Nghiên cứu và ứng dụng phần mềm matlab – stateflow mô phỏng bộ ECU điều khiển điện tử hệ thống điều khiển lực kéo TCS trên xe ô tô du lịch

Bài viết này trình bày những kết quả chính trong việc nghiên cứu quá trình điều khiển của bộ ECU trung tâm trên hệ thống điều khiển lực kéo (TCS). Thực hiện mô phỏng bộ điều khiển bằng phần mềm Matlab - stateflow, từ đó làm rõ quá trình vật lý xẩy ra trong quá trình điều khiển của ECU.

ISSN 2354-0575 ISSN 2354-0575 NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB – STATEFLOW MÔ PHỎNG BỘ ECU ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LỰC KÉO TCS TRÊN XE Ô TÔ DU LỊCH Đồng Minh Tuấn *, Khổng Văn Nguyên Khoa khí Động lực - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Ngày tòa soạn nhận báo: 15/11/2019 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 10/12/2019 Ngày báo duyệt đăng: 25/12/2019 Tóm tắt: Bài báo trình bày kết việc nghiên cứu q trình điều khiển ECU trung tâm hệ thống điều khiển lực kéo (TCS) Thực mô điều khiển phần mềm Matlab - stateflow, từ làm rõ trình vật lý xẩy trình điều khiển ECU Kết bước đầu cho thấy, với số chế độ làm việc hệ thống TCS thơng số mơ men động cơ, áp suất phanh, độ trượt ECU điều khiển có kết phù hợp với đường đặc tính thực tế hệ thống Từ khóa: ECU trung tâm, hệ thống điều khiển lực kéo (TCS) Đặt vấn đề Để giảm tai nạn giao thơng tơ gây ra, dịng xe ô tô sản xuất thường trang bị hệ thống điều khiển lực kéo (TCS) thay cho hệ thống phanh truyền thống hoạt động hiệu quả, [1] Do việc nghiên cứu, khai thác, bước tìm giải pháp tác động vào trình điều khiển ECU trung tâm để hệ thốngTCStrên tô hoạt động phù hợp với điều kiện giao thông Việt Nam yêu cầu cấp bách Mục tiêu: Xây dựng mơ hình mơ điều khiển ECU hệ thống điều khiển lực kéo TCS ô tô du lịch Mô trạng thái làm việc ECU.Phân tích làm rõ phương thức điều khiển ECU ô tô xẩy tượng trượt quay Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mơ máy tính nhằm nghiên cứu rõ qui luật điều khiển ECU Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu trình điều khiển tiến hành mô ECU hệ thống điều khiển lực kéo TCS ô tô du lịch Phạm vi nghiên cứu: Chỉ nghiên cứu ECU hệ thống TCS xe ô tô du lịch Đồng thời tiến hành mô nhằm làm rõ qui luật điều khiển ECU Cơ sở lý thuyết * Vai trò ECU trung tâm hệ thống điều khiển lực kéo TCS: ECU trung tâm có nhiệm vụ điều khiển chế độ hoạt động cụm van, đồng thời điều khiển mô men động nhằm chống trượt bánh xe chủ động trình tăng tốc, đảm bảo cho độ trượt bánh xe thay đổi giới hạn hẹp quanh giá trị 0 (  10  30%) ,để xe phát huy lực kéo tốt nhất, khả tăng tốc cao [2, 3] Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống TCS Hình mơ tả sơ đồ điều khiển hệ thống TCS thể q trình nhận tín hiệu điều khiển cấu chấp hành ECU trung tâm *) Hệ số bám bánh xe với mặt đường: hệ số 50 Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology |41 Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology ISSN 2354-0575 ISSN 2354-0575 bám dọc  x hệ số bám ngang y Hình thể ảnh hưởng hệ số bám mặt đường có vật liệu phủ bề mặt khác nhau.Trên loại đường hệ số bám thay đổi phụ thuộc vào trạng thái mặt đường Vai trò TCS giữ bánh xe chủ động q trình tăng tốc khơng bị trượt quay độ trượt thay đổi phạm vi giới hạn hẹp quanh giá trị độ trượt 0 (  10  30%) , hiệu tăng tốc tính ổn định xe tốt Hình2.Đặc tính trượt, thể thayđổi hệ số bám  x ,  y theo  Chương trình mơ Ứng dụng phần mềm Matlab – State flow mô khối ECU hệ thống TCS, từ liên kết khối để tạo thành mộthệ thống hoàn chỉnh 3.1 Giới thiệu phần mềm Matlab – Stateflow [4] Matlab - Stateflow công cụ hữu hiệu để mô hoạt động cấu ô tô, bao gồm trình động lực liên tục gián đoạn ứng xử logic phức hợp gồm: - Trạng thái (State): Mô tả phương thức hệ thống điều khiển kiện, tình trạng làm việc hay khơng làm việc trạng thái thay đổi theo điều kiện kiện Có hai loại trạng thái trạng thái loại trừ (OR) trạng thái ngang hàng (AND) - Chuyển đổi (Transitions):Hành động chuyển đổi từ trạng thái sang trạng thái khác hệ thống thông qua đối tượng gọi “chuyển đổi” Đó đối tượng đồ hoạ (đối tượng nguồn) nối với đối tượng khác (đối tượng đích), đường cong có mũi tên Đối tượng nguồn nơi chuyển đổi bắt đầu, đối tượng đích nơi chuyển đổi kết thúc Nhãn chuyển đổi xác định chuyển đổi đó; nhãn chứa thơng tin kiện, điều kiện - Sự kiện (Events): Khi kiện bắt đầu xảy ra, trạng thái sơ đồ Stateflow đánh giá Sự truyền kiện kích hoạt chuyển đổi kích hoạt hoạt động - Dữ liệu (Data): Là đối tượng phi đồ hoạ, dùng để lưu giữ giá trị số sơ đồ Stateflow - Điều kiện (Condition): Là mệnh đề logic, có giá trị sai, xác định chuyển đổi xảy mệnh đề - Hành động (Acstions): Các hành động xảy khởi động mơ hình, hành động chuyển từ trạng thái sang trạng thái khác hành động trạng thái Các trạng thái có hành động vào, trong, hành động nương theo kiện 3.2.Xây dựng điều khiển điện tử ECU trung tâm hệ thống TCS *) Thơng số đầu vào mơ hình mô khối “bộ điều khiển ECU” gồm: + Sp: Hiệu giá trị độ trượt bánh sau bên phải bánh trước bên phải + St: Hiệu giá trị độ trượt bánh sau bên trái bánh trước bên trái + Taidc: Tải động thực tế *) Thơng số đầu mơ hình mơ khối “bộ điều khiển ECU” gồm: - dktang1: Giá trị mở van tăng áp điều khiển phanh bánh sau bên phải - dktang2: Giá trị mở van tăng áp điều khiển phanh bánh sau bên trái - dkgiam1: Giá trị mở van giảm áp điều khiển phanh bánh sau bên phải - dkgiam2: Giá trị mở van giảm áp phanh bánh sau bên trái - dkv1: Điều khiển mở van xilanh phanh - dkv2: Điều khiển mở van bình tích - Giataidc: Điều khiển tăng, giảm mômen động Hình thể sơ đồ mơ khối ECU Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology 51 42| Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology ISSN 2354-0575 trung tâm với tín hiệu đầu vào tín hiệu điều khiển đầu Hình 3.Sơ đồ mơ ECU trung tâm *) Mơ hình mơ trạng thái hoạt động ECU trung tâm Hình mơ tả trạng thái hoạt động ECU trung tâm gồm q trình điều khiển chính: Q trình phanh bình thường trình bánh xe xẩy tượng trượt quay a) Quá trình điều khiển van Hệ thống gồm trạng thái làm việc: - Trạng thái trượt quay: Biến điều khiển mở van bình tích đặt (dkv1=1), biến điều khiển mở van xi lanh phanh đặt 0(dkv2=0) - Trạng thái bình thường: Biến điều khiển mở xilanh phanh đặt giá trị (dkv1=1), biến điều khiển mở bình tích đặt (dkv2=0) Việc chuyển đổi trạng thái xác định sau: Hình 4.Sơ đồ điều khiển ECU trung t m - Chuyển đổi mặc định trạng thái phanh bình thường: biến điều khiển trượt mặc định vị trí phanh bình thường - Chuyển đổi từ ba trạng thái (trượt quay) trạng thái phanh bình thường: hiệu giá trị độ trượt lớn S bánh xe chủ động phải nhỏ giá trị định trước (K1) - Chuyển đổi từ trạng thái bình thường trạng thái trượt quay: Giá trị độ trượt bánh xe lớn giá trị định trước (K2) b) Quá trình điều khiển động ECU trung t m Gồm trạng thái làm việc: Trạng thái làm việc có tượng trượt quay trạng thái 52 Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology |43 Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology ISSN 2354-0575 phanh bình thường (hình 5) ISSN 2354-0575 - Trạng thái tăng áp: Biến điều khiển tăng áp đặt (dktang = 1), biến điều khiển giảm áp đặt (dkgiam = 0) Hình 5.Sơ đồ điều khiển mô men động - Trạng thái trượt quay: Biến điều khiển giảm mô men động đặt -3 (GiaTaidc = -3) - Trạng thái tăng mômen: Biến điều khiển giảm mô men động đặt (GiaTaidc =3) - Trạng thái bình thường: Biến điều khiển giảm mô men động đặt (GiaTaidc =0) Điều kiện chuyển đổi sau: - Chuyển đổi mặc định trạng thái giảm mô men: biến điều khiển trượt mặc định vị trí giảm mômen - Chuyển đổi từ trạng thái (trượt quay) trạng thái phanh bình thường: hiệu giá trị độ trượt lớn S bánh xe chủ động so với bánh trước hai phía trái phải nhỏ giá trị định trước (K1) - Chuyển đổi từ trạng thái tăng mômen trạng thái giảm mô men giá trị độ trượt bánh xe lớn giá trị định trước (K2) tải động phải nhỏ tải động yêu cầu ([TaidcTr5) Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology 53 44| Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology ISSN2354-0575 2354-0575 ISSN *) Mô hình mơ ECU động cơ: Để điểu khiển mơ men sinh động cần điều chỉnh tải động Bằng cách dịch chuyển bơm cao áp phía tăng nhiên liệu vị trí giảm nhiên liệu, ứng với vị trí ta đường đặc tính mơ men Khi có tượng trượt quay bánh xe chủ động, cảm biến tốc độ vòng quay trục khuỷu cảm biến vị trí bàn đạp ga đưa tín hiệu tới ECU trung tâm liệu phân tích, ECU trung tâm đưa tín hiệu điều khiển tới ECU động ECU động điều khiển để giảm, giữ hay tăng mô men động cho phù hợp với tín hiệu đưa tới Để thử nghiệm mơ hình mơ phỏng, chúng tơi sử dụng số liệu hệ thống phanh kết thí nghiệm đề tài thạc sỹ tác giả Lại Năng Vũ [3] Bảng Bảng thông số thực nghiệm mô men hệ số bám bánh xe chủ động Phương án 2: Tăng tốc từ chế độ ổn định lên mức tải 100% đạt vận tốc cho trước, hệ số bám bánh xe chủ động bên trái bên phải khác Kết thảo luận + Kết ô tô chạy 50% tải sau tăng tốc từ từ lên 70% tải,  max  0.7, v  20km / h Giai đoạn 1: Trong khoảng 0.5 s ô tô chạy mức 50 % tải bánh xe chủ động chưa bị trượt, độ trượt bánh xe không thay đổi, hệ thống chưa hoạt động, mô men phanh 0.3 Bannh ben phai Banh ben trai 0.25 0.2 Do truot ứng với chế độ tải khác 0.15 0.1 0.05 -0.05 Thoi gian [s] Hình Biểu diễn độ trượt bánh xe chủ động chạy 50% tải sau tăng tốc từ từ lên 70% tải,  max  0.7, v  20km / h 70 Tai dong co [%] 60 50 40 30 20 10 Hình MAP đặc tính động Hình thể MAP đặc tínhđộng thiết lập dựa khối Lookup Table phần mềm Matlab - Simulink với dự liệu thực nghiệm lấy từ bảng 1.*) Các bước tiến hành mô thực qua phương án khảo sát sau: Phương án 1: Tăng tốc từ 50% tải lên mức tải 100% đạt vận tốc cho trước, 0 Thoi gian [s] Hình Biểu diễn tải động chạy 50% tải sau tăng tốc từ từ lên 70% tải,  max  0.7, v  20km / h Giai đoạn 2: Do tải động tăng đều, từ mức 50% tải lên 70 %, độ trượt bánh xe chủ động tăng dần theo đường tuyến tính khoảng 0.3 s độ trượt vượt ngưỡng điều khiển, tải động 54 Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology |45 Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology ISSN 2354-0575 ISSN 2354-0575 nên bánh có hệ số bám thấp có độ trượt lớn, bánh có hệ số bám cao không bị trượt, giai đoạn tải động giảm mạnh cịn 37% tải, mơ men phanh truyền tới bánh xe bị trượt đạt giá trị lớn nhất, bánh không bị trượt mơ men phanh có giá trị 0, độ trượt bánh xe giảm nằm vùng điều khiển giảm xuống, mô men phanh tăng nhanh -100 Mp [N.m] -200 -300 -400 -500 100 -600 Banh sau ben phai Banh sau ben trai Thoi gian [s] 80 Hình 10 Biểu diễn Mơ men phanh bánh xe chủ động chạy50% tải sau tăng tốc từ từlên 70% tải,  max  0.7, v  20km / h Giai đoạn 3: Sau s độ trượt bánh xe dần ổn định nằm vùng cho phép, độ trượt giảm yêu cầu, tải động cơ, mô men phanh lại tăng giảm giúp độ trượt ổn định Giai đoạn 4: Bánh xe chủ động không bị trượt nữa, độ trượt giảm dần 0, tải động tăng lên đạt tải yêu cầu, mô men phanh 2.5 s Banh chu dong ben phai Banh chu dong ben trai 0.8 Do truot 0.6 Tai [%] -700 60 40 20 0 Thoi gian [s] Hình 12 Biểu diễn mơ men động khiơ tô tăng tốc từ đầu đạt 100% tải hệ số bám hai bên khác  max1  0.9, max2  0.4, v  20km / h Giai đoạn 2:Do giảm tải mô men phanh lớn nên độ trượt bánh xe nằm vùng điều khiển Giai đoạn 3:Bánh xe khơng cịn trượt nữa, tải động tăng trở giá trị tải yêu cầu, mô men phanh dần trở giá trị 0.4 0.2 -200 -400 Thoi gian [s] Hình 11 Biểu diễn độ trượt bánh x tô tăng từ đầu đạt 100% tải hệ số bám hai bên khác  max1  0.9, max2  0.4, v  20km / h + Kết mô với việc ô tô tăng tốc đột ngột từ đầu đạt 100% tải hệ số bám hai bên khác Tác giả chọn hệ số bám bánh xe với mặt đường có chênh lệch lớn, bên 0.9 bên 0.4 với mục đích xác định khả năngcó thể điều khiển ECU trường hợp xe ổn định có khả bị xoay ngang  max1  0.9, max2  0.4, v  20km / h Giai đoạn 1: Do hệ số bám hai bên xe khác Mp [N.m] -0.2 -600 -800 -1000 Banh chu dong co he so bam 0.4 Banh chu dong co he so bam 0.9 -1200 -1400 Thoi gian [s] Hình 13 Biểu diễn mơ men phanh động bánh xe chủ động khiô tô tăng tốc đột ngột từ đầu đạt 100% tải hệ số bám hai bên  max1  0.9, max2  0.4, v  20km / h Kết luận Qua việc mô ECU điện tử trung tâm hệ thống điều khiển lực kéo TCS chế độ tải khác ta nhận thấy rằng: - Đã nghiên cứu, đánh giá q trình Khoa học & Cơng nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology 55 46| Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology ISSN 2354-0575 2354-0575 ISSN điều khiển ECU hệ thống TCS - Đã thể mối quan hệ thông số độ trượt, tải động cơ, mô men phanh thay đổi theo thời gian - Đã mô tả trình làm việc ECU hệ thống TCS, phân tích đánh giá mức độ ảnh hưởng thông sốđộ trượt, tải động cơ, mô men phanh đến hiệu tăng tốc củaxe ô tô - Quá trình chạy mô hình mô phần mềm Matlab – Stateflow cho kết phù hợp với đường đặc tính lý thuyết hệ thống TCS Tài liệu tham khảo [1] Thống kê Cục Cảnh sát giao thông đường - đường sắt (C67), 2014 [2] Lại Năng Vũ, Tổng hợp điều khiển điện tử mơ hệ thống phanh có ABS ô tô du lịch-Luận văn thạc sỹ, 2008 [3] Toyota Service training, ABS & Hệ thống điều khiển lực kéo - công ty Toyota Việt Nam, 1998 [4] Đồng Minh Tuấn – Khảo sát, ứng dụng logic mờ chẩn đốn hư hỏng hệ thống phanh dựa xe sở xe Kia 2700II, đề tài khoa học cấp trường, mã số: UTEHY.L.2019.14 [5] Matlab & Simulink –Nguyễn Phùng Quang, 2000 RESEARCHANDAPPLICATIONOF MATLAB - STATEFLOW SOFTWARE FOR SIMULATING THE ECU ELECTRONIC OF TRACTION CONTROLSYSTEM ONCARTRAVEL Abstract: This paper presents the main results of the study process of the ECU control center on traction control system (TCS) Perform simulation controller by software Matlab - stateflow, thereby clarifying the physical processes occurring in the control of the ECU Initial results showed that, with some working mode of the system (TCS), the engine torque parameter, brake pressure, the slip was ECU controller matches the actual curve system Keywords: ECU control center, traction control system (TCS) 56 Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology |47 Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology ... thiệu phần mềm Matlab – Stateflow [4] Matlab - Stateflow công cụ hữu hiệu để mô hoạt động cấu ô tô, bao gồm trình động lực liên tục gián đoạn ứng xử logic phức hợp gồm: - Trạng thái (State): Mô tả... trạng thái có hành động vào, trong, hành động nương theo kiện 3.2.Xây dựng điều khiển điện tử ECU trung tâm hệ thống TCS *) Thông số đầu vào mô hình mơ khối ? ?bộ điều khiển ECU? ?? gồm: + Sp: Hiệu giá... bánh xe chủ động khiô tô tăng tốc đột ngột từ đầu đạt 100% tải hệ số bám hai bên  max1  0.9, max2  0.4, v  20km / h Kết luận Qua việc mô ECU điện tử trung tâm hệ thống điều khiển lực kéo TCS