ĐIỀU KHIỂN LỰC KÉO CHO ÔTÔ ĐIỆNTRÊN CƠ SỞ ƯỚC LƯỢNG TỈ SỐ TRƯỢT - Bao cao đồ án tốt nghiệp chuyên ngành tự động hóa BKHN (10)

Sau quá trình làm việc, đồ án đề xuất phương án điều khiển lực kéo động cơ theophương pháp Ước lượng mô men cực đại Maximum Transmissible Torque Estimation.Bên cạnh đó, do yêu cầu của p

VIỆN ĐIỆN

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA CÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hà Nội, 5/2018

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp "ĐIỀU KHIỂN LỰC KÉO CHO ÔTÔ ĐIỆNTRÊN CƠ SỞ ƯỚC LƯỢNG TỈ SỐ TRƯỢT" là do em tự thực hiện với sự hướng dẫncủa thầy Võ Duy Thành Mọi số liệu và kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa hề được

sử dụng Các tài liệu tham khảo cho đồ án này đều được cảm ơn và trích dẫn trong phầntài liệu tham khảo Nếu sai, em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi sự kỷ luậtcủa bộ môn và nhà trường đề ra

Hà Nội, ngày 19 tháng 05 năm 2018

Sinh viên

Nguyễn Văn Quỳnh

Mục lục

Lời mở đầu 7

Chương 1 Giới thiệu chung 9

1.1 Các định nghĩa 9

1.1.1 Điều khiển lực kéo (Traction Control) 9

1.1.2 Tỉ số trượt 10

1.2 Tầm quan trọng của điều khiển lực kéo và tỉ số trượt 11

1.3 Các phương pháp điều khiển lực kéo hiện nay 13

1.3.1 Phương pháp điều khiển tỉ số trượt trong khoảng ổn định 13

1.3.2 Phương pháp điều khiển chính xác tỉ số trượt 14

1.3.3 Phương pháp điều khiển chống trượt dựa trên cơ sở giới hạn mô men truyền cực đại (MTTE) 15

1.4 Các phương pháp ước lượng tỉ số trượt đã công bố 16

1.4.1 Ước lượng tỉ số trượt thông qua mô hình động học 16

1.4.2 Ước lượng tỉ số trượt thông qua ước lượng vận tốc 17

1.5 Đề xuất của đồ án 17

Chương 2 Ước lượng tỉ số trượt 20

2.1 Mô hình hóa hệ thống xe ô tô 20

2.2 Ước lượng tỉ số trượt 23

Chương 3 Điều khiển chống trượt 26

3.1 Ước lượng mô men truyền cực đại (MTTE) 26

3.2 Đề xuất thuật toán điều khiển chống trượt 28

3.3 Kết quả mô phỏng 31

Chương 4 Xây dựng hệ thống thực nghiệm 35

4.1 Cấu trúc hệ thống mô phỏng Hardware-in-the-loop 35

4.1.1 Mô phỏng Hardware-in-the-loop 35

4.1.2 Cấu hình hệ thống Hardware-in-the-loop cho ô tô điện 36

4.2 Xây dựng hệ thống Hardware-in-the-loop 37

4.2.1 Rời rạc hóa các thành phần điều khiển 38

4.2.2 Card điều khiển dSPACE 1103 39

4.2.3 Kit dzsp TMS320F28335 41

4.2.4 Matlab Control Desk 44

4.2.5 Các thành phần hỗ trợ hệ thống 44

Chương 5 Kết quả thực nghiệm 47

5.1 Kịch bản thực nghiệm 47

5.2 Kết quả thực nghiệm HIL 47

Chương 6 Kết luận 54

Phụ lục 55

Tài liệu tham khảo 56

Danh sách hình vẽ

1.1 Mối quan hệ của tỉ số trượt và hệ số ma sát 11

1.2 Mô tả tác dụng của bộ điều khiển lực kéo 12

1.3 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển tỉ số trượt trong khoảng ổn định 14

1.4 Cấu trúc hệ điều khiển trên cơ sở điều khiển trượt SMC 15

1.5 Xe ô tô điện I-MieV 18

2.1 Các lực tác động lên xe ô tô 20

2.2 Mô hình toán học của ô tô điện 21

2.3 Mối quan hệ giữa tỉ số trượt và hệ số ma sát thông qua phương trình Pacejka 22 2.4 Mô hình bộ ước lượng tỉ số trượt 24

3.1 Mô hình toán học của ô tô điện 27

3.2 Cấu hình bộ điều khiển theo phương pháp MTTE 28

3.3 Cấu trúc hệ điều khiển lực kéo trên cơ sở giới hạn mô men truyền cực đại 31 3.4 So sánh vận tốc xe và vận tốc bánh xe 32

3.5 So sánh mô men đặt vào động cơ 33

3.6 So sánh tỉ số trượt của xe 33

4.1 Cấu hình hệ thống Hardware-in-the-loop 37

4.2 Cấu hình thực nghiệm hệ thống Hardware-in-the-loop 38

4.3 Cấu trúc hệ điều khiển lực kéo trên cơ sở giới hạn mô men truyền cực đại 39 4.4 Card điều khiển số dSPACE 1103 40

4.5 Thư viện RTI1103 42

4.6 Thư viện RTI CAN Blockset 42

4.7 Sơ đồ ngoại vi của TMS320F28335 43

4.8 Giao diện ứng dụng của Control Desk 44

4.9 Bộ vô lăng BETOP 45

4.10 Giao diện và cấu hình thực tế của hệ thống mô phỏng 45

5.1 Kết quả thực nghiệm xe khi không điều khiển 49

5.2 Kết quả thực nghiệm với phương pháp MTTE 50

5.3 Kết quả thực nghiệm với phương pháp MTTE cải tiến với K=2,78 51

5.4 Kết quả thực nghiệm với phương pháp MTTE cải tiến với K=20 52

5.5 Kết quả thực nghiệm với phương pháp MTTE cải tiến với K=40 53

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

MTTE Maximum Torque Transmision Estimation Ước lượng mô men truyền cực đại

Lời mở đầu

Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học – kỹ thuật, ngành công nghiệp ô tôcũng phát triển mạnh mẽ nhằm thỏa mãn nhu cầu của khách hàng về an toàn, tiện nghi,thời trang Các hãng sản xuất ô tô đã tích hợp nhiều hệ thống tiên tiến Tuy nhiên, xe ô tôđang gặp những khó khăn như nguồn nhiên liệu chất đốt ngày càng cạn kiệt và việc tiêuthụ xăng dầu là một trong những nguyên nhân gây lên hiện tượng nóng lên toàn cầu

Nhằm khắc phục nhược điểm này, các nhà khoa học cùng các hãng xe ô tô đã nghiêncứu và phát triển dòng sản phẩm xe ô tô chạy bằng điện hoàn toàn thân thiện với môitrường Đi liền với việc ô tô điện ra đời là hàng loạt vấn đề kèm theo như sạc pin, khởiđộng, điều khiển, chống trượt bánh để đảm bảo cho ô tô hoạt động ổn định cũng như

sự an toàn cho người điều khiển

Một vấn đề đặt ra để đảm bảo an toàn cho người lái cũng như những người ngồi trên

xe ô tô điện là khắc phục tình trạng trượt bánh, gây ra nguy cơ mất lái trong quá trìnhtăng tốc hoặc khi xe đi vào các môi trường trơn trượt, có độ bám đường thấp Hướng điềukhiển là điều khiển lực kéo hay chính là mô men xoắn của động cơ khi xảy ra hiện tượngtrên Mục đích của đồ án này là thiết kế một phương pháp điều khiển lực kéo (TractionControl System - TCS) tối ưu cho ô tô điện Nếu các lực lái trên bánh xe được điều khiểntốt, hiệu năng của quá trình lái được cải thiện rõ rệt, tăng độ tin cậy và an toàn cho ngườilái

Sau quá trình làm việc, đồ án đề xuất phương án điều khiển lực kéo động cơ theophương pháp Ước lượng mô men cực đại ( Maximum Transmissible Torque Estimation).Bên cạnh đó, do yêu cầu của phương pháp này cần sử dụng tỉ số trượt của xe nên đồ án

đề xuất thiết kế bộ ước lượng tỉ số trượt của xe

Bố cục của đồ án gồm 6 chương:

• Chương 1: Trình bày khái niệm tổng quan về ô tô điện, điều khiển lực kéo và tỉ

số trượt Tiếp theo là các phương pháp điều khiển lực kéo và ước lượng tỉ số trượt

đã có cũng như ưu nhược điểm của từng phương pháp Cuối chương đặt ra vấn đề

chính của đồ án.

• Chương 2: Trình bày phương pháp ước lượng tỉ số trượt.

• Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển lực kéo theo phương pháp Ước lượng mô men

cực đại và mô phỏng kiểm chứng

• Chương 4: Xây dựng hệ thống thực nghiệm.

• Chương 5: Trình bày kết quả thực nghiệm của phương pháp điều khiển.

• Chương 6:Kết luận.

Do thời gian thực hiện đồ án không nhiều, kiến thức còn hạn chế nên khi làm đồ ánkhông tránh khỏi những hạn chế và sai sót Em mong nhận được sự góp ý và những ýkiến phản biện của quý thầy cô và bạn đọc Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 19 tháng 05 năm 2018

Sinh viên

Nguyễn Văn Quỳnh

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1.1 Điều khiển lực kéo (Traction Control)

Điều khiển lực kéo (Traction Control System – TCS) là phương pháp điều khiển bằngcách giới hạn lực lái trên các bánh xe nhằm hạn chế hiện tượng trượt lốp xe khi xe đi trênmặt đường trơn trượt, có độ bám đường thấp trong quá trình tăng tốc Với mục đích này,điều khiển lực kéo được coi là một trong những phần điều khiển chính cho phương tiện,được phát triển để đảm bảo mô men đầu ra đạt được hiệu quả cao nhất Điều khiển lựckéo hay điều khiển tỉ số trượt suy cho cùng cũng nhằm một mục đích là chống trượt cho

xe Chương 3 đồ án sẽ trình bày phương pháp chống trượt xe dùng điều khiển lực kéo.Khi một chiếc xe không có hệ thống điều khiển lực kéo cố gắng tăng tốc trên các bề mặtđường trơn trượt như băng, tuyết, sỏi hoặc cát, các bánh xe có thể bị trượt Kết quả làbánh xe quay nhanh trên mặt đường nhưng thực tế là xe không chuyển động hoặc chuyểnđộng rất chậm Hiện tượng trượt bánh được thể hiện thông qua tỉ số trượt, được tính toánthông qua sai lệch giữa tốc độ xe và tốc độ bánh xe Trong điều kiện thông thường khi tỉ

số trượt được giữ ở mức ổn định, xe sẽ hoạt động ổn định và an toàn Nhưng khi xảy rahiện tượng trơn trượt thì đồng thời tỉ số trượt cũng tăng lên cao dẫn tới người lái gặp khókhăn trong việc điều khiển xe và hệ quả là có thể gây ra tai nạn

Hoạt động của hệ thống điều khiển lực kéo thể hiện rõ ràng trong một số tình huốngkhi xe ô tô tăng tốc, bánh xe quay nhanh mà xe chỉ từ từ đi rất chậm chứ không phóngnhanh Đó chính là do mất ma sát giữa bánh xe với mặt đường, tốc độ của xe khôngtương thích với số vòng quay của bánh và công suất động cơ Trong trường hợp này, hệthống TCS sẽ can thiệp bằng cách hạn chế mô men sinh ra để độ tiếp xúc giữa lốp vàmặt đường đạt tốt nhất

Ngoài yếu tố bảo vệ môi trường, động cơ điện có nhiều ưu điểm lớn so với động cơđốt trong (ICE) như:

• Đáp ứng mô men xoắn nhanh: Tốc độ đáp ứng mô men của động cơ điện nhanh gấp

100 đến 500 lần động cơ đốt trong Ví dụ trong động cơ đốt trong, thời gian cầnthiết để khởi động xe sau khi đạp ga là 200ms Nhưng phản hồi thực tế thì chậmhơn nhiều do sự chậm trễ trong các cơ cấu cơ học Trong khi đó thời gian phản hồicủa mô men động cơ điện nhỏ hơn 10ms

• Dễ dàng tính toán được mô men của động cơ: Trong động cơ đốt trong, việc tínhtoán được mô men động cơ là rất khó khăn nếu không muốn nói là không thể.Nhưng với động cơ điện thì ta hoàn toàn có thể tính toán được mô men xoắn củađộng cơ thông qua dòng điện chạy trong động cơ

• Động cơ được trang bị độc lập cho mỗi bánh xe: Hiện tại chúng ta đã có động cơgắn liền với từng bánh xe, tức là mỗi bánh xe có một động cơ riêng biệt Nhưng đikèm với việc có động cơ gắn liền với bánh xe thì việc điều khiển chuyển động của

xe sẽ phức tạp hơn thông thường

Những ưu thế này giúp việc điều khiển lực kéo thuận lợi hơn rất nhiều so với điều khiểntrên ô tô chạy xăng truyền thống khi mà tốc độ đáp ứng mô men nhanh và có thể đo đạc

Vω là tốc độ quay của bánh xe

V là tốc độ dài của xe

ε là một hằng số có giá trị rất nhỏ so với 1 để tránh trường hợp mẫu số bằng 0

Trong nội dung đồ án chỉ nghiên cứu quá trình xe tăng tốc nên ta mặc định rằng giá trịmax(Vω,V) = Vω trong toàn bộ thời gian Vậy giá trị tỉ số trượt:

λ = Vω−V

Hình (1.1) thể hiện mối quan hệ giữa tỉ số trượt và hệ số ma sát giữa bánh xe với mặtđường Khi xe di chuyển trên mặt đường tốt thì hệ số ma sát sẽ cao nhất, tỉ số trượt nhỏ

Hình 1.1: Mối quan hệ của tỉ số trượt và hệ số ma sát

nhất và tăng dần đối với các mặt đường trơn Việc xác định được tỷ số trượt sẽ cho ta biếtđược trạng thái của xe ở mỗi loại điều kiện mặt đường Vận tốc xe là một thành phần cơbản để xác định được tỷ số trượt Tuy nhiên, để xác định được chính xác vận tốc của xe

là rất khó Việc đo được tốc độ của xe yêu cầu phải lắp đặt các cảm biến ở các bánh xekhông có dẫn động hoặc tích phân giá trị của gia tốc Nhưng nếu dùng phép tích phân,tín hiệu cảm biến của gia tốc có thể bị nhiễu sẽ dẫn đến giá trị vận tốc thu được khôngchính xác Chương 2 đồ án sẽ đề xuất phương pháp ước lượng giá trị tỉ số trượt để dùngcho việc điều khiển

1.2 Tầm quan trọng của điều khiển lực kéo và tỉ số trượt

Ở đường có hệ số ma sát thấp, bánh xe chủ động sẽ bị quay tại chỗ nếu xe khởi hànhhay tăng tốc nhanh, làm mất mát mô men chủ động và làm cho bánh xe có có thể trượt

Mô men cực đại sinh ra từ động cơ truyền cho bánh xe được quyết định bởi hệ số ma sátgiữa lốp xe và mặt đường Nếu có truyền mô men đến các bánh xe vượt qua giới hạn vềlực bám của lốp với mặt đường, nó sẽ làm bánh xe trượt quay Việc đảm bảo mô menphù hợp với hệ số ma sát trong trường hợp này đôi khi không dễ dàng đối với người lái

Ở phần lớn các trường hợp, khi khởi hành xe đột ngột, người lái đạp chân ga quá nhanh

và làm bánh xe bị trượt quay, mất mát lực kéo và mô men Hệ thống TCS giảm mô menxoắn của động cơ khi bánh xe bắt đầu trượt quay không phụ thuộc vào ý định của ngườilái, cùng lúc đó nó điều khiển hệ thống phanh tác động làm giảm mô men truyền đếnmặt đường tới một giá trị phù hợp Vì vậy có thể khởi hành và tăng tốc một cách nhanh

Hình 1.2: Mô tả tác dụng của bộ điều khiển lực kéo

chóng và ổn định

Để ô tô có thể chuyển động được thì vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường phải

có độ bám nhất định Mối liên hệ này được đặc trưng bởi tỉ số trượt Như khái niệm ởtrên, tỉ số trượt phụ thuộc vào sự chênh lệch tốc độ dài của xe và tốc độ bánh xe, tác độngtrực tiếp đến việc lái xe và làm chủ được tốc độ của người lái nên điều khiển tỉ số trượtcho xe ô tô có tính chất vô cùng quan trọng Điểu khiển được tỉ số trượt ổn định ở giá trịtối ưu sẽ giúp xe hoạt động ổn định, hạn chế các tình huống xấu phát sinh

Trong quá trình hoạt động của xe, mô men hay lực kéo xe chuyển động giữ vai tròchính giúp xe tiến về phía trước Hơn nữa đối với ô tô điện, đáp ứng mô men xoắn nhanh(tốc độ đáp ứng mô men của động cơ điện nhanh gấp 100 đến 500 lần động cơ đốt trong)nên việc điều khiển lực kéo có tốc độ tác động nhanh hơn nhiều so với điều khiển cácyếu tố gián tiếp khác Lực kéo tác động trực tiếp tới sự thay đổi tốc độ bánh xe và tốc

độ dài của xe Chính sự chênh lệch của chúng lại dẫn đến sự thay đổi của tỉ số trượt Vìvậy, có thể nói lực kéo và tỉ số trượt có mối quan hệ chặt chẽ với nhau trong tổng thểhoạt động của ô tô Và quá trình điều khiển lực kéo và điều khiển tỉ số trượt cũng gây

ra những tác động qua lại nên thông thường, người ta thường kết hợp hài hòa việc điềukhiển chúng sao cho xe có thể hoạt động ổn định và an toàn nhất

1.3 Các phương pháp điều khiển lực kéo hiện nay

Có rất nhiều phương pháp điều khiển lực kéo đã được công bố và thử nghiệm chialàm ba hướng chính:

• Điều khiển tỉ số trượt trong khoảng ổn định: Tuyến tính hóa quanh điểm làm việckết hợp với bộ điều khiển PI

• Điều khiển chính xác tỉ số trượt: Nổi bật là phương pháp điều khiển Sliding ModeControl (SMC)

• Điều khiển chống trượt trên cơ sở giới hạn mô men truyền cực đại: Phương phápnày tránh đi mối quan hệ phi tuyến giữa tỉ số trượt và hệ số ma sát do không thểkiểm soát chính xác được mối quan hệ giữa chúng

1.3.1 Phương pháp điều khiển tỉ số trượt trong khoảng ổn định

Phương pháp được trình bày trong tài liệu [1].Trong phương pháp này , mô hình tuyếntính hóa quanh điểm làm việc được sử dụng để mô tả quan hệ giữa mô men động cơ saukhi quy đổi sang lực Fm và tỉ số trượt xây dựng theo phương trình:

Slip Ratio Controller

Road Condition Estimator

Torque Command

Actual Torque Command

I

com

I

Hình 1.3: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển tỉ số trượt trong khoảng ổn định

1.3.2 Phương pháp điều khiển chính xác tỉ số trượt

Nghiên cứu điển hình cho phương pháp này là phương pháp điều khiển Sliding ModeControl - SMC [2] [3] Cấu trúc điều khiển của phương pháp này được thể hiện trên hình(1.4) Lệnh điều khiển từ người lái chính là giá trị Tcom được lấy làm đầu vào cho hệthống Qua mô hình xe điện Tcom sẽ được biến đổi và cho đầu ra là tỉ số trượt λ Khi nào

có sự thay đổi về tỉ số trượt λ thể hiện ở sự sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị thực, bộđiều khiển sẽ đưa ra một lượng mô men bù Tm để bù vào lượng đặt Tcom Giá trị đặt λ∗này chính là giá trị tỉ số trượt tối ưu cho loại mặt đường xe đang hoạt động đảm bảo xe

có độ bám đường tối thiểu

Luật điều khiển Tm được viết theo phương trình sau:

Tm= 1b

EV Model

SlidingModeControl

+

-

-+

Hình 1.4: Cấu trúc hệ điều khiển trên cơ sở điều khiển trượt SMC

Các thành phần còn lại được tính toán như sau:

Φ− Φ ≤ s ≤ Φ1s > Φ

Kết quả điều khiển của phương pháp này khá tốt, đạt được độ chính xác trong điều khiển

và đặc biệt làm giảm được hiện tượng chattering phát sinh trong điều khiển Nhưng mặtkhác tốc độ đáp ứng của phương pháp chậm, luật điều khiển quá phức tạp với rất nhiềugiả thiết lý tưởng được đặt ra và phải ước lượng nhiều giá trị tham số

1.3.3 Phương pháp điều khiển chống trượt dựa trên cơ sở giới hạn mô men truyền

cực đại (MTTE)

Phương pháp này được xây dựng để tránh đi mối quan hệ phi tuyến giữa tỉ số trượt và

hệ số ma sát do không thể kiểm soát chính xác được mối quan hệ giữa chúng [4] Một

hệ số α được đề xuất để thể hiện mối quan hệ động học giữa gia tốc bánh xe và gia tốc

của xe:

α =

˙V

˙

Vw

= (Fd− Fdr)Jw(T − Re f fFd)Re f fM

Từ phương trình trên suy ra được giá trị mô men cực đại:

M là khối lượng xe (tính cả tải)

Jwlà mô men quán tính bánh xe

Fd là lực lái xe (driving force)

Phương pháp này đã được thử nghiệm trên cả mô phỏng và lý thuyết và cho thấy bộước lượng mô men hoạt động khá hiệu quả khi đi vào đường trơn Nhưng việc chọn giátrị α bằng 0,9 mang tính kinh nghiệm và không thể thể hiện hết được các trạng thái của

xe khi hoạt động Hơn nữa bộ điều khiển này chỉ hoạt động tốt ở miền tốc độ xe thấp,khi tốc độ lên cao thì bộ điều khiển rơi vào trạng thái mất kiểm soát

1.4 Các phương pháp ước lượng tỉ số trượt đã công bố

1.4.1 Ước lượng tỉ số trượt thông qua mô hình động học

Phương pháp ước lượng này của giáo sư K.Fujii và H.Fujimoto đề cập trong tài liệu

"Traction Control based on Slip Ratio Estimation Without Detecting Vehicle Speed for

Electric Vehicle" [5] Công thức ước lượng theo phương pháp này như sau:

ˆ˙

λ = −

˙ωω

T là mô men đặt vào động cơ

Phương pháp này cho giá trị ước lượng khá chính xác nhưng lại có nhiều nhược điểmkhó khắc phục Thứ nhất là phụ thuộc giá trị khối lượng M Trong quá trình hoạt độngnếu tổng khối lượng M của xe thay đổi (khi thêm người, thêm hàng hóa ) thì công thứcnày không còn chính xác mà phải tính toán nạp lại giá trị M mới thì bộ ước lượng mớihoạt động chính xác Thứ hai, bộ ước lượng hoạt động không chính xác trong giai đoạn

xe đi hết đoạn đường trơn và chuyển sang mặt đường tốt Giá trị gia tốc quay quanh bánh

xe ˙ω tạo nhiều nhiễu phát sinh

1.4.2 Ước lượng tỉ số trượt thông qua ước lượng vận tốc

Phương pháp này tính toán dựa trên công thức định nghĩa của tỉ số trượt công thức(1.2) Dùng cảm biến để đo vận tốc dài của bánh xe cũng như vận tốc dài của ô tô Từ

đó theo công thức (1.2) để tính toán ra được tỉ số trượt Phương pháp này sử dụng côngthức tính toán đơn giản nhưng vấn đề đo vận tốc bằng cảm biến hiện tại khác khó khăn

và chi phí quá cao, không phù hợp với điều kiện nghiên cứu và sản xuất thực tiễn

Nhìn chung, các phương pháp ước lượng tỉ số trượt hiện tại đều có những nhược điểmkhá lớn cần khắc phục Vì vậy đồ án đề xuất một phương pháp ước lượng tỉ số trượt màkhông cần dùng tới ước lượng hay đo đạc vận tốc để khắc phục việc phụ thuộc vào cácgiá trị khối lượng M, quán tính bánh xe Jw và chi phí quá cao của cảm biến tốc độ Từphương pháp ước lượng đó và tính khả thi của phương pháp MTTE, nhóm đồ án quyết

định chọn đề tài: "Điều khiển lực kéo cho ô tô điện trên cơ sở ước lượng tỉ số trượt"

với định hướng cải tiến phương pháp điều khiển lực kéo dựa trên ước lượng mô men cựcđại, giúp bộ điều khiển có thể hoạt động một cách hiệu quả không chỉ ở miền tốc độ thấp

mà còn đảm bảo sự hoạt động ổn định của ô tô

Cấu trúc nghiên cứu của đồ án gồm có:

• Đối tượng nghiên cứu là xe ô tô điện(EV) i-MiEV của hãng Mitsubishi

• Nền tảng nghiên cứu và thực nghiệm là hệ thống Hardware-in-the-loop được xâydựng cho ô tô điện

• Vi điều khiển sử dụng là Card điều khiển eZdsp TMS320F28335

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là xe ô tô điện I-MiEV của hãng Mitsubishi Cácthông số của xe và bộ điều khiển như bảng (1.1)

Mitsubishi i-MiEV nặng 1.080kg, có chiều dài 3,396m, chiều rộng 1,475m và cao1,600m Chiếc xe sử dụng hệ thống pin Lithium-ion 16kWh, động cơ 47KW cho côngsuất 63 HP và mô men xoắn cực đại 133Lb-ft, có khả năng đạt tốc độ cực đại 130km/h.

Xe i-MiEV có khả năng chạy quãng đường 120km sau mỗi lần sạc đầy điện Có thể sạcđiện cho hệ thống pin của xe i-MiEV bằng nguồn điện 110V hoặc 220V tại gia đình Hệthống pin được sạc đầy trong thời gian 7-14 tiếng

Kết luận chương

Chương 1 đã trình bày các khái niệm tổng quan về ô tô điện, điều khiển lực kéo và tỉ

số trượt Tiếp theo là các phương pháp điều khiển lực kéo và ước lượng tỉ số trượt đã cócũng như ưu nhược điểm của phương pháp Chương 2 sẽ đề xuất phương pháp ước lượng

tỉ số trượt mới

CHƯƠNG 2 ƯỚC LƯỢNG TỈ SỐ TRƯỢT

2.1 Mô hình hóa hệ thống xe ô tô

Hình 2.1: Các lực tác động lên xe ô tô

Hình 3.1 thể hiện các lực tác động lên ô tô khi chuyển động thẳng Nếu bỏ qua lực

ma sát lăn và lực ma sát với không khí Đặc tính của xe thể hiện qua các phương trình:

T là mô men sinh ra bởi động cơ, quy đổi về trục bánh xe

Fd là lực ma sát sinh ra bởi tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường

Jwlà mô men quán tính bánh xe

ω là tốc độ quay của bánh xe

V là vận tốc dài của xe

Fdrlà lực cản trở chuyển động của xe

Vwký hiệu cho vận tốc của bánh xe.

Hình 2.2: Mô hình toán học của ô tô điện

luôn lớn hơn 0 Tỉ số trượt được tính toán:

λ = Vω−V

Khối Pacejka’s Magic Fomular hay µ − λ function thể hiện quan hệ giữa tỉ số trượt với

hệ số ma sát của mặt đường Đầu vào là giá trị tỉ số trượt λ , đầu ra là hệ số ma sát Mốiquan hệ này thể hiện qua phương trình:

Hình 2.3: Mối quan hệ giữa tỉ số trượt và hệ số ma sát thông qua phương trình Pacejka

2.2 Ước lượng tỉ số trượt

Phương trình (2.3) được viết lại như sau:

ω −ω˙ω

Xét phương trình (2.7), các giá trị gia tốc của xe ax, tốc độ quay của bánh xe ω, tốc

độ góc của bánh xe ˙ω hoàn toàn có thể đo được bằng các cảm biến gia tốc và tốc độquay Chỉ còn giá trị λ là không thể đo được Vì vậy cần phải có một bộ ước lượng tỉ sốtrượt λ Cũng xuất phát từ phương trình (2.7), đồ án đề xuất một bộ ước lượng tỉ số trượtnhư sau:

Vehicle Model

Estimator T*

Hình 2.4: Mô hình bộ ước lượng tỉ số trượt

H.Fujimoto trong tài liệu "Traction Control based on Slip Ratio Estimation WithoutDetecting Vehicle Speed for Electric Vehicle" [5] thì phương pháp này yêu cầu tính toánđơn giản hơn rất nhiều mà vẫn đem lại độ chính xác tương đương Phương trình tính toáncủa phương pháp này:

Jwlà mô men quán tính của xe

M là tổng khối lượng của xe

Bộ ước lượng của giáo sư K.Fujii và H.Fujimoto phải phụ thuộc vào các giá trị khốilượng xe, mô men quán tính của xe tức là các giá trị ứng với từng xe cụ thể Việc này gây

ra một khó khăn là ứng với mỗi xe lại cần phải có một bộ thiết kế với giá trị khối lượng

xe riêng ( mà đầu tiên là việc đo khối lượng) Nhưng bộ ước lượng mới đề xuất thì chỉquan tâm đến gia tốc, tốc độ quay của bánh xe những giá trị hoàn toàn đo được nhờ cảmbiến Tuy nhiên, vẫn chưa hạn chế được một khuyết điểm chung của các bộ ước lượng đó

là sử dụng phần tử đạo hàm Điều này sẽ gây ra nhiễu tín hiệu rất lớn cho mô hình tính

toán cũng như các mô hình ghép nối với nó Để hạn chế nhiễu, đồ án đã thêm một khốilọc thông thấp để giảm thiểu nhiễu tín hiệu.

Kết luận chương

Như vậy chương 2 của đồ án đã đề xuất phương pháp ước lượng tỉ số trượt mới,đơn giản, đáp ứng nhanh và chính xác, khắc phục được một số nhược điểm của phươngpháp cũ Chương 3 sẽ trình bày thuật toán điều khiển chống trượt dựa trên phương phápMTTE

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TRƯỢT

Mối quan hệ phức tạp giữa tỉ số trượt λ và hệ số ma sát µ là mối quan hệ phi tuyến

vô cùng phức tạp Vậy nên khi thiết kế bộ điều khiển sử dụng mối quan hệ này sẽ dẫnđến những trường hợp mô hình hoạt động ở trạng thái không mong muốn Để tránh mốiquan hệ phức tạp này, đồ án đề xuất một phương án điều khiển bằng cách giới hạn mômen sao cho mô men không vượt qua giá trị có thể gây ra hiện tượng trượt bánh, dẫntới xe trượt, mất an toàn Phương pháp này chỉ phụ thuộc vào mối quan hệ động lực họcgiữa lốp xe và thân xe Phương pháp này xuất phát từ ba quan điểm:

• Mối quan hệ giữa lốp xe và thân xe ( khung gầm) của bất cứ loại lốp xe nào được

sử dụng trong các ô tô điện hiện nay đều đã được nghiên cứu hoàn chỉnh

• Trong quá trình tăng tốc, ngoài việc theo dõi sự ổn định và độ mài mòn của lốp xe,việc kiểm soát tốt sự chênh lệch vận tốc giữa bánh xe và thân xe là quan trọng hơnviệc đơn thuần tăng tốc tới mức tối đa

• Nếu việc kiểm soát được quá trình tăng tốc của bánh xe và thân xe một cách hiệuquả thì sự khác biệt về vận tốc giữa chúng là không lớn, tức là kiểm soát được độtrượt

Quay trở lại mô hình toán học của xe ô tô điện, theo các công thức (2.1a) và (2.1b), lựclái xe Fd thể hiện được tương tác giữa lốp xe với mặt đường được tính theo công thức Nếu T là không đồi có thể thấy giá trị Vw càng cao thì Fd càng thấp Trong điều kiện lái

xe thông thường, lực Fd nhỏ hơn lực ma sát tối đa với mặt đường và tăng khi T tăng lên.Tuy nhiên, khi xảy ra trượt, lực Fd cân bằng với lực ma sát tối đa và không thể tăng theo

T Hai giá trị Jwvà Re f f là giá trị ta luôn có được Vậy công thức tính lực lái Fd:

Hình 3.1: Mô hình toán học của ô tô điện

là chênh lệch giữa gia tốc quay của bánh xe với thân xe cũng tăng dần Khi độ trượt cànglớn thì sự chênh lệch này càng tăng Do đó, điều kiện để không bị trượt hoặc hiện tượngtrượt không trở lên quá nghiêm trọng thì phải làm cho gia tốc của bánh xe và thân xebám sát nhau Xét theo mối quan hệ giữa tỉ số trượt λ và hệ số ma sát µ, vẫn cần phải

có một lượng chênh lệch vận tốc nào đó giữa bánh xe và thân xe để tạo điều kiện hìnhthành lực kéo Hệ số α được đề xuất để thể hiện mối quan hệ động học giữa gia tốc bánh

xe và gia tốc của xe:

α =

˙V