Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng năm học 2019 - 2020 MƠ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI CĨ TRỢ LỰC ĐIỆN TRÊN Ô TÔ (SIMULATION OF STEERING SYSTEM WITH ELECTRIC POWER ON CARS) SVTH: Phạm Đức Thưởng, Nguyễn Thúc Quang, Đặng Xuân Thắng, Mai Văn Sỹ Lớp 16C4A, Khoa Cơ Khí Giao Thơng, Trường ĐHBK Đà Nẵng; Email: ducthuong1509@gmail.com GVHD: TS Phạm Quốc Thái Khoa Cơ Khí Giao Thơng, Trường ĐHBK Đà Nẵng; Email: pqthai@dut.udn.vn Tóm tắt - Hệ thống lái có trợ lực điện ngày xem trang bị tiêu chuẩn ô tô du lịch Để điều khiển động điện trợ lực đầu vào, điều khiển trung tâm thiết kế với quy luật điều khiển khác nhà sản xuất phát triển dạng hộp đen không can thiệp Để hiểu sâu nguyên lý làm việc tiến tới việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo điều khiển Điều phải quan tâm thuật tốn điều khiển Bài tốn trình bày phương pháp xây dựng bố trí điều khiển PID để điều khiển momen trợ lực Việc áp dụng công nghệ điều khiển PID(Proportional-Integral-Derivative) điều khiển trung tâm giúp cho hệ thống lái nhẹ nhàng xác hơn, xe tự trả lái xe chuyển động thẳng cho phép xe điều khiển hệ thống gặp cố Kết nghiên cứu làm sở để đến chế tạo mơ hình thực tế dùng điều khiển hệ thống lái có trợ lực điện Abstract –The Electric power steering is increasingly being seen as standard equipment in passenger cars In order to control the input electric motor, the central controller is designed with different control rules developed by manufacturers in the form of non-interference black box In order to better understand the working principle as well as research on designing and manufacturing this controller The first thing to consider is the control algorithm The problem presents the construction method of PID controller layout to control the torque of the auxiliary force The application of PID (Proportional-Integral-Derivative) control technology in the center console will help the steering system be softer and more accurate, the car can return the steering wheel when the vehicle is moving straight and allows the vehicle Control when the system has a problem The results of the study can serve as a basis for the actual model creation by using this controller on electric power steering systems Từ khóa – Trợ lực điện, điều khiển PID, hệ thống lái Key words - Electronic power assisted; PID controller; Steering system Đặt vấn đề Trong năm gần Nền khoa học kỹ thuật giới phát triển mạnh mẽ với nhiều thành công rực rỡ tất lĩnh vực đời sống xã hội, đặc biệt lĩnh vực công nghệ ô tô Chúng ta tạo dòng xe cao cấp đại, với tiện nghi an toàn trọng nghiên cứu phát triển nhằm tạo êm an toàn điều khiển Hệ thống lái tơ đảm nhận hai chức chính: (1) giúp cho người lái điều khiển tô chuyển động theo quỹ đạo mong muốn, (2) tạo cảm giác mặt đường cho người lái Để đảm bảo hai chức trên, ô tô trang bị nhiều hệ thống lái khác hệ thống lái khí có trợ lực thủy lực (HPAS) trợ lực điện (EPAS)… Do hệ thống lái điện có mức phát thải gần không, tiêu hao lượng thấp có khả tự chuẩn đốn Nên hệ thống dần thay hệ thống lái có trợ lực thủy lực tơ Dựa phân tích trên, báo cáo trình bày cách xây dựng hệ thống PID cho động sử dụng hệ thống lái có trợ lực điện Các cơng thức tốn học Mr + Br - = – FTR (2) Trong đó, Mr khối lượng rotuyn lái; Br hệ số cản đàn hồi rotuyn, xr dịch chuyển ngang răng, Rs Ra điện trở cảm biến moto trợ lực, FTR lực cản quay vòng quy dẫn lên Mơ hình cảm biến mơ men: Tc = Ks (3) Trong đó, Ks độ cứng xoắn trục tay lái Sau phân tích động lực học hệ thống lái có trợ lực điện C-EPAS, mơ hình tốn học xây dựng cho cụm hệ thống sau: Mơ hình trục vành tay lái, răng: Ts + Bs + Tc = Td (1) Trong Ts ,Tc ,Td mơ men trục tay lái, Hình Mơ hình hệ thống lái có trợ lực với động điện mô men vành tay lái mô cảm biến, góc bố trí trục vành tay lái C-EPAS quay vành tay lái thực tế, SVTH: Tên sinh viên; GVHD: Tên giáo viên hướng dẫn Thiết kế điều khiển PID (Proportional-IntegralDerivative) Mơ hình tốn học cho moto điện trợ lực xây Trên sở mơ hình tốn, mơ hình mơ C-EPAS xây dựng Matlab/Simulink Chương trình giả lập điều khiển đường khác tác động lên xe mô phỏng, giả lập rung động va đập, cảm giác mặt đường với tốc độ khác Qui luật thay đổi góc quay vành tay lái giả định làm điều kiện đầu vào cho tốn mơ quy luật hình sin (hình 3.a) Lưới đặc tính điều khiển động điện trợ lực lái (hình 3.b) Để đơn giản cho q trình tính tốn, lưới đặc tính điều khiển xây dựng dạng tuyến tính Mơ men vành tay lái Td cảm biến mô men đo ghi nhận thành giá trị Tc Mô men Tc vận tốc chuyển động oto hai tín hiệu đầu vào cho ma trận lưới đặc tính điều khiển nhằm xác định dòng điện cần thiết để điều khiển động trợ lực lái dựng sau: Tm + Bm = Tm – Ta (4) (5) Tm = Ka ia U = Ria + Lia + Kb Ta = GKm (6) (7) Trong : Ta , Tm mô men môto trợ lực, mô men moto điện tử; thơng số đầu góc đánh vòng tay lái thực tế, góc quay moto, U, L, R, ia điện áp, điện Góc quay vành tay lái θs(deg) cảm, điện trở, cường độ dòng điện tức thời; Bm cản đàn hồi moto; Ka Kb hệ số mô men hệ số chống sức điện động cảm ứng (Electromotive force-EMF) moto điện; G tỷ số truyền Để xây dựng điều chỉnh PID, ta coi hệ thống có người lái ảo, ta xây dựng mơ hình điều khiển thơng qua mơ hình tốn học sau đây: U = ( - ia )( Kp – Ki + Kd s) (8) Trong đó: giá trị dòng điện định mức; Kp , Ki , Kd Vận tốc oto V=40km/h 15 10 0 -5 Bộ điều khiển PID thực so sánh giá trị dòng điện yêu cầu với giá trị dòng điện thực tế moto trợ lực, từ thực quy tắc điều khiển bám để đưa giá trị ngưỡng điện áp đưa vào điều khiển động Sơ đồ nguyên lí hệ thống có điều khiển PID với phản hồi kín thực sơ đồ cấu trúc nguyên lý điều khiển hệ thống lái có trợ lực C-EPAS thể (hình 2) Xuất phát tù mơ hình vật lí (hình 1) sơ đồ hệ thống có điều khiển (hình 2), mơ hình mô để khảo sát động lực học hệ thống lái có trợ lực điện xây dựng nhờ cơng cụ Simulink -10 -15 t(s) a) hệ số điều khiển PID Qui luật thay đổi góc lái 40 Dòng điện i*a(A) 30 20 10 -10 -8 -6 -4 -2 -10 -20 -30 -40 Mô men (Tc) 10 km/h 40 km/h 85 km/h b) lưới đặc tính điều khiển động Hình Qui luật thay đổi góc lái lưới đặc tính điều khiển động Hình Sơ đồ khối điều khiển PID Khảo sát động lực học hệ thống lái có trợ lực điện -30 -20 40 30 20 10 -10 -10 -20 -30 -40 Vận tốc oto V=40 (km/h) Kp=0.8; Ki=0.2 10 10 20 Dòng điện i*a, ia (A) Mô men Ta (N.m) Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng năm học 2019 - 2020 30 85 km/h 40 km/h km/h Góc xoay vành tay lái θs(deg) 0 Dòng điện đặt i*a Dòng điện ia (Kp=0.8; Ki=0.2 -5 -10 t(s) Ta(N.m) a) Qui luật thay đổi mô men tác động 25 20 15 10 0 -5 -10 -15 -20 -25 km/h 40 km/h 85 km/h t(s) b) mô men trợ lực lái Dòng điện i*a, ia (A) Hình Qui luật thay đổi mô men tác động mô men trợ lực lái Theo công thức (8), điều khiển Pid so sánh sai lệch hai giá trị dòng điện đặt xác định thơng qua bảng lưới đặc tính dòng điện thực tế động ia Căn vào giá trị lệch này, điều khiển PID xác định giá trị điện áp điều khiển U đặt vào động 10 -2 -4 -6 -8 -10 Dòng điện đặt i*a Dòng điện ia (Kp=0.8; Ki=0.2 Dòng điện ia (Kp=0.8; Ki=1 t(s) Hình Qui luật thay đổi dòng điện đặt dòng điện động điện trở lực ia vận tốc oto V= 40 km/h với giá trị khác hệ số điều khiển PID Kết mơ với góc đặt : Hình Qui luật thay đổi