nghiên cứu hệ thống điều chỉnh công suất của động cơ trong quá trình trượt quay của bánh xe

Trong những điều kiện đường trơn trượt, băng tuyếtngười lái xe có thể ấn công tắc kích hoạt hệ thống hoạt động , bột đá sẽ làm thay đổi hệ số bám của đường và qua đó làm tăng lực bám giữ

1) Tổng quan về hệ thống kiểm soát lực kéo và điều chỉnh tải của động cơ.

Traction control system (TCS) : Hệ thống kiểm soát lực kéo (Hệ thống chống trượt quay )

Trong quá trình tăng tốc của xe, động cơ tạo ra một mômen xoắn lớn truyền xuống bánh xe ,nếu lực bán giữa bánh xe và mặt đường nhỏ hơn lực kéo mà động

cơ sinh ra thì bánh xe mất khả năng truyền lực, bánh xe chủ động trượt quay và làm xe mất ổn định, xe tăng tốc kém…

Trong trường hợp này người lái xe rất khó có thể điều khiển chiếc xe và có thểdẫn tới tai nạn không mong muốn , do đó cần thiết có một hệ thống có khả năng điều chỉnh và kiểm soát lực bám đường giúp lái xe điều khiển xe dễ dàng trong quátrình tăng tốc và khi mặt đường trơn trượt Điều này sẽ khiến việc tăng tốc ổn định, đồng thời tránh những sự cố khi thao tác tăng giảm ga thiếu chính xác của người lái gây nên va chạm, nhất là những đoạn đường giao thông phức tạp

Hệ thống kiểm soát lực bám đường cho xe ôtô có tác dụng giảm momen truyền từ động cơ tới các bánh xe chủ động nhằm làm giảm momen từ các bánh xe lên mặt đường chống lại sự trượt quay của bánh xe Bằng việc tác động trực tiếp vào động cơ để giảm mômen của động cơ một cách nhanh chóng nhất nhưng vẫn đảm bảo được khả năng động lực học của ôtô

Hệ thống kiểm soát lực kéo được nghiên cứu và phát triển trong những thập niên 80, 90 , với sự kết hợp của thủy lực và cơ khí và cùng với sự bùng nổ của công nghệ trong những năm qua hệ thống TCS đã hoàn thiện và điều khiển chính xác và hiệu quả

1.1) Hệ thống kiểm soát lực kéo sơ khai.

Đây là ý tưởng của hai nhà sáng chế người Mỹ là Michael H Quinn và Paul

H Quinn

Mô tả hoạt động : Hệ thống kiểm soát lực bám của bánh xe và mặt đường bằng cách sử dụng bột đá cẩm thạch được nằm trong một thùng chứa hình phễu đặt

ở gần bánh xe Hệ thống hoạt động nhờ một solenoid điều khiển nắp 6 đóng mở qua một công tắc trên vôlăng Trong những điều kiện đường trơn trượt, băng tuyếtngười lái xe có thể ấn công tắc kích hoạt hệ thống hoạt động , bột đá sẽ làm thay đổi hệ số bám của đường và qua đó làm tăng lực bám giữa bánh xe và mặt đường

Hệ thống tuy đơn giản nhưng khó có thể ứng dụng vào trong thực tế vì không thể bố trí được thùng đựng bột đá gần với bánh xe, hơn thế phương pháp này manglại hiệu quả không cao, không điều khiển được lực bám phù hợp với từng bánh xe

và dẫn tới xe mất ổn định

1.2) Hệ thống kiểm soát lực kéo : Cơ cấu điều chỉnh dây ga

Phát minh của Takashi Sakai thuộc Trung tâm nghiên cứu và phát triển

Akebono

Hệ thống bao gồm một piston được gắn trong một xylanh , cơ cấu này nằm giữa chân ga và cần của bơm nhiên liệu ( với động cơ diesel ) hay là bướm ga ( đốivới động cơ xăng ) Piston có thể dịch chuyển qua lại nhờ việc cấp và xả dầu vào trong xylanh qua van cấp 18 và van xả 21

Khi xảy ra hiện tượng trượt quay , hệ thống sẽ điều khiển van cấp 18 cấp dầu vào trong xylanh để đẩy piston sang phía bên trái, đồng thời trả cần ga của bơm dầu làm cho lượng nhiên liệu vào động cơ giảm xuống Do trong trường hợp xe tăng tốc nên lái xe sẽ nhấn ga, vì vậy sẽ có lực kéo piston sang phía bên phải , lúc này cơ chế ròng rọc lò xo sẽ làm việc, khi lực bàn đạp ga lớn hơn lực nén của lò

xo, lò xo sẽ bị nén lại, người lái xe sẽ không thể tăng ga trong quá trình trượt quay,lực bám mặt đường được kiểm soát

Khi xe không còn hiện tượng trượt quay, hệ thống điều khiển mở van xả 21,

lò xo 14 trong xylanh kéo piston về vị trí ban đầu và đồng thời đẩy dầu ra khỏi xylanh qua van xả 21 Bướm ga được trả lại về vị trí ban đầu , lái xe có thể điều khiển xe tăng tốc theo ý mình

Trong hình 1thể hiện sơ đồ khối điều khiển hệ thống , với việc lấy tín hiệu từ cảm biến bánh xe sau đó đưa tín hiệu vào bộ xử lý trung tâm Tại đây các tín hiệu gửi từ cảm biến được xử lý và được so sánh với giá trị trượt tới hạn của xe Nhờ đó

mà bộ điều khiển trung tâm có thể biết được mức độ trượt của xe và đưa ra lệnh điều khiển đóng mở các van cấp và xả để điều chỉnh lượng nhiên liệu đi vào động

cơ một cách hợp lý nhất để xe có thể tăng tốc mà không xảy ra hiện tượng trượt quay

Hình 1: Sơ đồ khối điều khiển hệ thống

Hình 2 : Thể hiện đặc tính điều khiển của hệ thống.

1.3) Hệ thống kiểm soát lực kéo thông minh.

Hầu hết các loại xe ôtô ngày nay đều được trang bị hệ thống phun xăng điện

tử, hoặc phun dầu điện tử, nên việc điều chỉnh, tác động vào động cơ trong quá trình xảy ra hiện tượng trượt quay của bánh xe là dễ dàng hơn rất nhiều

Các tín hiệu cảm biến vận tốc , gia tốc từ các bánh xe được gửi về bộ xử lý trung tâm (ECU) vài trăm lần trong mỗi giây ECU sẽ phân tích , xử lý các tín hiệu nhận so sánh với dữ liệu sẵn có , nếu như ECU phát hiện xe đang bị trượt quay thì ngay lập tức nó sẽ điều khiển thời gian phun nhiên liệu để giảm công suất của động

cơ , qua đó làm giảm lực kéo tại các bánh xe chủ động

Ngoài ra đối với các động cơ xăng, ngoài việc tác động vào lượng phun nhiên liệu để giảm công suất người ta còn điều khiển ngắt đánh lửa 1 hoặc 2 máy của động cơ , làm công suất của động cơ giảm một cách nhanh chóng khi xe bị trượt quay

2) Thiết kế cơ cấu điều chỉnh tải động cơ

Thông số kỹ thuật của động cơ

Model :YC4F115-20 – 4 xylanh thẳng hàng - TURBO Euro 2

Hệ thống nhiên liệu sử dụng bơm piston kiểu dãy

Tỷ số nén 18:1

Tiêu hao nhiên liệu tại tốc độ 60km/h 15 (lit/100km)

2.1 Các phương án tác động điều khiển nhiên liệu với động cơ diezel thường không có điều khiển

+ Điều khiển chiều dài dây ga.

Đối với phương án này ta điều khiển cần điều chỉnh nhiên liệu của bơm cao

áp để thay đổi lượng hỗn hợp nhiên liệu ra vòi phun, qua đó làm giảm lượng nhiên liệu đi vào động cơ

+ Điều khiển van cắt nhiên liệu.

