Mô phỏng hệ thống truyền động điện trên ô tô điện sử dụng hệ thống lái bốn bánh xe

Bài viết này trình bày nghiên cứu mô hình mô phỏng động lực học của ô tô điện với bốn động cơ điện độc lập tại bốn bánh xe bằng công cụ Matlab-Simulink, đánh giá hiệu quả điều khiển trong hai trường hợp ô tô chuyển làn và quay vòng với bán kính không đổi.

LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC MƠ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRÊN Ô TÔ ĐIỆN SỬ DỤNG HỆ THỐNG LÁI BỐN BÁNH XE SIMULATION OF ELECTRIC DRIVER SYSTEM FOR ELECTRIC CAR WITH FOUR WHEEL STEERING Nguyễn Ngọc Tuấn1, Hồ Hữu Hùng2, Nguyễn Thành Cơng3, Nguyễn Đình Cương4 Email: nguyenngoctuan66@gmail.com Cơng ty cổ phần Ơ tơ Trường Hải Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật công nghiệp Trường Đại học Giao thông Vận tải Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 02/11/2017 Ngày nhận sửa sau phản biện: 24/12/2017 Ngày chấp nhận đăng: 28/12/2017 Tóm tắt Với nhiều ưu điểm bật khả điều khiển tốt, thân thiện với môi trường, ô tô điện xu hướng phát triển tồn giới Bài báo trình bày nghiên cứu mơ hình mơ động lực học ô tô điện với bốn động điện độc lập bốn bánh xe công cụ Matlab-Simulink, đánh giá hiệu điều khiển hai trường hợp ô tô chuyển quay vòng với bán kính khơng đởi Từ khóa: Ơ tơ điện; động điện bốn bánh xe; 4WS Abstract With many outstanding features such as good control, environmentally friendly, electric cars are trending development in the world This paper presents a study of the dynamics simulation model of electric cars with four independent electric motors in four wheels by tool Simulink of Matlab, evaluating the control effect in two cases of automobile change lanes and turn around Keywords: Electric car; 4-in wheels-motor; 4WS ĐẶT VẤN ĐẾ Đặc tính vận tốc lý tưởng tơ có dạng hypecbol hình 1a Khi xe chuyển động, lực cản tăng vận tốc xe giảm dần, lực cản giảm Do động điện có tính chất dễ điều khiển tốc độ nên đặc tính lực kéo gần giống với đặc tính lý tưởng xe hình 1c (tham khảo nghiên cứu [1]) xe tăng dần vận tốc Phạm vi thay đổi vận tốc xe cao tốt khả khắc phục lực cản xe hoạt động rộng tốt Để đáp ứng điều kiện làm việc này, công suất động phải giữ khơng đổi tồn dải vận tốc Động điện có đặc tính mơmen đặc tính cơng suất hình 1b, phù hợp với điều kiện chuyển động xe Động điện có phạm vi thay đổi mơmen lớn, hoạt động vận tốc thấp phạm vi điều chỉnh vận tốc lớn nên sử dụng ô tô cho khả khắc phục tốt điều kiện cản khác nhau, phù hợp với trạng thái làm việc ô tơ Hình a) Đặc tính làm việc tơ; b) Đặc tính ngồi động điện; c) Đặc tính kéo tơ điện Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 53 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Bài báo trình bày kết nghiên cứu mô động lực học ô tô điện loại nhỏ, sử dụng bốn động dẫn động trực tiếp bốn bánh xe; đánh giá khả điều khiển hướng chuyển động thông qua việc thay đổi dòng điện cấp cho động điện bánh xe CƠ SỞ NGHIÊN CỨU Bài báo kế thừa mơ hình mơ động lực học tác giả Lê Ngọc Trung với hệ thống lái bốn bánh xe dẫn hướng [2] để xây dựng mơ hình mơ chuyển động xe bốn bánh chủ động với bốn động điện đặt bánh xe hình Hệ phương trình vi phân mơ tả chuyển động ô tô mặt phẳng đường sau: số bám dọc φx, hệ số bám ngang φy) độ trượt s (gồm độ trượt dọc sx, độ trượt ngang sy), phụ thuộc vào loại đường góc lệch bên bánh xe α [3] Mơ mơ hình lốp theo mối tương quan sơ đồ hình Các giá trị Fx(sx,α,Fz) Fy(sy,α,Fz) xác định từ thực nghiệm Mơ hình mơ cho phép xác định giá trị vận tốc xe theo phương dọc x , vận tốc xe theo phương ngang y , vận tốc góc quay thân xe ε , vận tốc góc bánh xe, độ trượt bánh xe, thành phần lực ngang lực dọc bánh xe mx = Fxfl cos d fl + Fxfr cos d fr + Fxrl cos d rl + Fxrr cos d rr − − Fyfl sin d fl − Fyfr sin d fr + Fyrl sin d rl + Fyrr sin d rr − P − Pf my = Fyfl cos d fl + Fyfr cos d fr + Fyrl cos d rl + Fyrr cos d rr + (1) + Fxfl sin d fl + Fxfr sin d fr − Fxrl sin d rl − Fxrr sin d rr + N + Pj J zε = ( Fxfl sin d fl + Fxfr sin d fr )a + ( Fyfl cos d fl + Fyfr cos d fr )a − ( Fyrl cos d rl + Fyrr cos d rr )b + ( Fyfl sin d fl − Fyfr sin d fr ) − B B ( Fxfl cos d fl - Fxfr cos d fr ) − ( Fxrl cos d rl − Fxrr cos d rr ) + ∑ M si 2 đó: m: khối lượng toàn xe; x : vận tốc xe theo phương dọc; y : vận tốc xe theo phương ngang; ε : gia tốc góc quay thân xe; Fxfl , Fxfr , Fxrl , Fxrr : phản lực từ mặt đường lên bánh xe theo phương x; Fyfl , Fyfr , Fyrl , Fyrr : phản lực từ mặt đường lên bánh xe theo phương y; d fl , d fr , d rl , d rr : góc quay bánh xe trước trái, trước phải, sau trái sau phải; PP N : lực ww, ,N cản khơng khí thành phần lực qn tính theo phương trục y Hình Sơ đồ mô tả lực tương tác bánh xe đàn hồi Vận tốc xe xác định theo công thức (2): (2) V = x + y xe Xây dựng thêm mơ hình mơ hệ thống lái bốn bánh xe dẫn hướng (4WS) khảo sát hình 4, hình [4] Khi xe chuyển động vận tốc cao bánh xe cầu sau quay chiều bánh xe cầu trước để đảm bảo quay vòng ổn định, vận tốc thấp bánh xe cầu sau quay ngược chiều bánh xe cầu trước nhằm tăng khả quay vòng ngoặt xe Hình Các lực tác dụng lên xe quay vòng Sự tương tác lốp xe đàn hồi mặt đường thông qua quan hệ hệ số bám φ (gồm hệ Hình Hai bánh xe cầu trước cầu sau quay ngược chiều lái bốn bánh 54 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC έ* vận tốc góc quay thân xe thực tế έ) mức biến thiên sai lệch ė(t): (6) e(t ) = ε * −ε; e(t ) = e(t ) − e(t )1 Bộ điều khiển tính tốn giá trị cường độ dòng điện hiệu chỉnh theo công thức: = DI K P e(t ) + K D de(t ) + K I ∫ e(t ) dt (7) Các hệ số KP, KI, K­D, chỉnh định trực tiếp thông qua công cụ mô hệ thống Matlab -Simulink KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Hình Hai bánh xe cầu trước cầu sau quay chiều lái bốn bánh Điều kiện động học quay vòng góc quay bánh xe trước sau theo lý thuyết Ackerman không kể tới đàn hồi lốp xác định theo công thức (3): cot d fr − cot d fl = B B cot d fr − cot d fl − ⋅ L L cot d rr − cot d rl (3) Công thức (3) cho hai trường hợp quay vòng nêu điều kiện động học cho hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng, làm sở tính tốn cho điều khiển hướng chuyển động xe Bán kính quỹ đạo quay vòng xác định theo cơng thức (4): (4) c R = (b + c2 ) + (cot d fl + cot d fr ) Vận tốc góc quay thân xe mong muốn, tính theo điều kiện động học sau: ε* = vxe R 3.1 Kết mô khả động lực học xe Mơ hình mơ sử dụng bốn động điện, dẫn động trực tiếp bốn bánh xe Ban đầu xe đứng yên, thay đổi dòng điện cấp vào động để khảo sát thay đổi vận tốc xe Kết mô hình cho thấy, cấp dòng điện 190 A, ứng với giá trị mômen lớn động sinh 370 Nm, tỷ số truyền i0 = 1, vận tốc lớn xe 20 m/s (72 km/h), đạt sau 20 s (đường II) Nếu i0 = vận tốc lớn 31 m/s (112 km/h), đạt sau 12 s (đường I) V (m/s) 28 (I) (II) (5) Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển chuyển động quay vòng hình Bài báo sử dụng điều khiển logic mờ (fuzzy logic) theo quy luật điều khiển PID nhằm hỗ trợ điều khiển chuyển động quay vòng cho xe Bộ điều khiển thay đổi vận tốc động điện cách thay đổi cường độ dòng điện cấp vào động nhằm mục đích hạn chế tượng quay vòng thừa quay vòng thiếu xe Bộ điều khiển sử dụng tham số đầu vào sai lệch e(έ ) (giữa vận tốc góc quay thân xe lý thuyết Th i gian (s) Hình Vận tốc dài xe 3.2 Kết mô điều khiển chuyển động quay vòng Bài báo mơ trạng thái chuyển động chuyển xe vận tốc không đổi 60 km/h, đường có hệ số bám cực đại 0,7 Quy luật điều khiển vô lăng người lái có dạng hình sin với biên độ 60 (ứng với góc lái 60 độ), chu kỳ Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 55 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC giây (ứng với thời gian chuyển giây) hình 7a Xe sử dụng hệ truyền động bốn động điện dẫn động trực tiếp bốn bánh xe Khi xe chuyển động quay vòng thiếu, điều khiển tác động thay đổi dòng điện tới động Khi đó, mơmen cấp xuống hai động bên trái tăng lên, mơmen hai động bên phải giảm xuống (hình 7e) làm thay đổi vận tốc động điện tương ứng hỗ trợ chuyển động quay vòng xe, giúp xe quay vòng theo quỹ đạo Sau chuyển làn, góc quay thân xe khơng cho thấy xe trở trạng thái chuyển động thẳng song song với hướng chuyển động ban đầu mà khơng cần điều chỉnh từ người lái (hình 7c) Đồ thị hình 7d cho thấy: xe chuyển với góc quay vành lái dịch chuyển ngang xe có điều khiển lớn Do đó, để đạt mức độ chuyển người lái cần đánh lái với góc quay nhỏ có điều khiển tác động Với trường hợp quay vòng vận tốc thấp, báo trình bày kết mơ quay vòng với góc quay vành lái khơng đổi 180o, vận tốc xe 30 km/h, đường có hệ số bám cực đại 0,7 Vận tốc góc quay thân xe lớn (hình 8a); mơmen động điện cấp cho bánh xe bên trái giảm, mômen động điện cấp cho bánh xe bên phải tăng (hình 8b) giúp giảm bán kính quay vòng xe Hình Xe quay vòng với góc quay vô lăng không đổi 180o vận tốc 30 km/h 56 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Khi khơng sử dụng điều khiển, xe chuyển động cung tròn khác ngày lệch quỹ đạo mong muốn Khi điều khiển làm việc, bán kính quay vòng xe giảm xuống, xe chuyển động quỹ đạo tương ứng với bán kính khơng đổi (hình 9) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Văn Hùng (2013) Nghiên cứu, thiết kế, tính tốn hệ thống động lực cho ô tô Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [2] Lê Ngọc Trung (2008) Mô chuyển động ô tô bánh dẫn hướng Luận văn thạc sĩ khoa học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [3] Nguyễn Khắc Trai (1997) Tính điều khiển quỹ đạo chuyển động ô tô Nhà xuất Giao thông Vận tải [4] Reza N Jazar (2008) Vehicle Dynamic: Theory and Application Springer [5] Kiyotaka Kawashima, Toshiyuki Uchida, Yoichi Hori (2009) Rolling Stability Control Based on Hình Quỹ đạo chuyển động góc quay vơ lăng cố định góc 180o Electronic Stability Program for In-wheel-motor Electric Vehicle World Electric Vehicle Journal Vol 3, May 13-16 KẾT LUẬN [6] Rongrong Wang and Junmin Wang (2011) Bài báo khảo sát chuyển động quay vòng xe hai trường hợp chuyển quay vòng, kết cho thấy có điều khiển động điện quỹ đạo tơ gần với quay vòng làm tăng khả ổn định tính động tơ Stability Control of Electric Vehicles with Four Independently Actuated Wheels The 50th IEEE Conference on Decision and Control and European Control Conference (CDC-ECC) Orlando, FL, USA, December 12-15 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 57 ... cứu mô động lực học ô tô điện loại nhỏ, sử dụng bốn động dẫn động trực tiếp bốn bánh xe; đánh giá khả điều khiển hướng chuyển động thông qua việc thay đổi dòng điện cấp cho động điện bánh xe. .. thừa mô hình mơ động lực học tác giả Lê Ngọc Trung với hệ thống lái bốn bánh xe dẫn hướng [2] để xây dựng mơ hình mơ chuyển động xe bốn bánh chủ động với bốn động điện đặt bánh xe hình Hệ phương... hình 7a Xe sử dụng hệ truyền động bốn động điện dẫn động trực tiếp bốn bánh xe Khi xe chuyển động quay vòng thiếu, điều khiển tác động thay đổi dòng điện tới động Khi đó, mơmen cấp xuống hai động