điện hồn tồn khơng phát sinh các khí thải trong q

-

LUẬN VĂN THẠC S Ỹ KHOA HỌC

ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG Ô TÔ ĐIỆN: CẢI THIỆN

ĐỘ BÁM ĐƯỜNG DÙNG LÝ THUYẾT MỜ

NGÀNH : ĐIỀU KHI ỂN VÀ T Ự ĐỘNG HO Á

MÃ S : Ố

HOÀNG KIM NGA

Người hướng dẫn khoa học : TS TẠ CAO MINH

HÀ N - 2008 ỘI

thiện b độ ám đường ùng d lý thuyết ờ” do t i tự ết k d m ô thi ế ưới ự ướng ẫn s h d

c ủa Thầy giáo TS Tạ Cao Minh

Đểhoàn thành ản ận b lu văn này, t i chỉ ử ụng nhô s d ững t ài liệu đã đượcghi trong bảng những t ài liệu tham khảo mà không sử ụng b c m t d ất ứ ột ài

liệu n ào khác Nếu phát hiện có s ự sao chép i xin hoàn àn ch tô to ịu ách trnhiệm

Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2008

Người thực hiện

Hoàng Kim Nga

Trang

MỞ ĐẦU

1.1 Giới thiệu xe đ ệni ……… 1

1.1.1 Lịch s ử phát triển ủa xe đ ện c i ……… 1

1.1.2 Ưu điểm và những v c t t c ấn đề òn ồn ại ủa xe đ ệni …… 4

1.1.3 Cấu trúc ủa c ô tô i ……… đ ện 5 1.1.4 Nguy n lê ý hoạt động của ô tô i đ ện ……… 7

1.1.5 Các loại động ơ ùng cho c d ô tô i ……… đ ện 8 1.2 Giới thiệu đề ài t ……… 11

Chương 2 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ ĐIỆN 13 2.1 Hiện tượng trượt trong ô tô i ……… đ ện 13 2.2 Xây dựng mô hình động ực h c ô tô i ……… l ọc ủa đ ện 15 2.2.1 Mô hình động ơ ủa c c ô tô i ……… đ ện 19 2.2.2 Mô hình đ ều khiển ủa ệ thống i c h ……… 21

2.2.3 Mô phỏng ệ h thống đ ều khiển ủa i c ô tô i êđ ện tr n môi trường Matlab Simulink- ……… 26

Chương 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP Đ IỀU KHIỂN Ể NÂNG Đ CAO ĐỘ BÁM ĐƯ ỜNG 30 3.1 Ph ng phươ áp iđ ều khiển theo mô hình ẫu m (MFC) ……… 31

3.1.1 Nguyên lý iđ ều khiển theo mô hình ẫu m ……… 31

3.1.2 Điều khiển theo phương mô hình ẫu m ……… 33

3.2 Ph ng phươ áp iđ ều khiển tối ư ỷ ố ưu t s tr ợt ……… 36

3.2.1 Nguy n tê ắc iđ ều khiển tối ư ỷ ố ưu t s tr ợt ……… 37

3.2.3 Ước l ợng i ư đ ều kiện ặt đường m trong đ ều khiển ối ưu i t

t s ỷ ố trượt ……… 41

3.2.4 Thiết k b i ế ộ đ ều khiển ỷ ố trượt t s ……… 44 3.2.5 Mô phỏng phương pháp iđ ều khiển tối ưu tỷ ố ư s tr ợt

trên m i trường ô Matlab Simulink ……… - 46

Chương 4 ƯỚC L ỢNG CHẤT L ỢNG Ư Ư ĐƯ ỜNG DÙNG

4.1 Đặt vấn ……… đề 52 4.2 Tổng quan về lý thuyết ờ m 53 4.2.1 Sơ đồ chức n ng bộ đă iều khiển m ờ 53 4.2.2 Mô hình ờ MAMDANI m 55 4.3 Thuật toán đ ều khiển độ ám đưòng cho i b ô tô i đ ện 61

Chương 5 MÔ PHỎNG H Ệ THỐNG I Đ ÈU KHIỂN Ô TÔ

5.1 Mô phỏng ệ thốn h g ……… 64 5.2 Đánh á kgi ết quả mô phỏng ……… 72

Bảng 2.2 Các th ng số ử ụng để ô s d mô phỏng 26

Hình 2.8 Dạng đường cong của ực ản kh ng kh l c ô í 23

Hình 2.9 Sơ đồ ính toán ực ản ủa kh ng kh t l c c ô í Fa = Fa(v) 24

Hình 2.10 Mô hình đ ều khiển ủa ệ thống i c h 25

Hìng 2.11 ơ đồS mô phỏng mô hình ô tô i đ ện 27

Hình 3.3 Sơ đồ khối ủa c P2 i đ ều khiển theo mô hình ẫu m 34

Hình 3.4 Sơ đồ ổng quát nguy n l đ ề khiển ối ưu tỷ ố trượt t ê ý i u t s 37

Hình 3.5 Cấu trúc ộ đ ều khiển ỷ ố trượt b i t s 39

Hình 3.6 Mô hình ủa xe đ ện c i 39

Hình 3.7 Ước ượng ác ặt đường khác nhau l c m 42

Hình 3.8 Ước ượng đương cong µ - λ l cho đường nhựa kh ô 43

Hình 3.10 Sơ đồ ộ đ ều khiển ỷ ố trượt b i t s 45

Hình 3.11 Tỷ ố trượt ối ưu thường được ác định khi α = 1 s t x 45

Hình 3.12 Sơ đồ khối Slip ratio control 46

Hình 3.13 Sơ đồ kh âu t t s ạo ỷ ố trượt ối ưu t 46 Hình 3.14 Sơ đồ mô phỏng P2 i đ ều khiển ối ưu tỷ ố trượt t s 48 Hình 3.15 Đồ thị ốc độ t ô tô và t bốc độ ánh xe khi λopt= 0.15 49

