nghiên cứu thiết kế mô phỏng hệ thống phanh chống bó cứng abs và hệ thống cân bằng điện tử esp trên honda civi

HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Bộ môn ô tô XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế mô phỏng hệ thống phanh

Tổng quan về đề tài

Lí do chọn đề tài

Ngày nay, nhu cầu sử dụng xe ngày càng cao, trình độ khoa học công nghệ kỹ thuật càng ngày phát triển, đặc biệt là trong ngành công nghiệp kỹ thuật ô tô Yêu cầu về tiêu chí an toàn ở một chiếc xe cũng ngày một đòi hỏi nhiều hơn Một chiếc xe đáp ứng được nhu cầu sử dụng của người lái ngoài việc vận hành ra còn cần các biện pháp hỗ trợ an toàn, hỗ trợ lái cho người dùng, ABS và ESP chính là một trong số những hệ thống hỗ trợ đó

Trước đây việc lái một chiếc xe khi đánh lái gấp hoặc vào cua rất dễ gây mất cân bằng và lật xe, thậm chí là khó tránh né các chướng ngại vật xuất hiện đột ngột, những trường hợp như vậy người dùng ô tô rất ngại phải gặp Chính vì vậy, các nhà nghiên cứu ô tô đã cho ra đời hệ thống cân bằng điện tử ESP (Electronic Stability Program) hay còn có tên gọi khác là VSC (Vehicle Stability Control) Đây là một hệ thống không chỉ yêu cầu nắm vững kiến thức về toán học, vật lý mà còn yêu cầu tư duy giải quyết vấn đề về động lực học ô tô

Bên cạnh hệ thống ESP, để trợ an toàn hơn cho phương tiện thì hệ thống chống bó cứng phanh là một hệ thống quan trọng không kém và thường tích hợp vào nhiều hệ thống an toàn khác trên xe Nhận thấy được tầm quan trọng của những hệ thống hỗ trợ an toàn này, nhóm chúng em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế mô phỏng hệ thống phanh chống bó cứng

ABS và hệ thống cân bằng điện tử ESP trên Honda Civic” Để trực quan hơn thì chúng em đã chọn một xe cụ thể và tiến hành nghiên cứu thiết kế trên dòng xe này.

Mục tiêu nghiên cứu

- Nắm được định nghĩa của hệ thống chống bó cứng phanh ABS, hệ thống cân bằng điện tử ESP

- Hiểu rõ về bản chất của các hệ thống

- Phân tích được động học và động lực học ô tô

- Xây dựng được lưu đồ thuật toán và mô hình hóa của các hệ thống ABS, ESP

- Ứng dụng được phần mềm mô phỏng Carsim, Matlab/Similink

- Phân tích và biện luận các kết quả mô phỏng

- Làm rõ những kiến thức thu thập được để đáp ứng được khối lượng đồ án tốt nghiệp.

Đối tượng nghiên cứu

- Hệ thống phanh chống bó cứng ABS trên xe Honda Civic

- Hệ thống cân bằng điện tử ESP trên xe Honda Civic.

Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu tài liệu: liệt kê, so sánh, phân tích, tính toán, …

- Dịch thuật những tài liệu nước ngoài

- Kế thừa những cơ sở lý thuyết từ những nguồn tài liệu tham khảo để thực hiện mô hình hóa hệ thống

- Ứng dụng phần mềm Carsim và Matlab/Simulink để mô phỏng hệ thống đã thiết kế, kết quả mô phỏng sẽ phải gần đúng với thực tiễn

- Thử sai và biện luận các kết quả mô phỏng.

Cơ sở lý thuyết về động lực học ô tô

Động lực học của ô tô khi phanh

2.1.1 Lực phanh và mômen cần thiết trên ô tô

2.1.1.1 Lực phanh và các mômen tác dụng lên bánh xe khi phanh

Hình 2.1 Sơ đồ lực phanh và mômen tác dụng lên bánh xe khi phanh [1]

Mômen ma sát mà cơ cấu phanh tạo ra khi đạp phanh được gọi là mômen phanh M p Tại khu vực giữa bánh xe và đường xuất hiện lực phanh (F p ) ngược với chiều chuyển động của ô tô

Ta có biểu thức sau:

F p : Lực phanh tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường

M p : Mômen phanh tác dụng lên bánh xe r b : Bán kính tính toán của bánh xe

Lực phanh F p tăng khi mômen phanh M p tăng, nhưng lực phanh không thể tăng một cách tuỳ ý, bởi do yếu tố điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường đã giới hạn lực phanh lớn nhất, nên ta có:

F φ : Lực bám dọc giữa bánh xe với mặt đường

Z b : Phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe φ: Hệ số bám dọc giữa bánh xe với mặt đường

Ngoài mômen phanh, mômen cản lăn và mômen quán tính M jb cũng tác dụng lên bánh xe khi phanh Do đó, lực hãm tổng cộng ảnh hưởng đến bánh xe sẽ là:

Do M p tăng dần nên F p cũng tăng dần trong quá trình phanh nên đến một lúc nào đó, khi F p = F pmax = F φ , các bánh xe bị trượt lết Khi bánh xe bị trượt lết hoàn toàn, hệ số bám φ giảm xuống giá trị φ min , do đó, lực phanh giảm xuống giá trị nhỏ nhất, dẫn đến hiệu quả phanh thấp nhất Ngoài ra, nếu các bánh xe trước bị trượt lết, nó sẽ khiến xe không điều khiển được khi phanh do mất tính dẫn hướng của xe, và nếu các bánh xe sau bị trượt lết, nó sẽ khiến xe mất tính ổn định khi phanh, vì các bánh xe dễ bị trượt ngang khi có lực ngang nhỏ tác dụng lên xe

Từ biểu thức (2.2), chúng ta có thể thấy rằng cả 2 yếu tố là hệ số bám φ và Z b đều phải có giá trị lớn để có thể sinh ra lực phanh F p lớn Vì vậy chúng ta phải bố trí cơ cấu phanh cho tất cả các bánh xe để tận dụng toàn bộ trọng lượng bám của xe

Khi phanh, động năng và thế năng của xe sẽ bị tiêu hao cho việc chuyển hoá thành ma sát giữa má phanh và trống phanh, giữa lốp xe và mặt đường cũng như để khắc phục các lực cản chuyển động

5 Đồng thời, Mômen phanh tăng cũng tạo ra nhiệt năng giữa trống phanh và má phanh, giữa lốp và mặt đường

Khi bánh xe bị hãm cứng hoàn toàn, không còn sự cản lăn hay công ma sát nào giữa trống phanh và má phanh nữa Tất cả năng lượng được chuyển thành nhiệt năng ở vùng tiếp xúc giữa lốp xe và mặt đường

Sự trượt lết làm giảm hiệu quả phanh, làm mòn lốp, khiến xe trượt dọc nhiều hơn và làm giảm tính ổn định ngang của xe

2.1.1.2 Lực phanh của ô tô và điều kiện đảm bảo phanh tối ưu a Lực phanh ô tô

Hình 2.2 Các lực tác dụng lên ô tô khi phanh [1]

Các lực tác dụng lên ô tô khi phanh:

G: Trọng lượng toàn bộ của ô tô đặt tại trọng tâm xe

F f1 , F f2 : Lực cản lăn ở các bánh xe trước và sau

Z 1 , Z 2 : Phản lực thẳng góc tác dụng lên các bánh xe trước và sau

F p1 , F p2 : Lực phanh ở các bánh xe trước và sau

F j : Lực quán tính, do khi phanh có gia tốc chậm dần nên F j cùng chiều với chiều chuyển động của xe

Xác định F j qua biểu thức:

G: Trọng lượng toàn bộ của ô tô đặt tại trọng tâm xe g: Gia tốc trọng trường (cho g = 9.8 m/s 2 ) j p : Gia tốc chậm dần khi phanh

Lực cản không khí F ω và lực cản lăn F f1 , F f2 có thể bỏ qua khi phanh do không đáng kể Việc này chỉ gây ra sai số khoảng 1,5 - 2% nên ta có thể chấp nhận kết quả này

Các phản lực thẳng góc Z 1 , Z 2 tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau có thể được xác định bằng cách lập các phương trình cân bằng mômen của các lực tác dụng lên ô tô khi phanh đối với các điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường tại E và F như sau:

L = G 2 (2.6) Với: a, b, h g : Tọa độ trọng tâm của ô tô

L (m): Chiều dài cơ sở của ô tô

G 1 , G 2 : Tải trọng tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau khi phanh

Thay F j ở công thức (2.4) vào Z 1 và Z 2 ở công thức (2.5) và (2.6), ta được:

Z 1t , Z 2t : Phản lực thẳng góc tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau khi xe đứng yên trên mặt phẳng nằm ngang (phản lực tĩnh) m 1p , m 2p : Hệ số thay đổi tải trọng tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau khi phanh

G 1t , G 2t : Tải trọng tĩnh tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau Ở cầu trước và cầu sau, các lực phanh sinh ra sẽ được xác định bằng các biểu thức:

L(a −j p h g g ) φ (2.10) Để sử dụng hết trọng lượng bám của ô tô, cơ cấu phanh được bố trí ở các bánh xe trước và sau và lực phanh lớn nhất đối với toàn bộ xe là: Để tối ưu hoá việc sử dụng trọng lượng bám của ô tô khi phanh, các cơ cấu phanh được đặt ở các bánh xe trước và sau để tạo ra lực phanh lớn nhất đối với toàn bộ xe là:

8 b Điều kiện đảm bảo phanh tối ưu

Khi phanh, để đạt được hiệu quả cao nhất, tức là các thông số chỉ tiêu về quá trình phanh được thể hiện ở mức tốt nhất, bao gồm: S p = S pmin , t p = t pmin , j p = j pmax với

S p , t p , j p là quãng đường phanh, thời gian phanh và gia tốc phanh Khi đó, ta gọi quá trình ấy là phanh tối ưu Để phanh được hiệu quả nhất, lực phanh được tạo ra ở các bánh xe tỷ lệ thuận với tải trọng tác dụng lên chúng Việc này có ảnh hưởng bởi lực quán tính F j do lực quán tính F j có khả năng làm thay đổi tải trọng tác dụng lên các bánh xe trong quá trình phanh

Khi phanh đạt hiệu quả cao nhất, tức phanh tối ưu, tỷ số giữa các lực phanh ở các bánh xe trước và sau là:

Lực cản lăn F f1 và F f2 không đáng kể trong quá trình phanh này, nên ta có thể bỏ qua, do vậy ta có biểu thức:

Thay F jmax vào (2.12), ta được biểu thức sau:

Sự phanh tối ưu được đảm bảo bởi điều kiện từ biểu thức (2.14) Theo đó, quan hệ giữa các lực phanh F p1 và F p2 phải luôn thỏa mãn biểu thức (2.14) để đảm bảo phanh hiệu quả nhất

Trong suốt quá trình phanh, tỷ số F p1

F p2 luôn phải thay đổi vì ảnh hưởng bởi tọa độ trọng tâm (a, b, h g ) và hệ số bám dọc φ luôn thay đổi Do đó, muốn đạt được điều kiện phanh hiệu

Động học ô tô khi lái

Có những cách để quay vòng ô tô như sau:

- Sử dụng các bánh xe phía trước để dẫn hướng

- Sử dụng các bánh xe phía sau để dẫn hướng

- Sử dụng tất cả các bánh xe để dẫn hướng

- Sử dụng sự khác biệt về mô-men quay giữa các bánh xe bên trái và bên phải (có thể đồng thời sử dụng thêm phanh để hãm các bánh xe phía trong so với tâm quay vòng) để tạo mô-men quay vòng cho ô tô

