Nghiên cứu thiết kế bộ quan sát hệ số trượt và ước lượng tốc độ tuyệt đối cho điều khiển lực kéo của ô tô điện tt

Các kết quả nghiên cứu về ước lượng trạng thái của ô tô điện thường được ứng dụng vào điều khiển chuyển động và điều khiển tự lái.. Xét trên đặc thù giao thông tại Việt Nam, tác giả lựa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Tạ Cao Minh

Phản biện 1: GS TS Lê Hùng Lân

Phản biện 2: PGS TS Hồ Hữu Hải

Phản biện 3: PGS TS Nguyễn Thanh Tiên

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

1

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

Ước lượng trạng thái là nhiệm vụ cơ bản của điều khiển chuyển động và động lực học xe ô tô Trên xe ô tô có rất nhiều trạng thái, ví

dụ như: góc trượt thân xe, vận tốc dài, hệ số trượt, góc lăn xe, khối lượng, độ cứng lốp Mỗi trạng thái của xe ô tô đều đóng góp vai trò quan trọng vào hệ thống điều khiển, làm tăng cường chất lượng điều khiển và đặc biệt góp phần đảm bảo an toàn cho người lái và hành khách trên xe trong những điều kiện vận hành và đặc điểm môi trường khác nhau Nếu không xác định được các trạng thái thì việc điều khiển

xe hoàn toàn phụ thuộc kinh nghiệm và thể trạng của người lái, tiềm

ẩn rất nhiều rủi ro trong quá trình tham gia giao thông như hiện tượng mất lái khi đi đường trơn, thừa/thiếu lái khi rẽ hoặc khi phanh để tránh vật cản xuất hiện đột ngột Nếu có thể biết được các trạng thái của xe,

hệ thống điều khiển có thể can thiệp tín hiêu vào các cơ cấu chấp hành

để hỗ trợ người lái, giúp đưa xe ô tô về điều kiện vận hành an toàn và tuân theo yêu cầu điều khiển của người lái Vì vậy, việc ước lượng trạng thái của xe ô tô là cực kỳ cần thiết

Việc ước lượng trạng thái cho xe ô tô điện đang là một chủ đề nghiên cứu hấp dẫn ở cả lý thuyết hàn lâm lẫn triển khai thực tế bởi ô

tô điện là xu thế chung của cả thế giới Các kết quả nghiên cứu về ước lượng trạng thái của ô tô điện thường được ứng dụng vào điều khiển chuyển động và điều khiển tự lái Xét trên đặc thù giao thông tại Việt Nam, tác giả lựa chọn đề tài có tên gọi: "Nghiên cứu thiết kế bộ quan sát hệ số trượt và ước lượng tốc độ tuyệt đối cho điều khiển lực kéo của ô tô điện"

Luận án tập trung nghiên cứu về các lĩnh vực sau của xe ô tô điện

- Nghiên cứu thiết kế các bộ quan sát và ước lượng trạng tháicủa xe ô tô điện Cụ thể, luận án tập trung giải quyết vấn đềước lượng hệ số trượt của xe ô tô, một trong những trạng tháitiên quyết đảm bảo vận hành an toàn và tin cậy của xe cũngnhư người lái và hành khách

- Điều khiển chuyển động xe ô tô điện bằng cách thiết kế các

bộ điều khiển chống trượt và điều khiển lực kéo Các thuật

2

toán điều khiển sử dụng kết quả của các nghiên cứu về ước lượng hệ số trượt

Cấu trúc của luận án

- Chương 1 tổng quan về đối tượng nghiên cứu, phạm vi và các yêu cầu chi tiết cho nội dung nghiên cứu, xây dựng phương hướng giải quyết vấn đề nghiên cứu

- Chương 2 thực hiện mô hình hóa đối tượng và xây dựng mô hình mô phỏng trên máy tính cũng như mô hình mô phỏng thời gian thực HIL của xe ô tô điện

- Chương 3 đề xuất các thuật toán ước lượng và quan sát hệ số trượt cũng như vận tốc dài xe ô tô điện

- Chương 4 đề xuất các thuật toán điều khiển chuyển động ứng dụng kết quả nghiên cứu hệ số trượt

- Chương 5 tập trung vào việc xây dựng phần cứng phục vụ việc triển khai các thuật toán ước lượng như đã đề cập trong các chương trước Tiếp đó là các kết quả thử nghiệm trên cả nền tảng phần cứng đã xây dựng và các kết quả thử nghiệm trên

hệ thống HIL đã xây dựng trong chương 2

- Cuối cùng, một số kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo được trình bày trong phần cuối, phần Kết luận

