Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống chống bó cứng phanh và hệ thống cân bằng điện tử trên ô tô

HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ ĐẠI THÀNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH VÀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ STUDY AND DESIGN CONTROLLERS FOR AN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ ĐẠI THÀNH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH VÀ

HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ

STUDY AND DESIGN CONTROLLERS FOR ANTI-LOCK BRAKING SYSTEM AND

ELECTRONIC STABILITY SYSTEM IN CARS

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử

Mã số: 60520114

LUẬN VẤN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2016

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BACH KHOA -ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Phạm Công Bằng

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Nguyễn Thanh Phương

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS Nguyễn Duy Anh

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 16 tháng 12 năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 TS Nguyễn Quốc Chí

2 TS Lê Thanh Hải

3 PGS.TS Nguyễn Thanh Phương

4 PGS.TS Nguyễn Duy Anh

5 TS Ngô Hà Quang Thịnh

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Lê Đại Thành MSHV: 1570629 Ngày, tháng, năm sinh: 02/04/1992 Nơi sinh: Tp cần Thơ Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số : 60520114

I TÊN ĐÈ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG

CHỐNG BÓ CỨNG PHANH VÀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu tổng quan về đề tài

- Tìm hiểu tổng quan về hệ thống chống bó cứng phanh ABS và hệ thống cân bằng điện

tử VDC

- Phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống ABS

- Phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống VDC

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên em xin chân thành cảm ơn các thầy cô Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM, đặc biệt là các thầy cô khoa Cơ Khí đã cung cấp cho em những kiến thức nền tảng để thực hiện luận văn này Quá trình làm luận văn tạo điều kiện cho em vận dụng những kiến thức đã học, học thêm nhiều kiến thức mới từ các tài liệu liên quan và đặc biệt là

từ thầy hướng dẫn, thầy TS.Phạm Công Bằng

Em xin chân thành cảm ơn thầy về những kiến thức bổ ích, kinh nghiệm thực tế và những ý tưởng mà thầy đã truyền đạt cho em trong suốt quá trình làm luận văn, giúp em vượt qua các khó khăn của đề tài và hoàn thành các yêu cầu đặt ra Thầy đã dạy cho em rất nhiều bài học tuyệt vời cho chuyên ngành, cho cách làm việc và cho cuộc sống của

em

Cuối cùng, em xin cảm ơn công ty Robert Bosch Engineering and Business Solutions Vietnam đã tạo điều kiện về thời gian và cung cấp tài liệu kỹ thuật giúp em thực hiện luận văn này

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm

Học viên

Lê Đại Thành

11

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn trình bày hệ thống chống bó cứng phanh ABS và hệ thống cân bằng điện tử VDC với cấu tạo và nguyên lý hoạt động Qua đó, luận văn xác định chất lượng điều khiển mong muốn, thực hiện mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển cho hai hệ thống này Để làm rõ tính thiết thực của hệ thống, luận văn trình bày và phân tích kết quả mô phỏng khi chưa có hai hệ thống này Thêm vào đó, kết quả mô phỏng với bộ điều khiển được phân tích để nhấn mạnh những ưu điểm của việc sử dụng bộ điều khiển cho hệ thống chống bó cứng phanh và hệ thống cân bằng điện tử

iii

ABSTRACT

Thesis presents anti-lock braking system ABS and electronic stability program VDC with theh structures and operating principles Thereby, deshed performance indicators for modeling and designing controllers for ABS and VDC systems are determined In addition, simulation results with these controllers are analyzed to emphasize advantages

of using ABS and VDC systems

IV

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và được sự hướng dẫn của thầy TS.Phạm Công Bằng Các nội dung nghiên cứu và các kết quả trong đề tài này là trung thực Tôi cam kết chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình

5

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN ii

ABSTRACT iii

LỜI CAM ĐOAN iv

MỤC LỤC V DANH SÁCH HÌNH VẼ ix

DANH SÁCH BẢNG xiv

CHƯƠNG 1: TÔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1.1 Lịch sử ra đời và quá trình phát triển của ô tô 1

1.1.1 Lịch sử ra đời của ô tô 1

1.1.2 Quá trình phát triển của ô tô 1

1.2

Lịch sử ra đời và quá trình phát triển của hệ thống an toàn trên ô tô 2

1.3 Lý do chọn đề tài 3

1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi của luận văn 5

1.5 Bố cục luận văn 5

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

2.1 Tổng quan hệ thống chống bó cứng phanh ABS 7

2.1.1 Cấu tạo hệ thống ABS 7

2.1.2

Nguyên lý hoạt động của hệ thống ABS 12

2.1.3

Chất lượng điều khiển mong muốn của hệ thống ABS 14

2.2 Tổng quan hệ thống cân bằng điện tử VDC 14

2.2.1 Cấu tạo hệ thống VDC 16

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống VDC 21

6

2.2.3 Chất lượng điều khiển mong muốn của hệ thống VDC 24

2.3 Kết luận 25

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIÊN CHO HỆ THỐNG ABS 26

3.1 Phân tích hệ thống ABS 26

3.1.1 Tính toán động học, động lực học 26

3.1.2 Mối liên hệ giữa hệ số ma sát và tỷ lệ trượt 27

3.1.3 Phân tích moment thắng 28

3.2 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống ABS trên Matlab Simulink 29