Ta xét một ô tô với cầu trước là cầu dẫn hướng, bỏ qua sự biến dạng ngang do độ đàn hồi của lốp, lúc này vecto vận tốc chuyển động của xe sẽ trùng với mặt phẳng quay của bánh xe

Hình 2.11 Sơ đồ động học ô tô khi bỏ qua biến dạng ngang Hình 2.11 mô tả động học quay vòng của ô tô có 2 bánh ở cầu trước dẫn hướng khi bỏ qua biến dạng ngang của lốp A, B, C, D là vị trí của bốn trụ đứng E là điểm giữa của AB, E là điểm giữa của CD 𝛿𝑓r, 𝛿𝑓l lần lượt là góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng bên ngoài và bên trong so với tâm quay vòng O Góc 𝛿 sẽ là đại diện cho góc quay vòng của các bánh xe dẫn hướng ở cầu trước AC và BD song song với trục dọc của ô tô

Khi xe quay vòng không bị trượt lết, đường vuông góc với vecto vận tốc của mỗi bánh xe sẽ gặp nhau tại một điểm, đó là tâm quay vòng tức thời của xe

Từ hình trên ta chứng minh được rằng, để các bánh xe dẫn hướng không bị trượt lết thì góc quay vòng của xe các bánh xe sẽ phải thỏa điều kiện: cot  fr = OD

Do đó: cot  fr - cot  fl = l w

L (2.63) Trong đó:  fl là góc lái của bánh xe bên trong

 fr là góc lái của bánh xe bên ngoài l w là khoảng cách giữa hai đường tâm trụ đứng tại vị trí đặt các cam quay của các bánh xe dẫn hướng

𝐿 là chiều dài cơ sở của ô tô

Tuy nhiên trong quá trình quay vòng, ô tô vẫn có lực ngang xuất hiện, đáng kể nhất là lực ly tâm tác dụng

Hình 2.12 Sơ đồ động học quay vòng của ô tô có hai bánh dẫn hướng ở cầu trước

R v là bán kính quay vòng của xe

 là góc quay vòng của các bánh xe dẫn hướng

T là trọng tâm của xe v là vận tốc chuyển động của tâm cầu sau

R là bán kính quay vòng của trọng tâm T

 là vận tốc góc của xe khi quay vòng quanh điểm O ε là vận tốc góc của xe khi quay vòng quanh điểm O β là góc tạo bởi OT và OF (F là tâm cầu sau) j h là gia tốc hướng tâm của trọng tâm T j t là gia tốc tiếp tuyến của trọng tâm T j x là gia tốc hướng theo trục dọc xe của trọng tâm T j y là gia tốc hướng theo trục ngang xe của trọng tâm T

Theo hình 2.12, ta có bán kính quay vòng là khoảng cách từ tâm quay vòng đến trục dọc của xe:

R v = L tan  (2.64) Vận tốc góc của xe  khi quay vòng:

L tan  (2.65) Gia tốc góc của xe ε khi quay vòng: ε = d dt = tan 

Từ sơ đồ hình 2.12, ta có: cos = R v

√L 2 +R v 2 (2.67) Thay phương trình (2.64) và (2.67) vào phương trình (2.66), ta có:

Ta biết gia tốc hướng tâm của trọng tâm T được xác định bởi: j h = 2 R (2.69) Gia tốc tiếp tuyến của trọng tâm T được xác định bởi: j t = R (2.70)

Chiếu j h và j t lên trục dọc và ngang của xe, sau đó tổng hợp các vectơ gia tốc thành phần lại, ta có: j x = j t cosβ − j h sinβ = R cosβ − 2 R sinβ (2.71) j y = j t sinβ + j h cosβ = R sinβ + 2 R cosβ (2.72) Mặt khác, theo hình 2.12, ta có:

R.cosβ = R v ; R.sinβ = l r (2.73) Thay (2.65), (2.68) và (2.73) vào (2.71) và (2.72) ta được: j x =dv dt +v(L 2 + R v 2 )

Động lực học ô tô khi lái

Chúng ta sẽ xét động lực học quay vòng của ô tô khi bỏ qua biến dạng ngang của các bánh xe theo sơ đồ ở hình 2.13

Ta cần xét trường hợp tổng quát: Xe có hai cầu chủ động, quay vòng trên đường bằng, có độ dốc (α ≠ 0) và chuyển động đều, vận tốc không phải hằng số (j ≠ 0)

Hình 2.13 Sơ đồ động lực học quay vòng của ô tô có hai bánh dẫn hướng ở cầu trước

F jl là lực quán tính ly tâm tác dụng tại trọng tâm T của xe

F jlx , F jly là hai thành phần của lực F jl theo trục dọc và trục ngang của xe

Y ai là các phản lực ngang tác dụng dưới mỗi bánh xe

F ti là các lực kéo ở mỗi bánh xe

F fi là các lực cản lăn ở mỗi bánh xe

F ω là lực cản không khí

F j là lực cản quán tính

I z ε là mô-men quán tính tác dụng lên xe xung quanh trục đứng Tz

36 Điều kiện cần và đủ để xe quay vòng ổn định và không bị trượt khỏi quỹ đạo cong của đường là tổng tất cả các lực tác dụng lên xe theo chiều dọc trục Tx và chiều ngang trục Ty phải bằng không, đồng thời tổng các mô-men tác dụng lên ô tô quanh trục đứng Tz đi qua trọng tâm xe cũng phải bằng không Điều đó nghĩa là:

Phương trình cân bằng lực theo chiều trục Tx:

∑ Xi = 0 (2.76) Phương trình cân bằng lực theo chiều trục Ty:

∑ Yi = 0 (2.77) Phương trình cân bằng mô-men xung quanh trục thẳng đứng Tz:

Theo sơ đồ Hình 2.13, dựa vào các lực và mômen tác dụng lên xe, chúng ta sẽ viết được dạng khai triển các phương trình (2.76), (2.77) và (2.78)

Khi quay vòng ô tô, lực quán tính ly tâm là lực chủ yếu làm cho xe chuyển động không ổn định và cũng là nguyên nhân chính gây nên sự nghiêng ngang của thùng xe và làm lật đổ xe Do đó ta sẽ tính cụ thể độ lớn của nó:

F jly = mj y = G gR v {[dv dt +v(L 2 + R v 2 )

Trong trường hợp ô tô chuyển động đều ( dv dt = 0) và góc quay vòng của các bánh xe dẫn hướng sẽ không đổi  = const ( d dt = 0), ta có:

Như vậy khi quay vòng ô tô, lực Fjl phụ thuộc vào: khối lượng của xe, bán kính quay vòng và nhất là vận tốc chuyển động của ô tô Để giảm được Fjl thì ta phải giảm vận tốc và khối lượng của xe (không được chở quá tải), đồng thời phải tăng bán kính quay vòng của xe

Trong hai thành phần của Fjl thì thành phần lực ngang Fjly là lực chủ yếu làm cho xe chuyển động không ổn định, là nguyên nhân chính gây nên sự nghiêng ngang của thùng xe và làm cho xe lật đổ Bởi vậy để đạt được sự ổn định của ô tô khi quay vòng thì chúng ta phải giảm tối đa giá trị Fjly

Tổng quan về hệ thống cân bằng điện tử ESP

Định nghĩa, phân loại

Hệ thống cân bằng điện tử ESP (Electronic Stability Program) hay còn có tên gọi khác là VSC (Vehicle Stability Control) là hệ thống được trang bị trên phần lớn các ô tô hiện đại để theo dõi tình trạng của xe, cung cấp dữ liệu cho bộ điều khiển điện tử nhằm tăng khả năng an toàn của xe và giảm thiểu tình trạng mất kiểm soát độ ổn định, làm cho xe bị chệch khỏi quỹ đạo, hỗ trợ người lái khi xe vào cua gấp hoặc thay đổi làn đột ngột Hệ thống ESP theo dõi tình trạng xe liên tục và hoạt động ở bất kỳ tốc độ nào của xe (trừ khi xe có vận tốc rất nhỏ như 15 km/h hoặc lúc lùi xe)

Trước đây, hệ thống cân bằng điện tử ESP là một trong các tính năng an toàn nâng cao, thường chỉ xuất hiện trên các dòng xe cao cấp Tuy nhiên, với sự phát triển không ngừng của ngành công nghiệp ô tô, hệ thống cân bằng điện tử ESP dần trở thành một tính năng, một công cụ không thể thiếu trên tất cả các dòng xe, kể cả những xe bình dân, để đảm bảo an toàn cho người lái, người ngồi trong xe và những người tham gia giao thông khác Đối với thị trường châu Âu và Mỹ, các dòng xe phải có hệ thống cân bằng điện tử là một trong những tiêu chuẩn bắt buộc phải có nếu các nhà sản xuất ô tô muốn bán sản phẩm của họ khi du nhập đến những thị trường này

Là hệ thống có sự kết hợp với nhiều hệ thống khác như:

- Hệ thống chống bó cứng phanh ABS

- Hệ thống phân phối lực phanh EBD

- Hệ thống kiểm soát lực kéo TCS

- Hệ thống kiểm soát trượt của bánh xe chủ động ASR

Hình 3.1 Giới thiệu hệ thống 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 phương pháp phanh độc lập giữa mỗi bánh xe bên phải hoặc bên trái để kiểm soát độ lệch hướng và ổn định cân bằng 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 góc xoay vô lăng nhằm định hướng phương tiện đi theo hướng mong muốn

- Hệ thống phân bố mô-men xoắn chủ động (Active Torque Distribution) điều khiển việc phân phối mô-men từ động cơ đến các bánh xe trái và phải khác nhau Điều này cho phép hệ thống điều chỉnh mô-men xoay giữa các bánh bên trái và phải độc lập và linh hoạt, không bị hao hụt công suất như hệ thống phanh vi sai, một kỹ thuật khá khó để ứng dụng trên các dòng xe, tuy nhiên dòng xe hiện đại ngày nay vẫn được áp dụng, những ký hiệu 4WD là minh chứng cho công nghệ này

Trong đó, hệ thống phanh vi sai là hệ thống nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và đã được triển khai phổ biến trên các dòng xe ô tô hiện nay

Lịch sử phát triển

Vào những năm 1987, những nhà phát triển ô tô hàng đầu thế giới như BMW hay Mercedes-Benz đã cho ra đời hệ thống điều khiển lực kéo TRC (Traction Control System) Hệ thống này hoạt động bằng cách tiến hành phanh độc lập từng bánh xe cũng như điều tiết ga cho động cơ để có thể chắc chắn rằng xe vẫn luôn bám đường khi tăng tốc Cách điều khiển phanh độc lập này cũng là tiền thân cho nguyên tắc hoạt động sau này của hệ thống ESP, thế nhưng thời điểm bấy giờ, hệ thống TRC này vẫn không thể tạo ra được sự ổn định cho xe khi vào cua hay phanh gấp

Nhận ra được khuyết điểm này, vào khoảng năm 1987 đến năm 1992, BMW đã lên ý tưởng và cùng với tập đoàn Robert Bosch GmbH của Đức phát triển ra chương trình ổn định điện tử và hình thành hệ thống cân bằng điện tử áp dụng lên 2 chiếc xe của mình vào năm

