NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN TỬ I. NỘI DUNG: 1 Tổng quan. 2 Trình bày cấu tạo, hoạt động một số loại hệ thống lái trợ lực điện. 3 Thiết kế, thi công mô hình, trợ huấn cụ phục vụ giảng dạy hệ thống trợ lực lái điện tử. 4 Kết luận.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan hệ thống lái trợ lực điện
2.1.1 Giới thiệu hệ thống lái trợ lực điện
Hệ thống lái trợ lực điện (EPS), còn gọi là Trợ lực lái dẫn động bằng động cơ (MDPS), sử dụng động cơ điện để hỗ trợ người lái xe khi đánh lái, giúp giảm lực cần thiết và tăng tính chính xác khi điều khiển xe Hệ thống bao gồm động cơ điện dẫn động, cảm biến, mô-đun điều khiển và hệ thống lái cơ bản, tạo nên giải pháp tối ưu cho khả năng vận hành linh hoạt và an toàn trên mọi cung đường.
Hình 2 1 Hệ thống lái trợ lực điện
Hệ thống lái trợ lực điện lần đầu tiên được sử dụng trên xe Suzuki Cervo vào năm 1988 và đã trở thành công nghệ quen thuộc trên toàn thế giới Hiện nay, hệ thống này đã được nhiều nhà sản xuất ô tô sử dụng rộng rãi, đặc biệt trên các xe nhỏ, nhằm giảm tiêu thụ nhiên liệu và giảm chi phí sản xuất.
Ưu nhược điểm của hệ thống lái trợ lực điện:
Hệ thống lái trợ lực thủy lực hoạt động dựa trên hai thông số chính là mô-men và góc quay trục lái, trong khi hệ thống trợ lực điện lại dựa trên nhiều yếu tố như tốc độ xe, mô-men trục lái, tốc độ động cơ, chế độ không tải, và góc quay trục lái Nhờ đó, trợ lực điện mang lại nhiều ưu điểm vượt trội như khả năng tối ưu hóa cảm giác lái, tiết kiệm năng lượng, và cải thiện hiệu quả hoạt động của hệ thống lái.
Hệ thống truyền lực có tỉ số truyền thay đổi linh hoạt theo tốc độ của xe, giúp phù hợp với từng điều kiện vận hành Khi xe chạy ở tốc độ thấp, tỉ số truyền nhỏ để tăng lực kéo và điều khiển dễ dàng hơn, trong khi ở tốc độ cao, tỉ số truyền lớn giúp duy trì tốc độ ổn định và tiết kiệm năng lượng Ưu điểm nổi bật của hệ thống này là mô-men trợ lực của động cơ điện tự điều chỉnh theo tốc độ xe, mang lại trải nghiệm lái mượt mà và hiệu quả hơn.
Hệ thống lái trợ lực điện không sử dụng bơm dầu như hệ thống trợ lực thủy lực mà thay vào đó sử dụng motor điện một chiều, giúp giảm tiêu hao nhiên liệu từ 2-3% Nó không cần các đường ống và van phức tạp, mang lại hiệu quả vận hành êm ái hơn vì không phát ra tiếng kêu của bơm trợ lực Mặc dù cấu trúc có phần phức tạp hơn, nhưng hệ thống này gọn nhẹ hơn, giúp giảm đáng kể trọng lượng so với hệ thống trợ lực thủy lực.
Hình 2 trình bày ba biểu đồ minh họa sự tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải của hệ thống EPS so với hệ thống HPS thông thường, dựa trên kết quả đo từ chu kỳ lái xe NEDC và các hoạt động thực tế của khách hàng trên xe BMW 320i.
Hệ thống lái trợ lực điện sử dụng motor điện một chiều giúp dễ dàng điều chỉnh chiều quay của motor, từ đó tối ưu hóa khả năng kiểm soát xe Ngoài ra, việc thay đổi mô-men xoắn của motor cũng trở nên dễ dàng bằng cách điều chỉnh cường độ dòng điện cấp vào motor, mang lại trải nghiệm lái xe linh hoạt và chính xác hơn.
Khi trợ lực điện gặp sự cố, lực điều khiển của người lái chỉ còn như xe không có trợ lực, giúp giảm khả năng mất kiểm soát Tuy nhiên, so với trợ lực thủy lực hỏng, lái xe vẫn dễ dàng hơn nhờ không bị ảnh hưởng bởi sức cản của dầu thủy lực Điều này giúp người lái cảm thấy nhẹ nhàng hơn khi điều khiển xe trong tình huống khẩn cấp hoặc khi hệ thống trợ lực điện gặp sự cố.
Hệ thống trợ lực lái điện mang lại cảm giác lái an toàn và thoải mái cho người dùng, đồng thời giúp giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ của xe Ngoài ra, hệ thống này còn dễ dàng thao tác và sửa chữa hơn khi gặp sự cố hoặc hư hỏng, nâng cao hiệu quả vận hành và tiết kiệm chi phí bảo trì.
Kết cấu chế tạo phức tạp và có giá thành cao, chịu va đập kém
Hệ thống lái trợ lực điện vượt trội hơn so với hệ thống lái trợ lực thủy lực nhờ khả năng thay đổi tỉ số truyền lái linh hoạt, đáp ứng yêu cầu quan trọng của xe ô tô hiện đại Nhờ khả năng điều chỉnh tỉ số truyền lái dễ dàng, hệ thống giúp nâng cao tính an toàn khi xe vận hành ở tốc độ cao và dễ dàng điều khiển trong những đoạn đường hẹp, yêu cầu quay vòng với bán kính nhỏ.
2.1.2 Cấu tạo của hệ thống EPS
Hệ thống trợ lực lái gồm 4 bộ phận chính: mô tơ điện xoay chiều giúp cung cấp lực trợ giúp, bộ điều khiển trợ lực lái EPS ECU điều khiển hoạt động chính xác, cảm biến mô men và góc đánh lái đo lường dữ liệu để tối ưu hóa hiệu suất, cùng cơ cấu giảm tốc đảm bảo truyền lực hiệu quả và mượt mà.
Hình 2 4 Các bộ phận của hệ thống lái trợ lực điện
Hình 2 5 Sơ đồ khối hệ thống EPS
Cảm biến mô-men giúp đo mô men đánh lái để gửi tín hiệu về hộp điều khiển EPS (Electric Power Steering) Khi hoạt động, cảm biến phát hiện sự xoắn của hệ thống lái, tính toán tác dụng lên thanh xoắn dựa trên sự thay đổi điện áp trên cảm biến Tín hiệu điện áp này sau đó được truyền về ECU EPS để xử lý, điều chỉnh hệ thống lái chính xác và an toàn hơn.
- Mô tơ điện DC hoạt động tạo ra trợ lực tuỳ vào tín hiệu phát ra từ EPS ECU
EPS ECU điều khiển motor DC gắn trên trục lái để tạo ra lực trợ lực phù hợp dựa trên tín hiệu từ cảm biến, tốc độ xe và tốc độ động cơ Tùy thuộc vào cường độ tín hiệu, EPS ECU sẽ điều chỉnh hoạt động của motor DC nhằm cung cấp trợ lực tối ưu, giúp người lái dễ dàng điều khiển xe hơn trong mọi tình huống.
Hình 2 6 Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống lái trợ lực điện
Trong các dòng xe ngày nay, cơ cấu truyền động phổ biến nhất là loại thanh răng và bánh răng, giúp chuyển đổi chuyển động một cách hiệu quả Thanh răng chỉ di chuyển theo chiều thẳng, trong khi bánh răng nhận lực từ tay lái để điều chỉnh hướng bánh xe Bộ phận tay đòn gắn vào cả hai bánh xe chỉ có khả năng quay quanh trục, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điều hướng Rô-tuyn lái kết nối tay đòn với thước lái, cho phép truyền động linh hoạt cả theo phương tiến và chuyển động quay, đảm bảo quá trình vận hành mượt mà và chính xác.
Hình 2 7 Cơ cấu truyền động của hệ thống
Motor D/C được gắn vào bánh răng để truyền trợ lực xuống cơ cấu thanh răng và trục răng, giúp hệ thống vận hành hiệu quả Motor có khả năng quay hai chiều, giúp đảm bảo hoạt động linh hoạt của hệ thống lái Khi hệ thống hoạt động bình thường, motor truyền trợ lực chính xác xuống thước lái, đảm bảo phản hồi nhanh chóng và ổn định cho người lái.
Hình 2 8 Motor D/C trợ lực cho người lái
Các loại hệ thống lái điện
Hiện nay, hệ thống trợ lực lái điện tử (EPAS/EPS) đã được cải tiến đáng kể nhờ các công nghệ tiên tiến, mang lại cảm giác tay lái chân thực cho người lái Ưu điểm nổi bật của hệ thống này là tiết kiệm nhiên liệu, giúp giảm tiêu thụ năng lượng cho xe Chính vì vậy, trợ lực lái điện tử ngày càng được ứng dụng rộng rãi không chỉ trong các hãng xe phổ thông như Toyota, Ford, KIA mà còn trong các thương hiệu xe sang như Mercedes, BMW và Audi.
