Nghiên cứu, mô phỏng hệ thống cân bằng điện tử esp electronic stability program

68 Trang 13 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ESP Electronic Stability Program – Hệ thống cân bằng điện tử ABS Anti – Lock Brake System – Hệ thống chống bó cứng phanh TCS Traction C

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ NGHIÊN CỨU, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ ESP - ELECTRONIC STABILITY PROGRAM GVHD: ThS DƯƠNG NGUYỄN HẮC LÂN SVTH : QUÁCH MINH THẮNG NGUYỄN NGUYỄN HUY

S K L 0 1 1 2 9 9

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

SVTH: NGUYỄN NGUYỄN HUY

MSSV: 19145392

GVHD: ThS DƯƠNG NGUYỄN HẮC LÂN

Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và người thân đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên trong suốt quá trình học tập

Vì có một số kiến thức chúng em vẫn còn nhiều hạn chế, trong bài đồ án này nhóm

em không tránh khỏi những sai sót, kính mong nhận được những ý kiến đóng góp từ thầy

và các bạn để kiến thức của nhóm chúng em trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn đồng thời có điều kiện bổ sung, nâng cao kiến thức của mình

Em xin chân thành cảm ơn!

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 07 năm 2023

Tác giả Quách Minh Thắng Nguyễn Nguyễn Huy

TÓM TẮT

Sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đang trong giai đoạn bắt đầu và phát triển, với chiến lược phát triển của nhà nước, chính sách nội địa hoá phụ tùng ô tô trong việc sản xuất và lắp ráp ô tô tạo điều kiện cho các nhà thiết kế nghiên cứu, chế tạo các cụm, các hệ thống trên ô tô trong nước trong đó có các hệ thống nâng cao tính năng

an toàn cho người sử dụng Vấn đề nghiên cứu nâng cao tính năng an toàn cho người sử dụng thông qua kết cấu và điều khiển là vô cùng quan trọng Do đường xá ngày càng được cải thiện tốt hơn, tốc độ phát triển ngành giao thông vận tải tăng nhanh cho nên tốc

độ của ô tô cũng ngày càng được cải thiện hơn Tuy nhiên, cùng với những sự phát triển

đó mật độ phương tiện cơ giới trên đường ngày càng cao, vấn đề tai nạn giao thông trên đường là vấn đề khó có thể tránh khỏi vì thế mà được đưa lên quan tâm hàng đầu Chính

vì vậy, chúng em chọn nghiên cứu về đề tài về sự an toàn cho ô tô, đảm bảo sự cân bằng

của ô tô: “Nghiên cứu, mô phỏng hệ thống cân bằng điện tử ESP – Electronic

Stability Program” Với tình hình hiện nay ngành công nghiệp ô tô của ta chủ yếu là lắp

ráp nên để có thể độc lập chế tạo trong tương lai rất cần những nghiên cứu ứng dụng trong thực tiễn

Đây là một hệ thống khá khó và hiện đại được ứng dụng trên ô tô, đặc biệt với ngành công nghiệp ô tô Việt Nam Mặt khác, tài liệu chuyên sâu về hệ thống của các nhà sản xuất không được công khai rộng rãi, trong lĩnh vực cân bằng sự ổn định của ô tô còn

có rất nhiều công nghệ khác kết hợp với ESP tối ưu hóa tính năng như hệ thống chống bó cứng phanh ABS (Anti – Lock Brake System), kiểm soát lực kéo chống trượt bánh xe TCS (Traction Control System),….Việc mô phỏng bằng Matlab/Simulink và Carsim sẽ mang lại cái nhìn trực quan nhất, tuy nhiên đây chỉ là những mô phỏng mang tính thực nghiệm, ước lượng có thể chỉ gần giống với thực tế Mong đề tài tham khảo này sẽ đóng góp ít nhiều sự hiểu biết của bạn đọc về một hệ thống an toàn ô tô

Với trình độ chuyên môn chưa sâu rộng, do vậy mà việc nghiên cứu, tính toán, mô phỏng hệ thống cân bằng điện tử ESP còn gặp nhiều khó khăn và thiếu xót Rất mong sự đóng góp ý kiến của các thầy trong hội đồng giám khảo và những người quan tâm đến đề tài Xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iv

XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN vi

LỜI CẢM ƠN vii

TÓM TẮT viii

MỤC LỤC ix

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU xii

DANH MỤC CÁC HÌNH xvi

DANH MỤC CÁC BẢNG xx

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 2

1.3 Đối tượng nghiên cứu 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

1.5 Kết quả cần đạt 3

1.6 Kết cấu của đề tài 3

Chương 2: LÝ THUYẾT VỀ QUAY VÒNG VÀ ỔN ĐỊNH 4

2.1 Một số khái niệm 4

2.1.1 Bán kính lăn rl 4

2.1.2 Vận tốc chuyển động lý thuyết Vo 4

2.1.3 Vận tốc chuyển động thực tế V 4

2.1.4 Vận tốc trượt Vδ 5

2.1.5 Hệ số trượt (độ trượt) 5

2.1.6 Góc lái và góc lái bánh xe 5

2.1.7 Lực ly tâm khi xe quay vòng 5

2.1.8 Tốc độ góc xoay thân xe (Yaw rate) 7

2.2 Đặc tính quay vòng 8

2.2.1 Quay vòng 8

2.2.2 Quay vòng lý thuyết 8

2.2.3 Quay vòng thực tế 9

2.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quay vòng ô tô 13

Chương 3: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ (ESP) 15

3.1 Khái quát về hệ thống ESP 15

3.1.1 Định nghĩa và phân loại ESP 15

3.1.2 Lịch sử phát triển hệ thống ESP 16

3.1.3 Cấu tạo hệ thống ESP 17

3.1.4 Hoạt động của hệ thống ESP 32

3.1.5 Ưu và nhược điểm của hệ thống ESP 34

3.2 Động lực học 34

3.2.1 Mô hình xe 35

3.2.2 Tốc độ góc xoay thân xe mong muốn 39

3.2.3 Góc trượt ngang mong muốn 41

3.2.4 Giá trị giới hạn trên của góc xoay thân xe mục tiêu và góc trượt ngang 42

3.2.5 Thiết kế bộ điều khiển cấp cao 44

3.2.6 Thiết kế bộ điều khiển cấp thấp 46

Chương 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ BẰNG CARSIM VÀ MATLAB SIMULINK 49

4.1 Mô phỏng: 49

4.1.1 Giới thiệu về Carsim và Matlab Simulink 49

4.1.1.1 Phần mềm Carsim 49

4.1.1.2 Phần mềm Matlab Simulink 51

4.1.2 Mô phỏng 55

4.1.2.1 Thiết lập trên Carsim 56

4.1.2.2 Mô phỏng trên Simulink 60

4.2 Phân tích kết quả mô phỏng: 68

4.2.1 Trường hợp 1: Xe chuyển động trên đường Steady-state Circle, vận tốc 115 km/h, với hệ số bám µ=0,85 68

4.2.2 Trường hợp 2: Xe chuyển động trên đường Double Lane Change, vận tốc 50km/h, hệ số bám µ=0.85 73

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 79

5.1 Kết luận 79

5.2 Đề nghị 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

ESP Electronic Stability Program – Hệ thống cân bằng điện tử

ABS Anti – Lock Brake System – Hệ thống chống bó cứng phanh

TCS Traction Control System – Hệ thống kiểm soát lực kéo

EBD Electronic Brake force Distribution - Hệ thống phân phối lực phanh

điện tử AYC Active Yaw Control - Hệ thống điều khiển góc quay của xe quanh trục

Sl Quãng đường lý thuyết mà bánh xe đã lăn

t Thời gian bánh xe đã lăn

rb Bán kính tính toán của bánh xe

Nb Tổng số vòng quay của bánh xe

St Quãng đường thực tế mà bánh xe đã lăn

Vδ Vận tốc trượt

α1 Góc lệch hướng cầu trước

α2 Góc lệch hướng cầu sau

Ro Bán kính quay vòng lý thuyết

R Bán kính quay vòng thực tế

VDIM Vehicle Dynamics Integrated Management - kiểm soát và độ ổn định xe WSS Wheel Speed Sensor - Cảm biến tốc độ bánh xe

EDL Electronic Differential Lock - Hệ thống khóa vi sai điện tử

ECU Electronic Control Unit – Hộp điều khiển điện tử

HSA Hill Start Assist – Hệ thống hỗ trợ xuất phát trên đường dốc

FF Front-Front (động cơ đặt trước cầu trước chủ động)

DSC Dynamic Stability Control – tên gọi khác của hệ thống cân bằng điện

tử (ESP) ESC Electronic Stability Control – cũng là tên gọi khác của hệ thống cân

bằng điện tử (ESP) TRC Traction Control system (Hệ thống kiểm soát lực kéo) – tên gọi khác

của hệ thống chống trượt trên xe ô tô (TCS)

𝛿𝑠𝑠 Giá trị trạng thái ổn định của góc lái khi quay vòng

𝑚 Tổng khối lượng của xe

z

I Momen quán tính lệch của xe

w Khoảng cách giữa bánh xe bên trái và bên phải

f Khoảng cách dọc từ trọng tâm xe đến lốp trước

r Khoảng cách dọc từ trọng tâm xe đến lốp sau

B Chiều rộng cơ sở của xe

L Chiều dài cơ sở xe (ℓ𝑓 + ℓ𝑟)

P Áp suất phanh trên bánh sau bên phải

𝑃0 Áp suất phanh tại một bánh xe khi không phanh vi sai

 Góc trượt mong muốn cho hệ thống kiểm soát lệch

 − Giới hạn trên cho góc trượt mong muốn

 Sai lệch lực dọc lốp cầu trước cần thiết để tạo ra momen xoắn mong muốn

 Hằng số được sử dụng để xác định bề mặt trượt cho bộ điều khiển

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1: Tác động của lực li tâm 6

Hình 2.2: Các trường hợp khi xe quay vòng 7

Hình 2.3: Quay vòng lí thuyết 8

Hình 2.4: Ảnh hưởng của góc n và t 9

Hình 2.5: Model một vết 9

Hình 2.6: Quay vòng thực tế 10

Hình 2.7: Quay vòng trung tính 11

Hình 2.8: Quay vòng thiếu 11

Hình 2.9: Ảnh hưởng của lực ly tâm và trượt ngang đến quay vòng thiếu 12

Hình 2.10: Quay vòng thừa 12

Hình 2.11: Ảnh hưởng của lực ngang và lực ly tâm đến quay vòng thừa 13

Hình 3.1: So sánh ổn định khi xe quay vòng có ESP và không có ESP 15

Hình 3.2: Cấu tạo chung hệ thống ESP của Bosch và ITT 17

Hình 3.3: Bộ điều khiển điện tử 18

Hình 3.4: Cảm biến tốc độ bánh xe 19

Hình 3.5: Cảm biến áp suất phanh 19

Hình 3.6: Hoạt động của cảm biến áp suất phanh 20

Hình 3.7: Cảm biến góc lái 20

Hình 3.8: Cảm biến gia tốc ngang 21

Hình 3.9: Hoạt động cảm biến gia tốc ngang 21

Hình 3.10: Cảm biến tốc độ góc xoay thân xe 22

Hình 3.11: Hoạt động cảm biến tốc độ góc xoay thân xe 22

Hình 3.12: Cảm biến gia tốc ngang (loại tụ điện) 23

Hình 3.13: Cảm biến tốc độ góc xoay thân xe 24

Hình 3.14: Bộ trợ lực phanh 25

Hình 3.15: Cấu tạo bộ trợ lực phanh 25

Hình 3.16: Chức năng của piston và bộ phận nam châm 26

Hình 3.17: Bơm thủy tiếp vận 27

Hình 3.18: Bộ chấp hành thủy lực 27

Hình 3.19: Sơ đồ chức năng 28

Hình 3.20: Khi phanh bình thường 29

Hình 3.21: Chế độ giảm áp suất 29

Hình 3.22: Chế độ giữ 30

Hình 3.23: Chế độ tăng áp suất 31

Hình 3.24: Nút bấm TCS/ESP 31

Hình 3.25: Những hệ thống ổn định chính trên Audi A6 32

Hình 3.26: Nguyên lý hoạt động 33

Hình 3.27 Lực tác động vào bánh xe 35

Hình 3.28: Momen tác động lên ô tô 35

Hình 3.29: Mô hình xe với hệ thống phanh vi sai 36

Hình 3.30: Lực dọc Fx, lực ngang Fy tác dụng lên lốp xe 37

Hình 3.31: Góc trượt lốp xe 37

Hình 3.32: Góc lái vào cua ở tốc độ cao 39

Hình 3.33: Động học xe theo phương ngang 42

Hình 4.1: Màn hình giao diện của Carsim 50

Hình 4.2: Các phần của màn hình giao diện Carsim 50

Hình 4.3: Bộ giải mô hình toán học của xe 51

Hình 4.4: Hiển thị kết quả bằng hình ảnh động 3D 51

Hình 4.5: Biểu tượng của phần mềm Matlab/Simulink 52

Hình 4.6: Giao diện của Simulink 52

Hình 4.7: Thư viện Simulink 53

Hình 4.8: Nhập dữ liệu vào Workspace 56

Hình 4.9: Chọn Dataset 56

Hình 4.10: Dữ liệu đầu vào của Carsim 57

Hình 4.11: Dữ liệu đầu ra của Carsim 57

Hình 4.12: Chọn loại xe mô phỏng 58

Hình 4.13: Thiết lập Steady-State Circle Driving chuẩn ISO 4138:2012 58

Hình 4.14: Double lane change chuẩn ISO 3888-2 59

Hình 4.15: Thiết lập Double lane change chuẩn ISO 3888-2 59

Hình 4.16: Các đồ thị hiển thị 59

Hình 4.17: Thiết lập sơ đồ khối hệ thống cân bằng điện tử dựa trên phanh vi sai 60

Hình 4.18: Sơ đồ mô phỏng trong Matlab/Simulink 60

Hình 4.19: Bên trong bộ điều khiển cân bằng điện tử (Electronic Stability Controller) 61

Hình 4.20: Các khối chuyển đổi đơn vị 62

Hình 4.21: Khối xác định tốc độ góc xoay thân xe mong muốn 62

Hình 4.22: Bên trong khối Bicycle Model 62

Hình 4.23: Khối Brake Command 63

Hình 4.24: Các khối Matlab function 64

Hình 4.25: Lưu đồ thuật toán 65

Hình 4.26: Khối tính áp suất phanh 66

Hình 4.27: Bên trong khối tạo áp suất phanh 67

Hình 4.28: Góc lái của xe có ESP (đường màu đỏ) và góc lái của xe không có ESP (đường màu xanh dương) can thiệp 68

Hình 4.29: Tốc độ góc xoay thân xe có ESP (đường màu xanh lá) và không có ESP (xanh dương) so với tốc độ góc xoay thân xe mong muốn (đường màu đỏ 69

Hình 4.30: Góc trượt ở bánh trước (đường màu đỏ) và bánh sau (đường màu xanh lá) của xe có ESP 70

Hình 4.31: Góc trượt ở bánh trước (đường màu xanh dương) và bánh sau (đường màu cam) của xe không có ESP 70

Hình 4.32: Độ lệch ngang so với đường đi mong muốn của xe khi có ESP (đường màu xanh lá) và không có ESP (đường màu đỏ) can thiệp 71

Hình 4.33: Phân bổ áp suất phanh tới các bánh xe do sự can thiệp của hệ thống ESP 72

Hình 4.34: Góc lái của xe có ESP (đường màu đỏ) và góc lái của xe không có ESP (đường màu xanh dương) can thiệp 73

Hình 4.35: Tốc độ góc xoay thân xe có ESP (đường màu xanh lá) và tốc độ góc xoay xe không có ESP (đường màu xanh dương) so với tốc độ xoay mong muốn (đường màu đỏ) 74

Hình 4.36: Góc trượt ở bánh trước (đường màu tím) và bánh sau (đường màu xanh lá) của xe có ESP 75

Hình 4.37: Góc trượt ở bánh trước (đường màu xanh lá) và bánh sau (đường màu đỏ) của xe không có ESP 75

Hình 4.38: Độ lệch ngang so với đường đi mong muốn của xe khi có ESP (đường màu xanh lá) và không có ESP (đường màu đỏ) can thiệp 76

Hình 4.39: Phân bổ áp suất phanh tới các bánh xe do sự can thiệp của hệ thống ESP 77

Hình 4.40: Góc trượt ở bánh trước (đường màu tím) và bánh sau (đường màu xanh lá) của

xe có ESP 77

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1: Các khối trong Simulink sử dụng để mô phỏng 53 Bảng 4.2: Thông số mô phỏng 55

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Lý do chọn đề tài

Như chúng ta đã biết, sự phát triển của ngành ô tô đã đánh dấu một bước đi mới cho nhân loại Ô tô giúp chúng ta di chuyển, vận hành hàng hóa một cách nhanh chóng và dễ dàng, ngoài ra nó còn phải có vai trò đảm bảo an toàn cho người lái khi tham gia giao thông vận hành trên đường Tuy sự phát triển này mang lại nhiều lợi ích cho nhân loại nhưng bên cạnh đó nó tồn tại những vụ tai nạn cũng ngày càng gia tăng Vì vậy, ngành công nghiệp ô tô cấp thiết nghiên cứu và phát triển ứng dụng các hệ thống điều khiển phương tiện để đảm bảo mức an toàn tối đa cho hành khách hay hàng hóa khi vận hành trên đường Để đáp ứng thách thức này, ô tô đang ngày càng dựa vào các hệ thống cơ điện tử như là sử dụng các cảm biến, bộ chấp hành và bộ điều khiển phản hồi Những tiến

bộ trong điện tử và công nghệ máy tính điều khiển trong hai thập kỷ qua cũng đóng vai trò thúc đẩy xu hướng phát triển này Vì thế mà hiện tại gần như toàn bộ các hệ thống trên ô tô đã được can thiệp bởi công nghệ cơ điện tử nhằm mục đích tạo ra sự an toàn cao nhất cho người sử dụng

Ở hầu hết các hãng đã nghiên cứu áp dụng rất nhiều hệ thống an toàn trên xe và chúng mang lại hiệu quả rõ rệt trong việc đảm bảo an toàn cho người sử dụng như:

- Hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh ABS (Antilock Braking System)

- Hệ thống kiểm soát lực kéo TRC (Traction Control System)

- Hệ thống kiểm soát phân phối lực phanh EBD (Electronic Brake Force Distribution)

- Hệ thống túi khí

Và còn rất nhiều các hệ thống được ứng dụng trên xe Các hệ thống trên hỗ trợ người lái trong quá trình khởi hành, trong khi phanh, hay khi chuyển động trên các loại mặt đường có hệ số bám khác nhau, những hệ thống này chủ yếu tác động đến lực kéo, lực phanh nhằm kiểm soát và ổn định sự trượt dọc của các bánh xe Tuy nhiên sự trượt của các bánh xe trên đường không đơn thuần là nguyên nhân gây ra tai nạn, ngoài ra còn

có những trường hợp khi ô tô đánh lái gấp ở tốc độ cao thì bị mất ổn định, làm xe bị quay vòng (quay vòng thừa hoặc quay vòng thiếu) dẫn đến các tình huống không thể kiểm soát được hướng lái và gây tai nạn giao thông Ô tô chuyển động trên đường với tốc độ cao, gặp chướng ngại vật cần phanh gấp hoặc cần chuyển hướng đột ngột để tránh chướng ngại vật có thể làm xe bị trượt quay và lật Các nguyên nhân trên đặt ra cho chúng ta một hướng giải quyết là cần có một hệ thống kiểm soát được tất cả các tình huống xảy ra làm

mất ổn định cho ô tô Và hệ thống ổn định quỹ đạo chuyển động điện tử ESP (Electronic Stability Program) có thể giải quyết được vấn đề này Chính vì vậy, nhóm chúng em

chọn đề tài: “Nghiên cứu, mô phỏng hệ thống cân bằng điện tử ESP - Electronic

Stability Program” cho đồ án tốt nghiệp Đây là một hệ thống rất phức tạp và có nhiều

lợi ích đang được phát triển mức tối ưu bởi các hãng nên việc nghiên cứu hệ thống này cũng là một vấn đề cần thiết để có thể nắm bắt rõ và ứng dụng vào thực tiễn

- Xây dựng mô hình hệ thống cân bằng điện tử ESP bằng Matlab/Simulink

- Mô phỏng hoạt động của hệ thống với bộ điều khiển đã thiết lập

- Phân tích kết quả mô phỏng.

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu hệ thống cân bằng điện tử trang bị chủ yếu trên các xe ô tô du lịch

Hệ thống cân bằng điện tử can thiệp theo 3 cách:

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện và hoàn thành đồ án, nhóm chúng em đã áp dụng những phương pháp nghiên cứu dưới đây:

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: thống kê, so sánh, tính toán, phân tích, lựa chọn và cũng như tham khảo kiến thức từ giáo viên hướng dẫn

- Sử dụng các cơ sở lý thuyết từ những nguồn tài liệu tham khảo để tính toán, mô phỏng

hệ thống

- Tham khảo, tính toán những thông số cần thiết cho mô hình để thực hiện mô phỏng

- Phương pháp dịch thuật nghiên cứu tài liệu, bài báo nước ngoài

- Phương pháp mô hình hóa, mô phỏng bằng Carsim và Matlab Simulink để mô phỏng hệ thống cân bằng điện tử ESP và đưa ra kết quả phân tích

1.5 Kết quả cần đạt

- Làm rõ được kiến thức cũng như đáp ứng được khối lượng kiến thức được yêu cầu của

đồ án tốt nghiệp

- Mô phỏng hệ thống cân bằng điện tử phanh vi sai, phân tích đồ thị

- Quyển thuyết minh về cơ sở lý thuyết, nguyên lý hoạt động, tính toán động lực học, file

mô phỏng hệ thống cân bằng điện từ bằng Carsim và Matlab Simulink

1.6 Kết cấu của đề tài

Kết cấu đề tài được chia thành 5 chương:

- Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

- Chương 2: LÝ THUYẾT VỀ QUAY VÒNG VÀ ỔN ĐỊNH QUAY VÒNG CỦA

XE Ô TÔ DU LỊCH

- Chương 3: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ (ESP)

- Chương 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ BẰNG CARSIM

VÀ MATLAB SIMULINK

- Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ

Chương 2: LÝ THUYẾT VỀ QUAY VÒNG VÀ ỔN ĐỊNH

QUAY VÒNG CỦA XE Ô TÔ DU LỊCH 2.1 Một số khái niệm

2.1.1 Bán kính lăn r l

Bán kính lăn rl là tỉ lệ giữa vận tốc tịnh tiến thực tế V và vận tốc góc của bánh xe Bán kính lăn được xác định:

l b

V r



Như vậy bán kính lăn là bán kính của một bánh xe ảo, nó chuyển động không có trượt với vận tốc tịnh tiến tương đương với bánh xe thực tế rl có thể coi là khoảng cách từ tâm bánh xe tới cực P của chuyển động tương đối giữa bánh xe với mặt đường

Giá trị của rl phụ thuộc vào các thông số sau:

• Áp suất lốp

• Tải trọng của xe

• Độ đàn hồi của lốp

• Khả năng bám của bánh xe với mặt đường

• Giá trị momen kéo Mk hoặc momen phanh Mp

Ta xác định bán kính lăn của bánh xe để tính được vận tốc xe

Hoặc ở chương 3, từ lực phanh cần thiết suy ra được momen phanh của bánh xe bằng công thức MP=FP x rl.

2.1.2 Vận tốc chuyển động lý thuyết Vo

Vo là vận tốc của xe khi chuyển động mà không có bất kỳ sự trượt

Sl – Quãng đường lý thuyết mà bánh xe đã lăn

t – Thời gian bánh xe lăn

rb – Bán kính tính toáncủa bánh xe

Nb – Tổng số vòng quay của bánh xe

ɷb – Vận tốc góc của bánh xe

2.1.3 Vận tốc chuyển động thực tế V

V là vận tốc chuyển động thực tế của xe khi tính đến ảnh hưởng sự trượt lết và trượt

lăn của bánh xe trên mặt đường

St – quãng đường thực tế mà bánh xe đã lăn

t– thời gian mà bánh xe đã lăn

rl– bán kính lăn của bánh xe

Vận tốc chuyển động thực tế của xe là yếu tố cần thiết để tính toán, thiết lập bộ điều khiển cân bằng điện tử ESP tính tốc độ xoay thân xe mong muốn, góc trượt các bánh xe,…

2.1.4 Vận tốc trượt V δ

Khi xe di chuyển sẽ có sự trượt lăn hoặc lết giữa bánh xe với mặt đường thì vận tốc thực tế và vận tốc lý thuyết của xe sẽ khác nhau Sự chênh lệch đó chính là vận tốc trượt:

b b l

b

V V

O p

r

r V

V V

V V V

V

2.1.6 Góc lái và góc lái bánh xe

Góc lái là góc quay của vô lăng để thay đổi phương chuyển động của ô tô chuyển động ổn định thẳng hay là khi vào cua theo mong muốn của người lái

Góc lái bánh xe là góc giữa trục dọc bánh xe so với trục dọc của thân xe

Ở ô tô du lịch hầu hết bánh dẫn hướng là bánh trước, bánh sau có góc lái bánh sau bằng 0 Đối với ô tô du lịch, tỉ số truyền của cơ cấu lái từ góc quay vô lăng tới góc lái bánh xe là khoảng 12-20 và ở ô tô tải là từ 16-32

Ký hiệu: f là góc lái bánh xe phía trước, r là góc lái bánh xe phía sau

Góc lái làm thông số cần thiết để tìm ra tín hiệu phanh

2.1.7 Lực ly tâm khi xe quay vòng

Lực ly tâm tác động đến bốn bánh xe khi xe quay vòng, gọi là lực ngang thân xe, nó cũng được giới hạn bới hệ số bám lốp xe µ

kính quay vòng càng nhỏ cho nên lực ly tâm sẽ càng lớn

Trong hình dưới, đường cong phía dưới cho thấy quỹ đạo mà xe sẽ đi theo phản ứng đánh lái của người lái nếu đường khô và có hệ số ma sát lốp-mặt đường cao, có thể cung cấp lực ngang mà xe cần thiết để di chuyển trên đường cong mà không bị vượt qua khỏi giới hạn trượt Khi vào cua gấp hoặc tránh chướng ngại, theo quán tính người lái đánh lái quá nhanh đồng thời xe đáp ứng kịp theo hướng lái mong muốn, nên xe sẽ dễ bị tình

trạng thừa lái

Nhưng nếu hệ số ma sát lốp xe-mặt đường nhỏ hoặc nếu tốc độ xe quá cao, thì xe sẽ không đi theo chuyển động của hướng đánh lái mà người lái mong đợi, nó sẽ di chuyển

trên một quỹ đạo có bán kính lớn hơn, bởi vì hệ số ma sát thấp nên khi này có lực ngang tác động và vượt quá giới hạn bám ngang của bánh xe, nên xe sẽ bị trượt hoàn toàn một góc β, tác động đánh lái của người lái sẽ bị mất tác dụng và không theo hướng lái mong muốn vì thế xe bị tình trạng thiếu lái.

Hình 2.2: Các trường hợp khi xe quay vòng

Chức năng của hệ thống cân bằng điện tử ESP là khôi phục tốc độ lệch hướng của

xe càng nhiều càng tốt về chuyển động danh nghĩa mà người lái mong đợi Trong hai trường hợp trên, hệ thống cân bằng điện tử ESP sẽ thu thập tín hiệu từ các cảm biến và tính toán đưa ra áp suất phanh phù hợp cho từng bánh xe làm cho tốc độ lệch hướng của

xe gần với tốc độ lệch hướng danh nghĩa dự kiến, như thể hiện qua đường cong ở giữa

2.1.8 Tốc độ góc xoay thân xe (Yaw rate)

Tốc độ góc xoay thân xe là tốc độ thay đổi của góc giữa trục dọc của ô tô với trục gốc tọa độ ngay tại một thời điểm nào đó

d dt



 =

(2.8) Nếu chúng ta giả sử rằng bán kính quay vòng R của xe không có sự thay đổi do tốc

độ xe thấp, thì tại đó tốc độ góc xoay thân xe  xấp xỉ bằng vận tốc góc của xe:

V R

 =

Tốc độ xoay thân xe là giá trị cần thiết để tính toán góc trượt bánh xe, phân tích và

so sánh với giá trị tốc độ xoay thân xe mong muốn

2.2 Đặc tính quay vòng

2.2.1 Quay vòng

Là khả năng người lái điều khiển quỹ đạo chuyển động của xe Phần lớn thời gian ô

tô chuyển động là người lái tác dụng lên vô lăng Khi quay vô lăng ô tô có thể thay đổi quỹ đạo chuyển động mà người lái mong muốn hay không là một bài toán cần nghiên cứu

và tìm hiểu

2.2.2 Quay vòng lý thuyết

Giả thiết rằng khi ô tô quay vòng thì bánh xe không bị biến dạng ngang và không bị trượt ngang Như vậy quay vòng lý thuyết chỉ đúng trong trường hợp ô tô quay vòng với tốc độ rất chậm và bán kính quay vòng lớn và có sự liên quan đến lực ly tâm

Hình 2.3: Quay vòng lí thuyết

Để quay vòng đúng thì các bánh xe phải lăn trên những vòng tròn đồng tâm gọi là tâm quay vòng lý thuyết với bán kính quay vòng lý thuyết là R0 Muốn thế thì hai bánh xe dẫn hướng phải quay với hai góc khác nhau (n và t)

Trong thực tế, để duy trì hai bánh xe dẫn hướng quay với hai góc khác nhau thì người ta phải sử dụng hình thang lái

Thực tế khi quay vòng với vận tốc lớn thì lực ly tâm khá lớn Khi đó các bánh xe sẽ

bị biến dạng ngang và trượt ngang và sẽ xuất hiện góc lệch hướng α1 và α2 của hai cầu Dưới ảnh hưởng của các góc lệch hướng thì quỹ đạo quay vòng thực tế sẽ khác hẳn so với quỹ đạo quay vòng lý thuyết

Hình 2.6: Quay vòng thực tế

Giả sử ở cầu trước thì vecto tốc độ v1 lệch một góc α1, ở cầu sau cũng có vecto tốc

độ v2 lệch một góc α2 thì lúc này tâm quay được xác định bằng cách kẻ hai đường vuông góc với v1 và v2

Do sự xuất hiện của hai góc α1 và α2 nên tâm quay vòng thực tế O và bán kính quay vòng thực tế R thay đổi so với lý thuyết (quỹ đạo của quay vòng thực tế và lý thuyết sẽ khác nhau)

R=L/(tan+α2-α1) (2.11) Bán kính quay vòng thực tế cũng chịu ảnh hưởng của góc lệch hướng Phương trình trên đặc trưng cho tính chất quay vòng của ô tô khi có tính đến độ biến dạng ngang ở các bánh xe Có ba trường hợp có thể xảy ra:

a Trường hợp 1

Nếu α1=α2 suy ra R=R0: Xe có tính chất quay vòng trung tính (quay vòng định mức) Lúc này bán kính quay vòng thực tế bằng với bán kính quay vòng lý thuyết và xe quay vòng đúng với quỹ đạo cong của đường

Trường hợp này phải đánh thêm vô lăng là thuận với phản ứng của người lái để xe theo quỹ đạo mà người lái mong muốn

Hình 2.8: Quay vòng thiếu

Khi chuyển động thẳng nếu gặp gió ngang Y và α1 > α2

Hình 2.9: Ảnh hưởng của lực ly tâm và trượt ngang đến quay vòng thiếu

Khi đó ô tô quay vòng nhưng tâm quay vẫn nằm ở phía đối diện lực Y, lực ly tâm ngược chiều với lực Y và sẽ triệt tiêu sự ảnh hưởng của lực này Kết quả là ô tô vẫn duy trì theo hướng chuyển động thẳng và có thể kết luận α1>α2 vẫn chấp nhận được

c Trường hợp 3

Nếu α1< α2 suy ra R0 >R: Xe có tính chất quay vòng thừa Lúc này, bán kính quay vòng thực tế của ô tô nhỏ hơn so với bán kính quay vòng lý thuyết Đối với trường hợp này, khi đánh lái người lái phải giảm góc quay của vô lăng lại để hai bán kính bằng nhau, nhằm đảm bảo cho xe quay vòng đúng với quỹ đạo cong của đường

Hình 2.10: Quay vòng thừa

Khi ô tô chuyển động thẳng có gió ngang và α1< α2 thì khi đó ô tô sẽ quay vòng nhưng tâm quay sẽ nằm về cùng phía với lực Y đồng thời lực ly tâm cũng cùng chiều với lực ngang

Y Hai lực này cộng hưởng với nhau và dẫn đến ô tô sẽ không duy trì chuyển động thẳng

Hình 2.11: Ảnh hưởng của lực ngang và lực ly tâm đến quay vòng thừa

Như vậy, qua ba phân tích chuyển động của ba loại xe có tính chất quay vòng khác nhau, chúng ta thấy đối với loại xe có tính chất quay vòng thừa khi chuyển động và có lực ngang tác dụng lên xe thì xe sẽ bị mất khả năng chuyển động thẳng ổn định Nếu người lái không có kinh nghiệm và xử lý chiều quay của vô lăng không đúng thì dễ dẫn đến khả năng xe bị lật đổ, rất nguy hiểm

2.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quay vòng ô tô

Góc lệch hướng thông qua việc điều khiển ba lực X, Y, Z

X: Phản lực tiếp tuyến, điều khiển được

Y: Lực ngang Y, hơi khó điều khiển được

Z: Phản lực pháp tuyến

Xu hướng hiện nay là tăng góc α1 và giảm góc α2 Như vậy để tránh trường hợp quay vòng thừa và giảm tình trạng quay vòng thiếu, α=f (X, Y, Z,…) vì thế việc điều khiển này là nhắm đến X, Y, Z trong đó chủ yếu là nhắm đến lực X

Cho nên vì lý do này trên các loại xe ô tô có hệ thống ESP bao giờ nó cũng có gắn liền với hệ thống ABS Chính ABS đã thêm lực phanh vào sẽ dẫn đến lực X thay đổi sẽ dẫn đến thay đổi góc lệch hướng theo xu hướng tăng α1 và giảm α2 nhưng đừng lớn quá mức

Chương 3: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ (ESP) 3.1 Khái quát về hệ thống ESP

3.1.1 Định nghĩa và phân loại ESP

❖ Định nghĩa

Hệ thống cân bằng điện tử ESP (Electronic Stability Program) hay còn gọi là ESC (Electronic Stability Control) là hệ thống được trang bị hầu hết cho các ô tô hiện nay nhằm tăng khả năng an toàn, giảm thiểu tối đa sự mất lái của xe, giảm thiểu tính thừa lái thiếu lái làm cho xe bị chệch khỏi quỹ đạo vì thế nó hỗ trợ cho người lái rất nhiều khi xe vào cua gấp với tốc độ cao hoặc khi thay đổi làn đột ngột,…

Hình 3.1: So sánh ổn định khi xe quay vòng có ESP và không có ESP

❖ Phân loại

Có 3 loại hệ thống kiểm soát ổn định được đề xuất và phát triển để kiểm soát lệch hướng:

- Hệ thống phanh vi sai (Differential Braking) sử dụng bộ chấp hành ABS trên xe

để áp dụng phanh độc lập giữa bánh xe bên phải hoặc bên trái để kiểm soát thời điểm lệch hướng và cân bằng lại xe

- Hệ thống lái điện tử (Steer – by – Wire) điều chỉnh đầu vào góc lái của người lái, thêm hoặc bớt một góc lái hiệu chỉnh cho các bánh lái

- Hệ thống phân bố momen chủ động (Active Torque Distribution) điều khiển việc phân phối momen từ động cơ đến các bánh xe Điều này cho phép hệ thống điều chỉnh

momen đưa vào từng bánh xe một cách độc lập và linh hoạt

Nhìn chung, hệ thống phanh vi sai đã nhận được nhiều sự quan tâm, nghiên cứu và

đã được triển khai phổ biến trên xe ô tô hiện nay

3.1.2 Lịch sử phát triển hệ thống ESP [4]

Bắt đầu vào năm 1983, khởi đầu cho nghiên cứu cho hệ thống chống trượt điện tử Vào năm 1987, một số hãng lớn như Toyota, Mercedes-Benz, BMW,… chính thức giới thiệu hệ thống kiểm soát sự trượt trên xe với sự can thiệp chủ yếu là điện tử lên hệ thống phanh giúp giảm hiện tượng trượt bánh xe khi tăng tốc đột ngột, đây cũng chính là nền tảng đầu tiên cho quá trình nghiên cứu hệ thống ESP

BMW đã làm việc với tập đoàn công nghệ khổng lồ Robert Bosch GmbH của Đức

và Continental Automotive Systems để phát triển một hệ thống giảm momen xoắn động

cơ để ngăn chặn sự mất kiểm soát phương tiện và áp dụng công nghệ này vào toàn bộ dòng xe BMW 1992 Từ 1987 đến 1992, Mercedes-Benz và Robert Bosch GmbH đã cùng phát triển một hệ thống gọi là Elektronisches Stabilitäts Programm hay chương trình ổn định điện tử được gọi là ESP để kiểm soát trượt ngang

Các nhà sản xuất ô tô giới thiệu hệ thống cân bằng điện tử của họ vào năm 1995 Mercedes-Benz, với sự hợp tác của Bosch, là công ty đầu tiên cài đặt hệ thống này trên mẫu W140 S-class Cùng năm đó, BMW ra mắt thiết bị này nhờ vào Bosch và ITT Automotive (sau này được mua lại bởi Continental Automotive Systems) Rồi đến Volvo Cars bắt đầu đưa ra phiên bản của họ được gọi là DSTC vào năm 1998 trên mẫu xe S80 Hệ thống kiểm soát cân bằng xe của Toyota (VSC) cũng xuất hiện trên chiếc Crown Majesta vào năm 1995 (đến năm 2004, cũng trên chiếc Crown Majesta, Toyota ra mắt hệ thống VDIM) Tiếp nối những nền tảng đó lần lượt tất cả các nhà sản xuất ô tô trên thế giới đều nghiên cứu áp dụng những công nghệ “cân bằng điện tử” cho các sản phẩm của mình và được áp dụng rộng rãi cho đến ngày nay với nhiều tên gọi khác nhau như:

Honda, Acura: Vehicle Stability Assist – VSA

Toyota, Lexus: Vehicle Stability Control – VSC

Mercedes, Hyundai, Chevrolet, Kia, Suzuki, Audi, Volkswagen, Peugeot, Renault, Opel…: Electronic Stability Program – ESP

BMW, Jaguar: Dynamic Stability Control – DSC

Subaru: Vehicle Dynamics Control Systems – VDCS

Nissan, Fiat: Vehicle Dynamic Control – VDC

Mitsubishi: Active Stability Control - ASC

Ford: AdvanceTrac and Interactive Vehicle Dynamics – IVD

Land Rover, MINI Cooper, Mazda: Dynamic Stability Control – DSC

Porsche: Porsche Stability Management – PSM

Volvo: Dynamic Stability và Traction Control – DSTC

Ferrari: Controllo Stabilita – CST

3.1.3 Cấu tạo hệ thống ESP

Hình 3.2: Cấu tạo chung hệ thống ESP của Bosch và ITT [3]

1 Bộ điều khiển ABS (Control Unit)

2 Bộ trợ lực phanh (Brake servo)

3 Cảm biến áp suất phanh (Brake pressure sensor)

4 Cảm biến góc lái (Steering angle sensor)

5 Cảm biến tốc độ bánh xe (Wheel sensors)

6 Cảm biến tốc độ góc xoay thân xe (Yaw rate sensor)

7 Cảm biến gia tốc ngang thân xe (Lateral acceleration sensor)

8 Bộ chấp hành phanh thủy lực (Hydraulic unit)

9 Bơm tiếp vận (Charge pump)

Nhìn chung, cấu tạo hệ thống cân bằng điện tử ESP của Bosch và ITT Automotive

là tương đối giống nhau đều có những thành phần như bộ điều khiển, cảm biến áp suất phanh, cảm biến góc lái, cảm biến tốc độ bánh xe, cảm biến tốc độ góc xoay thân xe, cảm biến gia tốc ngang, bộ chấp hành phanh thủy lực Chỉ khác nhau ở việc tạo áp suất phanh ban đầu, đối với Bosch sử dụng thêm bơm tiếp vận để tạo áp suất phanh khi áp suất phanh thấp hoặc người lái chưa đạp phanh, còn ITT Automotive sử dụng tích hợp trong

bộ trợ lực phanh để tạo áp suất phanh ban đầu

❖ Bộ điều khiển điện tử (ECU)

Hình 3.3: Bộ điều khiển điện tử

Bộ điều khiển là một thành phần đầu não không thể thiếu của bộ điều khiển ESP Cảm biến tốc độ bánh xe ở mỗi bánh xe sẽ gửi tín hiệu tốc độ từng bánh xe đến bộ điều khiển Ngoài ra còn có các đầu vào khác có liên quan của ESP:

– Tốc độ góc xoay thân xe (Yaw rate sensor)

– Cảm biến góc lái (Steering angle sensor)

– Cảm biến áp suất phanh (Brake pressure sensor)…

Bộ điều khiển nhận nguồn điện thường trực từ acquy (cổng BAT) và được đặt cho điện áp từ 9 đến 14V để duy trì hoạt động Khi bật khóa điện, bộ điều khiển được cấp điện và đèn cảnh báo ESP bật sáng như để thực hiện kiểm tra hoạt động của nó ECU bật

Nếu lỗi xảy ra bên trong bộ điều khiển, mã lỗi chẩn đoán sẽ được tạo ra, đèn cảnh báo ESP, ABS, TCS sẽ bật sáng để báo rằng chức năng đang bị vô hiệu hóa Ngay lúc này người lái có thể biết sự cố ở hệ thống điều khiển sẽ không hỗ trợ để mau chóng đưa

xe tới hãng tiến hành chẩn đoán và sửa chữa kịp thời

❖ Cảm biến tốc độ bánh xe

Thiết kế:

Cảm biến Hall gồm 1 chip bán dẫn và 1 nam châm vĩnh cửu, cần cấp nguồn điện để hoạt động và hoạt động cùng với vành xung ABS có răng hoặc từ tính Khi bánh xe quay các cảm biến thu nhận tín hiệu kỹ thuật số và truyền đến bộ điều khiển dưới dạng tín hiệu dòng điện bằng cách sử dụng điều chế

độ rộng xung (pulse width modulation)

Hoạt động: Cảm biến tốc độ bánh xe là thiết bị

điện tử với nhiệm vụ đo tốc độ bánh xe ô tô Cảm biến được bố trí trong hộp truyền động hoặc ở trục bánh xe, đĩa phanh hoặc ổ trục (cảm biến tốc độ bánh xe) Cảm biến tốc độ bánh xe thường là loại cảm biến Hall, có thể phát hiện tốc độ thấp hơn 0.1 km/h, điều này rất quan trọng đối với các hệ thống kiểm soát lực kéo hiện đại vì nó cần thông tin nhanh và chính xác

❖ Cảm biến áp suất phanh