Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển để đạt lực phanh lớn nhất trong hệ thống phanh ABS

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc -LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đay đề tài nghiên cứu riêng hướng dẫn PGS TS Phạm Hữu Nam Đề tài thực Bộ mơn Ơ tơ xe chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu, kết trình bày luận văn hoàn toàn trung thực chưa công bố công trình Hà Nội, ngày 15 tháng 06 năm 2011 Tác giả Nguyễn Thanh Tùng -1- MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan……………………………………………………………… MỤC LỤC……………………………………………………………… DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU…………………… DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ………………………………… LỜI NÓI ĐẦU…………………………………………………………… 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN……………………………………………… 12 1.1 ĐẶC ĐIỂM Q TRÌNH PHANH Ơ TƠ…………………………… 12 1.2 NGUN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ABS……………… 15 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ABS………………………… 16 1.4 MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG ABS……………………………………… 19 1.5 ĐỀ XUẤT MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU……………………………… 22 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG PHANH ABS ¼ XE 24 2.1 CÁC LỰC VÀ MOMEN TÁC DỤNG LÊN XE TRONG Q TRÌNH PHANH………………………………………………………… 24 2.2 MƠ HÌNH HỆ THỐNG PHANH ABS ¼ XE……………………… 29 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN……………… 48 3.1 PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN………………… 48 3.2 ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN………………………… 63 3.3 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN……………………………………… 73 3.4 KHẢ NĂNG ĐÁP ỨNG CỦA HỆ THỐNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ TRỄ…………………………………………………………… 76 CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ…………… 80 4.1 XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM………………………… 80 -2- 4.2 CÁC THÍ NGHIỆM TIẾN HÀNH TRÊN MƠ HÌNH……………… 87 4.3 THỬ NGHIỆM THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN THEO GIA TỐC GĨC NGƯỠNG………………………………………………………… 89 4.4 THỬ NGHIỆM THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU LỰC PHANH…………………………………………………………………… 91 4.5 NHẬN XÉT CHUNG……………………………………………… 93 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………… 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………… 97 PHỤ LỤC………………………………………………………………… 99 -3- DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Chữ viết tắt Tên đầy đủ Ý nghĩa ABS Anti-lock Braking System Hệ thống chống bó cứng phanh ASR Anti-Slip Regulation Hệ thống chống trượt quay bánh xe BA Brake Assist Hệ thống hỗ trợ phanh EBD Eletronic Brakeforce Distribution Bộ phân phối lực phanh điện tử ECU Electronic Control Unit Bộ điều khiển điện tử VSC Vehicle Stability Control Hệ thống điều khiển ổn định thân xe DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TT KÝ HIỆU ĐƠN VỊ GIẢI THÍCH 16 λ 17 αt Góc lệch bên bánh xe 19 Pφ N Giới hạn bám 33 Q7 m3/s Lưu lượng dầu chảy khỏi xy lanh phanh bánh xe 54 Qp m3/s Lưu lượng bơm dầu 59 ω rad/s Vận tốc góc bánh xe 63 ω0 rad/s Vận tốc góc trước phanh 64 v0 m/s Vận tốc ô tô trước phanh rad/s2 Gia tốc góc bánh xe m/s2 Gia tốc chậm dần ô tô 66 15 a Độ trượt dọc bánh xe -4- 51 A12 m2 Diện tích tiết diện ngang van chiều 12 30 A6 m2 Tiết diện hiệu dụng lỗ tiết lưu 35 A7 m2 Tiết diện hiệu dụng lỗ tiết lưu 24 Am m2 Diện tích tiết diện ngang piston xy lanh 41 As m2 Diện tích tiết diện ngang xy lanh phanh bánh xe 50 Cd12 Hiệu suất qua tiết lưu van 12 29 Cd6 Hiệu suất tiết lưu qua lỗ tiết lưu van giữ áp 34 Cd7 Hiệu suất tiết lưu qua lỗ tiết lưu van giảm áp 46 Cl N.m/s Hệ số giảm chấn bình tích 23 Cm N.m/s Hệ số giảm chấn dầu 40 Cs N.m/s Hệ số giảm chấn xy lanh phanh bánh xe 37 Fb N Lực phanh Fw Nm Lực cản khơng khí Fx N Lực dọc Fy N Lực ngang Fz N Phản lực thẳng đứng 10 G N Trọng lượng ô tô 14 hg m Chiều cao trọng tâm ô tơ 60 J kg.m2 Momen qn tính bánh xe 42 K N/m Hằng số độ cứng má phanh 57 Kb 11 L m Chiều dài sở ô tô 12 l1 m Khoảng cách từ trọng tâm tới cầu trước 13 l2 m Khoảng cách từ trọng tâm tới cầu sau 58 m Kg Khối lượng ô tô Hệ số tăng mo men phanh -5- 47 Ml kg Khối lượng pit-tông 21 Mm kg Khối lượng piston xy lanh 39 Ms kg Khối lượng pit tơng xy lanh phanh bánh xe Mx Nm Momen quanh trục x My Nm Momen quanh trục y Mz Nm Momen quanh trục z 52 P13 Pa Áp suất dầu khoang công tác bơm 18 Pf N Lực cản lăn 36 Pl Pa Áp suất dầu phanh bình tích 48 Pl Pa Áp suất dầu phanh bình tích 22 Pm Pa Áp suất dầu xy lanh 32 Ps Pa Áp suất dầu phanh xy lanh phanh bánh xe 26 Q14 m3/s Lưu lượng dầu từ bơm tới xy lanh 27 Q6 m3/s Lưu lượng dầu từ xy lanh tới bánh xe 61 R m Bán kính bánh xe 65 S m Quãng đường phanh 62 Tb Nm Momen phanh v m/s Vận tốc tơ 49 Vl m3 Thể tích đường dầu từ van điện từ tới van chiều 12 28 Vm m3 Thể tích dầu trước van điện từ (6) 56 Vp m3 Thể tích dầu khoang cơng tác bơm 43 Vs m3 Thể tích dầu xy lanh phanh bánh xe W N.s2/m2 Hệ số cản khơng khí 45 xl0 m Độ dịch chuyển ban đầu lị xo bình -6- tích áp 20 xm M Dịch chuyển piston xy lanh 38 xs m Dịch chuyển piston phanh 44 βl N/m2 Modun đàn hồi hiệu dụng đường ống dầu từ van điện từ tới van chiều 12 25 βm N/m2 Modun đàn hồi hiệu dụng dầu trước van điện từ 55 βp N/m2 Modun đàn hồi hiệu dụng khoang công tác bơm 31 ρ kg/m3 Khối lượng riêng dầu phanh -7- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Quy luật biến đổi lực dọc lực ngang Hình 1.2: Quỹ đạo xe phanh có ABS khơng có ABS Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý hệ thống ABS Hình 1.4: Vùng hệ số trượt có lực phanh lớn Hình 1.5: Sơ đồ bố trí hệ thống phanh ABS Hình 1.6: Cảm biến gia tốc dọc thân xe Hình 2.1: Các lực momen tác dụng lên tơ Hình 2.2: Hiện tượng phân bố lại tải trọng phanh Hình 2.3: Quy luật biến đổi lực dọc lực ngang Hình 2.4: Mơ hình hệ thống phanh ABS ¼ xe Hình 2.5: Mơ hình xy lanh phanh Hình 2.6: Mơ hình xy lanh phanh Hình 2.7: Mơ hình bình tích Hình 2.8: Mơ hình hệ thống thủy lực Hình 2.9: Động lực học bánh xe Hình 2.10: Ví dụ mơ hình lốp Pacejka Hình 2.11: Hệ số bám dọc sử dụng mơ hình lốp Burkhardt Hình 2.12: Mơ hình động lực học bánh xe Hình 3.1: Sơ đồ thuật toán điều khiển theo độ trượt định trước Hình 3.2: Hệ số bám dọc lốp loại đường khác Hình 3.3: Điều khiển theo độ trượt định trước loại đường I Hình 3.4: Điều khiển theo độ trượt định trước loại đường II -8- Hình 3.5: Thuật tốn điều khiển theo gia tốc chậm dần bánh xe Hình 3.6: Điều khiển theo gia tốc góc bánh xe điều kiện có độ trễ Hình 3.7: Điều khiển trượt lý thuyết thực tế Hình 3.8: Mơ đặc tính van trạng thái tăng áp giảm áp Hình 3.9: Đặc tính áp suất phanh – độ trượt Hình 3.10: Sơ đồ thuật tốn điều khiển tối ưu lực phanh Hình 3.11: Các trạng thái biến đổi áp suất phanh Hình 3.12: Thuật toán điều khiển lực phanh tối ưu loại đường I Hình 3.13: Thuật tốn điều khiển lực phanh tối ưu loại đường II Hình 3.14: Thuật toán điều khiển tối ưu lực phanh hệ thống trễ Hình 3.15: Sơ đồ tổ hợp điều khiển Hình 3.16: Khối xử lý tín hiệu bánh xe Hình 3.17: Khối xử lý trung tâm Hình 3.18: Khối cơng suất Hình 3.19: Hình ảnh thực tế điều khiển ABS Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý băng thử ABS Hình 4.2: Mơ hình thiết kế 3D băng thử Hình 4.3: Cảm biến tốc độ bánh xe Hình 4.4: Cảm biến tốc độ tang trống mạch xử lý tín hiệu Hình 4.5: Cảm biến áp suất mạch xử lý tín hiệu Hình 4.6: Sơ đồ ngun lý hệ thống đo thu thập liệu Hình 4.7: Sơ đồ thuật toán thu thập xử lý liệu Hình 4.8: Bộ đo thu thập liệu Hình 4.9: Kết thực nghiệm pha tăng áp giảm áp Hình 4.10: Kết điều khiển theo gia tốc góc bánh xe Hình 4.11: Kết thử nghiệm tối ưu lực phanh -9- LỜI NÓI ĐẦU Hệ thống phanh giữ vai trò quan trọng việc đảm bảo an tồn chuyển động tơ Ơ tơ ngày có tốc độ chuyển động trung bình đường cao nhiều so với trước đây, hệ thống phanh khơng phải đảm bảo hiệu phanh tốt mà phải đảm bảo tính ổn định phanh Thực tế cho thấy phanh đường mà bánh xe xảy tượng bó cứng bánh xe khơng hiệu phanh giảm mà gây khả định hướng xe, gây tai nạn nghiêm trọng Vì ô tô nay, thường lắp thêm hệ thống ABS làm nhiệm vụ chống bó cứng bánh xe trình phanh, điều chỉnh lực phanh tối ưu đảm bảo tính ổn định hướng cho xe phanh Hệ thống phanh ABS áp dụng rộng rãi nhiều hãng ô tô giới, số nước coi việc trang bị hệ thống phanh ABS tiêu chuẩn Nhờ tác động hệ thống điều khiển điện tử mà hệ thống phanh ABS ngày phát triển hơn, đáp ứng nhanh xác với trạng thái làm việc trình phanh Các nghiên cứu ABS tập trung vào hồn thiện thuật tốn điều khiển kết hợp điều khiển ABS hệ thống tổ hợp ABS ngày khơng cịn kỹ thuật áp dụng Việt Nam, nhiên chưa có nhiều nghiên cứu việc tìm hiểu kỹ nguyên lý thuật toán điều khiển hệ thống ABS, đặc biệt thuật toán điều khiển cho phép xây dựng tổ hợp hoàn chỉnh điều khiển Luận văn tiến hành nghiên lý thuyết kết hợp với thực nghiệm kiểm chứng mô hình băng thử thực nhiệm vụ: • Nghiên cứu tổng quan hệ thống ABS; • Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống ABS; • Xây dựng thuật tốn điều khiển tối ưu lực phanh; • Thực nghiệm đánh giá thuật tốn mơ hình thực Trong thời gian làm luận văn, tác giả có nhiều cố gắng tích cực chủ động học hỏi, vận dụng kiến thức học tìm hiểu kiến thức Dưới hướng dẫn trực tiếp PGS TS Phạm Hữu Nam thầy giáo - 10 - temp = K_I*Value/E_OPT*1440; if (temp >= 1440) INC_VALVE = 1440; else INC_VALVE = temp; DEC_VALVE = 0; } else // Giam ap { temp = K_D*Value/E_OPT*1440; INC_VALVE = 1440; if (temp >= 1440) DEC_VALVE = 1440; else DEC_VALVE = temp; } } // Interrupt Routines ISR(TIMER0_OVF_vect){ TCNT0 = T_TCNT0; time++; // Tang so lan ngat // Tinh toan Omega va Epsilon if (time == T_TIME) { omega_old = omega; epsilon_old = epsilon; omega = PI*pulse/INTERVAL; // Nhan - 104 - epsilon = (omega-omega_old)*15; delta = epsilon - epsilon_old; if ((PINC & (1= 0) { Increase(); state = INC; } else { Decrease(); state = DEC; } } break; case HOLD_D: { if (delta >= 0) - 107 - { Increase(); state = INC; } else { Decrease(); state = DEC; } } break; } } else Oil_Pump(TAT); pulse = 0; time = 0; } } ISR(INT0_vect){ pulse++; // Tang xung } // Main Program - 108 - int main(){ // Init Peripheral init_PORT(); init_Timer0(); init_INT0(); init_PWM(); sei(); Increase(); state = INC; // Main Event while(1){}; } Code thu thập xử lý liệu: /* Program : ABS_Do Author : Nguyen Thanh Tung Date : Apr 14, 2011 MCU : Mega48 XTAL : 7.3728Mhz */ - 109 - // Include files #include #include #include #include // Define PreValue #define PI 3.14159 // Global Variables volatile unsigned int pulse = 0; // So xung banh xe volatile unsigned int velocity = 0; // So xung lan volatile double distance = 0; // Quang duong phanh volatile double omega = 0; // Van toc goc banh xe hien tai volatile double omega_old = 0; // Van toc banh xe cu volatile double epsilon = 0; volatile double v = 0; volatile double v_old = 0; // Gia toc goc banh xe // Van toc xe hien tai // Van toc xe hien tai volatile double acc = 0; volatile unsigned int pressure = 0; // Gia toc xe hien tai // Ap suat he thong volatile char str[8]; // Sub Program void init_UART(void) - 110 - { // Set baudrate = 57600 UBRR0H = 0; UBRR0L = 7; // Set khung truyen va kich hoat bo nhan du lieu UCSR0A=0x00; UCSR0C=(1