động cơ DC:
1.Sơ đồ bố chí hệ thống dẫn động điều khiển hoạt động của hệ thống phanh BBW: 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 M8 ECU 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 59
ECU 2700 4500 ECU 1430 1750 1500
ECU sau khi tiếp nhận các thông tin từ các cảm biến gửi về sẽ phát tín hiệu điều khiển qua mạng CAN truyền tới hộp đen điều khiển môtơ tại cụm cơ cấu phanh.
Hộp đen điều khiển mô tơ tại cơ cấu phanh sẽ điều khiển tốc độ của mô tơ theo ý muốn điều khiển gửi xuống từ ECU.
Ta sử dụng phơng pháp điều rộng xung PWM (Pulse Width Modulation)
Hình 1: PWM
Có thể giải thích nguyên lý của phơng pháp n y nhà sau: quan sát ở hình trên ta thấy 2 tín hiệu xung S1 một S2 có cùng chu kỳ T (1ms) tuy nhiên khoảng Ton (khoảng thời gian mức High trong 1chu kỳ ) thì khác nhau nh thế tỉ số
Ton/Toff của 2 tín hiệu cũng khác nhau, việc điều chỉnh tỉ số n y gọi l điều à à
nguồn v Toff l thời gian ngừng cấp nguồn cho động cơ, khi thay đổi tỉ số à à
Ton/Toff (cũng có nghĩa thay đổi điện áp trung bình cấp cho động cơ) vận tốc động cơ cũng thay đổi theo.
Tóm lại, bằng cách “kéo dãn” hay “thu hẹp” khoảng Ton (không thay đổi chu kỳ T) l có thể điều khiển đà ợc vận tốc động cơ. Tuy nhiên cần chú ý rằng quan hệ giữa vận tốc động cơ v tỉ số độ rộng xung không tuyến tính. Phà ơng pháp PWM không những chỉ đợc áp dụng trong điều khiển vận tốc động cơ m còn à
có rất nhiều ứng dụng khác nh điều khiển nhiệt độ, độ sáng ...
Vi điều khiển AVR của Atmel.
Từ cách hiểu PWM nh trên chúng ta có thể thấy rằng việc áp dụng PWM l tà - ơng đối dễ d ng, chỉ cần có bộ tạo xung l có thể tạo PWM, thậm chí có thể à à
dùng IC 555. Trong t i liệu n y ta sử dụng các chip vi điều khiển để tạo xung à à
điều rộng. Vì tính ứng dụng rộng rãi của PWM nên trong hầu hết các bộ điều khiển (nh PLC, microcontroller...) thờng có tích hợp modul PWM. Trong các chip vi điều khiển có modul PWM thì các chip AVR của Atmel v PIC của à
microchip đợc sử dụng khá rộng rãi. Nếu so sánh, có thể đánh giá một cách t- ơng đối l modul PWM trong các chip PIC có 1 v i à à u điểm so với các chip AVR, tuy nhiên PIC sẽ khó tìm hơn AVR (ở VN) nên ta quyết định AVR. AVR l dùng vi điều khiển 8 bits của hãng Atmel, dùng chip n y khá mới v à à à
có nhiều u điểm hơn hẳn dùng chip theo cấu trúc 8051. Trong hầu hết các chip AVR đều có thích hợp modul PWM. Lấy ví dụ chip ATMega32 có 3 bộ Timer với 4 đờng xuất xung PWM. ở đây, trong các ví dụ ta cũng sẽ sử dụng loại chip n y.à
II, xây dựng cơ sở lý luận và các chơng trình logic điều khiển:
1. Cơ sở lý luận và chơng trình logic điều khiển hệ thống phanh BBW ở chế độ phanh ABS:
a. Cơ sở lý luận:
Gia tốc dài v của bánh xe tại tâm trục quan hệ với lực phanh Pp
k p k G g P m P v= =− .
Trong đó: m là khối lợng của bánh xe, Gk: trọng lợng đặt lên bánh xe (Gk = m.g), g: gia tốc trọng trờng.
Khi mômen phanh Mcp lớn có khả năng tạo nên Mp, Pp lớn và gia tốc v có giá trị âm lớn, nhng bánh xe sẽ bị khoá cứng. ở trạng thái bánh xe bị khóa cứng, vận tốc góc sẽ bằng không, vận tốc dài của tâm bánh xe khác không và độ trợt là 100%. Điều này xảy ra trong một thời gian ngắn đối với ô tô không bố trí ABS.
Tính chất biến dạng của bánh xe xe cao su có khí nén, và sự trợt của bánh xe trên nền, tạo nên sự sai khác giữa vận tốc dài tính tại tâm và vận tốc dài tính tại vết bánh xe. Do vậy không có sự đồng nhất các giá trị gia tốc ở hai vị trí kể trên.
Mô men của cơ cấu phanh Mcp và sự bám
Mô men sinh ra ở cấu cấu phanh Mcp là mômen điều khiển, do vậy nếu nâng cao giá Mcp ở cơ cấu phanh dẫn tới sự tăng lực phanh Pp ở vết tiếp xúc. Khi lực Pp tăng đến giá trị giới hạn của lực bám, bánh xe sẽ bị bó cứng và xảy ra trợt lết bánh xe trên nền.
Hiện tợng trợt lết có ảnh hởng xấu đến tính chất bám của bánh xe và tính ổn định hớng của xe.
Khi các bánh xe bị bó cứng hoàn toàn, ma sát giữa trống phanh và má phanh không tồn tại, động năng chuyển thành nhiệt năng tại vết tiếp xúc của bánh xe với nền đờng. Nếu trên nền đờng nhựa, hệ số bám có thể tăng không đáng kể do nhựa đờng bị chảy mềm ra, trên các nền đờng khác nói chung, hệ số bám sẽ giảm mạnh làm suy giảm khả năng tiêu hao động năng dẫn tới giảm hiệu quả phanh ô tô.
Nh vậy, khi bánh xe bị khoá cứng hoàn toàn sẽ gây nên: - Tăng quãng đờng phanh,
- Mất khả năng tiếp nhận lực bên, ảnh hởng đến tính chất ổn định, khả năng dẫn hớng chuyển động của xe,
Hệ thống ABS đợc bố trí trong ô tô cho phép thực hiện khả năng điều chỉnh liên tục Mcp đảm bảo cho các bánh xe không bị bó cứng và sự trợt xảy ra tại vùng có hệ số bám cao.
Điều này cũng xảy ra tơng tự với các bánh xe chủ động khi bị trợt quay hoàn toàn. Khi các bánh xe bị trợt quay hoàn toàn, công suất của động cơ bị tiêu hao bởi ma sát tại vết tiếp xúc của bánh xe với nền đờng và gây nên giảm hệ số bám, tăng nhanh mài mòn lốp xe ….
Mô men của cơ cấu phanh Mcp và sự thay đổi gia tốc góc bánh xe
Trong thực tế việc xác định độ trợt rất khó khăn, bộ điều khiển logic của ABS sẽ tính toán thông qua các giá trị khác nh: vận tốc góc, gia tốc góc của bánh xe hoặc gia tốc dài của xe.
Khi mômen sinh ra bởi cơ cấu phanh Mcp tác động lên bánh xe và xuất hiện phản lực phanh Pp tại vết tiếp xúc. Lực phanh Pp gây nên mômen Mp tại tâm trục bánh xe, tác động với chiều ngợc chiều với mômen phanh Mcp. Giá trị của Mp phụ thuộc vào mômen Mcp và lực phanh Pp và liên tục thay đổi. Sự sai khác giữa giá trị Mcp và Mp là nguyên nhân gây ra gia tốc góc ω của bánh xe. Sử dụng phơng trình (a) đã viết ở trên, bỏ qua Mf và thay Mjb=Jω.rd thu đợc:
ω ω ω J M r P J M Mp cp p d − cp = − = .
Trong đó chiều ω cùng chiều với Mp, còn Jωlà mômen quán tính khối lợng của bánh xe với tâm trục quay, r là bán kính làm việc của bánh xe.
Nếu Mp > Mcp , bánh xe tăng tốc, gia tốc góc ω dơng. Nếu Mp < Mcp , bánh xe giảm tốc, gia tốc góc ω âm.
Trên các loại ôtô hiện nay phổ biến là loại sử dụng cảm biến vận tốc góc đặt tại các bánh xe, kiểm soát áp suất phanh theo gia tốc ω và độ trợt nhờ ECU ABS tính toán, điều khiển van điều chỉnh áp suất. Hệ thống ABS là hệ điều khiển điện tử có vòng lặp các quá trình xảy ra liên tục để cản trở việc bó cứng bánh xe.
Trong quá trình điều chỉnh áp suất phanh, hệ thống ABS cần thiết tạo ra vùng làm việc của bánh xe bị phanh trong khoảng độ trợt λ0 tối u. Các hệ thống ABS ngày nay sử dụng cảm biến đo vận tốc bánh xe theo thời gian và xác lập các mối quan hệ sau đây:
- Vận tốc tức thời của bánh xe,
- Gia tốc góc của bánh xe,
- Độ trợt bánh xe.
Độ trợt của bánh xe sử dụng trên các trạng thái nền đờng khác nhau có các quy luật nh đã nêu trên các đồ thị thực nghiệm. Giá trị độ trợt tối u trên nền đ- ờng tốt có hệ số bám cao với λ0 = (10% ữ 30%). ở trạng thái nền đờng khác với hệ số bám nhỏ hơn vùng độ trợt tối u λ0 thay đổi.
b. Chơng trình logic điều khiển ABS:
Khi bắt đầu phanh, bánh xe quay với tốc độ quay giảm dần, nếu bánh xe đạt tới giá trị gần bó cứng, tín hiệu của cảm biến chuyển về bộ điều khiển trung tâm. ECU-ABS lựa chọn chế độ, đa ra tín hiệu điều khiển van điều chỉnh áp lực phanh. Do vậy lực phanh ở cơ cấu phanh không tăng đợc nữa, bánh xe có xu hớng lăn với tốc độ cao lên, tín hiệu từ cảm biến lại đa về ECU-ABS. ECU-ABS cung cấp lệnh điều khiển mô tơ DC, giảm áp lực phanh, sao cho bánh xe không bó cứng. Nếu vận tốc góc của bánh xe lại tăng cao, cảm biến tiếp nhận thông tin này đa về bộ điều khiển điện tử và lại tăng tiếp áp lực điều khiển, nhờ đó bánh xe lại bị phanh và giảm tốc độ quay tới khi gần bó cứng. Quá trình xảy ra đợc lặp lại theo chu kỳ liên tục, tới khi bánh xe dừng hẳn.
Cứ nh vậy, hệ thống điện tử hỗ trợ hệ thống phanh duy trì chế độ lăn có tr- ợt của bánh xe, trong lúc vị trí bàn đạp phanh không thay đổi.
Một chu kỳ điều khiển thực hiện khoảng chừng 1/10 s, do vậy ABS làm việc rất hiệu quả, giúp cho bánh xe luôn nằm trong trạng thái phanh với độ trợt tối u, tránh đợc hiện tợng bó cứng bánh xe. Quá trình này có thể coi nh sự nhấp phanh liên tục của ngời lái khi phanh, nhng mức độ chuẩn xác cao hơn và tần số lớn hơn nhiều so với ngời lái xe có kinh nghiệm.
Trong kết cấu thực tế hệ thống đợc tổ hợp là nhiều mạch điều khiển khác nhau cho từng bánh xe hay một số bánh xe.
Để giữ cho các bánh xe làm việc ở vùng có hệ số trợt λ0 với lực phanh tối u và không xảy ra sự khoá cứng các bánh xe cần phải điều chỉnh tốc độ quay mô tơ DC cơ cấu phanh. Việc điều chỉnh đợc thực hiện nhờ các tín hiệu đầu vào sau:
− Theo giá trị độ trợt cho trớc.
− Theo giá trị tỷ số giữa vận tốc góc bánh xe với gia tốc chậm dần của nó. Trong thực tế việc xác định độ trợt rất khó khăn, bộ ECU của ABS sẽ tính toán thông qua các giá trị khác nh: vận tốc góc, gia tốc góc của bánh xe và gia tốc dài của xe.
2. Cơ sở lý luận và chơng trình logic điều khiển hệ thống phanh BBW ở chế độ phanh BAS:
a. Cơ sở lý luận:
Bộ hỗ trợ phanh là thiết bị hỗ trợ ngời lái khi phanh gấp (do hoảng hốt). Thiết bị này có thể nâng cao áp suất dầu phanh dới tác động của ngời lái. Hệ thống hỗ trợ phanh thực hiện nh sau: yêu cầu phanh của ngời lái đợc kích hoạt (cảm nhận) nhờ lực phanh (hay hành trình) trên bàn đạp phanh, và giá trị tín hiệu đợc đa về bộ điều khiển điện tử. Thiết bị hỗ trợ phanh BAS (Braking Assistant System) có các chức năng sau :
+Nhận đợc tình trạng phanh gấp, để tăng áp suất phanh đợc theo yêu cầu của lái xe đến mức áp suất phanh cao ở các bánh xe sao cho tất cả các bánh xe có thể đạt tới giá trị độ trợt giới hạn,
+Nhận đợc điểm kết thúc của trạng thái phanh gấp để áp lực điều khiển phanh giảm về trạng thái yêu cầu của ngời lái.
Khi xe chuyển động trên đờng, những tình huống bất ngờ có thể xảy ra và ngời lái tiến hành đạp phanh khẩn cấp với mong muốn phát huy hết hiệu quả. Bình thờng, nếu nhấn hết bàn đạp phanh, hệ thống ABS có thể phát huy tối đa tính hiệu quả, nhng nó có thể không đáp ứng nếu áp suất phanh cha đủ lớn. Với xe có trang bị bộ ABS+BAS, các cảm biến nhận đợc tín hiệu yêu cầu của lái xe và so sánh quá trình biến đổi áp suất với giá trị áp suất định sẵn trong ECU-ABS thực hiện gia tăng nhanh áp suất phanh hỗ trợ lái xe ở chế độ phanh khẩn cấp, nhằm mục đích tăng tính an toàn trong chuyển động và đạt hiệu quả phanh tốt nhất theo yêu cầu của ngời sử dụng..