1995, đó là BMW 750iL và 850Ci Lúc này hệ thống cân bằng điện tử được BMW đặt tên là DSC (Dynamic Stability Control)

Một năm sau khi hệ thống cân bằng điện tử của BMW ra đời, Mercedes-Benz cũng bắt đầu ứng dụng công nghệ này lên mẫu xe Mercedes S600 của mình và lấy tên là ESP Giống như BMW, Mercedes cũng chọn tập đoàn Bosch làm đối tác phát triển và tự mình đưa ra những quy định về những ngưỡng giá trị tối đa trước khi hệ thống ESP có thể hoạt động Điều này tạo nên một điểm nổi bật rõ rệt là hệ thống ESP của Mercedes có khả năng lấy lại vị trí ổn định hơn sau khi xe đã kích hoạt ESP

Làn sóng về công nghệ ESP tiếp tục lan rộng, các đối thủ cạnh tranh cũng bắt đầu phát triển và hoàn thiện cho hệ thống cân bằng điện tử của chính mình, nổi bật là Cadillac với tên gọi là STS (StabiliTrak System) sử dụng hệ thống 3 cảm biến, gồm cảm biến góc lái, cảm biến hướng của xe và cảm biến tốc độ bánh xe Đến năm 1998, Lexus đưa ra cái tên VSC (Vehicle Stability Control) cho hệ thống cân bằng điện tử của mình Ngoài việc trang bị các cảm biến như Cadillac hay Mercedes, Lexus còn lắp 5 thêm cảm biến đo áp suất phanh nhằm phối hợp với hệ thống phân bổ lực phanh EBD, giúp xe đạt trạng thái ổn định nhất

Hệ thống cân bằng điện tử trên các hãng xe

Hiện nay, tên gọi phổ biến nhất của hệ thống được biết đến là ESC (Electronic Stability Control) và ESP (Electronic Stability Program) Các nhà sản xuất ô tô trên toàn cầu đã tiến hành nghiên cứu về việc áp dụng công nghệ cân bằng điện tử vào sản phẩm của họ, đối với mỗi hãng thì hệ thống này sẽ có tên gọi khác nhau nhưng nguyên lý hoạt động lại tương đồng với nhau:

- ESP (Electronic Stability Program): Audi, Mercedes, Volkswagen, Hyundai, Chevrolet,

- Dynamic Stability Control (DSC): Jaguar, Land Rover, Mazda, BMW, MINI Cooper

- Vehicle Stability Assist (VSA): Honda, Acura

- All-Speed Traction Control & StabiliTrak (STS): Cadillac

- Vehicle Dynamic Control (VDC): Nissan, Fiat

- Controllo Stabilita Tration (CST): Ferrari

- AdvanceTrac and Interactive Vehicle Dynamics (IVD): Ford

- Vehicle Stability Control (VSC): Toyota, Lexus

- Maserati Stability Program (MSP): Maserati

- Porsche Stability Management (PSM): Porsche

- Vehicle Dynamics Control Systems (VDCS): Subaru

- Dynamic Stability hoặc Traction Control (DSTC): Volvo

Các phương pháp kiểm tra đã được sử dụng để kiểm tra tính ổn định của xe có ESP và xe không có ESP Các phương tiện nằm trên các điều kiện bề mặt đường trương tương tự, có cùng mẫu, tình trạng và chất lượng Nghiên cứu đã chỉ ra đúng như dự đoán, rằng ESP có lợi trong điều kiện mặt đường có độ ma sát thấp Các phương tiện có ESP có tính ổn định cao hơn các phương tiện không có ESP đối với tất cả các điều kiện mặt đường, với mức độ ổn định là 31,5% trên đường ướt và 38,2% trên đường phủ tuyết…

Cấu tạo hệ thống

ESP cần những tín hiệu đầu vào để tính toán, nhận biết tình trạng xe và thực hiện các chức năng điều khiển, các hệ thống ESP của từng hãng sẽ có những giá trị đầu vào khác nhau

44 nhưng tổng quan, một hệ thống ESP đều có những thành phần như bộ điều khiển trung tâm, cảm biến tốc độ bánh xe, cảm biến góc lái, cảm biến góc xoay thân xe, cảm biến gia tốc ngang, bộ chấp hành thủy lực 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, đối với ITT Automotive sử dụng tích hợp trong bộ trợ lực phanh để tạo áp suất phanh ban đầu

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

Các bộ phận của một hệ thống ESP có thể liệt kê như sau:

- Bộ điều khiển ECU (Control Unit)

- Bộ trợ lực phanh (Brake Servo)

- Cảm biến áp suất phanh (Brake pressure sensor)

- Cảm biến gia tốc dọc thân xe (Longitudinal acceleration sensor)

- Cảm biến góc xoay vô lăng (Steering angle sensor)

- Cảm biến tốc độ các bánh xe (Wheel sensor at front and rear wheels)

- Cảm biến tốc độ lệch thân xe (Yaw Rate sensor)

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

- Bộ chấp hành thủy lực (Hydraulic unit)

- Bơm tiếp vận (Charge pump)

Hình 3.3 Tín hiệu đầu vào và đầu ra của bộ điều khiển điện tử ESP [4]

Mỗi bánh xe sẽ được lắp đặt các cảm biến tốc độ và gửi tín hiệu tốc độ mỗi bánh cho bộ điều khiển điện tử, bên cạnh đó ECU – ESP còn phải nhận biết một số tín hiệu đầu vào liên quan khác như:

- Tốc độ lệch của xe (Yaw rate sensor)

- Cảm biến góc lái (Steering angle sensor)

- Cảm biến áp suất phanh (Brake pressuare sensor) …

Bộ điều khiển nhận được nguồn điện liên tục từ acquy (cổng BAT) và được thiết kế cho điện áp làm việc từ 9 đến 16V Khi bật khóa điện, mô-đun điều khiển được cấp điện và đèn cảnh báo ESP bật sáng để thực hiện quá trình kiểm tra chức năng hoạt động của nó Nếu hệ thống hoạt động theo thứ tự các chức năng an toàn như ABS, TCS, EBD, …, đèn sẽ tắt sau 3-5 giây ECU-ESP cũng kết hợp các chức năng ABS, TCS và EBD Tiêu chí an toàn luôn ưu tiên cho chức năng phanh Van ESP được kết hợp trong mạch thủy lực theo cách luôn có thể phanh được Mô-đun điều khiển giám sát các chức năng bên trong của chính nó và các thành phần hệ thống ESP, ABS, TCS khác Nếu có lỗi bên trong xảy ra trong bộ điều khiển, mã sự cố chẩn đoán sẽ được tạo ra, đèn cảnh báo ABS, TCS và ESP sẽ bật sáng và các hệ thống ESP,

ABS, TCS sẽ bị vô hiệu hóa Người lái có thể nhận biết được sự cố thông qua đèn chỉ thị và đưa xe tới hãng để khắc phục kịp thời

3.4.2 Cảm biến tốc độ bánh xe

Hình 3.4 Cảm biến tốc độ bánh xe [5]

Cảm biến tốc độ bánh xe là cảm biến dùng để đo và ghi nhận tốc độ tức thời của bánh xe, cung cấp thông tin về tốc độ cho các hệ thống xử lý như ABS, TCS, ESP,… Cảm biến này thường sử dụng nguyên lý đếm xung được tạo ra bởi bánh xe khi quay Các xung này có thể được tạo ra bởi nhiều cách khác nhau như dùng cảm biến quang, cảm biến từ, … Khi bánh xe quay, nó sẽ tạo ra xung và đếm xung, từ đó có thể tính toán ra tốc độ mỗi bánh xe

Hình 3.5 Thiết kế cảm biến tốc độ bánh xe [5]

Cảm biến tốc độ bánh xe gồm vòng răng rotor cảm biến (quay khi bánh xe quay) và cảm biến nhận xung để tính toán Cả 2 thành phần này được thiết kế để tạo nên khe hở từ 1mm và sai lệch phải nằm trong khoảng cho phép Nếu không thì những hệ thống liên quan được nhận tín hiệu gửi về từ cảm biến này sẽ hoạt động không tốt

Hình 3.6 Nguyên lý hoạt động cảm biến tốc độ bánh xe [5]

Một suất điện động cảm ứng có biên độ sẽ xuất hiện trong cuộn dây như một sức điện động cảm ứng có biên độ và tần số thay đổi theo tốc độ bánh xe Khi bánh xe quay, vòng răng quay theo và khe hở từ thay đổi, tạo ra từ thông biến thiên Tín hiệu này sẽ được gửi về ECU Bên cạnh đó còn có vòng nam châm nhiều cực sẽ đi quay cùng với bánh xe Nó được chế tạo bằng nhựa đàn hồi có độn các hạt kim loại được phân cực từng hạt Cảm biến này gồm hai bộ phận đo đặt lệch nhau, khi bánh xe quay, sự chuyển pha xảy ra và biết được chiều quay của xe Vòng quay theo bánh xe làm cho từ thông thay đổi do đó điện trở cũng thay đổi theo Mạch điện tử bên trong cảm biến tạo ra tín hiệu dạng xung vuông có biên độ không đổi nhưng tần số xung tỷ lệ với tốc độ quay của mỗi bánh xe

Cảm biến góc lái được gắn trên trục lái giữa công tắc trục lái và tay lái vô lăng Vòng định tâm với vòng trượt cho túi khí được tích hợp trong bộ gửi góc lái và nằm trên đế của bộ gửi góc lái

Cảm biến góc lái gửi tín hiệu góc xoay vô lăng mà người lái đang xoay theo chiều kim đồng hồ đến bộ điều khiển ABS với EDL/TCS/ESP Cảm biến góc lái này có thể đo được góc ±720° tương ứng với bốn vòng quay đầy đủ của vô lăng

Hình 3.7 Cảm biến góc lái [3]

Cảm biến góc xoay vô lăng được thiết kế đo dựa trên nguyên lý rào cản ánh sáng, các thành phần cơ bản: nguồn sáng (a), đĩa đếm xung (b) bao gồm 2 vòng (vòng tuyệt đối và vòng tăng dần) cả 2 vòng đều được quét bởi hai cảm biến, cảm biến quang học (c+d), bộ đếm (e) cho số vòng quay đầy đủ

Hình 3.8 Thiết kế cảm biến góc xoay vô lăng [3]

Ta có thể đơn giản hóa việc thiết lập cách sắp xếp mẫu lỗ tăng dần (1) và mẫu lỗ tuyệt đối (2) cạnh nhau Nguồn sáng (3) được đặt ở giữa các mẫu lỗ Các cảm biến quang (4 + 5) được đặt ở bên ngoài Ánh sáng chiếu vào cảm biến quang qua khe hở sẽ tạo ra điện áp tín hiệu Nếu nguồn sáng bị che, điện áp bị bị ngắt

Di chuyển các mẫu lỗ sẽ tạo ra hai chuỗi điện áp khác nhau Cảm biến gia tăng cung cấp tín hiệu thống nhất vì các khoảng trống nối tiếp nhau theo những khoảng thời gian đều đặn Cảm biến tuyệt đối tạo ra tín hiệu không đều vì ánh sáng đi qua các khoảng trống trên mẫu theo những khoảng thời gian không đều Bằng cách so sánh cả hai tín hiệu, hệ thống có thể tính toán khoảng cách mà mẫu lỗ đã di chuyển Phần tuyệt đối xác định điểm bắt đầu của chuyển động Được thiết kế chỉ cho một chuyển động quay, bộ truyền góc lái sử dụng nguyên tắc tương tự

Hình 3.9 Hoạt động của cảm biến góc xoay vô lăng [3]

3.4.4 Cảm biến gia tốc ngang

Vì lý do vật lý, cảm biến này rất nhạy nên thường được đặt càng gần càng tốt với trọng tâm của xe và thường được lắp đặt trong khoang cabin chỗ để chân bên dưới ghế lái Cảm biến gia tốc ngang tính toán gia tốc ngang thân xe, xác định liệu lực ngang ở một mức độ nào đó có làm cho xe mất ổn định phương hướng hay không

Hình 3.10 Cảm biến gia tốc ngang [3]

Cảm biến gia tốc ngang bao gồm: một nam châm vĩnh cửu (1), một lò xo (2), một tấm giảm chấn (3), một cảm biến Hall (4) Nam châm vĩnh cửu, lò xo và bộ giảm chấn tạo thành một hệ thống từ tính Nam châm được kết nối chắc chắn với lò xo và có thể dao động qua lại trên tấm giảm chấn

Hình 3.11 Thiết kế cảm biến gia tốc ngang [3]

Hình 3.12 Hoạt động của cảm biến gia tốc ngang [3]

Nguyên lý hoạt động

Hình 3.29 Sơ đồ hệ thống ổn định ESP [3]

Hình 3.30 Nguyên lý hoạt động của hệ thống ESP [3]

1 Bộ điều khiển ABS với EDL/TCS/ESP

2 Bộ phận thủy lực có bơm tiếp vận

3 Cảm biến áp suất phanh

4 Cảm biến gia tốc ngang

5 Cảm biến tốc độ lệch thân xe

7 Cảm biến góc xoay vô lăng

9-12 Cảm biến tốc độ bánh xe

14 Đèn cảnh báo hệ thống phanh

15 Đèn cảnh báo hệ thống ABS

16 Đèn cảnh báo hệ thống TCS/ESP

17 Hành vi của người lái và xe

18 Can thiệp vào quản lý động cơ

19 Can thiệp vào bộ điều khiển hộp số (chỉ dành cho xe có hộp số tự động)

Cảm biến tốc độ bánh xe cung cấp dữ liệu liên tục về tốc độ trên từng xe Cảm biến góc lái là cảm biến duy nhất cung cấp dữ liệu trực tiếp qua mạng CAN-bus cho bộ điều khiển Bộ điều khiển tính toán hướng lái mong muốn và thực hiện xử lý cần thiết của xe từ cả hai bộ thông tin

Cảm biến gia tốc ngang gửi tín hiệu đến bộ điều khiển khi xe lệch sang một bên và cảm biến tốc độ lệch thân xe sẽ gửi tín hiệu khi xe bắt đầu bị lệch và dần mất ổn định Bộ điều khiển sẽ tính toán trạng thái thực tế của xe từ hai bộ thông tin này

Nếu giá trị thực tế và giá trị mong muốn không trùng khớp với nhau, có sự sai lệch thì hệ thống ESP sẽ thực hiện các tính toán can thiệp nhằm khắc phục tình trạng đang xảy ra Hệ thống ESP sẽ quyết định bánh xe nào cần phanh hoặc tăng tốc và những trạng thái đó ở mức độ nào; quyết định xem mô-men xoắn của động cơ có bị giảm hay không; quyết định xem bộ điều khiển hộp số có được kích hoạt hay không trên các xe có hộp số tự động

Tiếp đó, hệ thống sẽ kiểm tra xem liệu sự can thiệp có thành công hay không từ những dữ liệu nhận được từ các cảm biến gửi về Nếu thành công, hệ thống ESP sẽ ngừng can thiệp và tiếp tục theo dõi những hành vi của người lái và phương tiện, nếu không, chu trình can thiệp hỗ trợ ổn định này sẽ được lặp lại Trong lúc hệ thống đang can thiệp, lúc này đèn cảnh báo ESP sẽ nhấp nháy để thông báo cho người lái biết được tình trạng của xe

Các chức năng khác của ESP

Ngoài những chứng năng chính kể trên, các chức năng khác của ESP có thể kể đến như sau:

- Giữ lộ trình lái: hệ thống ESP kiểm soát các hoạt động của xe dựa trên các thông tin nhận về từ các cảm biến quanh xe, từ đó hệ thống có được các dữ liệu như góc lái, gia tốc, góc quay Chính vì vậy, khi không có tác động từ vô lăng, nhưng xe có dấu hiệu trượt khỏi quỹ đạo ban đầu do những yếu tố khác, hệ thống ESP cũng kịp thời ngăn chặn và giúp xe ổn định quỹ đạo di chuyển ban đầu

- Khả năng chống tuột dốc: Khi xe khởi động ở địa hình dốc, người lái không cần phải giữ phanh tay để chuyển chân từ bàn đạp phanh sang bàn đạp ga nữa, bởi ESP sẽ hỗ trợ người lái duy trì áp lực phanh trong khoảng thời gian 2-3 giây sau khi người lái nhấc chân ra khỏi bàn đạp phanh

- Hỗ trợ phanh khẩn cấp: ESP sẽ kết hợp các tín hiệu với ECU để nhận biết các tình huống khẩn cấp thông qua việc thay đổi đột ngột áp suất phanh Và nếu trong trường hợp đó người lái không đạp đủ lực phanh, hệ thống sẽ tự động tăng thêm lực phanh cho xe, rút ngắn quãng đường phanh, tránh được sự va chạm

- Kiểm soát độ bám đường của xe: Hệ thống ESP cũng góp phần tham gia vào quá trình tối ưu hoá độ bám đường của xe, cùng với hệ thống TRC, vẫn sử dụng khả năng phanh độc lập từng bánh xe, cộng thêm việc điều chỉnh công suất động cơ đến các bánh xe giúp cho xe có khả năng di chuyển trên mọi cung đường ở bất kỳ tốc độ nào

- Phân phối lực phanh điện từ: có thể nói, hệ thống ESP có liên quan rất mật thiết đến EBD (Electronic Brake-force Distribution) bởi khả năng phanh độc lập từng bánh của nó Trước khi ABS hoạt động, dựa theo tải trọng xe tác động khác nhau lên trục trước và sau, ESP và EBD sẽ phối hợp để điều chỉnh lực phanh ở các bánh xe trước và sau cho phù hợp, nhờ đó giúp tối ưu hoá hiệu quả phanh

Ngoài ra, khi ESP hoạt động, ABS cũng được kết hợp rất nhiều vì hệ thống ABS sẽ giúp các bánh xe mà hệ thống ESP phanh không bị bó cứng và trượt lết

Điều khiển cân bằng điện tử

Hệ thống hỗ trợ - ABS

Ta biết rằng, khi ô tô thực hiện quá trình phanh, lực phanh mà mỗi bánh xe sinh ra không được vượt quá lực bám của bánh xe với mặt đường, tức là nếu F p1 > F φ1 thì các bánh xe cầu trước bị hãm cứng và xe sẽ mất tính dẫn hướng (xe không điều khiển được) hoặc nếu

F p2 > F φ2 thì các bánh xe cầu sau bị hãm cứng và trượt lết trên đường Mặt khác, nếu cứ giữ cho lực phanh luôn nhỏ để bánh xe không bị bó cứng, tức F p1 < F φ1 và F p2 < F φ2 thì sẽ vô tình khiến cho lực phanh không thể đáp ứng được nhu cầu phanh trong nhiều trường hợp, từ đó khiến cho thời gian phanh, quãng đường phanh tăng lên, làm giảm hiệu suất phanh của xe Vậy nên, muốn nâng cao hiệu quả của quá trình phanh trên ô tô, ta phải đảm bảo rằng lực phanh sinh ra bằng hoặc tiệm cận với lực bám, tức là F p1 = F φ1 và F p2 = F φ2 trong suốt quá trình phanh

Các hiện tượng được nêu trên thường là nỗi ám ảnh đối với những người sử dụng xe thời xưa, bởi bấy giờ, các hệ thống phanh trên các dòng xe thời ấy thường không được trang bị quá nhiều hệ thống hỗ trợ, dẫn đến khi phanh gấp hoặc phanh trên đường trơn trượt có hệ số bám nhỏ, sẽ rất khó để điều khiển xe, giảm tốc độ xe hay thậm chí là dừng xe

Ngày nay, với sự tiến bộ khoa học kỹ thuật, vận tốc của các loại ô tô cũng ngày càng được nâng cao, chính vì vậy, yêu cầu đặc biệt được đặt ra cho hệ thống phanh trên các dòng xe thời nay là phải loại trừ được các hiện tượng nêu trên Đó cũng là lí do mà hệ thống phanh chống hãm cứng ABS (Anti-lock Braking System) được ra đời

Hệ thống phanh ABS được sinh ra với mục đích giúp cho lực phanh được sinh ra tại mỗi bánh xe luôn bằng lực bám trong suốt quá trình phanh, tránh để lực phanh vượt quá giới hạn lực bám mà không cần người lái phải tự căn chỉnh lực đạp phanh Điều này hoạt động bởi sự hiệu chỉnh liên tục áp suất trong dẫn động phanh, từ đó tạo ra hiệu ứng “nhấp nhả” Khi người lái đạp kịch phanh, các bánh xe sẽ được đưa xuống lực phanh lớn nhất, thế nhưng thay vì bị bó cứng, ngay thời điểm lực phanh lớn hơn lực bám, bánh xe có dấu hiệu bị bó cứng là trượt lết nhẹ, hệ thống ABS sẽ phát hiện và giảm lực phanh lại ngay lập tức Khi lực phanh

70 được giảm đến một mức độ nhất định, hệ thống sẽ cho lực phanh tăng trở lại, cứ thế tiếp tục

“nhấp nhả” cho đến khi xe dừng hoặc người lái dừng đạp phanh Nhờ đó mà lực phanh luôn xấp xỉ bằng lực bám và bánh xe không bị hãm cứng nhưng vẫn đảm bảo phanh xe với lực phanh lớn, giúp cho xe đạt được hiệu quả phanh cao nhất, duy trì được tính dẫn hướng và tính ổn định tốt khi phanh

Khi hệ thống ABS hoạt động, việc giữ cho lực phanh luôn xấp xỉ với lực bám là nhờ hệ thống đã nhận biết việc bánh xe có bị bó cứng hay không thông qua độ trượt giữa bánh xe với mặt đường Cũng qua việc hiệu chỉnh lực phanh mà hệ thống có thể khiến cho độ trượt chỉ thay đổi trong một giới hạn hẹp xung quanh giá trị  po Sở dĩ giá trị  po được chọn làm chuẩn và cho độ trượt thay đổi giới hạn trong khoảng này là do xung quanh giá trị  po thì φ x ≈ φ xmax và φ y có giá trị tương đối lớn) Điều đó được thể hiện qua hình 4.1 bên dưới

Hình 4.1 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi hệ số bám dọc φ x và hệ số bám ngang φ y theo độ trượt  p [1]

Từ đồ thị trên hình 4.1, ta thấy rằng:

Hệ số bám của bánh xe so với mặt đường không chỉ phụ thuộc vào loại đường, tình trạng mặt đường mà còn phụ thuộc vào độ trượt của bánh xe so với mặt đường khi phanh