Hình 3.1 Đồ thị ỷ ố trượt khi λ6 t s opt= 0.15 49

Hình 3.1 Đồ thị momen khi λ7 opt = 0.15 50

Hình 4.1 Sơ đồ khối chức ăng của ộ đ ều khiển ờ n b i m 54 Hình 4.2 Mô hình ờ MAMDANI m 55 Hình 4.3 Hàm li n thuộc kiểu tam giác ê 56 Hình 4.4 Hệ ờ ới nhiều đầu ào m v v và m ột đầu ra 57

Hình 4.5 µB’ x ác định theo nguy n tắc ợp thành MIN ê h 59 Hình 4.5 µB’ x ác định theo nguy n tắc ợp thành PROD ê h 59 Hình 4.7 Gi trị đầu àoá v rõ và á gi trị đầu ào ờ v m 60 Hình 5.1 Hệ ờ m MISO tính ước ượng độ ám đường ……… l b 64 Hình 5.2 Biến ngôn ngữ đầu vào Slip-ratio ……… 65

Hình 5.3 Biến ngôn ngữ đầu vào Friction-Co ……… 65

Hình 5.4 Biến ngôn ngữ đầu ra Water ……… 66

Hình 5.5 Biến ngôn ngữ đầu ra Concrete ……… 66

Hình 5.6 Biến ngôn ngữ đầu ra Gravel ……… 67

Hình 5.7 Biến ngôn ngữ đầu ra Asphalt ……… 67

Hình 5.8 Đặc tính quan hệ vào ra hệ mờ MISO ……… 68

Hình 5.11 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ô tô điện sử dụng bộ

ước lượng điều kiện mặt đường ……… 70

Hình 5.12 Sơ đồ khối bộ ước lượng độ trượt tối ưu ……… 71

Hình 5.13 Sơ đồ bộ điều khiển tỷ số trượt tối ưu ……… 71

Hình 5.14 Tốc độ bánh xe và tốc độ ô tô ……… 72

Hình 5.15 Đáp ứng của tỷ số trượt ……… 72

Hình 5.16 Momen ……… 73

Hình 5.17 Sơ đồ khối mô phỏng trong trường hợp đưa độ trượt tối ưu vào hệ thống ……… 74

Hình 5.18 Tốc độ ô tô và tốc độ bánh xe ……… 75

Hình 5.19 Đáp ứng tỷ sổ trượt ……… 75

Hình 5.20 Momen ……… 76

Ô tô là m ột loại phương tiện giao th ng đãô có t lâừ u v ngày àng trởà c

nên kh ng thể thiếu được trong đời ống ủa con người ô s c Ô tô được ử ụng s d

hiện nay đa phần chạy bằng xăng dầu - là nguyên nh n chính ủa v c â c ấn đề ạn

ki nguệt ồn năng lượng, vấn ô đề nhiễm môi trường trong thành phố, hiệu ứng à knh ính ẫn t s n d ới ự óng n của trái đất lê

Để khắc phục những nhược iđ ểm êtr n, ô tô iđ ện đã ra đời ới v những

tính ăng nổi trội như: th n thiện ới n â v môi trường, tiết kiệm nguồn ăng n

lượng ầu, độ an toàn d và chính ác cao Với những ính ăng ưu việt đó, x t ntrong t ng lai khươ ông xa ô tô i s d đ ện ẽ ần thay thế ô tô chạy bằng động ơ c đốt trong v ẽ chiếm lĩnh v ịtrí quan trọngà s trong ngành công nghi ô tô ệpTuy nhiên, ô tô i cđ ện ũng g ặp phải kh khó ăn là làm thế ào để i n đ ềukhiển được ô tô i êđ ện tr n những o đ ạn đường trơ ướt mà v n ẫn đảm b ảo

không trượt và an toàn Để gi quyải ết v ấn đề này, người ta đã đề ất c xu ácphương pháp cải thiện độ bám đường ùng d lý thuyết ờ V ậy, t i đã m ì v ô đượcgiao đề t tài ốt nghiệp “ i Đ ều khiển chuyển động ô tô iđ ện: cải thiện độ bámđường dùng lý thuyết mờ”

N ội dung của đề ài được chia thành 5 chương: t

- Chương 1: Tổng quan về ô tô i đ ện

- Chương 2: Mô hình động ực ọc l h ô tô i đ ện

- Chương 3: Các phương pháp đ ều khiển để i nâng cao độ ám đường b

- Chương 4: Ước ượng chất ượng đường ằng l l b lý thuyết ờ m

- Chương 5: M phỏng đ ều khiển ờ ải thiện độ ám đường củaô i m c b ô tô điện

B ản luận ăn này được hoàn thành ưới ự ướng ẫn ận ình ủa thầy v d s h d t t c giáo TS Tạ Cao Minh Tuy nhi n, do th gian vê ời à trình độ b ân cản th òn h ạn

chế nên kh ng trô ánh khỏi những thiếu xót, kính mong nhận được ự đóng s

thiện hơn.

Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2008

Hoàng Kim Nga

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN

1.1 Giới thiệu xe điện

1.1.1 Lịch sử phát triển của xe điện

Lịch sử phát triển của xe điện gắn liền với sự phát minh ra động cơ điện Năm 1820 Faraday công bố kết quả thí nghiệm của ông về chuyển động quay điện từ gồm chuyển động quay của dây dẫn trong từ trường và chuyển động của nam châm quanh một dây dẫn Tới năm 1831 ông phát minh ra định luật cảm ứng điện từ, đây là mốc son quan trọng cho quá trình phát triển của động

cơ điện cũng như sự phát triển của xe điện

Trước năm 1830 phương tiện giao thông chủ yếu là sử dụng năng lượng hơi nước Sau khi phát minh ra động cơ điện, vào khoảng năm 1834 chiếc xe điện đầu tiên được ra đời, nó chạy bằng nguồn ắc quy không thể nạp lại và chỉ chạy được trên đoạn đường ngắn Thời gian sau đó công nghệ chế tạo ắc quy

- Năm 1911 phát minh ra bộ khởi động động cơ làm cho xe chạy xăng khởi động đơn giản hơn

- Năm 1925 cải tiến trong kỹ tuật sản xuất hang loạt làm giá thành xe chạy bằng năng lượng xăng dầu giảm xuống đáng kể

- Hơn nữa ở các vùng nông thôn bị giới hạn về sử dụng điện nên việc nạp ắc quy gặp khó khăn, còn xăng dầu được bán khắp mọi nơi rất thuận tiện Mãi tới năm 1960 xe điện mới được quan tâm trở lại, lý do đầu tiên là vấn đề ô nhiễm môi trường do khói từ xe chạy bằng động cơ đốt trong sinh ra Các nhà máy sản xuất chính như General Motor và Ford đã bắt đầu nghiên cứu và phát triển xe điện General Motor bỏ ra 15 triệu đô la cho chương trình nghiên cứu và cho ra đời hai xe được gọi với hai cái tên Electrovair và Electrovan Các đặc tính kỹ thuật của hai xe Electrovair 1 (1964) và Electrovair 2 (1966) được đưa ra như sau:

- Xe chạy bằng động cơ xoay chiều ba pha, công suất 115Hp, tốc độ

13000 vòng/phút

- Ắc quy silver zinc 512 (V) khối lượng 680 (lb)

Bộ biến đổi DA AC sử dụng thiết bị chỉnh lưu điều khiển silicon

Car Race” (cuộc đua xe điện lớn) cuộc đua đã tạo ra một bước ngoặt về công nghệ chế tạo xe điện Tuy nhiên sự đột phá công nghệ trong những năm 1960 vẫn chưa đủ mạnh để đưa xe điện vào thương mại

Vào những năm 1970, lệnh cấm vận ở Ả Rập tạo ra một cơn khủng hoảng về năng lượng, giá xăng dầu tăng đột biến Nhu cầu phát triển xe điện càng trở nên mạnh mẽ, nó được sự quan tâm đặc biệt của các hãng sản xuất ô

tô lớn và chính phủ Sự phát triển mạnh trong giai đoạn này dẫn tới sự khả thi tính thương mại cho xe điện

Vào những năm 1980 và những năm 1990, do sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế tạo chất bán dẫn công suất lớn, cùng với cuộc cách mạng về kỹ thuật vi xử lý, mà dẫn tới thiết kế bộ biến đổi điện tử công suất, cải tiến đáng

kể hiệu quả điều khiển các động cơ điện Xe điện được phát triển mạnh mẽ theo nhiều hướng nghiên cứu khác nhau và đạt được những thành tựu đáng

kể

Ngày nay, phương tiện chủ yếu là ô tô, ô tô là một phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày, nhưng đa phần ô tô được sử dụng hiện nay là chạy bằng động cơ đốt trong là nguyên nhân chính của sự ô nhiễm môi trường trong thành phố, hiệu ứng nhà kính dẫn tới sự nóng lên của trái đất Đây cũng

là nguyên nhân chính của nhiều cuộc khủng hoảng kinh tế, chính trị và cuộc khủng hoảng dầu thô đang diễn ra gay gắt trên thế giới Số ô tô của hành tinh chúng ta đã tăng gấp đôi khoảng một tỷ so với mười năm trước Sự tăng số lượng ô tô trên đường mỗi năm chỉ tăng thêm ô nhiễm Do đó nhu cầu phát triển xe điện để thay thế xe chạy bằng ăng dầu là đx iều tất yếu Xe điện cho hiệu suất cao điều khiển vận hành bằng nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường Việc thay thế xe chạy bằng năng lượng xăng dầu bằng xe chạy bằng điện là giải pháp hiệu quả để kìm chế vấn đề ô nhiễm môi trường và tiết kiệm nguồn nguyên liệu đang dần khan hiếm trên hành tinh chúng ta hiện nay

1.1.2 Ưu điểm và những vấn đề còn tồn tại của xe điện

Xe điện có những vấn đề ưu thế cho xã hội như tính kinh tế, tiết kiệm nhiên liệu, thân thiện với môi trường, độ an toàn cao, không gây ồn Về kỹ thuật nó cũng có những ưu đỉem nổi trội là hiệu suất cao, khả năng sinh mômen nhanh, chính xác, tăng tốc êm, nhờ khả năng thay đổi tốc độ dễ dàng của hệ truyền động điện nên phân cơ khí nhỏ gọn, dễ dàng tự động hoá

- Hiệu suất sử dụng năng lượng cao, không gây ô nhiễm môi trường: Điện năng có thể được thu hồi trong quá trình hãm của xe, đồng thời xe điện hoàn toàn không phát sinh các khí thải trong quá trình hoạt động, đây cũng là một đặc trưng rất quan trọng giúp cho xe điện có tiềm năng phát triển to lớn trong tương lai khi mà yêu cầu về bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng được đặt lên hàng đầu

- Sinh mômen nhanh và dễ điều khiển: mômen do động cơ điện sinh ra

tỷ lệ với dòng điện đây là quan hệ tượng đối tuyến tính và có đáp ứng nhanh

do quán tính điện là nhỏ Trong khi đó momen do động cơ xăng sinh ra phụ thuộc phi tuyến vào góc mở van tiết lưu, tỷ lệ hỗn hợp không khí nhiên liêu…

và đáp ứng chậm, không chính xác

- Khối lượng nhẹ và kết cấu cơ khí đơn giản: do động cơ điện dễ dàng điều chỉnh tốc độ, cần một tỷ số truyền thậm chí không cần hộp số (ở một số loại xe truyền động trưc tiếp từ động cơ), ngoài ra có thể không cần bộ vi sai (xe điện truyền động độc lập các bánh)

- Dễ dàng tự động hoá đem lại những tiện ích cho người sử dụng: việc điều khiển bằng điện năng có thể ứng dụng các công nghệ hiện đại về vi xử lý

để có các hệ thống thông minh giúp người sử dụng cảm thấy thoải mái, tiện lợi

Bên cạnh đó, xe điện vẫn còn tồn tại những hạn chế chưa khắc phục được hoàn toàn như vấn đề nguồn cấp cho động cơ còn chưa thoả mãn yêu

cầu, do khả năng tích điện của ắc quy hiện nay chưa cao và thời gian nạp ắc quy lại dài Động cơ điện không sinh được mômen lớn bằng động cơ xăng, vì

lý do này động cơ điện ít được dùng cho các phương tiện cỡ lớn, vì phương tiện loại này đòi hỏi mômen khi khởi động hoặc khi tăng tốc là rất cao, chủ yếu dùng cho các phương tiện nhỏ (xe con, xe lăn, …)

Hiện nay các hãng sản xuất ô tô lớn vẫn không ngừng nghiên cứu theo nhiều hướng khác nhau để chế tạo ra nguồn điện có khả năng đáp ứng năng lượng lâu dài cho động cơ Sử dụng kết hợp động cơ điện và động cơ xăng cho xe điện xem ra đang là giải pháp thích hợp nhất hiện nay, có thể xem đây như là một bước quá độ để tiến đến chế tạo ra xe điện có thể hoàn toàn đáp ứng đựoc yêu cầu thực tế đặt ra Ngoài ra, vấn đề tự động hoá cho xe điện và nghiên cứu các thuật toán điều khiển cao cấp để mang lại hiệu quả vận hành cao nhất cho phương tiện (ví dụ: tối ưu theo độ trựơt, … ) cũng được tiến hành đồng thời

1.1.3 Cấu trúc của ô tô điện

Cấu trúc của ô tô điện có những phần giống và khác so với ô tô chạy bằng động cơ đốt trong thông thường Ngoài sự khác biệt về động cơ sử dụng, hai loại ô tô này còn có những điểm khác nhau cơ bản như về nguồn năng lượng cấp, về hệ thống điều khiển, hệ thống khởi động,… Dưới đây chúng ta

sẽ chia ô tô điện thành hai phần: phần điện và phần cơ

Phần điện của ô tô bao gồm:

+ Động cơ: động cơ mà ô tô sử dụng là động cơ điện, động cơ này sẽ nhận năng lượng từ một phần nguồn cố định, nguồn này sẽ thông qua bộ biến đổi để biến năng lượng đó sao cho phù hợp với các yêu cầu về thay đổi tốc độ của động cơ

+ Hệ thống cung cấp điện: ắc quy, nguồn điện, bộ điều chỉnh

+ Hệ thống đánh lửa: cuộn đánh lửa, bộ chia điện, bugi…

+ Hệ thống khởi động: ắc quy, máy khởi động, rơ le, công tắc tơ…

+ Hệ thống các thiết bị theo dõi: các loại đồng hồ đo, cảm biến…

+ Hệ thống chiếu sáng và tín hiệu

+ Một số thiết bị phụ khác

Hình 1.1 Cấu trúc của ô tô điện

Phần cơ của ô tô điện (hệ thống truyền lực): có nhiệm vụ truyền mômen

xoắn từ động cơ đến bánh xe chủ động của ôtô, hệ thống này cho phép thay đổi tỷ số truyền giữa động cơ và bánh xe chủ động tuỳ theo điều kiện chuyển động trong khi vẫn giữ nguyên chế độ làm việc của động cơ Ngoài ra, hệ thống này còn dùng để khởi động động cơ một cách êm dịu, ngắt truyền động giữa động cơ và bánh xe

+ Bộ ly hợp: Dùng để nối động cơ với hệ thống truyền lực một cách êm dịu và tách động cơ ra khỏi hệ thống truyền lực một cách nhanh chóng và dứt khoát Trong quá trình sử dụng, bộ ly hợp được tách ra khi sang số hoặc khi phanh ô tô để việc sang số được dễ dàng và tránh bị va đập Ngoài ra, bộ ly hợp còn được dùng là cơ cấu an toàn giữ cho các chi tiết của hệ thống truyền lực khỏi bị quá tải

+ Hộp số: Để ôtô có thể làm việc được trong những điều kiện rất khác nhau về đường xá, trọng tải và tốc độ Để thích ứng với những điều kiện đó, cần phải thay đổi lực kéo cùng tốc độ của ô tô trong một khoảng khá rộng để

đảm bảo được chế độ làm việc kinh tế của động cơ Hộp số dùng để thay đổi lực kéo tức là thay đổi tốc độ của ô tô Ngoài ra, nó còn được dùng để thay đổi hướng chuyển động như chế độ chạy tiến hay chạy lùi

+ Các đăng: Trục các đăng dùng để truyền lực từ trục thứ cấp của hộp số đến trục chủ động của truyền lực chính của cầu sau ô tô

+ Hệ thống phanh hãm: Thực hiện chức năng phanh, dừng xe khi cần thiết

1.1.4 Nguyên lý hoạt động của ô tô điện

Khi động cơ quay, công suất của động cơ được truyền đến bánh xe chủ động của ô tô thông qua hệ thống truyền lực Khi truyền như vậy, công suất bị tổn hao do ma sát trong hệ thống truyền lực và công suất ở bánh xe chủ động

sẽ nhỏ hơn công suất do động cơ phát ra Công suất ở bánh xe chủ động được thể hiện qua hai thông số là mômen xoắn và vòng quay của bánh xe chủ động Nhờ có mômen xoắn truyền tới bánh xe chủ động và nhờ có sự tiếp xúc giữa bánh xe chủ động với mặt đường nên tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe chủ động

và mặt đường sẽ phát sinh ra lực kéo tiếp tuyến hướng theo chiều chuyển động Lực kéo tiếp tuyến chính là lực mà mặt đường tác dụng lên bánh xe Để cho ô tô có thể chuyển động được thì ở vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường phải có độ bám đường nhất định đặc trưng bằng hệ số bám Nếu độ bám thấp thì bánh xe có thể bị trượt hoặc quay khi có mômen xoắn lớn truyền động từ động cơ đến bánh xe chủ động và lúc đó ô tô không thể tiến lên phía trước được Hệ số bám giữa bánh xe chủ động và mặt đường là tỷ số giữa lực kéo tiếp tuyến cực đại sinh ra tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe chủ động và mặt đường trên tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe chủ động Tải trọng này thường được gọi là tải trọng bám Gf:

k max f

P f G

= (1 1)

- Lực kéo tiếp tuyến cực đại phát sinh theo điều kiện bám giữa bánh xe chủ động và mặt đường:

Động cơ chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ và ngược lại, chính là sức kéo trong các hệ truyền động Các hệ thống truyền động đã được

áp dụng cho nhiều hệ thống như: máy bơm, quạt gió, các máy cuốn giấy và máy dệt, các máy nâng hạ, động cơ servo và rôbốt, các máy cán thép và các máy quay nghiền xi măng, đặc biệt, ngày nay còn được ứng dụng rộng rãi trong ô tô điện,… Mỗi động cơ là một cấu trúc điện, cơ và nhiệt phức tạp Mặc dù máy điện đã được biết đến từ hơn một trăm năm trước đây nhưng những nghiên cứu và phát triển về lĩnh vực này dường như là bất tận Tuy nhiên, tốc độ phát triển của các loại máy điện là thấp hơn trong sự tương quan với các thiết bị bán dẫn và các bộ biến đổi công suất Để thiết kế kỹ thuật cho một hệ thống truyền động có tính năng cao thì yêu cầu là phải đáp ứng được các chỉ tiêu về máy điện, mô hình động lực học và sự biến thiên về thông số Nói chung, với những hệ truyền động dùng trong công nghiệp, chúng ta

thường phân loại thành truyền động có tốc độ không đổi và truyền động có tốc độ biến đổi Các loại máy điện xoay chiều với nguồn cấp hình sin tần số không đổi thường được dùng trong các hệ truyền động có tốc độ hằng, ngược lại, các động cơ một chiều hay được sử dụng hơn trong các hệ truyền động có tốc độ biến đổi

Trong phần này chúng ta sẽ so sánh ưu nhược điểm của các loại các loại động cơ được sử dụng trong ô tô điện như sau:

1.1.5.1 Động cơ một ch iều

Động cơ một chiều (bao gồm động cơ một chiều kích từ độc lập và động

cơ một chiều kích từ nối tiếp) đều gặp phải những bất lợi như: giá thành cao, quán tính lớn và các vấn đề về bảo trì với cơ cấu chổi than, vành góp Không những thế, các cơ cấu chổi than và vành góp sẽ giới hạn tốc độ máy điện và biên độ dòng điện, gây ra các vấn đề về nhiễu điện từ, không cho phép động

cơ hoạt động trong môi trường bụi bẩn và dễ cháy nổ Tuy nhiên, các bộ điều khiển và bộ biến đổi truyền động của động cơ một chiều thường đơn giản và mômen sinh ra là rất nhanh Các động cơ xoay chiều (ví dụ: động cơ không đồng bộ roto lồng sóc) không gặp phải các bất lợi của động cơ một chiều như

đã đề cập đến ở trên Trong hai đến ba thập kỷ gần đây, chúng ta đã thu được các kết quả nghiên cứu và phát triển ngày càng mở rộng về công nghệ truyền động của máy điện xoay chiều với tần số và tốc độ thay đổi Mặc dù những ứng dụng chính cho truyền động tốc độ thay đổi sử dụng động cơ một chiều nhưng gần đây chúng đã dần được thay thế bởi động cơ xoay chiều Trong hầu hết các ứng dụng mới đã sử dụng truyền động động cơ xoay chiều

1.1.5.2 Động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều hai dây quấn mà trong đó chỉ có một dây quấn (dây quấn sơ cấp) nhận điện từ lưới điện xoay chiều và dây quấn còn lại (dây quấn thứ cấp) được nối tắt lại hay được khép kín qua điện trở Dòng điện trong cuộn dây thứ cấp được sinh ra nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ, nó có tần số fr là hàm của tốc độ roto

Mặc dù vậy động cơ không đồng bộ cũng có những ưu điểm và nhược điểm như sau:

* Ưu điểm

+ Động cơ không đồng bộ được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế Ưu điểm nổi bật của loại động cơ này là dải điều chỉnh tốc độ lớn, lớn hơn 4÷5 lần so với ωđm

+ Động cơ không đồng bộ có cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ roto lồng sóc So với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có giá thành hạ, vận hành tin cậy, chắc chắn, có thể dùng trực tiếp lưới điện ba pha nên có thể không cần thiết bộ biến đổi kèm theo

* Nhược điểm

+ Động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn, riêng với động cơ roto lồng sóc, thì các chỉ tiêu khởi động xấu hơn

+ Do không tách biệt được các thành phần dòng điện, tốc độ, và điện áp nên việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ là khó khăn hơn nhiều so với động cơ một chiều

+ Quá trình khởi động khó khăn hơn do đặc tính tại ω=0 có mômen M

là nhỏ nên nếu nhỏ hơn mômen cản Mc thì rõ ràng là không thể khởi động

được Để khởi động thành công thì cần phải tăng mômen lên để thắng được

Mc

+ Hiệu suất sử dụng η thấp

+ Như vậy, nhược điểm chính của động cơ không đồng bộ là đặc tính

mở máy xấu, hiệu suất sử dụng thấp và việc khống chế quá trình quá độ khó khăn hơn so với động cơ một chiều

1.1.5.3 Động cơ xoay chiều đồng bộ ba pha kích từ nam châm vĩnh cửu

Động cơ đồng b nam châm vĩnh cửu được chia ra làm hai loại chính:ộ + Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực

từ bố trí mặt ngoài (SPM: Simusoidal Surface Magnet Motor)

+ Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực

từ bố trí chìm bên trong (IPM: Simusoidal Interior Magnet Motor

Cũng giống như động cơ không đồng bộ, (IPM) có dải điều chỉnh tốc độ lớn, khống chế quá trình quá dộ khó khăn Nhưng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu lại có ưu điểm hơn động cơ không đồng bộ l hiệu suất sử dụng rất à cao Tuy nhiên động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu lại có giá thành đắt

Với những ưu điểm và nhược điểm kể trên thì động cơ không một chiều trước đây vấn được sử dụng trong ngành ô tô điện thì bây giờ đã dần được thay thế bởi động cơ không đồng bộ Đặc biệt động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu SPM được sử dụng rất nhiều trong ô tô điện vì hiệu suất mà nó mang lại rất cao

1.2 Giới thiệu đề tài

Ô tô là một loại phương tiện giao thông đã có từ lâu và ngày càng trở lên không thể thiếu được trong đời sống của con người Cùng với sự ra đời của các loại xe ngày càng được cải tiến về mẫu mã và chất lượng, điều mà các nhà sản xuất lo ngại nhất là vấn đề cạn kiệt nguồn năng lượng và vấn đề ô nhiễm

môi trường Ô tô điện đã ra đời và khắc phục được hai vấn đề trên, hơn nữa ô

tô điện còn có khả năng sinh mômen nhanh và chính xác đảm bảo độ an toàn

và thoải mái tiện lợi của xe Với những tính năng ưu việt đó thì trong tương lai không xa, ô tô điện sẽ dần thay thế ô tô chạy bằng động cơ đốt trong và sẽ chiếm lĩnh vị trí quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô

Tuy nhiên, ô tô điện cũng gặp phải khó khăn là làm thế nào để điều khiển được ô tô điện trên những đoạn đường trơn ướt mà vẫn đảm bảo không trượt và an toàn Để giải quyết vấn đề này, người ta đã đề xuất các phương pháp cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ Đây cũng là nội dung chính của bài luận văn này

Hình 2.1 Đặc tính của lực truyền động và lực bên

Khi ô tô hoạt động, có hai lực tác dụng chính vào ô tô:

+ Lực truyền động (driving force) hay còn gọi là lực thẳng (longitudinal force)

+ Lực bên (lateral force)

Các đặc tính của lực này được miêu tả như trên hình 2.1 Từ hình vẽ trên, chúng ta rút ra nhận xét, cả lực truyền động (lực lái) và lực bên đều phụ thuộc rất mạnh mẽ vào hệ số trượt λ Như đã nói từ trước, hệ số λ trượt được xác định theo biểu thức sau:

V

ω ω

Vùng điều khiển sức kéo tối ưu và hiệu quả nhất, theo nghiên cứu và tính toán của các chuyên gia chính là vùng gách chéo ở lân cận giao điểm của hai đường cong lực (đường conglực truyền động và đường cong lực bên), được thể hiện trên hình 2.1 Ở vùng lân cận này, khi hệ số trượt thay đổi thì lực truyền động và lực bên cũng thay đổi một cách tuyến tính và việc điều khiển sẽ trở nên hoàn toàn đơn giản hơn rất nhiều

