Do hệ thống lái điện tử (EPAS) chuyển đổi năng lượng điện từ acquy,nó chỉ sử dụng năng lượng điện cần thiết trong thời gian theo yêu cầu lái tương ứng nên việc tiết kiệm nhiên liệu là một ưu điểm chính của nó. Ngồi ra EPAS lắp đặt và tháo đơn giản thuận tiện cho việc sửa chữa,bảo dưỡng. Khả năng điều khiển của EPAS rất tốt,có sự kết nối với mạng liên lạc của xe.Các cơ cấu chấp hành và bộ xử lý có độ tin cậy cao.
Hình 2.21Cấu tạo hệ thống lái điện tử
Hệ thống trợ lực (EPS/EPAS) có cấu tạo đơn giản hơn so với các loại trợ lực khác, nó có các cụm chi tiết:
- Các cảm biến : bao gồm các cảm biến như cảm biến góc đánh lái,cảm biến momen xoắn,cảm biến góc động cơ.
- Mô tơ điện DC
- Bộ tiếp nhận và xử lý thông tin ECU : EPS ECU và ECU Động cơ - Bộ phận đèn cảnh báo P/S
Ngồi ra nó cịn có các cơ cấu như hộp giảm tốc,thanh răng và bánh răng [ CITATION Ari19 \l 1033 ]để kết nối bánh xe với các bộ phận khác.
2.4.1 Cảm biến momen xoắn
*) Chức năng : Xác định momen lái do người lái tác động vào hệ thống điều khiển gửi tín hiệu đầu vào cho ECU tính tốn trợ lực lái điện phù hợp.
*) Yêu cầu :
Độ chính xác phải cao,khả năng truyền tín hiệu nhanh,độ phân giải khoảng 0,10 ở tốc độ góc 2500-30000/s [ CITATION Mat13 \l 1033 ]
Khả năng an toàn: Sự an toàn của hệ thống lái phụ thuộc vào độ lớn và hướng chuyển động lái, các tín hiệu truyền đi phải đảm bảo chính xác. Việc gửi tín hiệu khơng chính xác đến bộ điều khiển có thể dẫn đến việc hỗ trợ lái hoặc phản tín hiệu khơng mong muốn.Những lỗi như vậy phải được khắc phục và sử dụng các tính năng phát hiện lỗi, để đưa ra hành động phù hợp tránh các tình huống có thể dẫn đến tai nạn.
Cảm biến được sử dụng phải có độ tin cậy cao,tỷ lệ hỏng hóc thấp,ngay cả khi chịu sự tác động bên ngoài như rung động,nhiệt độ cao,…
Cảm biến momen xoắn phải có hệ thống ma sát thấp,hoặc hệ thống không tiếp xúc.
Cảm biến momen xoắn hoạt động trực tiếp nhận yêu cầu lái của người điều khiển tới hệ thống EPAS, chuyển đổi tín hiệu momen lái thành tín hiệu điện.Trên cơ sở tín hiệu,cơng suất hoặc dịng điện trợ lực được tính tốn trong bộ điều khiển,xem xét các điều kiện lái xe.
2.4.2 Cảm biến góc động cơ
Đối với động cơ khơng chổi than được sử dụng trong nhiều hệ thống, cũng như đối với máy phát điện cảm ứng, góc động cơ tương ứng và tốc độ góc động cơ được yêu cầu làm cơ sở cho thuật tốn điều khiển. Cảm biến góc động cơ có nhiệm vụ chuyển đổi vị trí góc tương đối thành tín hiệu điện và truyền về ECU.
2.4.3 Cảm biến góc lái
Bộ điều khiển, dựa trên thông tin được cung cấp bởi cảm biến góc động cơ, xem xét độ phân giải của nó, tỷ số truyền cơ học và ngăn xếp dung sai cơ học có thể tính tốn góc lái tương đối. Vì cảm biến góc của động cơ khơng có khả năng đa hướng, tức là vị trí chỉ có thể được xác định trong một vịng quay (360 °) của trục động cơ, nên khơng thể xác định được vị trí tuyệt đối của trục lái. Tuy nhiên, một số chức năng lái yêu cầu góc lái tuyệt đối, chẳng hạn như hỗ trợ đỗ xe.
thẳng bằng cách sử dụng tốc độ quay của bánh xe. Thuật toán học tập này sử dụng tốc độ quay của bánh xe được xác định bởi hệ thống chống bó cứng phanh ( ABS ) sau khi động cơ khởi động, để lập chỉ số vị trí của q trình trên đường thẳng. Bằng tín hiệu tốc độ góc động cơ của hệ thống EPAS, góc lái tuyệt đối có thể được tính tốn trên cơ sở thơng tin này. Về ngun tắc, q trình này địi hỏi một khoảng cách lái xe nhất định, điều này phụ thuộc vào cấu hình lái và cung đường. Đối với hầu hết các chức năng lái, việc xác định vị trí góc lái tuyệt đối theo cách này là đủ.
