80 Trang 13 iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều DC Direct Curent Dòng điện một chiều DTC Direct Torque Control Điều khiển trực tiếp momen
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Nền công nghiệp ô tô có vai trò vô cùng quan trọng trong việc tiến bộ và phát triển của xã hội hiện nay Ô tô không chỉ là các phương tiện vận chuyển, mà nó còn là trụ cột quan trọng trong nền kinh tế quốc gia, có đóng góp to lớn vào các lĩnh vực kinh tế đa dạng như: nông nghiệp, công nghiệp, lâm nghiệp, quốc phòng, an ninh và giao thông vận tải Trên cơ sở của quốc gia đang trên đà phát triển mạnh mẽ về mặt kinh tế, sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô tại đất nước ta đang nhận được sự chú trọng và khuyến khích Điều này được thể hiện qua sự gia tăng các liên doanh lắp ráp ô tô giữa các công ty trong nước với các nhà sản xuất nước ngoài chẳng hạn như Mitsubishi, Ford, Toyota Quá trình hợp tác và phát triển này đang lan rộng trên toàn quốc
Bên cạnh đó, trong bối cảnh ngành công nghiệp ô tô đã đạt được những thành tựu đáng kể, thì một thách thức lớn đề ra là việc hiểu, nắm vững kiến thức lý thuyết và cấu trúc của những kiểu xe đời mới, cùng với hiểu biết sâu sắc về từng hệ thống điều khiển trên xe Điều này cực kỳ cần thiết để tận dụng và sử dụng xe một cách hiệu quả nhất, đáp ứng các yêu cầu về an toàn, độ bền và hiệu suất tiết kiệm nhiên liệu Việc hiểu rõ về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của từng hệ thống trên ô tô là trọng yếu để tạo nên sự thành công và bảo đảm an toàn sử dụng
Trong số các hệ thống trên xe, thì hệ thống lái có vai trò vô cùng quan trọng và không thể thiếu Hệ thống lái có chức năng điều khiển hướng di chuyển của xe, đảm bảo quỹ đạo chuyển động và tính ổn định của các bánh xe dẫn hướng Trong quá trình di chuyển, hệ thống lái có ảnh hưởng rất lớn đến sự an toàn và độ ổn định của xe, đặc biệt là đối với các loại xe di chuyển tốc độ cao Vì thế, việc không ngừng cải tiến, phát triển hệ thống lái là một nhiệm vụ không thể thiếu để nâng cao các tính năng và độ tin cậy của nó
Ban đầu, hệ thống lái trên xe được thiết kế với cơ cấu đơn giản, sử dụng cơ khí để điều khiển Hệ thống này phù hợp với các loại xe từ những mẫu xe đơn giản đến những chiếc ô tô đầu tiên ra đời Tuy nhiên, với sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô, việc vận chuyển hàng hóa và con người trở nên nhiều và phổ biến hơn Tạo nên nhu cầu ngày càng lớn về khả năng lái và điều khiển xe Đồng thời, các yêu cầu về hiệu suất và an toàn cũng tăng lên Để đáp ứng được các yêu cầu này, các nhà sản xuất ô tô đã nghiên cứu và
2 phát triển nhiều hệ thống hỗ trợ cho việc lái xe, bao gồm các hệ thống lái thủy lực và hệ thống lái điện
Trong các năm gần đây, hệ thống lái điện đã trở thành một xu hướng phát triển phổ biến trên các mẫu xe hiện đại và mới nhất Hệ thống lái điện mang lại các ưu điểm nổi bật hơn so với các hệ thống lái khác Việc dùng công nghệ điện tử và mô tơ điện, hệ thống lái điện cung cấp khả năng điều khiển chính xác và nhạy bén hơn, giúp tăng cường tính năng lái và sự ổn định trong quá trình di chuyển Nó cũng cung cấp khả năng tương tác và điều chỉnh linh hoạt, giúp người lái dễ dàng tùy chỉnh theo sở thích và điều kiện đường đi Hơn nữa, hệ thống lái điện thường nhẹ hơn, tiết kiệm năng lượng và giảm lượng khí thải, đồng thời cung cấp trải nghiệm lái êm ái và tiện nghi hơn Để hiểu rõ hơn về những ưu điểm và hoạt động của hệ thống lái trợ lực điện, chúng ta có thể tìm hiểu cụ thể trên một mẫu xe như Mitsubishi Xpander Mitsubishi Xpander được trang bị hệ thống lái trợ lực điện tiên tiến, mang lại khả năng điều khiển linh hoạt và trải nghiệm lái tuyệt vời Phương pháp điều khiển mô tơ trợ lực lái điện trên xe Mitsubishi Xpander được thiết kế đặc biệt nhằm để tối ưu hóa sự phản hồi và khả năng điều chỉnh của hệ thống Bằng cách sử dụng các cảm biến điện tử thông minh, hệ thống lái điện Mitsubishi Xpander tự động điều chỉnh và cân bằng lực điều khiển trên bánh xe, giúp tài xế dễ dàng điều khiển và an toàn trong quá trình lái xe
Tóm lại, ngành công nghiệp ô tô đóng vai trò quan trọng vào sự phát triển kinh tế và xã hội Hệ thống lái là thành phần không thể thiếu trong sự hoạt động của ô tô, ảnh hưởng đến sự an toàn và hiệu suất của xe Hệ thống lái trợ lực điện đã trở thành một xu hướng phát triển quan trọng trên các mẫu xe hiện đại, mang lại các ưu điểm vượt trội Với việc nghiên cứu và tiếp tục phát triển, hệ thống lái điện sẽ tiếp tục cải thiện và đóng góp vào sự tiến bộ của nền công nghiệp ô tô.
Mục tiêu của đề tài
• Tìm hiểu được cấu tạo, ưu nhược điểm và phân loại của hệ thống trợ lực lái điện EPS
• Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống trợ lực lái điện EPS
• Nghiên cứu và xây dựng mô phỏng phương pháp điều chế vector không gian tựa từ thông rotor FOC (Field Oriented Control) điều khiển mô tơ trợ lực lái điện PMSM
3 trên phần mềm Matlab/Simulink
• So sánh, đánh giá kết quả mô phỏng với dữ liệu thực tế trên xe Mitsubishi Xpander.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là phương pháp điều khiển mô tơ trợ lực lái điện trên dòng xe Mitsubishi Xpander Quá trình nghiên cứu và thu thập dữ liệu cho đề tài được thực hiện tại xưởng dịch vụ Mitsubishi Motors – Moveo Bình Dương
Bên cạnh đó phần mềm Matlab/Simulink Simscape sẽ được sử dụng để mô hình hóa hệ thống điều khiển mô tơ trợ lực lái điện
Nghiên cứu các khối phục vụ cho mục đích nghiên cứu phương pháp điều khiển mô tơ trợ lực lái điện và hoạt động của các khối nói trên
Tìm hiểu về hệ thống trợ lực lái điện EPS trên xe từ các hãng sản xuất khác nhau Tìm hiểu về phương pháp điều chế vector không gian tựa từ thông rotor FOC điều khiển motor trợ lực lái điện PMSM.
Phương pháp nghiên cứu
• Thu thập giáo trình, tài liệu nghiên cứu, bài báo khoa học về phương pháp điều chế vector không gian tựa tự thông rotor FOC để cũng cố kiến thức thực hiện đề tài
• Sử dụng môi trường Matlab/Simulink để mô phỏng cơ bản cấu trúc hệ thống FOC
• Thu thập các dữ liệu đầu vào thực tế trên xe Mitsubishi Xpander để thực hiện mô phỏng bằng Matlab/Simulink, từ đó rút ra các kết luận và nhận xét
• So sánh, đánh giá giữa dữ liệu thực tế trên xe Mitsubishi Xpander với kết quả mô phỏng đạt được.
Cấu trúc đề tài
Cấu trúc của đề tài bao gồm các chương chính sau:
• Chương 2: Cơ sở lý thuyết
• Chương 3: Mô phỏng phương pháp điều khiển
• Chương 4: Thu thập dữ liệu và đánh giá kết quả mô phỏng
Các nghiên cứu liên quan
1.6.1 Ở Việt Nam Ở Việt Nam, có các nghiên cứu về các phương pháp điều khiển động cơ điện như FOC, DTC, … ngoài ra còn có các bài báo nghiên cứu chung về những phương pháp điều khiển động cơ điện, phân tích ưu và nhược điểm của từng loại phương pháp điều khiển trên Các bài báo nói về phương pháp điều khiển động cơ PMSM ở Việt Nam như:
• Hoàng Văn Bình, Thiết kế hệ thống điều khiển truyền động điện sử dụng động cơ điện xoay chiều ba pha đồng bộ kích từ vĩnh cửu (PMSM), GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng [1]
• Quách Duy Khánh, Tìm hiểu và mô phỏng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, GVHD: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn [2]
Ngoài các nghiên cứu liên quan đến phương pháp điều khiển động cơ PMSM, còn có một số nghiên cứu liên quan đến đề tài như:
• Nghiên cứu liên quan đến bộ nghịch lưu: Phạm Cao Thắng, Bộ nghịch lưu, GVHD:
Ts Nguyễn Văn Minh Trí hướng dẫn [3]
• Nghiên cứu liên quan đến lý thuyết điều khiển tự động: Đỗ Tú Anh, Lý thuyết điều khiển tự động [4]
Việc nghiên cứu và phát triển lý thuyết về phương pháp điều khiển động cơ PMSM, tài liệu nước ngoài có nhiều bài viết, nhiều nguồn tài liệu cũng nghiên cứu phương pháp điều khiển motor trợ lực lái điện PMSM bằng phương pháp điều chế vector không gian tựa từ thông rotor FOC Ngoài ra còn có những nghiên cứu về các hệ thống liên quan đến hệ thống lái trợ lực điện như hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) và hệ thống cân bằng điện tử (ESP) Các bài báo nghiên cứu về phương pháp điều khiển động cơ PMSM ở nước ngoài:
• Xiaodong Zheng - Simulation analysis of electric power steering System (EPS) test platform [5]
• Kenneth Odo, Cosmas U.Ogbuka, Egoigwe Sochiwa Vincent - A Model-based PI
Controller Tuning and Design for Field Oriented Current Control of Permanent Magnet Synchronous Motor [6]
Hệ thống lái trên các mẫu xe hiện nay
Trong phân khúc A của các mẫu xe hiện nay, hệ thống lái đang trở nên ngày càng tiên tiến và đa dạng Phân khúc A thường bao gồm các xe nhỏ gọn và kinh tế, được sử dụng chủ yếu cho di chuyển trong thành phố và đường phố hẹp Một số mẫu xe đáng chú ý ở phân khúc A như:
Xe Kia Morning 2017 được trang bị hệ thống lái trợ lực thuỷ lực HPS (Hydraulic Power Steering) cung cấp trợ lực lái trong quá trình vận hành xe Hệ thống trợ lực lái thuỷ lực trên xe Kia Morning 2017 hoạt động dựa trên việc sử dụng một bơm thuỷ lực để tạo áp suất trong hệ thống Khi người lái quay vô lăng, áp suất thuỷ lực được tạo ra và truyền đến hộp trợ lực lái Với hệ thống lái HPS, xe Kia Morning 2017 mang đến sự tiện nghi và dễ dàng trong việc điều khiển xe, đáp ứng nhu cầu của tài xế trong các tình huống lái xe
Hình 1.2 Bơm trợ lực thủy lực trên xe Kia Morning 2017
Xe Hyundai i10 2007 được trang bị hệ thống lái trợ lực thuỷ lực HPS, một công nghệ trợ lực điều khiển lái thông qua sử dụng dầu thuỷ lực Hơn nữa, hệ thống lái HPS của xe Hyundai i10 2007 cũng giúp giảm tiếng ồn và rung động trong quá trình lái xe Bằng cách giảm lực tác động để xoay vô lăng, giảm sự truyền cảm giác rung động và tiếng ồn từ hệ thống lái vào buồng lái, mang lại một trải nghiệm lái xe dễ chịu và êm ái
Hình 1.4 Bơm trợ lực thủy lực xe Hyundai i10 2007
Ngay trên phiên bản đầu tiên ra đời thì Honda Brio đã được trang bị hệ thống lái trợ lực điện EPS nhằm giảm thiểu được mức tiêu thụ năng lượng và giảm tải trọng trên xe giúp cho cạnh tranh được với các mẫu xe cùng phân khúc có mặt trên thị trường Hệ thống trợ lực lái điện trên Honda Brio mang lại sự dễ dàng và linh hoạt trong việc điều khiển xe Tài xế có thể dễ dàng xoay vô lăng và điều hướng di chuyển của xe một cách nhạy bén Hệ thống này cung cấp độ chính xác cao và sự ổn định, giúp tài xế kiểm soát xe một cách an toàn và dễ dàng
Hình 1.6 Hệ thống trợ lực lái điện trên xe Honda Brio
Trong phân khúc B, các mẫu xe có kích thước và tính năng vừa phải, phù hợp cho gia đình và di chuyển trong thành phố Một số mẫu xe đáng chú ý ở phân khúc B như:
Hình 1.7 Xe Toyota Vios 2003-2006 Được ra mắt lần đầu vào những năm 2003 đến năm 2006, Toyota Vios mang trong mình một hệ thống trợ lực lái thủy lực HPS thuần túy
Hình 1.8 Bơm trợ lực thủy lực trên xe Toyota Vios 2003-2006
Hyundai Accent sử dụng hệ thống trợ lực lái điện EPS từ những đời thứ 4 (vào năm 2011-2017), tạo nên một đối thủ cạnh tranh lớn với các kiểu xe có cùng phân khúc trên thị trường vào thời điểm đó từ kiểu dáng cho đến hệ thống an toàn trên xe
Hình 1.10 Mô tơ trợ lực lái trên xe Hyundai Accent đời thứ 4 (2011-2017)
Hệ thống trợ lực lái điện EPS trên xe Mitsubishi Attrage 2014 là một công nghệ tiên tiến làm tăng cường khả năng điều khiển và cảm giác lái của tài xế Hệ thống trợ lực lái điện EPS trên Mitsubishi Attrage 2014 cũng có khả năng điều chỉnh mức độ trợ lực dựa trên tốc độ di chuyển của xe Với tốc độ cao, hệ thống có thể giảm mức độ trợ lực để cung cấp phản hồi và độ ổn định tốt hơn Trong khi đó, ở tốc độ thấp, hệ thống sẽ cung cấp nhiều trợ lực hơn để giảm lực cần tác động lên vô lăng và giúp việc lái xe dễ dàng hơn Bên cạnh đó nó cũng được thiết kế để tăng hiệu suất lái và tiết kiệm nhiên liệu của xe Nó chỉ hoạt động khi cần thiết, qua đó giúp giảm sự tiêu thụ điện và giữ cho hệ thống lái hiệu quả
Hình 1.12 Hệ thống lái trợ lực điện trên xe Mitsubishi Attrage 2014
Trong phân khúc C, các mẫu xe có kích thước và tính năng trung bình, đem đến sự thoải mái và tính tiện nghi cao Một số mẫu xe đáng chú ý ở phân khúc C như:
Hình 1.13 Xe Toyota Corlla Altis 2002-2007 Đối với các dòng Toyota Corolla Altis đời 2002-2007 thì sử dụng hệ thống lái trợ lực thuỷ lực HPS Nhưng kể từ đời 2008 đến nay, hệ thống lái trên Toyota Corolla Altis đa số đều sử dụng hệ thống trợ lực lái điện EPS
Hình 1.14 Bơm trợ lực thuỷ lực trên xe Toyota Corolla Altis 2002-2007
Hệ thống trợ lực lái điện EPS trên xe Hyundai Elantra 2011 được thiết kế nhằm để đem lại một loạt lợi ích Một trong số đó là cảm giác lái dễ dàng và nhẹ nhàng hơn Khi người lái xoay bánh xe, động cơ điện sẽ tự động phản hồi và cung cấp mức độ trợ lực phù hợp, giúp giảm bớt sức lực cần thiết để điều khiển xe Đặc biệt hữu ích trong việc đỗ xe và di chuyển trong khu đô thị, khi người lái cần thực hiện xoay vòng xe thường xuyên
Hình 1.16 Hệ thống trợ lực lái điện trên xe Hyundai Elantra 2011
Trong phân khúc D, các mẫu xe có kích thước lớn và tính năng cao, đáp ứng đầy đủ khả năng vận hành và các tiện nghi Dưới đây là một số mẫu xe đáng chú ý phân khúc D:
Hệ thống lái trên xe Toyota Camry 2008 là một hệ thống lái trợ lực thủy lực HPS
Hệ thống lái HPS trên Toyota Camry 2008 hoạt động dựa trên việc sử dụng một bơm thủy lực để tạo ra áp suất và đẩy chất lỏng thủy lực thông qua các ống đến hệ thống lái Hệ thống lái HPS trên Toyota Camry 2008 cũng đạt được độ tin cậy cao Nó được thiết kế nhằm để hoạt động ổn định và có độ tin cậy cao trong các điều kiện lái khác nhau, từ lái trong thành phố đông đúc đến lái trên xa lộ và đường cao tốc Đồng thời, hệ thống này cũng không nhạy cảm với sự mất điện, đảm bảo rằng tài xế vẫn có thể kiểm soát xe một cách an toàn khi có sự cố
Hình 1.18 Bơm trợ lực thuỷ lực trên xe Toyota Camry 2008
Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực HPS trên xe Honda Accord 2008-2012 là hệ thống lái trợ lực sử dụng chất lỏng thuỷ lực để cung cấp lực tác động cho vô lăng và giúp tài xế dễ dàng trong việc điều khiển xe Trên tổng thể, hệ thống lái HPS trên Honda Accord 2008-
2012 mang lại sự ổn định và dễ dàng điều khiển xe Nó là một trong các lựa chọn phổ biến của những mẫu xe trong khoảng thời gian đó và cung cấp trải nghiệm lái thoải mái và tin cậy
Hình 1.20 Bơm trợ lực thuỷ lựu trên xe Honda Accord 2008-2012
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cơ sở lý thuyết về hệ thống trợ lực lái điện EPS
2.1.1 Giới thiệu về hệ thống trợ lực lái điện EPS
Với việc yêu cầu về tốc độ, chất lượng và tiết kiệm nhiên liệu ngày càng cao của các phương tiện vận tải, thì việc nghiên cứu và tiếp tục phát triển các hệ thống điều khiển bằng điện tử là một phần quan trọng nhằm để cải thiện hiệu suất và các chức năng của phương tiện Vì vậy đối với hệ thống lái của xe, việc phát triển hệ thống lái để tùy chỉnh trợ lực thích hợp với những điều kiện bề mặt đường và giao thông, nhằm tạo ra cảm giác lái tinh tế và nhạy bén hơn là cần thiết
Trong hệ thống trợ lực lái, khả năng phản ứng tức thì đóng vai trò quan trọng, giúp người lái nhận biết các biến đổi gây ra do các phản lực lái Do đó, hệ thống trợ lực lái cung cấp cho người lái những thông tin quan trọng về điều kiện vận hành xe, bao gồm sự biến đổi của phản lực lái, vận tốc, gia tốc Điều này không những tăng cường tương tác giữa tài xế và phương tiện mà còn nhằm tạo ra sự thích hợp giữa cảm giác lái với hệ thống lái, đồng thời khả năng tự động bù trừ khi xe gặp các biến đổi không đồng đều
Hệ thống trợ lực lái điện EPS (Electric Power Steering) là giải pháp hoàn hảo để giảm lực cản trong hệ thống lái Nó đạt được điều này bằng cách trực tiếp cung cấp dòng điện từ mô tơ trợ lực điện đến hệ thống lái, loại bỏ sự phụ thuộc vào hệ thống cơ khí truyền thống Hệ thống này được trang bị các cảm biến lái và cảm biến tốc độ xe để thu thập thông tin về mô men và tốc độ trên xe Các tín hiệu từ những cảm biến này được chuyển đến ECU bộ điều khiển điện tử, nơi chế độ điều khiển lái và hoạt động của mô tơ trợ lực được tính toán và điều khiển Qua đó, hệ thống lái EPS đảm bảo khả năng điều khiển lái hiệu quả và nâng cao trải nghiệm lái xe của tài xế
2.1.2 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống trợ lực lái điện EPS
2.1.2.1 Ưu điểm của hệ thống trợ lực lái điện EPS
• An toàn khi di chuyển với tốc độ cao Đối với xe có hệ thống trợ lực lái điện EPS, khi đang di chuyển ở tốc độ cao, vô lăng thường sẽ trở nên nặng hơn Nguyên nhân chính là hệ thống trợ lực lái điện sẽ điều chỉnh mức trợ lực theo tốc độ của xe để tăng tính đáp ứng và ổn định được tốt hơn trong các tình huống lái xe nhanh Khi xe chạy với tốc độ cao, luồng không khí lớn tác động lên
14 bề mặt của xe và hệ thống lái, gây ra lực cản và tạo áp lực lên vô lăng Điều này làm tăng trở lực và làm vô lăng trở nên nặng hơn để người lái có thể cảm nhận và điều khiển xe chính xác
Tuy nhiên, mức độ nặng vô lăng có thể khác nhau tùy thuộc vào cấu hình và thiết kế trên từng hệ thống trợ lực lái điện Một số hệ thống có thể giữ mức hỗ trợ tương đối ổn định ở mọi tốc độ, trong khi những hệ thống khác có thể điều chỉnh mức hỗ trợ để tối ưu hóa cảm giác lái trong từng tình huống cụ thể
• Tiết kiệm năng lượng và nhiên liệu
Trong hệ thống trợ lực lái điện EPS, dùng mô tơ điện để cung cấp trợ lực thay vì sử dụng bơm dầu như trong hệ thống trợ lực lái HPS truyền thống Điều này mang lại một lợi thế đáng kể về tiết kiệm năng lượng và hiệu suất Thay vì phải trích công suất từ động cơ xe thông qua bơm dầu, mô tơ điện chỉ cần lấy năng lượng từ máy phát và ắc quy, giảm thiểu sự lãng phí và tổn thất năng lượng Điều này góp phần làm giảm mức tiêu thụ năng lương trên xe, ước tính tiết kiệm khoảng 2 - 3% so với hệ thống lái HPS
Một ưu điểm quan trọng khác của hệ thống lái EPS là hoạt động dựa trên nhu cầu Điện mô tơ chỉ hoạt động khi cần thiết, tức là khi lái xe cần trợ lực lái Khi xe đang chạy ở tốc độ ổn định hoặc không cần trợ lực, mô tơ sẽ không hoạt động, vì vậy giúp tiết kiệm nhiên liệu và làm cho hệ thống bền hơn Tạo ra một sự cân bằng tối ưu giữa việc tiêu thụ năng lượng và hiệu suất, đồng thời giảm tải cho hệ thống điện và gia tăng tuổi thọ của mô tơ trợ lực lái
• Tính công nghệ hiện đại
Với sự tích hợp điện tử, hệ thống lái EPS được liên kết chặt chẽ với các hệ thống khác trên xe, bao gồm hệ thống treo và hệ thống phanh Qua mạng giao tiếp giữa các ECU, hệ thống lái có thể tương tác cùng với việc trao đổi thông tin với các hệ thống khác một cách liên tục và chính xác Điều này làm tạo ra một môi trường đồng bộ và hợp nhất, nâng cao được khả năng vận hành an toàn trên xe
Với tích hợp điện tử, hệ thống trợ lực lái điện có khả năng chẩn đoán và giám sát các thông số quan trọng, như tốc độ, vị trí vô lăng và nhiều thông số khác Nhờ đó, hệ thống có thể phát hiện được các sự cố và lỗi hoạt động, và thông báo cho người lái qua giao diện đồng hồ hiển thị hoặc các cảnh báo âm thanh Điều này giúp tăng cường khả năng xử lý sự cố, đảm bảo an toàn và đồng thời làm cho việc bảo trì và sửa chữa hệ thống
Tính công nghệ và hiện đại cũng cho phép hệ thống trợ lực lái điện tùy chỉnh các thông số và cấu hình theo mong muốn của tài xế Qua các giao diện điều khiển, người lái có thể điều chỉnh độ nặng nhẹ của vô lăng, tăng cường hoặc giảm trợ lực theo sở thích và điều kiện lái xe
2.1.2.2 Nhược điểm của trợ lực lái điện EPS
Hệ thống trợ lực lái điện EPS mang đến nhiều tiện ích, tuy vậy bên cạnh đó cũng tồn tại một số các nhược điểm và thách thức mà người dùng và kỹ thuật viên phải đối mặt Các nhược điểm phổ biến của hệ thống EPS:
• Phức tạp và khó sửa chữa
Hệ thống trợ lực lái điện được thiết kế gồm nhiều linh kiện điện tử và cơ cấu phần cơ khí phức tạp Điều này đã làm cho việc sửa chữa và bảo trì khó khăn hơn so với các hệ thống lái truyền thống Kỹ thuật viên cần vững kiến thức chuyên môn và có các trang thiết bị đặc biệt để xác định, khắc phục được các sự cố
Một nhược điểm trong hệ thống trợ lực lái điện là mất cảm giác lái khi chạy ở tốc độ thấp Do giới hạn tối thiểu công suất của mô tơ, khi xe di chuyển chậm, cảm giác đánh lái trở nên nhẹ và không có phản hồi rõ ràng Điều này có thể làm cho tài xế khó cảm nhận được bề mặt đường và điều khiển xe trong các tình huống khó khăn
• Chi phí sản xuất và bảo dưỡng cao hơn
Hệ thống trợ lực lái điện có chi phí bảo dưỡng và sản xuất cao hơn so với hệ thống trợ lực lái HPS Mặc dù hệ thống trợ lực điện ít cần phải bảo dưỡng định kỳ, nhưng khi phần cứng gặp sự cố, thường cần thay thế toàn bộ linh kiện, vì vậy gây ra chi phí cao cho quá trình sửa chữa
2.1.3 Cấu tạo của hệ thống trợ lực lái điện
Các thành phần chính của hệ thống trợ lực lái điện bao gồm:
• ECU bộ điều khiển trung tâm
• Mô tơ điện một chiều
Hình 2.1 Các bộ phận trong hệ thống trợ lực lái điện
2.1.3.1 Mô tơ trợ lực lái [7]
Nghiên cứu trên xe Mitsubishi Xpander
2.2.1 Giới thiệu về xe Mitsubishi Xpander
Mitsubishi Xpander là một mẫu xe đa dụng (MPV) đáng chú ý của phân khúc xe du lịch và gia đình Với các thiết kế mang tính hiện đại và tiện nghi, Xpander mang đến sự kết hợp hoàn hảo giữa một không gian rộng rãi và khả năng vận hành linh hoạt
Bên ngoài, Xpander tỏa sáng với vẻ ngoại hình đẹp mắt và đậm chất thể thao Đường cong mượt mà và các chi tiết tinh tế tạo nên vẻ ngoài cuốn hút và đầy cá tính Đèn pha LED góc cạnh và lưới tản nhiệt lớn tạo nên một diện mạo mạnh mẽ và hiện đại
Bên trong, không gian nội thất của Xpander được thiết kế với mục đích tối ưu hóa sự tiện nghi và thoải mái Với khả năng chứa đến 7 hành khách và hàng loạt tiện ích thông minh như kết nối Bluetooth, hệ thống giải trí đa phương tiện và các cổng USB, Xpander mang đến một trải nghiệm cảm giác lái xe dễ chịu và thoả mái
Vận hành mạnh mẽ và linh hoạt là điểm đáng chú ý của Xpander Được trang bị động cơ xăng với tính năng tiết kiệm nhiên liệu, Xpander mang lại sự hiệu quả vận hành tối ưu mà không làm mất đi sức mạnh Hệ thống truyền động tiên tiến và các công nghệ an toàn như công nghệ túi khí đa điểm, hệ thống phanh ABS và hỗ trợ khởi hành ngang dốc đã đảm bảo sự tin cậy và an toàn trên mọi chuyến đi
Hình 2.22 Hình dáng tổng thể xe Mitsubishi Xpander AT
Bảng 2.2: Bảng thông số kỹ thuật xe Mitsubishi Xpander [11]
Xuất xứ Nhập khẩu và lắp ráp trong nước
Kích thước DxRxC 4.595 x 1.750 x 1.750 mm (AT Premium)
4.500 x 1.800 x 1.750 mm (Cross) 4.595 x 1.750 x 1.730 mm (AT) 4.475 x 1.750 x 1.730 mm (MT) Bán kính quay vòng tối thiểu 5.2 m
Chiều dài cơ sở 2.775 mm Động cơ 1.5L MIVEC
Dung tích bình nhiên liệu 45L
Công suất cực đại 102 mã lực tại 6000 vòng/phút
Mô men xoắn cực đại 141 Nm tại 4000 vòng/phút
Hộp số Số sàn 5 cấp hoặc tự động 4 cấp
Hệ dẫn động Cầu trước
Treo trước/sau MacPherson, Lò xo cuộn/Thanh xoắn
Phanh trước/sau Đĩa/tang trống
Khoảng sáng gầm xe 205-225 mm
Mức tiêu hao nhiên liệu trong đô thị 7.7-8.8L/100km
Mức tiêu hao nhiên liệu ngoài đô thị 5.0-5.95L/100km
Mức tiêu hao nhiên liệu kết hợp 5.98-6.9L/100km
2.2.2 Hệ thống trợ lực lái điện trên xe Mitsubishi Xpander [12]
2.2.2.1 Giới thiệu về hệ thống trợ lực Mitsubishi Xpander
Hệ thống trợ lực lái điện EPS trên xe Mitsubishi Xpander đã đạt được nhiều cải tiến mới, đặc biệt trong việc tiết kiệm nhiên liệu bằng cách giảm tải động cơ và nhờ sự giảm thiểu số lượng các bộ phận, trọng lượng trên xe cũng đã được giảm đi đáng kể
Vô lăng trên xe là loại ba chấu được tích hợp với túi khí SRS, mang lại một sự an toàn tối đa cho tài xế trong trường hợp khi mà xe xảy ra va chạm Đặc biệt, trụ lái cũng được trang bị cơ chế hấp thụ sốc, giúp làm giảm thiểu lực tác động lên tài xế trong trường hợp xe bị va chạm mạnh, đảm bảo giảm nguy cơ chấn thương và an toàn
Bên cạnh đó, hệ thống trợ lực lái điện còn được trang bị cơ chế điều chỉnh dài ngắn và nghiêng, cho phép người lái tùy chỉnh vị trí lái phù hợp nhất với họ Điều này giúp cải thiện giảm đi mệt mỏi và sự thoải mái khi lái xe trong khoảng thời gian dài Động cơ trợ lực lái được sử dụng trên xe là loại không chổi than, với hệ thống kép bên trong, mang lại một cảm giác lái êm ái và mô men xoắn đồng đều Hơn nữa, máy cảm biến mô men xoắn cũng được hiệu chỉnh điểm không để cải thiện tính năng lái và đảm bảo chính xác trong việc cung cấp lực trợ Để đảm bảo an toàn trong các trường hợp khi hệ thống gặp sự cố, xe còn được trang bị chức năng tự bảo vệ Chức năng này cho phép hệ thống tiếp tục hỗ trợ lái xe một cách tối đa, giúp người lái duy trì kiểm soát và an toàn trong khi khắc phục sự cố
Hình 2.23 Bố trí hệ thông lái trợ lực điện trên xe Mitsubishi Xpander
Hình 2.24 Vô lăng trên xe Mitsubishi Xpander
Vô lăng được thiết kế với mục đích chính nâng cao hiệu suất vận hành, đảm bảo tính an toàn và dễ dàng bảo trì Để đạt được điều này, có những tính năng đặc biệt sẽ được tích hợp vào vô lăng:
- Thiết kế 3 chấu: Vô lăng được thiết kế với loại 3 chấu, mang lại sự ổn định và cảm giác linh hoạt khi điều khiển xe Đồng thời, vật liệu urethane hoặc da được sử dụng để làm vô lăng, tạo nên chất lượng cao, sự sang trọng và một cảm giác thoải mái cho tay lái
- Công tắc điều khiển từ xa ở trên vô lăng (công tắc điều khiển từ xa bằng âm thanh trên vô lăng và công tắc điều khiển bằng giọng nói trên vô lăng) và công tắc điều khiển hành trình có sẵn trên một số mẫu xe Điều này cho phép tài xế dễ dàng điều chỉnh hệ thống âm thanh và thực hiện các chức năng điều khiển bằng giọng nói mà không phải tìm kiếm các nút điều khiển nằm trên bảng điều khiển trung tâm
- Tích hợp túi khí SRS: Vô lăng được tích hợp một túi khí SRS, nhằm cung cấp bảo vệ an toán tối đa cho tài xế trong trường hợp mà xe xảy ra va chạm trực diện Túi khí này được thiết kế với một bộ thổi duy nhất, giúp giảm thiểu nguy cơ chấn thương và đảm bảo an toàn tối đa
Hình 2.25 Trục và cột lái trên xe Mitsubishi Xpander
Trục và cột lái, bao gồm cả cảm biến mô men xoắn và động cơ (kết hợp với EPS- ECU), đã được thiết kế nhằm tăng cường tính an toàn và có những tính năng đáng chú ý sau đây:
- Cột lái được trang bị cơ chế hấp thụ va đập: Đây là một cơ chế đặc biệt được tích hợp trong cột lái nhằm hấp thụ và giảm lực tác động trong trường hợp xảy ra va chạm nhằm giảm thiểu tổn thương cho người lái và bảo vệ họ khỏi những tác động tiềm năng
- Cột lái có khả năng co lại: Trong các trường hợp xảy ra va chạm, vô lăng sẽ di chuyển về phía trước, cột lái có thể co lại để giảm sự di chuyển của vô lăng và bảo vệ người lái
- Ổn định khả năng hấp thụ va đập: Sự áp dụng của cấu trúc cột lái có thể co lại ngăn chặn sự ảnh hưởng của va chạm trực tiếp lên các phần co lại và ổn định khả năng hấp thụ va đập Ngoài ra, va chạm phụ sau cũng được một phần hấp thụ bởi cấu trúc cột lái có thể co lại, nâng cao khả năng co lại
Cơ chế hấp thụ tác động:
MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
Nghiên cứu và mô phỏng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSM
3.1.1 Giới thiệu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSM Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSM (Permanent magnet synchronous Motors) là một loại động cơ điện đồng bộ có rotor được trang bị nam châm vĩnh cửu thay vì cuộn dây quấn kích từ như các loại động cơ điện đồng bộ thông thường Sự thay đổi này giúp giảm tổn thất năng lượng, tăng hiệu quả và độ bền của động cơ Động cơ PMSM mang lại nhiều lợi ích được dùng trong hệ thống truyền động điện xoay chiều Đặc biệt, với rotor có nam châm vĩnh cửu, PMSM chỉ cần dòng điện stator để tạo mô men, mà không cần tạo ra dòng kích từ qua stator để tạo ra từ trường không đổi trong khe hở không khí Do đó, cùng một công suất đầu ra PMSM sẽ hoạt động với hiệu suất cao hơn vì không cần dòng kích từ, nên việc tiêu thụ năng lượng sẽ ít hơn
Ngoài ra, động cơ PMSM còn có độ bền cao và tuổi thọ dài hơn so với các loại động cơ khác, giúp tăng độ tin cậy và giảm chi phí bảo trì của hệ thống Động cơ PMSM cũng có khả năng đáp ứng và tốc độ đáp ứng nhanh hơn, đặc biệt khi được điều khiển bằng các kỹ thuật điều khiển điện tử tiên tiến như phương pháp điều khiển vector Điều này giúp PMSM được dùng nhiều trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác và đáp ứng nhanh
Tuy nhiên, động cơ PMSM cũng đòi hỏi một bộ điều khiển hiện đại và phức tạp hơn, bởi vì PMSM là động cơ đồng bộ, nghĩa là tần số của nguồn điện cấp cho động cơ phải được điều chỉnh chính xác để đảm bảo sự đồng bộ giữa dòng điện và từ trường trong động cơ Do đó, bộ điều khiển động cơ PMSM phải được thiết kế để cung cấp tín hiệu đáp ứng tốt và chính xác về điện áp, dòng điện và tần số
Hình 3.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSM
3.1.2 Cấu tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSM Động cơ PMSM gồm hai phần chính: rotor (phần quay) và stator (phần tĩnh) Rotor là phần quay của động cơ và chứa nam châm vĩnh cửu, trong khi stator là phần tĩnh và bao gồm các cuộn dây quấn kích từ Stator của động cơ PMSM được chia thành các khe chứa các cuộn dây quấn kích từ, tạo ra từ khi dòng điện chạy qua chúng Số khe trên stator thường là số chẵn và các khe này được phân bố đối xứng trên trục động cơ Khi dòng điện được cấp vào cuộn dây quấn kích từ, từ được tạo ra, tương tác với từ trường nam châm ở rotor, tạo ra mô men quay cho động cơ
Hình 3.2 Cấu tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSM
Dựa vào cấu tạo rotor, người ta phân loại động cơ PMSM thành hai loại: động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn IPMSM (Interior Permanent Magnet Motor) và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi SPMSM (Surface Permanent Magnet Motor)
3.1.2.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi SPMSM
Trong động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi SPMSM, nam châm vĩnh cửu được gắn trực tiếp lên bề mặt của rotor, thay vì được bọc vào rotor như động cơ PMSM truyền thống Điều này tạo ra một bề mặt cực lồi cho rotor, chính vì vậy để đảm bảo độ bền về cơ động cơ được thiết kế chạy với tốc độ không cao
Hình 3.3 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi SPMSM
1 – Lõi thép stator; 2 – Rotor; 3 – Nam châm vĩnh cửu
3.1.2.2 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn IPMSM Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn IPMSM dùng nam châm vĩnh cửu được tích hợp gắn chìm bên trong rotor còn gọi là rotor cực ẩn Vì nam châm vĩnh cửu được gắn chìm vào bên trong rotor nên nó có thể chạy với tốc độ cao và gia tốc lớn
Hình 3.4 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn IPMSM
1 – Lõi thép stator; 2 – Rotor; 3 – Nam châm vĩnh cửu
Một trong những ưu điểm của IPMSM là khả năng tạo ra mô men xoắn cao và ổn định với kích thước nhỏ và khối lượng nhẹ Nam châm vĩnh cửu trong rotor tạo ra trường từ mạnh và đồng bộ với từ trường tạo bởi stator, giúp cải thiện và tăng cường hiệu suất hoạt động của động cơ
Có nhiều kiểu rotor khác nhau cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn IPMSM, dưới đây là ba kiểu rotor phổ biến được sử dụng trong thực tế
Hình 3.5 Các kiểu rotor nam châm vĩnh cửu cực ẩn
3.1.3 Nguyên lý hoạt động động cơ PMSM
Như đã đề cập phần trên, động cơ PMSM dùng nam châm vĩnh cửu để tạo từ trường quay thay vì sử dụng cuộn dây quấn kích từ Nguyên lý hoạt động của PMSM dựa trên sự tương tác giữa từ trường của rotor và stator
Khi dòng điện xoay chiều được đưa vào các cuộn dây của stator, nó sẽ tạo ra từ trường quay xoay quanh trục quay của động cơ Từ trường này sẽ tương tác với từ trường của nam châm vĩnh cửu trên rotor, tạo ra một lực hút giữa stator và rotor Nhờ lực hút này,
42 rotor sẽ bắt đầu quay theo hướng từ trường quay của stator Khi rotor quay, từ trường của nam châm vĩnh cửu trên rotor sẽ tạo ra một từ trường quay mới, tương tác với từ trường của stator, tạo ra một lực hút khác tiếp tục giữa stator và rotor và giữ cho rotor quay Để đảm bảo sự đồng bộ giữa stator và rotor, động cơ PMSM thường được điều khiển bằng các bộ điều khiển, bao gồm cả bộ điều khiển dòng điện và bộ điều khiển tốc độ Bộ điều khiển tốc độ được sử dụng để duy trì tốc độ quay của rotor tại giá trị nhất định, trong khi bộ điều khiển dòng điện được dùng để điều khiển mô men xoắn của động cơ
3.1.4 Các phương pháp điều khiển động cơ PMSM Để điều khiển động cơ PMSM, có thể áp dụng các phương pháp điều khiển tần số:
• Điều khiển trực tiếp mô men DTC (Direct Torque Control)
• Điều khiển vector tựa từ thông rotor FOC (Field Oriented Control)
Hình 3.6 Các phương pháp điều khiển tấn số [13]
3.1.4.1 Phương pháp điều khiển vô hướng U/f
Phương pháp điều khiển vô hướng U/f là một phương pháp điều khiển dễ thực hiện và đởn giản nhất Phương pháp này điều khiển động cơ bằng cách duy trì tỷ số giữa điện áp U và tần số f đầu vào Tức là, khi tần số đầu vào thay đổi, điện áp cũng được thay đổi để duy trì tỷ số U/f không đổi Điều khiển vô hướng U/f thường được sử dụng cho các ứng dụng đơn giản và không yêu cầu độ chính xác cao Bên cạnh đó, phương pháp này cũng tồn tại một số hạn chế:
• Độ chính xác thấp: Phương pháp điều khiển vô hướng U/f không đảm bảo độ chính xác cao trong việc điều khiển tốc độ của động cơ, đặc biệt là khi tải thay đổi
• Hiệu suất thấp: Tỉ lệ giữa điện áp đầu vào và tần số đầu vào không phải lúc nào cũng đạt được giá trị lý tưởng, dẫn đến sự giảm hiệu suất động cơ và lãng phí năng lượng
Nghiên cứu và mô phỏng bộ nghịch lưu (Inverter)
3.2.1 Khái niệm chung về nghịch lưu
Trong hệ thống điện, nghịch lưu (Inverter) là một thiết bị quan trọng có chức năng chuyển đổi nguồn điện một chiều thành nguồn điện xoay chiều
Nghịch lưu được phân thành hai loại chính: nghịch lưu một pha và nghịch lưu ba pha Nghịch lưu một pha thường được dùng biến đổi nguồn điện cho các thiết bị gia đình hoặc trong các ứng dụng dân dụng Trong khi đó, nghịch lưu ba pha thường được dùng trong các ứng dụng công nghiệp lớn, như hệ thống điện công nghiệp hay mạng lưới điện
Nếu nguồn năng lượng một chiều được cung cấp cho nghịch lưu dưới dạng dòng điện, ta gọi đó là nghịch lưu dòng Trong trường hợp này, nghịch lưu chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều, cho phép điều khiển hướng và tốc độ của dòng điện
Ngược lại, nếu nguồn năng lượng một chiều được cung cấp cho nghịch lưu dưới dạng điện áp, ta gọi đó là nghịch lưu áp Trên cơ sở này, nghịch lưu sẽ chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều, cho phép điều chỉnh mức điện áp và tạo ra dòng điện phù hợp với yêu cầu sử dụng Trong nghịch lưu nguồn áp các van bán dẫn luôn đặt dưới điện áp một chiều nên các van đều là điều khiển hoàn toàn như BJT, IGBT, MOSFET hoặc GTO
3.2.1.1 Nghịch lưu nguồn áp một pha
Gồm các van công suất T1 - T4 và các Diode D1 - D4 Các Diode có chức năng chuyển công suất phản kháng về cho nguồn cấp khi đảo chiều, tránh hiện tượng quá tải điện áp Tụ điện C có nhiệm vụ đảm bảo nguồn hai chiều, mắc song song với nguồn
Hình 3.11 Sơ đồ mạch nghịch lưu nguồn áp một pha
Dựa vào Hình 3.11 và Hình 3.12 tại thời điểm θ đến θ2, van T1 và T2 dẫn điện, phụ tải được gắn trực tiếp vào nguồn cấp Vì nguồn cấp là nguồn điện áp nên Ut = E
Khi θ = 2, T3 và T4 mở đồng thời T1 và T2 bị khóa, dẫn đến việc tải được kết nối ngược với nguồn, làm đảo ngược dấu điện áp trên tải và Ut = - E vào thời điểm 2 Với tính chất trở cảm của tải, dòng điện vẫn duy trì hướng cũ (đường nét đậm), trong khi T1 và T2 bị khóa, dòng tải tạo thành một vòng mạch đóng qua D3 và D4 Suất điện động cảm ứng trên tải sẽ chuyển trở thành nguồn cung cấp năng lượng qua D3 và D4 về tụ C (đường nét đứt) Tương tự, trong chu kỳ tiếp theo, khi van T3 và T4 bị khóa, dòng tải sẽ tạo thành một vòng mạch đóng qua D1 và D2
Hình 3.12 Đồ thị nguyên lý hoạt động nghịch lưu nguồn áp một pha
3.2.2.2 Nghịch lưu nguồn áp ba pha
Gồm 6 van điều khiển hoàn toàn T1- T6 và 6 Diode D1 - D6 Các Diode hoạt động như các thành phần để chuyển năng lượng về nguồn, trong khi tụ C đảm bảo nguồn cấp duy trì áp và tiếp nhận năng lượng phản kháng từ tải
Hình 3.13 Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp ba pha
Nguyên lý làm việc của bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha tương tự như nguyên lý làm việc của bộ nghịch lưu nguồn áp một pha Để đảm bảo tạo ra điện áp ba pha được đối xứng với nhau, các van phải tuân theo đồ thị sau để điều khiển luồng điện, hay còn gọi là luật điều khiển
Hình 3.14 Quy luật điều khiển của van công suất bộ nghịch lưu nguồn áp pha
Các van T1 và T4 đóng ngắt cách nhau 180 o như Hình 3.14, tương tự với các cặp van T3 và T6, T2 và T5 đóng ngắt cách nhau 180 o T1 và T4 tạo ra pha A, T3 và T6 tạo ra pha B và T2 và T5 tạo ra pha C, mỗi pha lệch nhau một góc đúng bằng 120 o
Hình 3.15 Điện áp đầu ra trên mạch nghịch lưu nguồn áp pha
Theo Hình 3.15, điện áp đầu ra trên từng pha A, B, C được xác định bởi công thức:
• Phương pháp điều khiển Đối với bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha, có các phương pháp điều khiển cơ bản để tạo ra một hệ thống điện áp ba pha trên tải, đó là:
- Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM (Pulses Width Modulation)
- Phương pháp điều chế vector không gian SVM (Space Vector Modulation) sẽ được trình bày rõ hơn ở mục 3.2.2 của đề tài
3.2.2.3Mô phỏng nghịch lưu nguồn áp ba pha trên Matlab/Simulink
Sau khi tìm hiểu cấu tạo, chức năng và nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha, ta tiến hành mô phỏng bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha trên Matlab/Simulink Các khối được dùng để mô phỏng bao gồm:
• Khối DC Voltage Source (Nguồn điện áp DC) Được sử dụng để mô phỏng một nguồn cung cấp điện áp DC cố định trong mô hình hệ thống điện Khối này có chức năng tạo ra một giá trị điện áp DC xác định để cung cấp cho mạch điện
Hình 3.16 Khối DC Voltage Source
• Khối IGBT/Diode (Insulated Gate Bipolar Transistor/Diode) Được dùng để mô phỏng và điều khiển các linh kiện IGBT và Diode trong mô hình hệ thống điện Cả IGBT và Diode đều là các linh kiện điện tử quan trọng trong các ứng dụng điện và điện tử công suất
- Chân C: Nối với cực dương của nguồn DC
- Chân g: Là chân tín hiệu dùng để nhận tín hiệu xung điều khiển từ khối SVM để đóng mở các van
- Chân E: Nối với cực âm (mass)
Từ các khối chính đã trình bày, ta mô phỏng được bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha với sơ đồ như Hình 3.19
Hình 3.18 Sơ đồ mô phỏng bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha trên Matlab/Simulink
3.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian SVM
3.2.2.1 Khái niệm về vector không gian
Trong một hệ thống điện áp hay dòng điện ba pha bất kỳ ta có thể biểu diễn thành một vector không gian gồm ba thành phần điện áp 𝑢⃗⃗⃗⃗ (𝑢 𝑠 𝑎 , 𝑢 𝑏 , 𝑢 𝑐 ) hoặc ba thành phần dòng điện 𝑖⃗⃗ (𝑖 𝑠 𝑎 , 𝑖 𝑏 , 𝑖 𝑐 ) Tuy nhiên cách biểu diễn một vector không gian bằng ba trục toạ độ như trên không thuận tiện vì ta phải cần một hệ toạ độ gồm ba trục để mô tả các vector không gian Vì vậy phép biến đổi Clarke cho phép biến đổi hệ toạ độ ba trục abc về hệ toạ độ hai trục αβ để thuận tiện cho biểu diễn các vector không gian, lúc này các vector không gian sẽ được biểu diễn trên hai trục toạ độ αβ giúp cho người xem dễ nhìn nhận hơn
Hình 3.19 Vector không gian điện áp stator 𝑢⃗⃗⃗⃗ (𝑢 𝑠 𝑎 , 𝑢 𝑏 , 𝑢 𝑐 ) biểu diễn trên hệ toạ độ αβ Công thức biến đổi Clarke từ hệ trục toạ độ cố định abc về hệ trục toạ độ trực giao đứng yên αβ được mô tả theo phương trình sau:
3.2.2.2 Giới thiệu phương pháp điều chế vector không gian SVM
Nghiên cứu và mô phỏng cấu trúc điều khiển tựa từ thông rotor FOC cho động cơ
3.3.1 Cấu trúc điều khiển tựa từ thông rotor FOC
Phép biến đổi Clarke dùng để biểu diễn vector dòng điện stator 𝑖 𝑠 (tương tự với vector điện áp stator 𝑢 𝑠 ) gồm ba thành phần xoay chiều 𝑖 𝑎 , 𝑖 𝑏 , 𝑖 𝑐 trong hệ toạ độ cố định abc về còn hai thành phần 𝑖 𝛼 , 𝑖 𝛽 trong hệ toạ độ trực giao đứng yên αβ
Hình 3.41 Phép biến đổi Clarke chuyển hệ trục toạ độ cố định abc về hệ toạ độ trực giao đứng yên αβ
Công thức biến đổi Clarke từ hệ trục toạ độ cố định abc về hệ trục toạ độ trực giao đứng yên αβ được mô tả theo phương trình sau:
Công thức biến đổi Clarke ngược từ hệ trục toạ độ trực giao đứng yên αβ về hệ trục toạ độ cố định abc được mô tả theo phương trình sau:
Hình 3.42 Đồ thị minh hoạ phép biến đổi Clarke
Như đã biết phép biến đổi Clarke đã biểu diễn vector dòng điện stator 𝑖 𝑠 (tương tự với vector điện áp stator 𝑢 𝑠 ) gồm ba thành phần xoay chiều 𝑖 𝑎 , 𝑖 𝑏 , 𝑖 𝑐 trong hệ toạ độ cố định abc về còn hai thành phần 𝑖 𝛼 , 𝑖 𝛽 trong hệ toạ độ trực giao đứng yên αβ Tuy nhiên vector dòng điện trong hệ trục toạ độ αβ vẫn là vector quay với tần số góc của từ trường quay stator 𝑠 , vì vậy các dòng 𝑖 𝛼 , 𝑖 𝛽 vẫn là dòng xoay chiều Để đơn giản hơn trong việc điều khiển, các dòng điện xoay chiều này được biểu diễn thành dòng điện một chiều 𝑖 𝑑 , 𝑖 𝑞 trong hệ trục toạ độ trực giao quay dq qua phép biến đổi Park
Hình 3.43 Phép biến đổi Park chuyển hệ toạ độ trực giao đứng yên αβ về hệ toạ độ trực giao quay dq
- Tốc độ góc của vector dòng điện stator θ – Góc pha giữa trục α và trục q Công thức biến đổi Park từ hệ trục toạ độ trực giao đứng yên αβ về hệ trục toạ độ trực giao quay dq được mô tả theo phương trình sau:
Công thức biến đổi Park ngược từ hệ trục toạ độ trực giao quay dq về hệ trục toạ độ trực giao đứng yên αβ được mô tả theo phương trình sau:
Hình 3.44 Đồ thị minh hoạ phép biến đổi Park
3.3.1.3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tựa từ thông rotor FOC cho động cơ PMSM
Như vậy thông qua hai phép biến đổi Clarke và Park, ta có thể đưa vector dòng điện (tương tự vector điện áp) gồm ba thành phần xoay chiều 𝑖 𝑎 , 𝑖 𝑏 , 𝑖 𝑐 trong hệ toạ độ cố định abc thành dòng điện một chiều 𝑖 𝑑 , 𝑖 𝑞 trong hệ trục toạ độ trực giao quay dq
Tuy nhiên để giống với nguyên lý điều khiển của động cơ điện một chiều, ta phải chọn hệ trục toạ độ dq sao cho dòng 𝑖 𝑑 là thành phần sinh ra từ thông, dòng 𝑖 𝑞 là thành phần sinh ra mô men Để làm được điều đó, ta gán trục d của hệ trục toạ độ dq trùng với
70 hướng từ thông của rotor, khi đó trục q sẽ hướng theo chiều không sinh ra từ thông và hệ trục toạ độ dq sẽ quay với tốc độ góc bằng tốc độ góc của từ thông rotor Phương pháp điều khiển như vậy gọi là phương pháp điều khiển vector tựa tự thông rotor FOC
Hình 3.45 Cấu trúc FOC điều khiển động cơ PMSM
3.3.2 Giới thiệu bộ điều khiển PID Để hệ thống hoạt động hiệu quả và theo ý muốn của người dùng, cần thiết kế các bộ điều khiển mà người dùng có thể tác động vào hệ thống Có 2 dạng bộ điều khiển đó là: bộ điều khiển vòng hở và bộ điều khiển có phản hồi Trong đề tài này ta chỉ xét các trường hợp liên quan về bộ điều khiển có phản hồi (Feedback) Hiện nay có 2 loại bộ điều khiển đơn giản được sử dụng phổ biến đó là bộ điều khiển On/Off và bộ điều khiển PID Trong đề tài này ta chỉ xét đến thiết kế cho bộ điều khiển có phản hồi đó là bộ điều khiển PID
Hình 3.46 Bộ điều khiển PID
Với hệ số tỉ lệ P (Proportional): Giúp cho bộ điều khiển đạt tới giá trị mong muốn nhanh hơn, nhưng đồng thời làm tăng giá trị vọt lố cao hơn, làm mất đi độ chính xác đạt được của hệ thống dẫn tới hệ thông dần mất ổn định
Hệ số tích phân I (Integral): Để hạn chế vọt lố do hệ số P gây ra, ta có khâu điều chỉnh độ vọt lố bằng hệ số I Nhưng hệ số I cũng gây ra mất ổn định do hiện tượng quá độ
Hệ số vi phân D (Derivative): Giúp giảm hiện tượng quá độ do hệ số I gây ra, nhưng đồng thời làm chậm quá trình đáp ứng hệ thống đầu ra
Với động cơ PMSM sử dụng phương pháp FOC, Các bộ điều khiển cần quan tâm đến các hệ số đáp ứng được nhanh, độ vọt lố thấp nên ta chỉ sử dụng bộ điều khiển PI Để điều khiển bộ điều khiển PID có rất nhiều phương pháp để tìm ra được các hệ số điều khiển
P, I, D như Ziegler Nichols, Cohen-Coon, điều chỉnh thủ công, tối ưu độ lớn, … Các phương pháp trên cho độ đáp ứng hệ thống ở từng mức khác nhau Ở trong đề tài này, ta chỉ chú ý đề cập đến phương pháp tối ưu độ lớn để tìm ra được hệ số 𝑘 𝑝 , 𝑘 𝑖
3.3.3 Thiết kế các bộ điều khiển Để tính toán các mạch vòng trở nên dễ dàng hơn Dựa vào Hình 3.45 và biểu thức toán học của khối, ta mô hình hóa các khâu để tìm hàm truyền của các khối:
Hình 3.47 Sơ đồ cấu trúc điều khiển truyền động
Trong đề tài này, để điều khiển mô tơ trợ lực lái điện trên xe, chúng em chọn nguồn điện DC U = 12V nên nguồn cấp cho bộ điều khiển 𝑈 𝑑𝑘 = ±12𝑉 Ta có hàm truyền của
72 bộ biến đổi nghịch lưu 2 mức như sau:
𝐾 𝑛𝑙 - Hệ số khuếch đại của bộ nghịch lưu
𝑇 𝑛𝑙 - Hằng số thời gian của bộ nghịch lưu
Với f - Tần số từ nguồn đưa vào bộ nghịch lưu
Vì những khâu tính toán chuyển đổi hệ trục có hằng số thời gian rất nhỏ nên ta coi như bộ chuyển đổi 1:1
3.3.3.1 Mạch vòng điều khiển dòng điện
THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Sơ đồ mô phỏng
Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng cấu trúc điều khiển FOC
Thu thập dữ liệu
4.2.1 Dụng cụ thu thập dữ liệu
Chúng em thu thập dữ liệu thực tế của hệ thống lái trợ lực điện trên xe Mitsubishi Xpander AT 2023 tại Mitsubishi Motors - Moveo Bình Dương
Hình 4.2 Xe Mitsubishi Xpander AT 2023 dùng để thu thập dữ liệu
VCI-Lite là một công cụ chẩn đoán ô tô thông minh và tiện dụng Được phát triển bởi những chuyên gia trong lĩnh vực ô tô, VCI-Lite được thiết kế để cung cấp thông tin chính xác về tình trạng hoạt động của các hệ thống và linh kiện trên xe
VCI-Lite có khả năng kết nối với các bộ điều khiển điện tử trên xe thông qua giao diện chẩn đoán tiêu chuẩn OBD-II Điều này cho phép nó đọc và phân tích các mã lỗi, dữ liệu cảm biến, thông số xe và thực hiện các chức năng chẩn đoán và kiểm tra Với khả năng đọc và xóa mã lỗi, VCI-Lite giúp kỹ thuật viên có thể xác định và khắc phục các vấn đề kỹ thuật trên xe một cách hiệu quả và nhanh chóng
Hình 4.3 VCI-Lite để kết nối máy tính với phần mềm M.U.T.-III SE với cổng OBD2
• Cần đo lực mô men xoắn
Dùng cần đo lực mô men xoắn để đo lực mô men tác dụng khi xoay vô lăng
Hình 4.4 Cần đo lực mô men xoắn
4.2.2 Phần mềm M.U.T.-III SE (Multi - Use Tester III Second Edition)
Hình 4.5 Phần mềm M.U.T.-III SE (Multi - Use Tester III Second Edition)
M.U.T.-III SE là một phần mềm chẩn đoán đặc biệt được phát triển cho các xe của hãng Mitsubishi Là phiên bản mới nhất của phần mềm Mitsubishi M.U.T.-III, thay thế cho phiên bản Mitsubishi M.U.T.-II Sự thay đổi này được thực hiện để đáp ứng các công nghệ mới trong lĩnh vực ô tô điện tử của Mitsubishi, như hệ thống CAN bus
Phần mềm chẩn đoán M.U.T.-III SE của Mitsubishi có các chức năng sau:
• Chẩn đoán các lỗi tương tác trên xe
• Giao tiếp với SWS và hỗ trợ CAN Bus
• Thực hiện việc reprogram ECU
• Đo lường điện áp, trở kháng
• Đo áp suất nhiên liệu
M.U.T.-III SE hỗ trợ các hệ thống sau:
• Hệ thống động cơ MPI, GDI, DIESEL
• Hệ thống truyền động ELC-AT/CVT
• Hệ thống TCL, STABILITY CONTROL
• Hệ thống 4WS, Electric Power Steering
• Hệ thống ABS, ASC, ASTC và nhiều hệ thống khác
4.2.3 Quy trình thu thập dữ liệu
Bước 1: Tháo cụm hệ thống còi, túi khí trên vô lăng của xe Mitsubishi Xpander AT
Hình 4.6 Vô lăng xe Mitsibishi Xpander AT sau khi tháo cụm hệ thống còi, túi khí
Bước 2: Dùng VCI-Lite để kết nối máy tính với phần mềm M.U.T.-III SE với cổng OBD2
Hình 4.7 VCI-Lite kết nối máy tính với phần mềm M.U.T.-III SE với cổng OBD2
Bước 3: Sử dụng cần đo lực moment xoắn để xoay vô lăng theo mô men muốn khảo sát và quan sát giá trị các đại lượng trên phần mềm M.U.T.-III SE
Hình 4.8 Dùng cần đo lực mô men xoắn để xoay vô lăng theo mô men muốn khảo sát
Bước 4: Ghi nhận giá trị các đại lượng trong danh sách dữ liệu động và lặp lại Bước 3 với một giá trị mô men xoắn khác
Hình 4.9 Giá trị các đại lượng trong danh sách dữ liệu động khi quay vô lăng cùng chiều kim đồng hồ
Hình 4.10 Giá trị các đại lượng trong danh sách dữ liệu động khi quay vô lăng ngược chiều kim đồng hồ
4.2.4 Kết quả thu thập dữ liệu
Trong quá trình thu thập dữ liệu dải mô men xoắn mà nhóm chúng em khảo sát là trong khoảng từ -50 kgf.cm đến 50 kgf.cm, để dễ so sánh với kết quả mô phỏng thì đơn vị mô men xoắn được đổi thành N.m
Bảng 4.1: Bảng số liệu thực nghiệm
Mô men xoắn (N.m) Điện áp cảm biến mô men xoắn 1 (V) Điện áp cảm biến mô men xoắn 2 (V)
Dòng điện i q yêu cầu (trước khi hạn chế dòng do quá nhiệt) (A)
Sau khi có bảng dữ liệu thực nghiệm trên xe Mitsubishi Xpander AT, ta biểu diễn thành đường đặc tính giữa mô men xoắn và dòng iq
Hình 4.11 Đường đặc tính moment và dòng i q đáp ứng từ thực nghiệm
Kịch bản mô phỏng
• Dùng hàm nất để kiểm tra sơ bộ mô phỏng
Ta giả sử động cơ bắt đầu quay không tải lúc 1s bằng hàm “step”, chế độ động cơ chạy mô phỏng không tải ban đầu Đến giây thứ 2 cho tải tác động vào để khảo sát đặc tính cơ học của hệ thống khi có nhiễu tác động vào Thiết lập tải bằng hàm “step, giá trị tải đưa vào tại giây thứ 2 là 4 N.m
Ta mô phỏng chạy trong vòng 5s để biết được hiệu quả điều khiển của hệ thống
• Lấy giá trị mômen tải thực tế để làm thông số đầu vào
Ta mô phỏng lại bằng cách khởi động động cơ mô phỏng, đặt giá trị moment tăng dần đến 6 N.m, mô phỏng trong vòng 3s Xem độ đáp ứng moment của động cơ đồng thời khảo sát giá trị dòng điện trục vuông góc iq.
Kết quả mô phỏng
• Dùng hàm nất để kiểm tra sơ bộ mô phỏng
Hình 4.12 Đồ thị đáp ứng mô men xoắn của động cơ
Khi động cơ khởi động từ 1s, động cơ tạo mô men lớn đột ngột lên khoảng 4 N.m do vừa khởi động và sau đó dao động với mô men tương đối nhỏ
Khi động cơ bắt đầu có tải tác động, giá trị mô men mô phỏng tăng lên mức 5 và
87 dao động trong khoảng từ 3,5 - 4,5 chứng tỏ độ vọt lố còn cao
Hình 4.13 Đồ thị đáp ứng tốc độ của động cơ
Khi khởi động động cơ ở chế độ chạy không tải, tốc độ của động cơ tăng lên một lúc rồi chạy về tốc độ dao động trong khoảng 10 rad/s
Khi bắt đầu có tải vào giây thứ 2, động cơ quay chậm lại do có tải tại tác động, sau khi có tải động cơ giữ mức tốc độ quay dao động trong khoảng 4,5 - 5
Hình 4.14 Đồ thị đáp ứng dòng i q của động cơ
Khi động cơ bắt đầu chạy không tải, dòng điện iq tăng lên đột ngột rồi sau đó quay về nhỏ hơn, dao động trong khoảng từ -0,5 đến 0,5
Khi bắt đầu có tải ở giây thứ 2, dòng điện iq bắt đầu tăng lên giá trị cung cấp cho tải và dao động quanh mức 2,9 – 4
Hình 4.15 Đồ thị đáp ứng dòng i d của động cơ
Khi động cơ chạy không tải, dòng id bật tăng từ -1 đến 1, sau đó dao động với biên độ khoảng từ -0,5 đến 1
Ngay khi vừa có tải, dòng điện id dao động mạnh quanh -2 đến 0,8
➢ Qua kết quả mô phỏng được tổng hợp từ những đồ thị trên, ta có nhận xét rằng: Khi chạy ở điều kiện có tải đột ngột, Các bộ điều khiển hoạt động chưa tốt, còn nhiều mặt hạn chế về độ vọt lố cũng như đáp ứng về yêu cầu bám theo giá trị đặt
• Lấy giá trị mômen tải thực tế để làm thông số đầu vào
Ta sử dụng mômen tải tăng dần làm cơ sở đầu vào và tăng dần đến giá trị là 6, kiểm tra hiệu quả đáp ứng của bộ điều khiển bằng việc quan sát dòng điện iq đáp ứng khi tăng dần mômen Dùng khối “transfer” để thiết lập mô men tải tăng dần Trong phần mô phỏng này, ta mô phỏng mô men tải thực tế T_reality từ 0 đến 6 N.m trong thời gian 3s để khảo sát được dòng điện iq đáp ứng khi tăng mômen Kết quả được so sánh với giá trị được đo thực nghiệm trên xe mà nhóm chúng em đã khảo sát như sau:
Hình 4.16 Đồ thị đáp ứng dòng i q thực tế trên xe và mô phỏng
Theo đồ thị ta thấy, khi đặt mô men tải chạy từ 0 đến 6, giá trị dòng iq của hệ thống đáp ứng tăng lên đáp ứng theo tải Ta thấy giữa đặc tính mô phỏng và đặc tính trên thực nghiệm có một sự chênh lệch dòng điện khi cấp với mômen nhất định