Những đóng góp chính của luận án

- Đề xuất thuật toán nâng cao tốc độ trích mẫu của các cảm biến trên cơ sở sửa đổi bộ Multirate Kalman Filter nhằm đồng bộ tốc độ trích mẫu các cảm biến

- Đề xuất bộ quan sát hệ số trượt trên cơ sở phương pháp tổng hợp dữ liệu đa cảm biến

- Đề xuất bộ ước lượng tốc độ dài xe ô tô trên cơ sở phương pháp tổng hợp cảm biến

- Đề xuất bộ điều khiển chống trượt bằng phương pháp bù mô men trên cơ sở ước lượng hệ số trượt

- Đề xuất bộ điều khiển lực kéo trên cơ sở giới hạn mô men truyền cực đại

3

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Đối tượng và nội dung nghiên cứu

Khi vấn đề về sử dụng năng lượng hóa thạch cùng các ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đang diễn ra trên toàn cầu thì xe ô tô chạy bằng năng lượng thuần điện (gọi tắt là ô tô điện) trở thành một giải pháp tất yếu cho một môi trường xanh và sạch Ô tô điện trong luận án được giới hạn là loại phương tiện giao thông chở người, dưới 9 chỗ, có bốn bánh xe gắn với một thân độc lập, được truyền động bởi động cơ điện

và cấp nguồn từ hệ thống ắc quy

Điều khiển ô tô điện, về cơ bản, có thể được chia làm năm nhóm chính gồm: (1) điều khiển động cơ truyền động, (2) Điều khiển chuyển động của xe ô tô, (3) quản lý tối ưu các nguồn năng lượng, (4) điều khiển tự lái và (5) ước lượng tham số xe ô tô điện Luận án tập trung nghiên cứu về các lĩnh vực sau của xe ô tô điện

• Đối với nghiên cứu về ước lượng, hệ số trượt 𝜆 được lựa chọn làmđối tượng nghiên cứu Căn cứ theo phương trình tính hệ số trượt,luận án sẽ ước lượng hệ số trượt theo hai hướng:

- Ước lượng trực tiếp 𝜆 thông qua mô hình, cụ thể là mô hìnhđộng học của đối tượng để đảm bảo tính độc lập với sự thayđổi của các tham số động lực học của xe ô tô

- Ước lượng vận tốc dài của xe ô tô để từ đó, kết hợp với thôngtin về tốc độ bánh xe, tính toán hệ số trượt Việc ước lượngđược vận tốc dài cũng có thể được sử dụng mở rộng cho nhiềumục đích nghiên cứu trong tương lai

• Đối với việc ứng dụng, hệ thống điều khiển lực kéo TCS ô tô điệnđược lựa chọn làm mục tiêu ứng dụng của kết quả ước lượng Điềunày là hoàn toàn hợp lý bởi hệ số trượt được sử dụng nhiều nhấtcho mục đích điều khiển lực kéo hoặc cái bài toán chống trượtbánh cho xe ô tô điện

1.2 Các yêu cầu của nghiên cứu

Từ các đề xuất về nội dung nghiên cứu, các yêu cầu tương ứng đối với các mục tiêu cũng được đề nghị như sau:

4

• Yêu cầu đối với thuật toán và kết quả ước lượng:

- Yêu cầu về độ chính xác: đề xuất độ chính xác của kết quả phải trên 95% tức là sai số phép ước lượng phải nhỏ hơn 5%

- Yêu cầu về độ bền vững (robust) của phép ước lượng

- Yêu cầu về tốc độ ước lượng: đề xuất các bộ ước lượng/quan sát phải hoạt động ở tốc độ tối thiểu là 200Hz

- Yêu cầu về tính khả thi Các thuật toán ước lượng phải đảm bảo đơn giản để có thể triển khai thời gian thực trên các nền tảng xử lý số

• Yêu cầu đối với bộ điều khiển lực kéo

• Yêu cầu về tính ổn định: tính ổn định của bộ điều khiển cần phải được khảo sát và chứng minh

• Yêu cầu về tính khả thi: thuật toán điều khiển cần đủ đơn giản để triển khai thời gian thực trên các bộ điều khiển số như vi điều khiển, DSP

