Nghiên cứu hệ thống trợ lái dùng động cơ điện một chiều không chổi than cho ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -BÙI VĂN ĐẠI NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRỢ LÁI DÙNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN CHO Ô TÔ Chuyên ngành: Điều khiển – Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN – TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS TẠ CAO MINH Hà Nội – 2011 Lời cam đoan LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cao học: “Nghiên cứu hệ thống trợ lái dùng động điện chiều không chổi than cho ô tô” tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo PGS.TS Tạ Cao Minh Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành luận văn sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2011 Học viên thực BÙI VĂN ĐẠI Mục lục MỤC LỤC Trang TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT i DANH MỤC CÁC BẢNG ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ iii MỞ ĐẦU v CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRỢ LÁI 1.1 Giới thiệu sơ lược hệ thống lái 1.1.1 Chức hệ thống lái 1.2 Kết cấu khí hệ thống lái 1.2.1 Cơ cấu truyền tác động lái 1.2.2 Cơ cấu chỉnh hướng bánh lái 1.2.3 Lực Mô men tác động lên hệ thống lái 1.3 Hệ thống trợ lái 10 1.3.1 Hệ thống trợ lái thủy lực (HPAS) 11 1.3.2 Hệ thống trợ lái điện so sánh với hệ thống trợ lái thủy lực 12 1.3.3 Hệ thống trợ lái tích cực 14 1.3.3.1 Hệ thống trợ lái xe BMW (trợ lái tích cực) 15 1.3.3.2 Hệ thống trợ lái bốn góc phần tư (Quadrasteer) 16 Kết luận chương 17 CHƯƠNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN (BLDC) 18 2.1 Các động sử dụng hệ thống trợ lái 18 2.1.1 Đặc điểm động truyền động trợ lái điện 18 2.1.2 Các loại động dùng trợ lái điện 19 Mục lục 2.2 Giới thiệu động BLDC 20 2.3 Cấu tạo động BLDC 21 2.3.1 Stator động BLDC 22 2.3.2 Rotor động BLDC 23 2.3.3 Cảm biến vị trí động BLDC 24 2.3.3.1 Cảm biến vị trí sử dụng Encoder 24 2.3.3.2 Cảm biến vị trí sử dụng cảm biến Hall 25 2.4 Bộ chuyển mạch động BLDC 28 2.4.1 Nguyên lý hoạt động 28 2.4.2 Thứ tự chuyển mạch động BLDC 29 2.5 Mô hình toán học động 32 2.6 Mô men điện từ động BLDC 34 2.7 Phương trình động học động BLDC 34 2.8 Phương trình đặc tính động BLDC 35 2.9 Thành lập sơ đồ cấu trúc 36 2.10 Cấu hình điều khiển tổng quát động BLDC 37 Kết luận chương 38 CHƯƠNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG TRỢ LÁI 39 3.1 Xây dựng mô hình hệ thống lái trợ lái 39 3.1.1 Quan hệ vô lăng trục lái 39 3.1.2 Thành phần mô men dọc trục lái 40 3.1.3 Động trợ lái 41 3.1.4 Kết cấu bánh - 42 3.2 Xây dựng mô hình động học xe 46 3.3 Ước lượng nhiễu tác động lên dẫn hướng 51 3.3.1 Ước lượng nhiễu lực dọc trục sinh 51 3.3.2 Ước lượng nhiễu lực bên sinh 53 Mục lục 3.4 Thành lập sơ đồ cấu trúc 55 3.4.1 Sơ đồ khối điều khiển 56 Kết luận chương 58 CHƯƠNG MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG VÀ TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH 59 4.1 Mô hình chung toàn hệ thống 59 4.2 Mô hình hóa hệ thống trợ lái – Mô hình động học xe 60 4.3 Mô hình hóa khối điều khiển động 62 4.3.1 Xây dựng mô hình điều khiển pha động 62 4.3.2 Xây dựng khối chức tổng hợp điều khiển pha cho động BLDC 63 4.3.2.1 Mô hình biến đổi 64 4.3.2.2 Khâu phản hồi dòng điện 65 4.3.2.3 