dòng điện đặt dòng điện động điện trở lực ia vận tốc oto V= 40 km/h với giá trị khác hệ số điều khiển PID Trên (hình 5), ta nhận thấy thay đổi thông số điều khiển tuyến tính PID, dòng điện điều khiển động có sai khác Khi hệ số Kl tăng lên làm cho độ lệch so với yêu cầu dòng điện điều khiển tăng lên Để khảo sát hiệu điều khiển, nhóm nghiên cứu thay đổi số thông số kết cấu hệ thống Trên (hình 6), thể quy luật thay đổi giá trị dòng điện điều khiển thay đổi giá trị dòng trở moto điện trở lực Kết khảo sát cho thấy điều khiển hoàn tồn đáp ứng u cầu sinh tín hiệu điều khiển động điện trở lực cho loại động khác Như vậy, hệ thống ta thay đổi động điện khơng cần tác động hiệu chỉnh tới tham số điều khiển PID xây dựng Bàn luận 5.1 Bàn luận Kết mô cho thấy xe chuyển động tốc độ thấp, momen tác dụng người lái nhỏ momen trợ lực lớn làm cho người điều khiển nhẹ nhàng, linh hoạt Khi xe chuyển động tốc độ cao, momen người lái tăng momen trợ lực giảm làm hệ thống nặng gây cảm giác mặt đường cho người lái Vì vậy, hệ thống lái đáp ứng yêu cầu đặt mà hệ thống lái cần phải có Bàn luận kết mơ có với thực tế hay khơng? Chúng tơi giám Đúng Bởi vì, điều khiển mà chúng tơi vận dụng điều khiển PID, điều khiển sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Và đưa mơ thực tế phải trang bị thêm mơ hình bướm ga thực tế, dụng cụ, thiết bị để xác định thời gian, gốc độ, tốc độ cánh bướm ga…Và đặc biệt nữa, phải tìm hiểu thêm lập trình Ardiuno điều khiển PID Kết luận Dựa khảo sát điều khiển động điện trợ lực cho hệ thống lái có trợ lực điện, nhóm nghiên cứu xây dựng thuật tốn thiết kế điều khiển PID Các kết nghiên cứu cho thấy tính đắn phương pháp thuật toán điều khiển xây dựng Bộ điều khiển đưa dòng điện để điều khiển động theo chế độ hoạt động hệ thống lái Đồng thời điều khiển có khả thích ứng với SVTH: Tên sinh viên; GVHD: Tên giáo viên hướng dẫn số thay đổi kết cấu hệ thống Tuy nhiên phạm vi nghiên cứu, nhóm sinh viên dừng lại việc lựa chọn thông số điều khiển PID theo [1] kinh nghiệm Vì cần phải xây dựng phương pháp để xác định giá trị tối ưu điều khiển [2] hướng phát triển thời gian nhóm Đồng thời phải thiết kế ECU thực cách mã hóa hệ điều khiển xây dựng cơng cụ Matlab/Simulink tích hợp vào chip điều khiển để thử nghiệm đánh giá thực tế khả điều khiển PID tính thích ứng lưới đặc tính lựa chọn Tài liệu tham khảo Ranman M.F.(2012), “Electric power steering system forautomobile”, electrical Engineering Zang H Chen.S (2011), “Electric power steering simulation analyze based on fuzzy PiD curent tracking control”, Journal of computational information in system, 7(1): 119-126 [3] Pang D.Y, jang B.C, Lee S.C (2005), “Steering wheel torque control of electric power steering by PD-control”, ICCAS2005 june 2-5, KINTEX, Gyegnggi-Do, Korea, 21366-1370 [4] Kết cấu, tính tốn thiết kế ô tô-hệ thống lái – TS Nguyễn Hồng Việt [5] Lý thuyết tơ –TS Phan Minh Đức [6] Phân tích tạo cảm giác lái mơ hình Steer-By-Wire, Khoa học giáo dục kỹ thuật Đại học sư phạm kỹ thuật Tp HCM 2015 [7] … ... tức thời; Bm cản đàn hồi moto; Ka Kb hệ số mô men hệ số chống sức điện động cảm ứng (Electromotive force-EMF) moto điện; G tỷ số truyền Để xây dựng điều chỉnh PID, ta coi hệ thống có người lái... ia U = Ria + Lia + Kb Ta = GKm (6) (7) Trong : Ta , Tm mô men môto trợ lực, mô men moto điện tử; thơng số đầu góc đánh vòng tay lái thực tế, góc quay moto, U, L, R, ia điện áp, điện Góc quay... steering system forautomobile”, electrical Engineering Zang H Chen.S (2011), “Electric power steering simulation analyze based on fuzzy PiD curent tracking control”, Journal of computational information