Tuy nhiên, hệ thống ESP nói riêng địi hỏi độ chính xác cao, tín hiệu có sẵn nhanh chóng. Cái gọi là hệ thống bật nguồn thực sự cung cấp vị trí góc lái tuyệt đối ngay khi bộ phận điều khiển hệ thống lái khởi động khi khởi động động cơ.
ECU là trung tâm phân phối của hệ thống lái cơ điện. Tất cả các tín hiệu đến đây và mô-men trợ lực và dịng cơng suất phù hợp được tính tốn cho tình huống lái xe tương ứng sau đó xuất ra động cơ điện. Các trạng thái của hệ thống và các quá trình đang hoạt động được ECU giám sát trong một cấu trúc an toàn phức tạp, và hành động thích hợp sẽ được thực hiện nếu lỗi được phát hiện.
Các mạch đầu vào của điện tử tín hiệu chuyển đổi tín hiệu cảm biến mơ- men xoắn từ nguồn điện của xe và vị trí góc của động cơ thành tín hiệu điện, tín hiệu này có thể được xử lý bởi ECU. Để tạo ra trợ lái phù hợp, bộ xử lý trung tâm ( CPU ) sử dụng thơng tin này để tính tốn dịng điện được đưa vào các pha động cơ riêng lẻ. Để kích hoạt các pha động cơ, CPU sẽ gửi một dòng điện điều khiển đến trình điều khiển cổng, từ đó kích hoạt các bán dẫn hiệu ứng trường ( FETs) trong giai đoạn đầu ra cơng suất, được bố trí trong một cầu. Cũng như tổn thất điện trở, tổn thất chuyển mạch cũng xảy ra trong thiết bị điện tử công suất, dẫn đến mức độ nóng cao trong các bộ phận linh kiện. Vì lý do này, các thiết bị điện tử cơng suất được đặt trực tiếp trên vỏ của bộ điều khiển để tản nhiệt tối ưu và kết cấu đảm bảo rằng nhiệt được truyền một cách hiệu quả đến vỏ hộp số lái.
Việc giám sát CPU là một thành phần quan trọng của khái niệm an tồn đối với hệ thống EPAS, vì kết quả đầu ra khơng chính xác có thể dẫn đến các lỗi nghiêm trọng. Các kết quả tính tốn và / hoặc khả năng tính tốn của bộ xử lý và các thuật toán điều khiển phải được kiểm tra độc lập. Ví dụ, các kết quả tính tốn quan trọng được kiểm tra bằng các thuật toán song song độc lập trong CPU, các thuật toán này phải khác biệt đáng kể với các thuật toán điều khiển cơ bản. Hơn nữa, chẩn đoán hệ thống giám sát phần mềm và phần cứng điện của thiết bị điều khiển bằng cách chạy các phép tính trong hai đơn vị máy tính độc lập. Một số quá trình giám sát được hồn thành trong bộ xử lý trung tâm, kết quả của chúng được kiểm tra bởi một bộ xử lý khác (CPU con). Nếu, trong các tính tốn so sánh, sự khác biệt được chẩn đốn nằm ngồi một phạm vi dung sai quy định,
Tùy thuộc vào loại lỗi được xác định, hệ thống có thể hồn ngun về các hành động thay thế, chỉ làm giảm mức độ thoải mái khi lái hoặc mức độ hỗ trợ lái. Nếu một lỗi nghiêm trọng hơn được xác định, hệ thống lái có trợ lực sẽ được tắt và xe phải được lái bằng tay. Tuy nhiên, vì các hệ thống EPAS hiện đại cực
2.4.4 Động cơ điện
Động cơ điện trong hệ thống lái cơ điện chủ yếu có nhiệm vụ biến đổi năng lượng điện thành mômen trợ lực cơ cần thiết. Ảnh hưởng của nó đối với đặc tính của hệ thống EPAS rất quan trọng.
Về hiệu suất : Từ tốc độ góc lái nhỏ đến tốc độ một vịng quay vơ lăng mỗi
giây, hệ thống EPAS phải có khả năng tạo ra mơ-men xoắn lớn nhất. Các cấu hình tải, xem xét tần số và quy mơ của hỗ trợ được cung cấp, được sử dụng để thiết kế bố trí động cơ.
