Nhiệm vụ đề tài: − Nghiên cứu hệ thống lái trợ lực điện − Thiết kế hệ thống máy tính giao tiếp với mô hình hệ thống lái trợ lực điện 3.. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập -
HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN
Sơ lược về hệ thống
Hệ thống lái trợ lực điện (Electric Power Steering – EPS) là một công nghệ được sử dụng trong ô tô để cung cấp trợ lực cho hệ thống lái Thay vì dựa vào trợ lực từ động cơ xe như ở hệ thống lái trợ lực thủy lực thì động cơ điện được hệ thống EPS sử dụng để hỗ trợ người điều khiển khi đánh lái
Hệ thống lái trợ lực điện mang đến sự linh hoạt cho xe trong quá trình vận hành cũng như tạo cảm giác thoải mái và an toàn cho người điều khiển Hệ thống EPS bao gồm:
− Động cơ điện dẫn động
− Hệ thống lái cơ bản (cơ khí)
Hình 2.1 Hệ thống lái trợ lực điện Với việc kế thừa các tính năng từ các hệ thống lái truyền thống và kết hợp với các công nghệ tiên tiến hiện nay, hệ thống lái trợ lực điện đã giải quyết một số vấn đề từ trước như: tối ưu hóa lực trợ lực và cải thiện độ chính xác
Ưu, nhược điểm
Mọi hệ thống hay thiết bị đều sẽ có những ưu điểm và nhược điểm riêng, hệ thống lái trợ lực điện cũng vậy Tùy từng phiên bản, khả năng đồng bộ với xe mà hệ thống EPS cũng tồn tại những ưu điểm và nhược điểm Ưu điểm:
− Cấu tạo đơn giản và nhẹ: Hệ thống lái trợ lực điện có cấu tạo đơn giản và trọng lượng nhẹ, nhờ đó mà quá trình lắp đặt, kiểm tra và sửa chữa cũng dễ dàng
− Cảm giác lái: Hệ thống cung cấp mức độ trợ lực phù hợp ở từng trạng thái di chuyển, khi di chuyển ở tốc độ cao mang đến cho người lái cảm giác lái an toàn nhờ vào dòng điện mà ECU trợ lực lái đã tính toán và cung cấp cho motor trợ lực.
− Tiết kiệm năng lượng: Hệ thống sử dụng động cơ điện thay vì bằng dầu thủy lực như hệ thống lái trợ lực thủy lực truyền thống, giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng và tăng hiệu suất nhiên liệu
− Công nghệ hiện đại: Nhờ việc được tích hợp điện tử mà hệ thống được được kết nối hoàn toàn với hệ thống phanh và hệ thống treo thông qua mạng giao tiếp giữa các ECU Giúp gia tăng độ an toàn cho người điều khiển khi vận hành
− Mất cảm giác lái: Việc kiểm soát và đo lường bằng điện tử nên trong một số trường hợp motor trợ lực hoạt động vượt công suất khiến cho vô lăng trở lên vô cùng nhẹ, mất cảm giác lái
− Độ trễ của hệ thống: Khi xe cua gấp hay di chuyển ở tốc độ cao, bởi ảnh hưởng từ lực quán tính mà motor trợ lực vẫn hoạt động mặc dù đã ngắt hoàn toàn điện động cơ
− Chi phí sản xuất và bảo dưỡng cao: Chi phí để kiểm tra và bảo dưỡng hệ thống không đáng kể nhưng nếu hệ thống hư hỏng phần cứng thì có thể thay thế toàn bộ nên chi phí sẽ cao khi thay thế
Hệ thống lái trợ lực điện không chỉ giữ lại ưu điểm so với hệ thống lái trợ lực thủy lực mà yêu cầu thay đổi tỉ số truyền lái cũng được đáp ứng, điều này đặc biệt quan trọng đối với các xe hiện đại.Tỉ số truyền lái được thay đổi với khả năng linh hoạt không chỉ giúp nâng cao tính an toàn chuyển động của xe khi di chuyển ở tốc độ cao mà còn hỗ trợ người lái dễ dàng kiểm soát xe khi đi vào những đoạn đường hẹp và thực hiện các quay vòng với bán kính nhỏ.
Cấu tạo hệ thống lái trợ lực điện
Hệ thống hoạt động dựa trên tín hiệu của các cảm biến:
Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống lái trợ lực điện
− Cảm biến moment xoắn: Cảm biến phát hiện moment xoắn, tính toán tác động lên thanh xoắn nhờ sự thay đổi điện áp trên nó và gửi tín hiệu điện áp này đến ECU trợ lực lái
− Cảm biến góc lái (dạng Hall): Đo liên tục góc đánh lái của vô lăng và gửi tín hiệu đến ECU trợ lực lái
− Tín hiệu tốc độ xe: ECU nhận tín hiệu tốc độ xe từ ECU động cơ
Khi người lái tác động lên vô lăng để thay đổi hướng di chuyển, thước lái của hệ thống lái trợ lực điện phản ứng dưới tác động của mặt đường thông qua bánh xe Thước lái tác động lên thanh xoắn trong cụm trợ lực điện và cảm biến moment của hệ thống sẽ đo lường moment đánh lái, sau đó chuyển tín hiệu tới ECU trợ lực lái ECU sẽ sử dụng tín hiệu từ cảm
10 biến moment để điều khiển motor trợ lực, cung cấp dòng điện đủ lớn để hỗ trợ người lái xoay vô lăng đánh lái theo hướng mong muốn
Hệ thống lái trợ lực điện được cấu tạo từ những bộ phận sau: Vô lăng và trục lái, dẫn động lái, cơ cấu lái và trợ lực lái điện
− Vô lăng và trục lái: Khi người lái xoay vô lăng, lực quay vòng được truyền từ vô lăng đến trục răng của cơ cấu lái qua trục lái
− Cơ cấu lái: Chuyển động góc đòn quay đứng được chyển động quay của trục lái biến thành và lực điều khiển trên vô lăng được khuếch đại
− Dẫn động lái: Sau khi chuyển động quay được biến thành chuyển động góc bởi cơ cấu lái, chuyển động góc của đòn quay đứng được biến thành chuyển động góc của trục bánh xe dẫn hướng
− Trợ lực lái điện: Bao gồm các cảm biến, motor điện một chiều và ECU trợ lực lái Sức cản của hệ thống lái được giảm đi đáng kể nhờ việc motor cung cấp dòng điện trực tiếp đến hệ thống
Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái trợ lực điện
Cảm biến moment lái phát hiện sự xoay của thanh xoắn và thực hiện các tính toán liên quan đến moment tác động lên thanh xoắn bằng cách đo lường sự thay đổi trong điện áp áp dụng lên nó Sau đó, cảm biến chuyển đổi thông tin này thành tín hiệu điện áp tương ứng và truyền tín hiệu này đến ECU trợ lực lái
Cảm biến moment lái có 3 loại: Loại lõi thép trượt, loại lõi thép xoay, loại 4 vành dây
Cảm biến này được cấu thành từ một lõi thép lắp lỏng có thể trượt trên trục lái, có một rãnh chéo trên lõi tương tác với chốt trên trục lái Ở lõi thép, có ba cuộn dây quấn bên ngoài lõi, bao gồm một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp Cuộn sơ cấp được cung cấp nguồn điện xoay chiều với tần số cao Tùy thuộc vào vị trí của lõi thép mà một điện động cảm ứng trong hai cuộn dây thứ cấp được tạo ra là khác nhau Tín hiệu từ hai cuộn thứ cấp được điều chỉnh và chuyển về mạch so sánh để chuyển đổi thành điện áp tuyến tính, tỷ lệ với góc xoắn của thanh xoắn đặt giữa trục lái và cơ cấu lái
Ba trạng thái chốt, rãnh chéo, lõi thép sẽ tương ứng với những trường hợp quay vòng về bên phải, bên trái và ở khi vị trí trung gian
Hình 2.4 Sơ đồ đặc tính và các vị trí làm việc của cảm biến moment lái loại lõi thép trượt
1−Lái phải 5−Cuộn thứ cấp
2−Trung gian 6−Lõi thép trượt
3−Lái trái 7−Cuộn thứ cấp
Cấu tạo của cảm biến moment gồm: Trục sơ cấp, thanh xoắn, cuộn phát hiện, cuộn hiệu chỉnh, roto phát số 1, roto phát số 2, roto phát số 3 và trục thứ cấp
Hình 2.5 Cấu tạo của cảm biến moment loại lõi thép xoay
Trục vào kết nối với phần trên của trục lái, trong khi trục ra liên kết với phần tiếp theo của trục lái dẫn đến cơ cấu lái, và giữa trục vào và trục ra có một thanh xoắn tạo ra liên kết Trên trục vào được trang bị một roto phát số 1 với các rãnh để trùng khớp với các răng của roto phát số 2 Cũng có các răng và rãnh, roto phát số 3 được lắp trên trục ra Những cuộn dây bên ngoài các roto phát được phân chia thành các cuộn phát hiện và hiệu chỉnh
Sự tương quan giữa điện áp đầu ra với chiều của moment quay khi cảm biến moment hoạt động bình thường được thể hiện qua biểu đồ sau:
Hình 2.6 Biểu đồ sự tương quan giữa điện áp đầu ra với chiều của moment quay
− Trục tung: Giá trị điện áp cảm biến moment gửi cho ECU trợ lực lái (V)
− Trục hoành: Giá trị moment lái (N)
− 2.5V là giá trị điện áp khi không đánh lái (giá trị trung tâm)
− Khi đánh lái sang trái: giá trị moment càng lớn thì giá trị điện áp của cảm biến moment gửi cho ECU trợ lực lái càng nhỏ
− Khi đánh lái sang phải: giá trị moment càng lớn thì giá trị điện áp của cảm biến moment gửi cho ECU trợ lực lái càng lớn
− Khi đánh lái sang bên trái: giá trị moment càng lớn thì điện áp của cảm biến moment gửi cho ECU trợ lực lái cũng có giá trị càng lớn
− Khi đánh lái sang phải: giá trị moment càng lớn thì giá trị điện áp của cảm biến moment gửi cho ECU trợ lực lái càng nhỏ
− Phần stato có 2 vành dây và các dây được cuốn quanh các răng thép định hình
− Phần rôto cũng chứa 2 vành dây: trong khi một vành kết nối với trục răng thì vành còn lại được gắn với các đăng trục lái, giữa 2 vành dây này có khẳ năng xoay lệch nhau 1 góc bằng góc xoắn của thanh xoắn
Hình 2.7 Cấu tạo moment lái loại 4 vành dây
Một số hệ thống lái trợ lực điện còn tích hợp cảm biến góc lái, SAS (Steering Angle Sensor) hay cảm biến vị trí lái Trong số các cảm biến góc lái, cảm biến loại hiệu ứng Hall được ưa chuộng bởi cấu trúc đơn giản, dễ lắp đặt và còn cho tín hiệu dạng xung số Điều này làm cho nó trở thành sự lựa chọn phổ biến trên các xe hiện đại
Nguồn điện 12V một chiều là nguồn để cảm biến góc lái loại Hall hoạt động, cảm biến bao gồm một roto nam châm với nhiều cực được gắn với trục lái Một vi mạch IC Hall được đặt đối diện với vành nam châm với một khe hở nhỏ (khoảng 0,2 ÷ 0,4 mm) Khi lái xe, thống qua việc xoay trục lái vành nam châm quay tạo ra từ trường tác động lên IC Hall Một chuỗi xung vuông từ 0V đến 5V được tạo ra và dựa vào góc quay của trục lái mà số lượng
15 xung tăng theo ECU trợ lực lái sẽ nhận tín hiệu này và tiến hành phân tích để xác định góc quay của trục lái
Hình 2.8 Cảm biến góc lái loại hiệu ứng Hall Hoạt động của cảm biến góc lái loại Hall
Hình 2.9 Mặt cắt của cảm biến góc lái loại hiệu ứng Hall
− Cảm biến góc lái loại Hall dựa trên tần số để xác định tốc độ thay đổi cũng như dựa
16 trên số lượng xung để xác định góc
− 2 đĩa stato (vòng chắn từ) được xử lý bởi 2 IC Hall
− 2 đĩa stato có những cạnh khuyết không đều nhau, để tạo ra 2 xung tín hiệu khi quay trục lái mà 2 đĩa được gắn lệch nhau 1 góc cố định (có 1 vị trí mà 2 cạnh khuyết sẽ trùng nhau)
Hình 2.10 Hoạt động của xung tín hiệu trong cảm biến góc lái loại Hall
− Khi nhận được 2 cạnh xuống của hai xung trùng nhau, ECU trợ lực lái xác định điểm trung gian