Hình 2 18 Hệ thống trợ lực tay lái điện của Nissan trang bị trên Infiniti G37S
Hình 2 19 Hệ thống trợ lực tay lái điện lắp đặt trên xe Ford
EPSc (Hình 2.20) là dòng EPS lâu đời nhất được sử dụng phổ biến, bắt đầu từ năm 1988 trên xe Suzuki Cervo (Stoll và Reimpell, 1992), ban đầu dành cho xe nhỏ có lực truyền răng và trợ lực lái thấp Hiện nay, EPSc đã mở rộng áp dụng cho các dòng xe hạng trung nhờ vào vật liệu mới cho bánh răng trợ lực, cột lái và bánh răng, giúp truyền mô-men xoắn cao hơn và nâng cao hiệu suất hệ thống trợ lực lái.
Hệ thống trợ lực của EPSc được tích hợp trong xe gần khoang nội thất, mang lại lợi ích lớn cho các yêu cầu về môi trường Bộ trợ lực không cần kín nước khi hoạt động bên trong xe, phù hợp với phạm vi nhiệt độ từ -40 đến 85 °C, trong khi trong khoang động cơ, yêu cầu nhiệt độ cao hơn từ -40 đến 125 °C Tuy nhiên, nhiệt độ cao vẫn là thách thức để duy trì hoạt động ổn định của các bộ phận điện tử trong hệ thống trợ lực Một điểm hạn chế của hệ thống là cụm trợ lực điện được lắp đặt rất gần vị trí của người lái, ảnh hưởng đến an toàn và tiện nghi khi vận hành.
Bánh răng trợ lực của EPSc không phải là bánh răng sâu tự khóa, mà sử dụng trục vít lắp ở trục động cơ của motor điện, kết hợp với bánh con sâu nối với trụ lái Các loại hộp số khác như hộp số dây đai hoặc truyền động trực tiếp cũng được biết đến nhưng không phổ biến trên thị trường cho đến nay.
Lực của bộ trợ lực được truyền dọc theo trụ lái, trục lái trung gian và bánh răng, giúp thiết lập các yếu tố giới hạn để tối đa hóa lực lái Đối với các mô-men xoắn cao hơn, hệ thống cần được cấu hình chắc chắn hơn và điều này thường đi kèm với chi phí cao hơn Các phần tử trượt đơn giản bằng nhựa là cấu hình dễ nhất, trong khi các mô-men xoắn truyền cao hơn yêu cầu sử dụng vòng bi kim loại đắt tiền để đảm bảo độ bền và hiệu suất.
Hệ thống này có nhược điểm nguy hiểm tiềm tàng đối với người lái trong trường hợp xảy ra va chạm, do bộ trợ lực đặt gần cột lái và vị trí của người lái.
Hệ thống trợ lực của EPSp được bố trí ngay tại bánh răng lái, giúp truyền mô-men trợ lực từ motor điện đến thước lái một cách hiệu quả Nhờ thiết kế này, hệ thống có thể cung cấp lực lái cao hơn so với EPSc, vì không cần truyền lực dọc theo cột lái hoặc trục trung gian Tuy nhiên, khi bộ trợ lực (động cơ và ECU) được đặt gần EPSp trong khoang động cơ, nó phải đáp ứng các yêu cầu cao hơn về nhiệt độ, mật độ và độ rung so với hệ thống EPSc Các tiêu chuẩn này cũng được áp dụng cho các hệ thống EPSdp, EPSapa và EPSrc để đảm bảo hiệu suất và độ bền tối ưu.
Hệ thống trợ lực có hạn chế về khả năng hoạt động, vì bộ trợ lực chỉ có thể quay quanh trục của bánh răng lái Ngoài ra, vị trí của bộ trợ lực nằm gần chân người lái có thể gây nguy hiểm nếu không được thiết kế phù hợp, vì cần đảm bảo rằng bộ trợ lực không thể chạm vào khoảng trống dưới chân khi xảy ra va chạm.
Bộ trợ lực của bánh răng kép EPS được gắn ở bánh răng thứ hai (Hình 2.22)
Hệ thống lái này phù hợp với các dòng xe du lịch phân khúc trung bình và SUV cỡ trung có tải trọng lên tới 13kN Tiêu chuẩn đầu tiên của hệ thống lái này đã được áp dụng trên dòng xe VW GOLF vào năm 2002, đánh dấu bước tiến quan trọng trong công nghệ xe hơi trung cấp.
Việc lắp đặt bộ trợ lực ở bánh răng thứ hai giúp tách biệt bộ phận cảm biến và bộ phận truyền động, tối ưu hóa hiệu suất hệ thống Tỷ số truyền của bộ truyền động chính hoạt động độc lập với tỷ số lái, cho phép điều chỉnh công suất trợ lực phù hợp Nhờ đó, hệ thống trợ lực có công suất bổ sung cao hơn 10-15% so với các hệ thống EPSc hoặc EPSp, nâng cao hiệu quả vận hành và độ chính xác của hệ thống lái.
Bộ trợ lực có thể được định vị chính xác bằng bánh răng sâu điều chỉnh phù hợp, quay riêng 360° theo hướng tâm đến thanh răng và trục bánh răng truyền động chính Do đó, việc lắp đặt tay lái đòi hỏi sự cẩn thận để thích ứng với không gian hạn chế Việc khai thác tối đa không gian lắp đặt giúp đảm bảo an toàn khi va chạm, nâng cao hiệu quả bảo vệ người dùng.
Hệ thống lái EPSapa có cấu tạo với một trục lái song song, mang lại hiệu quả vận hành cao và độ ma sát thấp, giúp xe vận hành linh hoạt và tiết kiệm nhiên liệu Thường được trang bị trên các dòng xe thể thao cao cấp cùng với xe tải trọng lớn, hệ thống này còn góp phần nâng cao trải nghiệm lái xe chính xác và ổn định EPSapa lần đầu tiên được trang bị tiêu chuẩn trên chiếc BMW 3 vào năm 2017, đánh dấu bước đột phá trong công nghệ lái xe hiện đại.
Hệ thống lái này sử dụng trợ lực được tạo ra bởi motor điện, giúp tăng cường khả năng điều khiển xe Trợ lực này truyền đến thanh răng nhờ sự kết hợp của cơ cấu dây curoa thời điểm (Timing-belt) và trục vít bi, đảm bảo chuyển động mượt mà và chính xác Trục vít bi đóng vai trò chuyển đổi chuyển động quay của motor thành chuyển động tịnh tiến của thanh răng, từ đó điều khiển hệ thống lái hiệu quả.
Mô hình hộp số này yêu cầu motor được bố trí song song với thanh răng, giúp tối ưu hóa không gian lắp đặt Bộ điều khiển ECU EPS có thể lắp đặt tùy ý quanh thanh răng, đảm bảo linh hoạt trong việc sử dụng không gian và dễ dàng tích hợp vào hệ thống.
2.2.5 EPSrc: Thanh răng đồng tâm
Hệ thống lái trợ lực điện thanh răng đồng tâm sử dụng trục vít bi như một cơ cấu truyền động, chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến của thanh răng Khác với EPSapa, trục vít bi trong hệ thống này được điều khiển trực tiếp bằng động cơ điện, giúp tối ưu hiệu suất vận hành và độ chính xác trong quá trình điều khiển lái.
Do đó, hệ thống lái này có cơ cấu trợ lực ít hơn EPSapa
Cấu hình đồng tâm yêu cầu một cơ cấu servo đặc biệt với rôto trục rỗng, vì thanh răng của tay lái nằm xuyên qua motor
Thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển hệ thống lái trợ lực điện
Mô hình được phân thành 2 phần chính:
- Thiết kế mạch điều khiển
Thiết kế sa bàn nhằm hiển thị các thông số điều khiển của hệ thống lái trợ lực điện và bộ chấp hành (motor) hoạt động một cách rõ ràng Sa bàn được chế tạo từ tấm nhựa Mica Acrylic có kích thước dài 50cm và rộng 45cm, giúp tăng tính trực quan và dễ dàng quan sát các yếu tố điều khiển trong hệ thống lái xe.
Hình 3 2 Thiết kế khung sa bàn
Hình 3 3 Khung sa bàn thực tế
3.2.2 Phần thiết kế mạch điều khiển
Trong hệ thống lái trợ lực điện, bộ phận quan trọng nhất là hộp EPS, đảm nhận nhiệm vụ điều khiển và truyền tín hiệu trợ lực để giúp xe vận hành nhẹ nhàng hơn Mạch điều khiển EPS đóng vai trò trung tâm, chịu trách nhiệm xuất tín hiệu trợ lực dựa trên các dữ liệu thu thập được, từ đó tối ưu hóa khả năng điều khiển của người lái Quá trình hoạt động của mạch điều khiển EPS được phân thành hai bước chính: xử lý tín hiệu đầu vào và điều chỉnh lực trợ lực phù hợp để đảm bảo an toàn và thoải mái khi lái xe.
- Quá trình thiết kế mạch
Quá trình thiết kế mạch
Chúng em dùng biến trở nút vặn để làm tín hiệu của các cảm biến
Cảm biến mô-men xoắn
Nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào hệ thống kiểm soát mô-men đánh lái tự động, sử dụng tín hiệu đầu vào là giá trị mô-men từ vô lăng tác động lên cảm biến mô-men xoắn qua trục lái Tín hiệu đầu ra của hệ thống là dạng analog, và chúng tôi đã sử dụng biến trở để điều chỉnh điện áp đầu ra sao cho khớp với giá trị cảm biến, đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường và điều chỉnh mô-men xoắn.
(quay phải) Điện áp đầu ra >
2.6 v Điện áp đầu ra 2.5 v Điện áp đầu ra <
Cảm biến tốc độ xe
Chúng tôi đã giả lập tín hiệu tốc độ xe bằng mạch cảm biến sử dụng biến trở Mạch này có nhiệm vụ chuyển đổi chuyển động của biến trở thành tín hiệu điện áp khác nhau, giúp thể hiện tốc độ xe một cách chính xác Việc đo lường và xử lý tín hiệu này sẽ cung cấp dữ liệu tốc độ xe rõ ràng và đáng tin cậy cho hệ thống điều khiển.
Chúng tôi đã giả lập tín hiệu cảm biến tốc độ xe và mô-men bằng biến trở, giúp mô phỏng quá trình đo tốc độ xe một cách chính xác Mạch đã được thiết kế để chuyển đổi tín hiệu xoay biến trở thành các điện áp khác nhau, phản ánh chính xác tốc độ xe Đây là bước quan trọng nhằm cung cấp dữ liệu chính xác cho vi xử lý, giúp hệ thống điều khiển hoạt động hiệu quả và ổn định hơn.
Khi xoay biến trở sẽ làm thay đổi điện áp từ 0- 5V (0 - 80km/h) tùy vào vị trí mà chúng ta xoay
Bộ xử lý trung tâm:
Mô hình sử dụng vi điều khiển ATMEGA328P trong hệ thống lái trợ lực điện đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích và xử lý tín hiệu Được tích hợp trên board Arduino Uno R3, chip ATMEGA328P đảm nhiệm chức năng điều khiển chính, đảm bảo hoạt động chính xác và ổn định của hệ thống Việc lựa chọn vi điều khiển này giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy trong quá trình nghiên cứu và phát triển hệ thống lái trợ lực điện.
Hình 3 5 Vi điều khiển ATMEGA328P
Vi điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến mô-men và cảm biến tốc độ xe để điều khiển hệ thống Mô hình đã thay thế cảm biến tốc độ bằng biến trở để giả lập tín hiệu, giảm thiểu chi phí và phức tạp Chỉ hai tín hiệu chính được thiết lập là cảm biến mô-men và cảm biến tốc độ xe nhằm đảm bảo hoạt động chính của hệ thống Do thời gian hạn chế, một số chức năng chưa được hoàn thiện để đảm bảo tiến độ dự án.
Hình 3 7 Chi tiết các chân của ATMEGA328P
Các chân này đều có nhiệm vụ khác nhau, nhận và xuất tín hiệu khác nhau cụ thể là:
Số thứ tự chân Mô tả Chức năng Mô tả chức năng
1 PC6 reset Khi chân reset này ở mức thấp, bộ vi điều khiển và chương trình của nó sẽ được reset
2 PD0 Chân kỹ thuật số (RX) Chân đầu vào cho giao tiếp nối tiếp
3 PD1 Chân kỹ thuật số (TX) Chân đầu ra cho giao tiếp nối tiếp
4 PD2 Chân kỹ thuật số Chân 4 được sử dụng làm ngắt ngoài 0
5 PD3 Chân kỹ thuật số (PWM) Chân 5 được sử dụng làm ngắt ngoài 1
6 PD4 Chân kỹ thuật số
Chân 6 được sử dụng cho nguồn bộ đếm bên ngoài Timer0
7 Vcc Điện áp dương Nguồn dương của hệ thống
8 GND Nối đất Nối đất của hệ thống
9 XTAL Dao động tinh thể
Chân này nối với một chân của bộ dao động tinh thể để cung cấp xung nhịp bên ngoài cho chip
10 XTAL Dao động tinh thể
Chân này nối với chân còn lại của bộ dao động tinh thể để cung cấp xung nhịp bên ngoài cho chip
11 PD5 Chân kỹ thuật số (PWM)
Chân 11 được sử dụng cho nguồn bộ đếm bên ngoài Timer1
12 PD6 Chân kỹ thuật số (PWM) Bộ so sánh analog dương i / ps
13 PD7 Chân kỹ thuật số Bộ so sánh analog âm i / ps
14 PB0 Chân kỹ thuật số Nguồn đầu vào bộ đếm hoặc bộ hẹn giờ
15 PB1 Chân kỹ thuật số (PWM) Bộ đếm hoặc bộ hẹn giờ so sánh khớp A
16 PB2 Chân kỹ thuật số (PWM) Chân này hoạt động như lựa chọn slave i / p
17 PB3 Chân kỹ thuật số (PWM)
Chân này được sử dụng làm đầu ra dữ liệu master và đầu vào dữ liệu slave cho SPI
18 PB4 Chân kỹ thuật số
Chân này hoạt động như một đầu vào xung nhịp master và đầu ra xung nhịp slave
19 PB5 Chân kỹ thuật số
Chân này hoạt động như một đầu ra xung nhịp master và đầu vào xung nhịp slave cho SPI
20 AVcc Điện áp dương Điện áp dương cho ADC (nguồn)
21 AREF Tham chiếu analog Điện áp tham chiếu analog cho ADC (Bộ chuyển đổi analog sang kỹ thuật số)
22 GND Nối đất Nối đất của hệ thống
23 PC0 Đầu vào analog Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh 0
24 PC1 Đầu vào analog Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh 1
25 PC2 Đầu vào analog Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh 2
Mạch công suất để điều khiển động cơ điện một chiều DC là giải pháp phổ biến trên thị trường hiện nay Trong mô hình của chúng tôi, sử dụng mạch điều khiển động cơ DC dựa trên IC L298 nhằm đảm bảo hiệu quả và độ bền cao trong việc kiểm soát tốc độ và hướng quay của động cơ.
Mạch điều khiển động cơ DC L298 có khả năng điều khiển các động cơ DC với dòng tối đa 2A, phù hợp cho nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế tích hợp sẵn diod bảo vệ giúp đảm bảo an toàn và độ bền cho hệ thống Bên cạnh đó, mạch còn tích hợp IC nguồn 7805 cho phép cấp nguồn 5VDC ổn định cho các module khác trong hệ thống.
26 PC3 Đầu vào analog Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh 3
Đầu vào analog PC4 có chức năng đo lường giá trị kỹ thuật số của kênh 4, cung cấp dữ liệu chính xác cho các hệ thống tự động và điều khiển Chân này còn có thể được sử dụng như một kết nối giao diện nối tiếp, giúp truyền dữ liệu hiệu quả và thuận tiện Việc tích hợp đầu vào analog và chức năng giao diện nối tiếp trên PC4 mang lại tính linh hoạt cao trong việc quản lý dữ liệu kỹ thuật số và analog.
28 PC5 Đầu vào analog Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh 5 Chân này cũng được sử dụng như dòng xung nhịp giao diện nối tiếp
Mô hình chúng em dùng LED 16x2 cùng với Module I2C Arduino để hiển thị các thông số tốc độ xe và tín hiệu mô-men
Hình 3 11 đấu nối giao tiếp IC2 với LCD 16×2
Chúng em sử dụng motor điện một chiều D/C để mô phỏng quá trình hoạt động trợ lực của hệ thống.
Mô hình sử dụng nguồn 12V và được đấu mạch như hình 3.14
Hình 3 13 Sơ đồ đấu mạch của mô hình
Hình 3 14 Sơ đồ thuật toán
Chúng em dùng phần mềm Arduino IDE để nạp code vào board mạch và thực thi hệ thống
Lệnh code để chạy mô hình:
#include //khai báo thư viện của màn hình hiển thị 16x2 giao tiếp i2c LCD_I2C lcd(0x27); // setup thư viện địa chỉ i2c là 0x27
Trong dự án lập trình Arduino, việc khai báo kiểu dữ liệu phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo xử lý chính xác các tín hiệu từ cảm biến Cụ thể, ta sử dụng biến `int v = A0;` để đọc tín hiệu vận tốc từ cảm biến vận tốc gắn vào chân A0, còn biến `int m = A1;` để nhận dữ liệu mô-men xoắn từ cảm biến mô-men tại chân A1 Ngoài ra, các biến phụ như `vt`, `mm`, `vantoc`, và `mô-men` được sử dụng nhằm lưu trữ dữ liệu vận tốc và mô-men xoắn trung gian, giúp quá trình xử lý dữ liệu chính xác hơn Việc khai báo rõ ràng các biến này không chỉ hỗ trợ lập trình hiệu quả mà còn tối ưu hoá quá trình đo lường và điều khiển trong hệ thống.
Trong hệ thống điều khiển động cơ, chân trái (trai) được cấu hình để điều khiển đèn LED với chế độ LOW khi đèn sáng và HIGH khi đèn tắt Chân phải (phai) cũng được thiết lập để kiểm soát đèn LED thứ hai Chân PWM (pwmm) dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ dưới dạng xung, giúp điều chỉnh tốc độ mượt mà hơn Biến xung (xung) được sử dụng để lưu trữ giá trị tín hiệu điều khiển động cơ Để điều khiển chiều quay của động cơ, các chân in1 và in2 được thiết lập để điều khiển chiều quay của động cơ theo đúng hướng mong muốn Trong phần setup của chương trình, các chân này được cấu hình phù hợp để đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác.
This article explains how to configure microcontroller pins for input and output using pinMode() Specifically, pins are set as inputs with pinMode(v, INPUT) and pinMode(m, INPUT), while pins for controlling components like the LCD and LEDs are set as outputs with pinMode(trai, OUTPUT), pinMode(phai, OUTPUT), and pinMode(pwmm, OUTPUT) The LCD is initialized with lcd.begin(), and its backlight is turned on using lcd.backlight() To control the LEDs, digitalWrite(trai, HIGH) and digitalWrite(phai, HIGH) are used; here, HIGH turns off the LEDs These steps are essential for setting up hardware components in an embedded system project.
// put your main code here, to run repeatedly: readmô-menvantoc(); // hàm con lcdd();
{ vt = analogRead(v); // đọc cảm biến vận tốc
Trong đoạn mã này, cảm biến mô-men được đọc bằng hàm `analogRead(m)`, sau đó giá trị này được ánh xạ sang phạm vi từ 0 đến 80 thông qua hàm `map(vt, 0, 940, 0, 80)`, phản ánh mức độ mô-men xoắn biến thiên theo giá trị cảm biến Tiếp theo, giá trị mô-men xoắn được chuyển đổi thành xung PWM để điều chỉnh tốc độ động cơ bằng hàm `map(vantoc, 0, 80, 255, 50)` và xuất ra chân PWM bằng lệnh `analogWrite(pwmm, xung)` Khi giá trị mô-men lớn hơn hoặc bằng 480, nghĩa là mô-men đã đạt mức tối đa, động cơ sẽ quay thuận để thực hiện công việc theo đúng yêu cầu của hệ thống.
} if ((mm < 480) && (mm > 460))// mô-men trong khoảng 460 đến 480 thì dừng khoảng này là đáp ứng theo sự rơ nhẹ của vô lăng
To display speed on the LCD screen, set the cursor to the desired position using `lcd.setCursor(0, 0)`, where `int1` is the column position from left to right and `int2` is the row (0 for top, 1 for bottom) Use `lcd.print("vantoc: ")` to label the speed value, and position the speed data precisely with `lcd.setCursor(9, 0)` followed by `lcd.print(vantoc)` to show the actual speed reading This method ensures clear and organized display of speed information on your LCD.
33 lcd.print("km/h"); lcd.setCursor(0, 1); // tương tự lcd.print("analog: "); lcd.setCursor(12, 1); lcd.print(mm);
{ digitalWrite(phai, LOW); // đèn sáng digitalWrite(trai, HIGH);// đèn tắt digitalWrite(in1, HIGH); // động cơ quay thận digitalWrite(in2, LOW);
{ digitalWrite(trai, LOW); digitalWrite(phai, HIGH); digitalWrite(in1, LOW); // động cơ quay nghịch digitalWrite(in2, HIGH);
{ digitalWrite(trai, HIGH); //đèn tắt digitalWrite(phai, HIGH); digitalWrite(in1, LOW); //động cơ dừng digitalWrite(in2, LOW);//
Mô hình thực tế
Hình 3 15 Mô hình thực tế
Trong thực tế, khi tài xế đánh lái vô lăng để xe chuyển hướng, lực này sẽ tác động lên thanh xoắn liên kết với cảm biến mô-men Các mô hình thi công của chúng tôi được thiết kế để phản ánh chính xác quá trình này, giúp đảm bảo độ chính xác và hiệu quả trong đo lường cảm biến mô-men khi xe chuyển hướng.
1 núm xoay (biến trở) để thay thế cơ cấu này Cơ cấu đại điện cho quá trình đánh lái kèm theo đó là đèn tín hiệu chuyển hướng
Hình 3 16 Cơ cấu chuyển hướng và đèn báo chuyển hướng
Điều chỉnh tốc độ xe là quá trình sử dụng cảm biến vận tốc để gửi dữ liệu về mạch điều khiển Mạch này sẽ phân tích thông tin để điều khiển motor vận hành ở chế độ phù hợp, giúp xe duy trì tốc độ mong muốn một cách chính xác và ổn định.
Hình 3 17 Cơ cấu thay đổi tốc độ xe
Motor điện sẽ là cơ cấu trợ lực khi đánh lái của xe, thông qua mạch điều khiển sẽ cho ra mô-men trợ lực hợp lý
- Kiểm tra các thiết bị , điện áp nguồn , dây dẫn
- Xoay biến trở đặt tốc độ về 0
- Thay đổi mô-men đánh lái:
Hình 3 19 Vặn núm điều khiển thay đổi mô-men
Hình 3 20 Vặn núm điều khiển thay đổi tốc độ
- Quan sát mô-men, tốc độ thay đổi, tốc độ quay của motor trợ lực quay tương ứng với các tín hiệu
Khi mô hình ở trong trạng thái đi thẳng (2 đèn left, right không hoạt động) thì motor không hoạt động
Khi xe ở tốc độ thấp dần về 0 và trong trạng thái quay vòng motor sẽ hoạt động nhanh dần
Khi xe ở tốc độ cao dần tiến đến max và ở trong trạng thái quay vòng thì motor sẽ hoạt động chậm dần cho đến lúc dừng hoạt động.
Nhận xét mô hình
Mô hình này nhằm thể hiện quá trình lái trợ lực điện, bao gồm các tín hiệu đầu vào, quy trình xử lý và điều khiển bộ chấp hành Điều này giúp hỗ trợ giảng dạy và giúp sinh viên nắm bắt nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống lái trợ lực điện Ngoài ra, mô hình còn góp phần nghiên cứu các tính năng mới để tối ưu hệ thống, nâng cao an toàn và ổn định khi xe chuyển hướng.
KẾT LUẬN
Hướng phát triển
Do hạn chế về thời gian và kiến thức, đề tài chỉ đạt mức nghiên cứu cơ bản về hoạt động của hệ thống lái trợ lực điện cũng như chế tạo trợ huấn cụ phục vụ giảng dạy hệ thống Tuy nhiên, còn nhiều hướng phát triển tiềm năng cho đề tài mà nhóm chưa thể thực hiện được.
- Nghiên cứu thêm về các chế độ hoạt động và logic điều khiển của các hệ thống lái trợ lực điện hiện đại
- Nghiên cứu sâu về các loại hệ thống lái trợ lực khác nhau mà các hãng ô tô sử dụng trên thế giới
Mô hình được thiết kế và thi công với nhiều chế độ hoạt động phong phú, bao gồm điều khiển bù quán tính khi xe đứng yên, điều khiển giảm chấn, điều khiển ma sát và điều khiển trả lái Các chế độ này giúp nâng cao hiệu suất và khả năng thích ứng của hệ thống, đáp ứng tốt các yêu cầu vận hành đa dạng Thiết kế này mang lại khả năng linh hoạt trong điều khiển, tối ưu hóa trải nghiệm người dùng và đảm bảo hoạt động ổn định trong mọi tình huống.
- Mô hình còn nhiều thiếu sót như các chân tín hiệu để phục vụ cho việc đo kiểm:
+ IG : Dương sau công tắc : 12v
+ C1 : Tín hiệu tốc độ xe từ cảm biến về ECU
+ C2 : Tín hiệu mô-men từ cảm biến về ECU
+ B1 : Đầu ra motor chân số 1
+ B2 : Đầu ra motor chân số 2
- Tạo các pan đơn giản thường gặp như mất nguồn , hư cảm biến… để học viên sinh viên có thể tư duy xử lý hư hỏng.
Kết luận
Sau thời gian nghiên cứu và thực hiện đồ án tốt nghiệp “NGHIÊN CỨU VÀ
Với sự cố gắng và nỗ lực của nhóm cùng sự hướng dẫn tận tình của thầy Huỳnh Phước Sơn, chúng tôi đã thành công chế tạo hệ thống lái trợ lực điện tử Đề tài này đã hoàn thành đúng thời hạn và đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đề ra trong kế hoạch học tập và nghiên cứu.
Qua đồ án tốt nghiệp, chúng em đã củng cố kiến thức chuyên môn và học hỏi thêm những kỹ năng mới cần thiết cho sự nghiệp sau này Đồng thời, dự án giúp chúng em rèn luyện kỹ năng làm việc nhóm và thích nghi với áp lực công việc, từ đó tăng cường khả năng tự tin khi ra trường và hòa nhập vào môi trường lao động chuyên nghiệp.
Dù đã hoàn thành đề tài, nhưng do các yếu tố khách quan, nội dung còn thiếu sót và cần bổ sung thêm các vấn đề chưa được nhóm nghiên cứu và hoàn thiện đầy đủ.
Nhóm xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn Huỳnh Phước Sơn cùng các thầy trong khoa đào tạo chất lượng cao đã tạo điều kiện thuận lợi để nhóm hoàn thành đề tài Chúng tôi cũng trân trọng các bạn trong lớp đã động viên, giúp đỡ và đóng góp ý kiến, hỗ trợ nhóm hoàn thiện đề tài một cách tốt nhất.
Nguyễn Thanh Hoàng Bảo Nguyễn Thành Lộc