1.3 Phương hướng thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu

Hình 1.18 mô tả các nội dung cụ thể cũng như phương hướng thực hiện nghiên cứu

Đối với nhiệm vụ ước lượng hệ số trượt, luận án tiến hành theo hai hướng Thứ nhất, luận án đề xuất bộ ước lượng và quan sát hệ số trượt dựa trên mô hình động học của chính đối tượng ước lượng Thứ hai, xác định hệ số trượt được thực hiện thông qua việc ước lượng vận tốc dài xe ô tô điện Các kết quả ước lượng được kiểm chứng bằng mô phỏng off-line trên máy tính, mô phỏng thực nghiệm trên mô hình Hardware-in-the-loop (HIL) và bằng thực nghiệm trên xe ô tô điện i-MiEV do Mitsubishi sản xuất

Trên cơ sở hệ số trượt đã ước lượng, luận án đề xuất các thuật toán điều khiển chống trượt và điều khiển lực kéo xe ô tô điện Chất lượng của các bộ điều khiển được kiểm chứng bằng mô phỏng off-line và mô phỏng thực nghiệm HIL trên nền tảng card điều khiển dSPACE DS-

1103

kế, các giả thiết sau được đưa ra: (1) xe ô tô chỉ chạy trên đường bằng

6

phẳng nằm ngang và (2) bỏ qua các ảnh hưởng của các chuyển động theo phương thẳng đứng cũng như chuyển động quay roll và pitch Với các giả thiết trên, mô hình xe được đơn giản hóa thành hệ thống 3 bậc tự do gồm dọc trục, ngang trục và chuyển động quay quanh trục thẳng đứng như trình bày trong Hình 2.2 Các phương, chiều của lực tác dụng cũng như của các hướng chuyển động được tham chiếu theo hệ trục tọa độ gắn vào trọng tâm của xe

là góc lái của bánh xe, 𝑚 là khối lượng xe ô tô

và phụ thuộc vào phản lực 𝐹𝑧𝑖 của mặt đường lên điểm tiếp xúc bánh

xe, 𝜆𝑖 và 𝛼𝑖 lần lượt là hệ số trượt và góc trượt ngang của bánh thứ 𝑖.Phản lực 𝐹𝑧𝑖 là một hàm số phụ thuộc vào kích thước hình học của xe

và đặc biệt là gia tốc 𝑎𝑥 của xe

3 Hệ số trượt và góc trượt ngang

- Hệ số trượt của bánh xe được xác định theo công thức sau:

λ𝑖 = 𝑅𝑒𝑓𝑓ω𝑖− 𝑣𝑥max(𝑅𝑒𝑓𝑓ω𝑖, 𝑣𝑥) (2.12)

8

Với 𝑅𝑒𝑓𝑓 là bán kính bánh xe, 𝜔𝑖 là tốc độ quay của bánh xe thứ 𝑖

- Góc trượt ngang của các bánh xe được tính theo:

2.3 Mô hình hệ truyền động xe ô tô điện

Hệ thống truyền động (Drivetrain System) bao gồm toàn bộ các thành phần truyền lực, tính từ động cơ cho tới trục bánh chủ động của xe ô

tô Xe ô tô điện có cấu trúc đơn giản gồm (các) động cơ điện, hộp giảm tốc, trục và bánh xe Hình 2.13 mô tả cấu hình điển hình của hệ thống truyền động cho xe ô tô điện

Hình 2.13 Cấu hình hệ thống truyền động xe ô tô điện

9

Gọi 𝐾𝑖 là tỉ số truyền của hộp giảm tốc thì mô men đầu ra của bộ truyền được tính theo công thức: 𝑇𝑡 = 𝐾𝑖𝑇𝑒 với 𝑇𝑒 là mô men đầu ra của động cơ Phương trình cân bằng mô men tại trục của bộ truyền được viết như sau:

𝐽𝑥𝑑𝜔

𝑑𝑡 = 𝑇𝑡− 𝑅𝑒𝑓𝑓𝐹𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙− 𝑇𝑏 = 𝐾𝑖𝑇𝑒− 𝑅𝑒𝑓𝑓𝐹𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙− 𝑇𝑏

(2.18)

Với 𝐹𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = ∑4𝑖=1𝐹𝑥𝑖 là tổng lực dọc trục trên các bánh xe đã quy đổi

về trục của bộ truyền Động cơ truyền động được mô hình đơn giản bằng một khâu trễ bậc nhất với hệ số khuếch đại 𝐾𝑚 và hằng số thời gian 𝑇𝑚

2.4 Mô hình HIL của xe ô tô điện

Với hệ thống các mô hình và phương trình đã đề cập, hệ thống HIL được xây dựng với cấu hình được mô tả trên Hình 2.12 Mô hình HIL được biên dịch và chạy thời gian thực trên card điều khiển dSPACE DS-1103 như thể hiện trên Hình 2.16

Hình 2.12 Cấu hình hệ HIL xe ô tô điện

Hình 2.16 Hệ thống HIL

xe ô tô điện

2.5 Kết quả kiểm chứng mô hình

Mô hình HIL được kiểm chứng thông qua hai thử nghiệm mang tính đại diện gồm đi thẳng và đánh lái theo chu kỳ Các kết quả được trình bày trên các Hình 2.17 và 2.18

CHƯƠNG 3

ƯỚC LƯỢNG TRẠNG THÁI XE Ô TÔ ĐIỆN

3.1 Nâng cao tốc độ trích mẫu cảm biến

Việc ước lượng trạng thái của xe ô tô điện đòi hỏi phải kết hợp thông tin từ nhiều cảm biến khác

nhau Vì vậy, việc đồng bộ tốc độ

làm việc của các cảm biến là thực

sự cần thiết Để đồng bộ tốc độ,

luận án đề xuất phương pháp nâng

cao tốc độ các cảm biến trích mẫu

chậm trên cơ sở sửa đổi bộ

Multirate Kalman Filter (M-MKF)

Bộ M-MKF hoạt động thông

qua việc cập nhật lại phương sai

của phép đo sau mỗi chu kỳ trích

mẫu “giả” theo biểu thức sau:

𝑅𝑖 = (𝜉 + 1)𝑖𝑅, 𝑖 = 2,3 … 𝑛 − 1 (3.13) Trong đó, 𝜉 là hệ số cập nhật và được đề xuất trên cơ sở Hình 3.4 như sau:

Hình 3.4 Các tín hiệu và phương sai động

Để đánh giá chất lượng của bộ M-MKF, hai dạng tín hiệu tiêu biểu

là hình sin và hình tam giác được thử nghiệm mô phỏng Các kết quả

mô phỏng kiểm chứng được trình bày trên các Hình 3.7 và 3.8 Trong

đó, tín hiệu gốc được so sánh với các tín hiệu trích mẫu chậm (có kèm nhiễu) và tín hiệu sau bộ M-MKF Ngoài ra, bộ M-MKF còn dược so sánh với bộ Multirate Kalman Filter tiêu chuẩn đề thấy được sự cải tiến Kết quả được trình bày kỹ hơn trong luận án chi tiết

a) Tín hiệu gốc và tín hiệu đo a) Tín hiệu gốc và tín hiệu đo

c) Tín hiệu gốc và bộ M-MKF

Hình 3.7 Thử nghiệm tín hiệu sin

c) Tín hiệu gốc và bộ M-MKF Hình 3.8 Tín hiệu tam giác

3.2 Ước lượng hệ số trượt xe ô tô điện

Hệ số trượt trong quá trình tăng tốc của xe ô tô điện được tính theo công thức sau:

𝜆 =𝜔𝑅𝑒𝑓𝑓− 𝑣𝑥

Lấy đạo hàm và sau một số phép biến đổi, bộ ước lượng hệ số trượt được đề xuất như sau:

a) Vận tốc xe và bánh xe b) Hệ số trượt đo và ước lượng Hình 3.12 Kết quả mô phỏng ước lượng hệ số trượt

3.3 Ước lượng tốc độ dài trên cơ sở tổng hợp cảm biến

Tốc độ dài của xe ô tô trong nghiên cứu được ước lượng bằng phương pháp tổng hợp dữ liệu từ các cảm biến gồm: cảm biến gia tốc, cảm biến tốc độ quay bánh xe và GPS Việc xây dựng thuật toán tổng hợp được bắt đầu từ bài toán tổng quát với các phép đo cùng một đối tượng 𝑥 bằng ba loại cảm biến khác nhau và cho ra các kết quả đo khác nhau theo công thức:

𝑧𝑖 = 𝑥 + 𝑣𝑖, 𝑖 = 1 .3 (3.36)

13

Với 𝑧𝑖, 𝑖 = 1 .3 là giá trị đo về từ các cảm biến, 𝑣𝑖 là nhiễu của các phép đo tương ứng Có thể xây dựng phép ước lượng của 𝑥 như sau:

𝑥̂ = 𝑘1𝑧1+ 𝑘2𝑧2+ 𝑘3𝑧3 (3.37) Với 𝑘𝑖 là các trọng số cần phải xác định một cách tối ưu

