Kết quả nghiên cứu có thể làm cơ sở để đi đến chế tạo mô hình thực tế là dùng bộ điều khiển này trên các hệ thống lái có trợ lực điện.. Bộ điều khiển PID thực hiện so sánh giá trị của dò
Trang 1MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI CÓ 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 Thông, Trường ĐHBK Đà Nẵng; Email: ducthuong1509@gmail.com
GVHD: TS Phạm Quốc Thái
Khoa Cơ Khí Giao Thông, Trường ĐHBK Đà Nẵng; Email: pqthai@dut.udn.vn
Tóm tắt - Hệ thống lái có trợ lực điện ngày càng được xem như
một trang bị tiêu chuẩn trên ô tô du lịch Để điều khiển được động
cơ điện trợ lực đầu vào, bộ điều khiển trung tâm được thiết kế với
các quy luật điều khiển khác nhau do các nhà sản xuất phát triển
dưới dạng hộp đen không can thiệp Để có thể hiểu sâu hơn về
nguyên lý làm việc cũng như tiến tới việc nghiên cứu thiết kế, chế
tạo bộ điều khiển này Điều đầu tiên phải quan tâm đó là thuật
toán điều khiển Bài toán trình bày phương pháp xây dựng bố trí
bộ điều khiển PID để điều khiển momen của trợ lực Việc áp
dụng công nghệ điều khiển PID(Proportional-Integral-Derivative)
ở bộ điều khiển trung tâm sẽ giúp cho hệ thống lái nhẹ nhàng và
chính xác hơn, xe có thể tự trả lái về khi xe chuyển động thẳng
và cho phép xe điều khiển được khi hệ thống gặp sự cố Kết quả
nghiên cứu có thể làm cơ sở để đi đến chế tạo mô hình thực tế là
dùng bộ điều khiển này trên các hệ thống lái có trợ lực điện.
Từ khóa – Trợ lực điện, bộ điều khiển PID, hệ thống lái.
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.
Key words - Electronic power assisted; PID controller; Steering system.
1 Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây Nền khoa học kỹ thuật thế giới
đã phát triển cực kỳ mạnh mẽ với nhiều thành công rực rỡ
trong tất cả các lĩnh vực của đời sống xã hội, đặc biệt
trong lĩnh vực công nghệ ô tô Chúng ta đã tạo ra được
những dòng xe cao cấp và hiện đại, đi cùng với nó là sự
tiện nghi và an toàn rất được chú trọng nghiên cứu và
phát triển nhằm tạo ra sự êm ái và an toàn khi điều khiển
Hệ thống lái trên ô tô đảm nhận hai chức năng chính:
(1) giúp cho người lái có thể điều khiển ô tô chuyển động
theo các quỹ đạo mong muốn, (2) tạo cảm giác mặt đường
cho người lái Để đảm bảo được hai chức năng trên, ô tô
được trang bị nhiều hệ thống lái khác nhau như hệ thống
lái cơ khí có trợ lực thủy lực (HPAS) hoặc trợ lực điện
(EPAS)… Do hệ thống lái điện có mức phát thải gần như
bằng không, tiêu hao năng lượng thấp và có khả năng tự
chuẩn đoán Nên hệ thống này đang dần thay thế hệ thống
lái có trợ lực thủy lực trên ô tô
Dựa trên những phân tích trên, bài báo cáo này sẽ
trình bày cách xây dựng hệ thống PID cho động cơ sử
dụng hệ thống lái có trợ lực điện
2 Các công thức toán học
Sau khi phân tích động lực học hệ thống lái có trợ lực
điện C-EPAS, mô hình toán học được xây dựng lần lượt
cho các cụm trong hệ thống như sau:
Mô hình trục vành tay lái, thanh răng:
T s + Bs + T c = T d (1)
Trong đó T s ,T c ,T d lần lượt là mô men trên trục tay lái,
mô men trên vành tay lái và mô của cảm biến, là góc
quay vành tay lái thực tế,
M r + B r - = – F TR (2)
Trong đó, M r là khối lượng rotuyn lái; B r là hệ số cản
đàn hồi của rotuyn, x r là dịch chuyển ngang của thanh
răng, R s và R a là điện trở trong của cảm biến và moto trợ
lực, F TR là lực cản quay vòng quy dẫn lên thanh răng
Mô hình bộ cảm biến mô men:
Trong đó, K s là độ cứng xoắn của trục tay lái.
Hình 1 Mô hình hệ thống lái có trợ lực với động cơ điện
bố trí trên trục vành tay lái C-EPAS
Trang 2SVTH: Tên sinh viên; GVHD: Tên giáo viên hướng dẫn
3 Thiết kế bộ điều khiển PID
(Proportional-Integral-Derivative)
Mô hình toán học cho moto điện trợ lực được xây
dựng như sau:
T m + Bm = T m – T a (4)
U = Ri a + Li a + Kb (6)
T a = GK m (7)
Trong đó : T a , T m lần lượt là mô men của môto trợ lực,
mô men của moto điện tử; là thông số đầu góc đánh vòng
tay lái thực tế, góc quay moto, U, L, R, i a là điện áp, điện
cảm, điện trở, cường độ dòng điện tức thời; B m là cản đàn
hồi moto; K a và K b là hệ số mô men và hệ số chống sức
điện động cảm ứng (Electromotive force-EMF) của moto
điện; G là tỷ số truyền
Để xây dựng bộ điều chỉnh PID, ta coi hệ thống có
người lái ảo, khi đó ta có thể xây dựng được mô hình điều
khiển này thông qua mô hình toán học sau đây:
U = ( - i a )( K p – K i + K d s) (8)
Trong đó: là giá trị dòng điện định mức; K p , K i , K d là
hệ số của bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID thực hiện so sánh giá trị của dòng
điện yêu cầu với giá trị dòng điện thực tế của moto trợ
lực, từ đó thực hiện quy tắc điều khiển bám để đưa ra giá
trị ngưỡng của điện áp đưa vào điều khiển động cơ Sơ đồ
nguyên lí của hệ thống có bộ điều khiển PID với phản hồi
kín được thực hiện trên và sơ đồ cấu trúc nguyên lý điều
khiển hệ thống lái có trợ lực C-EPAS được thể hiện ở
(hình 2) Xuất phát tù mô hình vật lí (hình 1) và sơ đồ hệ
thống có điều khiển (hình 2), mô hình mô phỏng để khảo
sát động lực học hệ thống lái có trợ lực điện được xây
dựng nhờ công cụ Simulink
Hình 2 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID
4 Khảo sát động lực học hệ thống lái có trợ lực điện
Trên cơ sở mô hình toán, mô hình mô phỏng của C-EPAS được xây dựng trong Matlab/Simulink Chương trình sẽ giả lập điều khiển đường khác nhau tác động lên xe mô phỏng, giả lập rung động va đập, cảm giác mặt đường với các tốc độ khác nhau Qui luật thay đổi góc quay của vành tay lái được giả định làm điều kiện đầu vào cho bài toán mô phỏng là quy luật hình sin (hình 3.a) Lưới đặc tính điều khiển của động cơ điện trợ lực lái (hình 3.b) Để đơn giản cho quá trình tính toán, lưới đặc tính điều khiển này được xây dựng ở dạng tuyến tính Mô men trên vành tay lái
Td được cảm biến mô men đo và ghi nhận thành giá trị Tc Mô men Tc và vận tốc chuyển động của oto là hai tín hiệu đầu vào cho ma trận lưới đặc tính điều khiển nhằm xác định được dòng điện cần thiết để điều khiển động cơ trợ lực lái
-15 -10 -5 0 5 10 15
Vận tốc oto V=40km/h
t(s)
a) Qui luật thay đổi góc lái
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
0 km/h
40 km/h
85 km/h
Mô men (Tc)
b) lưới đặc tính điều khiển động cơ
Hình 3 Qui luật thay đổi góc lái và lưới đặc tính điều
khiển động cơ
2
Trang 3-30 -20 -10 0 10 20 30
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
85 km/h
40 km/h
0 km/h Góc xoay vành tay lái θs(deg)
a) Qui luật thay đổi mô men tác động
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
0 km/h
40 km/h
85 km/h
t(s)
b) mô men trợ lực lái
Hình 4 Qui luật thay đổi mô men tác động và mô men
trợ lực lái Theo công thức (8), bộ điều khiển Pid so sánh sai lệch
giữa hai giá trị dòng điện đặt được xác định thông qua
bảng lưới đặc tính và dòng điện thực tế của động cơ i a
Căn cứ vào giá trị lệch này, bộ điều khiển PID xác định
được giá trị điện áp điều khiển U đặt vào động cơ
-10
-8
-6
-4
-2
0
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 5 Qui luật thay đổi dòng điện đặt và dòng điện
động cơ điện trở lực i a khi vận tốc oto V= 40 km/h với các
