Mô hình hóa, mô phỏng điều khiển chuyển động ô tô điện

Triển vọng về sự phát triển của xe điện trong tương lai đã thôi thúc học viên lựa chọn đề tài: “ Mô hình hóa, mô phỏng điều khiển chuyển động ô tô điện ” với mục đích nghiên cứu các mô

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGÔ MINH NGỌC

MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN

CHUYỂN ĐỘNG Ô TÔ ĐIỆN

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp cao học với đề tài: “Mô hình

hóa, mô phỏng, điều khiển chuyển động ô tô điện” do em tự thiết kế dưới sự

hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Tạ Cao Minh Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 26 tháng 10 năm 2010

Sinh viên thực hiện

Ngô Minh Ngọc

MỤC LỤC

MỤC LỤC i 

DANH MỤC HÌNH VẼ iii 

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU vi 

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vii 

LỜI NÓI ĐẦU 1 

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XE ĐIỆN 3 

1.1.  Lịch sử hình thành và phát triển xe điện 3 

1.2.  Xu hướng phát triển của xe điện trên thế giới 5 

1.3.  Các ưu điểm của xe điện 6 

1.3.1.  Đáp ứng mô men nhanh của động cơ 6 

1.3.2.  Khả năng lắp ráp động cơ ở nhiều nơi khác nhau 6 

1.3.3.  Mô men động cơ dễ kiểm soát 7 

1.4.  Phân loại xe điện 7 

1.5.  Cấu hình xe điện một động cơ phát động 9 

1.6.  Nguyên tắc truyền lực và sinh moment của ô tô 10 

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH XE ĐIỆN .14 

2.1.  Giới thiệu chung 14 

2.2.  Động lực học theo chiều dọc của bánh xe và mặt đường 14 

2.2.1.  Lực cản khí động học 15 

2.2.2.  Lực ma sát trượt .16 

2.2.3.  Lực ma sát lăn 19 

2.3.  Mô hình xe điện theo chiều dọc 20 

2.4.  Mô hình ma sát bên của bánh xe và mặt đường 22 

2.4.1.  Giới thiệu chung 22 

2.4.2.  Mô hình xe đạp ( Bicycle Model) 24 

CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG XE ĐIỆN 28 

3.1.  Giới thiệu chung 28 

3.2.  Điều khiển chuyển động theo chiều dọc 28 

3.2.1  Điều khiển chống trượt bằng phương pháp mô hình mẫu MFC (Model Following Control) 29 

3.2.2  Điều khiển tối ưu tỷ số trượt ( Optimal Skid-Ratio Control ) 32 

3.2.3  Điều khiển chuyển động bằng phương pháp ước lượng moment cực đại (Maximum Effective Torque Estimation - METE) 39 

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG XE ĐIỆN BẰNG MATLAB/SIMULINK 41 

4.1.  Mô hình xe điện trong Simulink 41 

4.1.1.  Khối tính toán tỷ số trượt (Slip Ratio) 42 

4.1.2.  Khối tính toán lực cản khí động học (F aero ) 42 

4.1.3.  Khối tính toán lực ma sát lăn (Fr) 43 

4.1.4.  Khối tạo đường congquan hệ µ-λ 44 

4.2.  Xây dựng mô hình động cơ điện .44 

4.3.  Kết quả mô phỏng mô hình động cơ, ô tô điện bằng Matlab/Simulink 45 

4.4.  Mô phỏng phương pháp điều khiển chuyển động theo mô hình mẫu (MFC)

48 

4.5.  Mô phỏng phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt ( Optimal Skid-Ratio Control) 51 

4.5.1.  Khối EV Model và Motor Model 52 

4.5.2.  Khối xác định hệ số K của bộ điều khiển PI .52 

4.5.3.  Khối tạo bộ điều khiển tối ưu tỷ số trượt .53 

4.5.4.  Kết quả mô phỏng .54 

4.6.  Mô phỏng phương pháp ước lượng moment cực đại (METE) 57 

4.6.1.  Khối EV Model và Motor Model 57 

4.6.2.  Khối ước lượng đạo hàm bậc 1 của V 57 

4.6.3.  Khối tính toán moment ước lượng cực đại Tmax 58 

4.6.4.  Kết quả mô phỏng: 59 

CHƯƠNG 5: ƯỚC LƯỢNG ĐIỀU KIỆN MẶT ĐƯỜNG DÙNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ 62 

5.1.  Đặt vấn đề 62 

5.2.  Cơ sở lý thuyết điều khiển mờ .62 

5.2.1.  Định nghĩa tập mờ 62 

5.2.2.  Các khái niệm cơ bản trong logic mờ 62 

5.2.3.  Biến ngôn ngữ .63 

5.2.4.  Các phép toán trên tập mờ 64 

5.2.5.  Luật hợp thành 66 

5.2.6.  Giải mờ 67 

5.2.7.  Bộ điều khiển mờ 67 

5.3.  Áp dụng lý thuyết điều khiển mờ cho bộ ước lượng điều kiện mặt đường 69  5.4.  Mô phỏng phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt dùng bộ điều khiển mờ .70 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Một số mẫu xe điện giai đoạn 1890 – 1930

Hình 1.2: Một số mẫu xe điện giai đoạn 1930-1990

Hình 1.3: Một số mẫu xe điện hiện đại

Hình 1.4: Cấu hình 1 động cơ phát động

Hình 1.5: Cấu hình 2 động cơ phát động

Hình 1.6: Cấu hình 4 động cơ phát động

Hình 1.7: Các bộ phận của cấu hình xe điện một động cơ phát động

Hình 1.8: Bộ vi sai của xe

Hình 1.9: Nguyên lý hoạt động của bộ vi sai khi xe chạy thẳng (Chiều dài của mũi tên biểu thị cho độ lớn của lực cản, mômen xoắn và tốc độ quay)

Hình 1.10: Nguyên lý hoạt động của bộ vi sai khi xe đi vòng (Chiều dài của mũi tên biểu thị cho độ lớn của lực cản, mômen xoắn và tốc độ quay)

Hình 2.1: Các lực tác dụng lên xe

Hình 2.2: Quan hệ µ – λ trên các điều kiện mặt đường khác nhau

Hình 2.3: Quan hệ µ – λ theo công thức thực nghiệm

Hình 2.4: Mô hình xe quy về một bánh

Hình 2.5: Mô hình của xe theo chiều dọc

Hình 2.6: Mô hình 4 bánh của xe

Hình 2.7: Mô hình 2 bánh của xe

Hình 2.8: Góc trượt của bánh trước

Hình 3.1: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển chống trượt theo mô hình mẫu(MFC) Hình 3.2: Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt

Hình 3.3: Tỷ số trượt tối ưu trên đường cong quan hệ µ-λ

Hình 3.4:Mô hình xe quy về một bánh

Hình 3.5: Hệ số góc a

Hình 3.5: Đường cong quan hệ µ-λ với các điều kiện mặt đường khác nhau

Hình 3.6: Giới hạn để phân loại các loại mặt đường khác nhau

Hình 3.7: Sơ đồ khối phương pháp ước lượng moment cực đại (METE)

Hình 4.1: Mô hình xe điện trong Matlab/Simulink

Hình 4.2: Khối tính toán tỷ số trượt

Hình 4.3: Khối tính toán lực cản khí động học

Hình 4.4: Khối tính toán lực ma sát lăn

Hình 4.5: Sơ đồ khối mô phỏng động cơ một chiều

Hình 4.7: Vận tốc bánh xe và vận tốc xe

Hình 4.8: Đáp ứng hệ số ma sát và tỷ số trượt

Hình 4.9: Đáp ứng lực cản khí động học

Hình 4.10: Đáp ứng moment đầu trục động cơ và moment cản tổng

Hình 4.11: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển theo mô hình mẫu (MFC)

Hình 4.12: Vận tốc bánh xe khi có và không có bộ điều khiển MFC

Hình 4.13: Đáp ứng của dòng điện đặt Icom và dòng phản hồi Ifeedback

Hình 4.21: Tỷ số trượt thực tế so với tỷ số trượt tối ưu

Hình 4.22: Sự thay đổi của hệ số khuếch đại K của bộ điều khiển

Hình 4.23: Sơ đồ khối phương pháp ước lượng moment cực đại (METE)

Hình 4.24: Khối ước lượng đạo hàm bậc 1 của vận tốc V

Hình 4.25: Khối uớc luợng moment cực đại Tmax

Hình 4.26: Đáp ứng vận tốc của xe và bánh xe

Hình 4.27: Tỷ số trượt λ

Hình 4.28: Moment đặt vào động cơ phát động

Hình 5.1: Các dạng hàm thuộc

Hình 5.2: Miền các giá trị ngôn ngữ

Hình 5.3: Bộ điều khiển mờ cơ bản

Hình 5.5: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt dùng bộ điều khiển

mờ

Hình 5.6: Bộ ước lượng tỷ số trượt tối ưu dùng lý bộ điều khiển mờ

Hình 5.7: Bộ điều khiển mờ EV FUZZY CONTROLLER

Hình 5.8: Biến đầu vào λ

Hình 5.9: Biến đầu vào µ

Hình 5.10: Biến đầu ra Asphalt, gravel, water

Hình 5.11: Luật điều khiển mờ

Hình 5.12: Hình ảnh luật điều khiển mờ

Hình 5.13: Hình ảnh thể hiện quan hệ vào/ra mờ

Hình 5.14: Vận tốc của xe và bánh xe

Hình 5.15: Tỷ số trượt tối ưu và tỷ số trượt thực tế

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 1.1 Ưu nhược điểm của các cấu hình xe điện

Bảng 2.1 Giá trị tham số k của một số loại mặt đường

Bảng 4.1 Bảng tham số µ = f(λ)

Bảng 4.2 Các thông số của động cơ điện một chiều

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

EV: Electrical Vehicle

DYC: Direct Yaw Control

MFC: Model Following Control

SRC: Optimal Slip-Ration Control

METE: Maximum Effective Torque Estimation

1

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời gian gần đây, rất nhiều ứng dụng xe điện đã được phát triển để giải quyết về năng lượng và ô nhiễm môi trường gây ra bởi việc sử dụng những phương tiện giao thông sử dụng động cơ đốt trong đóng vai trò như động cơ phát động Những

ưu điểm vượt trội của xe điện có thể kể đến như hiệu suất cao và thân thiện với môi trường

Trong khi trên thế giới, một số xe điện đã được nghiên cứu và phát triển để đáp ứng đủ các yêu cầu trong thực tế cũng như bắt đầu đưa vào sản xuất thương mại thì nên công nghiệp nước ta mới chỉ dừng lại ở khả năng lắp ráp và sửa chữa những ô tô

sử dụng động cơ đốt trong thông thường Nắm bắt được xu thế ngày càng sử dụng nhiều hơng những phương tiện thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng, chính phủ ta đã có những quan tâm đến những ứng dụng xe điện đầu tiên, đặt nền móng cho nền công nghiệp ô tô trong tương lai Triển vọng về sự phát triển của xe

điện trong tương lai đã thôi thúc học viên lựa chọn đề tài: “ Mô hình hóa, mô phỏng

điều khiển chuyển động ô tô điện ” với mục đích nghiên cứu các mô hình mô tả

chuyển động của ô tô điện và đề xuất các thuật toán điều khiển để nâng cao độ bám đường trong khi xe chạy

Đề tài được thực hiện gồm 4 chương:

Chương 1: Giới thiệu chung về xe điện

Chương 2: Nghiên cứu hệ thống động lực học và xây dựng mô hình ô tô điện

Chương 3: Các phương pháp điều khiển chuyển động ô tô điện

Chương 4: Mô hình hóa, mô phỏng, điều khiển chuyển động bằng Matlab/Simulink Chương 5: Ước lượng điều kiện mặt đường dùng lý thuyết điều khiển mờ

Do thời gian thực hiện đề tài hạn hẹp cũng như hạn chế về kiến thức và điều kiện thực nghiệm, luận văn chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót Vì thế, học viên kính mong nhận được những lời nhận xét, đánh giá và góp ý của các thầy cô giáo và các bạn để bản luận văn này được hoàn thiện hơn Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy giáo – PGS.TS Tạ Cao Minh đã hết lòng giúp đỡ và chỉ bảo tận tình cho học viên trong thời gian thực hiện luận văn này Nếu không có sự hướng dẫn vô

tư, nhiệt tình của Thầy thì chắc chắn học viên không thể hoàn thành tốt luận văn được

2

Học viên cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy giáo, Cô giáo của Viện Đào Tạo Sau Đại Học đã tạo điều kiện hết sức thuận lợi để học viên có thể hoàn thành luận văn đúng thời hạn

Hà Nội, ngày 26 tháng 10 năm 2010

Sinh viên thực hiện

Ngô Minh Ngọc

Chiếc xe điện đầu tiên được chế tạo vào năm 1881 do kỹ sư người Pháp Gustave Trouve Nó chỉ đạt tốc độ 15 km/h và trong phạm vi 16 km Năm 1864, cuộc đua từ Paris đến Rouen đã làm thay đổi tất cả: quãng đường dài 1135 km được chạy trong thời gian 48 giờ 53 phút với tốc độ trung bình 23.3 km/h Công chúng bắt đầu quan tâm tới xe không ngựa kéo hoặc là ô tô theo cách gọi hiện nay Pháp và Anh là 2 nước đầu tiên đưa xe điện vào trong hệ thống giao thông vào cuối thể kỷ 19, còn Bỉ là nước đầu tiên chế tạo được chiếc xe đua chạy điện mang tên “La Jamais Contente” vào năm

1899 được thiết kế bởi Cammelle Jénatzy có thể đạt đến vận tốc 50km/h

(a) La Jamais Contente (1899) (b) Detroit (1918)

Hình 1.1 Một số mẫu xe điện giai đoạn 1890 - 1930

Giai đoạn đầu thế kỷ 20 đánh dấu sự lép vế hoàn toàn của xe điện so với xe chạy xăng

do mấy nguyên nhân:

¾ Việc tìm ra dầu thô ở Texas làm giảm giá dầu trên thế giới

4

¾ Do yêu cầu của việc phát triển kinh tế, xe phải chạy được quãng đường dài hơn

¾ Charles Kettering đã phát minh ra bộ chế khởi động cho xe chạy xăng

¾ Henry Ford đã phát minh ra các động cơ đốt trong có giá thành hạ

Năm 1928, mỗi chiếc xe điện có giá khoảng 1750 USD trong khi mỗi chiếc xe chạy xăng chỉ có giá khoảng 650 USD Đến năm 1935, xe điện gần như biến mất vì sự phát triển quá mạnh mẽ của các xe sử dụng xăng

(a) S-V CitiCar (1973) (b) Elcar (1974)

Hình 1.2 Một số mẫu xe điện giai đoạn 1930-1990

Giai đoạn từ năm 1990 đến nay, xe điện đã có những bước tiến rõ rệt trên nhiều mặt Năm 1990, chiếc Ford Ecostar đã đạt được vận tốc khoảng 110km/h và có khả năng tăng tốc từ 0 đến 80km/h chỉ trong 12 giây Hãng General Motors cũng đưa ra loại xe

ô tô điện EV1 có thể đạt đến tốc độ khoảng 128km/h và có thể tăng tốc từ 0 lên 80km/h trong 10 giây Vấn đề năng lượng cho xe điện cũng được cải tiến đáng kể từ khi loại pin nhẹ Lithium – Ion được chế tạo thành công

Cho đến nay ngành công nghiệp ôtô điện đã có những bước phát triển rõ rệt có thể thấy như tốc độ tối đa và khả năng tăng tốc của xe được cải thiện đáng kể.Vấn đề về năng lượng cho xe không còn quá vất vả nhờ việc sử dụng pin nhẹ Lithium - Ion Tính thời trang cũng được các nhà thiết kế xe lưu tâm với nhiều mẫu mã sang trọng và bắt mắt

5

a) Nissan leaf 2009 b) Chevrolet Volt 2001

Hình 1.3 Một số mẫu xe điện hiện đại

1.2 Xu hướng phát triển của xe điện trên thế giới

Gần đây, các nghiên cứu và ứng dụng của xe điện đã đạt được nhiều thành công rực rỡ

do sự phát triển của kỹ thuật điều khiển động cơ và công nghệ tích lũy năng lượng như pin Lithium-Ion và siêu tụ điện Ngoài ra, các nhà khoa học đã tìm ra được phương pháp xạc điện không dây với công suốt lớn, giúp cho quá trình nạp năng lượng cho xe điện trở nên dễ dàng và nhanh chóng hơn Trên thế giới hiện nay thì việc dùng siêu tụ thay cho các bộ ac quy đã trở nên phổ biến và siêu tụ đóng một vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho xe điện trong tương lai Siêu tụ có những ưu điểm nổi trội như sau: tuổi thọ hoạt động dài, mật độ dòng điện lớn và thân thiện với môi trường Xe điện chạy bằng siêu tụ có thể hoạt động hơn 20 phút sau khi được xạc với chỉ 30 giây

6

Các bộ nạp năng lượng không dây dựa vào hiện tượng cổng hưởng từ cũng là một công nghệ cực kỳ quan trọng và cần thiết để làm tăng hiệu quả của xe điện Trong phòng thí nghiệm, công nghệ này cho phép truyền dòng năng lượng xấp xỉ 50W trong khoảng cách 50cm với hiệu suất 95%

Tổng kết lại, chúng ta cần đạt được sự phát triển của xe điện trong tương lai ứng dụng

3 công nghệ sau: Động cơ điện, siêu tụ, bộ nạp năng lượng không dây Các công nghệ này giúp chúng ta loại trừ các loại acquy Li-ion và các trạm xạc điện lớn

1.3 Các ưu điểm của xe điện

Xe điện sử dụng động cơ điện vì vậy nó có tất cả các ưu điểm của động cơ điện Cụ thể là:

1.3.1 Đáp ứng mô men nhanh của động cơ

Đáp ứng mô men của động cơ điện nhanh hơn 100 lần so với động cơ đốt trong Ô tô không cần năng lượng nếu nó di chuyển theo phương ngang Tổn thất năng lượng nhiều nhất là do ma sát giữa bánh xe và mặt đường Bằng cách áp dụng phương pháp điều khiển bám để giảm mô men động cơ chống lại hiện tượng trượt bánh

Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng các đặc tính cơ khí có thể bị biến đổi khi sử dụng các phương pháp điều khiển điện Những lý do của sự biến đổi này vẫn chưa được giải thích rõ ràng Sử dụng UOT March II, chúng ta có thể đạt được kết quả tương tự như các loại ô tô hiện nay với độ rộng của bánh bằng một nửa và hiệu quả nhiên liệu gấp đôi Điều thuận lợi nhất của xe điện chính là điều khiển chuyển động

1.3.2 Khả năng lắp ráp động cơ ở nhiều nơi khác nhau

Một động cơ của xe điện có thể được chia thành 4 phần và được lắp đặt vào hệ thống bánh xe mà không làm tăng thêm chi chí Thêm nữa, xe điện cung cấp một thuận lợi

vô cùng lớn trong việc điều khiển chuyển động với hiệu suất cao, ví dụ như là Direct Yaw Control (DYC) Động cơ có thế sinh ra mô men âm và dương liên tục Nó khác hoàn toàn so với các phương pháp điều khiển chuyển động bằng cơ khí thông thường như kiểu 4WD hoặc 4WS (điều khiển sự phân bố của lực sử dụng truyền động vi sai)

7

1.3.3 Mô men động cơ dễ kiểm soát

Mô men động cơ có thể được kiểm soát dễ dàng từ dòng điện của động cơ Ngược lại, các động cơ đốt trong tỏ ra phi tuyển một cách đáng kể; và vì vậy, việc mô tả mô hình động cơ là rất khó khăn Đối với xe điện, chúng ta có thể ước lượng lực truyển từ bánh

xe xuống mặt đường bằng bộ quan sát lực Nó giúp ta ước lượng được điều kiện mặt đường một cách hiệu quả Bên cạnh đó, các sensor được cài đặt trong xe làm tăng sự

an toàn cho người lái

1.4 Phân loại xe điện

Xe điện có rất nhiều cấu hình, mỗi cấu hình có đặc điểm cấu tạo riêng Có thể phân loại các cấu hình xe điện theo hai quan điểm:

• Theo nguồn năng lượng sử dụng có: xe điện hoàn toàn (Pure EV), xe điện – xăng (Hybrid EV), xe chạy pin nhiên liệu (Fuel-cell EV), xe điện chạy bằng siêu tụ (Super-capacitor EV), …

• Theo số động cơ phát động được sử dụng có: cấu hình 1 động cơ, 2 động cơ, 4 động cơ

Các cấu hình 1, 2 và 4 động cơ được mô tả trong các hình (1.4) đến (1.6)

Hình 1.4 Cấu hình 1 động cơ phát động

8 Hình 1.5 Cấu hình 2 động cơ phát động

Hình 1.6 Cấu hình 4 động cơ phát động

9

Hiện nay, những mẫu xe điện phổ biến trên thị trường thường dùng cấu hình một động

cơ điện phát động và sử dụng nguồn điện một chiều từ ắc qui Cấu hình này rất đơn giản và dễ chế tạo nhưng không phát huy được hết ưu điểm của xe điện Khả năng sinh

mô men nhanh và chính xác của động cơ điện không được tận dụng tối đa; khả năng tái sinh năng lượng bị hạn chế; không tiết kiệm được không gian cho xe Ngoài ra, việc

có thêm bộ truyền động cơ khí nặng nề làm tăng trọng lượng của xe, qua đó, tăng công suất của động cơ Cấu hình này sẽ dần dần được thay thế bởi cấu hình xe điện 2 bánh

và 4 bánh phát động trong tương lai Ở các cấu hình như vậy, động cơ truyền động trực tiếp cho bánh xe Các động cơ được điều khiển độc lập, hoạt động của chúng được điều phối qua một máy tính trung tâm, bảo đảm tính ổn định và an toàn trong chuyển động của xe Bên cạnh đó, việc tích hợp các động cơ đến từng bánh xe sẽ loại bỏ cấu hình bộ truyền cơ khí, giảm bớt trọng lượng của xe, qua đó, giảm bớt công suất động

cơ, giảm bớt giá thành cho xe Bảng 1.1 so sánh ưu nhược điểm của các cấu hình

Bảng 1.1 Ưu nhược điểm của các cấu hình xe điện

Một động cơ Hai động cơ Bốn động cơ Điều khiển phát động Đơn giản Khá phức tạp Phức tạp

Điều khiển chuyển động Đơn giản Khá phức tạp Phức tạp

1.5 Cấu hình xe điện một động cơ phát động

Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp cao học, học viên sử dụng mô hình xe điện một động

cơ phát động, điều khiển hướng bằng bánh trước và dẫn động bằng bánh sau Đối với

mô hình kiểu này, công suất từ động cơ điện được truyền qua hộp số, làm quay trục các đăng Trục các đăng lại được ghép nối với bộ vi sai, và bộ vi sai được nối với các bánh dẫn động phía sau bằng các kết cấu cơ khí

10

Hình 1.7.Các bộ phận của cấu hình xe điện một động cơ phát động

1.6 Nguyên tắc truyền lực và sinh moment của ô tô

Trước khi đi vào nghiên cứu mô hình ô tô và các phương pháp điều khiển chuyển động, ta đi tìm hiểu những nguyên lý cơ bản nhất của hệ thống truyền động của ô tô Như chúng ta đã biết lực phát động của ô tô điện được sinh ra bởi một động cơ điện

Để đưa được lực dẫn động từ động cơ phát động xuống các bánh dẫn động cần phải qua một bộ phận cuối cùng gọi là bộ vi sai, chúng thường được lắp cùng với truyền lực cuối gọi là cầu xe Bộ vi sai có nhiệm vụ là tiếp tục tăng mômen từ hộp số và phân phối các lực dẫn động đến các bán trục bên trái và bên phải Ngoài ra bộ vi sai còn tạo

ra sự chênh lệch tốc độ quay giữa các bánh xe bên trái và bên phải và giúp cho xe chuyển động êm hơn khi đi vào đường vòng

11

Hình 1.8 Bộ vi sai của xe

Bộ vi sai có các nhiệm vụ sau

+ Truyền mô men của động cơ tới các bánh xe

+ Đóng vai trò là cơ cấu giảm tốc cuối cùng trước khi mô men xoắn truyền tới các bánh xe

+ Truyền mô men tới bánh xe trong khi cho phép chúng quay với tốc độ khác nhau

Nguyên lý hoạt động của bộ vi sai hai quá trình chạy thẳng và rẽ lái:

+ Khi xe chạy thẳng: do lực cản tác động như nhau lên cả hai bánh xe dẫn động bên trái và bên phải nên các bánh răng vành chậu, bánh răng vi sai và bánh răng bán trục ăn khớp với nhau thành một khối liền để truyền lực dẫn động đến các bánh xe Các bánh xe dẫn động quay với tốc độ như nhau, mômen xoắn của các bánh răng bán trục bên trái và bên phải như nhau

12

Hình 1.9 Nguyên lý hoạt động của bộ vi sai khi xe chạy thẳng (Chiều dài của mũi tên

biểu thị cho độ lớn của lực cản, mômen xoắn và tốc độ quay)

+ Khi xe đi vào đường vòng: do lực cản tác động lên hai bánh dẫn động khác nhau, chẳng hạn như lực cản tác động lên lốp A lớn hơn tác động lên lốp B khiến cho tốc độ quay của lốp A nhỏ hơn tốc độ quay của lốp B Hay nói khác đi, bên trong bộ vi sai, bánh răng bán trục A quay chậm và bánh răng vi sai phải quay sao cho bánh răng bán trục B phía ngoài quay nhanh hơn Đó chính là cách mà bộ vi sai giúp cho xe chạy

êm qua đường vòng

Hình 1.10 Nguyên lý hoạt động của bộ vi sai khi xe đi vòng (Chiều dài của mũi tên

biểu thị cho độ lớn của lực cản, mômen xoắn và tốc độ quay)

Như vậy là khi mà bộ vi sai hoạt động nó phân phối mômen khác nhau vào các bánh

xe bên trái và bên phải Trong khi điều này có ưu điểm là làm cho xe chạy được êm

13

qua các đoạn đường vòng thì ngược lại nó lại có nhược điểm là làm giảm lực dẫn động đến cả 2 bánh xe khi mà lực dẫn động lên một bánh xe bị giảm

14

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC HỌC VÀ

XÂY DỰNG MÔ HÌNH XE ĐIỆN

2.1 Giới thiệu chung

Chuyển động của xe có thể được phân tích thành 3 chiều: chuyển động bên, chuyển động theo chiều dọc và chuyển động theo phương thẳng đứng Vì vậy, để đảm bảo chất lượng của xe ta phải điều khiển chuyển động của xe theo cả 3 chiều Nhiệm vụ của thể của việc điều khiển chuyển động theo từng chiều như sau:

- Điều khiển chuyển động theo chiều dọc có nhiệm vụ đảm bảo cho xe bám mặt đường trong khi xe chạy

- Điều khiển chuyển động bên của xe nói tới việc điều khiển hệ thống lái Nhiệm

vụ quan trọng nhất của hệ thống điều khiển bên đó là giữ cho xe đi đúng hướng

mà người điều khiển yêu cầu Đồng thời, điều khiển chuyển động bên còn áp dụng vào việc điều khiển mô men lắc của xe, đảm bảo xe chạy ổn định trong quá trình rẽ

- Điều khiền chuyển động theo phương thẳng đứng chính là điều khiển hệ thống treo

Để thiết kế được bộ điều khiển, trước hết ta phải xây dựng được mô hình của xe theo từng chiều chuyển động

2.2 Động lực học theo chiều dọc của bánh xe và mặt đường

Chuyển động của xe trên mặt đất có được là nhờ lực ma sát của mặt đường tác động lên bánh xe Vì vậy, mô hình ma sát bánh xe là rất cần thiết để mô tả động học của xe, phục vụ công tác mô phỏng, phân tích và điều khiển chuyển động của xe Việc phân tích lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường sẽ giúp chúng ta hiểu sâu hơn về đặc điểm động học của xe, qua đó cải thiện được chất lượng điều khiển của xe Nhiệm vụ chính của mô hình ma sát bánh xe/mặt đường là xác định được mối quan hệ giữa lực ma sát

và độ trượt theo chiều dọc, chiều ngang cũng như góc lái

Ta xét trường hợp xe chuyển động trên một đoạn đường dốc như hình vẽ dưới đây

- α là góc tạo bởi độ dốc và phương ngang (góc α được xác định theo chiều

dương của kim đồng hồ khi xe chuyển động theo chiều x về phía trái và được xác định theo chiều ngược chiều dương của kim đồng hồ khi xe chuyển động theo chiều x về phía phải)

2.2.1 Lực cản khí động học

Trong lúc xe chạy trên đường thì lực cản không khí tác động lên phụ thuộc vào tốc độ của xe Khi vận tốc của xe càng lớn thì lực cản của không khí càng tăng và ngược lại Mối quan hệ giữa lực cản không khí và vận tốc của xe được tính xấp xỉ theo công thức:

16

2 in

- ρ là mật độ không khí – thường được chọn bằng 1,225kgm-3

- C d là hệ số cản gió – thường được chọn bằng 0,3; tuy nhiên với những xe

được thiết kế tốt Cd có thể giảm tới 0,19 [13]

- A F là diện tích mặt trước của xe Với khối lượng hành khách từ 800 – 2000

(kg) thì A F được tính theo công thức:

A f =1.6 0.00056(+ m−765) (2.3)

- Vx = x& là vận tốc theo chiều dọc của xe

- Vwind là vận tốc của gió (m/s)

2.2.2 Lực ma sát trượt

Lực ma sát trượt Fxf và Fxr sinh ra do mặt đất tác động lên bánh xe Lực ma sát trượt

phụ thuộc vào các yếu tố sau:

• Nxf và Nxr là phản lực tác dụng lên bánh trước và bánh sau

Lực ma sát trượt có thể coi là lực đóng vai trò phát động chuyển động của xe Trên

thực tế, µ không cố định mà phụ thuộc vào điều kiện mặt đường, chất lượng và loại

lốp xe Điều này làm cho lực ma sát không đủ lớn trên những điều kiện mặt đường

nhất định Lúc này nếu vẫn duy trì tốc độ như cũ, xe sẽ gặp phải những vấn đề nghiêm

trọng, làm xe bị mất lái, lao theo quỹ đạo không mong muốn

Quan hệ giữa hệ số ma sát trượt và tỷ số trượt:

17

Trên thực tế, khi xe tăng tốc, do quán tính của bánh xe nhỏ hơn nhiều so với quán tính của thân xe cho nên nếu lực ma sát không đủ, bánh xe sẽ có gia tốc lớn hơn gia tốc của thân xe, làm cho vận tốc của bánh xe Vω tăng nhanh trong khi vận tốc dài V của xe tăng chậm hơn Khi đó, bánh xe gọi là bị trượt trên mặt đường Điều tương tự cũng xảy ra khi xe giảm tốc

Để đánh giá mức độ trượt, người ta đưa ra khái niệm hệ số trượt xác định bởi:

V V V

ω ω

Với: Vω =r effωw; reff là bán kính bánh xe, ωw là vận tốc góc

Hệ số λ càng lớn thì hiện tượng trượt của bánh xe xảy ra càng mạnh Điều này gây ra những hiện tượng nguy hiểm như xe bị mất lái, xe bị lắc khi rẽ,… Ngược lại, độ lớn của λ thường được giữ càng nhỏ càng tốt Khi λ = 0 thì sự trượt không xảy ra, bánh xe bám hoàn toàn với mặt đường, nhưng điều này rất khó thực hiện Vì vậy thông thường, giá trị của λ được giữ đủ nhỏ ví dụ trong khoảng 0,1 được coi là điểm làm việc tối ưu trên điều kiện mặt đường nhựa khô [7]

Tuy nhiên, mối quan hệ giữa hệ số trượt λ và hệ số ma sát trượt µ biến thiên rất lớn theo điều kiện mặt đường như hình dưới đây

18

Hình 2.2 Quan hệ µ – λ trên các điều kiện mặt đường khác nhau

Bằng thực nghiệm, người ta đã xây dựng được đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của hệ số

ma sát trượt vào điều kiện mặt đường và hệ số trượt λ như hình dưới đây

Quan hệ µ-λ như hình dưới đây được xây dựng từ thực nghiệm theo công thức xấp xỉ:

Bảng 2.1 Giá trị tham số k của một số loại mặt đường

k Điều kiện mặt đường

1 Đường nhựa 0,7 Đường sỏi 0,5 Đường ướt 0,2 Đường băng tuyết

Các đường cong quan hệ µ-λ tương ứng với các điều kiện mặt đường khác nhau đều có

2 đoạn tuyến tính tăng và giảm, chỉ khác nhau về độ nghiêng Các nghiên cứu chỉ ra

19

rằng, vùng điều khiển chuyển động tối ưu là vùng có λ nhỏ tương ứng với vùng tuyến tính tăng (λ = 0,02 ÷ 0,15) trong đặc tính µ-λ

Hình 2.3 Quan hệ µ – λ theo công thức thực nghiệm

Hình trên cũng cho thấy, khi xe chạy trên đường nhựa, hệ số ma sát trượt µ, và do đó, lực ma sát trượt lớn, làm cho bánh xe bám tốt vào mặt đường Tuy nhiên, ở đường băng, hệ số ma sát nhỏ hơn nhiều Nếu ta vẫn giữ gia tốc như cũ, nghĩa là mô men lớn trong khi lực ma sát nhỏ thì bánh xe sẽ có gia tốc lớn trong khi xe có gia tốc nhỏ Điều này làm cho hệ số trượt λ tăng vượt ra ngoài khoảng an toàn, gây ra sự trượt cho bánh

xe

Trên đoạn đặc tính giảm, nếu λ tăng thì hệ số ma sát hay lực ma sát F d càng nhỏ Tương tự như trên mômen nếu vẫn được giữ không đổi sẽ làm tăng giá trị λ và cứ như vậy F dlại càng nhỏ hơn nữa Đến khi λ =1, thì bánh xe bị trượt hoàn toàn trên mặt đường, điều này gây mất an toàn cho xe

xe điện, f có thể được giảm xuống còn 0,015[13]

2.3 Mô hình xe điện theo chiều dọc

Để xây dựng mô hình động học của xe ta thường dùng mô hình xe quy về một bánh đơn giản như hình vẽ sau

Hình 2.4 Mô hình xe quy về một bánh[8]

Trong đó:

- Jω là mô men quán tính của bánh xe quy đổi về trục bánh xe

- Vw là vận tốc dài của bánh xe; V là vận tốc dài của xe

- ω là vận tốc góc của bánh xe

- Tm là moment tác động lên trục bánh xe

- r là bán kính bánh xe

- Fd là lực ma sát trượt, Fr là lực ma sát lăn

21

- M là khối lượng của xe

- V là vận tốc dài của xe

- λ là tỷ số trượt

- µ là hệ số ma sát trượt

- N là phản lực của mặt đường tác dụng lên bánh xe tại điểm tiếp xúc

Ta có các phương trình mô tả chuyển động của xe và bánh xe theo chiều dọc như sau: + Phương trình động học của bánh xe:

22

2 in

Hình 2.5 Mô hình của xe theo chiều dọc

2.4 Mô hình ma sát bên của bánh xe và mặt đường

2.4.1 Giới thiệu chung

Mô hình động lực học bên của xe đã được nghiên cứu từ những năm 1950 Người ta thấy rằng, với giả thiết điều kiện ma sát giữa bánh xe và mặt đường là biết trước và tải trọng của xe là không đổi, lực bên tác động lên bánh xe ban đầu sẽ tăng lên với góc lái nhỏ và sau đó sẽ bão hòa Ở mọi góc lái nhỏ thì lực bên sẽ tỷ lệ thuận với góc lái và tỷ

lệ không đổi này được gọi là hệ số cứng góc Nói chung, lực tác động vào bánh xe tăng

tỷ lệ hệ số ma sát bánh xe/mặt đường ở một giá trị hệ số cứng góc cho trước ( trừ trường hợp góc lái rất nhỏ )

Trong hai thập kỷ lại đây, một số mô hình ma sát bên giữa bánh xe và mặt đường đã được đề xuất để luận giải sự độc lập giữa ma sát bên mặt đường/bánh xe và ma sát theo chiều dọc mặt đường/bánh xe Các mô hình này làm đơn giản hóa rất nhiều cho

23

vấn đề thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống lái của xe Mô hình thông dụng nhất đó là

mô hình 4 bánh của xe như hình vẽ:

Hình 2.6 Mô hình 4 bánh của xe[14]

Điểm trọng tâm CG được chọn để biểu diễn tâm trọng lực của thân xe Vận tốc của tâm xe là v, A và B là kí hiệu ví trí bánh trước và bánh sau Góc dẫn hướng ψ là góc giới hạn bởi đường dẫn ( Guideline ) và trục dọc của xe ( trục AB ) Góc trượt β là góc tính từ trục dọc của thân xe tới hướng của vận tốc xe δf là góc lái của bánh trước, δr là góc lái của bánh sau Tỷ lệ lắc được biểu diễn bởi γ ff và fr là lực tác động lên bánh trước và bánh sau, cái mà vuông góc với hướng chuyển động của bánh xe fw là lực của gió tác động lên điểm trọng tâm khí động học của thân xe Iw là khoảng cách giữa CG

và trọng tâm khí động học của thân xe Ifs và Irs biểu diễn khoảng cách từ sensor của bánh trước và bánh sau tới điểm trọng tâm CG yf và yr biểu diễn khoảng cách từ bánh trước và bánh sau tới đường dẫn

24

2.4.2 Mô hình xe đạp ( Bicycle Model)

Năm 1956, Segel đã đưa ra mô hình của xe có 3 bậc tự do để miêu tả chuyển động bên của xe, bao gồm vặn và lắc Nếu bỏ qua chuyển động lắc thì ta sẽ có một mô hình đơn giản hơn gọi là mô hình xe đạp ( Bicycle Model ) Như vậy, mô hình xe đạp là mô hình có 2 bậc tự do Hai bậc tự do ở đây là góc trượt của xe (β) và độ lắc γ Mô hình 4 bánh của xe được quy đổi về mô hình 2 bánh, với giả thiết rằng góc rẽ của 2 bánh trước là bằng nhau, và của 2 bánh sau cũng bằng nhau, bỏ qua bề ngang của xe và giả thiết rằng tốc độ của xe là không đổi Ta mô tả mô hình 2 bánh của xe như trên hình vẽ sau:

Hình 2.7 Mô hình 2 bánh của xe

Trong đó, β là góc trượt của xe, γ là độ lắc, αf là góc trượt của bánh trước, αr là góc trượt của bánh sau, δf là góc rẽ ở bánh trước, lf là khoảng cách từ tâm xe tới bánh trước, lr là khoảng cách từ tâm xe tới bánh sau

Áp dụng định luật II Newton, ta có phương trình động học theo trục y của xe:

Phương trình mô men theo trục z:

z f yf r yr

Trong đó, Iz là mô men quán tính của xe, lf là khoảng cách từ tâm xe tới trục trước của

xe, lr là khoảng cách từ tâm xe tới trục sau của xe

Xét riêng một bánh như hình (2.8) ta có:

Trong đó, Cαf và Cαr là hệ số cứng ở bánh trước và sau, δ là góc quay của bánh trước,

θvf và θvr là góc của vector vận tốc của bánh trước và bánh sau so với phương dọc trục của xe

mB=

02l C

28

CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN

ĐỘNG XE ĐIỆN 3.1 Giới thiệu chung

Lĩnh vực điều khiển chuyển động được thực hiện với 3 nhánh sau:

- Điều khiển chuyển động bám mặt đường (Traction Control) Nhánh nghiên cứu

này tập trung vào điều khiển chống trượt (Anti-Skid Control) và điều khiển tối ưu

tỉ số trượt (Optimal Skid-Ratio Control) Phương pháp cơ bản ban đầu được sử dụng là điều khiển chống trượt tựa theo mô hình mẫu (Model Following Control-MFC) Sau đó, những phương pháp tiên tiến hơn được sử dụng cho phép điều khiển chuyển động của xe dựa trên ước lượng điều kiện mặt đường và có thể xác định được độ trượt của xe mà không cần đo vận tốc dài (vận tốc khung xe)

- Điều khiển ổn định động học thân xe trên cơ sở quan sát các biến trạng thái và quan sát nhiễu Đó là các phương pháp tiên tiến sử dụng các khâu quan sát mờ, bền

vững để điều khiển những mômen lắc, vặn (Yaw, Pitch, Roll) ảnh hưởng đến ổn định thân xe khi chuyển động

- Điều khiển hệ thống lái Các hệ thống lái, trợ lái sử dụng động cơ điện (Electric

Power Steering – EPS) được nghiên cứu nhằm đem lại cảm giác lái chân thực, nâng cao chất lượng và độ an toàn cho xe điện

Trong khuôn khổ đồ án này, học viên tập trung vào việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển chuyển động theo chiều dọc mà cụ thể là điều khiển chống trượt cho xe điện

3.2 Điều khiển chuyển động theo chiều dọc

Điều khiển chuyển động theo chiều dọc chính là điều khiển bám mặt đường Nhiệm vụ của điều khiển bám mặt đường là loại bỏ hiện tượng bánh xe trượt trên mặt đường trọng khi xe chạy Có nhiều phương pháp nghiên cứu được đề xuất nhưng 3 phương pháp tối ưu nhất được sử dụng đó là điều khiển chống trượt bằng phương pháp mô hình mẫu MFC (Model Following Control), điều khiển tối ưu tỷ số trượt (Optimal

+ Phương trình động học của bánh xe:

Công thức (3.15) chính là mô hình hàm truyền đạt của xe theo chiều dọc

Ta xem mô hình của xe theo chiều dọc là một hệ thống quán tính với moment quán tính tương đương:

J = J w + r2.M.(1 – λ) (3.16) Khi đó, mô hình hàm truyền đạt của xe chính là mô hình khâu quán tính bậc nhất:

1( )

G s

J s

Nhận xét: Khi xe bị trượt hay hệ số λ tăng, mômen J giảm đi hay nói cách khác xe

dường như nhẹ hơn Vì vậy, hiện tượng trượt có thể được coi như hiện tượng mômen quán tính của xe bị giảm

Trong trường hợp lý tưởng xe không bị trượt, khi đó λ = 0 Như vậy, moment quán tính tương đương trong trường hợp xe không bị trượt là:

Ta có mô hình mẫu:

.

1( )

31

Hình 3.1 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển chống trượt theo mô hình mẫu(MFC)

Trong mô hình của xe theo chiều dọc ta xem moment của trục động cơ Tm là biến vào điều khiển, vận tốc góc ω của bánh xe là biến ra cần điều khiển Ta thay đổi tốc độ động cơ cũng như điều khiển chống trượt bằng cách thay đổi độ lớn của moment Tm Mặt khác, moment đầu trục động cơ Tm lại phụ thuộc tuyến tính vào dòng điện chảy trong đông cơ Vì vậy, để điều chỉnh moment Tm, ta thực hiện việc điều khiển dòng điện I của động cơ phát động Giá trị đặt của dòng điện I chảy trong động cơ chính là dòng điện Icom tỷ lệ với góc của Pedal (chân ga) Khi không xảy ra hiện tượng trượt thì

J = J model , do đó sai lệch giữa vận tốc góc của mô hình thực so với vận tốc góc của mô hình mẫu bằng 0 và bộ điều khiển MFC không sinh ta tín hiệu phản hổi Ifeedback Nếu bánh xe bị trượt thì vận tốc góc ω thực tế của bánh xe tăng đột ngột trong khi vận tốc góc của mô hình mẫu ωmodel không tăng Vì vậy, tạo ra sai lệch tốc độ và qua hệ số MFC gain sẽ sinh ra dòng điện phàn hổi Ifeedback Dòng điện Ifeedback có tác dụng làm giảm giá trị đặt của dòng điện Icom và do đó làm giảm moment lái Tm, giúp xe bám mặt đường trở lại