Định nghĩa sai số phép ước lượng là 𝑥̃ = 𝑥̂ − 𝑥 Để có được 𝑥̂ là ước lượng tối ưu của 𝑥 thì cần tối thiểu hóa trung bình bình phương của 𝑥̃ một cách tối ưu Hơn nữa, các giá trị 𝑘𝑖 cũng cần phải được xác định với độ lớn độc lập với giá trị của 𝑥 Các điều kiện này dẫn tới các phương trình sau:

𝐸[𝑥̃] = 𝐸[𝑘1(𝑥 + 𝑣1) + 𝑘2(𝑥 + 𝑣2)

+𝑘3(𝑥 + 𝑣3) − 𝑥] = 0 (3.39)

𝐽 = 𝐸[𝑥̃2] = 𝐸[(𝑘1(𝑥 + 𝑣1) + 𝑘2(𝑥 + 𝑣2)

+𝑘3(𝑥 + 𝑣3) − 𝑥)2] (3.42) Với 𝐸[𝑥̃] và 𝐸[𝑥̃2] lần lượt là kỳ vọng và phương sai của sai số phép ước lượng Giải các phương trình trên và phương trình đạo hàm riêng của phương sai đối với các 𝑘𝑖 thì sẽ có được giá trị của các trọng số này theo phương sai của từng phép đo 𝜎𝑖2 như sau:

ba giai đoạn gồm tăng tốc, giảm tốc và đi ổn định như trình bày trong bảng 1 Ứng với các giai đoạn này mà phương sai của các cảm biến cũng sẽ khác nhau và cần phải tiến hành thực nghiệm với hệ thống chuẩn để xác định các giá trị này

14

Bảng 1 Các giai đoạn của vận tốc

Trong đó, 𝑒𝑥 và 𝑒𝑎 là các hằng số có giá trị nhỏ tương ứng với gia tốc

và vị trí chân ga để phân biệt các giai đoạn của vận tốc 𝑝𝑎 và 𝑝𝑏 là vị trí chân ga và chân phanh

CHƯƠNG 4

ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG XE Ô TÔ ĐIỆN

4.1 Điều khiển giới hạn hệ số trượt

Dựa trên hệ số trượt đã

ước lượng được, thuật toán

điều khiển giới hạn hệ số trượt

được đề xuất với hoạt động

theo kiểu bù feedforward và

cấu hình hệ thống bù được

trình bày trong Hình 4.2 Hệ

thống điều khiển này cho phép

hạn chế hệ số trượt dưới giá trị

cho phép nhằm khống chế độ trượt của xe trong vùng an toàn

Hình 4.3 Luật bù kiểu 1

Hình 4.5 Luật bù kiểu 2 Luật bù được mô tả trên Hình 4.3 và 4.5 Trong đó, Hình 4.3 trình bày luật bù thứ nhất cho kết quả bị dao động tần số cao ở lượng đặt

Hình 4.2 Cấu hình hệ thống điều khiển giới hạn hệ số trượt

15

mô men Luật bù thứ hai ở Hình 4.5 được biến đổi thành một khâu

rơ-le nhằm giảm tần số đập mạch trong tín hiệu đặt mô men

Trong đó, Δ𝑇max chính là được đặt mô men từ người lái thông qua chân ga 𝜆̂𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡 được chọn là 0,08 𝜆̂𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡+ = 0,09 và 𝜆̂𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡− = 0,07

Hệ số 𝐾 là độ dốc đường đặc tính và được xác định theo công phương trình sau:

𝐾 =Δ𝑇

16

Chất lượng của bộ điều khiển kiểu bù được mô phỏng kiểm chứng

và được trình bày trong các Hình 4.8 và 4.9 Trước hết, có thể thấy hệ

số trượt đã được giữ ổn định tại giá trị điều khiển (Hình 4.8) hay dao động quanh giá trị cố định (Hình 4.9)

4.2 Điều khiển chống trượt trên cơ sở ước lượng mô men truyền cực đại

Mô men truyền cực đại được sử dụng cho việc giới hạn mô men đặt từ phía người lái để đảm bảo xe vận hành ổn định trên các điều kiện mặt đường không tốt Theo công trình khoa học ban đầu đã công

bố, mô men truyền cực đại được tính như sau:

𝑇𝑚𝑎𝑥 = ( 𝐽𝑤

α𝑚𝑅𝑒𝑓𝑓2 + 1) 𝑅𝑒𝑓𝑓𝐹𝑑 (4.7) Với 𝛼 là tỉ số giữa gia tốc xe và gia tốc bánh xe, 𝐹𝑑 là lực lái của xe ô

tô và được ước lượng theo công thức

𝐾𝑐 có điều kiện sau: