Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển pid trong trợ lực lái điện trên ô tô

Bài báo đã thiết kế và đưa ra thuật toán điều khiển EPS bằng PID đáp ứng được yêu cầu về mô men trên vành lái trong các điều kiện vận hành khác nhau của ô tô. Xây dựng mô hình hệ thống trợ lực lái điện và đánh giá cảm giác lái ô tô thông qua tiêu chí mô men trên vành lái khi xe chuyển động với các vận tốc khác nhau và trong các điều kiện mặt đường khác nhau.

HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID TRONG TRỢ LỰC LÁI ĐIỆN TRÊN Ô TÔ A USING PID CONTROLLER FOR VEHICLE ELECTRIC POWER STEERING SYSTEM LÊ VĂN NGHĨA*, ĐÀM HOÀNG PHÚC, TRỊNH NHẬT TÂN, TRẦN MINH CÔNG, LÊ VĂN TÀI, ĐẬU VĂN ĐỨC, PHẠM VĂN SANG, ĐỖ ĐÌNH QUANG ANH, VŨ ĐÌNH HỊA Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội *Email liên hệ: nghia.levan@hust.edu.vn Tóm tắt Trên ô tô nay, quan sát thấy hệ thống trợ lực lái điện (EPS) sử dụng thay hệ thống trợ lực lái thủy lực (HPS) truyền thống Trợ lực lái muốn tạo cảm giác lái tốt, đảm bảo tính an tồn phải thích nghi đồng thời với vận tốc momen vành tay lái Dựa nguyên lý làm việc phân tích cấu tạo hệ thống trợ lực lái điện, báo thiết kế đưa thuật toán điều khiển EPS PID đáp ứng yêu cầu mô men vành lái điều kiện vận hành khác ô tô Xây dựng mơ hình hệ thống trợ lực lái điện đánh giá cảm giác lái ô tô thông qua tiêu chí mơ men vành lái xe chuyển động với vận tốc khác điều kiện mặt đường khác Từ khóa: EPS, điều khiển, mô phỏng, cảm giác lái Abstract It has been observed that the electric power steering system (EPS) is being used to replace the traditional hydraulic steering assist system in today's cars (HPS) The power steering, in order to create a good driving sensation and ensure safety, must be simultaneously compatible with the vehicle speed and torque on the steering wheel Based on the working principle and the structural analysis of the electric power system, a EPS design with the control algorithm used PID to meet the torque requirements on the steering wheel in different operating conditions of vehicle was given in this article The EPS model was built and the driving feeling of vehicle when moving at different speeds and road conditions was evaluated Đặt vấn đề Hệ thống lái phận quan trọng ô tơ hoạt động ảnh hưởng trực tiếp đến trải nghiệm lái xe an toàn lái xe Hệ thống lái ô tô đời đầu hệ thống lái túy khí, khơng có hệ thống trợ lực lượng vận hành hệ thống lái hồn tồn người lái cung cấp nên khơng có cảm giác lái tốt lực đánh lái nặng khơng ổn định Vì thế, hệ thống lái có trợ lực đời phát triển để giảm bớt công sức lao động cho người tạo cảm giác lái tốt Ngày ô tô, hệ thống lái có trợ lực chủ yếu chia thành ba loại: hệ thống lái trợ lực thủy lực (HPS), hệ thống lái trợ lực điện thủy lực (EHPS) hệ thống lái trợ lực điện (EPS) [1] Trong năm gần đây, hệ thống lái trợ lực lái thủy lực truyền thống (HPS) thay hệ thống lái trợ lực điện, ưu điểm vượt trội Ưu điểm vượt trội hệ thống lái trợ lực điện (EPS) so với trợ lực lái thủy lực (HPS) trợ lực lái điện thủy lực (EHPS) tạo cảm giác lái tốt Ngồi ra, khơng có hệ thống dầu thủy lực, tính kinh tế cao, dễ sửa chữa bảo dưỡng Hệ thống trợ lực lái điện (ESP) giúp người lái điều khiển phương tiện cách trợ giúp thêm mô men đánh lái cần thiết để quay vô lăng, giúp xe chuyển hướng chuyển động cách dễ dàng Trợ lực lái muốn tạo cảm giác lái tốt, đảm bảo tính an tồn cao phải thích ứng với vận tốc xe (v) mô men đánh lái người lái [2] Bài báo đưa phương pháp sử dụng điều khiển PID điều khiển motor điện đáp ứng yêu cầu trợ lực lái theo vận tốc điều kiện đường khác Thuật toán điều khiển PID điều khiển motor cách điều chỉnh điện áp cung cấp cho motor điện phù hợp để đáp ứng yêu cầu trợ lực lái thông qua cảm biến mô men xoắn, cảm biến tốc độ, cảm biến góc đánh lái Phương pháp mơ lựa chọn để khảo sát khả làm việc điều khiển PID Keywords: EPS, control, simulation, steering feel SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 211 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Xây dựng mơ hình trợ lực lái điện 2.1 Cấu tạo chung hệ thống trợ lực lái điện Hệ thống trợ lực lái điện EPS phổ thông xe bao gồm phần tử sau: vơ lăng lái, cảm biến momen xoắn, cảm biến vận tốc xe, điều khiển điện tử (ECU), motor điện chiều, ly hợp điện từ, hộp giảm tốc, bánh [2] Sơ đồ nguyên lý hệ thống lái trợ lực điện thể Hình = + ̇ ̇ + (9) Trong đó: Ts giá trị đầu cảm biến momen lái, Td momen đánh lái tài xế, Ta momen trợ lực sau qua hộp giảm tốc , Tr momen cản trục lái phía trước, Tn momen xoắn nội, Jm momen qn tính quay vơ lăng đầu vào trục lái, Jn quán tính quay tổng cộng đầu trục lái bánh cấu lái, Ja momen quán tính quay motor, Bm hệ số cản đàn hồi vô lăng đầu vào trục lái, Ba hệ số cản đàn hồi trục motor, ia cường độ dòng điện cấp cho motor trợ lực, θm góc xoắn vơ lăng, θn góc xoắn đầu trục lái, θr góc xoắn trục motor, R L điện trở điện kháng cuộn dây motor, G tỷ số truyền hộp giảm tốc, Ki số momen, Ke số điện kháng 2.3 Mơ hình điều khiển EPS Để xây dựng điều khiển PID, coi hệ thống có người lái ảo, xây dựng mơ hình điều khiển thơng qua mơ hình tốn học sau đây: =( Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống lái trợ lực điện 2.2 Mơ hình tính tốn phần tử hệ thống trợ lực lái điện Giá trị momen cảm biến momen lái [5]: = ( − ) (1) Momen đầu vào trục lái: − ̈ + = Momen đầu trục lái: + = − ( = = − ) (2) ̈ + (3) ̇ (4) − Trong đó: )( ∗ = + + ) (10) (11) - ∗ : Là giá trị cường độ dòng điện mục tiêu cấp cho motor để motor sinh momen cần thiết trợ giúp người lái - ̇ ∗ , , : Là hệ số điều khiển PID Bộ điều khiển PID thực so sánh giá trị dòng điện yêu cầu với giá trị dịng điện thực tế mơ tơ trợ lực, từ thực quy tắc điều khiển bám để đưa giá trị ngưỡng điện áp đưa vào điều khiển motor trợ lực Sơ đồ nguyên lý hệ thống có điều khiển PID với phản hồi kín thể Hình sơ đồ cấu trúc nguyên lý điều khiển hệ thống lái có trợ lực điện - EPS trình bày chi tiết (5) Mơ hình tốn motor điện sau [5]: Phần cơ: − Phần điện: 212 / = = = ̈ + ̇ (6) (7) (8) Hình Mơ hình điều khiển EPS Mơ hình cấu trúc điều khiển EPS dạng rút gọn biểu diễn Hình Hình Trong trình điều khiển, điện áp cung cấp cho mô tơ điện trợ lực lái giới hạn 12V SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Giá trị cường độ dịng điện u cầu tính tốn block MAPS ECU với cơng cụ Lookup Table từ đặc tính trợ lực lái xây dựng sau Hình Mơ hình cấu trúc điều khiển EPS đơn giản Hình Mơ hình MAPS ECU Xây dựng đặc tính trợ lực điện 3.1 Các thơng số hệ thống trợ lực lái điện Đối tượng nghiên cứu chọn xe ô tô điện cỡ nhỏ Smart Fortwo 3.2 Xây dựng đặc tính trợ lực điện Đường đặc tính trợ lực điện biểu diễn mối quan hệ tín hiệu đầu vào (Momen đánh lái vô lăng vận tốc xe) tín hiệu đầu (Momen trợ lực cường độ dòng điện cấp cho motor trợ lực) Trong trình lái xe, momen cản lái bánh lái giảm theo tăng vận tốc xe, momen trợ lực motor điện phải giảm với tăng vận tốc xe Các loại đặc tính trợ lực điện có loại theo biên dạng: Tuyến tính, gấp khúc cong (như mô tả bên dưới) Trong đó, loại tuyến tính đơn giản sử dụng thơng dụng Do báo sử dụng loại tuyến tính để làm đối tượng để nghiên cứu Để xây dựng đường đặc tính này, thực tế cần số thơng số từ thí nghiệm thực nghiệm Ngoài phải kết hợp kinh nghiệm nhiều năm thiết kế để hãng xe đưa đường đặc tính vừa đảm bảo yêu cầu mà tạo thoải mái cho người lái (công thức 14) Trong tính tốn báo tham khảo theo tài liệu [4] để xây dựng ≤ Td ≤ Td0 f(v).(Td -Td0 ) Td0 ≤ Td ≤ Tdmax f(v).(Tdmax -Td0 ) Tdmax ≤ Td Th = Momen trợ lực cần cung cấp tính theo cơng thức: Trong kính vơ lăng = (12) : Lực từ trợ lực lái điện hỗ trợ, bán = 0,2m; Tỷ số truyền hộp giảm tốc motor điện là: Mtl ight (13) Mm hgt Theo tài liệu [2]: = 15; Các thông số yêu cầu mô tơ điện tham khảo từ Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống lái xe điện cỡ nhỏ [3] sau: - , , Pm,max =1,433 Nm; =1125 vịng/phút; Mm,max Wm ,max = 168,7W Thơng số motor điện lấy từ tài liệu tham khảo [4] Bảng Trong đó: : Momen xoắn yêu cầu (target) motor điện phải cung cấp sau qua hộp giảm tốc; : Momen xoắn cực đại mô tơ trợ lực điện Theo công thức (13) ta có: = ế = 16,12 tham khảo tài liệu [5, 6] : Momen đánh vô lăng từ người lái mà motor đạt cơng suất lớn = 8Nm chọn theo kinh nghiệm, tham khảo tài liệu [5, 6] - f(v): Hằng số tương ứng với vận tốc xe, xác định Bảng Bảng Hệ số tương ứng với vận tốc khác nhau, hiệu chỉnh thí nghiệm thực tế Loại motor điện Chổi than chiều Điện áp định mức 12V tốc Dòng điện định mức 35A (km/h) SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) =1 Chọn Vận Momen xoắn ầ : Momen đánh vô lăng từ người lái nhỏ mà kể từ motor điện bắt đầu tạo momen trợ lực Bảng Thông số động điện Tốc độ vòng quay (14) 1210 rpm Hằng 1.76 Nm số f(v) 10 20 30 40 60 3,16 2,15 1,85 1,5 1,3 1,05 80 0,72 213 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Các loại đặc tính trợ lực điện biểu diễn Hình mơ điều kiện vận hành khác vận tốc thể Hình 7a-m + V = (km/h): + Loại tuyến tính Hình 7a Giá trị đầu vào Ts dạng “Sin signal” V=0 (km/h) Hình Các loại đặc tính trợ lực điện Hình 7b Dịng điện điện áp cấp cho motor V=0 (km/h) Kết hợp với công thức (14) giá trị Bảng ta xây dựng đồ thị đường đặc tính trợ lực lái Hình + V = 20 (km/h): Hình 7c Giá trị đầu vào Ts dạng “Sin signal” V=20 (km/h) Hình Đồ thị đường đặc tính trợ lực lái điện Khảo sát đáp ứng hệ thống trợ lực lái điều kiện vận tốc khác Từ mô hình tính tốn phần tử EPS xây dựng, kết hợp với thông số kỹ thuật thu thập từ tài liệu tham khảo ta tiến hành mô , đạt kết (Hình 7a-m, Hình 8) Để đánh giá khả làm việc điều khiển PID ta thực khảo sát giá trị Ts dạng Sin signal Ramp signal Kết 214 Hình 7d Dịng điện điện áp cấp cho motor V=20 (km/h) SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 + V = 80 (km/h): + V = 20 (km/h): Hình 7e Giá trị đầu vào Ts dạng “Sin signal” Hình 7i Giá trị đầu vào Ts dạng “Ramp signal” V=80 (km/h) V=20 (km/h) Hình 7f Dịng điện điện áp cấp cho motor Hình 7k Dịng điện điện áp cấp cho motor V=80 (km/h) V= 20 (km/h) + V = 80 (km/h): + V = (km/h): Hình 7g Giá trị đầu vào Ts dạng “Ramp signal” Hình 7n Giá trị đầu vào Ts dạng “Ramp signal” V=0 (km/h) V=80 (km/h) Hình 7h Dịng điện điện áp cấp cho motor Hình 7m Dịng điện điện áp cấp cho motor V=0 (km/h) V= 80 (km/h) SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 215 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Hình (a)~(f) cho thấy thay đổi cường độ dòng điện điện áp cấp cho motor trợ lực thay đổi theo vận tốc khác Tại thời điểm vận tốc V = (km/h) cường độ dòng điện max cấp cho motor 21,07 (A), điện áp max 10,53 (V) Khi vận tốc V = 20 (km) cường độ dòng điện max giảm rõ rệt 12,33 (A), điện áp max lúc 6,167 (V) Mức độ giảm cường độ dòng điện thấy rõ xe đạt V = 80 (km/h), 4,8 (V) cường độ dòng điện max mức điện áp max 2,4 (V) Qua kết trên, Vận tốc lớn cường độ dịng điện điện áp giảm, điều đồng nghĩa momen trợ lực giảm vận tốc cao Quy luật hoàn toàn phù hợp với chất vật lý hệ thống lái vận tốc chuyển động xe lớn momen cản lái nhỏ Các kết tương tự nhận trường hợp tín hiệu đầu vào có dạng Ramp signal Hình 7g-m Sự thay đổi momen đầu vào Ts theo momen cản Tr theo momen trợ lực Ta thể Hình 8a-b Trên Hình (a)~(b), lấy thí điểm vị trí thời gian t = (s) vận tốc V = (km/h) momen cản lái Tr có giá trị 17,63 (Nm), momen trợ lưc Ta có giá trị 12,63 (Nm) từ ta tính momen người lái Ts = Tr - Ta = (Nm) Tương tự, khảo sát khoảng vận tốc V= 20 (km/h), tính tốn đo giá trị: Tr = 12.36 (Nm), Ta = 7,39 (Nm), Ts = 4.97 (Nm) Đồng thời thời điểm vận tốc V = 80 (km/h), giá trị đo tính toán sau: Tr = 7,88 (Nm), T a = 2,88 (Nm), Ts = (Nm) Qua giá trị khảo sát tính tốn, cho thấy momen người lái thay đổi nhỏ dù khoảng vận tốc khác Điều thể khả làm việc tốt trợ lực làm bật lên ưu điểm vượt trội trợ lực lái điện Từ kết Hình (a)~(m), giá trị đầu vào dạng “Sin signal” dạng “Ramp signal” momen trợ lực lái (Ta) sinh biến thiên theo momen cản lái (Tr) tốc độ chuyển động xe khác Có thể thấy momen người lái (T s) nhỏ nhiều so với momen cản trục lái (Tr) vận tốc tăng, momen cản lái giảm dần(T r) momen trợ lực (Ta) giảm dần, T a thay đổi theo thay đổi momen người lái (T s) theo thời gian Như vậy, trình lái xe có sử dụng trợ lực lái điện đảm bảo cho việc đánh lái nhẹ nhàng tốc độ thấp có cảm giác lái tốt tốc độ cao Việc tổng hợp tồn kết mơ cho thấy rằng: thuật toán điều khiển EPS dùng PID cho phép tạo momen trợ lực tùy biến theo điều kiện vận tốc khác xe Điều làm cho người lái xe có cảm giác lái tốt nâng cao tính an tồn chuyển động Kết luận Hình 8a Đồ thị momen cản lái với vận tốc khác Hình 8b Đồ thị momen trợ lực với vận tốc Trợ lực lái tốt phải đảm bảo việc đánh lái nhẹ nhàng dải vận tốc khác Bài báo xây dựng mơ hình động lực học hệ thống trợ lực lái điện với thuật toán điều khiển PID đáp ứng yêu cầu momen vành lái dải vận tốc khác ô tô Thông qua việc khảo sát tín hiệu momen đầu vào hệ thống lái theo quy luật khác dạng Ramp Sin giá trị vận tốc khác kết luận khả đáp ứng thuật toán điều khiển PID xây dựng Sự tùy biến momen trợ lực khoảng từ 12,63Nm đến 2,88Nm tương ứng với vận tốc xe từ 0km/h đến 80km/h mang lại cảm giác lái ổn định cho người lái xe nâng cao tính an tồn tham gia giao thơng khác 216 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Xiaolin Zhang and Jiming Ma, Design and Simulation of Electric Power Steering System, Computer Simulation.Beijing, Vol.31, pp.175-178, March 2014 [5] Y W Shaoyun Zhang, Study of Electric Power Steering System, China: International Conference on Computer Science and Intelligent Communication, 2015 [2] Nguyễn Trọng Hoan, Thiết kế tính tốn tô, NXB Giáo dục Việt Nam, 2019 [6] S C Huaiquan ZANG, Electric Power Steering Simulation Analyze Based on Fuzzy PID, Journal of Computational Information Systems, 2011 [3] Trịnh Nhật Tân, Đồ án tốt nghiệp Thiết kế hệ thống lái xe điện cỡ nhỏ, Tài liệu lưu hành nội bộ, 2021 [4] G H S S Y M Yuji Kozaki, Electric Power Steering (EPS), Steering Technology Department, Automotive Technology Center, 2020 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 01/7/2021 05/8/2021 15/8/2021 217 ... KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Xây dựng mơ hình trợ lực lái điện 2.1 Cấu tạo chung hệ thống trợ lực lái điện Hệ thống trợ lực lái điện EPS phổ thông xe bao gồm phần tử sau: vơ lăng lái, cảm biến momen... thiết trợ giúp người lái - ̇ ∗ , , : Là hệ số điều khiển PID Bộ điều khiển PID thực so sánh giá trị dòng điện yêu cầu với giá trị dịng điện thực tế mơ tơ trợ lực, từ thực quy tắc điều khiển bám... lái xây dựng sau Hình Mơ hình cấu trúc điều khiển EPS đơn giản Hình Mơ hình MAPS ECU Xây dựng đặc tính trợ lực điện 3.1 Các thông số hệ thống trợ lực lái điện Đối tượng nghiên cứu chọn xe ô tô