Khâu phản hồi tốc độ 66 4.3.2.4 Tổng hợp mạch vòng dòng điện 66 4.3.2.5 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 70 4.3.3 Sơ đồ mô pha động BLDC 72 4.3.3.1 Xây dựng mô hình 72 a Mô hình động BLDC 72 a1 Khâu mô tả mạch điện 73 a2 Khâu tạo sức phản điện động 74 a3 Khâu tính toán Mô men 75 b Mô hình biến đổi 77 c Mô hình điều khiển 78 c1 Khối Rw 78 c2 Khối tạo dạng dòng điện đặt 79 c3 Khối Ri 79 Mục lục c4 Khối phát xung PWM 80 d Một số khâu khác 81 d1 Khâu phản hồi tốc độ 81 d2 Khâu phản hồi dòng điện 81 Kết luận chương 82 CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 83 5.1 Mô men sức phản điện động động 83 5.2 Góc trợ lái hệ thống 85 5.3 Mô men tạo cảm giác lái 85 5.4 Gia tốc bên tỉ lệ lắc 87 5.5 Nhiễu tác động 89 5.6 Quan hệ góc lái đặt mô men đặt 89 5.7 Quan hệ gia tốc bên mô men đặt 91 5.8 Cảm giác lái - Điều chỉnh đường cong trợ lái 92 5.8.1 Cảm giác lái 92 5.8.2 Điều chỉnh đường cong trợ lái   94     Kết luận chương 101 KẾT LUẬN 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 PHỤ LỤC 108 Danh mục chữ viết tắt DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT EV Electric Vehicle Ô tô điện HPS Hydraulic Power Steering Trợ lái thủy lực EHPS Electro-Hydraulic Power Steering Trợ lái điện – thủy lực EPS Electric Power Steering Trợ lái điện ECU Electronic Control Unit Khối điều khiển BLDCM Brushless Direct Current Motor Động chiều không chổi than DCM Direct Current Motor Động chiều IM Induction Motor Động không đồng IPM Interior Permanent Magnet Động đồng NCVC cực chìm SRM Switch Reluctance Motor Động từ trở 4WS Four Wheel Steering Hệ thống lái bánh NCVC Nam châm vĩnh cửu Danh mục hình vẽ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Bánh xe hệ thống lái hai bánh trước rẽ Hình 1.2 Các kết cấu truyền tác động lái phổ biến .5 Hình 1.3 Liên kết truyền tác động lái hai bánh Hình 1.4 Cơ cấu chỉnh hướng bánh lái Davis .7 Hình 1.5 Cơ cấu chỉnh hướng bánh lái Ackermann Hình 1.6 Các lực mô men tác dụng lên lốp Hình 1.7 Một số cấu hình hệ thống trợ lái thủy lực 11 Hình 1.8 Một số cấu hình trợ lái điện .13 Hình 1.9 Cơ cấu lái xe BMW .15 Hình 2.1 Sức phản điện động hình thang (BLDC) .22 Hình 2.2 Các dạng rotor động chiều không chổi than 23 Hình 2.3 Nguyên lý cảm biến vị trí Rotor sử dụng Encoder quang 25 Hình 2.4 Cơ chế hiệu ứng Hall kim loại 26 Hình 2.5 Cấu trúc theo phương nằm ngang động BLDC .27 Hình 2.6 Bộ chuyển mạch động BLDC 28 Hình 2.7 Sơ đồ mô tả thứ tự cấp điện cho pha động BLDC trường hợp động quay ngược chiều kim đồng hồ 29 Hình 2.8 Tín hiệu từ cảm biến Hall, sức phản điện động dòng điện pha 30 Hình 2.9 Mô hình toán học động BLDC .33 Hình 2.10 Sơ đồ thay pha động BLDC .35 Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc động BLDC 37 Hình 2.12 Sơ đồ khối tổng quát mô động BLDC 37 Hình 3.1 Mô hình động học hệ thống trợ lái 40 Hình 3.2 Mô hình đơn tuyến xe 46 Danh mục hình vẽ Hình 3.3 Góc trượt bánh trước .48 Hình 3.4 Lực dọc trục mô men hãm bánh trước 52 Hình 3.5 Phân bố lực mô men hai bánh trước 52 Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống điều khiển 56 Hình 3.7 Đường cong quan hệ trợ lái NSK .57 Hình 4.1 Mô hình hóa chung toàn hệ thống .59 Hình 4.2 Mô hình hệ thống trợ lái – Mô hình động học xe 60 Hình 4.3 Khối đo lực nhiễu