4.1.1. Sơ đồ thuật toán
Sau khi tìm hiểu tài liệu và tham khảo ý kiến của giáo viên hướng dẫn, nhóm đã quyết định sử dụng “vòng lặp kín” để sử dụng trong bộ điều khiển. Với việc sử dụng vòng lặp kín giúp cho việc điều khiển được chính xác hơn.
Bộ tín hiệu đầu vào cung cấp tín hiệu động cơ yêu cầu. Dựa trên tín hiệu đầu vào và tín hiệu được hồi đáp lại từ cảm biến, quá trình điều khiển “vòng lặp kín” sẽ xử lý tín hiệu tăng hay giảm giá trị điện áp cấp cho bộ chấp hành giúp cho động cơ hoạt động theo mong muốn.
Hình 4. 1 Sơ đồ thuật toán điều khiển trên mỗi bánh xe
Giải thích sơ đồ thuật toán điều khiển (Hình 4.1): 𝛿 : Góc lái (rad).
𝜔𝑣: Tốc độ góc tính từ bàn đạp ga (rad/s). 𝜔: Tốc độ góc được tính toán qua bộ EDS. 𝜔𝑚: Tốc độ góc thực tế trên mỗi bánh xe.
DIVER + BLDC MOTOR: là bộ chấp hành cung cấp điện áp cho 2 bánh xe. SENSOR: Là cảm biến hall.
Hình 4. 2 Sơ đồ khối điều khiển 2 bánh
4.1.2. Khối tính toán tốc độ góc EDS
Với tín hiệu đầu vào là giá trị vận tốc góc mong muốn xe đạt được và giá trị góc lái, bộ điều khiển EDS tính toán ra các giá trị tốc độ góc khác nhau ứng với mỗi trường hợp góc lái khác nhau.
EDS thu thập tín hiệu của tốc độ góc bánh xe từ bàn đạp ga [rad/s] (giá trị đặt) và tín hiệu góc lái [độ] từ biến trở để tính toán.
Hình 4. 5 Chương trình tính toán EDS bên bánh trái
Từ giá trị thu thập từ cảm biến bàn đạp ga và tín hiếu góc lái thông qua thuật toán ta tính toán để biết biết khi nào quay vòng phải (giá tri ̣ dương) thì chương trình sẽ tính toán
là lấy 𝜔v cộng với ∆𝜔/2 để ra được tốc độ góc cho bánh xe trái. Ngược lại, nếu góc lái quay sang trái (giá trị âm) thì chương trình sẽ tính toán là lấy 𝜔v trừ cho ∆𝜔/2 để ra được tốc độ góc cho bánh xe trái.
Tương tự như trường hợp tính toán EDS bên bánh trái. Ta thu được giá trị ∆𝜔/2 như trên. Nếu góc lái quay sang phải (giá trị dương) thì chương trình sẽ tính toán là lấy 𝜔v trừ cho ∆𝜔/2 để ra được tốc độ góc cho bánh xe phải. Ngược lại, nếu góc lái quay sang trái (giá trị âm) thì chương trình sẽ tính toán là lấy 𝜔v cộng với ∆𝜔/2 để ra được tốc độ góc cho bánh xe phải.
Ở chương trình này ta lấy sai số (độ rơ của vô lăng và cảm biến) có giá trị góc từ -8o
đến 8o.
4.1.3. Bộ điều khiển PID
Với việc sử dụng vòng lặp kín, việc điều khiển thuật toán trở nên chính xác hơn. Tín hiệu tốc độ góc của 2 động cơ ở 2 bánh xe thu được hồi đáp về bộ điều khiển PID thông qua cảm biến Hall. Từ đó bộ điều khiển PID so sánh với giá trị mong muốn (giá trị đặt) biết được sai số để rồi điều khiển tín hiệu truyền xuống cho bộ chấp hành, sao cho giá trị hồi đáp về giống như giá trị mong muốn, giá trị sai số nhỏ.
Hình 4. 7 Bộ tính toán điều khiển bằng thuật toán PID
Thông qua quá trình thực nghiệm nhóm đã chọn ra được các giá trị Kp, Ki, Kd khác nhau cho mỗi bánh. Mỗi bánh xe đều có ảnh hưởng từ phần cơ khí cũng như phần điện nên việc điều khiển mỗi bánh cũng sẽ khác nhau.
Bảng 4. 1 Giá trị Kp, Ki, Kd cho mỗi bánh xe
Kp Ki Kd Bánh trái 0.52 0.008 8x10-5 Bánh phải 0.5 0.008 8x10-5 Bánh xe Bánh xe Giá trị
4.1.4. Khối đọc tín hiệu tốc độ góc bánh xe
Để đọc được tín hiệu tốc độ góc từ bánh xe thông qua tín hiệu của cảm biến Hall ta sử dụng khối Encoder Read trong thư viện Waijung Blockset. Để lấy được khối Encoder Read ta vào Simulink Library >> Waijung Blockset >> STM32F4 Target >> On Peripheral Chip >> TIM >> Encoder Read.
Hình 4. 8 Khối Encoder Read
Do đô ̣ng cơ BLDC có tích hợp cảm biến Hall, vì vâ ̣y thuâ ̣n tiê ̣n cho viê ̣c sử du ̣ng khối Encoder Read. Tín hiê ̣u từ cảm biến Hall gửi về là tín hiê ̣u xung vuông. Khối Encoder Read sẽ đo ̣c tín hiê ̣u gửi về nếu ta sử du ̣ng hai kênh A và kênh B thì số đếm tối đa sẽ bằng 4 nhân vớ i số xung mỗi lần quay. Nếu chỉ sử du ̣ng mô ̣t trong hai kênh A hoă ̣c kênh B thì số đếm sẽ bằng hai nhân với số xung mỗi lần quay.
Tín hiệu xuất ra từ khối Encoder Read có hai loại: tín hiệu nhận biết hướng quay Direction xuất ra giá trị là 0 (bánh xe đi tới) hoặc 1 (bánh xe đi lùi). Tín hiệu Position (count) xuất ra giá trị xung đếm được từ hai kênh A và kênh B.
Trong bộ điều khiển của nhóm, nhóm sử dụng cả hai kênh A và kênh B và sử dụng hai khối Encoder Read để thu thập dữ liệu tốc độ góc của hai bánh xe.
Hình 4. 9 Hai khối đo tốc độ bánh xe
Thuật toán tính tốc độ góc trên mỗi bánh xe:
Hình 4. 10 Khối tính tốc độ góc
Từ số xung đếm được từ khối Encoder Read, sử dụng thuật toán tính vận tốc tức thời để tính được vận tốc của mỗi bánh xe. Số xung đếm được trong thời gian lấy mẫu chia cho thời gian lấy mẫu được kết quả là xung/s. Rồi lấy kết quả trên ta chia cho số xung trong
một vòng (số xung trong một vòng đếm được của bánh xe BLDC là 92 xung/vòng) ra được vận tốc tức thời (vòng/s), tiếp tục lấy kết quả nhân cho 2𝜋 thì ra được vận tốc góc (rad/s).
Vì việc thu thập tín hiệu của hệ thống nên tín hiệu nhận được sẽ bị nhiễu, mất ổn định khó sử dụng trong việc điều khiển. Để xử lý tín hiệu bị nhiễu ta cần sử dụng thêm hàm lọc nhiễu RC được gọi là mạch lọc tần số thấp.
4.1.5. Khối đọc tín hiệu bàn đạp ga, góc lái và đo dòng điện 2 bánh xe.
Để đọc được tín hiệu bàn đạp ga, góc lái và đo dòng điện từ cảm biến ta sử dụng khối Regular ADC trong thư viện Waijung Blockset. Để lấy được khối Regular ADC ta vào Simulink Library >> Waijung Blockset >> STM32F4 Target >> On Peripheral Chip >> ADC >> Regular ADC.
Hình 4. 11 Khối lọc nhiễu
Khi đọc giá trị từ cảm biến góc lái gửi về. Giá trị đọc về khi vô lăng ở giữa ta thu được giá trị là 1040 và tính toán như trên ta được góc quay vòng bánh xe tối đa trong khoảng được 50o đến 55o (dựa trên góc quay vô lăng thực tế để tính toán góc quay vòng bánh xe).
Khi đọc giá trị từ cảm biến chân ga gửi về. Giá tri ̣ đo ̣c về khi chưa tác đô ̣ng vào chân ga là khoảng 1230 và giá trị khi đa ̣p hết chân ga là khoảng 3210. Ta tính toán như khối ở trên được vâ ̣n tốc tối đa mong muốn khi đô ̣ng cơ quay không tải là khoảng 391 vòng/phút.
Hình 4. 13 Khối tính toán góc lái
Hình 4. 15 Khối tính toán dòng điện ra 2 động cơ
4.1.6. Khối điều khiển tốc độ bánh xe
Để điều khiển được tốc độ bánh xe từ chương trình ta sử dụng khối Regular DAC trong thư viện Waijung Blockset. Để lấy được khối Regular DAC ta vào Simulink Library >> Waijung Blockset >> STM32F4 Target >> On Peripheral Chip >> DAC >> Regular DAC.
4.1.7. Khối đọc tín hiệu công tắc số tiến và lùi.
Để đọc được tín hiệu công tắc từ công tắc ta sử dụng khối Digital Input trong thư viện Waijung Blockset. Để lấy được khối Digital Input ta vào Simulink Library >> Waijung Blockset >> STM32F4 Target >> On Peripheral Chip >> IO >> Digital Input.
Hình 4. 17 Khối Digital Input
4.1.8. Khối điều khiển số tiến và lùi
4.2. MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE TRÊN CARSIM 4.2.1. Xây dựng và thiết lập số liệu để mô phỏng trên CARSIM 4.2.1. Xây dựng và thiết lập số liệu để mô phỏng trên CARSIM
4.2.1.1.Thiết lập các kích thước mô phỏng xe giống với thực tế
Để thiết lập mô phỏng giống như mô hình xe điện thực tế nhóm đã tiến hành thu thập số liệu xe thật để đưa vào mô phỏng, do trong quá trình thu thập kích thước đã thiếu thiết bị cần thiết nên có một số kích thước chỉ mang tính gần đúng.
Hình 4. 19 Chọn thông số kích thước dựa trên mô hình thực tế
Để mô phỏng đúng với thực tế mô hình nhóm sử dụng dữ liệu phần CATIA để thêm vào CARSIM, tiến hành thay đổi tỉ lệ sao cho phù hợp với mô phỏng mà vẩn đảm bào kích thước thực tế như:
Thay đổi khung xe. Thay đổi bánh xe. Thay đổi lốp xe.
Hình 4. 20 Khung xe được thay đồi từ phần mềm CATIA
Hình 4. 22 Loại bỏ một số chi tiết không cần thiết
Hình 4. 23 Mô phỏng xe điện trong CARSIM sau khi thay đổi
4.2.1.2.Chọn thông số kỹ thuật cho trước
Hệ thống lái: Steering Driver path follower. Hệ thống phanh: Không.
Vận tốc lúc ban đầu: 10 km/h. Thời gian mô phỏng: 15s
Chọn kiểu đường thử nghiệm: 5m Grid.
Hình 4. 24 Thiết lập các thông số kỹ thuật cho trước 4.2.1.3.Chọn thông số đầu ra đầu vào.
Thông số đầu vào là tín hiệu điều khiển từ Simulink gửi đến Carsim: IMP_MYO_L2: Mô ment ngoại lực tác động vào bánh sau trái. IMP_MYO_R2: Mô ment ngoại lực tác động vào bánh sau phải. Thông số đầu ra từ Carsim:
Steer_L1, Steer_R1: tín hiệu góc bánh xe trước trái và trước phải Ax: gia tốc dọc.
Ay: gia tốc ngang.
Steer_SW: tín hiệu góc lái. Vx: tín hiệu vận tốc xe.
Kappa: độ trượt theo chiều dọc của bánh xe. AVz: Yaw rate.
Beta: góc trượt bên.
Xo: quỹ đạo chuyển động. AVy: Tốc độ của bánh xe.
Lat_Targ: Quỹ đạo chuyển động mong muốn. Lat_Veh: Quỹ đạo thực tế của xe.
Hình 4. 25 Thông số đầu ra của xe
4.2.2. Giao tiếp giữa CarSim và Matlab/Simulink
Hình 4. 27 Chương trình giao tiếp giữa Carsim và Simulink
4.2.3. Mô phỏng và đánh giá
Hình 4.28 cho thấy khi xe có sử dụng hệ thống vi sai điện tử thì góc đánh lái nhỏ hơn so
với xe không sử dụng vi sai điện tử, giúp xe di chuyển ổn định hơn mà không cần đánh lái quá lớn.
Hình 4. 29 Biểu đồ quỹ đạo xe (φ=0.85)
Hình 4.29 cho thấy xe có trang bị hệ thống vi sai điện tử thì quỹ đạo chuyện động sát
với quỹ động mong muốn hơn.
Hình 4. 30 Biểu đồ thể hiện Yaw rate của xe (φ=0.85)
Hình 4.30 cho thấy xe có trang bị hệ thống vi sai điện tử thì tốc độ ổn định hơn so với
Hình 4. 31 Biểu đổ vận tốc của xe (φ=0.85)
Hình 4. 33 Biểu đồ thể hiện vận tốc 4 bánh xe (φ=0.85)
Hình 4.31, hình 4.32 và hình 4.33 cho ta thấy khi vào đường cua, xe không trang bị vi sai điện tử thì tốc độ 2 bánh sau gần như không đổi làm tăng độ trượt của bánh, khiến xe bị mất ổn định. Ngược lại xe được trang bị vi sai điện tử thì tốc độ 2 bánh sau thay đổi tùy theo vòng trái hay vòng phải, giảm được độ trượt và làm xe ổn định khi quay vòng.
Hình 4. 35 Biểu đồ thể hiện gia tốc dọc của dọc của xe (φ=0.85)
Hình 4.34 cho ta thấy gia tốc dọc của cả 2 xe gần như nhau trong trường hợp này. Hình 4.35 cho ta thấy gia tốc ngang của xe có trang bị vi sai điện tử nhỏ hơn khi vào
đường vòng so với xe không có vi sai điện tử, hạn chế độ trượt của xe, giúp xe chuyển động ổn định hơn.
Mô phỏng trên đường ướt với hệ số bám φ=0.5:
Hình 4. 36 Biểu đổ góc lái của xe (φ=0.5)
Hình 4.36 cho thấy khi di chuyển trên đường ướt với hệ số bám thấp thì xe gần như mất
Hình 4. 37 Biểu đồ thể hiện quỹ đạo của xe (φ=0.5)
Hình 4.37 cho ta thấy khi xe chạy thẳng thì cả 2 xe đều giữ được quỹ đạo chuyển động
mong muốn, nhưng khi vào đường cua thi xe không có trang bị vi sai điện tử ngay lập tức mất lái dẫn đến chệch đi quỹ đạo chuyển động mong muốn, ngược lại xe có trang bị vi sai điện tử thi vẫn chuyển động tốt.
Hình 4. 38 Biểu đồ thể hiện Yaw rate của xe (φ=0.5)
Hình 4.38 cho ta thấy tốc độ xoay xe của xe trang bị vi sai điện tử vẫn đủ để đáp ứng
được chuyển động, còn xe không được trang bị thì không đủ để đáp ứng nên xe mất ổn định lệch khỏi quỹ đạo mong muốn.
Hình 4. 39 Biểu đồ thể hiện tốc độ của xe (φ=0.5)
Hình 4.39 cho thấy tốc độ của xe bị giảm khi bắt đầu quay vòng do xe bị trượt lệch khỏi
quỹ đạo chuyển động.
Hình 4. 41 Biểu đồ thể hiện tốc độ 4 bánh xe (φ=0.5)
Hình 4.40 và hình 4.41 cho ta thấy khi xe bắt đầu vào đường vòng, xe không có trang bị vi sai điện tử thì 2 bánh sau tốc độ không đổi, 2 bánh trước độ trượt tăng đột ngột do độ bám mặt đường kém làm cho xe bị mất lái, lệch khỏi quỹ đạo chuyển động. Xe được trang bị vi sai điện tử thỉ tốc độ 2 bánh xe sau thay đổi khi quay vòng, độ trượt 4 bánh nhỏ đảm bảo đánh lái và di chuyển ổn định.
Hình 4. 43 Biểu đồ thể hiện gia tốc ngang của xe (φ=0.5)
Hình 4.43 cho ta thấy gia tốc ngang của 2 xe chênh lệch khá lớn, đối với xe có vi sai
điện tử thì gia tốc ngang phù hợp với quỹ đạo chuyển động của xe làm xe vẫn chuyển động ổn định, còn xe không có trang bị vi sai điện tử thì không đủ để đáp ứng chuyển động.
Hình 4. 44 Biểu đồ thể hiện gia tốc dọc của xe (φ=0.5)
Qua kết quả mô phỏng nhóm đứa ra kết luận: Ngay cả trên điều kiện đường khô có đô ̣ bám cao hay đường ướt có độ bám thấp thì xe có trang bị hệ thống vi sai điện từ vẫn đảm bảo xe chuyển động tốt, an toàn, giảm góc đánh lái và bánh xe ít bị trượt khi quay vòng.
Chương 5. QUÁ TRÌNH THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE ĐIỆN 5.1. KẾT QUẢ NGHIỆM THU PHẦN CƠ KHÍ
Phần cơ khí của xe khi nghiệm thu bao gồm: Thành phẩm khung chịu lực chính.
Hệ thống treo cầu trước, cầu sau. Hệ thống lái hoàn chỉnh.
Sàn xe đảm bảo chịu được tải.
Thành phẩm hệ thống phanh hoàn chỉnh – 04 phanh đĩa cho 04 bánh. Hệ thống lái đảm bảo điều hướng khí chuyển động.
Hệ thống điều chỉnh góc đặt bánh dẫn hướng đã tinh chỉnh phù hợp.
04 bánh xe hoàn chỉnh với 02 bánh trước và 02 bánh sau tích hợp HUB BLDC. Các chi tiết cơ khí nhỏ khác (gá đỡ cảm biến, cần số, gá công tắc nguồn…).
-
5.2. THỬ NGHIỆM KHI XE CHẠY THẲNG
Điều kiện thử nghiê ̣m khi góc lái bằng không.
Trong quá trình thử nghiệm, nhóm đã gặp phải những khó khăn sau:
Tín hiệu từ cảm biến góc lái cũng như tín hiệu từ bàn đạp ga bị nhiễu do chất lượng dây dẫn, chất lượng cảm biến chưa cao.
Chất lượng đường thử còn hạn chế do trường đang trong thời gian sữa chữa.