Nghiên cứu hệ thống trợ lái dùng động cơ điện một chiều không chổi than cho ô tô

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT HPS Hydraulic Power Steering Trợ lái thủy lực EHPS Electro-Hydraulic Power Steering Trợ lái điện – thủy lực EPS Electric Power Steering Trợ lái điệ

-

BÙI VĂN ĐẠI

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRỢ LÁI DÙNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT

CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN CHO Ô TÔ

Chuyên ngành: Điều khiển – Tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN – TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS TẠ CAO MINH

Hà Nội – 2011

Lời cam đoan

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn cao học: “Nghiên cứu hệ thống trợ lái dùng động cơ điện một chiều không chổi than cho ô tô” do tôi tự thiết kế dưới sự hướng

dẫn của thầy giáo PGS.TS Tạ Cao Minh Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành bản luận văn này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2011

Học viên thực hiện

BÙI VĂN ĐẠI

MỤC LỤC

Trang TRANG PHỤ BÌA

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT i

DANH MỤC CÁC BẢNG ii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ iii

MỞ ĐẦU v

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRỢ LÁI 1

1.1 Giới thiệu sơ lược về hệ thống lái 1

1.1.1 Chức năng của hệ thống lái 2

1.2 Kết cấu cơ khí trong hệ thống lái 4

1.2.1 Cơ cấu truyền tác động lái 4

1.2.2 Cơ cấu chỉnh hướng bánh lái 6

1.2.3 Lực và Mô men tác động lên hệ thống lái 8

1.3 Hệ thống trợ lái 10

1.3.1 Hệ thống trợ lái thủy lực (HPAS) 11

1.3.2 Hệ thống trợ lái điện và so sánh với hệ thống trợ lái thủy lực 12

1.3.3 Hệ thống trợ lái tích cực 14

1.3.3.1 Hệ thống trợ lái xe BMW (trợ lái tích cực) 15

1.3.3.2 Hệ thống trợ lái bốn góc phần tư (Quadrasteer) 16

Kết luận chương 1 17

CHƯƠNG 2 ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN (BLDC) 18

2.1 Các động cơ sử dụng trong hệ thống trợ lái 18

2.1.1 Đặc điểm động cơ truyền động trong trợ lái điện 18

2.1.2 Các loại động cơ dùng trong trợ lái điện 19

Mục lục

2.2 Giới thiệu động cơ BLDC 20

2.3 Cấu tạo động cơ BLDC 21

2.3.1 Stator của động cơ BLDC 22

2.3.2 Rotor của động cơ BLDC 23

2.3.3 Cảm biến vị trí trong động cơ BLDC 24

2.3.3.1 Cảm biến vị trí sử dụng Encoder 24

2.3.3.2 Cảm biến vị trí sử dụng cảm biến Hall 25

2.4 Bộ chuyển mạch của động cơ BLDC 28

2.4.1 Nguyên lý hoạt động 28

2.4.2 Thứ tự chuyển mạch trong động cơ BLDC 29

2.5 Mô hình toán học của động cơ 32

2.6 Mô men điện từ của động cơ BLDC 34

2.7 Phương trình động học của động cơ BLDC 34

2.8 Phương trình đặc tính cơ của động cơ BLDC 35

2.9 Thành lập sơ đồ cấu trúc 36

2.10 Cấu hình điều khiển tổng quát của động cơ BLDC 37

Kết luận chương 2 38

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG TRỢ LÁI 39

3.1 Xây dựng mô hình hệ thống lái và trợ lái 39

3.1.1 Quan hệ giữa vô lăng và trục lái 39

3.1.2 Thành phần mô men dọc trục lái 40

3.1.3 Động cơ trợ lái 41

3.1.4 Kết cấu bánh răng - thanh răng 42

3.2 Xây dựng mô hình động học xe 46

3.3 Ước lượng nhiễu tác động lên thanh răng dẫn hướng 51

3.3.1 Ước lượng nhiễu do lực dọc trục sinh ra 51

3.4 Thành lập sơ đồ cấu trúc 55

3.4.1 Sơ đồ khối điều khiển 56

Kết luận chương 3 58

CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG VÀ TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH 59

4.1 Mô hình chung toàn hệ thống 59

4.2 Mô hình hóa hệ thống trợ lái – Mô hình động học xe 60

4.3 Mô hình hóa khối điều khiển động cơ 62

4.3.1 Xây dựng mô hình điều khiển một pha động cơ 62

4.3.2 Xây dựng các khối chức năng và tổng hợp bộ điều khiển một pha cho động cơ BLDC 63

4.3.2.1 Mô hình bộ biến đổi 64

4.3.2.2 Khâu phản hồi dòng điện 65

4.3.2.3 Khâu phản hồi tốc độ 66

4.3.2.4 Tổng hợp mạch vòng dòng điện 66

4.3.2.5 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 70

4.3.3 Sơ đồ mô phỏng 3 pha động cơ BLDC 72

4.3.3.1 Xây dựng mô hình 72

a Mô hình động cơ BLDC 72

a1 Khâu mô tả mạch điện 73

a2 Khâu tạo sức phản điện động 74

a3 Khâu tính toán Mô men 75

b Mô hình bộ biến đổi 77

c Mô hình bộ điều khiển 78

c1 Khối Rw 78

c2 Khối tạo dạng dòng điện đặt 79

c3 Khối Ri 79

Mục lục

c4 Khối phát xung PWM 80

d Một số khâu khác 81

d1 Khâu phản hồi tốc độ 81

d2 Khâu phản hồi dòng điện 81

Kết luận chương 4 82

CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG VÀ ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 83

5.1 Mô men và sức phản điện động của động cơ 83

5.2 Góc trợ lái của hệ thống 85

5.3 Mô men tạo cảm giác lái 85

5.4 Gia tốc bên và tỉ lệ lắc 87

5.5 Nhiễu tác động 89

5.6 Quan hệ giữa góc lái đặt và mô men đặt 89

5.7 Quan hệ giữa gia tốc bên và mô men đặt 91

5.8 Cảm giác lái - Điều chỉnh đường cong trợ lái 92

5.8.1 Cảm giác lái 92

5.8.2 Điều chỉnh đường cong trợ lái   94    

Kết luận chương 5 101

KẾT LUẬN 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

PHỤ LỤC 108

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

HPS Hydraulic Power Steering Trợ lái thủy lực

EHPS Electro-Hydraulic Power Steering Trợ lái điện – thủy lực

EPS Electric Power Steering Trợ lái điện

ECU Electronic Control Unit Khối điều khiển

BLDCM Brushless Direct Current Motor Động cơ một chiều không chổi thanDCM Direct Current Motor Động cơ một chiều

IPM Interior Permanent Magnet Động cơ đồng bộ NCVC cực chìm SRM Switch Reluctance Motor Động cơ từ trở

4WS Four Wheel Steering Hệ thống lái 4 bánh

Danh mục hình vẽ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Bánh xe ở hệ thống lái bằng hai bánh trước trong khi rẽ 2

Hình 1.2 Các kết cấu truyền tác động lái phổ biến 5

Hình 1.3 Liên kết truyền tác động lái giữa hai bánh 6

Hình 1.4 Cơ cấu chỉnh hướng bánh lái Davis 7

Hình 1.5 Cơ cấu chỉnh hướng bánh lái Ackermann 8

Hình 1.6 Các lực và mô men tác dụng lên lốp 9

Hình 1.7 Một số cấu hình hệ thống trợ lái thủy lực cơ bản 11

Hình 1.8 Một số cấu hình trợ lái bằng điện cơ bản 13

Hình 1.9 Cơ cấu lái của xe BMW 15

Hình 2.1 Sức phản điện động hình thang (BLDC) 22

Hình 2.2 Các dạng rotor của động cơ một chiều không chổi than 23

Hình 2.3 Nguyên lý bộ cảm biến vị trí Rotor sử dụng Encoder quang 25

Hình 2.4 Cơ chế hiệu ứng Hall trên một thanh kim loại 26

Hình 2.5 Cấu trúc theo phương nằm ngang của động cơ BLDC 27

Hình 2.6 Bộ chuyển mạch của động cơ BLDC 28

Hình 2.7 Sơ đồ mô tả thứ tự cấp điện cho các pha của động cơ BLDC trong trường

hợp động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ 29

Hình 2.8 Tín hiệu từ cảm biến Hall, sức phản điện động và dòng điện pha 30

Hình 2.9 Mô hình toán học động cơ BLDC 33

Hình 2.10 Sơ đồ thay thế một pha động cơ BLDC 35

Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc của động cơ BLDC 37

Hình 2.12 Sơ đồ khối tổng quát mô phỏng động cơ BLDC 37

Hình 3.1 Mô hình động học hệ thống trợ lái 40

Hình 3.2 Mô hình đơn tuyến của xe 46

Hình 3.3 Góc trượt của bánh trước 48

Hình 3.4 Lực dọc trục và mô men hãm bánh trước 52

Hình 3.5 Phân bố lực và mô men trên hai bánh trước 52

Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống điều khiển 56

Hình 3.7 Đường cong quan hệ trợ lái của NSK 57

Hình 4.1 Mô hình hóa chung toàn hệ thống 59

Hình 4.2 Mô hình hệ thống trợ lái – Mô hình động học xe 60

Hình 4.3 Khối đo lực nhiễu tác động 61

Hình 4.4 Mô hình tương đương một pha của động cơ BLDC 63

Hình 4.5 Cấu hình điều khiển một pha động cơ với hai mạch vòng điều chỉnh 64

Hình 4.6 Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện 67

Hình 4.7 Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ 71

Hình 4.8 Sơ đồ xây dựng các khối subsystem mô phỏng 3 pha động cơ BLDC 72

Hình 4.9 Mô hình mô phỏng động cơ BLDC 73

Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý phần mạch điện của động cơ BLDC 73

Hình 4.11 Mô hình khâu tạo sức phản điện động cho các pha của động cơ 74

Hình 4.12 Mô hình khâu tính toán mô men 76

Hình 4.13 Mô hình bộ biến đổi 77

Hình 4.14 Mô hình bộ điều khiển 78

Hình 4.15 Mô hình bộ tạo dòng điện đặt 79

Hình 4.16 Bộ điều chỉnh dòng điện 80

Hình 4.17 Mô hình bộ tạo xung PWM 80

Hình 4.18 Mô hình khâu phản hồi tốc độ 81

Hình 4.19 Mô hình khâu phản hồi dòng điện 81

Hình 5.1 Mô men của động cơ BLDC 83

Hình 5.2 Sức phản điện động động cơ BLDC 84

Danh mục hình vẽ

Hình 5.3 Góc lái đặt theta 85

Hình 5.4 Mô men tạo cảm giác lái Tc 86

Hình 5.5 Gia tốc bên ay 87

Hình 5.6 Độ lắc 88

Hình 5.7 Nhiễu mặt đường tác động 89

Hình 5.8 Quan hệ giữa góc lái đặt và mô men đặt 89

Hình 5.9 Quan hệ giữa gia tốc bên và mô men đặt 91

Hình 5.10 Thay đổi dạng mô men trợ lái của động cơ 95

Hình 5.11 Sơ đồ khối mô phỏng khi thay đổi đường cong trợ lái 96

Hình 5.12 Dòng điện đặt Icmd khi điều chỉnh đường cong trợ lái 96

Hình 5.13 Dòng điện đặt Icmd ở tốc độ 20 km/h và 120 km/h 97

Hình 5.14 Quan hệ giữa gia tốc bên và mô men lái 98

Hình 5.15 Quan hệ giữa góc lái đặt và mô men lái 99

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Bánh xe ở hệ thống lái bằng hai bánh trước trong khi rẽ 2

Hình 1.2 Các kết cấu truyền tác động lái phổ biến 5

Hình 1.3 Liên kết truyền tác động lái giữa hai bánh 6

Hình 1.4 Cơ cấu chỉnh hướng bánh lái Davis 7

Hình 1.5 Cơ cấu chỉnh hướng bánh lái Ackermann 8

Hình 1.6 Các lực và mô men tác dụng lên lốp 9

Hình 1.7 Một số cấu hình hệ thống trợ lái thủy lực cơ bản 11

Hình 1.8 Một số cấu hình trợ lái bằng điện cơ bản 13

Hình 1.9 Cơ cấu lái của xe BMW 15

Hình 2.1 Sức phản điện động hình thang (BLDC) 22

Hình 2.2 Các dạng rotor của động cơ một chiều không chổi than 23

Hình 2.3 Nguyên lý bộ cảm biến vị trí Rotor sử dụng Encoder quang 25

Hình 2.4 Cơ chế hiệu ứng Hall trên một thanh kim loại 26

Hình 2.5 Cấu trúc theo phương nằm ngang của động cơ BLDC 27

Hình 2.6 Bộ chuyển mạch của động cơ BLDC 28

Hình 2.7 Sơ đồ mô tả thứ tự cấp điện cho các pha của động cơ BLDC trong trường

hợp động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ 29

Hình 2.8 Tín hiệu từ cảm biến Hall, sức phản điện động và dòng điện pha 30

Hình 2.9 Mô hình toán học động cơ BLDC 33

Hình 2.10 Sơ đồ thay thế một pha động cơ BLDC 35

Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc của động cơ BLDC 37

Hình 2.12 Sơ đồ khối tổng quát mô phỏng động cơ BLDC 37

Hình 3.1 Mô hình động học hệ thống trợ lái 40

Hình 3.2 Mô hình đơn tuyến của xe 46

Danh mục hình vẽ

Hình 3.3 Góc trượt của bánh trước 48

Hình 3.4 Lực dọc trục và mô men hãm bánh trước 52

Hình 3.5 Phân bố lực và mô men trên hai bánh trước 52

Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống điều khiển 56

Hình 3.7 Đường cong quan hệ trợ lái của NSK 57

Hình 4.1 Mô hình hóa chung toàn hệ thống 59

Hình 4.2 Mô hình hệ thống trợ lái – Mô hình động học xe 60

Hình 4.3 Khối đo lực nhiễu tác động 61

Hình 4.4 Mô hình tương đương một pha của động cơ BLDC 63

Hình 4.5 Cấu hình điều khiển một pha động cơ với hai mạch vòng điều chỉnh 64

Hình 4.6 Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện 67

Hình 4.7 Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ 71

Hình 4.8 Sơ đồ xây dựng các khối subsystem mô phỏng 3 pha động cơ BLDC 72

Hình 4.9 Mô hình mô phỏng động cơ BLDC 73

Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý phần mạch điện của động cơ BLDC 73

Hình 4.11 Mô hình khâu tạo sức phản điện động cho các pha của động cơ 74

Hình 4.12 Mô hình khâu tính toán mô men 76

Hình 4.13 Mô hình bộ biến đổi 77

Hình 4.14 Mô hình bộ điều khiển 78

Hình 4.15 Mô hình bộ tạo dòng điện đặt 79

Hình 4.16 Bộ điều chỉnh dòng điện 80

Hình 4.17 Mô hình bộ tạo xung PWM 80

Hình 4.18 Mô hình khâu phản hồi tốc độ 81

Hình 4.19 Mô hình khâu phản hồi dòng điện 81

Hình 5.1 Mô men của động cơ BLDC 83

Hình 5.2 Sức phản điện động động cơ BLDC 84

Hình 5.3 Góc lái đặt theta 85

Hình 5.4 Mô men tạo cảm giác lái Tc 86

Hình 5.5 Gia tốc bên ay 87

Hình 5.6 Độ lắc 88

Hình 5.7 Nhiễu mặt đường tác động 89

Hình 5.8 Quan hệ giữa góc lái đặt và mô men đặt 89

Hình 5.9 Quan hệ giữa gia tốc bên và mô men đặt 91

Hình 5.10 Thay đổi dạng mô men trợ lái của động cơ 95

Hình 5.11 Sơ đồ khối mô phỏng khi thay đổi đường cong trợ lái 96

Hình 5.12 Dòng điện đặt Icmd khi điều chỉnh đường cong trợ lái 96

Hình 5.13 Dòng điện đặt Icmd ở tốc độ 20 km/h và 120 km/h 97

Hình 5.14 Quan hệ giữa gia tốc bên và mô men lái 98

Hình 5.15 Quan hệ giữa góc lái đặt và mô men lái 99

Lời mở đầu

MỞ ĐẦU

Từ khi xuất hiện, ô tô đã trở thành phương tiện được ưa thích của mọi người trên toàn thế giới bởi tính tiện lợi, an toàn, thoải mái Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngành công nghiệp sản xuất ô tô đang phát triển mạnh mẽ để có thể đáp ứng được những đòi hỏi khắt khe về chất lượng của người sử dụng

Hiện nay, cuộc khủng hoảng về năng lượng dầu mỏ đồng thời vấn đề ô nhiễm môi trường đang trở nên cấp bách đã mở ra một hướng đi mới cho ngành công nghiệp

ô tô với việc phát triển sản phẩm ô tô điện

Trong cấu trúc của ô tô nói chung và ô tô điện nói riêng, hệ thống lái là thành phần quan trọng của xe, thông qua cơ cấu này, người lái có thể điều khiển xe chạy đúng theo quỹ đạo mình mong muốn Vì thế, tính an toàn, thoải mái và điều khiển dễ dàng là mục tiêu chung trong việc phát triển hệ thống lái của ngành công nghiệp sản xuất ô tô Hệ thống lái từ kết cấu cơ khí thô sơ ban đầu đã được thay thế bằng hệ thống lái có trợ lái bằng thủy lực và tương lai gần là hệ thống trợ lái bằng điện

Hệ thống trợ lái bằng điện mới đang trong giai đoạn đầu của sự phát triển kết hợp với điều kiện trong nước khi việc thiết kế, chế tạo ô tô điện đã được chú trọng bằng việc đưa vào đề tài nghiên cứu cấp nhà nước và định hướng của PGS.TS Tạ Cao Minh – người có nhiều bằng phát minh sáng chế về hệ thống trợ lái điện là lý do để tôi chọn đề tài nghiên cứu về hệ thống trợ lái điện trong luận văn này

Mục đích chính của luận văn là nghiên cứu về hệ thống trợ lái điện sử dụng động cơ trợ lái là động cơ một chiều không chổi than Để thực hiện điều đó, trong luận văn này đã đề xuất thuật toán nhằm thay đổi đường cong trợ lái (được các hãng sản xuất ô tô nghiên cứu sử dụng để tạo ra dòng điều khiển động cơ trợ lái)

Phương pháp nghiên cứu chính là tìm hiểu về hướng phát triển hiện nay của hệ thống trợ lái điện trên thế giới dựa vào các bài báo đã viết đồng thời đưa ra đánh giá của bản thân để xác định được hướng phát triển Từ đó xây dựng mô hình mô phỏng hệ

thống trong phần mềm Matlab/Simulink và thực hiện việc đánh giá chất lượng của hệ thống trợ lái thông qua việc phân tích kết quả mô phỏng

Sau một thời gian nghiên cứu về xe điện và hệ thống trợ lái điện cho ô tô, luận văn đã được hoàn thành và trình bày trong 5 chương

Chương 1: Giới thiệu một cách tổng quan về cấu trúc, chức năng của hệ thống

lái, hệ thống trợ lái thủy lực và hệ thống trợ lái điện nói riêng

Chương 2: Đi sâu vào việc tìm hiểu động cơ một chiều không chổi than

(BLDC) sẽ áp dụng trong hệ thống trợ lái, xây dựng mô hình toán học – sơ đồ cấu trúc cũng như sơ đồ điều khiển một cách tổng quan

Chương 3: Xây dựng mô hình lái, mô hình động học của xe, ước lượng nhiễu

tác động và thành lập sơ đồ cấu trúc của xe và hệ thống lái một cách tổng quan

Chương 4: Tổng hợp bộ điều chỉnh, thành lập sơ đồ cấu trúc và các bộ điều

khiển để tiến hành mô phỏng

Chương 5: Kết quả mô phỏng Đưa ra thuật toán để thay đổi hình dạng đường

cong trợ lái góp phần cải thiện chất lượng cảm giác lái của hệ thống

Do thời gian có hạn cũng như còn nhiều hạn chế về kiến thức và điều kiện thực nghiệm, luận văn sẽ khó tránh khỏi những thiếu sót Vì thế, em kính mong nhận được những lời nhận xét, đánh giá và góp ý của các thầy cô để có thể khắc phục và cải tiến các vấn đề còn tồn tại của luận văn, tạo điều kiện cho việc đi sâu nghiên cứu, tìm hiểu, phát triển và triển khai đề tài vào thực tế

Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2011

Học viên thực hiện

BÙI VĂN ĐẠI

Chương 1: Tổng quan hệ thống trợ lái

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRỢ LÁI

1.1 Giới thiệu sơ lược về hệ thống lái

Hệ thống trợ lái nhằm điều khiển xe đáp ứng theo yêu cầu của người lái Hệ thống tác động lên các bánh lái để đáp ứng tác động đầu vào của người điều khiển nhằm điều khiển chính xác hướng đi của xe

Nếu như từ khi ra đời, các xe ô tô với cấu hình ba bánh, bốn bánh hay thậm chí chỉ có hai bánh cũng đều cần có một hệ thống lái giúp điều chỉnh hướng chuyển động của xe Với cấu hình xe hai bánh, việc chuyển hướng được thực hiện bằng cách làm cho tốc độ hai bánh khác nhau Với cấu hình xe ba bánh, bánh lái có thể là một hoặc hai bánh Với cấu hình này thì thường tồn tại hai bánh song song nhau và hai bánh này

có tốc độ khác nhau khi chuyển hướng Nếu là một bánh lái thì bánh này sẽ được chỉnh hướng bằng tay qua hệ thống cơ khí hoặc động cơ lái và thường bánh phát động cũng

là bánh lái Nếu xe ba bánh có hai bánh lái thì có thể cả hai bánh này là hai bánh chủ động còn bánh còn lại quay tự do hoặc được quay theo hai bánh chủ động hoặc hai bánh này có tác dụng lái còn bánh chủ động là bánh trước Với cấu hình xe bốn bánh thì chủ yếu tồn tại hai cấu hình lái chính là lái hai bánh hoặc bốn bánh Với cấu hình hai bánh lái thì có thể lái bánh trước hoặc sau nhưng thông thường sử dụng lái bánh trước để tạo sự chủ động và cảm giác lái tốt hơn cho người điều khiển Cấu hình lái bốn bánh chủ yếu được các hãng xe nổi tiếng, sang trọng hoặc các hãng sản xuất xe địa hình sử dụng