3.2.1 Mô hình hóa hệ thống ABS 29

3.2.2 Mô phỏng khối caliper trên Matlab Simulink 29

3.2.3 Mô phỏng khối bánh xe trên Matlab Simulink 30

3.2.4 Mô phỏng khối xe trên Matlab Simulink 30

3.2.5 Mô phỏng hệ thống ABS trên Matlab Simulink 30

3.2.6 Kết quả mô phỏng khi chưa có hệ thống ABS và khi có hệ thống ABS với bộ điều khiển thô sơ 31

3.3 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống ABS 37

3.3.1 Sơ đồ điều khiển 37

3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống ABS 37

3.3.3 Kết quả mô phỏng hệ thống ABS với bộ điều khiển PID 37

3.3.4 Nhận xét kết quả mô phỏng hệ thống ABS với bộ điều khiển PID 40

3.4 Kết luận 40

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIÊN CHO HỆ THỐNG VDC 42

4.1 Phân tích hệ thống VDC 42

4.1.1 Tính toán động học, động lực học hệ thống VDC 42

4.1.2

7

Tính toán các lực tác động lên bánh xe theo phương X và phương Y 44

viii

4.1.3 Tính toán góc lệch ngang của các bánh xe 44

4.1.4 Tính toán bán kính quẹo cua của xe với góc lái 5 45

4.1.5 Tính toán tốc độ xoay mong muốn của xe 45

4.1.6

Tính toán cân bang moment cho bánh xe 46

4.2 Xác định bánh xe cần tác động moment thắng 46

4.3 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống VDC trên Matlab Simulink 47

4.3.1 Mô hình hóa hệ thống VDC 47

4.3.2 Mô phỏng khối moment thắng 1 trên Matlab Simulink 47

4.3.3 Mô phỏng khối moment thắng 2 trên Matlab Simulink 48

4.3.4 Mô phỏng khối moment thắng 3 trên Matlab Simulink 48

4.3.5 Mô phỏng khối moment thắng 4 trên Matlab Simulink 49

4.3.6 Mô phỏng khối bánh trước bên trái trên Matlab Simulink 49

4.3.7 Mô phỏng khối bánh trước bên phải trên Matlab Simulink 50

4.3.8 Mô phỏng khối bánh sau bên trái trên Matlab Simulink 50

4.3.9 Mô phỏng khối bánh sau bên phải trên Matlab Simulink 51

4.3.10 Mô phỏng khối lực tác động bánh trước bên trái trên Matlab Simulink 51

4.3.11 Mô phỏng khối lực tác động bánh trước bên phải trên Matlab Simulink 52

4.3.12 Mô phỏng khối lực tác động bánh sau bên ttái ttên Matlab Simulink 53

4.3.13 Mô phỏng khối lực tác động bánh sau bên phải ttên Matlab Simulink 53

4.3.14 Mô phỏng khối xe ttên Matlab Simulink 54

4.3.15 Mô phỏng khối tốc độ xoay mong muốn trên Matlab Simulink 54

4.4 Kết quả mô phỏng khi chưa có hệ thống VDC 54

4.4.1 Ket quả mô phỏng trường hợp quẹo cua góc lái dương 56

4.4.2 Ket quả mô phỏng trường hợp quẹo cua góc lái âm 58

4.4.3 Ket quả mô phỏng trường hợp quẹo cua ttái phải 61

4.5 Kiểm chứng giải thuật xác định bánh xe cần tác độngmoment thắng 63

viii

4.5.1 Trường hợp quẹo cua góc lái dương 63

4.5.2 Trường hợp quẹo cua góc lái âm 64

4.6 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống VDC 65

4.6.1 Sơ đồ điều khiển 65

4.6.2 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống VDC 65

4.6.3 Kết quả mô phỏng hệ thống VDC với bộ điều khiển PID 66

4.6.4 Nhận xét kết quả mô phỏng hệ thống VDC với bộ điều khiển PID 70

4.7 Kết luận 70

CHƯƠNG 5: TÔNG KẾT 71

5.1 Kết quả đạt được 71

5.1.1 Kết quả đạt được của hệ thống ABS 71

5.1.2 Kết quả đạt được của hệ thống VDC 71

5.2 Đề xuất hướng phát triển cho đề tài 72

5.2.1 Đề xuất hướng phát triển cho hệ thống ABS 72

5.2.2 Đề xuất hướng phát triển cho hệ thống VDC 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

IX

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Chiếc ô tô ba bánh đầu tiên do Karl Benz chế tạo 1