Trong khuôn khổ đồ án này, chúng ta sẽ chỉ tiến hành việc điều khiển lực truyền động (driving force) hay còn gọi là lực thẳng, lực lái thông qua

việc điều chỉnh hệ số trượt để nâng cao độ bám dính mặt đường của lốp xe Trên cơ sở đó chúng ta sẽ xây dựng mô hình điều khiển cho động cơ và cho

hệ thống được thực hiện ngay ở phần kế tiếp

2.2 Xây dựng mô hình động lực học của ô tô điện

Mô hình tổng quát cho xe điện có dạng như hình 2.2

Điều

khiển

Động cơ điện

Hệ thống truyền lực

Bán kính bánh xe r

Momen cản tổng M c

bánh xe Vw

Hình 2.2 Mô hình tổng quát truyền động cho xe điện

Ở đây ô tô sẽ sử dụng một động cơ điện, thông qua hệ thống truyền lực

sẽ sinh ra mômen ở đầu trục động cơ Hiệu giữa mômen do động cơ sinh ra và mômen cản chính là mômen đưa vào làm bánh xe quay Ở đây đồ án không tập trung vào vấn đề động cơ mà sẽ chỉ đi sâu vào vấn đề điều khiển

Để thành lập mô hình động lực học của xe điện, trước hết cần xuất phát

từ phương trình động lực học cơ bản của truyền động điện:

d

dJT-

ω

= (2.2) Trong đó:

T: mômen động cơ đã biến đổi qua cơ cấu hộp số

Td: mômen cản tổng

ω: tốc độ ra đầu trục

Hình 2.3 Phân tích động lực học xe điện

Mômen lấy ra ở đầu trục bánh xe T được biến đổi từ mômen động cơ

qua cơ cấu hộp số với tỷ số truyền N:

N.T

T. = m (2.3)

Tm: là mômen động cơ được tính từ các phương trình của động cơ

I K

Tm= φ (2.4)

dt

diL

R 

1I

N: phản lực của mặt đường, N = M.g, với M là khối lượng xe µ: hệ số ma sát

Hình 2.4 Đặc tính µ λ-

0.2 0

0.4 0.6

0.8 1.0

Đặc tính µ=f( ) có thể thu được thông qua việc ước lượng điều kiện mặt λđường và thử nghiệm Thực nghiệm chứng tỏ, với những điều kiện mặt đường khác nhau thì đặc tính µ λ( ) có dạng khác nhau Hình 2.4 là một trường hợp đặc tính µ λ( ) Vận tốc của trục bánh và của xe điện được xác định từ các phương trình sau:

r.ω

Vw = (2.9)

(F F )M

1

V= ∫ d− a (2.10) Trong đó:

M: khối lượng của ô tô điện

Fa: lực cản không khí động

Lực cản không khí động Fa phụ thuộc vào vận tốc của xe ô tô theo một hàm xấp xỉ bậc 2 theo phương trình (2.16):

V.KF

w

w −

= (2.12) r.ω

Vw = (2.13) (F F )dt

M

1r

V= ∫ d− a (2.14) Fd=N µ λ( )=M.g µ (2.15)

V.KF

R 

1I

Từ các phương trình động lực học trên, ta sẽ thiết lập mô hình động lực học và mô hình điều khiển cho ô tô điện

2.2.1 Mô hình động cơ của ô tô điện

* Xây dựng hàm truyền của động cơ

Trong mô hình xe điện trong môi trường Matlab-Simulink, thì hàm truyền của động cơ một chiều chính là một khâu quán tính, được giải thích như sau:

Xuất phát từ phương trình cân bằng điện áp:

+ I: dòng điện phần ứng của động cơ một chiều

+ L: điện cảm phần ứng của động cơ một chiều

+ τ: hằng số thời gian của động cơ môt chiều

Trong mô hình điều khiển xe điện, hàm truyền mà chúng ta sử dụng là

ở trên, với tín hiệu vào là tín hiệu điện áp, thì sau khâu quán tính, đầu ra ta thu được sẽ là tín hiệu dòng điện

* Xây dựng hàm truyền để đưa ra tốc độ ở đầu trục động cơ

Thông qua hàm truyền của động cơ một chiều, đầu ra thu được là tín hiệu dòng điện Sau đó qua khâu khuyếch đại ta thu được mômen của động cơ một chiều thông qua biểu thức:

+ J: mômen quán tính của động cơ

Như vậy, với đầu vào là hiệu (Mđ - Mc), thông qua hàm truyền 1 ta sẽ thu được tốc độ của động cơ

Hình 2.5 Mô hình động cơ của ô tô

2.2.2 Mô hình điều khiển của hệ thống

* Xây dựng mô hình khối tính toán tỷ số trượt (slip ratio)

Khối tính toán tỷ số trượt có hai đầu vào và một đầu ra, đầu vào là tốc

độ thực của xe (V) và tốc độ của bánh xe (Vw), còn đầu ra chính là tỷ số trượt

λ, được tính toán theo biểu thức đã nêu ở trên:

w w

V

−

Hình 2.6 Khối tính toán tỷ số trượt

Để xây dựng mô hình khối tính toán tỷ số trượt, ta sẽ sử dụng một bộ cộng và một bộ chia Tín hiệu vào là Vw và V, thông qua bộ cộng (add), ta sẽ được hiệu (Vw – V), sau đó, thông qua bộ chia (divide), ta sẽ thu được tỷ số trượt mong muốn như dưới sơ đồ sau:

* Xây dựng mô hình khối tính toán đặc tính bám dính bề mặt đường

Để xác định và đưa ra một khối tính toán đặc tính bám dính của đường

( )

f

µ = λ một cách hoàn toàn chính xác là vô cùng khó khăn Ở trong khuôn khổ đồ án này, chúng ta sẽ xây dựng đường đặc tính bám hay hệ số ma sát thông qua khối Lookup Table - tức là chúng ta sẽ dựa vào các giá trị đo đạc thực nghiệm của hệ số trượt để tính toán ra hệ số ma sát tương ứng Dưới đây,

là bảng Lookup Table, được sử dụng trong mô hình xe điện

Hình 2.7 Xây dựng đặc tính µ = f(λ) dựa trên bảng tính Lookup Table

* Xây dựng khối tính toán lực cản không khí

Hình 2.8 Dạng đường cong của lực cản không khí

Thông thường, lực cản của không khí luôn phụ thuộc vào tốc độ của ô

tô Khi vận tốc của ô tô tăng lên thì lực cản của không khí cũng tăng lên theo Mối quan hệ giữa lực cản của không khí và vận tốc của ô tô điện có thể được

V

F a

F a0

xấp xỉ bởi một hàm bậc hai và đường cong đặc tính Fa = Fa (V) là một đường cong phi tuyến

Để xây dựng khối tính toán lực cản không khí trong môi trường simulink, ta sử dụng đầu vào là tín hiệu vận tốc của xe, thông qua khối tính toán (Math), rồi qua khâu tỷ lệ, là một đầu vào của bộ cộng (add2) như sơ đồ dưới đây

Matlab-Hình 2.9 Sơ đồ tính toán lực cản của không khí Fa = Fa(V)

Từ việc xây dựng các khối con trong ô tô điện như đã trình bày ở trên, ta

dễ dàng xây dựng nên mô hình điều khiển đầy đủ của hệ thống như hình vẽ 2.10

2.2.3 Mô phỏng hệ thống đi u khiển của ô tô điện trên môi trường ề

Sau khi chạy chương trình mô phỏng Matlab - Simulink ta được các kết quả như sau:

Hình 2.12 Tốc độ bánh xe và tốc độ xe

tHình 2.13 Đáp ứng ủa ỷ số trượt c T λ

Hình 2.14 Đáp ứng Momen

Qua kết quả mô phỏng ta thấy: Khi tốc độ của ô tô tăng (ở chế độ tăng tốc của ô tô) thì tốc độ của xe và của bánh xe là có sự sai khác được thể hiện trên hình 2.12, tốc độ của bánh xe luôn lơn hơn tốc độ của ô tô Còn hệ số trượt cũng sẽ xuất hiện khi ô tô bắt đầu chuyển động, hệ số trượt là lớn hay nhỏ phụ thuộc vào bề mặt đường cũng như độ bám đường của ô tô

Như vậy chương này chúng ta đã xây dựng được mô hình động cơ cũng như mô hình điều khiển của hệ thống động lực học cho ô tô điện Việc xây dựng mô hình động lực học của ô tô điện có ý nghĩa thực sự quan trọng vì nó

là cơ sở để thực hiện các phương pháp điều khiển ứng dụng cho ô tô điện một cách chính xác Nội dung chương tiếp theo sẽ đi vào nghiên cứu các phương pháp điều khiển để nâng cao độ bám đường

Chương 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

ĐỂ NÂNG CAO ĐỘ BÁM ĐƯỜNG

Như chúng ta đã biết, ô tô muốn chuyển ộng được thì phải có hai lực đchính tác động vào ô tô là: lực thẳng và lực bên Lực thẳng ể xe chuyển ộng đ đ

về phía tr ớc hoặc phía sau, lực bên giữ cho xe đưư ợc cân bằng Nếu như không có độ bám đường thì xe sẽ không thể chuyển ộng mà sẽ quay tại chỗ đtheo quán tính Mặt khác, khi ột nhiên xuất hiện ch ớng ngại vật trên đường đ ưthì xe cần phải dừng lại, nh ng nếu không có ư độ bám đường thì không thể làm được việc đó

Hơn nữa, với sự phát triển nh vũ bão về công nghệ vi xử lý và vi điện ư

tử thì nhu cầu của con ng ời ngày càng cao hư ơn Con người mong muốn có một chiếc xe phải đảm bảo độ an toàn cao, thuận tiện trong quá trình sử dụng

Độ an toàn phụ thuộc vào khả n ng iều khiển của ng ời lái và ộ chính xác ă đ ư đcủa xe, xe có độ bám đường càng cao thì càng chính xác và an toàn

Trong thực tế có rất nhiều phương pháp điều khiển độ bám đường như: phương pháp điều khiển trực tiếp dòng điện động cơ, ph ng pháp ươ điều khiển

điện áp ộng c , phương pháp iều khiển theo mô hình mẫu (MFC - Model đ ơ đFollowing Control), phương pháp điều khiển tối u tỷ số tr ợt (SRC - Slip ư ưRatio Control) Nhưng một trong những phương pháp đem lại kết quả tốt ó đ

là phương pháp điều khiển theo mô hình mẫu (MFC) và phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt (SRC)