− Nếu cạnh lên của xung 1 xuất hiện trước, ECU trợ lực lái nhận biết rằng lái xe đang quay về bên trái
− Nếu cạnh lên của xung 2 xuất hiện trước, ECU trợ lực lái nhận diện rằng lái xe đang quay về bên phải Ở một số dòng xe hiện đại cảm biến mô men và cảm biến góc lái còn được tích hợp với nhau Việc tích hợp mang lại những ưu điểm:
− Tiết kiệm được không gian vì không cần thêm cảm biến góc lái trên trục lái
− Cải thiện phạm vi xử lý dữ liệu của cảm biến moment
− Tăng khả năng chịu nhiệt của cảm biến (−40℃ đến +130℃)
Hình 2.11 Cảm biến moment và cảm biến góc lái được tích hợp
2.3.3 Cảm biến tốc độ xe
Nguyên lý hoạt động
Nhiệm vụ chính nằm ở ECU trợ lực lái với định mức dòng điện tín hiệu Sau khi nhận tín hiệu từ các cảm biến, ECU sẽ tính toán lực trợ lực cần thiết và gửi giá trị điện áp phù hợp
25 cho motor điện Tùy thuộc vào giá trị moment xoắn đo được và tốc độ di chuyển hiện thời của xe mà ECU sẽ phát ra dòng điện áp phù hợp cấp tới motor điện
Dựa vào giá trị điện áp từ ECU truyền đến, motor điện tạo ra lực trợ lực tương ứng tác động lên cơ cấu lái điều khiển các bánh xe dẫn hướng dẫn động lái
Khi xe chuyển động với tốc độ thấp, điện áp motor sẽ lớn hơn do lực của người lái để thay đổi hướng chuyển động của xe là lớn Thông qua cảm biến moment gắn trên trục lái để nhận biết điều đó, ECU đã gửi tín hiệu tới motor điện trợ lực cho nó hoạt động mạnh hơn giúp người lái giảm lực đánh lái
Khi xe chạy với tốc độ cao, điện áp motor nhỏ hơn nên trợ lực ít hơn để cho người lái không mất cảm giác lái Nếu có sự thay đổi đột ngột trong lúc lái như lách để tránh xe khác hay cua ở tốc độ cao thì hệ thống hoạt động nhanh để hỗ trợ cho người lái xử lý tình huống một cách dễ dàng
Ngoài ra, modul điều khiển còn có nhiệm vụ dự tính, đo lường lượng nhiệt phát ra dựa trên cường độ dòng điện trong mô tơ Nếu nhiệt độ của motor và modul điều khiển tăng cao, hệ thống sẽ truyền tín hiệu giảm bớt dòng điện để tránh tình trạng quá nhiệt gây ra các thiệt hại không đáng có
Hình 2.19 Biểu đồ sự tương quan giữa tốc độ xe, tín hiệu cảm biến moment và điện áp đầu ra của motor
Phân loại hệ thống lái trợ lực điện
Cùng với sự nghiên cứu, phát triển liên tục qua các năm, hệ thống lái trợ lực điện EPS ngày càng được nâng cấp, cải tiến để thích nghi với nhiều dòng sản phẩm, nhiều điều kiện vận hành khách nhau Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, tính năng được tích hợp mà hệ thống EPS được chia thành 5 loại khác nhau:
− Hệ thống lái EPSc (Colum EPS): được trang bị trên các phương tiện hạng trung Hệ thống này được phát triển trên nền vật liệu cấu tạo mới giúp giảm tác động nhiệt từ động cơ, tăng tỉ số truyền moment xoắn
Hình 2.20 Trợ lực cột lái - Colum
− Hệ thống lái EPSp (Single Pinion EPS): được cải tiến, nâng cấptrên nền hệ thống EPSc với tỉ số truyền moment lớn hơn, khả năng chịu nhiệt tốt hơn, vận hành êm ái hơn
Hình 2.21 Trợ lực lái thanh răng đơn – Single-Pinion EPS
− Hệ thống lái EPSdp (Dual Pinion EPS): là bước nâng cấp mạnh mẽ với thiết kế bộ trợ lực ở bánh răng thứ 2 trên thanh răng cho phép tỉ số truyền bánh răng dẫn động chính hoạt động độc lập với tỉ số lái nên công suất của EPSdp cao hơn so với 2 phiên bản EPSc và EPSp
Hình 2.22 Trợ lực lái thanh răng kép – Dual-Pinion EPS
− Hệ thống lái EPSapa (Parallel Axis EPS): trang bị trên các dòng phương tiện cỡ lớn, cao cấp Với công suất cao, khả năng khử rung tốt cùng hệ thống trục bánh răng truyền động song song giúp EPSapa hoạt động chính xác và êm ái
Hình 2.23 Trợ lực lái điện trục song song – Parallel Axis EPS
− Hệ thống lái EPSrc: được thiết kế giúp tối ưu kích thước trong khi vẫn đảm bảo công suất lớn, EPSrc trang bị trên các dòng xe thể thao yêu cầu khả năng làm việc mạnh mẽ với thiết kế nhỏ gọn
Ứng dụng của hệ thống lái trợ lực điện
Các công nghệ an toàn trên ô tô ngày càng phát triển nhằm mang đến cho người lái sự an toàn tối đa Hệ thống lái trợ lực điện đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ các công nghệ an toàn trên ô tô hoạt động một cách hoàn hảo nhất Một số công nghệ tiêu biểu mà trong đó hệ thống lái trợ lực lái điện đóng vai trò quan trọng:
2.6.1 Hỗ trợ và cải thiện duy trì làn đường
Hệ thống lái trợ lực điện được sử dụng để hỗ trợ và cải thiện quá trình duy trì làn đường khi lái xe.Hai hệ thống tiêu biểu trong việc hỗ trợ người lái duy trì làn đường là hệ thống hỗ trợ duy trì làn đường (LKAS) hoặc hỗ trợ duy trì làn đường và giữ khoảng cách (LKDA)
Hình 2.25 Camera nhận dạng và xác định làn đường mà xe đang di chuyển
Hệ thống hỗ trợ duy trì làn đường LKAS là một bước phát triển nhảy vọt với việc sử dụng hệ thống đánh lái trợ lực điện để kiểm soát và giữ cho xe đi đúng làn đường hiện tại Để tăng mức độ an toàn, hệ thống sẽ kết hợp với công nghệ giám sát hành trình thích ứng hoặc giám sát hành trình sử dụng radar Giống với LDWS, LKA sẽ được tạm ngắt trong trường hợp người lái bật đèn báo chuyển hướng hoặc vượt một xe khác
Hình 2.26 Hệ thống phát tín hiệu xe đang di chuyển lệch làn đường
Hệ thống lái trợ lực điện hỗ trợ duy trì làn đường hoạt động dựa trên các cảm biến và điều khiển tự động Các cảm biến được lắp đặt trên xe để nhận biết vị trí của xe trong làn đường Thông qua việc phân tích dữ liệu từ các cảm biến, hệ thống lái trợ lực điện nhận biết khi xe bắt đầu di chuyển lệch làn đường hoặc đang đi sai hướng
Trong trường hợp vạch kẻ phân chia làn đường không có hoặc không rõ ràng thì hoạt động của hệ thống bị hạn chế do hệ thống hoạt động dựa vào camera để nhận biết các vạch kẻ phân làn đường Khi hệ thống hỗ trợ cảnh báo lệch làn phát tín hiệu mà không nhận được tín hiệu từ người lái thì LKA sẽ tiến hành can thiệp
Khi phát hiện xe rời khỏi làn đường đang đi hoặc đi sai hướng hệ thống sẽ can thiệp và duy trì xe trong làn đường an toàn LKAS sẽ gửi tín hiệu đến hệ thống lái trợ lực điện để thay đổi lực lái và điều chỉnh hướng lái, nhằm đưa xe trở lại trong làn đường
Hệ thống sử dụng camera nhận diện và theo dõi đường đi hiện tại để tính toán làn đường ảo mà phương tiện có thể an toàn di chuyển trên làn đường ảo đó Nếu lệch khỏi làn đường ảo, hệ thống lái điện sẽ sử dụng moment xoắn tối đa 3Nm để chống chuyển động lệch của xe
Hình 2.27 Xe đang di chuyển giữ làn đường
Hệ thống lái trợ lực điện thực hiện việc điều chỉnh tay lái trong khoảng thời gian có thể lên đến 100s Trong quá trình lái xe, nếu người lái có sự can thiệp bằng cách điều khiển tay
32 lái, hệ thống sẽ ghi đè lên quá trình này Trong trường hợp moment lái không đủ để duy trì xe đi trong làn đường, động cơ trợ lực điện cơ sẽ tạo ra rung động tay lái như một cảnh báo vô lăng để thông báo cho người lái
Hình 2.28 Xe đang bị lệch so với truyền động thẳng
2.6.2 Hỗ trợ đỗ xe tự động
Hệ thống lái trợ lực điện cũng đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ tính năng này Các hệ thống này thường được gọi là hệ thống hỗ trợ đỗ xe tự động (APAS) hoặc hệ thống hỗ trợ đỗ xe tự động và giữ khoảng cách (APDA)
Hệ thống hỗ trợ đỗ xe tự động hoạt động được nhờ các cảm biến và công nghệ điều khiển tự động Các cảm biến theo dõi môi trường xung quanh xe, bao gồm khoảng cách với các vật cản và vị trí của các chỗ đỗ xe sau đó gửi tín hiệu về bộ xử lí trung tâm kết hợp với hệ thống lái trợ lực điện để đưa xe vào nơi đỗ an toàn và chính xác
Với sự phát triển của công nghệ, camera lùi được nâng cấp thành 4 camera 360° ở 2 bên gương chiếu hậu, phía trước và phía sau xe
Hình 2.29 Các cảm biến sóng siêu âm đang tìm chỗ đỗ an toàn
Sự nâng cấp này sẽ mang lại cái nhìn bao quát toàn thân xe với chất lượng hình ảnh cao hơn cho người lái xe Bên cạnh đó, cảm biến va chạm cũng được nâng cấp thành trước và sau xe, phát hiện và cảnh báo vật cản ở phía trước và cả phía sau xe
Hệ thống lái trợ lực điện đóng vai trò quan trọng giúp xe đỗ vào vị trí an toàn Trong quá trình đỗ xe tự động, hệ thống lái trợ lực điện sẽ thực hiện các manevơ (chuyển hướng, di chuyển) để đưa xe vào vị trí an toàn và chính xác nhất
Khi các cảm biến xung quanh thân xe tìm được vị trí đỗ xe thích hợp, bộ xử lí trung tâm xe sẽ chủ động điều chỉnh lực đánh lái, góc đánh lái để giúp xe có thể đỗ vào vị trí an toàn Trong quá trình đỗ xe, hệ thống cũng có thể sử dụng cảm biến và hướng dẫn âm thanh hoặc hình ảnh để hỗ trợ cho người lái
Hình 2.30 Cảm biến siêu âm phát hiện chỗ đỗ an toàn và tiến hành đưa xe vào nơi đỗ
Hệ thống hỗ trợ đỗ xe tự động hỗ trợ người lái trong việc đỗ xe nên người lái không cần phải thao tác phức tạp mà chỉ cần quan sát quá trình đỗ xe và kiểm soát tốc độ Bên cạnh đó hệ thống giúp người lái giảm thiểu nguy cơ va chạm và đỗ xe ở nơi có không gian hẹp trở nên dễ dàng và an toàn hơn
2.6.3 Hỗ trợ lái tự động
HỆ THỐNG MÁY TÍNH GIAO TIẾP VỚI MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN
Mục đích
Mô hình giảng dạy có vai trò quan trọng trong việc đào tạo và giảng dạy Việc giao tiếp giữa máy tính và mô hình giúp giảng viên truyền đạt kiến thức cho sinh viên một cách thuận tiện và hiệu quả hơn Trong lĩnh vực giảng dạy, so với môi trường sản xuất công nghiệp, việc kết nối giữa máy tính và các thiết bị máy móc vẫn chưa được phổ biến Để giải quyết vấn đề này, đề tài nghiên cứu có tựa đề "Nghiên cứu mô hình hệ thống lái trợ lực điện và kết nối với máy tính phục vụ quá trình giảng dạy" đã được chọn làm dự án nghiên cứu của nhóm Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu và thiết kế được modul kết nối giữa máy tính và mô hình hệ thống lái trợ lực điện, hiển thị được các thông số hoạt động của mô hình trên giao diện LabVIEW Điều này giúp giảng viên truyền đạt thông tin, kiến thức một cách dễ dàng và hiệu quả đồng thời cung cấp cho sinh viên một phương tiện nghiên cứu hữu ích trong quá trình học tập.
Mô hình hệ thống lái trợ lực điện
Mô hình hệ thống được thiết kế bởi các bộ phận chính như sau:
− Cơ cấu dẫn động và trục lái trợ lực điện: các bộ phận được lắp đặt trên khung thép hình lập phương, thể hiện rõ kết cấu cơ bản bên ngoài của các cụm chi tiết cũng như nguyên lý vận hành từng bộ phận
− Bộ phận điều khiển hệ thống: gồm ECU EPS, các cực của ECU, các mạch điều khiển, và các công tắc điều khiển
− Bộ tạo moment cản mặt đường tạo ra moment của mặt đường tác dụng lên các bánh xe dẫn hướng để chống lại khả năng quay vòng của ô tô
Hình 3.1 Kết cấu mô hình
Các mạch điều khiển, các cực của ECU, công tắc điều khiển được thiết kế dạng bảng để thuận tiện cho việc kiểm tra, chẩn đoán hệ thống cũng như hiển thị các thông số như điện áp và tốc độ
Hình 3.2 Bảng điều khiển của mô hình
Trục lái trợ lực điện bao gồm vô lăng, trục lái, cảm biến moment và motor điện
Cơ cấu dẫn động bao gồm bộ thước lái và các đòn dẫn động
Mô hình sử dụng cơ cấu cơ khí để tạo moment cản mặt đường tác dụng lên bánh xe dẫn hướng, đây là việc quan trọng đối với mô hình hệ thống lái trợ lực điện Moment cản mặt đường là lực tác động lên bánh xe dẫn hướng của hệ thống EPS do tình hình mặt đường và lực ma sát tạo ra, nó là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hệ thống EPS Có thể nói hệ thống EPS cung cấp lực trợ lực biến thiên tùy thuộc vào moment cản mặt đường nên việc tạo moment cản mặt đường là rất quan trọng
Khi muốn thay đổi moment cản mặt đường, ta vặn bu lông trên thanh cứng: Nếu muốn tăng moment cản ta vặn bu lông theo chiều kim đồng hồ, ngược lại ta vặn bu lông ngược chiều kim đồng hồ để giảm moment cản Moment cản càng tăng bánh xe của mô hình càng khó xoay quanh trục
Hình 3.3 Cơ cấu tạo moment cản mặt đường cho mô bình hệ thống bằng cơ khí
Thiết kế hệ thống máy tính giao tiếp với mô hình
3.3.1 Sơ đồ hệ thống máy tính giao tiếp với mô hình
Hình 3.4 Sơ đồ khối mô hình hệ thống lái trợ lực điện giao tiếp máy tính
3.3.2 Modul giao tiếp Để thiết kế modul giao tiếp ta sử dụng:
− Vi điều khiển ESP32 làm mạch xử lí trung tâm cho phép giao tiếp không dây giữa máy tính với mô hình
− IC LM7805 để ổn định điện áp đầu vào (chuyển đổi điện áp acquy đưa vào vi điều khiển)
Vi điều khiển ESP32 được tích hợp trên một bo mạch nhỏ và tiện lợi Vi điều khiển này sử dụng trong các ứng dụng IoT và các dự án nhúng
Vi điều khiển ESP32 thường được hỗ trợ bởi các môi trường phát triển như Arduino IDE, PlatformIO và ESP–IDF Điều này giúp người dùng dễ dàng lập trình và triển khai ứng dụng trên module này
Vi điều khiển ESP32 có kích thước nhỏ gọn và có thể được gắn trực tiếp lên bo mạch hoặc mạch in, một số tính năng nổi bật của modul:
− Kết nối Wi-Fi và Bluetooth tích hợp: Vi điều khiển ESP32 được tích hợp sẵn khả năng kết nối Wi-Fi 802.11 b/g/n và Bluetooth 4.2/LE Điều này cho phép module kết nối và giao tiếp với các mạng không dây và các thiết bị khác một cách dễ dàng
− Hiệu suất cao: ESP32 có bộ xử lý hai nhân Tensilica LX6 với tốc độ xung nhịp lên đến 240 MHz, đem lại hiệu suất xử lý mạnh mẽ cho các ứng dụng IoT
− Đa giao diện ngoại vi: Module ESP32 cung cấp nhiều giao diện ngoại vi như UART, SPI, I2C, GPIO và ADC Điều này cho phép kết nối và tương tác với các thiết bị ngoại vi như cảm biến, màn hình, bộ nhớ và nhiều hơn nữa
− Hỗ trợ nhiều môi trường phát triển: ESP32 được hỗ trợ bởi các môi trường phát triển phổ biến như Arduino IDE, PlatformIO và ESP-IDF Điều này giúp người dùng lập trình dễ dàng trên modul
− Tiết kiệm năng lượng: ESP32 có khả năng tiết kiệm năng lượng thông qua các chế độ ngủ và quản lý năng lượng linh hoạt Điều này làm cho module phù hợp cho các ứng dụng di động hoặc yêu cầu tiết kiệm năng lượng
− Tích hợp bộ nhớ: Vi điều khiển ESP32 tích hợp bộ nhớ flash và RAM, cung cấp không gian lưu trữ và bộ nhớ để dữ liệu
− Độ phổ biến và cộng đồng hỗ trợ: ESP32 là một trong những module phổ biến nhất cho IoT và nhúng Do đó, nó có một cộng đồng lớn, cung cấp tài liệu, ví dụ và hỗ trợ sẵn sàng
Vi điều khiển ESP32 hoạt động với điện áp cung cấp ở mức 3.3V, nếu sử dụng nguồn cấp không ổn định hoặc điện áp vượt quá 3.3V, có thể gây hỏng vi điều khiển ESP32 hoặc các linh kiện khác
Ngoài ra, khi sử dụng các chân GPIO trên vi điều khiển ESP32, cần tuân thủ điện áp logic 3.3V.Do đó khi kết nối các linh kiện ngoại vi hoặc tín hiệu từ các thiết bị khác với ESP32, cần đảm bảo rằng các tín hiệu đó cũng hoạt động ở mức điện áp 3.3V và không được vượt quá mức này để tránh gây hỏng module
Tóm lại, vi điều khiển ESP32 là một phiên bản nhỏ gọn của vi điều khiển ESP32, cung cấp khả năng kết nối Wi-Fi và Bluetooth tích hợp, đa giao diện ngoại vi, hiệu suất cao và được hỗ trợ bởi các môi trường phát triển phổ biến Nó là sự lựa chọn tin cậy cho các dự án IoT và nhúng
Hình 3.5 Vi điều khiển ESP32
IC LM7805 (còn được gọi là LM7805 Voltage Regulator) là một linh kiện ổn áp tuyến tính rất phổ biến trong các ứng dụng điện tử, nó điều chỉnh điện áp đầu ra bằng cách điều chỉnh lưu lượng dòng điện đi qua nó Khi điện áp đầu vào tăng hoặc giảm, LM7805 điều chỉnh lưu lượng dòng điện để duy trì một điện áp ổn định ở mức 5V
Dưới đây là một số thông số kỹ thuật quan trọng của LM7805:
− Điện áp đầu vào: LM7805 có thể chấp nhận một nguồn điện đầu vào không ổn định từ khoảng 7V đến 35V Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu suất và ổn định tốt nhất, nguồn điện đầu vào nên vượt quá mức điện áp đầu ra mong muốn ít nhất khoảng 2V
− Điện áp đầu ra: LM7805 tạo ra một điện áp đầu ra ổn định là 5V Điện áp này được duy trì một cách ổn định trong phạm vi dòng điện đầu ra đáng tin cậy của IC
HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG MÁY TÍNH GIAO TIẾP VỚI MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN
Vận hành hệ thống
4.1.1 Chuẩn bị và kiểm tra
− Mô hình được kết nối với máy tính
− Mô hình đặt ở vị trí thích hợp, được cố định tránh rung lắc trong quá trình vận hành
Hệ thống sử dụng 2 nguồn điện riêng biệt là mạng điện AC−220V và mạng điện 12V từ acquy
− Nguồn DC−12V cung cấp cho mô hình hệ thống lái trợ lực điện
− Nguồn AC−220V cung cấp cho máy tính để giao tiếp với mô hình
Kiểm tra hệ thống trước khi vận hành
− Điện áp acquy phải lớn hơn 11V
− Điện áp AC−220V phải ổn định
− Mô hình phải được cố định vững chắc
4.1.2 Vận hành mô hình khi không kết nối với máy tính Để vận hành mô hình đúng theo yêu cầu kĩ thuật và an toàn cho mô hình cũng như người sử dụng ta thực hiện:
− Cấp nguồn DC−12V cho mô hình từ acquy
− Bật công tắc máy sang vị trí ON, chờ hộp ECU trợ lực lái test khoảng 10s
Khi mô hình sẵn sàng làm việc, ta thực hiện các thao tác kiểm tra và đặt các chế độ làm việc trên mô hình như:
− Đánh vô lăng sang trái, sang phải để kiểm tra điện áp của cảm biễn moment và motor trợ lực
− Điều chỉnh thanh răng của cơ cấu tạo moment cản mặt đường để nhận thấy khả năng trợ lực của motor trợ lực ở những trường hợp khác nhau tùy theo ý muốn của người vận hành
4.1.3 Vận hành mô hình khi kết nối với máy tính Để vận hành mô hình đúng theo yêu cầu kĩ thuật và an toàn cho mô hình cũng như người sử dụng ta thực hiện:
− Kết nối máy tính với mô hình
− Cấp nguồn DC−12V cho mô hình từ acquy
− Cấp nguồn AC−220V cho máy tính
− Khởi động máy tính và phần mềm hiển thị LabVIEW
− Bật công tắc máy sang vị trí ON, chờ hộp ECU trợ lực lái test khoảng 10s
Khi mô hình đã sẵn sàng làm việc, ta thực hiện các thao tác kiểm tra như ở trường hợp vận hành mô hình khi không kết nối máy tính Nhưng ở trường hợp này ta có giao diện mô phỏng trên máy tính và ta có thể điều chỉnh tốc độ giả lập của xe trên giao diện máy tính
Hình 4.1 Vận hành hệ thống máy tính giao tiếp với mô hình
Phân tích kết quả thu được
Sau khi vận hành mô hình, thông qua phần mềm LabVIEW trên máy tính ta thu được kết quả hiển thị sau:
4.2.1 Trường hợp moment cản lớn
Trong trường hợp này, ta tạo cho mô hình hệ thống trợ lực lái điện một tải lớn bằng việc điều chỉnh cơ cấu tạo tải cơ khí có trên mô hình Khi đánh lái trong trường hợp tải lớn sẽ tạo ra một moment cản lớn Trường hợp này giống với lúc xe đang quay đầu hay đỗ xe ngoài thực tế, lúc này xe đang di chuyển chậm giống với tốc độ mà ta giả lập trên mô hình
Hình 4.2 Vô lăng ở trạng thái trung gian
− Vô lăng ở vị trí trung gian, không có lực tác động vào vô lăng nên cảm biến momet cản lái nhận biết không có sự thay đổi moment nên không có tín hiệu gửi về ECU trợ lực, điện áp của motor bằng 0 do không có điện áp đi vào motor trợ lực lái Giá trị cảm biến moment khi vô lăng ở vị trí trung gian nằm trong khoảng 2.42V – 2.29V
− Đồ thị thể hiện điện áp của motor trợ lực lái và điện áp cảm biến moment chưa chưa
56 có sự dao động điện áp bởi vì chưa tác động lực vào vô lăng
Hình 4.3 Vô lăng ở trạng thái đánh sang trái
− Khi đánh lái sang trái, cảm biến moment phát hiện được lực tác động lên vô lăng chuyển thành tín hiệu điện áp gửi về ECU trợ lực lái ECU nhận tín hiệu từ cảm biến nhận biết mức độ đánh lái sau đó gửi một điện áp phù hợp cung cấp cho motor trợ lực lái Trong trường hợp này điện áp mà motor nhận được là 5.03V Giá trị điện áp cảm biến mment khi đánh lái sang trái nằm trong khoảng 2.11V – 2.12V
− Đồ thị bên phải cho ta thấy được sự thay đổi điện áp trong lúc đánh lái, mức điện áp cao nhất mà motor nhận được nhìn thấy trên đồ thị là 5V Đường màu trắng là sự thay đổi điện áp cảm biến moment trong khi đánh lái
Hình 4.4 Vô lăng ở trạng thái đánh sang phải
− Khi đánh lái sang phải, cảm biến moment phát hiện lực tác động lên vô lăng chuyển thành tín hiệu điện áp gửi về ECU trợ lực lái xử lí và gửi một điện áp phù hợp đến motor trợ lực lái Điện áp motor trợ lực lái nhận được trong trường hợp này là 4.91V Giá trị điện áp cảm biến moment khi đánh lái sang phải nằm trong khoảng 2.87V – 2.95V
− Đồ thị bên cạnh thể hiện được sự thay đổi của điện áp motor và cảm biến moment khi tác động lực vào vô lăng Đường màu đỏ thể hiện điện áp của motor trợ lực lái khi đánh lái Đường màu trắng thể hiện sự thay đổi của điện áp cảm biến moment khi đánh lái
4.2.2 Trường hợp moment cản nhỏ
Trong trường hợp này, ta tạo cho mô hình hệ thống lái trợ lực điện một tải nhỏ thấp hơn mức tải mà ta đã tạo ở trường hợp trên Khi đánh lái trong trường hợp này sẽ tạo ra một moment cản nhỏ hơn khi ở mức tải cao Trường hợp này giống lúc xe di chuyển tốc độ cao trên đường thằng ngoài thực tế tương đương với mức tốc độ mà ta giả lập trên mô hình
Hình 4.5 Vô lăng ở trạng thái trung gian
Khi vô lăng ở trạng thái trung gian, không có sự thay đổi moment nên sẽ không có tín hiệu gửi về ECU trợ lực lái, điện áp motor bằng 0 do không có tín hiệu điện áp cảm biến moment gửi về Giá trị điện áp cảm biến moment khi vô lăng ở vị trí trung gian nằm trong khoảng 2.42V − 2.49V
Hình 4.6 Vô lăng ở trạng thái đánh sang trái
− Khi đánh lái sang trái, cảm biến moment phát hiện được lực tác động lên vô lăng gửi tín hiệu này về ECU trợ lực lái xử lí và gửi điện áp phù hợp đến motor trợ lực lái để trợ lực phù hợp Điện áp mà motor trợ lực nhận được ở trường hợp này là 3.8V Giá trị cảm biến moment khi đánh lái sang trái nằm trong khoảng 2V − 2.06V
− Đồ thị bên cạnh thể hiện sự thay đổi điện áp motor trợ lực lái và cảm biến moment khi đánh lái Đường màu đỏ thể hiện sự thay đổi điện áp đưa vào motor trợ lực khi đánh lái, mức điện áp cao nhất ta thấy được trên đồ thị là 3.84V Đường màu trắng thể hiện sự thay đổi điện áp của cảm biến moment khi đánh lái
Hình 4.7 Vô lăng ở trạng thái đánh sang phải
− Khi đánh lái sang phải, cảm biến moment phát hiện có sự thay đổi lực tác động, gửi tín hiệu này về ECU trợ lực lái xử lý để đưa một điện áp phù hợp đến motor trợ lực lái để trợ lực phù hợp Trường hợp này điện áp motor trợ lực lái nhận được là 3.3V giá trị điện áp cảm biến moment khi đánh lái sang phải nằm trong khoảng 2.95V – 3.02V
− Đồ thị bên cạnh thể hiện sự dao động điện áp của motor trợ lực lái và cảm biến moment khi đánh lái Đường màu đỏ thể hiện sự dao động điện áp của motor trợ lực lái khi đánh lái Đường màu trắng thể hiện sự dao động điện áp của cảm biến moment khi có tác động vào tay lái
Sau khi thu thập được thông số của mô hình hệ thống lái trợ lực điện kết vối với máy tính, ta thấy có sự thay đổi thông số ở 2 trường hợp trên cụ thể là sự thay đổi giá trị cảm biến moment gửi về ECU và mức điện áp mà motor trợ lực lái nhận được khi đánh lái Ở mức tải lớn, khi đánh lái sinh ra moment cản lớn, giá trị điện áp gửi về ECU trợ lực lái cao và điện áp gửi vào motor trợ lực lái lớn hơn khi ở mức tải nhỏ Ngược lại ở mức tải nhỏ thì sinh ra ít moment cản hơn điện áp gửi về ECU trợ lực lái và điện áp gửi về motor trọ lực cũng thấp hơn khi ở mức tải lớn
Sự thay đổi điện áp gửi đến motor trợ lực cũng phụ thuộc vào mức độ đánh lái nhiều hay ít, nhanh hay chậm Khi đánh lái đột ngột, điện áp cung cấp cho motor trợ lực tăng lên để hỗ trợ cho việc đánh lái trở nên dễ dàng hơn linh hoạt hơn.
Ứng dụng hệ thống
Hệ thống lái trợ lực điện là một phần quan trọng trong công nghệ ô tô hiện đại Thiết kế mô hình hệ thống lái trợ lực điện có giao tiếp máy tính phục vụ giảng dạy giúp quá trình giảng dạy và học tập được cải thiện hiệu quả Nó không chỉ là một công cụ hữu ích giúp giảng viên truyền đạt kiến thức một cách rõ ràng và sinh động mà còn cung cấp khả năng đánh giá hiệu quả của quá trình giảng dạy và tương tác với sinh viên Điều này giúp nâng cao chất lượng cả trong quá trình giảng dạy và học tập.
Bài giảng với mô hình hệ thống lái trợ lực điện có giao tiếp máy tính
4.4.1 Mô hình hệ thống lái trợ lực điện chưa giao tiếp máy tính
Mô hình hệ thống lái trợ lực điện khi chưa giao tiếp máy tính cung cấp một số dữ liệu có thể dùng đồng hồ VOM để đo kiểm như qua việc tạo lỗi ở tín hiệu moment trợ lực lái
Hình 4.8 Tạo lỗi mô hình
− TRQV: Nguồn dương cảm biến
− TRQ1: Tín hiệu thứ nhất cảm biến
− TRQ2: Tín hiệu thứ hai cảm biến
Tín hiệu TRQ1 và TRQ2:
− Khi tạo lỗi tín hiệu TRQ1 và TRQ2 (công tắc ở vị trí OFF), như việc đứt dây trong thực tế, lúc này tín hiệu TRQ1 và TRQ2 cũng như các tín hiệu còn lại hoàn toàn không hoạt động, tính năng trợ lực của mô hình bị mất đi
− Giá trị điện áp khi đo TRQ1 và TRQ2 với TRQG đều hiển thị 0V, còn giữa TRQV và TRQG thì giá trị điện áp là 8V
− Khi tạo lỗi tín hiệu TRQV (công tắt ở vị trí OFF), như việc đứt dây trong thực tế, mô hình mất tính năng trợ lực
− Giá trị điện áp khi đo lần lượt TRQ1, TRQ2 và TRQV với dây TRQG đều hiển thị 0V
− Khi tạo lỗi tín hiệu TRQV (công tắt ở vị trí OFF), như việc đứt dây trong thực tế, mô hình mất tính năng trợ lực
− Giá trị điện áp khi đo lần lượt TRQ1, TRQ2 và TRQV với dây TRQG đều hiển thị 0V, còn giữa TRQV và cực âm acquy thì giá trị điện áp là 8V
4.4.2 Mô hình hệ thống lái trợ lực điện có giao tiếp máy tính
Tiến hành cấp nguồn DC 12V từ acquy cho mô hình Sau khi cấp nguồn, đánh lái sang trái, sang phải để thử xem mô hình đã hoạt động ổn định chưa nếu đã hoạt động bình thường thì tiến hành kết nối mô hình với máy tính thông qua modul giao tiếp đã thiết kế Việc kết nối và truyền dữ liệu được thực hiện thông qua kết nối Bluetooth
Thu thập và phân tích số liệu
Sau khi vận hành mô hình và kết nối với máy tính, cho mô hình hoạt động ở các trạng thái làm việc khác nhau để thấy được sự thay đổi các thông số của mô hình
Hình 4.9 Giao diện hiển thị kết quả Các thông số trong qua trình làm việc của mô hình sẽ được hiển thị trên giao diện LabVIEW Trên giao diện này sẽ hiển thị được giá trị điện áp của cảm biến moment và điện áp của motor trợ lực đồng thời cho thấy sự thay đổi của các giá trị điện áp trên đồ hồ và trên đồ thị
Giá trị điện áp của cảm biến moment khi mô hình đang hoạt động với mức tải thấp:
− Tín hiệu TRQ1: Khi không đánh lái tín hiệu có giá trị từ 2.4V – 2.5V Khi đánh lái sang trái tín hiệu có giá trị từ 2V – 2.1V và đánh lái hết sang trái là 1.1V – 1.2V Khi đánh lái hết sang phải tín hiệu có giá trị từ 2.9V – 3V và đánh lái hết sang bên phải là 3.7V – 3.8V
− Tín hiệu TRQ2: Khi không đánh lái tín hiệu có giá trị từ 2.4V – 2.5V Khi đánh lái sang trái tín hiệu có giá trị từ 2V – 2.1V và đánh lái hết sang trái là 1.1V – 1.2V Khi đánh lái hết sang phải tín hiệu có giá trị từ 2.9V – 3V và đánh lái hết sang bên phải là 3.7V – 3.8V
Giá trị điện áp của cảm biến moment khi mô hình đang hoạt động với mức tải cao:
− Tín hiệu TRQ1: Khi không đánh lái tín hiệu có giá trị từ 2.4V – 2.5V Khi đánh lái sang trái tín hiệu có giá trị từ 1.9V – 2V và đánh lái hết sang trái là 1.1V – 1.2V Khi đánh lái hết sang phải tín hiệu có giá trị từ 2.8V – 2.9V và đánh lái hết sang bên phải là 3.7V – 3.8V
− Tín hiệu TRQ2: Khi không đánh lái tín hiệu có giá trị từ 2.4V – 2.5V Khi đánh lái sang trái tín hiệu có giá trị từ 1.9V – 2V và đánh lái hết sang trái là 1.1V – 1.2V Khi đánh lái hết sang phải tín hiệu có giá trị từ 2.8V – 2.9V và đánh lái hết sang bên phải là 3.7V – 3.8V
Giá trị điện áp mà ECU trợ lực lái cung cấp cho motor phụ thuộc vào giá trị của cảm biến moment Khi giá trị của moment cản gửi về ECU thấp hoặc cao, ECU sẽ tính toán và gửi một điện áp phù hợp đến motor để trợ lực sao cho phù hợp với giá trị mà cảm biến moment gửi đến Sự thay đổi điện áp đưa vào motor cũng phụ thuộc vào cách đánh lái hoặc địa hình mà xe di chuyển
4.4.3 Các bài tập trên mô hình
Bài tập 1: Tìm hiểu cấu tạo hệ thống lái trợ lực điện trên mô hình và hệ thống giao tiếp với máy tính
Dựa vào mô hình, sinh viên trình chỉ ra được các bộ phận của hệ thống lái trợ lực điện, nêu được nguyên lí hoạt động của hệ thống Bên cạnh đó hiểu được cách kết nối mô hình với máy tính thông qua modul gia tiếp
Bài tập 2: Kết nối và hiển thị các thông số trong quá trình làm việc của hệ thống trên giao diện LabVIEW
Yêu cầu sinh viên hiểu rõ hệ thống giao tiếp và phương thức kết nối mô hình với máy tính đồng thời hiển thị được các thông số của mô hình khi làm việc ở các chế độ khác nhau và phân tích, nhận xét các thông số đó