Động cơ xe cần thiết kế là động cơ diesel sử dụng bơm phân phối có van điện

từ cắt nhiên liệu Khi động cơ hoạt động, van điện từ được cấp điện, lò xo nén lại

và van đi lên phía trên , kết quả là cửa hút được thông với thân của bơm, nhiên liệuđược cung cấp

Khi ngắt khóa điện , không còn lực từ giữ van nên lò xo đẩy van xuống, cửa hút bị đóng lại và do đó nhiên liệu không được cung cấp cho động cơ nữa

Lợi dụng điểm này của bơm cao áp nên ta có thể điều khiển việc đóng mở vanđiện từ để điều khiển việc cung cấp nhiên liệu vào động cơ để giảm công suất động

cơ xuống một cách nhanh chóng khi xảy ra hiện tượng trượt quay của xe

Mạch điều khiển đóng mở van điện từ cắt nhiên liệu theo tần số của ĐH SPKT Hưng Yên

Tuy nhiên đối với phương pháp này còn nhiều hạn chế do việc ngắt điện cấp vào van cắt nhiên liệu nên có thể dẫn tới hiện tượng chết máy khi xe đang lên dốc, điều này rất nguy hiểm Ngoài ra việc điều khiển van ngắt nhiên liệu cũng không mang lại hiệu quả khi không thể xác định được việc giảm công suất như thế nào khi xe xảy ra trượt quay trong mỗi điều kiện đường xá khác nhau

Do đó việc thiết kế cơ cấu điều chỉnh chiều dài dây ga khả thi hơn và có thể điều chỉnh dễ dàng hơn

2.2 Thiết kế cơ cấu điều chỉnh chiều dài dây ga

1- Động cơ điện 2- Trục vít 3- Bánh răng chính

Cơ cấu này được gắn trực tiếp trên thanh điều chỉnh nhiên liệu của bơm cao

áp Cơ cấu điều chỉnh chiều dài dây ga bao gồm một động cơ điện , hộp giảm tốc bánh răng trụ răng thẳng, trục vít và một khớp cầu

Nguyên lý làm việc : Khi xảy ra hiện tượng trượt quay các cảm biến từ các bánh xe gửi về mạch điều khiển, mạch điều khiển sẽ xử lý tín hiệu sau đó điều khiển động cơ điện quay, bánh răng chính có ren trong do đó lắp ghép giữa trục vít

và bánh răng chính giống như lắp ghép bulong với đai ốc Một đầu trục vít nối vớidây ga qua một khớp cầu để tránh trục vít quay cùng bánh răng chính, khi bánh

răng chính quay sẽ làm cho trục vít di chuyển qua lại, đồng thời cũng làm thay đổi chiều dài dây ga Một chu trình của cơ cấu gồm 2 hành trình, hành trình nhả dây ga

và hành trình thu dây ga lại

Ngoài ra có thể điều chỉnh chiều dài khoảng dịch chuyển của dây ga bằng việcđiều chỉnh thời gian cấp điện cho động cơ

2.4 Tính toán sơ bộ

Trong quá trình hoạt động của cơ cấu trục vít chỉ chuyển động tịnh tiến mà không quay, do đó lực dọc trục Fa> F với F là lực cần thiết để dịch chuyển cần điều chỉnh nhiên liệu của bơm cao áp Đo trực tiếp trên bơm cao áp của động cơ ta được F=6N

Giả sử hiệu suất của bộ giảm tốc là 100% , khi đó

T1=u.T2 với u là tỉ số truyền của bộ giảm tốc

Mặt khác mômen xoắn trên trục động cơ phụ thuộc vào công suất và tốc độ của động cơ theo công thức :

T2= 9,55.106 P/nđc (N.mm) ( Thiết kế tính toán hệ dẫn động cơ khí tập1)

P: Công suất của động cơ (KW) nđc : tốc độ của động cơ (vòng/phút)

T2=9,55.Pđc/nđc (N.m)

với Pđc : công suất của động cơ (W)

Do đó ta lựa chọn động cơ điện 1 chiều có các thông số sau :

2.5 Phương pháp tính khoảng dịch chuyển của dây ga

Do dây ga được nối với trục vít qua khớp cầu nên khoảng dịch chuyển của dây ga chính là khoảng dịch chuyển của trục vít Trong mỗi trường hợp trượt quaykhác nhau thì khoảng dịch chuyển đó cũng sẽ khác nhau và sự thay đổi công suất của động cơ lớn khi chiều dài dây ga thay đổi vì vậy đòi hỏi việc điều khiển chính xác khoảng dịch chuyển của dây ga

Đối với trục vít trong cơ cấu điều chỉnh có bước ren là 0,5mm, nghĩa là bánh răng bị động của bộ giảm tốc quay được 1 vòng thì trục vít sẽ dịch chuyển được một khoảng là 0,5mm Do đó nếu biết được số vòng quay của động cơ ta có thể điều khiển một cách chính xác và dễ dàng cơ cấu Để có thể làm được điều đó thì động cơ sử dụng trong cơ cấu phải là động cơ bước là tốt nhất , nhưng em chưa tìm được động cơ bước nào phù hợp với các thông số chọn động cơ như đã tính toán ở trên nên em sử dụng động cơ DC phù hợp và sử dụng thêm cảm biến gắn lên cơ cấu để có thể điều khiển khoảng dịch chuyển của dây ga

Có nhiều loại cảm biến có thể giúp chúng ta trong việc tính toán khoảng cách dịch chuyển đó Nhưng để đơn giản hóa trong việc đo đạc và xử lý tín hiệu nên em dùng cảm biến encoder ( gồm một bóng phát quang và 1 cảm biến quang

photocell ) để xác định số vòng quay của bánh răng bị động bộ giảm tốc, qua đó

có thể xác định và điều khiển được đoạn dịch chuyển của dây ga

Nguyên lý hoạt động cơ bản của encoder: đó là một đĩa tròn xoay quay quanhtrục và một cảm biến encoder Trên đĩa có các lỗ (rãnh) Trên encoder một đầu có một đèn led chiếu lên mặt đĩa , một đầu còn lại là mắt nhận tín hiệu quang Khi đĩaquay, chỗ không có lỗ thì đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗđèn led sẽchiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt bên kia của đĩacảm biến quang sẽ đưa ra các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua ta được những xung tín hiệu

Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của encoder Trên bánh răng bị động của bộ giảm tốc có 8 khoảng đều nhau , lợi dụng điểm này ta sử cảm biến encoder để đếm xung khi bánh răng này quay, với mỗi một vòng quay mắt đọc encoder sẽ cho ra 8 xung

Với việc sử dụng thêm mắt đọc encoder thì việc điều khiển cho cơ cấu hoạt động sẽ trở nên đơn giản và đạt được độ chính xác cao hơn

2.6 Giá đỡ

Giá đỡ được thiết kế để lắp lên cần điều chỉnh nhiên liệu của bơm cao áp , trên giá đỡ lắp động cơ bánh răng và trục vít để cơ cấu có thể làm việc được, trục vít được tịnh tiến trong bạc đỡ nằm trong giá đỡ

3 Đề xuất thuật toán điều khiển hệ thống

Sự thay đổi hệ số bám dọc và ngang theo độ trượt bánh xe.

Ở đây với φx và φy là hệ số bám dọc và hệ số bám ngang của bánh xe khiphanh Do khi bánh xe bị trượt quay và khi bánh xe bị trượt lết do phanh đều mấtkhả năng truyền lực nên ta có thể áp dụng biểu đồ thay đổi hệ số bám trên chotrường hợp bánh xe trượt quay

Qua các đồ thị chúng ta thấy khi độ trượt nằm trong khoảng 10% - 30% thìgiá trị bám dọc xấp xỉ max còn giá trị bám ngang cũng tương đối cao

Ta coi 30% là ngưỡng xảy ra hiện tượng trượt quay của bánh xe vì khi vượtqua giá trị này thì hệ số bám ngang giảm rất nhanh và hệ số bám dọc của bánh xecũng thấp

Thuật toán điều khiển hệ thống.

Ta coi như các bánh xe bị động là không trượt và vận tốc trung bình của hai bánh xe bị động là vận tốc của xe Khi đó có thể xét độ trượt của bánh xe trong quátrình trượt quay phụ thuộc vào vận tốc trung bình giữa 2 cầu Do khi trượt quay mômen truyền tới bánh chủ động lớn, vận tốc của bánh chủ động sẽ lớn hơn so với vận tốc bánh bị động nên độ trượt sẽ được tính theo công thức sau :

λ = (VWR - VWF)/VWR

VWR=(VWRL +VWRR)

VWF=(VWFL +VWFR)Với VWF :Vận tốc trung bình của cầu trước ,

VWFL : vận tốc bánh trái cầu trước, VWFR: vận tốc bánh phải cầu trước,

VWR: Vận tốc trung bình của cầu sau,

VWRL : vận tốc bánh trái cầu sau , VWRR: vận tốc bánh phải cầu sau

Cách tính này ngược lại khi xe phanh, vì khi phanh bánh xe cầu sau bị lết, vậntốc nhỏ hơn bánh xe cầu trước

Khi hệ số trượt vượt qua ngưỡng trên thì hệ thống sẽ điều khiển cơ cấu điều chỉnh dây ga hoạt động, nhả dây ga làm cho lượng nhiên liệu đi vào động cơ giảm xuống Mômen do động cơ truyền tới bánh xe chủ động giảm xuống , vận tốc bánh

xe chủ động giảm và khi độ trượt nằm trong giới hạn cho phép thì hệ thống sẽ điều chỉnh cơ cấu kéo dây ga về vị trí ban đầu

Với các cảm biến đặt ở 4 bánh xe gửi về bộ xử lý trung tâm của hệ thống để đưa về thông số vận tốc của các bánh nhờ đó ta tính ra được độ trượt của xe khi đang hoạt động Ngoài ra với cảm biến encoder gửi về để tính toán độ dài dịch chuyển của dây ga

Sơ đồ khối điều khiển hệ thống.

Đề xuất mạch điều khiển hệ thống :

Với việc sử dụng động cơ có công suất nhỏ và cần lấy nhiều các giá trị để xử

lý và tính toán nên em chọn vi xử lý Atmega32 làm bộ xử lý trung tâm

Đặc điểm của VXL:

• Sử dụng kiến trúc RISC AVR

• AVR kiến trúc RISC có chỉ tiêu chất lượng cao và tiêu thụ ít năng lượng

• 118 lệnh mạnh, hầu hết được thực hiện trong 1 chu kỳ xung nhịp

• 32 kbytes RAM flash lập trình được ngay trên hệ thống điều này cho phép ta có thể thay đổi chương trình điều khiển mà không cần lấy chip ra khỏi mạch

• Giao diện nối tiếp SPI để lập trình ngay trên hệ thống

• Chịu được 100.000 lần ghi/ xoá

• Bộ nhớ EEPROM 512 byte

• Bộ biến đổi ADC 8 kênh, 10 bit tăng độ phân giải khi xử lý các biến tương tự

• 32x8 thanh ghi làm việc đa năng

• 32 đường vào ra lập trình được

• UART nối tiếp lập trình được

• Điện thế hoạt động: 2,7V- 5,5V

• Vùng tốc độ làm việc: 0 – 16 MHz

• Có mạch Power- On reset

• Tốc độ xử lý lệnh lên đến 8MIPS ở 8MHz

• Bộ đếm thời gian thực (RTC) với bộ dao động và chế độ đếm tách biệt

• Hai bộ đếm/ bộ định thời 8 bit với chế độ so sánh và chia tần số tách biệt

• Một bộ đếm/ bộ định thời 16 bit với chế độ so sánh và chia tần số tách biệt và chế

độ bắt mẫu (Capture)

• Ba kênh PWM (biến điệu độ rộng xung)

• Các nguồn ngắt ngoài và trong

• Bộ định thời watchdog lập trình được với bộ dao động trên chip

• Bộ so sánh tương tự có sẵn trên chip

• Có ba chế độ ngủ: nghỉ (Idle), tiết kiệm năng lượng (Power save) và Power down

• Khoá bảo mật phần mềm lập trình được

Trên vi xử lý Atmega32 có 3 chân ngắt tràn INT0, INT1, INT2 và 3 chân TIMER-COUNTER (bộ đếm ) T0, T1, T2

Mạch điều khiển hệ thống

Ta sẽ sử dụng 5 chân để lấy tín hiệu đầu vào cho vi xử lý , bao gồm 4 cảm biến tốc độ của 4 bánh xe và tín hiệu của encoder Với V1, V2,V3,V4 lần lượt là chân tín hiệu cảm biến vận tốc bánh cầu trước trái, cầu trước phải, cầu sau trái, cầusau phải tương đương với các chân PB0 ,PB1, PD2,PD3 của vi xử lý