Bằng cách đó sẽ tạo điều kiện cho ngời lái xe ít kinh nghiệm có đợc quãng đờng phanh ngắn nhất trong trờng hợp phanh khẩn cấp, lái xe xuống dốc hay khi xe kéo theo khoang chở hành khách, hàng hoá.. Tất nhiên trong khi phanh lái xe phải đặt chân lên bàn đạp phanh.
ở các kết cấu ABS thông thờng cảm biến bàn đạp phanh, có nhiệm vụ đóng mạch điều khiển ECU-ABS, còn bộ trợ lực phanh làm việc tùy thuộc vào vị trí bàn đạp phanh.
b. Sơ đồ logic điều khiển BAS:
Khi lái xe đạp phanh khẩn cấp, áp lực sinh ra tại má phanh có thể không tăng kịp, hệ thống điều khiển nhanh chóng chuyển mạch tới mức tạo áp lực phanh cao hơn. Quá trình xảy ra do sự chậm chễ thực hiện chuyển mạch rất ngắn và áp lực phanh do mô tơ DC tao ra gia tăng nhanh tới ngỡng của giá trị điều chỉnh độ trợt. Quá trình giảm áp lực phanh giữ áp và tăng áp xảy ra trong một vài chu trình điều chỉnh ở vùng lân cận độ trợt yêu cầu, tốc độ ô tô nhanh chóng giảm xuống, cho tới khi đảm bảo sự tơng thích giữa hành trình bàn đạp và áp lực phanh của hệ thống, kết thúc pha 1. Trong thời gian thực hiện pha này, áp lực phanh đạt ở giá trị cao, độ trợt bánh xe trong giới hạn tối u của ABS nên giảm nhỏ đợc quãng đờng phanh.
Mỗi khi áp lực tại cơ cấu phanh đo đợc nhỏ hơn giá trị yêu cầu (thả chân phanh), hệ thống nhận biết đợc yêu cầu của lái xe và giảm dần áp lực phanh (pha 2). Trong trờng hợp đó, ECU-ABS+BAS tác dụng chuyển mạch điều khiển sang chế độ phanh theo thông thờng. Sự điều chỉnh đợc chuyển êm dịu theo tín hiệu áp suất đo đợc và tạo điều kiện. Lái xe lại tiếp tục phanh xe với hệ thống không có thiết bị hỗ trợ.
3. Cơ sở lý luận và chơng trình logic điều khiển hệ thống phanh BBW ở chế độ TRC:
a. Cơ sở lý luận:
Ngày nay ABS+TRC có thể bao gồm: + ASR: Bộ điều khiển chống trợt quay,
+ EMS: Thiết bị điện tử điều khiển công suất động cơ.
+ MSR: Bộ điều chỉnh mô men phanh hỗ trợ ASR khi đi ở số truyền thấp.
+ EDS: Bộ điều khiển khóa vi sai bên trong hệ thống truyền lực,
Sự trợt quay xảy ra khi mômen từ động cơ truyền xuống bánh xe vợt quá giới hạn bám tại bánh xe. Sự trợt quay xảy ra tơng tự nh sự trợt lết khi phanh, sự trợt quay cũng có tác động xấu tới khả năng bám của bánh xe, đồng thời
gây nên tiêu thụ nhiên liệu vô ích, làm mất khả năng ổn định hớng chuyển động của ô tô và gây mài mòn nhanh lốp. Do vậy trên xe trang bị ABS+TRC có khả năng điều chỉnh tức thời mômen chủ động theo khả năng bám của bánh xe với mặt đờng (tức là làm tốt các yếu tố động lực của ô tô), do vậy TRC đợc bố trí trên các bánh xe chủ động.
Nguyên lý làm việc của TRC có thể mô tả đơn giản trên hình
Khi ô tô chuyển động, mômen truyền xuống bán trục đợc coi là 100%, khả năng bám trên nền chỉ bằng 30%, bánh xe sẽ bị trợt quay với hệ số trợt lớn, xe không chuyển động bằng công suất từ động cơ truyền xuống, mà chỉ bằng giá trị do bám tác động. Nhờ thiết bị TRC, tại bán trục và cơ cấu phanh, tạo nên sự giảm mômen chủ động bằng 70%, bánh xe sẽ không còn bị trợt lớn.
Mô men cần giảm là mômen điều chỉnh, điều này đợc thực hiện trớc hết