Trong quá trình phanh xe sẽ có hệ số bám dọc là: φ x = F p

Với phương trình trên thì khi xe chưa phanh, tức lực phanh F p = 0 thì hệ số bám dọc φ x = 0 Khi bắt đầu quá trình phanh, φ x tăng nhanh và độ trượt  p cũng tăng lên Đến khi độ trượt nằm khoảng từ 0,15  0,25 thì hệ số bám dọc φ x xấp xỉ với φ xmax Đặc biệt tại thời điểm độ trượt  p =  po = 0,2 thì φ x = φ xmax , bên cạnh đó φ y cũng có giá trị rất lớn Chính vì vậy mà giá trị  po được xem là độ trượt tối ưu nhất cho xe Thực tế, tuỳ từng loại xe mà  po có thể khác nhau, thông thường khoảng 0,15  0,25

Với hệ thống phanh không có ABS hỗ trợ, khi người lái đạp phanh mạnh lên bàn đạp phanh, áp suất trong dẫn động phanh sẽ tăng cao và đưa một lực phanh lớn đến cơ cấu phanh ở các bánh xe Các lực phanh này có khả năng lớn hơn lực bám rất nhiều và có thể gây ra hiện tượng bó cứng các bánh xe, khiến chúng bị trượt lếch hoàn toàn Lúc này, độ trượt  p = 1, theo hình 4.2 bên dưới thì khi đó φ x giảm đi gần một nửa, φ y xấp xỉ bằng 0 Việc hệ số bám dọc giảm đi đáng kể dẫn đến việc lực phanh Fpi cũng giảm đi rất nhiều Mặt khác, việc hệ số bám ngang φ y xấp xỉ bằng 0 dẫn đến F φy = φ y G b cũng xấp xỉ bằng 0 Việc này gây nên tác động vô cùng xấu đối với sự an toàn của xe khi phanh Lúc này khả năng bám ngang của các bánh xe không còn nữa, nên chỉ cần một lực ngang nhỏ tác dụng lên thân xe là xe sẽ bị trượt ngang

Hình 4.2 Sự thay đổi hệ số bám dọc φ x và hệ số bám ngang φ y theo độ trượt  p của bánh xe khi phanh [1]

Chính vì sự nguy hiểm nêu trên, hệ thống phanh ABS là vô cùng cần thiết khi nó sở hữu ưu điểm vượt trội hơn rất nhiều so với hệ thống phanh thông thường không có ABS Do hệ thống ABS hiệu chỉnh liên tục áp suất trong dẫn động phanh nên độ trượt chỉ dao động trong một khoảng rất nhỏ (0,1  0,3) như trong hình 4.2 Với việc độ trượt được tối ưu như vậy khiến cho các giá trị như hệ số bám dọc trở nên rất cao, có thể thấy với độ trượt 0,2 thì hệ số bám dọc φ x = φ xmax Từ đó, lực phanh tối đa được đưa đến các bánh xe cũng được nâng cao, thậm chí là bằng lực bám khi độ trượt bằng 0,2 Lúc này F pmax = φ xmax G b = F φ , vì vậy hiệu quả phanh là cao nhất Hơn nữa, ở trong khoảng giới hạn này, hệ số bám ngang cũng có giá trị rất lớn, khiến cho F φy = φ y G b cũng có giá trị lớn Điều này giúp cho xe không bị trượt ngang do đảm bảo được tính dẫn hướng và ổn định của xe khi phanh

Vậy, để các bánh xe không bị hãm cứng và hiệu quả khi phanh của xe là cao nhất thì hệ thống ABS phải luôn hiệu chỉnh áp suất trong dẫn động phanh sao cho độ trượt của bánh

73 xe với mặt đường thay đổi quanh giá trị  po Để làm được điều đó, hệ thống phanh chống bó cứng ABS sử dụng các nguyên lý sau:

- Điều chỉnh theo gia tốc góc chậm dần của bánh xe được phanh (ε)

- Điều chỉnh theo giá trị độ trượt cho trước ( p )

- Điều chỉnh theo giá trị của tỷ số vận tốc góc của bánh xe với gia tốc góc chậm dần của nó

Và để thực hiện những nguyên lý trên, các cơ cấu của hệ thống phanh chống hãm cứng gồm các phần tử:

- Các cảm biến phát tín hiệu về tình trạng bánh xe đang được phanh (bao gồm cảm biến vận tốc góc, cảm biến áp suất, cảm biến gia tốc xe)

- Bộ điều khiển trung tâm để xử lý các thông tin từ cảm biến gửi về, tính toán và phát các lệnh nhả phanh hoặc áp dụng phanh lên bánh xe (các bộ điều khiển này thường là loại điện tử)

- Bộ thực hiện để thực hiện các lệnh do bộ điều khiển phát ra (bộ thực hiện có thể là loại thủy lực, loại khí hay loại hỗn hợp thủy khí)

Một số hệ thống hỗ trợ khác

Hệ thống phân phối lực phanh điện tử EBD (Electronic Brake-force Distribution): Để đảm bảo hiệu quả phanh cao nhất cho từng bánh xe, EBD khác với ABS vì nó điều khiển phân phối lực phanh cho từng bánh xe dựa trên tải trọng, góc lái và điều kiện mặt đường Lực phanh trên mỗi bánh xe trên các chiếc xe có hệ thống EBD sẽ khác nhau Hệ thống EBD sử dụng các cảm biến thu thập thông tin quan trọng để đo lượng lực cần thiết để phanh điện tử và phân phối lực phanh trên từng bánh xe của xe theo các yếu tố như tải trên mỗi bánh điều kiện đường xá và tốc độ của xe nhằm giảm sự trượt bánh xe và cải thiện khả năng phanh, nhất là trên các cung đường trơn hoặc khi phải phanh gấp

Hình 4.4 Hệ thống phân phối lực phanh điện tử EBD dựa trên hệ thống ABS [6]

Khi được kết hợp với ESP, hệ thống phanh của ô tô sẽ được điều khiển hiệu quả hơn, đảm bảo rằng lực phanh được phân phối đều trên các bánh xe trong các tình huống nguy hiểm và giúp ngăn chặn sự trượt bánh xe, điều này cải thiện đáng kể tính an toàn và ổn định của ô tô khi đang chuyển động trên đường

Hệ thống kiểm soát lực kéo TCS (Traction Control System):

TCS là hệ thống kiểm soát tốc độ, được thiết kế để làm giảm sự trơn trượt của bánh xe và tăng khả năng bám đường của mỗi bánh xe giúp xe vận hành ổn định trong điều kiện đường trơn trượt hoặc khi quay vòng, tăng tốc đột ngột Hệ thống TCS sẽ can thiệp vào việc đóng mở bướm ga để điều chỉnh công suất kéo phân phối cho các bánh xe nhằm giúp xe luôn đạt trạn thái cân bằng

TCS là một phần của ESP vì nó giám sát lực kéo của bánh xe và điều chỉnh lực phanh để giữ cho xe ổn định trên đường Hệ thống này cho phép ESP kiểm soát góc quay thân xe để giữ cho xe luôn ổn định trên đường khi nó mất kiểm soát và bắt đầu bị lệch hướng, TCS sẽ giảm lực kéo tới bánh xe đang mất kiểm soát Hệ thống TCS còn được gọi là TRC, ASR hoặc DSC tùy theo cách gọi của mỗi hãng sản xuất ô tô

Hình 4.5 Hệ thống TCS giúp chống trượt bánh xe và bám đường [8]

Điều khiển hệ thống cân bằng điện tử

Để khắc phục bất kỳ sai lệch nào, ESP thực hiện can thiệp được lập trình trên từng bánh xe sau khi so sánh ý định đánh lái của người lái với hướng của xe thực tế Hệ thống này liên tục theo dõi cách xe di chuyển Hệ thống ESP này đo một số thông số động bằng nhiều cảm biến, sau đó ước tính nhiều thông số hơn từ các giá trị này Hệ thống sẽ xác định sự mất kiểm soát, chẳng hạn như thừa lái hoặc thiếu lái, bằng cách sử dụng các ước tính các giá trị đo được Khi hệ thống ESP phát hiện ra sự không ổn định, nó sẽ tự động khôi phục hướng của xe bằng

78 cách sử dụng các thiết bị truyền động Điều khiển dựa trên phanh vi sai, điều khiển dựa trên hệ thống lái điện tử hoặc điều khiển dựa trên phân phối mô-men xoắn chủ động là ba cách khác nhau mà hành động có thể được thực hiện Ba cách để kiểm soát góc quay thân xe như sau:

- Hệ thống phanh vi sai (Differential Braking) sử dụng hệ thống ABS trên xe để cung cấp lực phanh khác nhau cho bánh trái và bánh phải nhằm kiểm soát sự lệch hướng chuyển động của xe

- Hệ thống lái điện tử (Steer-by-wire) là một công nghệ điều khiển hướng bằng điện thay thế cho hệ thống điều khiển hướng của xe bằng cơ khí Hệ thống lái điện tử sử dụng cảm biến và bộ điều khiển để truyền tín hiệu điện tử cho các bánh xe, thay vì sử dụng hệ thống cơ khí để truyền động từ tay lái đến bánh xe Thông thường, các hệ thống lái điện tử bao gồm các tính năng định vị và giám sát hệ thống, giúp tăng cường an toàn và hiệu suất lái xe

- Hệ thống phân phối mô-men xoắn động cơ (Active Torque Distribution) sử dụng khóa vi sai và hệ thống dẫn động bốn bánh toàn thời gian để quản lý mô-men xoắn truyền động đến từng bánh xe Do đó, hệ thống có thể điều khiển đồng thời cả mô-men kéo và mô-men lệch

Hệ thống phanh vi sai là hệ thống nhận được nhiều sự quan tâm nhất từ các nhà nghiên cứu và đã được triển khai trên một số xe thực tiễn Hệ thống này sẽ chính là trọng tâm nghiên cứu trong chương này

4.3.1 Hệ thống phanh vi sai (differential braking)

Hệ thống phanh vi sai là hệ thống sử dụng bộ điều khiển từ thuỷ lực dựa trên điện từ nhằm mục đích là thay đổi áp suất phanh ở bốn bánh xe Khi phát hiện xe bị lệch và cần phải xoay xe theo một hướng nào đó để cân bằng trở lại, giả sử nhận thấy xe cần xoay ngược chiều kim đồng hồ, hệ thống sẽ tăng áp suất phanh ở các bánh xe bên trái so với các bánh xe bên phải để tạo ra một mômen xoay ngược chiều kim đồng hồ Ngược lại, khi nhận thấy xe cần xoay cùng chiều kim đồng hồ, hệ thống sẽ tăng áp suất phanh ở các bánh xe bên phải so với các bánh xe bên trái để tạo ra một mômen xoay cùng chiều kim đồng hồ

Cùng với việc phải sử dụng hệ thống phanh để tạo ra mômen xoay thân xe nhằm đưa xe về vị trí cân bằng, thì hệ thống phanh vi sai cũng được trang bị hệ thống phanh chống trượt

79 để đảm bảo xe không bị mất kiểm soát khi phanh Chính vì thế, các cảm biến thường được trang bị bao gồm: bốn cảm biến tốc độ bánh xe được gắn ở bốn bánh xe, cảm biến tốc độ xoay quanh trục đứng, cảm biến góc lái, cảm biến gia tốc ngang và cảm biến áp suất phanh

Mô hình xe được sử dụng để nghiên cứu hệ thống kiểm soát độ lệch hướng chyển động dựa vào phanh vi sai có bảy bậc tự do Với vận tốc ngang và vận tốc dọc (lần lượt là ẏ và ẋ); vận tốc lệch hướng ψ̇; vận tốc góc của bốn bánh xe (ω fl ; ω fr ; ω rl ; ω rr )

Khi nghiêng cứu về hệ thống kiểm soát độ lệch hướng chuyển động dựa vào hoạt động của phanh vi sai, mô hình xe được xây dựng sẽ có tổng cộng bảy bậc tự do Bảy bậc tự do này lần lượt là: vận tốc ngang ẏ, vận tốc dọc ẋ, vận tốc lệch hướng ψ̇, vận tốc góc của bốn bánh xe (bao gồm bánh xe trước trái ω fl , bánh xe trước phải ω fr , bánh xe sau trái ω rl và bánh xe sau phải ω rr )

Hình 4.6 Mô hình xe dựa trên hệ thống phanh vi sai [2]

Ta quy định rằng, góc đánh lái mà hai bánh xe trước nhận được khi xe đánh lái là δ, lực dọc của lốp ở các bánh xe trước trái, trước phải, sau trái và sau phải lần lượt là Fxfl, Fxfr, Fxrl và Fxrr, lực ngang của lốp ở các bánh xe trước trái, trước phải, sau trái và sau phải lần lượt là

Fyfl, Fyfr, Fyrl và Fyrr

Từ đó, ta có phương trình chuyển động thân xe như sau: mẍ = (F xfl + F xfr ) cos(δ) + F xrl + F xrr − (F yfl + F yfr ) sin(δ) + mψ̇ẏ (4.1) mÿ = F yrl + F yrr + (F xfl + F xfr ) sin(δ) + (F yfl + F yfr ) cos(δ) − mψ̇ẋ (4.2)

I z ψ̈ = l f (F xfl + F xfr )sin (δ) + l f (F yfl + F yfr ) cos(δ) − l r (F yrl + F yrr ) + l w

Với l f , l r , l w lần lượt là khoảng cách dọc từ trọng tâm xe đến bánh xe trước, khoảng cách dọc từ trọng tâm đến bánh xe sau và khoảng cách ngang giữa bánh xe trái và phải

Góc trượt và hệ số trượt:

Góc trượt của bánh xe trước được xác định qua phương trình sau: α f = δ −ẏ + l f ψ̇ ẋ (4.4) Góc trượt của bánh xe sau được xác định qua phương trình sau: α r = −ẏ − l r ψ̇ ẋ (4.5) Với hệ số trược dọc, ta xác định như sau:

Hình 4.7 Động học bánh xe

Khi phanh (r eff > r b ): σ x =r eff ω w − ẋ ẋ (4.6) Khi tăng tốc (r eff < r b ): σ x =r eff ω w − ẋ r eff ω w (4.7)

Mô phỏng hệ thống và kết quả đạt được

Giới thiệu về Matlab, Simulink và Carsim, xe Honda Civic

Matlab là một phần mềm được phát triển bởi công ty MathWorks, là một môi trường lập trình và tính toán số, nó cho phép người dùng thực hiện các phép toán, tính toán số với ma trận, các thuật toán, vẽ đồ thị hàm số và biểu đồ dữ liệu, tạo giao diện người dùng và kết nối với các chương trình máy tính viết bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau, chẳng hạn như C++, Java, Python, Matlab còn dùng để phân tích dữ liệu, phát triển thuật toán và tạo mô hình và ứng dụng Với nhiều câu lệnh và thuật toán tích hợp, Matlab giúp người dùng thực hiện mô phỏng tính toán một cách chính xác, là một công cụ vẽ đồ thị dễ dàng và hiệu quả bao gồm một loạt các kiểu đồ thị khác nhau như biểu đồ dạng đường, biểu đồ chấm điểm, đường đồng mức, đường cong và mặt cong ba chiều Ngoài ra Matlab còn cho phép người dùng thao tác trên các dữ liệu đồ thị đó theo ý muốn sử dụng

Hình 5.1 Biểu tượng phần mềm Matlab, Simulink

Simulink là một phần mở rộng của Matlab được sử dụng để mô phỏng, mô hình hóa và phân tích các hệ thống động lực học, hệ tuyến tính và phi tuyến trong thời gian liên tục hoặc gián đoạn Giao diện chính bao gồm một bộ thư viện khối có thể thay đổi giúp xây dựng các sơ đồ khối cho mô hình trở nên đơn giản Có thể điều khiển Matlab hoặc tập lệnh từ nó và được tích hợp chặt chẽ với phần còn lại của môi trường Matlab Simulink được sử dụng rộng rãi trong xử lý tín hiệu kỹ thuật số và điều khiển tự động để mô phỏng đa miền và thiết kế dựa trên mô hình hệ thống Lập trình ở dạng sơ đồ cấu trúc, sử dụng các khối đồ họa để hiển thị các thành phần của mô hình là đặc điểm nổi bật của Simulink

Hình 5.3 Giao diện của phần mềm Simulink

Simulink cung cấp thư viện khối để hỗ trợ thiết kế mô phỏng các thuật toán, sơ đồ khối hệ thống điều khiển động lực Các thư viện hỗ trợ như Continous (chứa các khối để mô phỏng hệ thống liên tục trong khoảng thời gian), Discrete (chứa các khối để mô phỏng các hệ thống rời rạc trong thời gian), Sources (chứa các khối tín hiệu đầu vào cho mô hình hệ thống), Sinks (chứa các khối tín hiệu đầu ra cho mô hình hệ thống), Math Operations (chứa các khối dùng để thực hiện các phép toán học),…

Vì vậy, Simulink cung cấp một môi trường tính toán cho phép thiết lập và kết hợp các công thức Nhóm chúng em đã sử dụng Simulink để thiết lập bộ điều khiển cân bằng điện tử ESP bằng cách sử dụng các giá trị và tín hiệu thu được từ Carsim, sau đó xác định tính toán dữ liệu đầu ra mong muốn và gửi ngược lại cho Models, mô hình hệ thống này sẽ được thực hiện liên tục trong quá trình cho đến khi xe hoàn thành hành trình quãng đường

Hình 5.4 Thư viện khối trong Simulink Các khối thường dùng trong Simulink để mô phỏng hệ thống:

Bảng 5.1 Các khối thường dùng trong Simulink và công dụng của từng khối

Input Tạo cổng tín hiệu đầu vào cho hệ thống

Output Tạo cổng tín hiệu đầu ra cho hệ thống

Goto Đóng gói dữ liệu để chuyển đi nơi khác, đặt tên cho khối

From Nhận dữ liệu gửi từ khối “Goto”, sửa tên cho đúng với tên của khối “Goto” ta muốn liên kết

Gain Đầu ra của khối sẽ được nhân lên theo giá trị thiết lập

Scope Khối hiển thị kết quả bằng đồ thị theo thời gian

Sum Khối cộng các giá trị đầu vào

Max Tìm giá trị lớn nhất giữa các giá trị đầu vào

Min Tìm giá trị nhỏ nhất giữa các giá trị đầu vào

Product Khối nhân các giá trị đầu vào

Abs Khối lấy giá trị tuyệt đối của giá trị đầu vào

Subsytem Khối tổng hợp các sơ đồ thuật toán để tạo thành một hệ thống mẹ hoặc con

Mux Khối dùng để tổng hợp nhiều tín hiệu đầu vào thành 1 tín tín hiệu đầu ra

Demux Khối tách 1 tín hiệu đầu vào thành nhiều tín hiệu đầu ra

Matlab Function Khối dùng để lập trình các thuật toán bằng ngôn ngữ lập trình Matlab

Const Khối tạo hằng số

Switch Dùng để lựa chọn các đầu mong muốn khi so sánh giá trị cần so sánh với ngưỡng thiết lập

Saturation Dùng để giới hạn giá trị với cận trên và cận dưới

Phần mềm Carsim là một phần mềm mô phỏng động học và động lực học về ô tô được phát triển bởi công ty Mechanical Simulation Corporation, là một phần mềm được thiết kế mô phỏng các vấn đề liên quan của xe hơi Nó rất hiệu quả để phân tích và mô phỏng động học xe hơi trong nhiều điều kiện Nó cho phép người dùng mô phỏng nhiều yếu tố khác nhau, chẳng hạn như chuyển động đường cong, tác động của hệ thống treo, lực hành trình và lật, tác động của lực kháng gió, lực hấp dẫn,… Bên cạnh đó, Carsim còn có thể mô phỏng những tiêu chuẩn an toàn như NCAP nhằm đánh giá tiêu chí an toàn của ô tô trước khi đưa ra thử nghiệm thực tế Vì đây là một phần mềm có độ chính xác rất cao, tương đương với thực nghiệm thực tiễn do đó mà đây là phần mềm cực kỳ đắt đỏ

Hình 5.5 Biểu tượng phần mềm Carsim

Phần mềm Carsim được sử dụng để cung cấp hỗ trợ cho việc lái xe và phương thức lái giống hệt như thực tế Phần mềm bao gồm các lựa chọn để điều chỉnh thông số của xe, loại địa hình, hệ số bám mặt đường,… cho phép quá trình thực nghiệm tương tự như thực tế Nhóm chúng em đã nghiên cứu thiết lập bộ điều khiển cân bằng điện tử ESP bằng phần mềm Simulink và nó được thiết lập được thêm vào chiếc xe Carsim để thể hiện mô phỏng trực quan nhất cho giống với những gì mong muốn và đạt yêu cầu đề ra

Hình 5.6 Màn hình giao diện của Carsim

Phần mềm Carsim có thể xuất ra video trực quan kết quả mô phỏng đã thiết lập trước đó, đồng thời có thể hiển thị thêm các kết quả dữ liệu bằng đồ thị để có thể biện luận nhận xét một cách chính xác, từ đó đúc kết kết luận cho hệ thống mà chúng ta đã mô phỏng, những cải tiến và phương pháp tối ưu

Hình 5.7 Hiển thị kết quả mô phỏng bằng hình ảnh động 3D

Hình 5.8 Hiển thị kết quả mô phỏng bằng dữ liệu đồ thị

5.1.3 Giới thiệu xe Honda Civic

Honda Civic là một dòng xe sedan trong phân khúc C có thể được coi là một tượng đài của hãng xe hơi đến từ Nhật Bản, được ra mắt thế hệ đầu tiên vào năm 1972 và ra mắt lần đầu vào năm 2006, đến nay đã trải qua được 11 thế hệ Honda Civic là mẫu xe luôn được khao khát bởi cảm giác lái hay nhất trong phân khúc, kiểu dáng đẹp mắt và thiết kế ngoại thất với phong cách thể thao đầy ấn tượng, liên tục đạt được các giải thưởng danh tiếng Cùng với Toyota Corolla, đây là 2 mẫu xe được cho là dễ bán lại nhất trên thế giới vì giá trị kinh tế và tính bền bỉ đã trở thành thương hiệu của các dòng xe đến từ xứ sở anh đào

Thông số xe Honda Civic 2021:

Bảng 5.2 Một số thống số xe cơ bản trên Honda Civic 2021 [19]

Thông số Giá trị kích thước

Khoảng sáng gầm xe 133 (mm)

Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước 1.05 (m)

Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu sau 1.65 (m)

Mô hình hóa hệ thống

5.2.1 Mô hình hóa hệ thống ABS

Sử dụng Carsim làm môi trường thiết lập để mô phỏng hệ thống phanh ABS, tạo các dataset “test ABS duong cong”, “test No ABS duong cong”, “test ABS DLC”, “test No ABS DLC” và thiết lập trên từng dataset đó

Màn hình giao diện Carsim của từng dataset:

Hình 5.10 Màn hình giao diện của Carsim

Thiết lập thông số xe Honda Civic theo đúng như các thông số xe thực tế, ta chọn dòng C-class hatchback 2017 và “copy and link dataset” mới tạo thành dataset “Civic”, rồi tiến hành vào thay đổi các thông số của xe

Hình 5.11 Khu vực thiết lập loại xe

Hình 5.12 Màn hình giao diện thiết lập các thông số của xe

Tiếp đến chúng ta thiết lập loại mặt đường, thời gian phanh, đánh lái, … các tác động khác nhau để thử nghiệm, khu vực thiết lập:

Hình 5.13 Khu vực thiết lập các đối tượng tác động a Trường hợp 1: đường DLC, vận tốc 120km/h, hệ số bám mu = 0.85 Đối với trường hợp này, ta sẽ mô phỏng xe đang chạy ở lane phải, gặp chướng ngại vật và đánh lái sang trái để tránh và quay trở lại lane ban đầu Ta mở dataset “test ABS DLC” ra tạo một dataset “ABS DLC” để thiết lập các đối tượng tác động ở trong trường hợp này

Hình 5.14 Khu vực thiết lập các đối tượng tác động với loại đường DLC phanh ABS

Hình 5.15 Màn hình giao diện thiết lập các đối tượng tác động với loại đường DLC phanh

ABS Trước hết, ta cần thiết lập loại đường 2 lane, là đường thẳng và có hệ số bám mặt đường là 0.85

Hình 5.16 Khu vực thiết lập loại đường DLC phanh ABS

Hình 5.17 Màn hình giao diện thiết lập loại đường DLC phanh ABS

Hình 5.18 Chọn hệ số bám mặt đường DLC phanh ABS là 0.85

Tiếp đến ta tạo một chướng ngại vật “bánh xe” nằm giữa đường lane bên phải tại vị trí x = 149m và y = - 1.5m

Hình 5.19 Khu vực thiết lập chướng ngại vật đường DLC phanh ABS

Hình 5.20 Màn hình giao diện thiết lập chướng ngại vật đường DLC phanh ABS

Hình 5.21 Khu vực thiết lập đối tượng chướng ngại vật đường DLC phanh ABS

Hình 5.22 Màn hình giao diện thiết lập đối tượng chướng ngại vật đường DLC phanh ABS

Như vậy ta đã hoàn thành xong việc thiết lập loại đường và chướng ngại vật trên đó, ta cần thiết lập đối tượng mô phỏng (xe Civic) của mình chạy theo đúng lane bên phải, đánh lái

120 cần thiết và đạp phanh để tránh chướng ngại vật đó Để thiết lập như vậy, ta sẽ thiết lập xe chạy theo trục x từ 0 - 180m ở vị trí -1.5m (tức giữa lane bên phải), từ 185 – 215m sẽ đánh lái sang trái, tức vị trí y = 1.5 m và từ 220m trở đi cho xe trở về lane phải (y = -1.5m) cho đến khi xe ngừng hẳn

Hình 5.23 Khu vực thiết lập đánh lái loại đường DLC phanh ABS

Hình 5.24 Màn hình giao diện thiết lập đánh lái loại đường DLC phanh ABS

Kế đến là thời điểm phanh, sau khi nhóm thực nghiệm cho chạy thử và nhận thấy rằng xe gần tới chướng ngại vật vào khoảng giây thứ 5, do đó ta có thể thiết lập thời gian phanh từ

0 – 5s thì áp suất phanh là 0Mpa, từ 5.5 – 15s thì áp suất phanh là 18 Mpa

Hình 5.25 Khu vực thiết lập thời điểm phanh ABS trên đường DLC

Hình 5.26 Màn hình giao diện thiết lập thời điểm phanh ABS trên đường DLC b Trường hợp 2: đường cong, vận tốc 120km/h, hệ số bám mu=0.85 Đối với trường hợp này, ta sẽ mô phỏng xe đang chạy ở lane phải, đi thẳng vào khúc cua phải và đạp phanh Ta mở dataset “test ABS duong cong” ra tạo một dataset “duong cong ABS” để thiết lập các đối tượng tác động ở trong trường hợp này

Hình 5.27 Khu vực thiết lập các đối tượng tác động với loại đường cong phanh ABS

Hình 5.28 Màn hình giao diện thiết lập các đối tượng tác động với đường cong phanh ABS

Trước hết, ta cần thiết lập loại đường 2 lane, là đường cong và có hệ số bám mặt đường là 0.85

Hình 5.29 Khu vực thiết lập loại đường cong phanh ABS

Hình 5.30 Màn hình giao diện thiết lập loại đường cong phanh ABS

Hình 5.31 Chọn hệ số bám mặt đường cong phanh ABS là 0.85

Tiếp đến ta cần thiết lập mức độ cong và hướng cong bên phải của đường

Hình 5.32 Khu vực thiết lập mức độ cong của đường

Hình 5.33 Màn hình giao diện thiết lập mức độ cong của đường

Như vậy ta đã hoàn thành xong việc thiết lập loại đường cong, ta cần thiết lập đối tượng mô phỏng (xe Civic) của mình chạy theo đúng lane bên phải, đạp phanh trong khi đang ôm cua cho đến khi xe ngừng hẳn Để thể hiện điều này, ta có thể cho xe chạy theo trục x từ 0 – 200m với tọa độ y = -1.5 Lúc này xe sẽ chạy giữa lane bên phải

Hình 5.34 Khu vực thiết lập xe đi theo tim đường cong bên phải phanh ABS

Hình 5.35 Màn hình giao diện thiết lập xe đi theo tim đường cong bên phải phanh ABS

Kế đến là thời điểm phanh, sau khi nhóm thực nghiệm cho chạy thử và nhận thấy rằng xe đang ôm cua vào khoảng giây thứ 5, do đó ta có thể thiết lập thời gian phanh từ 0 – 5s thì áp suất phanh là 0 MPa, từ 5.5 – 15s thì áp suất phanh là 18 Mpa

Hình 5.36 Khu vực thiết lập thời điểm phanh ABS trên đường cong

Hình 5.37 Màn hình giao diện thiết lập thời điểm phanh ABS trên đường cong 5.2.1.2 Thiết lập sơ đồ khối trên Simulink Để chạy mô phỏng hệ thống phanh ABS và không có phanh ABS, ta cần thiết sơ đồ khối lập mô hình toán Simulink và nhúng vào môi trường Carsim để tiến hành mô phỏng Đầu tiên ở phần mềm Carsim, ta vào Models chọn Simulink và tạo một dataset tên “ABS” và liên kết đường dẫn của mô hình Simulink “ABS” cho Carsim nhận biết

Hình 5.38 Khu vực Run Control with Simulink

Hình 5.39 Màn hình giao diện liên kết đường dẫn và thiết lập Models Simulink phanh ABS Để Simulink nhận biết được Models của chúng ta có đầu vào là gì, đầu ra là gì, ta phải thiết lập lại các đầu ra đầu vào của Models theo những gì ta muốn để mô phỏng trong Simulink Như vậy đối với hệ thống phanh ABS, ta sẽ chọn đầu ra của Models với 6 Output bao gồm (vận tốc các bánh xe (km/h), vận tốc dọc của xe (km/h) và áp suất xi lanh chính (Mpa)) và 4 Input áp suất phanh các bánh xe tới Models

Hình 5.40 Khu vực thiết lập các đầu vào của Models phanh ABS

Hình 5.41 Màn hình giao diện thiết lập các đầu vào của Models phanh ABS

Hình 5.42 Khu vực thiết lập các đầu ra của Models phanh ABS

Hình 5.43 Màn hình giao diện thiết lập các đầu ra của Models phanh ABS

Như vậy ta đã hoàn thành việc thiết lập và liên kết hệ thống, ta cần hoàn thiện phần mô hình toán “ABS” trong Simulink để hoàn tất quá trình mô phỏng Nhấn “Send to Simulink” và ta sẽ thiết lập mô hình toán trên Simulink

Hình 5.44 Màn hình giao diện thiết lập mô hình toán trên Simulink hệ thống phanh ABS

Ta có thể thấy, từ Models Carsim sẽ xuất ra 6 Output (vận tốc bánh xe L1, R1, L2, R2, vận tốc xe và áp suất xi lanh chính), dùng khối “Demux” để tách các tín hiệu này và đưa vào khối tính độ trượt tương đối

Hình 5.45 Bên trong khối tính độ trượt tương đối của các bánh xe

Công thức tính độ trượt tương đối:

Trong đó: V v là vận tốc dọc của xe

V w là vận tốc của mỗi bánh xe

Sau khi tính toán độ trượt tương đối của mỗi bánh, ta nhân với một khối Gain giá trị là

1, mục đích của khối này là để điều khiển hệ thống phanh ABS, nếu Gain 1 tức là hệ thống ABS hoạt động, nếu Gain 0 thì hệ thống ABS sẽ ngừng hoạt động, lúc này áp suất phanh sẽ là cực đại, các bánh xe sẽ bị bó cứng hoàn toàn

Sau khi tính toán độ trượt tương đối, ta cần so sánh giá trị này với giá trị mong muốn là 0.2, để điều khiển hệ thống này, ta có thể sử dụng bộ điều khiển On/Off Controller, một cách hiểu đơn giản rằng nếu độ trượt tương đối lớn hơn hoặc bằng 0.2, ta ngừng phanh (đưa tín hiệu đầu ra khối Matlab Function là 0), nếu độ trượt tương đối nhỏ hơn 0.2 thì ta sẽ đưa áp suất phanh (đưa tín hiệu đầu ra khối Matlab Function là 1)

Hình 5.46 Bên trong Matlab Function bộ điều khiển On/Off Controller

Bộ điều khiển On/Off, PID

5.3.1 Bộ điều khiển On/Off

Có thể thấy rằng bộ điều khiển On/Off là bộ điều khiển đơn giản nhất và nó đã được ứng dụng khá nhiều trong một số ngành trong một thời gian dài và hiện nay vẫn còn được sử dụng Ưu điểm của chế độ này là nó dễ sử dụng và dễ hiểu, điều khiển đơn giản Tuy nhiên, độ chính xác không cao là nhược điểm của nó Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển On/Off khá đơn giản: nếu tín hiệu đầu vào vượt qua ngưỡng đã cài đặt, bộ điều khiển sẽ tác động đến tín hiệu đầu ra Nếu vượt ngưỡng thì “Off” còn chưa vượt ngưỡng thì “On”

Chế độ điều khiển On/Off rất phổ biến, ứng dụng rỗng rãi và dễ sử dụng cho nhiều ứng dụng thực tế vì những đặc điểm này Tuy nhiên, bộ điều khiển này thường có những sai số về độ vọt lố và khó bám được ngưỡng đặt ra một cách tốt nhất

Hình 5.90 Biểu tượng của một bộ điều khiển On/Off [17]

Một cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp là bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ, còn được gọi là bộ điều khiển PID Đây là bộ điều khiển phản hồi phổ biến nhất Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị “sai số - error” là hiệu số giữa giá trị đo được và giá trị ngưỡng mong muốn Bằng cách thay đổi giá trị điều khiển đầu vào, bộ điều khiển sẽ giảm sai số tối đa Bộ điều khiển PID là lựa chọn tốt nhất nếu bạn không có kiến thức cơ bản về hệ thống điều khiển, chẳng hạn như mô hình toán học

Tuy nhiên để đạt được giá trị tốt nhất cho từng yêu cầu đặt ra, các thông số PID được sử dụng trong tính toán phải phù hợp với tính chất của hệ thống để đạt được kết quả tốt nhất

Bộ điều khiển PID sử dụng ba thông số khác nhau: giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, được viết tắt là P, I và D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số Những giá trị này cho thấy mối quan hệ giữa chúng với thời gian như sau: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ và D dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại để dự đoán các sai số tương lai

Bộ điều khiển có thể được sử dụng trong những thiết kế đặc biệt bằng cách điều chỉnh ba hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID Độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống là các yếu tố thể hiện đáp ứng của bộ điều khiển Lưu ý rằng việc sử dụng giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo rằng hệ thống sẽ ổn định hoặc tối ưu

Tùy thuộc vào thiết kế hệ thống, một số ứng dụng có thể chỉ yêu cầu một hoặc hai khâu giá trị Điều này được thực hiện bằng cách đặt các giá trị đầu ra không mong muốn là 0 Nếu không có tác động bị khuyết, một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I Do đáp ứng vi phân rất nhạy đối với các nhiễu, bộ điều khiển PI được sử dụng phổ biến Tuy nhiên, hệ thống có thể không đạt được giá trị mong muốn nếu không có giá trị tích phân

Hình 5.91 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID [18]

Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID:

- Phương pháp chỉnh thủ công: Đặt Ki = Kd = 0 Tăng Kp đến khi hệ thống dao động tuần hoàn Đặt thời gian tích phân bằng chu kỳ dao động Điều chỉnh lại giá trị Kp cho phù hợp Nếu có đao động thì điều chỉnh giá trị Kd

- Phương pháp dùng phần mềm: Dùng phần mềm để tự động chỉnh định thông số PID (thực hiện trên mô hình toán, kiểm nghiệm trên mô hình thực)

Nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp điều chỉnh thủ công để tìm thông số của bộ điều khiển PID như sau:

- Bước 1: Chọn Kp trước, điều chỉnh Kp sao cho thời gian đáp ứng đủ nhanh, chấp nhận overshoot nhỏ

- Bước 2: Thêm thành phần D để loại overshoot, tăng Kd từ từ, thử nghiệm và chọn giá trị thích hợp, Steady state error có thể sẽ xuất hiện

- Bước 3: Thêm thành phần I để giảm steady state error Nên tăng Ki từ bé đến lớn để giảm steady state error đồng thời không để cho overshoot xuất hiện trở lại

Hình 5.92 Tác động của việc tăng một thông số độc lập [18]

Qua thử nghiệm, nhóm chọn hệ số PID như sau:

Hình 5.93 Chọn hệ số PID trong hệ thống điều khiển ESP

Hình 5.94 YawRate des (đường màu vàng) và YawRate actual (đường màu xanh) khi chưa có bộ điều khiển PID

Hình 5.95 YawRate des (đường màu vàng) và YawRate actual (đường màu xanh) khi có bộ điều khiển PID

Nhận xét: Chúng ta đã thấy rõ được khi có bộ điều khiển PID, YawRate actual đã thật sự bám với đường vận tốc lệch mong muốn YawRate des, không có sự vọt lố, sai số tĩnh steady state error nhỏ và thời gian đáp ứng đủ nhanh Hệ thống PID làm việc tốt trong việc điều khiển vận tốc lệch của xe.

Kết quả mô phỏng

5.4.1 Kết quả mô phỏng hệ thống phanh ABS a Trường hợp 1: đường DLC, vận tốc 120km/h, hệ số bám mu=0.85

Ta cho xe chạy với vận tốc 120km/h, có vật cản trên đường Khi đến gần vật cản

(giây thứ 5) cho phanh gấp và đánh lái để né chướng ngại vật sau đó đánh lái trở lại đường và xem kết quả:

Hình 5.96 Đồ thị vận tốc bánh xe của xe có ABS và không có ABS trên đường DLC

Với đồ thị tốc độ tại mỗi bánh xe, ta quan sát được tại giây thứ 5, sau khi phanh gấp, tốc độ 4 bánh ở xe không có hệ thống ABS hỗ trợ giảm ngay lập tức về 0 (bánh xe đứng yên) Lúc

154 này, bánh xe bị bó cứng và xe sẽ chuyển động theo quán tính ban đầu mà nó nhận, chứ không theo góc lái của bánh xe dẫn hướng, khiến cho xe bị mất kiểm soát

Ngược lại, với 4 bánh xe có hệ thống ABS hỗ trợ, tốc độ tại mỗi bánh xe sẽ giảm từ từ (từ ~112km/h xuông 0km/h trong khoảng 4 giây), giúp người lái vẫn kiểm soát được xe trong quá trình giảm tốc

Hình 5.97 Đồ thị áp suất phanh của mỗi bánh đối với xe có ABS và không có ABS trên đường DLC

Sau khi phanh gấp, lực phanh của 4 bánh xe không có ABS hỗ trợ sẽ được đẩy lên cao nhất (18MPa đối với 2 bánh trước và 11MPa đối với 2 bánh sau) trong khoảng thời gian ngắn Đối với xe có hệ thống ABS hỗ trợ, lực phanh đưa đến 4 bánh xe sẽ luôn được hiệu chỉnh tuỳ thuộc vào độ trượt của mỗi bánh xe, nên sẽ thấy rõ lực phanh lên xuống liên tục do quá trình tăng/giảm lực phanh của hệ thống ABS

Hình 5.98 Đồ thị góc xoay vô lăng của xe có ABS và không có ABS trên đường DLC Nhận xét: Đối với xe không trang bị hệ thống ABS, góc đánh lái phải thực hiện để cố gắng đưa xe tránh chướng ngại vật là rất lớn (~720°) và không có khả năng đánh lái trở lại đường bởi xe bị mất kiểm soát do bánh xe trượt lết Đối với xe có trang bị hệ thống ABS, do bánh xe không bị trượt lết, xe không bị mất kiểm soát nên người lái chỉ việc đánh lái một góc rất nhỏ so với xe không có trang bị ABS (~50°) để có thể tránh va chạm với chướng ngại vật và có khả năng đánh lái trở lại đường ổn định với góc lái nhỏ (~420°)

Hình 5.99 Đồ thị độ trượt các bánh xe của xe có ABS và không có ABS trên đường DLC Nhận xét:

Tại thời điểm phanh gấp, tỉ lệ trượt của 4 bánh xe không có ABS hỗ trợ giảm mạnh về -

1 (trượt lết) nhanh chóng Đối với xe có ABS hỗ trợ, tỉ lệ trượt của 4 bánh được hiệu chỉnh bằng việc nhấp nhả lực phanh ở các bánh, khiến cho tỉ lệ trượt ở mỗi bánh được giữ ở mức độ hợp lí (~-0.2) Đây là mức độ phù hợp để giữ cho bánh xe không bị trượt và vẫn có thể giúp xe giảm tốc

Hình 5.100 Đồ thị tọa độ của xe có ABS và không có ABS trên đường DLC

Trên đồ thị, đường “target” của cả 2 xe có ABS và không có ABS biểu diễn cho đoạn đường mong muốn mà xe cần di chuyển tránh chướng ngại vật và quay trở về lại đường Đây sẽ là đường mà xe cần bám theo sát nhất để đạt trạng thái hoạt động tốt nhất

Ta thấy, đối với xe không có hệ thống ABS (đường màu trắng), xe không thể đánh lái như mong muốn và hoàn toàn khác với đường “target” mà ta nhắm đến

Ngược lại, đối với xe có hệ thống ABS (đường màu đỏ), xe có khả năng kiểm soát tốt hơn xe không trang bị hệ thống ABS, đồng thời cũng đáp ứng tiệm cận với “đường target” hơn, có thể thấy xe tránh chướng ngại vật và quay trở lại đường rất tốt b Trường hợp 2: đường cong, vận tốc 120km/h, hệ số bám mu=0.85

Ta cho xe chạy với vận tốc 120km/h trên khúc cua (đường cong) Khi ở trên đường cong, tại giây thứ 5 cho xe phanh gấp và xem kết quả:

Hình 5.101 Đồ thị vận tốc bánh xe của xe có ABS và không có ABS trên đường cong Nhận xét:

Ta quan sát được tại giây thứ 5, sau khi phanh gấp, tốc độ 4 bánh ở xe không có hệ thống ABS hỗ trợ giảm ngay lập tức về 0 (bánh xe đứng yên) Lúc này, bánh xe bị bó cứng và xe sẽ chuyển động theo quán tính ban đầu mà nó nhận, chứ không theo góc lái của bánh xe dẫn hướng, khiến cho xe bị mất kiểm soát

Ngược lại, với 4 bánh xe có hệ thống ABS hỗ trợ, tốc độ tại mỗi bánh xe sẽ giảm từ từ (từ ~112km/h xuông 0km/h trong khoảng 4 giây), giúp người lái vẫn kiểm soát được xe trong quá trình giảm tốc

Hình 5.102 Đồ thị áp suất phanh mỗi bánh của xe có ABS và không có ABS trên đường cong

Sau khi phanh gấp, lực phanh của 4 bánh xe không có ABS hỗ trợ sẽ được đẩy lên cao nhất(18MPa đối với 2 bánh trước và 11MPa đối với 2 bánh sau) trong khoảng thời gian ngắn Đối với xe có hệ thống ABS hỗ trợ, lực phanh đưa đến 4 bánh xe sẽ luôn được hiệu chỉnh tuỳ thuộc vào độ trượt của mỗi bánh xe, nên sẽ thấy rõ lực phanh lên xuống liên tục do quá trình tăng/giảm lực phanh của hệ thống ABS

Hình 5.103 Đồ thị góc xoay vô lăng của xe có ABS và không có ABS trên đường cong Nhận xét: Đối với xe không có trang bị hệ thống ABS, khi đang cua, ta phanh gấp, làm các bánh xe bị bó cứng và xe bắt đầu trượt lết theo quán tính Lúc này khả năng đánh lái để kiểm soát xe là không còn nên góc đánh lái lúc này rất lớn (~720°) Đối với xe có trang bị hệ thống ABS, góc đánh lái phải thực hiện để xe vừa giảm tốc vừa giữ được quỹ đạo khi cua là rất nhỏ (~50°) để có thể ổn định lại quỹ đạo cong khi cua của xe

Hình 5.104 Đồ thị độ trượt mỗi bánh của xe có ABS và không có ABS trên đường cong Nhận xét:

Tại thời điểm phanh gấp, tỉ lệ trượt của 4 bánh xe không có ABS hỗ trợ giảm mạnh về -

1 (trượt lết) nhanh chóng Đối với xe có ABS hỗ trợ, tỉ lệ trượt của 4 bánh được hiệu chỉnh bằng việc nhấp nhả lực phanh ở các bánh, khiến cho tỉ lệ trượt ở mỗi bánh được giữ ở mức độ hợp lí (0.2) Đây là mức độ phù hợp để giữ cho bánh xe không bị trượt và vẫn có thể giúp xe giảm tốc

Hình 5.105 Đồ thị tọa độ của xe có ABS và không có ABS trên đường cong

Trên đồ thị, đường “target” của cả 2 xe có ABS và không có ABS biểu diễn cho độ lệch ngang mong muốn của xe trên đường cong (ở đây target sẽ hướng đến việc xe không bị trượt ngang khi cua) Đây sẽ là đường mà xe cần bám theo sát nhất để đạt trạng thái hoạt động tốt nhất