giá trị khác nhau của hệ số của bộ điều khiển PID
Kết quả mô phỏng với góc đặt là :
-10 -5 0 5 10
Vận tốc oto V=40 (km/h) Kp=0.8; Ki=0.2
Dòng điện đặt i*a
Dòng điện ia (Kp=0.8;
Ki=0.2
t(s)
Hình 6 Qui luật thay đổi dòng điện đặt và dòng điện
động cơ điện trở lực i a khi vận tốc oto V= 40 km/h với các
giá trị khác nhau của hệ số của bộ điều khiển PID Trên (hình 5), ta nhận thấy rằng khi thay đổi các thông
số của bộ điều khiển tuyến tính PID, dòng điện điều khiển
động cơ có sự sai khác Khi hệ số K l tăng lên làm cho độ lệch so với yêu cầu của dòng điện điều khiển cũng tăng lên Để khảo sát hiệu năng của bộ điều khiển, nhóm nghiên cứu thay đổi một số thông số kết cấu của hệ thống Trên (hình 6), thể hiện quy luật thay đổi giá trị dòng điện điều khiển khi thay đổi giá trị dòng trở trong moto điện trở lực Kết quả khảo sát cho thấy bộ điều khiển hoàn toàn
có thể đáp ứng được yêu cầu sinh ra tín hiệu điều khiển động cơ điện trở lực cho các loại động cơ khác nhau Như vậy, đối với hệ thống này khi ta thay đổi động cơ điện có thể không cần tác động hiệu chỉnh tới bộ tham số của bộ điều khiển PID đã xây dựng
5 Bàn luận
5.1 Bàn luận 1
Kết quả mô phỏng cho thấy khi xe chuyển động ở tốc
độ thấp, momen tác dụng của người lái nhỏ và momen của trợ lực lớn làm cho người điều khiển nhẹ nhàng, linh hoạt Khi xe chuyển động ở tốc độ cao, momen của người lái tăng còn momen của trợ lực giảm làm hệ thống nặng hơn gây cảm giác mặt đường cho người lái Vì vậy, hệ thống lái đã đáp ứng được yêu cầu của đặt ra mà một hệ thống lái cần phải có
Bàn luận 2 kết quả mô phỏng này có đúng với thực tế hay không? Chúng tôi giám chắc là Đúng Bởi vì, bộ điều khiển mà chúng tôi đang vận dụng đó là bộ điều khiển PID, bộ điều khiển đã được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Và nếu đưa ra mô phỏng thực tế thì chúng
ta phải trang bị thêm mô hình bướm ga thực tế, các dụng
cụ, thiết bị để xác định thời gian, gốc độ, tốc độ cánh bướm ga…Và đặc biệt hơn nữa, chúng ta phải tìm hiểu
thêm về lập trình trên Ardiuno về điều khiển PID.
6 Kết luận
Dựa trên những khảo sát về điều khiển động cơ điện trợ lực cho hệ thống lái có trợ lực điện, nhóm nghiên cứu đã
đi xây dựng thuật toán và thiết kế bộ điều khiển PID Các kết quả nghiên cứu đã cho thấy tính đúng đắn của phương pháp cũng như thuật toán điều khiển đã được xây dựng
Bộ điều khiển đã đưa ra được dòng điện để điều khiển động cơ theo đúng chế độ hoạt động của hệ thống lái Đồng thời bộ điều khiển cũng có khả năng thích ứng với
Trang 4SVTH: Tên sinh viên; GVHD: Tên giáo viên hướng dẫn
một số thay đổi trong kết cấu của hệ thống Tuy nhiên
trong phạm vi nghiên cứu, nhóm sinh viên chỉ dừng lại ở
việc lựa chọn các thông số của bộ điều khiển PID theo
kinh nghiệm Vì vậy cần phải xây dựng một phương pháp
để xác định các giá trị tối ưu của bộ điều khiển và đó cũng
chính là hướng phát triển trong thời gian tiếp theo của
nhóm Đồng thời phải thiết kế được một bộ ECU thực
bằng cách mã hóa hệ điều khiển đã được xây dựng bằng
công cụ Matlab/Simulink và tích hợp vào bộ chip điều
khiển để thử nghiệm đánh giá thực tế khả năng của bộ
điều khiển PID cũng như tính thích ứng của lưới đặc tính
đã được lựa chọn
Tài liệu tham khảo
[1] Ranman M.F.(2012), “Electric power steering system forautomobile”, electrical Engineering.
[2] 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 toán và thiết kế ô tô-hệ thống lái – TS Nguyễn Hoàng Việt
[5] Lý thuyết ô tô –TS Phan Minh Đức [6] Phân tích tạo cảm giác lái trên mô hình Steer-By-Wire, Khoa học giáo dục kỹ thuật Đại học sư phạm kỹ thuật Tp HCM 2015.
[7] ….
4