Về động lực học : Kích thước và hướng của trợ lực lái thay đổi rất linh hoạt
trong các hoạt động lái. Do đó, động cơ được u cầu phải có qn tính rơto thấp nhất có thể và các đặc tính đáp ứng động lực học rất cao.
Về hiệu quả : Vì hệ thống lái điện sử dụng một lượng cơng suất tương đối
lớn, hệ thống phải có hiệu suất cao để sử dụng tối ưu năng lượng hạn chế có sẵn từ nguồn cung cấp năng lượng cho xe. Mức độ hiệu quả cao, kết hợp với mật độ công suất cao, cũng cần thiết để cho phép các hệ thống EPAS được bố trí trong khơng gian hạn chế có sẵn trong xe.
Về âm học : Động cơ điện cho hệ thống EPAS phải càng êm càng tốt. Mọi
tiếng ồn cịn sót lại phải “dễ chịu”, tức là ở dải tần tương đối thấp. Mức độ ma sát cơ học thấp, tránh cộng hưởng và thiết kế điện tốt, cũng như điều khiển động cơ tương ứng, góp phần đạt được những mục tiêu này.
Về đặc tính xúc giác : Rơto chạy đều với dao động mô-men xoắn thấp
mang lại cảm giác lái chất lượng cao.
Về an toàn : Khi xem xét tính an tồn chức năng của hệ thống EPAS, trọng
tâm là tính năng tự lái. Về nguyên tắc, bất kỳ sự ngăn cản nào của rôto bởi một vật thể lạ trong động cơ đều có thể dẫn đến việc lái bị chặn. Do đó, hệ thống
được xây dựng để loại trừ các vật thể lạ trong quá trình sản xuất và / hoặc ngăn chặn việc giải phóng các hạt trong quá trình vận hành. Cũng phải tránh đoản mạch điện bằng các phương tiện xây dựng, vì chúng có thể dẫn đến mơmen hãm không cho phép.
Động cơ EPAS tiếp xúc với rung động và phạm vi nhiệt độ môi trường xung quanh lớn, cũng như với các phương tiện khác nhau tùy thuộc vào nơi chúng được lắp đặt. Cụm mô-đun động cơ phải được thiết kế chắc chắn để chịu được những ảnh hưởng này và cung cấp hiệu suất cần thiết một cách đáng tin cậy trong suốt thời gian sử dụng của xe.
Về chi phí : Các vật liệu đắt tiền được sử dụng trong động cơ điện, chẳng
hạn như chất hàn đồng và các nam châm khác nhau. Những cải tiến liên tục đối với thiết kế và vật liệu được sử dụng để phát triển động cơ điện giúp giảm chi phí động cơ và do đó góp phần duy trì chi phí chung của hệ thống EPAS.
Một số loại động cơ điện như động cơ DC hoặc động cơ có chổi than được sử dụng cho công suất trong vùng 500W,động cơ không đồng bộ (ASM) được sử dụng cho 300-500W.
2.4.5 ECU
Là bộ phận quan trọng trong hệ thống lái trợ lực điện.Nó tiếp nhận thơng tin và sử dụng những thuật tốn tính tốn để điều khiển lái chính.Nó có các chức năng sau
Chức năng trợ lực lái
Chức năng ổn định
active return function [ CITATION Nik19 \l 1033 ]
end stop function[ CITATION Nik19 \l 1033 ]
Bù qn tính
Hình 2.23Hộp giảm tốc
Hộp giảm tốc có nhiệm vụ biến chuyển động quay nhanh dần đều của trục chuyển động của động cơ điện thành chuyển động quay của trục trụ lái.Do hộp số tác động trực tiếp trong dòng momen xoắn của cơ cấu lái, nên mọi sự cố kẹt hoặc hư hỏng không được cản trở việc lái.Hệ số ma sát thấp trong hộp giảm tốc đảm bảo rằng người lái xe vẫn có thể điều khiển lái xe bằng tay nếu tắt hỗ trợ lái.
2.4.7 Trục trung gian
Trục trung gian hay còn gọi là trục chữ I ,bao gồm trục và các khớp nối Cardan,có chức năng truyền momen lái từ trụ lái đến bánh răng của cơ cấu lái.Kích thước của trục chữ I phụ thuộc vào momen lái được truyền và biên dạng tải tương ứng của hệ thống lái.Trục chữ I của hệ thống EPAS được tích hợp vào bánh răng hoặc vào cột lái chỉ cần truyền momen lái bằng tay.Trên cơ sở ứng dụng của nó trục phải được thiết kế để đáp ứng các cấu hình tải trọng cụ thể cho từng phương tiện hoặc độ bền trong suốt thời gian sử dụng,đáp ứng yêu cầu về lực tối đa,cũng như các yêu cầu về an toàn,độ cứngvà các giá trị dung sai tùy thuộc cụ thể vào từng loại xe đối với cảm giác lái.
2.4.8 Hệ thống cơ điện
Nhiệm vụ chính của hệ thống cơ điện cho EPAS là xác định các yêu cầu lái của người lái và cung cấp mô-men xoắn hỗ trợ một cách chính xác. Nhiều phân tích và chức năng phụ khác nhau được tích hợp vào phần mềm để thực hiện cơng việc này một cách thuận tiện và đáng tin cậy. Các chức năng lái bổ sung đang ngày càng được tích hợp vào hệ thống EPAS, hệ thống này mang lại nhiều lợi ích rõ ràng hơn, chẳng hạn như hỗ trợ đỗ xe.
Các thành phần điện của hệ thống EPAS lái hiện đại là cảm biến mô-men xoắn, ECU và động cơ điện là những thành phần cốt lõi của tất cả các dạng EPAS. Để xác định các yêu cầu lái của người lái, mô-men lái bằng tay được đo bởi một cảm biến mơ-men xoắn và được truyền dưới dạng tín hiệu điện đến ECU. Tín hiệu này từ hệ thống EPAS là dữ liệu về xe chẳng hạn như tốc độ của xe hoặc tốc độ quay của động cơ ,có thể được cung cấp cho ECU tín hiệu dạng CAN hoặc FlexRay. Từ dữ liệu đầu vào này, bộ xử lý của ECU xác định mơmen xoắn hỗ trợ cần thiết và dịng điện được tính tốn cho động cơ điện và được đưa vào các pha thông qua thiết bị điện tử công suất. Mô-men xoắn động cơ cung cấp được chuyển đổi bởi hộp số giảm tốc và bổ sung mô-men xoắn lái bằng tay của người lái.
Hình 2.25Quy trình làm việc hệ thống điện EPAS
2.5 Chức năng lái
Tất cả các chức năng,được cung cấp bởi các thuận toán trong hệ thống EPAS được gọi là chức năng lái.
2.5.1 Các chức năng lái
2.5.1.1 Hỗ trợ lái
Trợ lực lái được cung cấp bởi động cơ DC là chức năng cơ bản của hệ thống EPAS, trợ lực lái được xuất ra dựa trên momen lái do người lái tác động vào vành tay lái,yêu cầu lái và tốc độ của xe.
2.5.1.2 Giảm xóc
Trong q trình vận hành,hệ thống lái chịu nhiều tác động khác nhau,có xu hướng ảnh hưởng tiêu cực đến sự ổn định của hệ thống lái. Trong trường hợp lái lý thưởng xe trên đường thẳng.không cần can thiệp lái và do đó khơng cần hỗ trợ trợ lực lái. Tuy nhiên ,trên thực tế,gia tốc liên tục thay đổi từ các biến số gây nhiều bên ngoài,chẳng hạn như mặt đường,hoặc chuyển động lái nhỏ của người điều khiển,do đó những tác động này khơng dẫn đến mất ổn định khi lái,các biến số nhiều này được hệ thống phát hiện và giảm chấn theo cách phụ thuộc vào tốc độ.
2.5.1.3 Bù ma sát
Trong hệ thống lái cơ điện,tổn thất ma sát phát sinh ở các điểm khác nhau,có ảnh hưởng tương ứng đến các đặc tính lái. Momen trợ lực bổ sung và dịng điện bù tương ứng được tính tốn để bù ma sát.
2.5.1.4 Bù quán tính
Điều khiển phương tiện là một quá trình động - xem xét các tỷ số truyền đặc trưng của hệ thống EPAS - bị nhiễu bởi quán tính của các khối lượng tương đối lớn di chuyển. Nếu khơng có các biện pháp khác, người lái xe sẽ phải liên tục bẻ lái chống lại các lực lượng gây ra. Bù qn tính có nghĩa là người lái xe khơng cịn phải làm điều này nữa tay lái phản ứng ngay lập tức và chính xác đối với hành động điều khiển.
2.5.1.5 Giảm công suất hỗ trợ
Nếu người lái đánh lái vào chướng ngại vật, chẳng hạn như lề đường, các bánh xe sẽ bị chặn lại, do đó khơng thể đánh lái được nữa. Tuy nhiên, miễn là người lái tiếp tục tạo ra một mô-men lái, hệ thống EPAS sẽ cung cấp một mô- men xoắn hỗ trợ mạnh mẽ, điều này sẽ tạo ra sự tiêu tán công suất rất cao, dẫn đến hệ thống nóng lên. Để giảm tải này và bảo vệ hệ thống, một thuật toán được