Hình 1.2 Lịch sử phát triển hệ thống ABS của Bosch 4

Hình 2.1 Cấu tạo hệ thống ABS 7

Hình 2.2 Cảm biến tốc độ bánh xe 8

Hình 2.3 Vị trí lắp đặt cảm biến tốc độ bánh xe 8

Hình 2.4 Bộ điều khiển ECU trong module ABS của Bosch 9

Hình 2.5 Mạch thủy lực của hệ thống ABS 10

Hình 2.6 Ba trạng thái làm việc của bộ điều biến thủy lực 11

Hình 2.7 Đồ thị hệ số ma sát theo tỷ lệ trượt Ầ 13

Hình 2.8 So sánh giữa xe có ABS và không có ABS 14

Hình 2.9 Tài xế quẹo cua với tốc độ cao 15

Hình 2.10 Hệ thống VDC 16

Hình 2.11 Cảm biến góc lái chủ động trên vô lăng 16

Hình 2.12 Cảm biến góc xoay tích hợp với cảm biến gia tốc 17

Hình 2.13 Tài xế quẹo cua quá mức cần thiết 17

Hình 2.14 Tài xế quẹo cua dưới mức cần thiết 18

Hình 2.15 Mạch thủy lực của hệ thống VDC 19

Hình 2.16 Ba trạng thái làm việc của bộ điều biến thủy lực 20

Hình 2.17 Tài xế quẹo cua tốc độ cao và xe được trang bị hệ thống VDC 21

Hình 2.18 Xe vào cua trái phải 22

Hình 2.19 Quẹo cua quá mức cần thiết và dưới mức cần thiết 23

Hình 2.20 Xe tránh vật cản trên đường 24

Hình 3.1 Lực và moment tác động lên 1 bánh xe khi đạp thắng 26

Hình 3.2 Mối liên hệ giữa tỷ lệ trượt và hệ số ma sát của đường nhựa khô 27

Hình 3.20 Kết quả mô phỏng khoảng cách dừng với bộ điều khiển thô sơ 36

Hình 3.22 Mô phỏng hệ thống ABS với bộ điều khiển PID ttên Matlab Simulink 37

Hình 3.23 Kết quả mô phỏng moment thắng với bộ điều khiển PID 38 Hình 3.24 Kết quả mô phỏng vận tốc bánh xe với bộ điều khiển PID 38 Hình 3.25 Kết quả mô phỏng tỷ lệ trượt với bộ điều khiển PID 39 Hình 3.26 Kết quả mô phỏng vận tốc xe với bộ điều khiển PID 39 X Hình 3.3 Phanh đĩa và cơ cấu hoạt động của phanh đĩa với caliper 28

Hình 3.4 Mô hình hóa hệ thống ABS 29

Hình 3.5 Mô phỏng khối caliper trên Matlab Simulink 29

Hình 3.6 Mô phỏng khối bánh xe trên Matlab Simulink 30

Hình 3.7 Mô phỏng khối xe trên Matlab Simulink 30

Hình 3.8 Mô phỏng hệ thống ABS trên Matlab Simulink 31

Hình 3.9 Mô phỏng hệ thống thắng chưa được trang bị hệ thống ABS 32

Hình 3.10 Moment thắng trong trường hợp không có hệ thống ABS 32

Hình 3.11 Kết quả mô phỏng tốc độ bánh xe trường hợp không có hệ thống ABS 32

Hình 3.12 Kết quả mô phỏng tỷ lệ trượt trường hợp không có hệ thống ABS 33

Hình 3.13 Kết quả mô phỏng vận tốc xe trường hợp không có hệ thống ABS 33

Hình 3.14 Khoảng cách dừng trường hợp không có hệ thống ABS 34

Hình 3.15 Mô phỏng hệ thống ABS với bộ điều khiển thô sơ 34

Hình 3.16 Kết quả mô phỏng moment thắng với bộ điều khiển thô sơ 34

Hình 3.17 Kết quả mô phỏng vận tốc bánh xe với bộ điều khiển thô sơ 35

Hình 3.18 Kết quả mô phỏng tỷ lệ trượt với bộ điều khiển thô sơ 35

Hình 3.19 Kết quả mô phỏng vận tốc xe với bộ điều khiển thô sơ 36

Hình 3.27 Kết quả mô phỏng khoảng cách dừng với bộ điều khiển PID 40

Hình 4.1 Mô hình 7 bậc tự do của xe 42

Hình 4.2 Bán kính quẹo cua của xe với góc lái 5 45

Hình 4.3 Xe quẹo cua với bán kính quẹo cua Rc 45

Hình 4.4 Moment tác động lên bánh xe khi VDC tác động lực thắng 46

Hình 4.5 Mô hình hóa hệ thống VDC 47

Hình 4.6 Mô phỏng khối moment thắng 1 trên Matlab Simulink 48

Hình 4.7 Mô phỏng khối moment thắng 2 trên Matlab Simulink 48

XI

Hình 4.8 Mô phỏng khối moment thắng 3 trên Matlab Simulink 49

Hình 4.9 Mô phỏng khối moment thắng 4 trên Matlab Simulink 49

Hình 4.10 Mô phỏng khối bánh trước bên trái trên Matlab Simulink 50

Hình 4.11 Mô phỏng khối bánh trước bên phải trên Matlab Simulink 50

Hình 4.12 Mô phỏng khối bánh sau bên trái trên Matlab Simulink 51

Hình 4.13 Mô phỏng khối bánh sau bên phải trên Matlab Simulink 51

Hình 4.14 Mô phỏng khối lực tác động bánh trước bên trái trên Matlab Simulink.,52 Hình 4.15 Mô phỏng khối lực tác động bánh trước bên phải trên Matlab Simulink 52 Hình 4.16 Mô phỏng khối lực tác động bánh sau bên ttái ừên Matlab Simulink 53

Hình 4.17 Mô phỏng khối lực tác động bánh sau bên phải ttên Matlab Simulink 53

Hình 4.18 Mô phỏng khối xe ttên Matlab Simulink 54

Hình 4.19 Mô phỏng khối tốc độ xoay mong muốn ttên Matlab Simulink 54

Hình 4.20 Mô phỏng xe khi chưa có hệ thống VDC 55

Hình 4.21 Góc lái của trường hợp quẹo cua góc lái dương 56

Hình 4.22 Vận tốc của xe theo phương X trường hợp quẹo cua góc lái dương 56

Hình 4.23 Vận tốc của xe theo phương Y trường hợp quẹo cua góc lái dương 56

Hình 4.24 Góc xoay của xe trường hợp quẹo cua góc lái dương 57

xiii

Hình 4.25 Tốc độ xoay thực tế của xe trường hợp quẹo cua góc lái dương 57

Hình 4.26 Tốc độ xoay mong muốn của xe trường hợp quẹo cua góc lái dương 57

Hình 4.27 Sai số tốc độ xoay của xe trường hợp quẹo cua góc lái dương 58

Hình 4.28 Góc lái của trường hợp quẹo cua góc lái âm 58

Hình 4.29 Vận tốc của xe theo phương X trường hợp quẹo cua góc lái âm 59

Hình 4.30 Vận tốc của xe theo phương Y trường hợp quẹo cua góc lái âm 59

Hình 4.31 Góc xoay của xe trường hợp quẹo cua góc lái âm 59

Hình 4.32 Tốc độ xoay thực tế của xe trường hợp quẹo cua góc lái âm 60

Hình 4.33 Tốc độ xoay mong muốn của xe trường hợp quẹo cua góc lái âm 60

Hình 4.34 Sai số tốc độ xoay của xe trường hợp quẹo cua góc lái âm 60

Hình 4.35 Góc lái của trường hợp quẹo cua trái phải 61

Hình 4.36 Vận tốc của xe theo phương X trường hợp quẹo cua trái phải 61

Hình 4.37 Vận tốc của xe theo phương Y trường hợp quẹo cua trái phải 61

Hình 4.38 Góc xoay của xe trường hợp quẹo cua trái phải 62

Hình 4.39 Tốc độ xoay thực tế của xe trường hợp quẹo cua trái phải 62

Hình 4.40 Tốc độ xoay mong muốn của xe trường hợp quẹo cua trái phải 62

Hình 4.41 Sai số tốc độ xoay của xe trường hợp quẹo cua ttái phải 63

Hình 4.42 Mô phỏng xe trường hợp tác động moment thắng lên bánh xe thứ 4 63

Hình 4.43 Sai số tốc độ xoay khi tác động moment thắng lên bánh xe thứ 4 64

Hình 4.44 Mô phỏng xe trường hợp tác động moment thắng lên bánh xe thứ 3 64

Hình 4.45 Sai số tốc độ xoay khi tác động moment thắng lên bánh xe thứ 3 65

Hình 4.46 Sơ đồ điều khiển 65

Hình 4.47 Mô phỏng hệ thống VDC với bộ điều khiển PID ừên Matlab Simulink.66 Hình 4.48 Kết quả mô phỏng moment thắng tác động lên bánh trước bên ừái 66

Hình 4.49 Kết quả mô phỏng moment thắng tác động lên bánh trước bên phải 67

Hình 4.50 Kết quả mô phỏng moment thắng tác động lên bánh sau bên trái 67

xiii

Hình 4.51 Kết quả mô phỏng moment thắng tác động lên bánh sau bên phải 67

Hình 4.52 Kết quả mô phỏng vận tốc xe theo phương X 68

Hình 4.53 Kết quả mô phỏng vận tốc xe theo phương Y 68

Hình 4.54 Kết quả mô phỏng góc xoay của xe 68

Hình 4.55 Kết quả mô phỏng tốc độ xoay thực tế của xe 69

Hình 4.56 Kết quả mô phỏng tốc độ xoay mong muốn của xe 69

Hình 4.57 Kết quả mô phỏng sai số tốc độ xoay của xe 69

XIV

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 3.1 Giá trị a,b và c ứng với các dạng bề mặt đường theo mô hình Pacejka 28 Bảng 3.2 Số liệu của tài liệu tham khảo 31 Bảng 4.1 Bánh xe cần tác động moment thắng bởi hệ thống VDC 46 Bảng 4.2 Các thông số mô phỏng 55

CHƯƠNG 1 TÔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Lịch sử ra đời và quá trình phát triển của ô tô

1.1.1 Lịch sử ra đời của ô tô

Cho đến nay việc xác định chiếc ô tô (xe hơi) đầu tiên ra đời khi nào vẫn còn nhiều ý kiến khác nhau trên thế giới Từ “ô tô” được bắt nguồn từ tên tiếng Anh là “automobile”

có nghĩa là tự động chuyển động Như vậy nếu căn cứ theo định nghĩa này, chiếc ô tô đầu tiên trên thế giới ra đời năm 1770 do Nicolas Joseph Cugnot chế tạo chạy bằng máy hơi nước Tuy nhiên, sau khỉ Nicolaus Otto phát minh ra động cơ đốt trong vào năm

1876, ô tô mới có hình dáng và động cơ gần giống với ngày nay Do đố người ta coi ô

tô ra đời ở thời kỳ này Hình 1.1 dưới đây là chiếc ô tô ba bánh đầu tiên do kỹ sư người Đức Karl Benz chế tạo và được cấp bằng sáng chế năm 1886

Hình 1.1 Chiếc ô tô ba bánh đầu tiên do Karl Benz chế tạo [ 1 ]

1.1.2 Quá trình phát triển của ô tô

Sau sự thành công của ô tô ba bánh do Karl Benz chế tạo, nhiều nhà chế tạo đã vào cuộc và ô tô đã có các bộ phận chính với bố trí như hiện nay kể từ năm 1894 Tiếp sau

đó, ô tô không ngừng được cải tiến và phát triền, ữải qua nhiều bước ngoặt quan trọng:

- Năm 1895, Michelin lắp bánh hơi cho ô tô

- Năm 1897, kĩ sư Đức Gottlieb Daimler sáng chế bộ tản nhiệt hình tổ ong

2

- Năm 1898, nhà chế tạo Louis Renault sáng chế hộp số ba tốc độ cho ô tô

- Năm 1901, chiếc Mercedes ra đời đánh dấu sự thay đổi diện mạo của ô tô

- Năm 1904, chiếc Vauxhall có cần sang số lắp trên cột tay lái

- Năm 1905, Pieere Bossu sáng chế bộ khởi động bằng điện Bộ dẫn động bánh trước

và kính chắn gió cũng xuất hiện trong thời điểm này

- Năm 1913, đánh dấu sự triển vọng thật sự của ngành công nghiệp ô tô với việc Henry Ford đưa vào vận hành dây chuyền lắp ráp hàng loạt đầu tiên Chiếc Ford-T, chiếc

xe bình dân đầu tiên được loại bỏ các phụ tùng thừa và sản xuất 18 triệu chiếc

- Năm 1926, 2 kỹ sư Jean A Grégoữe và Pierre Fenaille chế tạo chiếc Tracta, xe đầu tiên dẫn động bằng bánh trước

- Năm 1932, Cotal sáng chế hộp số điện từ

- Năm 1940, Oldsmobile tung ra những chiếc ô tô đầu tiên sang số tự động

- Năm 1950, chiếc ô tô đầu tiên chạy bằng tuabin khí ra đời ở Anh

- Năm 1952, những chiếc ô tô với tay lái có trợ lực được sản xuất hàng loạt

- Năm 1953, phanh đĩa bắt đầu được áp dụng trên xe Jaguar của Anh

Từ những năm 1970 trở đi, các thế hệ ô tô mới chủ yếu tập trung nâng cao công suất, giảm tiêu thụ chất đốt, giảm khí gây ô nhiễm và gia tăng vai trò của thiết bị điện tử Đến năm 1990, các hệ thống điện tử lắp đặt cho ô tô đã chiếm 6% giá tiền một xe, và con số này tới năm 2000 đã tăng gấp ba lần Cùng với sự phát triển của ô tô, các tính năng an toàn ngày càng được chú trọng Các hệ thống đảm bảo an toàn cho người sử dụng như:

hệ thống chống bó cứng phanh ABS, đệm an toàn tự thổi phồng Air Bags, hệ thống cân bằng điện tử VDC, đã trở thành bắt buộc ở nhiều nước công nghiệp

1.2 Lịch sử ra đòi và quá trình phát triển của hệ thống an toàn trên ô tô

Khi chiếc ô tô đầu tiên ra đời, do mức độ phổ biến cũng như vận tốc ô tô chưa cao nên các hệ thống an toàn cũng chưa được quan tâm đúng mực Tuy nhiên, kể từ khi ô tô được đưa vào sản xuất hàng loạt, các hệ thống an toàn ra đời và phát triển không ngừng song song với sự phát triển của ô tô Khởi đầu là năm 1898 khi lần đầu tiên đèn điện được thêm vào đằng trước ô tô ở Mỹ Sau khi hệ thống điện được đưa vào ô tô, các hệ thống an toàn bắt đầu được nghiên cứu phát triển với những cột mốc quan ttọng như:

- Năm 1926, cần gạt nước tự động ra đời thay cho cần gạt nước điều khiển bằng tay

- Năm 1930, kính an toàn trở thành bắt buộc cho mọi chiếc xe

- Năm 1949, lần đầu tiên thử nghiêm tai nạn ô tô

3

- Năm 1951, túi khí an toàn có thể kích hoạt tự động hoặc bằng tay được sáng chế ở Đức

- Năm 1959, dây an toàn trở thành bắt buộc cho mọi chiếc xe

- Năm 1978, hãng Bosch của Đức chế tạo thành công hệ thống chống bó cứng phanh ABS và áp dụng cho dòng xe S-serie của Mercedes

- Năm 1987, Mercedes và BMW lần đầu tiên ra mắt hệ thống kiểm soát độ bám đường TCS

- Năm 1995, hãng Bosch của Đức chế tạo thành công hệ thống cân bằng điện tử VDC và áp dụng lần đầu tiên ửên 2 chiếc xe của BMW là 750ĨL và 850CĨ

- Năm 1996, Mercedes phát minh ra hệ thống ửự lực phanh

- Năm 1998, hệ thống phát hiện điểm mù được lắp đặt trên chiếc Volvo S80

- Năm 2002, hệ thống cảnh báo làn đường được giới thiệu tại châu Âu cho xe tải Mercedes

- Năm 2010, Volvo phát triển hệ thống túi khí cho người đi đường và hệ thống giúp

xe phát hiện người đi đường

1.3 Lý do chọn đề tài

Phân tích các vụ tai nạn thông qua hệ thống nghiên cứu tai nạn chuyên sâu của Đức (GIDAS, German Accident Database, 2001-2004) cho thấy hệ thống ABS có thể giúp ngăn chặn từ 25% đến 30% những tai nạn nghiêm trọng cũng như tai nạn gây tử vong [2], Hiện nay ABS là bộ phận gần như bắt buộc ở các loại ô tô, theo số liệu thống kê đến năm 2007 có khoảng 76% ô tô trên thế giới sử dụng hệ thống ABS của Bosch Tuy nhiên, hiện nay hệ thống ABS đã không còn là độc quyền của Bosch, có rất nhiều hãng

xe có thể nghiên cứu và sản xuất Do đó, Bosch vẫn tiếp tục nghiên cứu hệ thống ABS

để tăng sức cạnh tranh, uy tín trên thị trường và hơn hết là nâng cao độ an toàn cho người

sử dụng như minh họa trong hình 1.2

4

Hình 1.2 Lịch sử phát triển hệ thống ABS của Bosch [3]

Hệ thống cân bằng điện tử VDC là một trong những giải pháp an toàn chủ động quan trọng bên cạnh hệ thống chống bố cứng phanh ABS, phân bổ lực phanh điện tử EBD và

hệ thống kiềm soát độ bám đường TCS Theo ủy ban an toan giao thông quốc gia Mỹ (NHTSA), VDC giúp giảm 35% số vụ va chạm Nguy cơ gây tử vong của xe suv được trang bị hệ thống cân bằng điện tử thấp hơn 67% so với trường hợp xe không cố trang

bị hệ thống này [4] Nghiên cứu của viện bảo hiểm an toàn đường bộ của Mỹ (IIHS) công bố tháng 6/2006 chỉ ra rằng nước Mỹ sẽ không mất đi 10.000 người nếu tất cả các

xe đều được trang bị hệ thống cân bằng điện tử [4] Ngoài ra, VDC là một trong những tiêu chuẩn quan frọng để đánh giá một chiếc ô tô Chính vì vậy, Bosch đang nghiên cứu

hệ thống VDC để nâng cao độ an toàn cho người sử dụng cũng như đáp ứng nhu cầu của các hãng xe cao cấp

Tại Việt Nam, ABS đã phổ biến hơn so với cách đây 5 năm Gần như tất cả các mẫu

xe mới ra mắt đều trang bị công nghệ an toàn tiên tiến này Trong đố phải kể đến các dòng xe của Toyota vốn đã chiếm lĩnh thị trường Việt Nam từ lâu Hệ thống chống bố cứng phanh ABS là hệ thống an toàn tiêu chuẩn được Ưang bị trên tất cả các mẫu xe do Toyota phân phối tại Việt Nam như Toyota Corrola Altis, Toyota Camry, Toyota Vios, Toyota Yaris, Toyota Fortuner, Toyota Innova Toyota Land Cruiser, Toyota Hiace, Toyota Hilux [5] Hiện nay các hãng xe rất cạnh tranh trong việc nghiên cứu và sản xuất

hệ thống chống bố cứng phanh ABS

Đối với hệ thống cân bằng điện tử VDC, tại Việt Nam từ lâu hệ thống này đã trở thành tiêu chuẩn để so sánh sự cao thấp giữa 2 xe với nhau Nếu bỏ đi hệ thống cân bằng điện

5

tử VDC, giá thành của một xe nhập về Việt Nam có thể giảm được 1000 USD trở lên, tính tại thời điểm năm 2007 [6] Những dòng xe như Toyota Innova 2016, Mazda (từ Mazda 3 đến Mazda 6), Chevrolet, Audi và BMW đều được trang bị hệ thống này Hiện nay hệ thống cân bằng điện tử VDC rất được các hãng xe quan tâm nghiên cứu

1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi của luận văn

Vì những lý do trên và thời gian thực hiện luận văn có giới hạn trong khoảng 5 tháng nên mục tiêu đề ra cho luận văn là:

+ Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) và hệ thống cân bằng điện tử (VDC) với chất lượng điều khiển mong muốn

Để đạt được mục tiêu nêu trên, các nhiệm vụ cụ thể cần thực hiện bao gồm:

+ Nghiên cứu tổng quan hệ thống chống bó cứng phanh và hệ thống cân bằng điện tử: nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và chất lượng điều khiển mong muốn của

hệ thống chống ABS và VDC

+ Phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống chống bó cứng phanh ABS: tính toán động học, động lực học, mô hình hóa hệ thống và thiết kế bộ điều khiển bằng Matlab Simulink

+ Phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống cân bằng điện tử VDC: tính toán động học, động lực học, mô hình hóa hệ thống và thiết kế bộ điều khiển bằng Matlab Simulink

Phạm vi luận văn: các thuật ngữ kỹ thuật, nguyên lý, tài liệu kỹ thuật được giới hạn trong phạm vi hệ thống của công ty Bosch tại Việt Nam

- Chương 3 sẽ đi sâu phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống ABS

- Chương 4 tập trung phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống VDC

6

- Chương 5 tổng kết những kết quả đạt được và đề xuất hướng phát triển của đề tài

+ Cấu tạo hệ thống ABS

+ Nguyên lý hoạt động hệ thống ABS

+ Chất lượng điều khiển mong muốn của hệ thống ABS

+ Cấu tạo hệ thống VDC

+ Nguyên lý hoạt động hệ thống VDC

+ Chất lượng điều khiển mong muốn của hệ thống VDC

2.1 Tồng quan hệ thống chống bó cứng phanh ABS

2.1.1 Cấu tạo hệ thống ABS

8 lũ 9 fl

7 3 2 1

Hình 2.1 Cấu tạo hệ thống ABS [7]