Đầu tiên, các hệ thống lái cơ khí thông thường được sử dụng mà ở đó người lái cần tác dụng một lực lớn mới có thể chuyển hướng được cho xe Các hệ thống lái này

sử dụng bộ giảm tốc làm tăng mô men tác động lên thanh chuyển hướng của bánh lái

và giảm sự tổn hao sức lực của người lái khi quay tay lái Cho đến khi phát minh đầu

tiên về hệ thống trợ lái được Frederick W Lanchester (người Anh) đưa ra vào tháng 2 năm 1902 thì quá trình lái mới được thực hiện nhẹ nhàng hơn Phát minh của ông nhằm thực hiện các truyền động cơ khí trong hệ thống lái bằng thủy lực Phát minh tiếp theo

về hệ thống lái do Klara Gailis (từ Belmont, Massachusetts) đưa ra được Ủy ban sáng chế Hoa Kỳ cấp ngày 30 tháng 8 năm 1932 Ngoài ra, nhà phát minh Charles F Hammond (người Mỹ, sinh ra tại Detroit) cũng đưa ra phát kiến tương tự về hệ thống lái thủy lực và được cục sở hữu trí tuệ Canada công nhận Năm 1951, tổng công ty Chrysler đã đưa ra hệ thống trợ lái thương mại đầu tiên với tên gọi Hydraguide Ngày nay, hầu hết các xe đều sử dụng hệ thống trợ lái và xu hướng là lái bằng bánh trước

Với sự phát triển của công nghiệp ô tô trên thế giới, các loại xe 4 bánh đang được chú tâm phát triển và các hệ thống lái phổ biến hiện nay đều là lái bằng hai bánh trước Vì vậy, luận văn tốt nghiệp chú trọng vào nghiên cứu hệ thống lái hai bánh trước cho xe bốn bánh một hoặc hai động cơ phát động cho bánh sau

1.1.1 Chức năng của hệ thống lái

Chức năng chính của hệ thống lái là điều khiển góc lái, góc rẽ của xe bằng cách tác động lên bánh lái nhờ có các thanh nối và các cơ cấu lái để chuyển đổi góc quay của vô lăng thành góc quay của bánh lái

Hình 1.1 Bánh xe ở hệ thống lái bằng hai bánh trước trong khi rẽ

Chương 1: Tổng quan hệ thống trợ lái

Ngoài tính năng chính nêu trên hệ thống lái còn có nhiều tính năng khác như sau:

9 Đảm bảo chuyển động theo hướng thẳng của xe được ổn định

Đặc điểm này rất quan trọng do việc đảm bảo cho xe đi thẳng nhiều khi khó hơn

cả khi rẽ Nếu như hệ thống lái không ổn định, hai bánh lái trước không ở vị trí đảm bảo cho xe đi thẳng theo như trí tương ứng của vô lăng thì xe có thể bị chệch hướng và mất kiểm soát hoàn toàn

9 Đảm bảo ổn định quá trình lái (các bánh xe đều quay trong quá trình chuyển hướng)

Khi xe chuyển hướng, hai bánh trước rẽ làm xuất hiện lực xoắn trên trục các đăng của xe Lực xoắn này gây ra tác động lên bộ vi sai làm cho hai bánh sau của xe có tốc độ khác nhau Theo hình 1.1 thì chính là đảm bảo tồn tại tâm rẽ tức thời của xe hay trục của bốn bánh xe giao nhau tại một điểm

9 Dễ dàng lấy lại sự ổn định của xe sau khi rẽ

Sau khi rẽ, hai bánh trước phải có hướng thẳng về phía trước và hai bánh sau phải trở về cùng tốc độ thì xe mới ở trạng thái ổn định

9 Giảm nhẹ lực tác động nhờ động cơ lái (ở hệ thống EPS)

Như đã nói ở trên, một hệ thống lái thông thường không có hệ thống trợ lái thì cảm giác lái trên vô lăng là rất nặng Vì vậy, để giảm thiểu cảm giác lái nặng này ta có thể dùng hệ thống lái thủy lực hoặc hệ thống lái dùng động cơ điện

9 Tối thiểu hóa sự hao mòn của lốp

Trong quá trình rẽ thì do bán kính rẽ của các bánh xe là khác nhau nên phải đảm bảo tồn tại tâm rẽ tức thời của xe hay giao điểm của trục các bánh xe phải trùng nhau

Khi đó, các bánh xe sẽ chuyển động theo phương tiếp tuyến với bán kính tức thời và giảm thiểu sự trượt của bánh, qua đó giảm thiểu sự hao mòn của lốp xe

1.2 Kết cấu cơ khí trong hệ thống lái

1.2.1 Cơ cấu truyền tác động lái

Cơ cấu truyền động từ vô lăng xuống cơ cấu chỉnh hướng bánh xe có ba loại chính là kết cấu thanh răng - bánh răng, kết cấu lái trần, kết cấu lái bằng hộp lái Các kết cấu này đều truyền tác động quay vô lăng tạo hướng lái của người điều khiển qua trục lái tới bộ giảm tốc và tới cơ cấu điều chỉnh hướng cho bánh lái (thanh truyền hướng, trục dẫn động, đòn quay…)

Có hai kiểu liên kết lái giữa hai bánh lái:

9 Liên kết truyền tác động lái phụ thuộc

Với kết cấu này, góc quay của bánh lái sẽ truyền trục tiếp xuống một bánh và gián tiếp qua bánh còn lại nhờ thanh truyền Vô lăng tác động một lực nhỏ thì hộp lái

sẽ chuyển tác động này thành một góc tương ứng xuống bánh lái bên vô lăng làm cho bánh lái này quay một lượng tương ứng Thông qua thanh nối liên kết, chuyển động rẽ của bánh này sẽ truyền sang bánh kia tạo ra góc lái phù hợp giữa hai bánh

Chương 1: Tổng quan hệ thống trợ lái

(a)

(b) (c)

Hình 1.2 Các kết cấu truyền tác động lái phổ biến

a) Kết cấu thanh răng - bánh răng b) Kết cấu lái trần c) Kết cấu lái bằng hộp lái

9 Liên kết truyền tác động lái độc lập

Kết cấu này giúp truyền góc quay trực tiếp lên cả hai bánh Việc tạo liên kết này tương đối khó khăn do cần sự chính xác cao hơn Khi xe đi thẳng sẽ gặp khó khăn do phải giữ cho cơ cấu ổn định

(a) (b)

Hình 1.3 Liên kết truyền tác động lái giữa hai bánh

a) Liên kết truyền tác động lái phụ thuộc b) Liên kết truyền tác động lái độc lập

1.2.2 Cơ cấu chỉnh hướng bánh lái

Như đã trình bày ở trên, một hệ thống lái đạt tiêu chuẩn khi cả bốn bánh đều

quay dưới mọi hành trình chạy xe và chế độ rẽ chính xác đạt được khi mà trục của bốn

bánh đồng quy tại một điểm - điểm này là tâm tức thời của xe Điều đó có nghĩa là

bánh bên trong so với cung rẽ phải có góc lái lớn hơn bánh bên ngoài so với cung rẽ

(giả sử rẽ trái thì bánh bên trong là bánh trái, bánh bên ngoài là bánh phải và ngược lại

nếu rẽ phải thì bánh bên trong là bánh phải còn bánh bên ngoài là bánh trái) khi xe thực

hiện quá trình rẽ Để thực hiện điều này thì có hai kết cấu rẽ cơ khí chính do Davis và

Ackermann đưa ra

9 Cơ cấu chỉnh hướng bánh lái Davis

Khi sử dụng cơ cấu lái Davis có hiện tượng trượt trên cả hai bánh, gây ra ma sát

lớn và hao mòn cho lốp Bánh răng làm nhiệm vụ kết nối cơ bản trong mọi quá trình

Chương 1: Tổng quan hệ thống trợ lái

chạy xe Do lốp bị hao mòn nên hệ thống trở nên không chính xác sau một thời gian sử dụng Cơ cấu lái này có hai thanh cố định EM và FN làm cho trục GH luôn song song với AC Điều này tạo ra quan hệ không hợp lý trong góc rẽ hai bánh lái và gây ra những bất lợi trên Để khắc phục những bất lợi này Ackermann đã đưa ra kết cấu cơ khí mới

Hình 1.4 Cơ cấu chỉnh hướng bánh lái Davis

9 Cơ cấu chỉnh hướng bánh lái Ackermann

Khác với cơ cấu lái Davis, cơ cấu lái Ackerman được thiết kế nhằm đảm bảo khi

rẽ thì bánh gần hướng rẽ sẽ quay 1 góc nhỏ hơn và bánh còn lại sẽ quay 1 góc lớn hơn Nhờ kết cấu cơ khí mà thanh chỉnh hướng lái hai bánh ở đây có phương không song song với trục trước khi lái Điều này giúp gia tăng độ chênh lệch góc lái của hai bánh

so với kết cấu cơ khí Davis Hạn chế của phương pháp này là thực hiện các quy trình

cơ bản ở các góc rẽ giới hạn và đi thẳng thì trục nối tâm 4 bánh không trùng nhau

(a) (b)

Hình 1.5 Cơ cấu chỉnh hướng bánh lái Ackermann

a) Khi xe chạy thẳng b) Khi xe rẽ trái

Giả sử δo là góc rẽ của bánh ngoài và δi là góc rẽ của bánh trong, L là khoảng

cách giữa trục trước và trục sau, t là khoảng cách giữa hai lốp sau, R là bán kính cung

rẽ của trọng tâm xe (hình 1.1) thì theo kết cấu Ackermann, ta có

-1 o

1.2.3 Lực và mô men tác động lên hệ thống lái

Lực và mô men tác dụng lên hệ thống lái được tạo ra do tương tác giữa lốp xe

với mặt đường Do vậy sau đây ta sẽ phân tích các lực và mô men tác dụng lên lốp xe

Trong hình 1.6 thì hệ trục tọa độ XYZ được chọn sao cho:

Chương 1: Tổng quan hệ thống trợ lái

9 Trục X có gốc tại giao của mặt bánh và mặt đường theo hướng di chuyển là hướng dương

9 Trục Z vuông góc mặt đường với hướng dương hướng xuống dưới

Trục Y xác định theo quy tắc bàn tay phải

Các lực và mô men tác động lên lốp:

9 Lực dọc Fx là thành phần lực tác động lên lốp bởi đường trong mặt phẳng của đường và song song với đường giao giữa mặt phẳng bánh và mặt đường

9 Lực bên Fy là thành phẩn lực tác dụng lên lốp bởi đường trong mặt phẳng của đường và vuông góc với Fx

9 Lực vuông góc Fz là thành phần lực tác dụng lên lốp bởi đường và vuông góc với mặt đường Lực vuông góc có giá trị âm Tải vuông góc được định nghĩa là âm của lực vuông góc, do đó nó có giá trị dương

Hình 1.6 Các lực và mô men tác dụng lên lốp

9 Mô men lật Mx là mô men do đường tác động lên lốp trong mặt phẳng đường và song song với giao của mặt phẳng bánh với mặt đường

9 Mô men cản lăn My là mô men tác động lên lốp trong mặt phẳng đường và vuông góc với giao của mặt bánh với mặt đường

9 Mô men nắn thẳng Mz là mô men tác dụng lên lốp bởi đường vuông góc với mặt phẳng đường

9 Góc trượt α là góc giữa hướng của đầu bánh và hướng di chuyển Góc dương phụ thuộc vào việc lốp dịch sang phải trước so với hướng di chuyển

9 Góc bẻ θ là góc nghiêng giữa mặt phẳng bánh và đường thẳng đứng Góc dương khi đỉnh bánh nghiêng ra phía ngoài xe

1.3 Hệ thống trợ lái

Nếu như chỉ sử dụng hệ thống lái cơ khí thông thường thì người lái xe phải bỏ ra một lực lớn để quay vô lăng điều chỉnh hướng lái cho xe Cho dù sử dụng thêm bộ giảm tốc để giảm mô men lái và tăng góc quay của vô lăng để đảm bảo cho quá trình lái an toàn hơn thì mô men để lái xe vẫn là khá lớn Do đó cần thiết phải có một hệ thống trợ lái để giảm thiểu sức lực của người lái xe và nâng cao độ an toàn cho quá trình lái cũng như cho người ngồi trong xe

Ở một hệ thống lái thông thường, giới hạn góc lái của bánh xe nằm trong khoảng ± 30o đến ± 35o, còn vô lăng quay được từ 3 đến 3,5 vòng hay tỷ số của hợp giảm tốc là 20/1 hoặc 21/1 Dựa trên phạm vi giới hạn đó cũng như các ảnh hưởng về mặt đường, loại lốp, thời tiết và thời gian lái mà nhiều hệ thống trợ lái được đưa ra nhằm giúp người lái xe có cảm giác tốt hơn trong khi lái

Chương 1: Tổng quan hệ thống trợ lái

1.3.1 Hệ thống trợ lái thủy lực (HPAS)

Một dạng cải tiến của hệ thống trợ lái thủy lực HPAS là hệ thống trợ lái điện - thủy lực (EHPAS) Về cơ bản, nguyên tắc trợ lái điện - thủy lực giống với trợ lái thủy lực, chỉ khác ở chỗ hệ thống EHPAS sử dụng bơm để tạo ra áp lực điều khiển chuyển động rẽ của bánh Rõ ràng khi sử dụng hệ thống EHPAS thì tác động lái (quay vô lăng) nhẹ nhàng hơn rất nhiều so với dùng hệ thống HPAS Vô lăng lúc này đóng vai trò tạo tín hiệu điều khiển cho động cơ bơm thực hiện hoạt động bơm dầu đi hoặc hút dầu về bình chứa dầu

Mặc dù được sử dụng tương đối rộng rãi và phổ biến ở các loại xe khách và xe tải hiện nay do tạo được cảm giác lái thực (về mặt cấu tạo cơ khí thì từ tay lái đến lốp

xe là một khối truyền lực thống nhất hay chính xác hơn là khi xe đi trên đường, sự thay đổi điều kiện mặt đường và các tác động vào bánh xe đều tạo phản lực tác động lên tay lái giúp cho người lái xe có được cảm giác về ngoại cảnh tốt hơn và đưa ra các thao tác cũng như phản xạ tốt hơn khi điều khiển xe) nhưng hệ thống trợ lái thủy lực cũng tồn tại một số nhược điểm sau:

• Van quá áp đặt trong bơm

Trong trường hợp bánh lái bị mắc không thể di chuyển, chất lỏng thủy lực bị kẹt trong van không thể di chuyển tới bộ làm mát Hơn nữa, thường trong trường hợp này, người điều khiển cố quay vô lăng để khắc phục tình trạng kẹt bánh lái, điều này làm cho động cơ bơm hoạt động và sinh ra nhiệt Nhiệt này làm cho cả van quá áp nóng lên

có thể làm hỏng van và biến dạng đường ống dẫn dầu trợ lái

• Van điều chỉnh lưu lượng đặt bên trong cơ cấu lái

Trong trường hợp đột ngột có một lực tác động vào bánh xe sẽ làm cho áp suất trong đường ống dẫn dầu tăng nhanh Áp lực sinh ra sẽ tác động ngược lên van điều chỉnh lưu lượng Áp suất bên trong cơ cấu lái sẽ tăng nhanh đột ngột và có thể phá hủy

hệ thống trợ lái

1.3.2 Hệ thống trợ lái điện và so sánh với hệ thống trợ lái thủy lực

Một bước phát triển cao hơn trong lĩnh vực trợ lái ô tô đó là việc tạo ra và đưa vào thực tế các hệ thống trợ lái sử dụng năng lượng điện (EPAS) Về mặt cơ khí, hệ thống EPAS cũng khá giống với các hệ thống trợ lái thủy lực (HPAS) hay hệ thống trợ lái điện – thủy lực (EHPAS), chỉ khác ở chỗ không sử dụng năng lượng thủy lực mà sử dụng động cơ tác động vào kết cấu cơ khí để trợ lái nên không có hệ thống thủy lực

Chương 1: Tổng quan hệ thống trợ lái

kèm theo Động cơ dùng trong trợ lái được gắn trên một phần nối giữa vô lăng và thanh lái hướng

Ngoài hệ thống sử dụng kết cấu cơ khí như bình thường trong hệ thống lái còn

có hệ thống EPAS không sử dụng kết cấu nối cơ khí giữa vô lăng và thanh dẫn hướng bánh lái - hệ thống lái qua dây dẫn điện (SBW) Hệ thống này sử dụng hai động cơ Trong đó, một động cơ để lái và một động cơ tạo cảm giác lái Động cơ lái được gắn trực tiếp trên thanh dẫn hướng bánh lái, còn động cơ tạo cảm giác lái gắn trên trục vô lăng Cả hai động cơ này đều qua bộ giảm tốc để tăng khả năng điều khiển chính xác

và tăng mô men tác động

giảm nhẹ đi rất nhiều cảm giác nặng nề khi lái xe Tuy nhiên cảm giác lái thực tế cũng

bị giảm đi rất nhiều so với sử dụng hệ thống HPAS hay EHPAS Với hệ thống SBW, việc điều khiển động cơ tạo cảm giác lái thực sự rất khó khăn do bộ điều khiển cần xác định các đại lượng đầu vào từ bên ngoài tác động lên bánh lái, các đại lượng này thậm chí phải ước lượng mới có được (vận tốc xe, lực bên…) Do đó việc sử dụng các hệ thống EPAS tuy có nhiều ưu điểm nhưng còn cần thời gian dài nữa để có thể phát triển một cách hoàn thiện

Ngoài ra còn có một số điểm khác biệt giữa trợ lái thủy lực và trợ lái điện như sau:

• HPAS có kết cấu phức tạp hơn so với EPAS

• HPAS thường nặng và cồng kềnh hơn EPAS

• HPAS sử dụng chất lỏng để vận hành, trong khi đó EPAS không cần, vì vậy EPAS thường ít phải bảo dưỡng hơn so với HPAS

• EPAS đưa ra đáp ứng tốt hơn khi tốc độ xe có sự thay đổi

• EPAS ít khi xảy ra lỗi do vậy nó bền hơn HPAS

• HPAS không sử dụng nhiên liệu để hoạt động, trong khi đó EPAS hoạt động bằng ắc-quy, và ắc-quy thì cần phải nạp lại

1.3.3 Hệ thống trợ lái tích cực

Hệ thống trợ lái tích cực là một hệ thống lái được tích hợp trong xe, mặc dù

sự điều chỉnh chủ yếu vẫn phụ thuộc vào kết cấu cơ khí giữa bánh lái - thanh răng, và các cơ cấu chấp hành lệ thuộc vào hệ thống cơ khí Nhưng cùng với sự phát triển của công nghệ đã đưa đến nhiều loại trợ lái khác nhau trên thị trường, với mục đích chung

là tăng độ an toàn và tiện nghi bằng cách tăng sự ổn định và cảm giác lái,

Chương 1: Tổng quan hệ thống trợ lái

Hiện nay xu hướng chính nghiên cứu hệ thống trợ lái tập trung vào khả năng

tự động hóa và phát triển điều khiển lái bằng dây (steer by wire) Theo xu hướng đó, trợ lái tích cực là ý tưởng một hệ thống lái tích hợp hỗ trợ cho xe, hệ thống này giống với hệ thống lái truyền thống nhưng thêm tích năng loại trừ nhiễu ví dụ như điều kiện mặt đường, gió, độ trượt…Một vài hệ thống như vậy đã được xây dựng trên lý thuyết

và chưa đưa ra thực tế, tuy nhiên một vài hãng đã cho áp dụng thử nghiệm, ví dụ BMW

đã cho áp dụng vào hệ thống trợ lái bán cơ khí trên 530 xe của mình (số liệu năm 1992)

Dưới đây sẽ mô tả sơ qua một vài giải pháp kỹ thuật được sử dụng ở xe BMW (trợ lái tích cực) và General Motors (Trợ lái bốn góc phần tư)

1.3.3.1 Hệ thống trợ lái xe BMW (trợ lái tích cực)

Trong thời gian tác động của người lái, hệ thống BMW sử dụng có tốc độ phụ thuộc tỷ lệ truyền cơ cấu lái và sự tác động của nhiễu, như vậy sẽ có hai đầu vào và một đầu ra kèm theo một bộ chuyển đổi tín hiệu (100Hz) từ các sensor khác nhau Cần

số sẽ được thêm hoặc bớt tín hiệu từ thiết bị lái (vô lăng) để điều khiển bánh lái và sẽ nằm giữa thiết bị lái và các thanh răng như hình vẽ

Hình 1.9 Cơ cấu lái của xe BMW [34]

Trong hệ thống đó tín hiệu lái (vô lăng) là một đầu vào và được đưa đến tín hiệu

ra, tín hiệu cần số cũng là một tín hiệu vào và được điều khiển từ vi xử lý thông qua một động cơ trợ lái Nếu cần số được giữ thì tỷ lệ truyền là không đổi và chỉ phụ thuộc thiết bị lái, nếu cần số thay đổi cùng lúc với thiết bị lái thì nó sẽ tăng hoặc giảm đáp ứng của thiết bị lái

Ở tốc độ thấp thì tín hiệu số sẽ được tích hợp vào tín hiệu từ thiết bị lái, điều này làm cho thiết bị lái quay tới vị trí khóa (lock-to-lock positions) mất hai vòng, điều này rất thuận tiện khi đỗ và chuyển động chậm yêu cầu người lái cần di chuyển ít một Ở tốc độ cao, tín hiệu này sẽ được tách ra và thiết bị lái mất bốn vòng để tới vị trí khóa, điều này sẽ tăng độ an toàn cho người điều khiển

1.3.3.2 Hệ thống trợ lái bốn góc phần tư (Quadrasteer)

Một hệ thống khác được áp dụng bởi General Motors là hệ thống bốn góc phần

tư, đó cũng là một hệ thống được phát triển dựa trên hệ thống cổ điển, và được bổ sung vào tiện ích : trong một thời điểm, phát hiện nhanh sự thay đổi của bánh sau trên thiết

bị lái (vô lăng) được thể hiện bằng tín hiệu điện Và sẽ được chia ra làm ba pha chính: pha âm, trung tính và pha dương

Pha âm thể hiện vùng tốc độ thấp, trong pha này bánh sau quay theo hướng đối nghịch với bánh trước, điều này xảy ra khi xe cần đi chính xác khi quay và đỗ, và sẽ giúp tăng bán kính quay

Ở vùng tốc vừa phải pha trung tính sẽ được áp dụng, trong pha này bánh sau sẽ được giữ thẳng và hệ thống lái sẽ tương tự hệ thống lái cổ điển

Pha dương sẽ được áp dụng ở vùng tốc độ cao, bánh sau khi đó quay cùng hướng với bánh trước để tăng sự ổn định của xe, đồng thời giảm độ lắc của xe

Chương 1: Tổng quan hệ thống trợ lái

Kết luận:

Chương một đã giới thiệu lịch sử phát triển của xe điện, tổng quan về hệ thống lái, so sánh hệ thống trợ lái bằng thủy lực và cơ khí, giới thiệu về nguyên lý hệ thống trợ lái áp dụng trong một số hãng xe Tạo tiền đề cho việc xây dựng sơ đồ cấu trúc ở các chương kế tiếp Chương hai sẽ đi chi tiết vào một loại động cơ được áp dụng phổ biến trong hệ thống trợ lái điện – động cơ một chiều không chổi than (BLDC)

CHƯƠNG 2 : ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN (BLDC)

2.1 Các động cơ sử dụng trong hệ thống trợ lái

2.1.1 Đặc điểm động cơ truyền động trong trợ lái điện

Trong trợ lái điện, động cơ thường làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại do xe thường thực hiện quá trình rẽ trong thời gian ngắn, nhiệt độ động cơ chưa đạt đến nhiệt

độ cho phép thì đã dừng hoạt động, đa phần thời gian còn lại, động cơ chỉ cung cấp mô men để giữ cho trạng thái của xe không đổi trước tác động của các lực từ mặt đường gây nên Khi người điều khiển quay vô lăng thì động cơ trợ lái cần tác động ngay theo thao tác của người lái và khi không có tác động thì động cơ không quay nhưng vẫn cung cấp mô men để giữ góc lái của xe

Từ nhận xét trên và các đặc điểm của trợ lái điện, ta nhận thấy yêu cầu đối với truyền động trong trợ lái điện là khả năng đáp ứng mô men nhanh, chính xác Bởi lẽ, khi người lái quay vô lăng, do trọng lượng của xe đặt lên lốp lớn, hơn nữa ma sát giữa mặt đường và lốp lớn nên nếu mô men tác động của động cơ không đủ thì người lái phải tác dụng một lực lớn để quay và giữ vô lăng Hay nói cách khác, tín hiệu mô men trả về từ cảm biến độ xoắn là lớn nên lúc này, động cơ sẽ tác động một mô men lớn hơn cho phép Điều này làm cho bánh lái của xe đổi hướng đột ngột có thể làm xe bị lật, gây mất an toàn cho người ngồi trong xe Hơn nữa, động cơ không quay nhưng dòng điện trong động cơ lớn có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng như cháy động cơ, cháy bảo vệ, cháy van công suất

Ngoài ra, còn một số yêu cầu khác trong truyền động trợ lái xe ô tô

• Hệ thống hoạt động ổn định, không ồn, không rung

Chương 2: Động cơ một chiều không chổi than (BLDC)

• Điều chỉnh trơn tốc độ

• Đảo chiều êm

• Trang thiết bị đơn giản, gọn nhẹ, dễ kiếm

• Vận hành an toàn, tin cậy

• Động cơ có khả năng sinh mô men ngay cả khi không quay

• Giá thành hạ

2.1.2 Các loại động cơ dùng trong trợ lái điện

Yêu cầu chung của động cơ trợ lái là vừa có khả năng đáp ứng mô men nhanh,

chính xác Có nhiều loại động cơ điện thỏa mãn yêu cầu này: động cơ một chiều

(DCM), động cơ không đồng bộ (IM), động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực từ

chìm (IPM), động cơ một chiều không chổi than (BLDCM) và động cơ từ trở thay đổi

(SRM) Bảng 2-1 so sánh đánh giá đặc điểm của một số loại động cơ trợ lái phổ biến

nhất

Bảng 2-1 cho thấy động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực từ ẩn (IPM) là

động cơ thích hợp nhất cho trợ lái điện xe ô tô Tuy nhiên, ta lựa chọn động cơ điện

một chiều không chổi than (BLDC) để thực hiện nghiên cứu và mô phỏng trong đồ án

Bởi lẽ, động cơ này có hiệu suất cao, khả năng sinh mô men tốt và điều khiển ổn định

tốc độ dễ

Bảng 2.1 So sánh đặc điểm một số loại động cơ

Tốc độ định mức 3000 v/p 3000 v/p 3000 v/p 3000 ÷ 4000 ÷

thông dụng (vòng /phút) 4000 v/p 5000 v/p

Tổn hao (Sắt + Đồng) Stator

+Rotor

Phần cảm+ứng Stator Stator

Stator +Rotor Công suất/Khối lượng Khá cao Trung bình Cao Cao Cao

nhấp nhô

Khả năng hoạt động trên

2.2 Giới thiệu động cơ BLDC

Động cơ một chiều có rất nhiều ưu điểm như: có thể điều khiển tốc độ một cách

dễ dàng, đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng… Tuy nhiên,

nó cũng tồn tại một số hạn chế, trong đó có việc hạn chế do sự chuyển mạch bằng cơ cấu chổi than-vành góp khiến phát sinh ra tiếng ồn và tia lửa điện nên hạn chế làm việc trong các môi trường làm việc đặc biệt và hoạt động ở tốc độ cao

Do đó, để có thể sử dụng được các ưu điểm mà động cơ một chiều đem lại cũng như hạn chế một số các nhược điểm về chuyển mạch của nó, người ta đã chế tạo ra

Chương 2: Động cơ một chiều không chổi than (BLDC)

động cơ một chiều không chổi than (tiếng anh gọi là: Brushless DC motor, hay từ nay xin gọi là động cơ BLDC) Do việc không dùng chổi than nên động cơ BLDC không bị giới hạn bởi sự chuyển mạch như ở động cơ một chiều Động cơ này có nhiều ưu điểm hơn động cơ một chiều, trong đó có thể kể tới là:

- Thời gian hoạt động dài, bền: do không phải dùng chổi than nên động cơ BLDC không phải thường xuyên bảo dưỡng như động cơ một chiều, do đó sẽ tiết kiệm được thời gian dừng máy để thay thế chổi than

- Trong quá trình hoạt động của mình, động cơ BLDC không gây ra nhiễu trong quá trình chuyển mạch như động cơ một chiều, do đó nó có thể được đặt trong môi trường dễ cháy nổ Đồng thời, việc không cần chuyển mạch bằng chổi than-vành góp nên sẽ giúp giảm thiểu được rất nhiều tiếng ồn khi vận hành, giúp cải thiện môi trường làm việc

Tuy vậy, động cơ BLDC vẫn còn tồn tại một số nhược điểm như việc mô men bị nhấp nhô do sự chuyển mạch giữa các van và hoạt động trong vùng tốc độ trên định mức

2.3 Cấu tạo động cơ BLDC

Động cơ một chiều không chổi than (từ nay xin gọi là động cơ BLDC) có cấu tạo khác với động cơ một chiều thông thường: thay vì dùng bộ chuyển mạch cơ khí bằng chổi than-vành góp thì động cơ BLDC dùng bộ chuyển mạch điện tử Về cấu trúc, động cơ BLDC bao gồm các bộ phận: Stator, Rotor, cảm biến vị trí và bộ chuyển mạch điện tử Trong đó, Stator và Rotor nằm trong động cơ, bộ cảm biến vị trí thường được gắn đồng trục bên trong vỏ động cơ còn bộ chuyển mạch điện tử có thể được đặt bên ngoài nhưng vì hoạt động của động cơ BLDC gắn liền với bộ này nên ta có thể coi nó như một phần của động cơ

2.3.1 Stator của động cơ BLDC

Stator của động cơ BLDC được ghép từ các lá thép kĩ thuật điện lại với nhau, quanh chu vi phía trong có sẻ rãnh để đặt dây dẫn

Các cuộn dây được cấu tạo từ các bối dây nối nối tiếp với nhau, đặt trong các rãnh đặt dây dẫn của Stator Sự bố trí khác nhau của các bối dây trong các pha sẽ tạo nên sự khác nhau về hình dáng của sức phản điện động trong Stator của động cơ

Thông thường thì với động cơ không chổi than có hai dạng hình dáng của sức phản điện động là dạng hình sin và dạng hình thang Và động cơ có sức phản điện động hình thang chính là động cơ một chiều không chổi than do đặc tính cơ của nó có dạng giống mới đặc tính cơ của động cơ một chiều

Hình 2.1 Sức phản điện động hình thang(BLDC)

Các cuộn dây có thể được nối với nhau theo cách đấu sao hoặc đấu tam giác Các cuộn dây của động cơ BLDC có thể là hai, ba hoặc nhiều pha nhưng thông dụng nhất là loại ba pha Phụ thuộc vào công suất động cơ, người ta có thể chọn động cơ dùng theo tỉ lệ điện áp tương ứng Các động cơ công suất nhỏ thường dùng nguồn nhỏ hơn hoặc bằng 48 V, được dùng trong các chuyển động nhỏ, robot… Còn các động cơ

có nguồn trên 100V thường là loại có công suất trung bình và lớn, thường được dùng trong các thiết bị công nghiệp, tự động hóa…

Chương 2: Động cơ một chiều không chổi than (BLDC)

2.3.2.Rotor của động cơ BLDC:

Rotor của động cơ BLDC được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu với số lượng đôi cực dao động là từ hai đến tám Ở vùng tốc độ rất cao thì động cơ với số đôi cực là hai hoặc bốn thường được lựa chọn Các cực Nam, cực Bắc được xếp xen kẽ, luân phiên nhau trên Rotor của động cơ

Rotor lõi tròn với nam

châm đặt trong chu vi

Rotor lõi tròn với nam châm hình chữ nhật được đặt trong rotor

Rotor lõi tròn với nam châm hình chữ nhật được chèn vào

trong rotor

Hình 2.2 Các dạng Rotor của động cơ một chiều không chổi than

Vật liệu làm nam châm Rotor thông thường có hai loại: Ferrit và hợp kim Mỗi loại đều có ưu nhược điểm khác nhau: nam châm làm từ Ferrit có giá thành rẻ nhưng mật độ thông lượng từ trên một đơn vị thể tích của nam châm Ferrit lại thấp; nam châm làm từ hợp kim có giá thành cao cũng như công nghệ chế tạo phức tạp hơn, nhưng bù lại mật độ thông lượng từ trên một đơn vị thể tích của nam châm hợp kim lại cao hơn

Vì vậy mà với cùng một thể tích thì mô men sinh bởi nam châm hợp kim luôn lớn hơn

mô men sinh bởi nam châm Ferrit Do vậy mà với nam châm hợp kim, có thể giảm được thể tích của rotor, từ đó giảm được kích thước của động cơ, nên có thể được ứng dụng trong một số trường hợp đòi hỏi cao về kích cỡ không gian đặt động cơ

2.3.3 Cảm biến vị trí trong động cơ BLDC

Nhiệm vụ của bộ cảm biến vị trí Rotor nói chung là tạo ra tín hiệu đồng bộ sức điện động động cơ phục vụ cho việc đóng cắt các van bán dẫn ở bộ chuyển mạch điện

Nguyên lý hoạt động: Các bộ phát và bộ thu được gắn cố định, còn màn chắn sáng được gắn trên đĩa quang được gắn đồng trục với Rotor động cơ Khi không có khe sáng thì ánh sáng giữa bộ phát và bộ thu không chiếu thẳng sang nhau được nên không

có tín hiệu (coi như mức 0); còn khi giữa bộ phát và bộ thu là khe hở thì bộ phát sẽ nhận được tín hiệu từ bộ thu(coi như mức 1)

Như vậy từ việc đếm số xung của Sensor S4 trên một đơn vị thời gian, ta sẽ đo được tốc độ động cơ Đồng thời các xung của Sensor S4 cũng được sử dụng để làm xung đồng bộ cho bộ đếm để xác định góc hoặc vị trí của Rotor

Sensor S1, S2, S3 được đặt lệch nhau các góc π/ 3 Như vậy tại một thời điểm chỉ có hai Sensor được chiếu sáng Khi đĩa quay sẽ tạo ra ba xung vuông cách nhau các góc π / 3 Nếu ta chỉnh đĩa quang học theo vị trí nam châm Rotor, ta sẽ thu được ba xung đồng bộ với sức điện động cảm ứng ở Stator

Chương 2: Động cơ một chiều không chổi than (BLDC)

Hình 2.3 Nguyên lý bộ cảm biến vị trí Rotor sử dụng encoder quang

2.3.3.2 Cảm biến vị trí sử dụng cảm biến Hall

Năm 1879, Edwin Herbert Hall sau những thí nghiệm kiểm chứng nhận xét của Maxell rằng lực điện từ của từ trường đặt lên dây dẫn không tác động trực tiếp lên dòng điện mà tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện đó, đã phát hiện ra rằng từ trường

có thể làm thay đổi sự phân bố của dòng điện trong hầu hết các dây dẫn Hiệu ứng này

có thể được lý giải như sau: Dòng điện chạy trong dây dẫn chính là sự chuyển động của các hạt mang điện tích, khi chạy qua từ trường, các điện tích này chịu sự tác dụng của lực Lorentz nên sẽ bị đẩy về một trong hai phía của thanh dẫn Sự tập trung các điện tích trái dấu ở hai phía của thanh dẫn gây ra hiệu điện thế Hall