Sự phát triển motor điện, công nghệ điện tử tích hợp bơm thủy lực và van điều khiển thủy lực trong một khối nhằm tăng độ tin cậy, không gian nhỏ gọn và hiệu quả hơn.
Động cơ điện trong hệ thống EPHS gồm 5 loại động cơnhư trong bảng 2.1. Mỗi loại động cơ điện có ưu điểm và nhược điểm riêng tuy nhiên, động cơ “động cơ bước” và “động cơ không đồng bộ”ít được sử dụng trong hệ thống lái EHPS.
Các hệ thống trợ lực thủy lực điều khiển điện tửđầu tiên được tích hợp trong các loại xe hạng trung trở xuống. Các yêu cầu áp dụng đối với nguồn điện và sự tiện lợi (giảm tiếng ồn), các hãng xe ưu tiên sử dụng động cơ điện một chiều (DC) hoặc động cơ một chiều không chổi than (BLDC). Hệ thống lái EPHS được sử dụng trên các phương tiện lớn hơn với yêu cầu công suất và khả năng đáp ứng cao hơn nên các hãng xe sử dụng động cơ PMSM (động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 3 pha). Động cơ PMSM có tỉ lệ trọng lượng trên công suất nhỏ hơn khoảng 40% so với động cơ không đồng bộ có cùng công suất.
Hình 2. 10: Cấu tạo bộbơ thủy lực và van điều khiển
Động cơ BLDC và động cơ PMSM thường được sử dụng do vịtrí rotor được xác định chính xác bằng các cảm biến Hall hoặc bằng các phương pháp tính toán (mô hình động cơ, điều khiển không cảm biến).
Bảng 2. 1: Phân loại motor trong hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện tử Motor SR ASM DCM BLDC PMSM Đặc điểm Chuyển đổi miễn cưỡng Động cơ không đồng bộ Động cơ mộchiều t Dòng điện một chiều không chổi than Động cơ đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu
Nguyên lý Động cơ bước Động cơ không đồng bộ 3 pha Động cơ một chiều Động cơ DC chuyển mạch điện tử Động cơ đồng bộ 3 pha Nguồn 3 pha AC 3 pha AC DC DC 3 pha AC Rotor Lá thép kỹ thuật Lồng sóc Sử dụng cuộn dây và Lá thép kỹ thuật Nam châm vĩnh cửu Nam châm vĩnh cửu đất hiếm (NeFeB) stator Tấm kim loại đục lỗ, cuộn dây tập trung, mở (cuộn dây bánh răng đơn) Tấm kim loại đục lỗ,
cuộn phân phối, mở Nam châm ferit trong tấm kim loại Vỏ tấm kim loại lõi và dây quấn giống động cơ không đồng bộ Vỏ tấm kim loại lõi và dây quấn giống động cơ không đồng bộ
Ưu điểm Kiểm soát
chính xác số vòng quay Kiểm soát chính xác số vòng quay Kiểm soát chính xác số vòng quay Bộđiều khiển MPU Không sử dụng Không sử dụng Sử dụng bộ điều khiển tốc độ/ gây tiếng ồn Sử dụng bộ điều khiển tốc độ/ không gây tiếng ồn Sử dụng bộ điều khiển tốc độ công suất lớn
Động cơ PMSM sử dụng chuyển đổi điện áp(inverter) biến đổi điện áp một chiều 12v thành điện áp xoay chiều 3 pha cấp cho động cơ. Hệ thống sử dụng vi điều khiển quản lý dòng điện và điện áp, khi có sự cố hệ thống ngắt hoạt động bộ inverter. Động cơ PMSM được bảo vệ an toàn tránh cháy nổ xảy ra.
Tốc độ quay động cơ PMSM đảm bảo lưu lượng từ 750 đến 6.000 L/ Phút. Vì vậy động cơ hệ thống EPHS đạt công suất lớn nhất 1.000 W dòng điện khoảng 110A. Tuy nhiên, hệ thống điện trên ô tô bị giới hạn 12V dẫn đến việc quản lý nhiệt của động cơ và ECU động cơ là rất quan trọng.
Hình 2. 11: Nguyên lý điều khiển động cơ PMSM
Động cơ PMSM sử dụng dầu thủy lực hệ thống lái giải nhiệt các cuộn dây và ECU động cơ, giúp tránh được hiện tượng quá nhiệt của động cơ.
Hình 2. 12: Biểu đồ nhiệt của động cơ PMSM
Nhiệt độ giới hạn đối với thiết bịđiện tử trong động cơ là 1200C dưới dạng hàm của nhiệt độ môi trường (= nhiệt độ ban đầu). Ở nhiệt độ ban đầu là 92 ˚C, yêu cầu (đỗ xe 200 giây) động cơ chạy ở chếđộ khô. Khi nhiệt độmôi trường ban đầu T=1050C. động cơ hoạt động ở chếđộ chạy ướt, dầu thủy lực giải nhiệt động cơđểđảm bảo cầu kỹ thuật.
Hệ thống lái EHPS sử dụng động cơ điện dẫn động bơm dầu thủy lực, hầu hết các hãng xe sử dụng loại bơm bánh răng ăn khớp ngoài. Các giá trị đầu vào của bơm là số vòng quay và áp suất, các giá trịđầu ra là lưu lượng, thể tích của bơm và mô men truyền động của bơm. Lưu lượng, thể tích của bơm tỷ lệ với số vòng quay và công suất bơm (cm3 /Số vòng quay). Nếu bỏ quay ma sát của ổ trục hiệu suất bơm đạt lý tưởng =1. Tuy nhiên, hiệu suất bơm trong thực tế đạt
88%
Hình 2. 13: Cấu tạo bơm thủy lực
Hình 2. 14: Đường đặc tính của bơm thủy lực
Để giảm tiếng ồn và hấp thụ dao động của dòng chảy áp suất thủy lực. Hệ thống lái EHPS sử dụng ống dẫn dầu thủy lực bọc cao su.
2.3. Các cảm biến
2.3.1. Cảm biến tốc độđộng cơ
Động cơ phải khởi động để kích hoạt hệ thống EHPS. Tín hiệu này nhận từ ECM động cơ thông qua giao tiếp CAN. Cảm biến tốc độđộng cơ (Cảm biến vị trí trục khuỷu) truyền tín hiệu vị trí trục khuỷu về hộp ECM động cơ. Tốc độ
quay độ quay được tính toán từ tần số tín hiệu của cảm biến. Tín hiệu đầu ra từ cảm biến tốc độ quay là một trong những tín hiệu quan trọng nhất trong đểđiều khiển động cơ.
1.Nam châm vĩnh cửu, 2. Vỏ cảm biến, 3. Thân máy, 4. Lõi sắt, 5. Cuộn dây, 6. Khe hở không khí, 7. Răng cảm biến
Hình 2. 15: Cảm biến tốc độđộng cơ
Cấu tạo cảm biến gồm một lõi sắt mềm (4), một cuộn dây quấn quanh một lõi sắt (5). Trên đỉnh lõi sắt gắn với một nam châm vĩnh cửu (1), Cuộn dây và lõi sắt được đặt đối diện với các răng cảm biến và được cố định. Khi trục khuỷu quay, các răng cảm biến sẽ lần lượt tiến lại gần và lùi ra xa cuộn dây. Một khe hở không khí hẹp giữa răng cảm biến và lõi thép từ đảm bảo từ trường xuyên qua cuộn dây đến răng cảm biến. Mức từ thông qua cuộn dây phụ thuộc vào vị trí cuộn dây và vị trí răng cảm biến.
Khi răng cảm biến đối diện với lõi thép, độ biến thiên của từ trường bằng 0 và sức điện động trong cuộn cảm biến nhanh chóng giảm về 0. Khi trục khuỷu quay làm răng cảm biến đi xa ra lõi thép, từ thông qua lõi thép giảm dần và sức điện động xuất hiện trong cuộn dây cảm biến có chiều ngược lại. Sức điện động sinh ra ở hai đầu dây cuộn cảm biến phụ thuộc vào tốc độ của động cơ. Do đó tạo ra điện áp hình sin trong cuộn dây điện từ tỉ lệ với tốc độthay đổi của
tăng (vài mV ...> 1V). Động cơ quay khoảng 30 vòng / phút để tạo ra mức tín hiệu thích hợp.
Hình 2. 16: Xung tín hiệu cảm biến tốc độđộng cơ theo thời gian
Sốlượng răng cảm phụ thuộc vào từng loại động cơ của các hãng xe. Ví dụ, trên hệ thống quản lý động cơ được sửa dụng cảm biến điện từ, sốrăng cảm biến 60 thường được sử dụng, để phát hiện vịtrí điểm chết trên người ta bỏ đi 2 răng như hình (7). Như vậy sốrăng cảm biến là: 60 - 2 = 58 răng. Khe hởrăng lớn nhát là vị trí xác định của trục khuỷu và dùng làm mốc tham chiếu để đồng bộ hóa ECU.
Trên một số động cơ sử dụng bộ chia điện có 4 xi-lanh, số răng cảm biến bằng 4 răng và tạo ra 4 xung trên mỗi vòng quay. Hộp ECU động cơ chuyển đổi đổi điện áp xung sin thành điện áp xung vuông thay đổi cùng tần số để vi điều khiển xác định được vị trí trục khuỷu và sốvòng quay động cơ.
Hiệu ứng Hall
2.3.2. Cảm biến tốc độ xe
Tốc độ động cơ tỷ lệ thuận với tốc độ góc lái nhưng tỷ lệ nghịch với tốc độ xe do đó nỗ lực đánh lái tăng lên trong trường hợp tốc độ xe cao. (Chức năng tương tự trong hệ thống EPS thông thường)
Cảm biến trợ lực lái được lắp ở phía trên của cơ cấu lái và được gắn vào trục lái. Cảm biến xác định góc quay vành tay lái và tính toán tỉ lệ góc lái. Giá trị tỉ lệ góc lái được tính toán thông qua bộđiều khiển EHPS (góc vô lăng tương ứng với tay lái bánh xe quay).
Tín hiệu cảm biến góc lái giúp điều khiển hệ thống trợ lực lái để phát hiện các chuyển động vành tay lái.
Tỉ lệ góc lái càng lớn thì tốc độbơm và lưu lượng thể tích càng lớn (bỏ qua tốc độ xe).
Đểđảm bảo hoạt động hệ thống lái nếu cảm biến góc lại bịhư hỏng hệ thống trợ lực lái sẽ chuyển sang chương trình sang chế độ chạy khẩn cấp. Việc điều khiển đánh lái vẫn được đảm bảo, tuy nhiên lực đánh lái lớn hơn.
2.3.3.1. Cảm biến điện dung
Hình 2. 17: Cảm biến bị trí góc lái
Một rotor gắn trên trục lái, quay giữa 9 tụđiện dạng tấm nhỏ. Khi thay đổi vành tay lái làm sai lệch điện dung của tụđiện dạng tấm. Một vi điều khiển tính toán các sai lệch tín hiệu (góc lái và tỉ lệ góc lái) truyền tín hiệu cho bộđiều khiển EHPS.
Hình 2. 18: Cấu trúc cảm biến góc lái điện dung
Hình 2. 19: Cấu tạo cảm biến góc lái điện dung
2.3.3.2. Cảm biến Hall
Cảm biến Hall là một công tắc điều khiển điện tử. Cấu tạo cảm biến bao gồm một đĩa gắn nam châm vĩnh cửu (vòng từ với 60 cực bắc nam xen kẽ) trên trục lái
và một mạch bán dẫn tích hợp trong cảm biến IC Hall. Nguyên lý hoạt động dựa vào hiệu ứng Hall, khi IC hall được cấp điện nếu đặt từ trường vuông góc sẽ xuất hiện một hiệu điện thế rất nhỏ được khuếch và xử lý tín hiệu cung cấp thông tin góc lái đến hộp EHPS.
Hình 2. 20: Cấu tạo cảm biến góc lái loại Hall
Khi quay trục lái từ trường lớn nhất khi vuông góc cảm biến góc lái. Độ lớn của hiệu điện thế Hall phụ thuộc vào cường độ của từtrường giữa nam châm vĩnh cửu và cảm biến góc lái. Khi cực nam vuông góc với cảm biến góc lái điện áp phát ra là lớn nhất và khi cực bắc vuông góc với cảm biến góc lái điện áp phát ra là nhỏ nhất.
Hình 2. 21: Xung điện áp cảm biến góc lái loại Hall