Hình 2.1 mô tả hệ thống ABS, bao gồm các thành phần của hệ thống phanh thông thường: bàn đạp phanh (1), trợ lực phanh (2), ống xi-lanh chính (3), bình chứa dầu

8

phanh (4), mạch phanh (5), ống mềm (6), phanh và ống phanh bánh xe (7) Để có được

hệ thống ABS cần có thêm các thành phần: cảm biến tốc độ bánh xe (8), bộ điều biến thủy lực (9), bộ điều khiển ECU (10), đèn cảnh báo (11) sẽ sáng khi ABS bị tắt

• Cảm biến tốc độ bánh xe

Hình 2.2 Cảm biến tốc độ bánh xe Cảm biến tốc độ bánh xe trong hình 2.2 dùng để đo tốc độ quay của bánh xe và chuyển tín hiệu điện đến bộ điều khiển Đầu cảm biến được gắn gần một bánh răng kim loại bên trong bi moay ơ như biểu diễn trong hình 2.3 Một chiếc xe có thể có 3 hoặc 4 cảm biến tốc độ bánh xe tùy thuộc vào mẫu mã của hệ thống ABS

Hình 2.3 Vị trí lắp đặt cảm biến tốc độ bánh xe

• Bộ điều khiển ECU

Bộ điều khiển ECU được tích hợp với bộ điều biến thủy lực như biểu diễn trong hình 2.4, có nhiệm vụ xử lý các tứi hiệu nhận được từ các cảm biến và gửi tín hiệu điều khiển cho bộ điều biến thủy lực để điều chỉnh áp lực khi tài xế đạp phanh Cụ thể 1, 2, 3 và 4

là đường thủy lực cấp từ bộ điều biến thủy lực vào thắng đĩa ở bốn

bánh xe; 5 và 6 là đường thủy lực cấp từ ống xì lanh chính vào bộ điều biến thủy lực

Sơ đồ bên trong của bộ điều biến thủy lực sẽ được giới thiệu cụ thể hơn ở phần sau

9

Hình 2.4 Bộ điều khiển ECU trong module ABS của Bosch

• Bộ điều biến thủy lực

Bộ điều biến thủy lực do nhiều van điện từ (van solenoid) hợp thành có khả năng làm giảm, giữ hoặc phục hồi áp lực phanh tác động lên mỗi bánh xe bằng cách điều khiển hoạt động đống mở của các van điện từ Hình 2.5 thể hiện mạch thủy lực của hệ thống ABS, trong đó:

- AC là bình chứa dầu phanh áp suất thấp

- M là động cơ của bơm hồi lưu

- HL là bánh sau bên trái

- HR là bánh sau bên phải

10

- VR là bánh trước bên phải

- VL là bánh trước bên ừái

Hình 2.5 Mạch thủy lực của hệ thống ABS [7]

Van nạp cố thể đống hoặc mờ dòng thủy lực giữa ống xi-lanh chính và má phanh, giữ vai trò điều khiển tạo ra áp lực phanh Van xả có thể đóng hoặc mở dòng thủy lực giữa

má phanh và bơm hồi lưu, giữ vai trò điều khiển làm giảm áp lực phanh Tùy theo điều kiện làm việc của các van điện từ, bộ đỉều biến thủy lực sẽ có ba trạng thái làm việc như biểu diễn ưong hình 2.6

11

c) Trạng thái giảm áp lực phanh Hình 2.6 Ba trạng thái làm việc của bộ điều biến thủy lực [7]

Các trạng thái làm việc của bộ điều biến thủy lực

+ Trạng thái tạo áp lực phanh (được biểu diễn ửong hình 2.6 a); các van điện từ ửong ửạng thái tạo lực phanh Van nạp mở, van xả đóng Khi đạp phanh, áp lực phanh sẽ tác dụng trực tiếp lên bánh xe

+ Trạng thái duy trì áp lực phanh (được biểu diễn ửong hình 2.6 b): khi tỷ lệ trượt tăng do

a) Trạng thái tạo áp lực phanh

b) Trạng thái duy trì áp lực phanh

12

đạp phanh ửên bề mặt đường trơn trượt hoặc do đạp phanh quá mạnh, khả năng bánh xe bị bó cứng cũng tăng theo Khi đó các van điện từ chuyển sang ửạng thái duy trì áp lực Van nạp đóng và van xả đóng, do đó dù có tăng áp lực ở ống xi- lanh chính (đạp phanh) thì áp lực phanh tác dụng lên bánh xe cũng không tăng thêm được

+ Trạng thái giảm áp lực phanh (được biểu diễn ửong hình 2.6 c): nếu tỷ lệ trượt của bánh

xe vượt quá giới hạn cho phép, áp lực phanh tác dụng cần phải giảm xuống Các van điện từ chuyển sang ửạng thái xả áp lực phanh Van nạp vẫn đóng, van xả mở và bơm hồi lưu hút dầu phanh về bình chứa Nhờ đó, áp lực phanh được giảm bớt và không xảy ra hiện tượng bó cứng bánh xe

