Nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển hệ thống phanh ô tô có ABS

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Thể hiện sự thay đổi tải trọng của xe khi phanh Hình 1.2 Đường đặc tính của bộ điều hoà lực phanh hai thông số Hình 1.3 Đồ thị quan hệ lực dọc F, lực

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN

CÁC KÝ HIỆU DÙNG CHUNG CHO LUẬN VĂN

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

LỜI NÓI ĐẦU

Chương 1 - TỔNG QUAN 1

1.1 Hệ thống phanh [9] 1

1.1.1 Công dụng của hệ thống phanh 1

1.1.2 Yêu cầu kết cấu của hệ thống phanh 1

1.2 Hệ thống phanh có điều chỉnh lực phanh 2

1.2.1 Bộ điều chỉnh lực phanh (bộ điều hòa lực phanh) 2

1.2.2 Hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh (Antilock Brake Systems: ABS) [21], [9] 4

1.3 Các công trình nghiên cứu ứng dụng lô gic mờ trong ABS 12

1.3.1 Các công trình trong nước 12

1.3.2 Các công trình ngoài nước 12

1.4 Mục tiêu, nội dung, phạm vi, phương pháp nghiên cứu, cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài 15

1.4.1 Mục tiêu 15

1.4.2 Các nội dung cụ thể của luận văn cần thực hiện 15

1.4.3 Phạm vi nghiên cứu 15

1.4.4 Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài 16

Chương 2 - CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CỦA ABS 17

2.1 Mục tiêu điều khiển [12] 17

2.1.1 Các thông số đánh giá hiệu quả phanh 17

2.1.2 Ổn định hướng của ô tô khi phanh 20

2.2 Các phương pháp điều khiển của ABS 24

2.2.1 Điều khiển theo giá trị độ trượt cho trước 24

2.2.2 Điều khiển theo gia tốc góc bánh xe 26

Chương 3 - ỨNG DỤNG LÔ GIC MỜ XÁC ĐỊNH NGƯỠNG ĐIỀU KHIỂN

VÀ TRẠNG THÁI QUAY VÒNG CỦA XE KHI PHANH 32

3.1 Sơ lược tập mờ và điều khiển mờ [2] 32

3.1.1 Tập mờ và lô gic mờ 32

3.1.2 Trình tự tổng hợp bộ điều khiển mờ 40

3.2 Bộ suy luận theo lô gic mờ 42

3.2.1 Định nghĩa biến vào/ra (biến ngôn ngữ) 43

3.2.2 Xác định tập mờ 43

3.2.3 Các luật hợp thành của bộ suy luận mờ 46

3.2.4 Quan hệ giữa biến đầu vào và biến đầu ra của bộ suy luận theo lô gic mờ 47

Chương 4 - MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE 49

4.1 Mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô [10] 49

4.1.1 Các phương trình chuyển động của ôtô 50

4.1.2 Sự nghiêng thân xe và tải trọng thẳng đứng 51

4.1.3 Mô hình bánh xe 56

4.2 Cấu trúc bộ điều khiển chuyển động của ô tô (mô hình phẳng chuyển động của xe) 65

4.3 Mô hình mô phỏng bộ điều khiển sự ổn định của ô tô khi phanh 66

4.4 Mô phỏng hệ thống 68

4.4.1 Mô phỏng đánh giá sự đúng đắn của hệ thống điều khiển ổn định khi phanh 68

4.4.2 Mô phỏng đánh giá hiệu quả phanh và ổn định phanh 73

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 PHỤ LỤC 1

PHỤ LỤC 2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

- Những số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và

chưa hề được sử dụng để bảo một học vị nào

- Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày 06 tháng 06 năm 2012

Tác giả

Bùi Văn Trung

CÁC KÝ HIỆU DÙNG CHUNG CHO LUẬN VĂN

Kí

a Khoảng cách từ tâm cầu trước đến trọng tâm m

m t Khối lượng phần không được treo cầu trước kg

m s Khối lượng phần không được treo cầu sau kg

h t Chiều cao trọng tâm phần không được treo cầu trước m

h s Chiều cao trọng tâm phần không được cầu treo sau m

J z Mômen quán tính ô tô quanh trục thẳng đứng kg.m2

p t Khoảng cách từ tâm nghiêng ngang cầu trước đến mặt đường m

p s Khoảng cách từ tâm nghiêng ngang cầu sau đến mặt đường m

i h Tỷ số truyền của hệ thống lái

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Bảng chân lý mệnh đề hợp thành trong lô gic kinh điển

Bảng 3.2 Các luật hợp thành của bộ suy luận mờ ở vận tốc nhỏ

Bảng 3.3 Các luật hợp thành của bộ suy luận mờ ở vận tốc vừa

Bảng 3.4 Các luật hợp thành của bộ suy luận mờ ở vận tốc nhanh

Bảng 4.1 Bảng so sánh hiệu quả phanh trên đường nửa khô nửa ướt

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Thể hiện sự thay đổi tải trọng của xe khi phanh

Hình 1.2 Đường đặc tính của bộ điều hoà lực phanh hai thông số

Hình 1.3 Đồ thị quan hệ lực dọc F, lực ngang Y giới hạn với độ trượt

Hình 1.4 Bố trí các cụm và sơ đồ hệ thống phanh ABS trên ô tô con

Hình 1.5 Nguyên lý làm việc của ASR

Hình 1.6 Cấu tạo bên ngoài và nguyên lý làm việc của ASR

Hình 1.7 Hệ thống phanh ABS có ASR và EDC trên ô tô tải và ô tô buýt

Hình 2.1 Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi phanh ô tô bị quay đi một góc β

Hình 2.2 Sơ đồ để xác định độ lệch của ô tô khi phanh

Hình 2.3 Sơ đồ thuật toán điều khiển theo độ trượt cho trước

Hình 2.4 Sơ đồ thuật toán điều khiển theo gia tốc gới hạn

Hình 2.5 Sơ đồ thuật toán điều khiển theo luận văn đề xuất

Hình 3.1 Minh hoạ về độ cao, miền xác định và miền tin cậy

Hình 3.2 Hàm thuộc của hai tập hợp có cùng không gian nền

Hình 3.3 Hàm thuộc của hai tập hợp có cùng không gian nền

Hình 3.4 Tập bù mạnh Accủa tập mờ A

Hình 3.5 Giải mờ bằng phương pháp cực đại

Hình 3.6 Giải mờ theo phương pháp điểm trọng tâm

Hình 3.7 Giải mờ theo phương pháp đường phân đối diện tích

Hình 3.8 Sơ đồ mô phỏng bộ suy luận theo lô gic mờ

Hình 3.9 Hàm liên thuộc gia tốc góc xoay thân xe

Hình 3.10 Hàm liên thuộc góc quay vành lái βvl

Hình 3.11 Hàm liên thuộc vận tốc dài của xe

Hình 3.12 Hàm liên thuộc của tín hiệu đầu ra

Hình 3.13 Quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu đầu ra

Hình 4.1 Lực và mômen xác định trong mặt phẳng nằm ngang

Hình 4.2 Sự nghiêng thân xe quanh trục nghiêng dọc

Hình 4.4 Sự thay đổi tải trọng thẳng đứng giữa hai cầu trước và sau

Hình 4.5 Sơ đồ cân bằng lực ngang

Hình 4.6a Lực và mômen ở cầu sau

Hình 4.6b Lực và mômen ở cầu trước

Hình 4.7 Lực và mômen tác dụng lên bánh xe ô tô

Hình 4.8 Đồ thị đặc tính lốp thể hiện mối quan hệ giữa lực dọc Fi, tải trọng Zi, độ trượt dọc si

Hình 4.9 Đồ thị đặc tính lốp thể hiện mối quan hệ giữa lực dọc Fi, góc lệch bên αi

Hình 4.16 Mô hình mô phỏng bộ điều khiển phanh

Hình4.17 Sơ đồ làm việc của ECU

Hình 4.18 Độ trượt khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=36 km/h

Hình 4.19 Độ trượt hai bánh trước khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc v=36 km/h

Hình 4.20 Độ trượt khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=72 km/h

Hình 4.21 Độ trượt hai bánh trước khi phanh gấp trên đường đường nửa khô nửa

ướt ở vận tốc v=72 km/h

Hình 4.22 Gia tốc xe khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=36 km/h

Hình 4.23 Gia tốc xe khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc v=36 km/h

Hình 4.24 Gia tốc xe khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=72 km/h

Hình 4.25 Gia tốc xe khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc v=72 km/h

Hình 4.26 Quãng đường phanh khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=36 km/h Hình 4.27 Quãng đường phanh khi phanh trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc v=36 km/h

Hình 4.28 Quãng đường phanh khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=72 km/h Hình 4.29 Quãng đường phanh khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc v=72 km

Hình 4.30 Quỹ đạo chuyển động của xe khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=36 km/h

Hình 4.31 Quỹ đạo chuyển động của xe khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt

Hình 4.34 Góc quay thân khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=36 km/h

Hình 4.35 Góc quay thân khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc v=36 km/h

Hình 4.36 Góc quay thân khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=72 km/h

Hình 4.37 Góc quay thân khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=72 km/h

Hình 4.38 Độ lệch của ô tô khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc

Hình 4.42 Lực phanh hai bánh trước khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=72 km/h

Hình 4.43 Lực phanh hai bánh trước khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc v=72 km/h

Hình 4.44 Độ trượt hai bánh trước khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc v=90 km/h

Hình 4.45 Độ trượt hai bánh trước khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc v=108 km/h

Hình 4.46 Quãng đường phanh khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc v=90 km

Hình 4.47 Quãng đường phanh khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc v=108 km/h

Hình 4.48 Góc quay thân khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc v=90 km/h

Hình 4.49 Góc quay thân khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc v=108 km/h

Hình 4.50 Quỹ đạo chuyển động của xe khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, sự bùng nổ giao thông cùng với sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế đã gây nên cơn sốc đối với Chính Phủ nhiều nước châu Á Mặc

dù số lượng ô tô, xe máy, xe buýt của các nước trên châu lục chỉ chiếm 16% số lượng toàn cầu, nhưng theo thống kê của Tổ chức Y tế thế giới (WHO), tỷ lệ tai nạn giao thông (TNGT) ở châu Á chiếm 50% trên toàn thế giới Mỗi năm, TNGT cướp

đi mạng sống của hơn 600.000 người châu Á, làm 9,4 triệu người khác bị thương nặng Những con số thống kê trên cho thấy, mạng lưới giao thông đường bộ ở châu

Á đã trở nên nguy hiểm nhất thế giới Tại Thái Lan, theo số liệu của Bộ Y tế cho biết, TNGT là nguyên nhân gây tử vong lớn thứ 3, chỉ xếp sau bệnh AIDS và bệnh tim Còn ở Trung Quốc và Ấn Độ, nơi những người thuộc tầng lớp có thu nhập trung bình đổ xô đi mua sắm phương tiện giao thông mới, số lượng các vụ đụng độ trên đường đã tăng đột biến, ngoài tầm kiểm soát của Chính Phủ Ông P.K.Sikdar, Giám đốc Viện Nghiên cứu đường bộ trung ương, một cơ quan tư vấn có trụ sở đặt tại New Delhi cho biết: TNGT đường bộ cũng là nguyên nhân gây tử vong thứ 3 ở

Ấn Độ, xếp sau động đất và gió xoáy, nhưng khác với hai nguyên nhân trên, TNGT xảy ra đều đặn và hầu như không lúc nào ngừng Hằng năm, 80.000 người Ấn Độ bị TNGT cướp đi mạng sống

Ở Việt Nam, vấn nạn đó càng trầm trọng hơn, theo số liệu thống kê của Uỷ ban An toàn giao thông quốc gia thì hiện nay số lượng các vụ tai nạn giao thông đã tăng một cách đáng kể Trong năm 2011, cả nước xảy ra 44.548 vụ tai nạn giao thông, làm 11.395 người chết và 48.734 người bị thương

Nước ta hiện nay do nền kinh tế mới phát triển và hội nhập, số lượng ô tô du lịch ngày càng tăng nhanh cả về số lượng, chủng loại Tính đến hết năm 2011, số lượng ô tô, xe máy đăng ký mới cũng tăng thêm 35.800 phương tiện, đồng thời ngành công nghiệp sản xuất ô tô đang hình thành với nhiều tiềm năng Số lượng ô

tô tăng nhanh, mật độ lưu thông trên đường ngày càng lớn, các xe ô tô được thiết kế với công suất cao, tốc độ chuyển động nhanh, đòi hỏi hệ thống phanh ngày càng hoàn thiện với nhiều công nghệ, kỹ thuật mới, hiện đại được ứng dụng

Một vấn đề được đặt ra đồng thời cũng là bài toán cần phải giải quyết đối với hoạt động của hệ thống phanh trong đó có hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh ABS có ý nghĩa lớn đối với tính năng an toàn và ổn định chuyển động của ô

tô Tuy nhiên, nếu chỉ điều khiển chống bó cứng bánh xe khi phanh thì xe dễ bị xoay quanh trục thẳng đứng và mất ổn định hướng chuyển động khi phanh trên đường có hệ số bám hai bên không đồng nhất Để tránh hiện tượng đó, cần thiết phải theo dõi góc quay thân xe, nếu thân xe bị xoay cần được được điều chỉnh lực phanh ngay cả khi độ trượt bánh xe không lớn Việc xây dựng thuật toán điều khiển

hệ thống phanh ABS như vậy có ý nghĩa thực tế trong việc phát triển các hệ thống điều khiển chuyển động ổn định của ô tô tại Việt Nam

Với mong muốn góp một phần nhỏ để giải quyết các vấn đề nêu trên, đề tài

“Nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển hệ thống phanh ô tô có ABS ” được

thực hiện

Nội dung của đề tài có thể hình thành các tài tài liệu giảng dạy Kết quả của

đề tài có thể dùng để tổng hợp bộ điều khiển điện tử, khảo sát trên mô hình thực nghiệm để khẳng định khả năng nghiên cứu, làm chủ về công nghệ mới đã và đang được áp dụng trên xe ô tô

Dưới sự hướng dẫn của PGS TS Hồ Hữu Hải, các thầy trong Bộ môn Ô tô

và Xe chuyên dụng, các bạn đồng nghiệp khác đề tài đã được hoàn thành Đề tài thực hiện tại Bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng - Viện Cơ khí Động lực - Trường Đại

học Bách Khoa Hà Nội Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng tận tụy của PGS

TS Hồ Hữu Hải, sự đóng góp ý kiến quý báu của các thầy, các bạn đồng nghiệp để

bản luận văn được hoàn thành

Do thời gian hạn chế nên bản luận văn khó tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của các thầy và các bạn đồng nghiệp

Tác giả xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 5 năm 2012

Tác giả Bùi Văn Trung

Chương 1 - TỔNG QUAN

1.1 Hệ thống phanh [9]

1.1.1 Công dụng của hệ thống phanh

Hệ thống phanh có chức năng giảm tốc độ chuyển động tới tốc độ chuyển động nào đó hoặc dừng hẳn ở một vị trí nhất định Thông thường, quá trình phanh

xe được tiến hành bằng cách tạo ma sát giữa phần quay và phần đứng yên trên xe, như vậy động năng chuyển động của xe biến thành nhiệt năng của cơ cấu ma sát và được truyền ra môi trường xung quanh

Hệ thống phanh trên ô tô gồm có các bộ phận chính: cơ cấu phanh, dẫn động phanh Ngày nay trên cơ sở các bộ phận kể trên, hệ thống phanh còn được bố trí thêm các thiết bị để nâng cao hiệu quả phanh

- Cơ cấu phanh: được bố trí gần bánh xe, thực hiện chức năng của các cơ cấu ma sát nhằm tạo ra mômen hãm trên các bánh xe của ô tô

- Dẫn động phanh: bao gồm các bộ phận liên kết từ các cơ cấu điều khiển (bàn đạp phanh, cần kéo phanh) tới các chi tiết điều khiển sự hoạt động của cơ cấu phanh Dẫn động phanh dùng để truyền và khuếch đại lực điều khiển từ cơ cấu điều khiển phanh đến các chi tiết điều khiển hoạt động của cơ cấu phanh

1.1.2 Yêu cầu kết cấu của hệ thống phanh

Hệ thống phanh trên ô tô cần đảm bảo các yêu cầu cơ bản sau:

- Có hiệu quả phanh cao nhất ở tất cả các bánh xe, nghĩa là đảm bảo quãng đường phanh ngắn nhất, khi phanh gấp trong trường hợp nguy hiểm,

- Điều khiển nhẹ nhàng và thuận lợi: lực tác dụng lên bàn đạp hay cần kéo điều khiển phù hợp với khả năng thực hiện liên tục của người điều khiển,

- Đảm bảo sự ổn định chuyển động của ô tô và phanh êm dịu trong mọi trường hợp,

- Dẫn động phanh phải có độ nhạy cao, đảm bảo mối tương quan giữa lực bàn đạp với sự phanh của ô tô trong quá trình thực hiện phanh,

- Cơ cấu phanh thoát nhiệt tốt, duy trì ổn định hệ số ma sát trong cơ cấu phanh trong mọi điều kiện sử dụng,

- Hạn chế tối đa hiện tượng trượt lết bánh xe khi phanh với các cường độ lực bàn đạp khác nhau,

- Có khả năng giữ ô tô đứng yên trong thời gian dài, kể cả trên nền đường dốc,

- Đảm bảo độ tin cậy của hệ thống trong khi thực hiện phanh trong mọi trường hợp

sử dụng, kể cả khi một phần dẫn động điều khiển có hư hỏng

1.2 Hệ thống phanh có điều chỉnh lực phanh

Quá trình phanh tiến hành tốt nhất khi lực phanh gần xấp xỉ bằng lực bám, tức là mômen phanh sinh ra trong cơ cấu phanh cần tương ứng với mômen bám của bánh xe Có thể hiểu đơn giản là: mômen phanh sinh ra trong cơ cấu phanh cần tỷ lệ với giá trị tải trọng thẳng đứng của bánh xe khi phanh, đảm bảo nâng cao hiệu quả điều khiển phanh và điều khiển hướng chuyển động cho ô tô

Quy luật tổng quát đã chỉ ra: khi càng tăng cường độ phanh (so sánh giữa phanh nhẹ và phanh gấp), tải trọng thẳng đứng đặt trên cầu trước G1 càng tăng cao, còn tải trong thẳng đứng trên cầu sau G2 càng giảm (xem hình 1.1)

Hình 1.1 Thể hiện sự thay đổi tải trọng của xe khi phanh

Do vậy cầu sau có nhiều khả năng bị trượt lết bánh xe

Theo xu hướng hoàn thiện hệ thống phanh trên ô tô có thể bố trí bộ điều chỉnh lực phanh hoặc bộ chống hãm cứng bánh xe (ABS)

1.2.1 Bộ điều chỉnh lực phanh (bộ điều hòa lực phanh)

Trong hệ thống phanh thủy lực cũng như hệ thống phanh khí nén, áp suất thủy lực (hoặc khí nén) dẫn ra các bánh xe của cầu trước và cầu sau có thể bằng nhau hoặc khác nhau Đa số ô tô có bố trí sử dụng các kết cấu phân bố áp suất dầu

như nhau Như vậy các bánh xe cầu sau thường bị trượt lết, cần hạn chế áp suất dầu phanh dẫn tới

Một số hệ thống sử dụng van phân phối (phanh khí nén) hoặc xi lanh chính hai dòng có áp suất khí nén, thủy lực ra các dòng khác nhau Mức độ thay đổi áp suất giữa các dòng phanh phụ thuộc vào lực bàn đạp, không phụ thuộc vào tải trọng thẳng đứng lên trên cầu xe Mặc dù chất lượng phanh trong trường hợp này có cải thiện hơn, nhưng chỉ thích hợp trong một số ít các tình trạng thực tế khi phanh trên đường

Ngày nay, hệ thống phanh trên ô tô dùng van phân phối hoặc xi lanh chính hai dòng có áp suất các dòng ra như nhau với bộ điều hòa lực phanh (bộ tự động điều chỉnh áp suất ra cầu sau) Bộ điều hòa lực phanh có nhiều dạng cấu trúc khác nhau, tuy nhiên các dạng cấu trúc đều tập trung giải quyết yêu cầu như trên hình 1.2

Hình 1.2 Đường đặc tính của bộ điều hoà lực phanh hai thông số

- Loại điều hòa lực phanh bằng van hạn chế áp suất, làm việc trên cơ sở của

sự thay đổi áp suất sau xi lanh chính (bộ điều hòa tĩnh)

- Loại điều hòa lực phanh bằng van hạn chế áp suất, làm việc trên cơ sở của

sự thay đổi áp suất sau xi lanh chính và tải trọng tác dụng lên các bánh xe của các cầu (bộ điều hòa hai thông số)

Bộ điều hòa tĩnh có khả năng điều chỉnh áp suất xi lanh chính, do đó khi tải

trọng trên các bánh xe sau thay đổi lớn, áp suất dầu không thay đổi theo Ngày nay

thường dùng bộ điều hòa hai thông số do khả năng làm việc thích hợp hơn so với bộ

điều hòa tĩnh

Như được thể hiện trên hình 1.2, đặc tính của bộ điều hòa lực phanh Đường

nét đứt thể hiện mối quan hệ giữa áp suất (p) trong xi lanh bánh xe trước và sau khi

không có bộ điều hòa Đường cong liền thể hiện mỗi quan hệ giữa áp suất trong xi

lanh bánh trước và sau ở điều kiện lý tưởng (yêu cầu) Đường liền gãy khúc thể hiện

mỗi quan hệ giữa áp suất trong xi lanh bánh trước và sau khi có bộ điều hòa lực

phanh Đường này bám sát đường lý tưởng nên đã được cải thiện chất lượng phanh

1.2.2 Hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh (Antilock Brake Systems:

ABS) [21], [9]

a Lịch sử phát triển của hệ thống ABS

Hệ thống ABS được sử dụng đầu tiên trên các máy bay thương mại vào năm

1949, chống hiện tượng trượt ra khỏi đường băng khi máy bay hạ cánh Nhưng do

công nghệ của những năm đó còn hạn chế vì vậy kết cấu hệ thống ABS còn cồng

kềnh, hoạt động không tin cậy, quá trình làm việc chưa linh hoạt trong các tình

huống

Năm 1969, công nghệ kỹ thuật điện tử phát triển, các vi mạch (microchip) ra

đời, hệ thống ABS lần đầu tiên được lắp trên ô tô Công ty Toyota sử dụng lần đầu

tiên vào năm 1971, đây là hệ thống ABS 1 kênh điều khiển đồng thời 2 bánh sau

Năm 1980 kỹ thuật điều khiển điện tử, vi xử lý (digitalmicroprocessors/microcontrollers) thay cho các hệ thống điều khiển tương tự

(analog) đơn giản trước đó

Trong giai đoạn đầu, hệ thống ABS chỉ được lắp trên các xe du lịch cao cấp,

đắt tiền, theo yêu cầu của thị trường, dần dần hệ thống này được đưa vào sử dụng

rộng rãi hơn Đến nay, ABS đã trở thành tiêu chuẩn bắt buộc đối với các loại xe du

lịch và các xe hoạt động ở những vùng đường băng tuyết dễ trơn trượt Mặt khác,

hiện nay hệ thống ABS không chỉ thiết kế trên các hệ thống phanh dẫn động thuỷ

lực mà còn ứng dụng rộng rãi trên hệ thống phanh dẫn động khí nén của các xe tải

và xe khách cỡ lớn Nhằm nâng cao tính ổn định và an toàn của xe khi hoạt động, hệ thống ABS còn được thiết kế kết hợp với nhiều hệ thống khác:

- Hệ thống kiểm soát lực kéo Traction Regulator Control (TRS) hay Acceleraion Slip Regulator (ASR)

- Hệ thống phân phối lực phanh bằng điện tử Electronic Brakeforce Distribution (EBD) và hệ thống trợ lực phanh khẩn cấp Brake Assit System (BAS)

- Hệ thống làm tăng lực phanh ở các bánh xe Brake Assist System (BAS), để quãng đường phanh ngắn nhất trong trường hợp phanh gấp

Ngày nay, với sự hỗ trợ của kỹ thuật điện tử, điều khiển tự động, các phần mềm tính toán, lập trình mạnh như Matlab – Simulink, Matlab - Stateflow cho phép nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp điều khiển mới trong hệ thống ABS như điều khiển mờ, điều khiển thông minh, tối ưu hoá quá trình điều khiển ABS

b Mục tiêu của ABS

Mục tiêu của ABS là điều khiển áp suất dầu trong cơ cấu chấp hành hệ thống phanh giữ cho bánh xe trong quá trình phanh có độ trượt thay đổi trong giới hạn hẹp quanh giá trị λ0 để tận dụng được hết khả năng bám, khi đó hiệu quả phanh sẽ cao nhất,

đồng thời tính ổn định và tính dẫn hướng là tốt nhất

c Cơ sở lí thuyết của ABS

Trong quá trình phanh, mômen phanh trong cơ cấu phanh ngăn cản chuyển động quay của các bánh xe, nhưng mômen phanh phụ thuộc vào điều kiện bám giữa bánh xe và nền đường, tức là phụ thuộc vào độ trượt của bánh xe trên nền đường

Hình 1.3 Đồ thị quan hệ lực dọc F, lực ngang Y giới hạn với độ trượt

Hình 1.3 biểu diễn mối quan hệ giữa lực dọc F giới hạn, lực ngang Y giới hạn với độ trượt (%) trên

Khi phanh xe đang chuyển động, nếu bánh xe bị bó cứng hoàn toàn, độ trượt giữa bánh xe và mặt đường là 100%, lực dọc F giới hạn, lực ngang giới hạn giữa bánh xe và mặt đường giảm xuống rất thấp Điều đó dẫn đến giảm hiệu quả phanh

và giảm khả năng ổn định của ô tô Như vậy sự lăn của bánh xe khi phanh cần thiết được xem xét với mối quan hệ tối ưu giữa lực phanh, lực lọc với độ trượt bánh xe Qua đồ thị nhận rõ: khi độ trượt nằm trong khoản 15%÷30%, lực dọc và lực ngang

có thể đạt giá trị lớn Khi độ trượt lơn hơn 50%, lực dọc và lực ngang bắt đầu suy giảm và có thể giảm mạnh

Để hoàn thiện chất lượng phanh, trên ô tô bố trí các hệ thống điện tử điều khiển sự quay của các bánh xe độc lập (hoặc chung một số bánh xe) sao cho: trong quá trình phanh, mômen phanh được điều khiển đảm bảo độ trượt nằm trong giới hạn 15%÷30% Quá trình điều khiển mômen phanh được thực hiện theo:

Vận tốc chuyển động của ô tô,

Gia tốc góc quay thân xe,

Độ trượt giới hạn yêu cầu

Hệ thống điều khiển điện tử (ABS) thực hiện chức năng điều khiển mômen phanh, góp phần hoàn thiện chất lượng phanh ô tô với sự biến động thường xuyên của các thông số kể trên

d Sơ đồ nguyên lí cơ bản của hệ thống phanh ABS trên ô tô con

ABS trong hệ thống phanh thủy lực là một bộ tự động điều chỉnh áp suất dàu phanh đưa vào các xi lanh bánh xe sao cho phù hợp với chế độ lăn của bánh xe, nhằm nâng cao hiệu quả điều khiển phanh

Mô tả cấu trúc các cụm bố trí trên xe và sơ đồ hệ thống phanh ABS thủy lực

cơ bản được trình bày trên hình 1.4

Ngoài các cụm của hệ thống phanh thủy lực thông thường, hệ thống phanh

có ABS còn thêm: các cảm biến tốc độ bánh xe, bộ điều khiển trung tâm ABS), các van điều chỉnh áp suất được bố trí trước xi lanh bánh xe (block thủy lực ABS)

(ECU-Chức năng của các bộ phận chính như sau:

- Cảm biến tốc độ bánh xe nhằm xác định tốc độ góc của bánh xe và chuyển thành tín hiệu điện gửi đến bộ ECU-ABS

- Bộ điều khiển trung tâm (ECU-ABS) theo dõi sự thay đổi tốc độ góc quay bánh xe khi phanh, xác định tốc độ ô tô, gia tốc góc của bánh xe, cấp tín hiệu điều khiển đến các van điều chỉnh áp suất dầu để đảm bảo độ trượt tối ưu (15%÷30%)

Hình 1.4 Bố trí các cụm và sơ đồ hệ thống phanh ABS trên ô tô con

e Các liên hợp với ABS

Để nâng cao chất lượng hoạt động của ô tô trên các điều kiện sử dụng khác nhau, trên các ô tô sử dụng ABS với chức năng sử dụng liên hợp:

- BAS: Hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp dùng trên ô tô con,

- TRC: Hệ thống điều khiển lực kéo bánh xe gồm:

+ ASR: Kiểm soát trượt quay bánh xe chủ động,

+ VSC: Kiểm soát ổn định hướng

Cảm biến tốc độ ECU-ABS

Bộ chấp hành của phanh

Càng phanh

Cảm biến tốc độ bánh xe

Cảm biến tốc độ bánh xe Bánh r ăng

t ạo xung Phanh đĩa

Đèn báo ABS Đèn báo hệ thống phanh Đồng hồ đo tốc độ

Bộ chấp hành c ủa phanh

Bộ điều khiển trung tâm

C ảm biến

t ốc độ bánh

xe

Cảm

bi ến tốc độ bánh

xe

Công tắc báo mức dầu phanh Công tắc đèn phanh

DLC3

- EDC: Bộ tự động hạ mức cung cấp nhiên liệu

* Nguyên lý cơ sở của ASR và EDC

Tương tự sự trượt lết khi phanh, sự trượt quay cũng có tác động xấu tới khả năng bám của bánh xe, gây tiêu thụ nhiên liệu vô ích, giảm khả năng ổn định chuyển động và gây mài mòn nhanh lốp

Nếu coi ô tô chuyển động với mômen chủ động từ động cơ truyền xuống bán trục là 100%, khả năng bám trên nền chỉ bằng 30%, bánh xe có khả năng chuyển động với giá trị mômen xấp xỉ bằng mômen bám và làm tốt các yếu tố động lực của

ô tô

Khi bánh xe trượt quay, nhờ thiết bị ASR (phanh bớt mômen kéo) và EDC (hạ thấp mômen truyền từ động cơ), mômen truyền xuống bánh xe giảm, bánh xe không bị trượt lớn

Sự trượt quay chỉ xuất hiện trên các bánh xe chủ động, do vậy ASR được bố trí trên các bánh xe này, cùng với EDC để hạn chế mômen động cơ truyền xuống bánh xe

Muốn làm việc ở chế độ ASR cần thiết phải có cơ cấu kích hoạt chuyển sang chế độ

có ASR

Trên ô tô ngày nay sử dụng một phím kích hoạt, tại chế độ này đèn ASR sáng Người lái xe điều khiển ô tô trên đường, khi thấy tác động của việc nhấn sâu

ga không có hiệu quả nâng cao tốc độ chuyển động, sẽ chuyển sang chế độ làm việc

có ASR Khi chuyển động trên đường tốt để phát huy tốc độ lập tức nhả phím ấn, khi đó chờ ô tô hoạt động theo chế độ ABS

Cụm van điện từ ASR trên ô tô buýt có tác dụng điều khiển mạch cung cấp khí nén ASR Khi kích hoạt làm việc ở chế độ ASR, đồng thời đưa ABS tham gia hoat động

* Cụm van điều khiển áp suất khí nén ASR

Cụm van ASR có tác dụng điều khiển cung cấp khí nén cho cụm van ABS nhằm tiến hành phanh bánh xe chủ động, khi bánh xe xuất hiện trượt quay ở một giá trị tính toán trước Cấu trúc van ASR được trình bày trên hình 1.6, bao gồm: vỏ, cuộn dây, lõi từ đồng thời là van, đầu nối dây điện

Hình 1.6 Cấu tạo bên ngoài và nguyên lý làm việc của ASR

Cấu trúc van có dạng van chặn điện từ Van được mở khi có tín hiệu điện đưa vào cuộn dây, thắng lực lò xo và mở dòng khí cấp cho van điều khiển ABS Khí nén được lấy trực tiếp từ bình chứa khí nén

Hệ thống cung cấp trên xe tạo nên hai mạch cấp khí nén song song và được góp chung tại van đổi chiều và xả nhanh 12 trên sơ đồ tổng quát

Nếu không được kích hoạt ASR, khí nén được cấp từ bình chứa tới van đổi chiều và xả nhanh 6 (xem hình 1.7) chờ kích hoạt bằng bàn đạp phanh và cấp khí nén cho van điều khiển áp suất ABS Nếu ASR được kích hoạt, khí nén được cấp đến van ASR và tới van đổi chiều và xả nhanh 6, mở thông thường cấp khí nén cho van ABS (nằm nối tiếp sau van ASR)

Sau đây là mô tả phối hợp giữa ASR và ABS:

P

Đường khí

xả (R)

Đầu nối 24V

Đầu nối 24V

Cuộn dây

Từ van phân phối (P)

Trạng thái Hoạt động của hệ

Ấn phím (kích hoạt)

Trượt lết Trượt quay

+

Cụm ASR là một phần của hệ thống điều khiển lực kéo (TRC), nhằm mục đích chống quay trơn bánh xe khi khởi hành và khi chuyển động trên đường trơn

* Nguyên lý tự động điều chỉnh hạ chân ga (EDC) có thể được bố trí trên ô tô,

nguyên lý của hệ thống có thể được mô tả trên hình 1.7 Các chi tiết cơ bản của EDC

nằm bên phải của hình vẽ Liên kết giữa bàn đạp chân ga và thanh răng bơm cao áp không bố trí liên kết cơ khí thông thường Khối ECU-EDC được bố trí như một bộ phận của ECU toàn xe ECU có nhiệm vụ điều khiển thanh răng bơm cao áp bằng

mô tơ bước thông qua ECU-EDC

Tín hiệu điều khiển quan trọng là tốc độ và vị trí bàn đạp chân ga Thông qua ECU vị trí thanh răng được xác định và hạn mức độ bàn đạp chân ga xuống tương ứng Khi đó ABS làm việc với mức độ phanh nhẹ hơn (có thể không cần phanh), mà mômen quay bánh xe không vượt quá giới hạn trượt của bánh xe

Hình 1.7 H ệ thống phanh ABS có ASR

và EDC trên ô tô tải và ô tô buýt

1 CB tốc độ bánh xe

2 Vành răng cảm biến

3 ECU ABS+ASR

4 Van điều khiển áp suất ABS

5 Van điều khiển ASR

6 Van đổi chiều xả phanh

7 Van phân phối hai dòng

8 Bộ điều khiển tải trọng

9 B ầu phanh bánh xe sau

1.3 Các công trình nghiên cứu ứng dụng lô gic mờ trong ABS

1.3 1 Các công trình trong nước

Như đã biết, năm 2007, tác giả Phạm Quang Hưng [3] đã nghiên cứu mô phỏng hệ thống lái bốn bánh xe dẫn hướng dùng cho ô tô con Tác giả đã nghiên cứu xác lập quan hệ góc quay dẫn hướng bánh xe cầu sau theo góc quay cầu trước

và vận tốc chuyển động của ô tô, tổng hợp bộ điều khiển hướng bánh xe cầu sau trên cơ sở lô gic mờ bằng công cụ fuzzy control toolbox của Matlab, xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển bánh xe cầu sau dẫn hướng và mô phỏng hệ thống một số trường hợp làm việc điển hình bằng công cụ Matlab-Simulink

Năm 2008, các tác giả Lê Hùng Lân, Nguyễn Văn Tiềm [5], ở Bộ môn Điều khiển học, Khoa Điện – Điện tử thuộc Trường Đại học Giao thông Vận tải, đã nghiên cứu: “Tổng hợp điều khiển thích nghi hệ thống chống bó cứng bánh xe ô tô khi phanh trên cơ sở mô hình mờ” Trong bài báo này đã sử dụng lô gic mờ để tự động nhận dạng hệ số ma sát mặt đường, sau đó thiết kế bổ sung mạch điều khiển thích nghi, kết quả mô phỏng cho thấy quá trình phanh luôn đảm bảo được độ trượt

ở giá trị tối ưu, hướng sử dụng lô gic mờ cho bài toán này cũng được đề cập tới Tuy nhiên chưa được ứng dụng vào thực tế

Năm 2009, tác giả Nguyễn Thành Công [2] đã nghiên cứu ứng dụng lô gic

mờ trong điều khiển chuyển động ổn định của ô tô Về mặt ứng dụng lô gic mờ, tác giả đã tổng hợp được bộ điều khiển chuyển động ổn định của ô tô trên cơ sở lô gic

mờ bằng công cụ fuzzy control toolbox của phần mềm Matlab-Simulink

1.3.2 Các công trình ngoài nước

Năm 1995, tác giả G F Mauer [16] đã nghiên cứu “A fuzzy logic controller for an ABS braking system ” với nội dung thiết kế bộ điều khiển ứng dụng lô gic mờ dùng cho xe có ABS nhằm xác định điều kiện mặt đường và đưa ra một tín hiệu điều khiển áp suất phanh, dựa vào giá trị hệ số trượt cho trước, hiện tại

và áp suất phanh Bộ điều khiển xác định ngay lập tức hãm bánh xe và sự trượt quá mức Hệ thống ABS được thực hiện thử nghiệm trên mô hình ¼ với hệ thống treo

đàn hồi phi tuyến Bài báo này đã mô tả tiêu chuẩn thiết kế và đưa ra kết cấu quy tắc của hệ thống Các kết quả mô phỏng của hệ thống được tiến hành trên nhiều loại đường và dưới các điều kiện đường thay đổi rất nhanh

Năm 2002, các tác giả F YU1, J.-Z FENG2 và J LI3 [15] đã nghiên cứu “A fuzzy logic controller design for vehicle ABS with a on-line optimized target wheel slip ratio”, nội dung của bài báo nói về thiết kế bộ điều khiển lô gic mờ dùng cho xe có hệ thống ABS với mục đích duy trì hệ số bám trong vùng tối ưu để đảm bảo quãng đường phanh nhỏ nhất

và ổn định khi phanh Lô gic mờ được áp dụng để duy trì mục đích tối ưu hóa tỷ lệ trượt giữa giảm tốc độ phanh, quãng đường phanh và tính ổn định hướng khi phanh Mục đích trên đạt được bằng cách sử dụng mô hình chiếc xe phi tuyến 8-DOF và thử nghiệm mô phỏng được tiến hành ở các điều kiện khác nhau

Năm 2003, các tác giả P Khatun, C M Bingham, Member, IEEE, N Schofield, và P H Mellor [21] đã nghiên cứu ứng dụng các thuật toán điều khiển

mờ dùng cho hệ thống phanh chống hãm của xe điện/hệ thống điều khiển lực kéo, bài báo đã nghiên cứu sơ bộ bộ điều khiển lô gic mờ để điều khiển độ trượt bánh xe đối với hệ thống chống hãm xe điện Các nghiên cứu mô phỏng được thử nghiệm sau đó rút ra quy tắc để tiến hành trên hệ thống phanh Việc thử nghiệm trên các điều kiện khác nhau với nhiều loại lốp Các hàm liên thuộc của logic mờ sau đó được xác định lại bằng cách phân tích các dữ liệu từ kết quả mô phỏng ở hệ số bám cao Độ tin cậy của việc điều khiển trượt bằng lô gic mờ tiếp tục được thử nghiệm bằng các ứng dụng các bộ điều khiển kết quả trên phạm vi rộng của các điều kiện vận hành Các kết quả cho thấy ABS/việc kiểm soát lực kéo có thể cải thiện đáng kể theo chiều dọc và kiểm soát tối ưu các bánh xe truyền động, cụ thể dưới điều kiện băng tuyết

Năm 2005, công trình “Design of an Optimal Fuzzy Controller for Antilock Braking Systems” của các tác giả A Mirzaei, M Moallem, B Mirzaeian, B.Fahimi [21] đã nghiên cứu phát triển và cải tiến hệ thống chống hãm cứng khi điều khiển xe phanh gấp trên các bề mặt đường trơn trượt Mục đích của việc điều khiển là tăng lực kéo của xe theo hướng mong muốn trong khi vẫn duy trì sự ổn định xe thích hợp

điều khiển dễ dàng và giảm quãng đường phanh Trong bài báo này, việc tối ưu hóa

bộ điều khiển mờ được đề xuất đối với hệ thống chống hãm cứng Hàm mục tiêu được xác định để duy trì sự trượt của bánh xe ở mức mong muốn sao cho lực kéo của bánh xe lớn nhất và sự giảm tốc độ của xe là tối ưu Tất cả các thành phần của

hệ thống mờ được tối ưu hóa bằng cách sử dụng các thuật toán chung Các kết quả

mô phỏng thể hiện hiệu quả của bộ điều khiển phanh trên các điều kiện đường khác nhau là rất tốt nhưng chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu lý thuyết

Năm 2007, các tác giả Bin Li, Daofei Li và Fan Yu [13], Viện Kỹ thuật ô tô, Trương đại học Giao thông Thượng Hải, Trung Quốc đã thiết kế bộ điều khiển lô gic mờ: “Vehicle Yaw Stability Control Using the Fazzy-Logic Controller” nhằm nâng cao chuyển động ổn định của ô tô thông qua hệ thống phân phối lực phanh tại các bánh xe để điều khiển vận tốc xoay thân xe và góc lệch bên thân xe gần với giá trị mong muốn Các tác giả đã xây dựng mô hình chuyển động của xe với mô hình lốp phi tuyến và mô phỏng chuyển động của ô tô khi có bộ điều khiển chuyển động khi ô tô chuyển làn (tín hiệu góc quay vành lái dạng hình sin) và khi ô tô quay vòng (tín hiệu góc quay vành lái dạng J-turn)

Năm 2007, công trình “Yaw stabilization of a vehicle by yaw stability controller based on Fuzzy Logic” được công bố, của các tác giả Sang-Jin Ko, Jeong-Jung Kim và Ju-Jang Lee [20], Viện Khoa học và Công nghệ tiến bộ Hàn Quốc đã đề xuất một bộ điều khiển lô gic mờ để điều khiển chuyển động ổn định của ô tô thông qua hệ thống lái điện tử không trục lái (steer-by-wire) Khi ô tô chuyển động mất ổn định hệ thống điều khiển sẽ hiệu chỉnh lại góc quay vành lái để đạt được góc dẫn hướng bánh xe phù hợp

Năm 2007, các tác giả Roozbeh Keshmiri, và Alireza Mohamad Shahri thuộc [19] Viện khoa học và Công nghệ thế giới đã công bố công trình nghiên cứu

“Intelligent ABS Fuzzy Controller for Diverse Road Surfaces”, các tác giả đã nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển ABS thông minh để điều chỉnh phanh trên đường

có độ trượt không đồng nhất với phần thứ nhất bao gồm bộ điều khiển lực kéo ứng

dụng lô gic mờ nhằm tạo ra mômen phanh tối ưu đối với các bánh trước và bánh sau, và bộ điều khiển lực kéo ứng dụng lô gic thứ hai cũng nhằm tạo ra một giá trị mômen phù hợp với các loại đường có độ trượt khác nhau Kết quả được ứng dụng cho ba loại đường khác nhau với độ tin cậy hơn các hệ thống phanh khác

Năm 2007, công trình “Robust fuzzy sliding mode control for antilock bracking system” của tác giả M.Oudghiri và các cộng sự [17] đã đề xuất phát triển phương pháp điều khiển theo kiểu trượt và lô gic mờ để điều chỉnh lực phanh Phương pháp lô gic mờ trong nghiên cứu này được sử dụng để đánh giá các thông

số đầu vào chưa biết của ECU-ABS

1.4 Mục tiêu, nội dung, phạm vi, phương pháp nghiên cứu, cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Chương 2: Các phương pháp điều khiển của ABS

Chương 3: Ứng dụng lô gic mờ để xác định ngưỡng điều khiển và trạng thái quay vòng của xe khi phanh

Chương 4: Mô hình mô phỏng chuyển động của xe

1.4.3 Phạm vi nghiên cứu

Do hạn chế về mặt thời gian và kinh phí nên đề tài chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển, ứng dụng lô gic mờ để xác định ngưỡng điều khiển, xây dựng mô hình và mô phỏng lý thuyết quá trình làm việc của

hệ thống khi được điều khiển theo thuật toán đề xuất

1.4.4 Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh ABS có ý nghĩa lớn đối với tính năng an toàn và ổn định chuyển động của ô tô Tuy nhiên, nếu chỉ điều khiển chống

bó cứng bánh xe khi phanh thì xe dễ bị xoay quanh trục thẳng đứng và mất ổn định hướng chuyển động khi phanh trên đường có hệ số bám hai bên không đồng nhất

Để tránh hiện tượng đó, cần thiết phải theo dõi góc quay thân xe, nếu thân xe bị xoay cần được được điều chỉnh lực phanh ngay cả khi độ trượt bánh xe không lớn Việc xây dựng thuật toán điều khiển hệ thống phanh ABS như vậy có ý nghĩa thực

tế trong việc phát triển các hệ thống điều khiển chuyển động ổn định của ô tô tại Việt Nam

Chương 2 - CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CỦA ABS

2.1 Mục tiêu điều khiển [12]

- Hiệu quả phanh đánh giá khả năng làm giảm tốc độ chuyển động của ô tô khi phanh;

- Ổn định hướng đánh giá khả năng giữ nguyên quĩ đạo chuyển động của ô tô khi phanh

2.1.1 Các thông số đánh giá hiệu quả phanh

a Gia tốc phanh:

Từ phương trình cân bằng lực tác dụng lên ô tô khi phanh

i f

p

P = + + ω + η ± , bỏ qua các lực P f,Pω,Pη vì chúng rất nhỏ so với tổng lực cản nói chung khi phanh và xét trường hợp khi phanh trên đường nằm ngang hoặc ở trên dốc có độ dốc nhỏ ta có thể viết phương trình như sau:

G

P j =δ và P p từ biểu thức P p =P p1 +P p2

vào biểu thức (2.9) ta có:

G dt

dv g

G

Từ biểu thức trên thấy rằng, để tăng gia tốc chậm dần cực đại càng phải giảm

hệ số δ Vì khi phanh đột ngột người lái cần cắt li hợp để tách động cơ ra khỏi hệ thống truyền lực, lúc đó δ sẽ giảm và Jmax sẽ tăng, nghĩa là hiệu quả phanh sẽ lớn

Gia tốc chậm dần cực đại Jmaxphụ thuộc vào hệ số bám ϕ giữa lốp và mặt đường mà giá trị của hệ số bám lớn nhất ϕmax =0,7÷0,8 trên đường nhựa tốt, vì vậy

coi δ ≈1, gia tốc trọng trường 2

.ϕ

δ

Để xác định thời gian nhỏ nhất cần tích phân dt trong giới hạn thời điểm ứng với vận tốc phanh ban đầu v0 tới thời điểm ứng với vận tốc v1 ở cuối quá trình phanh

1

0

v v g

dv g t

Trong đó: v0- vận tốc của ô tô ứng với thời điểm bắt đầu phanh

Từ biểu thức (2.14) thấy rằng thời gian phanh nhỏ nhất phụ thuộc vào vận tốc ban đầu của ô tô, hệ số bám ϕ giữa bánh xe với mặt đường và phụ thuộc vào hệ

số δ , vì vậy khi phanh người lái nên cắt ly hợp

c Quãng đường phanh:

Nhân hai vế của biểu thức (2.11) với dS (dS- vi phân của quãng đường), ta

Lấy tích phân của dS trong giới hạn từ thời điểm ứng với vận tốc bắt đầu phanh v0 đến thời điểm ứng với vận tốc cuối quá trình phanh v1 ta sẽ nhận được quãng đường phanh nhỏ nhất Smin

1 2 0 min

min

2

0

1 0

1

v v g S

dv v g dv v g S

v

v v

ϕ

δϕ

2

M - mômen phanh của cơ cấu phanh

Lực phanh riêng P0 là lực phanh tính trên một đơn vị trọng lượng của ô tô, nghĩa là:

P

Từ biểu thức trên ta thấy lực phanh riêng cực đại bằng hệ số bám ϕ Như vậy về lý thuyết mà nói trên đường nhựa khô nằm ngang lực phanh riêng cực đại có thể đạt được giá trị 70÷80% Trong thực tế giá trị đạt thấp hơn nhiều trong khoảng

Cần chú ý rằng bốn chỉ tiêu nêu trên đều có giá trị ngang nhau, nghĩa là khi đánh giá hiệu quả phanh chỉ cần một trong bốn chỉ tiêu nói trên không đạt thì hiệu quả phanh thấp

2.1.2 Ổn định hướng của ô tô khi phanh

a Góc lệch β của ô tô khi phanh (góc quay thân xe)

Trong thực tế, cuối quá trình phanh thì trục dọc của ô tô có thể bị lệch đi một góc β so với hướng chuyển động ban đầu Có tình trạng trên vì tổng lực phanh sinh

ra ở các bánh xe bên trái và bên phải khác nhau và tạo thành mômen quay vòng M q

quanh trục thẳng đứng Z đi qua trọng tâm A của xe (hình vẽ 2.2)

Hình 2.2 Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi phanh ô tô bị quay đi một góc β

Theo hình vẽ 2.2, giả sử ô tô đang chuyển động theo hướng trục Y, nhưng khi phanh trục dọc lệch đi một góc β so với hướng của trục Y; khi đó ở các bánh

xe bên phải có lực phanh P p ph1 ở trục trước và P p ph2 ở trục sau, bánh xe bên trái có các lực phanh P p tr1 ở trục trước và lực phanh P p tr2ở trục sau

Tổng lực phanh ở các bánh xe bên phải là:

2 1

P. lúc đó ô tô quay theo hướng mũi tên

Mômen quay vòng M q xác định theo biểu thức:

2)

(2

.2

.

B P P

B P

B P

M q = p ph − p tr = p ph − p tr (2.25) Trong đó: B- chiều rộng cơ sở của xe

Do sự ma sát giữa bánh xe và mặt đường cho nên khi xuất hiện mômen quay vòng thì ở các bánh xe của trục trước sẽ có phản lực R 1 tác dụng từ mặt đường lên theo phương ngang và ở bánh xe sau sẽ có các phản lực R 2 tác dụng

Phương trình chuyển động của ô tô đối với trọng tâm xe A được viết:

b R a R M

Trong đó:

z

I - mômen quán tính của ô tô quanh trục Z thẳng góc với mặt phẳng XOY

và đi qua trọng tâm A

a,b – toạ độ trọng tâm của ô tô

Vì ô tô đã bị xoay đi một góc β nghĩa là mômen quay vòng M q lớn hơn nhiều so với mômen do các phản lực R 1, R 2 sinh ra, cho nên để đơn giản cho tính toán ta bỏ qua các phản lực đó, phương trình có dạng:

z q

q z

I M

M I

=

=β

β





(2.27)

Lấy tích phân hai lần ta được:

C t I

2

Để tìm giá trị của C ta sử dụng điều kiện đầu t = 0 thì β =0 là thay vào phương trình trên ta có C = 0, từ đó ta có thể xác định được góc lệch β do mômen quay vòng M q gây nên, mà mômen quay vòng do sự không đồng đều lực phanh ở bánh xe phía bên phải và phía bên trái của ô tô tạo ra

2

2  

=

g

v I

Biểu thức trên cho ta thấy góc lệch β tỷ lệ thuận với mômen quay vòng M q

và bình phương của vận tốc bắt đầu phanh; tỷ lệ nghịch với mômen quán tính I zvà với bình phương hệ số bám ϕ

Góc β là một thông số đặc trưng cho tính ổn định hướng của ô tô khi phanh Thay M q từ biểu thức (2.25) vào biểu thức trên ta có:

0

.

P P

B

z

tr p ph p

ϕ

δ

b Độ lệch của ô tô khi phanh

Độ lệch này được xác định bằng khoảng cách từ điểm A (hình 2.3) xa nhất của ô tô ở cuối quá trình phanh đến mặt phẳng dọc trung tuyến của ô tô trước khi phanh, nghĩa là độ lệch này được đánh giá bằng khoảng cách AN trên hình vẽ

Để xác định độ lệch AN, giả sử ô tô đang chạy trong hành lang có chiều rộng

T và trục dọc của ô tô trùng với trục dọc của hành lang Lúc bắt đầu phanh trọng

tâm của ô tô ở vị trí “o”, cuối quá trình phanh trọng tâm của ô tô di chuyển đến vị trí

“ ,

o ” nằm cách xa mặt phẳng dọc trung tuyến của ô tô trước khi phanh một khoảng cách Y và trục dọc của ô tô ở cuối quá trình phanh lệch so với trục dọc của ô tô lúc bắt đầu phanh một góc β Điểm A là điểm xa nhất của ô tô ở cuối quá trình phanh

so với mặt phẳng dọc trung tuyến của ô tô lúc bắt đầu phanh và đoạn AN sẽ là độ lệch của ô tô ở cuối quá trình hay gọi tắt là độ lệch của ô tô khi phanh

ββ

ββ

cos.2sin

cos.sin

B l

m

E O AE

m

′+

=

′+

=

(2.33)

Hình 2.3: Sơ đồ để xác định độ lệch của ô tô khi phanh

Thay m từ biểu thức (2.33) vào biểu thức (2.32) ta có:

β

2sin

l Y

++

Trong đó:

Y- độ lệch của trọng tâm ô tô ở cuối quá trình phanh;

l – khoảng cách từ trọng tâm đến mép ngang ngoài cùng phía trước ô tô;

B′- chiều rộng của ô tô

c Hành la ng cho phép mà ô tô không được vượt ra ngoài ở cuối quá trình phanh

Để ô tô không vượt khỏi hành lang cho phép T ở cuối quá trình phanh cần phải đảm bảo điều kiện sau:

2

T

2sin.2

B l

Y

++

Trong đó: T- chiều rộng của hành lang cho phép

d Hệ số không đồng đều lực phanh

Hệ số không đồng đều lực phanh là chỉ tiêu đánh giá tính ổn định hướng của

ô tô khi phanh Hệ số này được sử dụng thuận lợi khi thử phanh trên bệ thử

Hệ số không đồng đều lực phanhK d được xác định riêng cho từng trục của ô tô, nó bằng chênh lệch của các lực phanh ở phía bên phải và bên trái của trục chia cho lực phanh lớn nhất tác dụng ở trục này

max

min max

P

P P

P - lực phanh nhỏ nhất ở một phía nào đó trên trục được đo

2.2 Các phương pháp điều khiển của ABS

2.2.1 Điều khiển theo giá trị độ trượt cho trước

Để đưa ra tín hiệu điều khiển các van điện từ của hệ thống ABS đúng thời điểm, phù hợp với trạng thái chuyển động của các bánh xe trong quá trình phanh, ECU-ABS phải xác định được λ và điều khiển quá trình phanh để độ trượt bánh xe

λ nằm trong vùng độ trượt tối ưu Như được thể hiện trên hình 2.11 sau đây

Khi phanh, ECU-ABS nhận tín hiệu từ cảm biến từ cảm biến đo vận tốc, nếu V <

V0 (V0vận tốc mà ABS bắt đầu làm việc) thì phanh bình thường và kết thúc phanh, nếu V≥V0 thì ABS bắt đầu làm việc, và:

Phương pháp điều khiển theo giá trị độ trượt tối ưu (λ< λ0), bánh xe làm việc trong vùng ổn định: hệ thống phanh sẽ tăng áp suất trong hệ thống dẫn động thủy

lực, M b tăng lên làm cho ω giảm và do đó làm tăng giá trị độ trượt lên

- Khi độ trượt của bánh xe vượt quá giá trị độ trượt tối ưu (λ> λ0), bánh xe làm việc trong vùng không ổn định: hệ thống phanh sẽ giảm áp suất hệ thống dẫn

động thủy lực, M b giảm xuống do đó ω sẽ tăng lên, giảm giá trị độ trượt

- Khi độ trượt của bánh xe bằng giá trị độ trượt tối ưu (λ= λ0): hệ thống

phanh sẽ giữ áp suất trong hệ thống dẫn động thủy lực, giữ cho M b ổn định đảm bảo giá trị độ trượt λ nằm trong gần giá trị độ trượt tối ưu λ0

Để điều khiển độ trượt bằng đúng độ trượt tối ưu (λ= λ0) là một vẫn đề rất khó, vì vậy trong thực tế thường cho phép độ trượt λ dao động trong một vùng giới hạn xung quanh giá trị độ trượt tối ưu, λ0- gọi là vung trượt tối ưu Phương pháp điều khiển theo độ trượt λ cho trước được thể hiện trên sơ đồ thuật toán trên hình 2.11

Phương pháp điều khiển này có ưu điểm là quá trình phanh phù hợp với nhiều loại đường, là phương pháp điều khiển lý tưởng, điều khiển phanh dựa trên nguyên lý điều khiển này để tối ưu quá trình phanh

Tuy nhiên, phương pháp điều khiển này có nhược điểm là giá trị độ trượt λ là thông số xác định, muốn xác định được giá trị độ trượt λ thì phải xác định được các thông số: ω và vận tốc dài của xe; trong đó vận tốc dài của xe là một thông số khó xác định trực tiếp Mặt khác muốn điều khiển phanh với nhiều loại đường khác nhau, phải xác định một vùng giá trị độ trượt tối ưu λ0 và điều khiển λ nằm trong vùng đó, vì vậy hiệu quả phanh giảm

Hình 2.11 Sơ đồ thuật toán điều khiển theo độ trượt cho trước

2.2.2 Điều khiển theo gia tốc góc bánh xe

Để điều khiển tối ưu quá trình phanh, mỗi nhãn xe khi thiết kế, chế tạo ABS phải xác định được giá trị gia tốc góc bánh xe làm giá trị ngưỡng gia tốc góc, gồm: ngưỡng giá trị giới hạn gia tốc dưới và ngưỡng giá trị giới hạn gia tốc trên Phương pháp điều khiển theo giá trị gia tốc góc bánh xe được thể hiện trên sơ đồ thuật toán trên hình 2.12 dưới đây:

ECU-Xác định độ trượt

Giảm áp

Giữ áp Tăng áp

Bắt đầu phanh

> Vùng trượt tối ưu

<Vùng trượt tối

Phanh bình thường Kết thúc

Đ

S

Hình 2.12 Sơ đồ thuật toán điều khiển theo gia tốc gới hạn

Khi phanh, ECU-ABS nhận tín hiệu từ cảm biến đo vận tốc, nếu V<V0 (V0vận tốc mà ABS bắt đầu làm việc) thì phanh bình thường và kết thúc phanh, nếu

V≥V0 thì ABS bắt đầu làm việc và ECU-ABS nhận tín hiệu từ cảm biến từ cảm biến đo vận tốc góc bánh xe, tính toán xác định gia tốc góc (ω ). , so sánh gia tốc ngưỡng đã chọn:

Xác định gia tốc góc bánh xe

.

ε

Tăng áp

Giữ áp Giảm áp

Bắt đầu phanh

.

ε> Giới hạn trên

.

ε< Giới hạn dưới

Phanh bình thường Kết thúc

Đ

S

- Nếu giá trị gia tốc góc bánh xe (gia tốc chậm dần) có giá trị lớn hơn ngưỡng giá trị gia tốc trên (ω. > + a) khi đó hệ thống thực hiện chế độ tăng áp (Pp tăng);

- Khi giá trị gia tốc góc bánh xe giảm nhỏ hơn ngưỡng giá trị gia tốc dưới (ω.

< - a) hệ thống thực hiện chế độ giảm áp (Ppgiảm);

- Khi ngưỡng gia tốc góc nằm giữa giới hạn trên và giới hạn dưới (-a≤ω ≤. +a)

hệ thống thực hiện chế độ giữ áp (Pp không đổi)

Phương pháp này có ưu điểm là giá trị gia tốc góc bánh xe (ω. ) xác định trực tiếp từ ω nhờ các cảm biến đo vận tốc góc bánh xe, vì vậy thường áp dụng trong thực tế Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này do phải tính toán hai giá trị của gia tốc ngưỡng (-a, +a) nên vùng làm việc quá rộng, thời gian trễ của hệ thống cao hơn làm hiệu quả phanh bị giảm

Dựa trên nguyên lý điều khiển quá trình phanh của hệ thống ABS, luận văn

đề xuất cơ sở lựa chọn thuật toán phương pháp điều khiển của bộ ECU-ABS Để nghiên cứu một cách đầy đủ hệ thống điều khiển chống hãm cứng bánh xe và ổn định hướng chuyển động của xe khi phanh, khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình phanh ô tô cần xây dựng mô hình toán và mô hình mô phỏng động lực học quá trình phanh, tác giả đã đưa ra sơ đồ thuật toán điều khiển phanh trên như sau với các yêu tố điều khiển: điều khiển theo độ trượt và trạng thái quay vòng (TTQV) (tất nhiên là có gia tốc quay thân xe, vận tốc và góc quay vành lái ßvl)

Sơ đồ thuật toán theo luận văn đề xuất được thể hiện trên hình 2.13, trong đó: v là vận tốc dài của xe, v0 là vận tốc mà ABS bắt đầu làm việc (v0 chọn 3m/s = 10.8km/h)

Nguyên lí hoạt động của thuật toán như sau:

Khi phanh gấp, cảm biến xác định vận tốc xe:

a Nếu vận tốc bắt đầu phanh nhỏ hơn vận tốc ABS làm việc (v<v0) thì phanh bình thường và kết thúc phanh,

b Nếu v≥ v0 thì ABS làm việc và cảm biến xác định:

- Đối với bánh trước trái: