1. 1L ch s0 h th nglái
2.2.1 H th ng Steer – by – Wire là gì?
Steer – by – Wire (SBW) là m t h th ng lái, h th ng lái này thay th các liên k t cơ khí như ñư c miêu t trên ñư c ñi u khi'n b/ng ñi n gi)a vô lăng và các l p xe. ð' chuy'n ñ#i h th ng lái thư ng thành h th ng SBW, tr$c trung gian
Hình 2.3: (a) H th ng lái không tr c lái trên ô tô (SBW); (b) “Hy-Wire” c a hãng General Motor’s; (c) Khái ni m SBW c a hãng BMW
H u h t các nhà s n xu!t xe ñã r!t quan tâm công ngh m i này và ñ t nhi u n# l c vào ñ' phát tri'n công ngh này. Ví d$ñ u tiên c a xe Drive – by – Wire ñư c mong ñ i s+ hoàn thành và bán ra ngoài th trư ng b i các mô hình c a BMW và Mercedes Benz vào năm 2010. ð u tiên là h th ng lái active steering cho dòng xe s n xu!t g n ñây ñư c gi i thi u trên xe BMW vào năm 2004.
2.2.2 S phát tri1n c&a h th*ng Steer – by – Wire
Trong khi thay th hoàn toàn tr$c lái b/ng m t h th ng SBW, SBW là m t khái ni m ñáng s nhưng nó có nh)ng l i th c a nó. S v%ng m t c a tr$c lái s+ ñơn gi n hơn trong thi t k n i th!t xe và cho phép s0 d$ng khoang ñ ng cơ t t hơn. Trong s v%ng m t c a s k t n i cơ c!u tr c ti p gi)a vô lăng và các bánh xe, ti ng n, dao ñ ng t s tương tác l p xe trên ñư ng không th' truy n t i bàn tay và cánh tay c a ngư i lái. Tính an toàn ñã ñư c nâng cao b i vì gi m ñư c tr$c lái xâm nh p vào vào không gian c a ngư i lái trong trư ng h p có s va ch m t phía trư c. Cu i cùng, có l+ñóng góp l n nh!t ñ' có ñư c tính an toàn là b/ng cách s0 d$ng các c m bi n và t ñ ng hóa ñ'ñi u ch nh các tương tác lái xe. V i SBW, các ñ c tính c ñnh trư c ñây gi ng như t s truy n lái có th' ñi u ch nh ñư c ñ' t i ưu ph n h i và c m giác lái. Có các nghiên c u quan tâm ñáng k' s phát tri'n kh năng thích ng c a h th ng lái v i h th ng phanh (ABS) và ñi u khi'n ga t ñ ng (ACC) cho các xe tương lai.
2.3 H th*ng lái thư5ng và h th*ng lái không tr$c lái
Trong h th ng lái thư ng như hình 2.4(a), ngư i lái quay vô lăng lúc này l c lái truy n qua tr$c trung gian, tr$c này ñư c k t n i t i thanh răng và bánh xe (RW). Do ñó, góc bánh xe ñư c ñ ng hóa v i s quay vô lăng. Bơm th y l c ñư c dùng ñ' gi m l c lái cho ngư i ñi u khi'n trong khi lái.
Hình 2.4: H th ng lái thưAng (a) và h th ng lái không tr c lái (b)
Trong h th ng lái không tr$c lái hình 2.4(b), m t s c m bi n v trí và cơ c!u ch!p hành ñư c dùng ñ' thay th tr$c trung gian và bơm th y l c. S chuy'n ñ ng c a vô lăng ñư c giám sát b i b mã hóa (encoder) và g0i ñ n b ñi u khi'n. B ñi u khi'n ñưa ra tín hi u ñ' ñi u khi'n bánh xe (RW) xoay theo chuy'n ñ ng c a vô lăng (HW). Các cơ c!u ch!p hành t i vô lăng ñư c dùng ñ' tái t o c m giác lái.
ð' h th ng lái không tr$c lái gi ng h th ng lái thư ng, thì m t vài yêu c u ph i ñư c th a mãn như: s sao chép v trí là ch c năng cơ b n ñi'n hình c a h th ng lái. ði u này ñ m b o RW sao chép chính xác chuy'n ñ ng c a HW theo m t t] l ph$ thu c vào t] s truy n lái. Thông tin ph n h i th c t , chính nh thông tin ph n h i này làm cho h th ng lái không tr$c lái có c m giác lái như h th ng lái truy n th ng. ðây là m t trong nh)ng v!n ñ khó khăn nh!t khi ti n hành làm h th ng lái không tr$c lái (SBW). ði u khi'n t do, trong ñó ñ c p ñ n ñ nh y c a vô lăng
(HW) sau khi ngư i lái buông tay ra kh i vô lăng m t cách ñ t ng t, ñây cũng là m t v!n ñ c n ñư c gi i quy t ñ i v i h th ng lái không tr$c lái.
2.4 Mô hình ñ-ng h c c&a h th*ng lái không tr$c lái
H th ng lái không tr$c lái SBW g m 2 ph n: HW và RW ñư c ch trong hình 2.5. Mô hình ñ ng h c c a HW ñư c miêu t trong phương trình (2.1).
Hình 2.5: Mô hình ñEng hHc c a h th ng lái không tr c lái (SBW)
Trong ñó: Jh và bh là h s quán tính và h s chóng rung c a HW Ufh là mô men ma sát t i HW; hw: góc xoay HW Uh: là mô men ch ñ ng do ngư i lái tác ñ ng lên HW; Uhwact là mô men ñư c t o ra b i ñ ng cơñi n HW
Jh $V %V &V '-V 'V 'V * 2.1 Mô hình ñ ng h c c a RW ñư c mô t trong phương trình (2.2). Trong ñó: Jh và bh là h s quán tính và h s chóng rung c a RW;
Ufh là mô men ma sát t i HW; rw là góc RW;
Ua là mô men gi) cho xe chuy'n ñ ng th3ng nh góc caster và kingpin. Mô men Ua ch xu!t hi n khi có s ti p xúc gi)a bánh xe và m t ñư ng.
Uhwact là mô men ñư c t o ra b i ñ ng cơñi n RW
UUUUh hw UUUUhwact rw UUUUrwact Jh UUUUfh bh
Jh $ %V & '-V ' ' * 2.2
2.5 C:u trúc ñi u khi1n h th*ng SBW
Hình 2.6 cho th!y sơ ñ c a m t h th ng SBW [7]. H th ng SBW bao g m: cơ c!u vô lăng và cơ c!u bánh xe. Cơ c!u vô lăng và cơ c!u bánh xe là thi t b ñư c ñi u khi'n. M t b ñi u khi'n b/ng ñi n (b ñi u khi'n SBW) ñi u khi'n cơ c!u vô lăng và cơ c!u bánh xe. B ñi u khi'n SBW liên k t cơ c!u vô lăng và cơ c!u bánh xe b/ng dây qua các tín hi u ñi u khi'n.
Như ñư c hi'n th trong hình 2.6, h th ng th y l c truy n th ng ñã ñư c thay th b/ng cơ c!u ch!p hành ñ ng cơñi n ñ' d n ñ ng các bánh xe trong cơ c!u bánh xe. Các bánh xe ñư c k t n i v i cơ c!u thanh răng và bánh răng b/ng các kh p rô tuyn. C m bi n góc ñư c l%p trong ñ ng cơ ho c cơ c!u thanh răng và bánh răng ñư c s0 d$ng ñ' nh n bi t góc quay bánh xe. B ñi u khi'n SBW nh n các tín hi u góc bánh xe và ñưa ra m t tín hi u ñi u khi'n t i ñ' ñi u khi'n ñ ng cơ ñi n DC. M$c ñích ñ u tiên ñ' ñi u khi'n cơ c!u bánh xe là gi) bánh xe theo góc bánh xe tham chi u. Tín hi u góc bánh xe tham chi u có t thi t b vô lăng và thay ñ#i tương ng v i ý ñnh c a ngư i lái xe và các yêu c u ñ ng l c h c xe. H th ng này bao g m cơ c!u bánh xe và cơ c!u ñi u khi'n bánh xe ñư c g i là h th ng ph$ ñi u khi'n bánh xe.
Cơ c!u vô lăng bao g m m t vô lăng ñư c g%n v i tr$c lái, m t c m bi n ñư c g%n trên tr$c lái ñ' c m nh n góc vô lăng, m t ñ ng cơ ñi n DC và m t dây ñai và puli (ho c b bánh răng) ñ' k t n i ñ ng cơ và tr$c lái. M$c ñích ñ u tiên là ñ'ñi u khi'n cơ c!u vô lăng nh/m t o ra c m giác lái và cung c!p tín hi u góc bánh xe tham chi u. H th ng này bao g m cơ c!u vô lăng và cơ c!u ñi u khi'n vô lăng ñư c g i là h th ng ph$ ñi u khi'n vô lăng. Nó là c n thi t ñ' ñi u khi'n SBW b/ng cách s0 d$ng các thay ñ#i nh/m th c hi n các ch c năng c a h th ng lái và c i ti n ñ ng l c h c xe. Tín hi u chung nh!t là t c ñ xe. T c ñ xe là c n thi t ñ' th c hi n c m giác lái, thay ñ#i t s truy n, ph n h i vô lăng và các yêu c u v ch c năng h th ng lái. Ph$ thu c vào các yêu c u riêng c a h th ng SBW, gia t c
ngang và các tín hi u l ch hư ng có th'ñư c s0 d$ng ñ' nâng cao ñ ng l c h c c a xe. Bài này miêu t h th ng SBW b/ng c!u trúc ñư c hi'n th trong hình 2.6.
Hình 2.6: Sơñ kh i c a h th ng SBW
2.6 Mô men vô lăng và c/m giác lái
C m giác lái cung c!p thông tin v s ti p xúc gi)a b m t các l p bánh xe v i m t ñư ng. Cho nên, c m giác lái là quan tr ng cho ngư i tài x ñ' ñi u khi'n hư ng chuy'n ñ ng c a xe và an toàn khi lái xe. Trong h th ng lái thư ng b/ng các liên k t cơ khí, ngư i lái ñi u khi'n hư ng chuy'n ñ ng c a xe b/ng cách xoay vô lăng và thu ñư c c m giác lái qua cơ c!u lái cơ khí. Trong h th ng lái SBW không có k t n i cơ khí gi)a vô lăng và các bánh xe, m t c m giác lái nhân t o nên ñư c t o ra b i h th ng ph$ñi u khi'n vô lăng v i c!u trúc ñi u khi'n ph n h i.
C m giác lái ñư c xác ñnh b/ng mô men ph n h i c a vô lăng. Ngư i lái xe gi) vô lăng có th' thu ñư c mô men ph n h i t tr$c vô lăng trong h th ng lái thư ng. Trong h th ng SBW ñư c hi'n th trong hình 2.6, m t ñ ng cơ ñi n ñư c s0 d$ng ñ' cung c!p mô men c m giác lái. ð' t o ra m t c m giác lái tương t và có th'
Cơ c!u bánh xe B ñi u khi'n SBW Tín hi u c a c m bi n SW Tín hi u ñi u khi'n SW Tín hi u c a c m bi n RW Vô lăng C m bi n B n i ð ng cơ SW ð ng cơ d n ñ ng Tín hi u ñi u khi'n RW C m bi n ð ng cơ d n ñ ng ðRW ng cơ
Rô tuyn Bánh răng Rô tuyn
Bánh xe Bánh xe
ñi u ch nh ñư c, mô men vô lăng nên ñư c ñi u khi'n b/ng ñ ng cơ ñi n d a vào h th ng vô lăng.
Trong h th ng lái ñư c hi'n th trong hình 2.6 tr$c ñ ng cơ ñi n ph i ñư c ti p xúc b i vì nó ñư c g%n trên tr$c lái và ñư c k t n i tr c ti p v i vô lăng. H th ng d a vào ñ ng cơ này luôn ch u nh hư ng c a các nhi(u lo n bên ngoài khi ngư i lái xoay vô lăng. Cho nên, nó là m t ng d$ng ñ c bi t ñ i v i các h th ng ñi u khi'n d a vào ñ ng cơ.
Hình 2.7 hi'n th sơ ñ kh i mô hình ñi u khi'n vô lăng. Tín hi u ñ u vào c a mô hình là mô men ñ ng cơ τm và mô men bên ngoài τd, và tín hi u ñ u ra là góc vô lăng. S thay ñ#i mô men τd gây ra mô men ph n h i τc, τc là mô men vô lăng. M t khác, ñ l n c a mô men ph n h i τc thay ñ#i cùng v i mô men ñ ng cơ τm. Do ñó, s thay ñ#i mô men vô lăng có th'ñ t ñư c b/ng cách ñi u khi'n mô men ñ ng cơ τm.
Hình 2.7: Mô hình ñi u khi n vô lăng
Hơn n)a, mô men ñ ng cơ τm có th' ñư c ñi u khi'n b/ng tín hi u ñi u khi'n ñ ng cơ um ñ' thay ñ#i s cung c!p c a h th ng SBW. K t qu là mô men τc thay ñ#i cùng v i s thay ñ#i này và có th'ñư c c m nh n b i ngư i lái xe.
Sơ ñ kh i c a h th ng ñi u khi'n ph n h i vô lăng ñư c hi'n th hình 2.8. Trong h th ng này, ngư i lái xe xoay vô lăng ñư c xem như m t mô men nhi(u τd
t i vòng l p kín ph n h i c a h th ng ph$ vô lăng. H th ng ph$ vô lăng t o ra m t mô men ph n h i τc, trong m t n# l c lo i b mô men nhi(u τd. Do ñó, ngư i
um Ga(s) τm τu - - τc τd τl Gs(s) θs
ch nh các thông s b ñi u khi'n c a h th ng vòng l p kín ph n h i vô lăng ñ' thay ñ#i mô men ñ ng cơ τm, mô men ph n h i τc s+ thay ñ#i. H th ng ñi u khi'n bao g m góc vô lăng, mô men ph n h i h th ng bánh xe và t c ñ xe. Do ñó, h th ng hi n t i s+ t o ra m t c m giác lái có th' ñi u ch nh nh s sinh ra các mô men ph n h i yêu c u τc.
Do ñó, c m giác lái yêu c u ñư c th c hi n b/ng cách s0 d$ng ñi u khi'n ph n h i c a h th ng ph$ vô lăng có các vòng l p nhưñư c hi'n th trong hình 2.8. Các yêu c u này nh/m ñ t ñư c c m giác lái ñã tr thành yêu c u c!p thi t khi thi t k h th ng ñi u khi'n vòng l p kín b/ng c!u trúc ñi u khi'n ñ c bi t. ð' thi t k h th ng ñi u khi'n SBW v i các yêu c u v c m giác lái. Mô men lái τc là m t ng su!t ñư c t o ra trong tr$c lái.
Hình 2.8: H th ng ñi u khi n vô lăng d0a vào ñEng cơ
Nó có th'ñư c miêu t như sau:
τd – τc = τl (2.3) Trong ñó:
τd: là mô men nhi(u ñư c t o ra b i ngư i lái τc: là mô men ph n h i vô lăng
τl: là mô men có ích
Ngoài ra, mô men lái τc cũng có th'ñư c miêu t b/ng: ' ' ' 2.4 Góc SW tham chi u T c ñ xe v(t) B ñi u khi'n h th ng bánh xe B ñi u khi'n vòng l p góc và v n t c B ñi u khi'n vòng l p chính ði ukhi'n u(t) B ñi u khi'n vòng l p mômen ðng cơ d n ñ ng ð ng cơ SW Mômen ph n h i ñư c tính toán t h th ng RW B n i C m bi n Mômen ñ u vào t ngưi lái
Trong ñó: τm: mô men ñ ng cơ; τu : mô men có ích c a ñ ng cơ
Mô men ñ ng cơτmñư c ñi u khi'n b/ng tín hi u u(t) trong hình 2.8. Do ñó, giá tr ñi u khi'n ñ u ra có th' xác ñ nh mô men vô lăng yêu c u τc. B/ng cách ng d$ng phương trình gi)a τc và u(t), mô t ñnh lư ng c m giác lái d a vào tín hi u ñi u khi'n u(t) có th'ñư c phát tri'n.
Nói chung, c m giác lái ñư c xác ñnh b/ng mô men ph n h i c a vô lăng ñ i v i góc vô lăng. Nó ñư c miêu t b/ng các ñư ng cong c a mô men vô lăng so v i góc vô lăng. Hình 2.9 là ví d$ v mô men vô lăng khi ki'm tra xe SBW.
Hình 2.9: Bi u ñ quan h mô men trên vô lăng và góc vô lăng
2.7 Theo dõi góc bánh xe
Các bánh xe c a h th ng SBW nên theo l nh ñi u khi'n ñ u vào t ngư i lái và duy trì s ñ ng b v i vô lăng. ði u này có nghĩa là góc bánh xe nên bám sát góc vô lăng. Cho nên, yêu c u h th ng bánh xe có m t s ph n h i nhanh, dao ñ ng thích h p và sai s nh . D a vào các yêu c u này, m t c!u trúc ñi u khi'n ph n h i v trí ñ ng cơ ph$ñư c th c hi n ñ i v i h th ng ph$ñi u khi'n bánh xe [7].
Hình 2.10 hi'n th sơñ kh i c a m t h th ng ñi u khi'n bánh xe d a vào ñ ng cơ. ði u khi'n ph n h i ñ ng cơ bánh xe ñ' theo dõi góc bánh xe th c t ñ' ñi u
khi'n góc bánh xe th c t g n v i góc tham chi u. ð c tính cơ b n c a h th ng