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống ABS

Khi tài xế đạp phanh và vận tốc của xe lớn hơn một giá trị xác định, hệ thống ABS sẽ hoạt động điều khiển tăng giảm áp lực phanh tác động lên bốn bánh xe làm cho bốn bánh xe không

bị bó cứng Điều này được thực hiện bằng cách bộ điều khiển ECU nhận tín hiệu phản hồi từ các cảm biến và phát hiện các bánh xe có bị bó cứng hay không thông qua giá trị tỷ lệ trượt Xi của bốn bánh xe được tính bởi công thức (2.1) Sau đó, bộ điều khiển ECU gửi tín hiệu điều khiển đến bộ điều biến thủy lực điều khiển đóng mở các van điện từ để chuyển đổi qua lại giữa

ba trạng thái hoạt động của bộ điều biến thủy lực

Trong đó:

v x là vận tốc của xe Giá trị vận tốc tại thời điểm tài xế đạp phanh V Q được xác định bởi hệ

thống quản lý động cơ EMS Trong quá trình hệ thống ABS hoạt động, V x được tính toán bởi các phương trình động lực học

ỜJ( là vận tốc góc của bánh xe thứ i đo được nhờ các cảm biến tốc độ bánh xe

R là bán kính bánh xe

Tỷ lệ trượt Ài đánh giá sự trượt của xe, nếu Ài nhỏ thì xe khó chuyển động về phía trước Trường hợp Ài = 0, xe lăn không trượt Nếu Ầ.Í lớn thì xe bị trượt về phía trước, bánh xe bị bó cứng không thể điều khiển được xe Trường hợp Xi = 1, xe trượt không lăn Tỷ lệ trượt của bánh xe có mối liên hệ với hệ số ma sát giữa bánh xe với bề mặt đường như biểu diễn trong hình 2.7 Do đó, tỷ lệ trượt của bánh xe sẽ được kiểm soát sao cho hệ số ma sát tương ứng cao hay độ bám đường cao, đảm bảo tính ổn định cho xe

13

Hình 2.7 Đồ thị hệ số ma sát theo tỷ lệ trượt Ằ [7]

Trong đó:

- Đường 1 tương ứng với bề mặt đường bê tông khô

- Đường 2 tương ứng với bề mặt đường bê tông ướt

- Đường 3 tương ứng với bề mặt đường tuyết

- Đường 4 tương ứng với bề mặt đường băng

Khi bánh xe rơi vào tình trạng bị bó cứng, tỷ lệ trượt của bánh xe lớn hơn mức cho phép gây

ra sự mất kiểm soát Khi đó, hệ thống ABS sẽ tính toán điều chỉnh áp lực phanh tác động lên bánh xe để đảm bảo cho bánh xe không bị bó cứng

Ví dụ, nếu ECU nhận thấy một hay nhiều bánh xe có tỷ lệ trượt lớn hơn mức mong muon, ABS tự động giảm áp lực phanh tác động lên đĩa phanh Tương tự, nếu một

14

hay nhiều bánh xe có tỷ lệ trượt thấp hơn mức mong muốn, ABS cũng tự động tác động áp lực phanh trở lại

ABS giúp quá trình phanh được trơn tru, an toàn Nếu không có ABS, khi xảy ra hiện tượng

bó cứng phanh, tài xế không thể điều khiển được dẫn đến mất lái và gây nguy hiểm Khi ABS kích hoạt, chân phanh sẽ rung giật để báo cho tài xế biết nó đang hoạt động Hình 2.8 dưới đây

so sánh giữa xe có ABS và không có ABS trong

một số tình huống

Hình 2.8 So sánh giữa xe có ABS và không có ABS

2.1.3 Chất lượng điều khiển mong muốn của hệ thống ABS

Từ đồ thị mối quan hệ giữa hệ số ma sát với tỷ lệ trượt X được biểu diễn ttong hình 2.7, nhận thấy ứng với tỷ lệ trượt X trong khoảng từ 0.14-0.3, hệ số ma sát của bánh xe với bề mặt đường

có giá trị cao hay tính ổn định của hệ thống cao Trong khoảng từ 0.14-0.3, chọn tỷ lệ trượt mong muốn là Xd = 0.2 vì tỷ lệ trượt này là phù hợp nhất cho các dạng bề mặt đường

2.2 Tổng quan hệ thống cân bằng điện tử VDC

Những tai nạn trên đường có thể đến từ yếu tố con người hoặc do tác động từ bên ngoài Những yếu tố như vật cản xuất hiện bất ngờ hoặc quẹo cua khi đang lái ở tốc độ cao , có thể làm cho xe trở nên mất kiểm soát Lực do gia tốc ngang của xe khiến tài xế không thể điều khiển xe theo hướng mong muốn và taỉ nạn cố thể xảỵ ra Ví dụ xe frở nên mất điều khiển do tài xế quẹo cua với tổc độ cao Hình 2.9 minh họa các trạng thái lần lượt của xe khi mất điều khiển

Khá uãug kit Ill soat Phanh ỡ' đoạn ngan

15

Hình 2.9 Tài xế quẹo cua với tốc độ cao [7]

- Trạng thái 1: Tài xế quẹo cua, lực tác động do gia tốc ngang bắt đầu hình thành

- Trạng thái 2: Xe bắt đầu mất cân bằng do góc trượt ngang của xe quá lớn

- Trạng thái 3: Tài xế trả tay lái và mất điều khiển

- Trạng thái 4: Xe trở nên không thể điều khiển được

- Cảm biến góc lái chủ động trên vô lăng (3) thể hiện trong hình 2.11, dùng để đo gốc lái của tài xế

Hình 2.11 Cảm biến gốc lái chủ động trên vô lăng

- Cảm biến góc xoay tích hợp với cảm biến gia tốc (4) thề hiện trong hình 2.12, dùng để đo gỏc xoay và gia tốc