tác động .61 Hình 4.4 Mô hình tương đương pha động BLDC 63 Hình 4.5 Cấu hình điều khiển pha động với hai mạch vòng điều chỉnh 64 Hình 4.6 Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện .67 Hình 4.7 Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ 71 Hình 4.8 Sơ đồ xây dựng khối subsystem mô pha động BLDC .72 Hình 4.9 Mô hình mô động BLDC 73 Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý phần mạch điện động BLDC .73 Hình 4.11 Mô hình khâu tạo sức phản điện động cho pha động .74 Hình 4.12 Mô hình khâu tính toán mô men 76 Hình 4.13 Mô hình biến đổi 77 Hình 4.14 Mô hình điều khiển 78 Hình 4.15 Mô hình tạo dòng điện đặt 79 Hình 4.16 Bộ điều chỉnh dòng điện 80 Hình 4.17 Mô hình tạo xung PWM 80 Hình 4.18 Mô hình khâu phản hồi tốc độ 81 Hình 4.19 Mô hình khâu phản hồi dòng điện 81 Hình 5.1 Mô men động BLDC .83 Hình 5.2 Sức phản điện động động BLDC 84 Danh mục hình vẽ Hình 5.3 Góc lái đặt theta 85 Hình 5.4 Mô men tạo cảm giác lái Tc 86 Hình 5.5 Gia tốc bên ay 87 Hình 5.6 Độ lắc 88 Hình 5.7 Nhiễu mặt đường tác động 89 Hình 5.8 Quan hệ góc lái đặt mô men đặt 89 Hình 5.9 Quan hệ gia tốc bên mô men đặt 91 Hình 5.10 Thay đổi dạng mô men trợ lái động 95 Hình 5.11 Sơ đồ khối mô thay đổi đường cong trợ lái 96 Hình 5.12 Dòng điện đặt Icmd điều chỉnh đường cong trợ lái 96 Hình 5.13 Dòng điện đặt Icmd tốc độ 20 km/h 120 km/h .97 Hình 5.14 Quan hệ gia tốc bên mô men lái 98 Hình 5.15 Quan hệ góc lái đặt mô men lái 99 Chương 5: Mô đề xuất cải tiến chất lượng hệ thống Nhìn vào bảng ta thấy đường cong trợ lái điều chỉnh theo công thức (5.5) có nhiều ưu điểm cả, vài số “xấu” ta điều chỉnh cách chỉnh định ka Tr Đạt đáng kể khả trả lái (0.1682 Nm) so vơi 0.5027 Nm đường cong thông thường Hệ số cứng (thể khả ổn định xe cải thiện đáng kể (0.6554 Nm/độ) so với 0.3590 Nm/độ đường cong trợ lái thông thường Kết luận: Chương trình bày kết mô phỏng, giải thích kết đưa đề xuất thay đổi đường cong trợ lái Từ kết mô thấy việc đưa thuật toán (5.5) đem lại số kết định làm cải thiện thông số liên quan tới việc nâng cao chất lượng cảm giác lái, đặc biệt khả trả lái hệ số cứng hệ thống lái 101 Kết luận KẾT LUẬN Cuộc khủng hoảng hệ thống trợ lái điện thời gian gần hãng sản xuất xe lớn giới gây hoang mang cho người sử dụng đồng thời có nhiều nghi ngờ khả độ an toàn mà hệ thống mang lại Tuy nhiên, giai đoạn đầu hệ thống trợ lái điện nên sai sót góp phần thúc đẩy mạnh mẽ phát triển sản phẩm Trong trình phát triển đề tài: Nghiên cứu hệ thống trợ lái dùng động điện chiều không chổi than cho ô tô với giúp đỡ tận tình PGS.TS Tạ Cao Minh lab thầy, hoàn thành luận văn Do thời gian có hạn nhiều hạn chế mặt kiến thức, điều kiện thực nghiệm, luận văn đạt số thành công định nhiều hạn chế, thiếu sót Luận văn hoàn thành việc nghiên cứu hệ thống trợ lái điện nói riêng hệ thống lái, ô tô điện nói chung Bên cạnh đó, luận văn xây dựng mô hình lái (bao gồm hệ thống trợ lái điện sử dụng động BLDC, hệ thống lái xe); mô hình động học xe; ước lượng nhiễu, lực tác dụng lên bánh hệ thống Mô đề xuất phương án cải tiến chất lượng hệ thống Tôi xin cảm ơn PGS.TS Tạ Cao Minh, thầy cô môn Tự Động Hóa, bạn học viên bạn nghiên cứu lab thầy Minh giúp đỡ hoàn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2011 Học viên thực BÙI VĂN ĐẠI 102