Tài liệu Nghiên cứu hệ thống abs dẫn động khí nén [tt]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hồ Hữu Hùng NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ABS DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 62520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – 2015 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Lưu Văn Tuấn 2. PGS. TS. Đào Mạnh Hùng Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: 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 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Trên thế giới, các hãng sản xuất lớn đã nghiên cứu rất sâu về hệ thống ABS, có thực nghiệm kiểm chứng và đã ứng dụng thương mại vào hầu hết các loại xe. Tuy nhiên các tài liệu, kết quả nghiên cứu là tư liệu riêng của các hãng, không được công bố hoặc có công bố chỉ mang tính chất hướng dẫn sử dụng. Trong khi đó, các xe tải hiện đang sử dụng trong nước đa số sử dụng hệ thống phanh khí nén và không có ABS. Do đó, việc nghiên cứu, làm chủ kỹ thuật ABS khí nén có ý nghĩa thực tiễn đối với ngành công nghiệp ô tô trong nước. Đề tài khoa học công nghệ cấp nhà nước: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống ABS cho hệ thống phanh khí nén dùng trên ô tô lắp ráp tại Việt Nam”, mã số KC.03.05/11-15 (sau đây gọi tắt là đề tài KC.03.05/11-15) do Trường Đại học Bách khoa Hà Nội chủ trì thực hiện nhiều nội dung nghiên cứu, chế tạo các cụm chi tiết trong hệ thống ABS. Trong các nội dung nghiên cứu của đề tài KC.03.05/11-15, nội dung nghiên cứu, chế tạo bộ điều khiển điện tử yêu cầu có các kết quả nghiên cứu chi tiết về phương pháp và thuật toán điều khiển ABS và giá trị ngưỡng điều khiển ABS. Đây là vấn đề nghiên cứu không được các hãng công bố, cần phải có phương pháp nghiên cứu khoa học, trang thiết bị hiện đại để hoàn thiện nghiên cứu. Xuất phát từ những yêu cầu thực tế trên, nghiên cứu sinh chọn đề tài: “Nghiên cứu hệ thống ABS dẫn động khí nén” nhằm triển khai một số nội dung nghiên cứu của đề tài KC.03.05/11-15. Mục đích nghiên cứu Luận án được thực hiện nhằm nghiên cứu, đề xuất phương pháp điều khiển, thuật toán điều khiển và xác định giá trị ngưỡng điều khiển cho hệ thống phanh khí nén có ABS trên xe ô tô tải. Kết quả nghiên cứu của luận án là các thông số quan trọng cho đề tài KC.03.05/11-15 ứng dụng để chế tạo bộ điều khiển điện tử cho hệ thống phanh khí nén có ABS. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Hiện nay trong nước có nhiều doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp ô tô sử dụng hệ thống phanh khí nén với sản lượng và chủng loại ngày càng tăng. Tuy nhiên đa số các chủng loại ô tô này chưa được trang bị ABS. Do đó, việc nghiên cứu hệ thống phanh ABS khí nén để từng bước nghiên cứu chế tạo, thay thế các cụm chi tiết trong hệ thống ABS của các hãng có ý nghĩa thực tiễn đối với ngành công nghiệp ô tô và công nghiệp phụ trợ trong nước. Kết quả nghiên cứu của luận án được đề tài KC.03.05/11-15 ứng dụng vào sản xuất thử nghiệm bộ điều khiển điện tử ABS cho hệ thống phanh khí nén trên xe ô tô tải. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống ABS hoạt động ổn định, hiệu quả phanh của ô tô trong trường hợp có ABS được cải thiện so với trường hợp không có ABS. -1- Luận án đã giải quyết được các vấn đề: Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén có ABS, đề xuất một thuật toán điều khiển hệ thống theo gia tốc góc bánh xe; Thông qua bước mô phỏng hoạt động của hệ thống trên máy tính, luận án sơ bộ xác định được ngưỡng giá trị gia tốc góc của bánh xe để điều khiển hoạt động của ABS; Nghiên cứu thực nghiệm nhằm hiệu chỉnh giá trị ngưỡng gia tốc góc điều khiển. Đây là các vấn đề có ý nghĩa khoa học, là cơ sở cho các nghiên cứu hoàn thiện tiếp theo của hệ thống ABS khí nén. Equation Chapter (Next) Section 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Hệ thống phanh ABS khí nén trên xe ô tô ABS (Anti-lock Braking System) là hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh. ABS nâng cao tính ổn định hướng chuyển động của ô tô khi phanh, duy trì khả năng dẫn hướng và giảm quãng đường phanh [69]. Trong trường hợp phanh trên đường khô và với vận tốc cao (trên 35 km/h), quãng đường phanh khi có ABS ngắn hơn khi không có ABS. Tuy nhiên, trong trường hợp phanh từ vận tốc thấp hơn, phanh trên đường trơn trượt, quãng đường phanh khi có ABS có thể dài hơn khi không có ABS [59]. Hiệu quả của ABS khi phanh ở vận tốc thấp không cao nên hệ thống ABS không được kích hoạt. Giới hạn vận tốc của ô tô trước khi phanh để kích hoạt hệ thống ABS khác nhau theo từng loại xe và theo nhà sản xuất ABS. Hệ thống ABS lắp trên xe tải rơ moóc hoặc sơ mi rơ moóc giúp hạn chế được nguy cơ đầu kéo bị quay ngược (jackknifing) khi phanh gấp, nâng cao tính an toàn cho ô tô. Hơn nữa, các bánh xe không bị trượt lết trong quá trình phanh nên hạn chế được tốc độ mài mòn của lốp xe [69]. So với hệ thống phanh thủy lực có ABS, hệ thống phanh ABS khí nén có tần số làm việc thấp hơn do quá trình biến đổi áp suất khí nén trong bầu phanh chậm hơn nhiều so với quá trình biến đổi áp suất dầu trong hệ thống phanh thủy lực. Theo công bố của hãng Wabco [67], [68], [69], tần số hoạt động của hệ thống ABS khí nén do hãng chế tạo nằm trong khoảng từ 3 đến 5 Hz. Trên thế giới, ABS liên tục được nghiên cứu và phát triển nên hiệu quả của hệ thống ngày càng cao. Ban đầu, hệ thống ABS khí nén lắp đặt trên xe tải như một lựa chọn thêm cho sự an toàn, nhưng với hiệu quả vượt trội của nó nên từ năm 1991, các nước Châu Âu đã bắt buộc các hãng phải lắp ABS lên xe tải hạng nặng, đến năm 1998 tiếp tục áp dụng bắt buộc trên các loại xe tải hạng nhẹ [49]. Hiện nay, ABS được lắp đặt rộng rãi trên hầu hết các loại xe, kể cả máy kéo nông nghiệp như một tiêu chuẩn an toàn [36]. 1.2. Lịch sử phát triển hệ thống ABS khí nén Quá trình phát triển hệ thống phanh ABS đã trải qua thời gian rất dài với nhiều thành tựu đáng kể. -2- Hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô đến nay đã khá hoàn thiện về kết cấu, tính năng và chất lượng điều khiển. Nghiên cứu điều khiển hệ thống phanh ABS là cơ sở để phát triển và tích hợp các hệ thống điều khiển tích cực khác trên xe. 1.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Các hãng lớn như Wabco, Bendix, Bosch … đều các có nghiên cứu rất sâu vào hệ thống ABS, có phòng thí nghiệm nghiên cứu cảm biến, tối ưu kết cấu van chấp hành cũng như thuật toán điều khiển và thiết kế bộ điều khiển … Sản phẩm của các hãng được thử nghiệm, tối ưu hóa thiết kế và sản xuất thương mại để lắp đặt trên xe ô tô. Tuy nhiên tài liệu nghiên cứu của các hãng xe là tài liệu bí mật, không được công bố. 1.4. Tình hình nghiên cứu trong nước Các công trình nghiên cứu trong nước đã có nhiều ý nghĩa quan trọng trong việc hoàn thiện cơ sở lý thuyết quá trình phanh cũng như giải quyết các vấn đề về điều khiển quá trình phanh. Tuy nhiên, các nghiên cứu sâu về hệ thống ABS còn hạn chế, chủ yếu tập trung nghiên cứu ABS cho hệ thống phanh thủy lực bằng mô hình mô phỏng, các thực nghiệm chủ yếu được thực hiện trên mô hình có tính chất minh họa trong phòng thí nghiệm. Một số ít công trình nghiên cứu về hệ thống ABS khí nén nhưng đều chỉ dừng lại ở mô phỏng trên máy tính, chưa có các nghiên cứu thực nghiệm để hoàn thiện nghiên cứu. 1.5. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống phanh khí nén và hệ thống ABS (cảm biến, van chấp hành ABS, bộ điều khiển) sử dụng cho xe ô tô tải cỡ trung bình. Van chấp hành ABS do đề tài KC.03.05/11-15 chế tạo theo mẫu van chấp hành ABS của hãng Wabco. Các trạng thái tăng áp, giảm áp, giữ áp được điều khiển bởi 2 van: van điện từ điều khiển cấp khí và van điện từ điều khiển xả khí. Bảng trạng thái sau thể hiện hoạt động của van chấp hành ABS khi điều khiển ON/OFF các van điện từ. 1.6. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu  Nghiên cứu, xác định được khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh khí nén có ABS trên xe nghiên cứu;  Xây dựng được mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô trong quá trình phanh và hệ thống phanh dẫn động khí nén có ABS nhằm phục vụ nghiên cứu, mô phỏng xác định ngưỡng điều khiển và quá trình điều khiển hệ thống;  Đề xuất được một thuật toán điều khiển hệ thống ABS dẫn động khí nén theo gia tốc góc bánh xe và xác định được bộ giá trị ngưỡng gia tốc góc bánh xe dùng để điều khiển chuyển pha làm việc của các van chấp hành ABS trong quá trình ABS khí nén hoạt động. -3- Phạm vi nghiên cứu Luận án thực hiện nghiên cứu hệ thống ABS dẫn động khí nén trên ô tô tải cỡ trung bình, sử dụng vành răng cảm biến và van chấp hành ABS do đề tài KC.03.05/11-15 chế tạo. Hệ thống ABS dẫn động khí nén trên xe nghiên cứu sử dụng thông số từ bốn cảm biến đo vận tốc góc của bốn bánh xe để điều khiển bốn van chấp hành ABS độc lập, do đó luận án nghiên cứu thuật toán điều khiển hệ thống ABS theo gia tốc góc của các bánh xe khi phanh. Luận án nghiên cứu mô phỏng chuyển động của xe trong quá trình phanh trên đường bằng, phẳng và nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh dẫn động khí nén có ABS bằng phần mềm Matlab – Simulink, Matlab – StateFlow, chưa xét đến quá trình phanh khi xe quay vòng và phanh trên đường có hệ số bám khác nhau giữa hai vết bánh xe. Qua quá trình mô phỏng hoạt động của hệ thống trên máy tính, luận án xác định được gần đúng bộ giá trị ngưỡng gia tốc góc điều khiển ABS. Luận án thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm trên các loại đường thẳng, bề mặt đường đồng nhất phủ nhựa asphalt (khô và ướt), phủ bê tông (khô và ướt) ở các dải vận tốc khác nhau (từ 30 km/h đến 60 km/h) nhằm chính xác hóa bộ giá trị ngưỡng gia tốc góc điều khiển ABS và đánh giá hiệu quả hoạt động của toàn bộ hệ thống. 1.7. Nội dung và phương pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu  Nghiên cứu hệ thống phanh ABS khí nén trên ô tô;  Nghiên cứu cảm biến và phương pháp đo vận tốc góc, gia tốc góc bánh xe;  Nghiên cứu khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh khí nén có ABS;    Nghiên cứu, xây dựng thuật toán điều khiển hệ thống phanh ABS khí nén; Nghiên cứu, xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô tải trong quá trình phanh; Nghiên cứu, xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh ABS khí nén;  Nghiên cứu, xác định ngưỡng điều khiển của hệ thống ABS khí nén;  Nghiên cứu thực nghiệm hệ thống phanh ABS khí nén trên đường thử nghiệm. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết: xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống trên máy tính, thực hiện mô phỏng để khảo sát đặc tính của hệ thống, từ đó xác định sơ bộ giá trị ngưỡng điều khiển. Nghiên cứu thực nghiệm: Được thực hiện nhiều lần trên cơ sở giá trị ngưỡng điều khiển được xác định sơ bộ từ mô phỏng lý thuyết, phân tích, đánh giá kết quả nhằm điều chỉnh giá trị ngưỡng điều khiển để hệ thống hoạt động tốt trong thực tế. 1.8. Kết luận chương 1 Hệ thống ABS khí nén liên tục được nghiên cứu hoàn thiện về kết cấu và tính năng làm việc, được lắp đặt thương mại trên nhiều loại xe tải khác nhau. Ở các -4- nước phát triển, hệ thống ABS khí nén bắt buộc phải được lắp đặt trên xe ô tô tải như một tiêu chuẩn an toàn. Trên thế giới, việc nghiên cứu, hoàn thiện hệ thống ABS khí nén đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và đạt được nhiều thành tựu. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu được công bố mang tính chất giới thiệu, chưa đủ chi tiết để có thể triển khai ứng dụng vào thực tế. Việc nghiên cứu, ứng dụng công nghệ ABS vào sản xuất ô tô trong nước còn nhiều hạn chế. Tại Việt Nam, có một số công trình nghiên cứu về hệ thống ABS nhưng chủ yếu tập trung vào ABS dành cho hệ thống phanh thủy lực. Cần có nhiều nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm tiếp theo để từng bước làm chủ công nghệ ABS khí nén trên xe ô tô. Việc nghiên cứu nhằm từng bước làm chủ kỹ thuật, công nghệ ABS khí nén trên các xe ô tô có ý nghĩa thực tiễn và khoa học, giúp phát triển nền công nghiệp phụ trợ sản xuất ô tô, nâng cao chất lượng và cạnh tranh về giá thành cho ô tô sản xuất trong nước sản xuất. Luận án được nghiên cứu nhằm giải quyết các vấn đề phức tạp trong nội dung thiết kế, chế tạo bộ điều khiển điện tử cho hệ thống phanh khí nén có ABS của đề tài KC.03.05/11-15. Kết quả nghiên cứu của luận án được đề tài KC.03.05/11-15 ứng dụng, chế tạo thành công bộ điều khiển điện tử hệ thống ABS. Equation Chapter (Next) Section 1 -5- CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Quy trình nghiên cứu Quy trình nghiên cứu, xác định ngưỡng điều khiển được mô tả như sơ đồ trên Hình 2. 1. B¾t ®Çu BiÕt môc tiªu: §é tr­ît tõ 10 - 30% M« pháng theo ®é tr­ît Kh«ng ®¹t Ph©n tÝch, ®¸nh gi¸ & hiÖu chØnh §¹t - X¸c ®Þnh ®­îc miÒn biÕn thiªn gia tèc gãc; - X¸c ®Þnh ®­îc gia tèc gãc t¹i thêi ®iÓm chuyÓn pha. M« pháng theo gia tèc gãc M« pháng lý thuyÕt Kh«ng ®¹t Ph©n tÝch, ®¸nh gi¸ & hiÖu chØnh §¹t X¸c ®Þnh ®­îc bé ng­ìng gia tèc gãc (lý thuyÕt) Thùc nghiÖm nghiªn cøu thùc nghiÖm Kh«ng ®¹t Ph©n tÝch, ®¸nh gi¸ & hiÖu chØnh §¹t X¸c ®Þnh ®­îc bé ng­ìng gia tèc gãc (thùc tÕ) KÕt thóc Hình 2. 1. Quy trình nghiên cứu, xác định ngưỡng điều khiển 2.2. Phương pháp điều khiển ABS Để duy trì được lực phanh lớn và khả năng điều khiển hướng chuyển động cần thực hiện điều khiển để duy trì hệ số bám dọc  x và hệ số bám ngang  y có -6- giá trị lớn. Tuy nhiên, rất khó để xác định độ trượt của bánh xe khi phanh do vận tốc dài của bánh xe và bán kính động lực học bánh xe là những đại lượng rất khó xác định được chính xác. Thực tế giới hạn điều khiển ABS theo độ trượt có thể thay đổi trong phạm vi lớn. Do đó căn cứ theo ngưỡng độ trượt của các bánh xe để điều khiển ABS có thể khiến mức độ hiệu quả phanh không giống nhau trên các loại đường khác nhau và khi sử dụng các loại lốp khác nhau. Mặt khác, gia tốc góc của bánh xe khi phanh là đạo hàm theo thời gian của vận tốc góc bánh xe nên nó thể hiện xu hướng bó cứng của bánh xe. Vận tốc góc bánh xe b có thể dễ dàng xác định với độ chính xác tương đối cao bằng cảm biến vận tốc góc, từ đó hệ thống dễ dàng tính toán được gia tốc góc của các bánh xe trên cơ sở đạo hàm giá trị vận tốc góc đo được đó. Do đó luận án chọn phương pháp điều khiển ABS theo gia tốc góc của bánh xe khi phanh. 2.3. Nghiên cứu khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh khí nén có ABS Để xây dựng được phương pháp và thuật toán điều khiển hệ thống ABS, cần thiết phải nghiên cứu đặc tính của đối tượng điều khiển. Một trong số các đặc tính quan trọng, quyết định đến phương pháp và thuật toán điều khiển là khả năng đáp ứng tần số điều khiển của đối tượng điều khiển. Mỗi chu kỳ làm việc của ABS, áp suất khí nén trong bầu phanh có thể thay đổi qua ba trạng thái tăng áp, giữ áp và giảm áp. Nếu chu trình làm việc của hệ thống chỉ gồm 2 pha tăng và giảm áp suất với độ dài mỗi pha được xác định hợp lý thì hệ thống sẽ đáp ứng được với tần số cao hơn. 2.4. Xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô trong quá trình phanh 2.4.1. Chuyển động của ô tô trong quá trình phanh trên đường bằng phẳng Trong quá trình phanh, ảnh hưởng của dao động khung xe, dầm cầu và bánh xe rất nhỏ so với sự phân bố lại trọng lượng lên các cầu xe. Hơn nữa đối tượng khảo sát là quá trình phanh trên đường thẳng, bằng phẳng của xe tải, nên để đơn giản, luận án đã giả thiết khung xe, dầm cầu và bánh xe là một khối thống nhất (bỏ qua hệ thống treo), chỉ xét đến sự phân bố lại trọng lượng lên các cầu xe để nghiên cứu quá trình phanh. Trong quá trình phanh, lực cản không khí và lực cản lăn rất nhỏ so với lực phanh [4] nên luận án bỏ qua các lực này trong quá trình tính toán. Do vậy, phương trình chuyển động của ô tô khi phanh có thể viết lại thành: (2.11) mx   Fbf  Fbr 2.4.2. Động lực học bánh xe trong quá trình phanh Với giả thiết bỏ qua lực cản lăn, phương trình chuyển động quay của bánh xe khi phanh được xác định như sau [57], [58], [64]: -7- J bx  M b  Fx rd (2.12) 2.4.3. Sự phân bố lại trọng lượng khi phanh Trọng lượng phân bố lên cầu xe cần phải được xác định để có thể tính toán lực phanh tác dụng lên bánh xe. Trong quá trình phanh, trọng lượng của xe phân bố lên các cầu biến đổi theo gia tốc chậm dần x của xe, được xác định theo các công thức: Phân bố trên cầu trước: Fzf  Phân bố trên cầu sau: Fzr  m  gb  xhg  L m  ga  xhg  L (2.13) (2.14) 2.4.4. Mô hình mô phỏng chuyển động của xe Từ phương trình (2.21) xác định được vận tốc dọc của ô tô như sau: t vx   0 Fbf  Fbr m dt  v0 (2.15) 2.4.5. Mô hình mô phỏng bánh xe Khi mô phỏng chuyển động quay của bánh xe, luận án sử dụng phương trình chuyển động quay của bánh xe khi phanh (2.12). Gia tốc góc của bánh xe được xác định từ công thức (2.12):  M b  Fx rd Jbx (2.16) Từ đó, vận tốc góc của bánh xe được xác định theo công thức : t M b  Fx rbx  0 Jbx 0   (2.17) Các thông số v x xác định theo công thức (2.15) và  xác định theo công thức (2.17) là cơ sở để xác định độ trượt của bánh xe. 2.5. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén Mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén trên xe ô tô tải sử dụng các giả thiết:  Lực đạp phanh của người lái đủ để van phân phối mở hoàn toàn tại thời điểm bắt đầu mô phỏng;  Áp suất khí nén trong các bình chứa không thay đổi trong quá trình phanh, có giá trị bằng nhau và bằng 0,8 MPa; 2.5.1. Cơ sở tính toán áp suất và lưu lượng khí nén trong hệ thống phanh Phương trình trạng thái của khí lý tưởng ở trạng thái đẳng nhiệt: pV  nRT -8- (2.18) Lưu lượng khối của chất khí chảy qua một tiết lưu có thể xác định theo công thức [38]: p  pd  pa  Qw  Cv K g (2.20) GTu Khi có lưu lượng khí nén đi vào và đi ra khỏi một dung tích, áp suất trong dung tích đó thay đổi và có thể được mô tả như sau [38]: dpd 1 Qw, in  Qw, out   dt Cn  (2.21) Khí dung của chất khí ( Cn ) được tính theo công thức [38]: Cn  gV kRT (2.22) 2.5.2. Mô hình mô phỏng van phân phối Khi người lái đạp phanh, lưu lượng khí nén đi qua khoang dưới ra cầu trước là Q1, đi qua khoang phía trên ra cầu sau là Q2 được xác định như sau: Q1  Cv1 K g ( pTank 2  p1 )( p1  pa ) GTu (2.24) Q2  Cv 2 K g ( pTank 1  p2 )( p2  pa ) GTu (2.25) 2.5.3. Mô hình mô phỏng van xả nhanh ở dòng phanh cầu trước Áp dụng phương trình (2.20) có thể xác định được các lưu lượng khí nén đi ra khỏi van xả nhanh đến các bầu phanh như sau: Q11  K g Cv ( p1  p11 )( p11  pa ) GTu (2.28) Q12  K g Cv ( p1  p12 )( p12  pa ) GTu (2.29) 2.5.4. Mô hình mô phỏng van gia tốc trên dòng phanh cầu sau Áp dụng phương trình (2.20), phương trình xác định các lưu lượng Q21 và Q22 đến bầu phanh phía sau bên trái và bầu phanh phía sau bên phải khi van gia tốc mở hoàn toàn như sau: Q21  K g Cv  pTank1  p21  pTank1  p21  GTu -9- (2.31) Q22  K g Cv  pTank1  p22  pTank1  p22  GTu (2.32) 2.5.5. Mô hình mô phỏng bầu phanh và cơ cấu phanh Áp dụng phương trình (2.21) với lưu ý thể tích bầu phanh thay đổi do màng bầu phanh dịch chuyển có được phương trình xác định biến thiên áp suất như sau [7]: dPCha p F dy kRT  (QCha  Cha ) dt g  yF  Vo  kRT dt (2.33) Phương trình chuyển động của màng bầu phanh và cần đẩy như sau: m d2y dy  pCha F  ( yi  yo )C  yClx  b dt 2 dt (2.34) Mô men phanh tại các bánh xe được xác định theo công thức sau: M   yi  y0  C ' r (2.35) Trong đó: C ' là hệ số mô men của cơ cấu phanh [N/m]; r: Bán kính của trống phanh [m]. 2.6. Kết luận chương 2 Điều khiển quá trình phanh để duy trì độ trượt trong khoảng nhất định sẽ giúp duy trì giá trị hệ số bám dọc và hệ số bám ngang cao, nhờ đó nâng cao tính ổn định hướng chuyển động và hiệu quả phanh của ô tô. Tuy nhiên, độ trượt của bánh xe khi phanh là đại lượng rất khó xác định chính xác nên khó thực hiện điều khiển hệ thống căn cứ theo độ trượt của bánh xe. Trong khi đó, gia tốc góc của bánh xe thể hiện xu hướng bó cứng của bánh xe khi phanh. Hơn nữa, gia tốc góc có thể xác định dễ dàng thông qua cảm biến đo vận tốc góc bánh xe. Do đó luận án chọn phương pháp điều khiển ABS theo gia tốc góc bánh xe. Việc xác định khả năng đáp ứng tần số điều khiển của đối tượng điều khiển là cần thiết và có ý nghĩa quan trọng đối với việc đề xuất thuật toán và các thông số điều khiển khác. Việc xác định ngưỡng điều khiển là quá trình phức tạp. Để giảm thời gian và chi phí nghiên cứu, luận án tiến hành nghiên cứu thông qua các bước: mô phỏng trên máy tính để điều chỉnh thuật toán điều khiển và xác định sơ bộ ngưỡng điều khiển; nghiên cứu thực nghiệm trên cơ sở kết quả nghiên cứu lý thuyết nhằm chính xác hóa các thông số cần xác định. Để có cơ sở thực hiện mô phỏng trên máy tính, luận án đã xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô, kết hợp với mô hình mô phỏng của hệ thống phanh và hệ thống ABS để có được đối tượng nghiên cứu hoàn chỉnh. Equation Chapter (Next) Section 1 - 10 - CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ABS DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN 3.1. Khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống ABS Ap suat khi nen [MPa] Thực hiện nội dung nghiên cứu đã trình bày ở mục 2.2 với dãy xung điều khiển có tần số thay đổi lần lượt từ 0,5 Hz, 1 Hz, … 10 Hz để điều khiển van chấp hành ABS hoạt động ở chế độ tăng áp và giảm áp luân phiên nhau với tỉ lệ thời gian tăng áp/giảm áp là 60/40 %. 0.9 0.8 Thống kê lại giá trị áp suất khí nén trong 0.7 Ap suat binh chua Ap suat bau phanh cao nhat bình chứa và giá trị áp 0.6 Ap suat bau phanh thap nhat suất cao nhất và thấp 0.5 nhất trong bầu phanh 0.4 phía sau theo tần số của 0.3 xung điều khiển, luận án 0.2 xây dựng được đồ thị 0.1 như . 0 Từ đó có thể nhận 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 định rằng, khi tần số điều Tan so dieu khien [Hz] khiển từ 5 Hz trở lên, Hình 3. 2. Quy luật biến thiên giá trị áp suất cao nhất và thấp giá trị cao nhất của áp nhất trong bầu phanh phía sau theo tần số của xung điều khiển suất trong bầu phanh không lớn, áp suất biến thiên trong phạm vi nhỏ làm giảm ý nghĩa của ABS. Từ đó, khi thiết kế bộ điều khiển ABS, không nhất thiết phải lấy mẫu tín hiệu từ các cảm biến đo vận tốc góc bánh xe với tần số quá cao và chương trình điều khiển của bộ điều khiển cần thiết kế để phù hợp với khả năng đáp ứng của hệ thống. 3.2. Thuật toán điều khiển hệ thống ABS Khi cấp nguồn điện, bộ điều khiển làm việc và liên tục theo dõi vận tốc góc, gia tốc góc của các bánh xe và ở trạng thái chờ. Khi người lái đạp phanh (có tín hiệu từ công tắc đèn báo phanh), bộ điều khiển lập tức chuyển sang chế độ hoạt động. Lúc này bộ điều khiển tính toán vận tốc dài của ô tô (v) và so sánh với giá trị được đặt trước ( v0 ).Nếu vận tốc dài của ô tô nhỏ hơn  v  v0  , hệ thống phanh không kích hoạt chế độ có điều khiển của ABS mà chỉ hoạt động như trạng thái phanh bình thường. Nếu vận tốc dài của ô tô lớn hơn  v  v0  , bộ điều khiển sẽ chạy chương trình điều khiển ABS đã được lập trình sẵn. - 11 - Pha hoạt động mặc định đầu tiên của chu trình điều khiển là pha tăng áp. Khi đó áp suất khí nén trong bầu phanh tăng dần, mô men phanh tăng theo làm gia tốc góc của bánh xe giảm dần. Khi gia tốc góc giảm đến giá trị nhỏ hơn giá trị ngưỡng 1   1  , ECU điều khiển chuyển sang trạng thái giữ nguyên áp suất trong bầu phanh. Nếu gia tốc góc của bánh xe chưa giảm quá giá trị ngưỡng 1   1  , ECU tiếp tục điều khiển hệ thống hoạt động ở trạng thái tăng áp suất trong bầu phanh. Áp suất trong bầu phanh duy trì ở mức cao khiến gia tốc góc bánh xe tiếp tục giảm, khi gia tốc góc giảm đến giá trị nhỏ hơn giá trị ngưỡng  2     2  thì ECU điều khiển giảm áp suất trong bầu phanh. Nếu gia tốc góc của bánh xe chưa giảm quá giá trị ngưỡng  2     2  , ECU tiếp tục điều khiển hệ thống hoạt động ở trạng thái giữ nguyên áp suất trong bầu phanh. Khi ECU điều khiển chuyển Hình 3. 3.. Lưu đồ thuật toán điều khiển sang trạng thái giảm áp, áp suất ABS theo gia tốc góc bánh xe trong bầu phanh giảm, mô men phanh giảm theo làm gia tốc góc của bánh xe tăng dần. Khi gia tốc góc bánh xe tăng vượt quá giá trị ngưỡng  3    3  thì ECU điều khiển chuyển sang pha giữ nguyên áp suất. Nếu quá trình giảm áp chưa đủ để gia tốc góc bánh xe tăng vượt quá giá trị ngưỡng  3     3  thì ECU tiếp tục điều khiển hệ thống hoạt động ở trạng thái giảm áp suất trong bầu phanh. Theo quán tính, gia tốc góc bánh xe tiếp tục tăng, và khi tăng vượt quá giá trị ngưỡng  4     4  , ECU sẽ điều khiển chuyển sang pha tăng áp suất trong bầu phanh. Nếu quá trình giữ áp chưa đủ để gia tốc góc bánh xe tăng vượt quá giá trị ngưỡng  4     4  thì ECU tiếp tục điều khiển hệ thống hoạt động ở trạng thái giữ nguyên áp suất trong bầu phanh. - 12 - Chu trình điều khiển được lặp lại như vậy cho đến khi vận tốc dài của ô tô giảm xuống thấp hơn mức được đặt trước (v1) thì chuyển quá trình phanh sang kiểu phanh bình thường (van chấp hành ABS liên tục ở trạng thái tăng áp) cho đến khi kết thúc quá trình phanh. 3.3. Cảm biến và phương pháp đo vận tốc góc bánh xe Xe nghiên cứu là xe tải sử dụng hệ thống phanh khí nén không có ABS. Do đó đề tài KC.03.05/11-15 cần phân tích đặc điểm kết cấu của xe nghiên cứu để chọn phương án lắp đặt vành răng đo vận tốc góc bánh xe, tính chọn cảm biến và tính số răng của vành răng để đảm bảo hệ thống ABS làm việc ổn định. Đây là cơ sở để luận án nghiên cứu, đề xuất thuật toán điều khiển hệ thống và nghiên cứu xác định các ngưỡng điều khiển. 3.3.1. Cảm biến đo vận tốc góc bánh xe Cảm biến được lựa chọn là một loại cảm biến điện từ của hãng Omron, có mã hiệu E2A-S08KS02-WP-C1 2M. Đây là loại cảm biến thông dụng trong công nghiệp, dễ tìm mua và giá thành rẻ. Các thông số khác của cảm biến như sau:  Tần số làm việc lớn nhất: 1.500 Hz;  Điện áp hoạt động: 12 – 24 V (tối đa tới 32V). 3.3.2. Vành răng cảm biến Đề tài KC.03.05/11-15 đã thiết kế và chế tạo rành răng cảm biến đo vận tốc góc bánh xe. Vành răng được lắp lên phần trống phanh có đường kính 358 mm, có các thông số chính như sau:  Số răng: 120 răng;  Bề rộng răng: 5 mm;  Khoảng cách giữa hai răng: 5 mm; 3.3.3. Phương pháp đo vận tốc góc và gia tốc góc bánh xe Để đo vận tốc góc bằng cảm biến điện từ kết hợp với rành răng, luận án sử dụng phương pháp đo tần số. Vận tốc góc của bánh xe (rad/s) được xác định theo công thức sau:  nx 2 tm p (3.1) Gia tốc góc của bánh xe được tính toán dựa trên đạo hàm của vận tốc góc. Trong thiết kế phần cứng ECU, vi điều khiển được tính toán gia tốc góc bánh xe trên cở sở đạo hàm số. Gia tốc góc bánh xe sau thời gian lấy mẫu k được xác định theo công thức: k  k  k 1 tm (rad / s 2 ) (3.2) - 13 - 3.4. Mô hình mô phỏng hoạt động của hệ thống ABS 3.4.1. Mô hình mô phỏng van chấp hành ABS Áp dụng phương trình (2.20), lưu lượng khí nén Qin đi qua van ABS đến bầu phanh trong pha tăng áp và lưu lượng khí nén Qout xả qua van ABS trong pha giảm áp được xác định như sau: Qin  K g Cv Qout  K g Cv  p  pcha  pcha  pa  GTu Ctr _ Sup  pcha  pa  pa  pa  GTu Ctr _ Exh (3.3) (3.4) Ctr_Sup và Ctr_Exh là biến điều khiển dòng khí nén đi vào bầu phanh và biến điều khiển xả khí nén ra khỏi bầu phanh. Các biến này có giá trị bằng 0 hoặc 1 tùy theo tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển. 3.4.2. Mô hình mô phỏng cảm biến đo vận tốc góc bánh xe Trên thực tế, cảm biến đo vận tốc góc bánh xe kiểu cảm biến điện từ và vành răng yêu cầu khoảng thời gian t m để đo và cập nhật về cho vi xử lý. Trong mỗi chu kỳ lấy mẫu t m , giá trị vận tốc góc mà vi xử lý nhận được là hằng số. Sử dụng khối Zero order hold để giữ giá trị vận tốc góc không đổi trong suốt thời gian đúng bằng thời gian lấy mẫu. Sau thời gian lấy mẫu trên, bộ điều khiển được cập nhật các giá trị vận tốc góc bánh xe mới. 3.4.3. Mô hình mô phỏng bộ điều khiển Hệ thống phanh ABS có các trạng thái hoạt động: Phanh thường (không kích hoạt ABS), tăng áp, giữ áp, giảm áp và liên tục có sự chuyển đổi qua lại giữa các trạng thái đó. Do đó luận án xây dựng bộ điều khiển trong môi trường Matlab – StateFlow. Mô hình mô phỏng bộ điều khiển ABS theo gia tốc góc bánh xe được xây dựng gồm bốn mô đun tương tự nhau, sơ đồ của một mô đun được trình bày như Hình 3. 9. Hình 3. 9. Sơ đồ một mô đun trong mô hình mô phỏng bộ điều khiển hệ thống ABS theo gia tốc góc của bánh xe - 14 - 3.5. Mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô khi phanh bởi hệ thống phanh khí nén có ABS Trên cơ sở các quan hệ giữa các đại lượng vật lý trong quá trình phanh đã trình bày ở mục đã nêu ở mục 2.3 và 2.4, luận án đã xây dựng được mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô trong quá trình phanh trên đường bằng phẳng bởi hệ thống phanh khí nén có ABS trong môi trường Matlab – Simulink và Matlab – StateFlow. Sơ đồ khối của mô hình mô phỏng này được thể hiện như Hình 3. 10. Chi tiết phần mô hình mô phỏng được giới thiệu ở Phụ lục 2. p 11 C¸c b×nh pTank khÝ nÐn p1 M« h×nh b¸nh xe tr­íc tr¸i Van chÊp QCham2 C¬ cÊu phanh Mb2 hµnh tr­íc pcham2 tr­íc bªn ph¶i bªn ph¶i M« h×nh b¸nh xe tr­íc ph¶i Van chÊp QCham3 C¬ cÊu phanh M b3 hµnh sau pcham3 sau bªn tr¸i bªn tr¸i M« h×nh b¸nh xe sau tr¸i Van chÊp QCham4 C¬ cÊu phanh M b4 p 22 hµnh sau pcham4 sau bªn ph¶i bªn ph¶i M« h×nh b¸nh xe sau ph¶i Van x¶ Q12 nhanh p 12 Van ph©n phèi Bµn ®¹p phanh Fb® Q21 Q2 p2 p 21 Van gia tèc QCham1 C¬ cÊu phanh M b1 p cham1 tr­íc bªn tr¸i Q11 Q1 Van chÊp hµnh tr­íc bªn tr¸i Fxi Fzi M« h×nh th©n xe vx Q22 Ctr_Sup i Ctr_Exhi ECU - ABS vx Hình 3. 10. Sơ đồ khối mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô khi phanh bởi hệ thống phanh khí nén có ABS 3.6. Nghiên cứu, xác định ngưỡng gia tốc góc điều khiển ABS 3.6.1. Mô phỏng điều khiển theo độ trượt bánh xe Hệ thống phanh khí nén có ABS được mô phỏng với phương pháp điều khiển theo theo độ trượt. Phương pháp điều khiển ABS này biết trước được miền biến thiên của đối tượng điều khiển (độ trượt của các bánh xe nằm trong khoảng 10 – 30%). Bằng cách quy hoạch các bộ giá trị của ngưỡng độ trượt điều khiển  1 ... 4  và các kết quả mô Hình 3. 12. Biến thiên giá trị đột trượt, gia tốc phỏng tương ứng (độ trượt bánh góc và biến điều khiển ECU theo thời gian xe, quãng đường phanh …), luận - 15 - án chọn được bộ giá trị độ trượt cho hiệu quả phanh cao nhất. Phân tích sự biến thiên gia tốc góc của bánh xe tương ứng với các trạng thái hoạt động của van chấp hành ABS (thông qua giá trị biến điều khiển từ ECU) trong trường hợp mô phỏng hoạt động (Hình 3.12) xác định được sơ bộ giá trị ngưỡng gia tốc góc điều khiển hệ thống ABS. 3.6.2. Mô phỏng điều khiển theo gia tốc góc bánh xe Thực hiện mô phỏng hệ thống theo gia tốc góc bánh xe với bộ giá trị ngưỡng gia tốc góc xác định được sơ bộ ở bước trên (Mục 3.6.1). Đánh giá kết quả mô phỏng để điều chỉnh bộ ngưỡng giá trị gia tốc góc điều khiển  1 ,  2 ,  3 ,  4 . Quá trình này được thực hiện nhiều lần đến khi hệ thống đạt hiệu quả phanh tốt nhất. 3.6.3. Kết quả mô phỏng Kết quả mô phỏng sau đây cho thấy luận án đã xây dựng được mô hình mô phỏng hệ thống phanh ABS khí nén phù hợp với hoạt động thực tế của hệ thống trên xe, xác định được bộ ngưỡng giá trị gia tốc góc điều khiển  1 ,  2 ,  3 ,  4 phù hợp để điều khiển. Cụ thể, ngưỡng gia tốc góc xác định được bằng lý thuyết như Bảng 3.2. Bảng 3. 2. Ngưỡng gia tốc góc điều khiển ABS được xác định theo lý thuyết Chuyển pha Ngưỡng gia tốc góc (ε) điều khiển bánh xe cầu trước Ngưỡng gia tốc góc (ε) điều khiển bánh xe cầu sau Tăng áp → Giữ áp  1 = −61,6 (rad/s2)  1 = −56,5 (rad/s2) Giữ áp → Giảm áp  2 = −82,0 (rad/s2)  2 = −75,8 (rad/s2) Giảm áp → Giữ áp  3 = +45,3 (rad/s2)  3 = +49,4 (rad/s2) Giữ áp → Tăng áp  4 = +66,7 (rad/s2)  4 = +69,5 (rad/s2) Để kiểm tra mô hình mô phỏng, luận án thực hiện mô phỏng quá trình phanh của ô tô khi phanh với vận tốc ban đầu 40 km/h và 72 km/h trên đường khô và đường ướt. Trên mỗi loại đường sẽ mô phỏng hai trường hợp: hệ thống phanh có ABS và hệ thống phanh không có ABS (không kích hoạt ABS). Sau đây là một số kết quả mô phỏng. Một số kết quả mô phỏng quá trình phanh với vận tốc ban đầu trước khi phanh v0 = 11,11 (m/s) (40 km/h), phanh trên đường khô như các Hình 3. 13, Hình 3. 14, Hình 3. 15. Kết quả mô phỏng hoạt động ở các trường hợp khác được nêu ở Phụ lục 3. - 16 - Gia toc goc banh xe sau trai Gia toc goc banh xe truoc phai 100 Co ABS Khong ABS 50 Gia toc goc RL [rad/s2 ] Gia toc goc FR [rad/s2 ] 100 0 -50 -100 Co ABS Khong ABS 50 0 -50 -100 0 0.5 1 1.5 2 Thoi gian phanh [s] 2.5 3 0 0.5 1 1.5 2 Thoi gian phanh [s] 2.5 3 Hình 3. 13. Gia tốc góc của bánh xe khi phanh trên đường khô, v0 = 40 km/h Do truot banh xe truoc phai Do truot banh xe sau trai 1 0.8 Do truot RL [x100%] Do truot FR [x100%] 1 Co ABS Khong ABS 0.6 0.4 0.2 0 0 0.8 Co ABS Khong ABS 0.6 0.4 0.2 0.5 1 1.5 2 Thoi gian phanh [s] 2.5 0 0 3 0.5 1 1.5 2 Thoi gian phanh [s] 2.5 3 Hình 3. 14. Độ trượt của bánh xe khi phanh trên đường khô, v0 = 40 km/h Van toc banh xe truoc phai va van toc o to Van toc banh xe sau trai va van toc o to 45 45 v__FR, Co ABS v__Vehicle, Co ABS v__FR, Khong ABS v__Vehicle, Khong ABS 35 30 25 20 15 10 5 0 0 v__RL, Co ABS v__Vehicle, Co ABS v__RL, Khong ABS v__Vehicle, Khong ABS 40 v__RL & v__Vehicle [km/h] v__FR & v__Vehicle [km/h] 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0.5 1 1.5 2 Thoi gian phanh [s] 2.5 3 0 0.5 1 1.5 2 Thoi gian phanh [s] 2.5 3 Hình 3. 15. Vận tốc của bánh xe và của xe khi phanh trên đường khô, v0 = 40 km/h Các kết quả mô phỏng trên mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô trong quá trình phanh khi phanh bởi hệ thống phanh khí nén có ABS do luận án xây dựng phù hợp với quy luật thực tế. Do đó có thể sử dụng mô hình mô phỏng để nghiên cứu, xác định sơ bộ giá trị ngưỡng điều khiển của hệ thống ABS. 3.7. Kết luận chương 3 Khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh khí nén có ABS trên xe nghiên cứu chỉ đạt đến 4 Hz, do đó khi thiết kế bộ điều khiển cần tính toán các thông số: thời gian lấy mấu tín hiệu vận tốc góc, thời gian điều khiển van chấp hành ABS, phương pháp điều khiển … phù hợp để hệ thống làm việc tốt. Trên cơ sở đặc tính và thông số của cảm biến đo vận tốc góc bánh xe và vành răng do đề tài KC.03.05/11-15 thiết kế, chế tạo, luận án đã nghiên cứu và xác - 17 - định gia tốc góc bánh xe theo phương pháp đạo hàm số vận tốc góc bánh xe. Gia tốc góc bánh xe được sử dụng làm thông số điều khiển cho hệ thống ABS. Luận án đã xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống ABS (van chấp hành ABS, cảm biến và bộ điều khiển) và kết hợp với mô hình mô phỏng hệ thống phanh và mô hình mô phỏng chuyển động của xe để có mô hình mô phỏng quá trình phanh của xe sử dụng hệ thống phanh khí nén có ABS. Mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén có ABS do luận án xây dựng cho kết quả mô phỏng phù hợp với hoạt động của hệ thống trong thực tế. Do đó có thể sử dụng mô hình mô phỏng này cho các nghiên cứu, phát triển tiếp theo về hệ thống phanh khí nén có ABS trên xe ô tô. Điều khiển ABS khí nén theo gia tốc góc bánh xe là phương pháp khả thi và có hiệu quả. Tuy nhiên, quá trình xác định các giá trị ngưỡng gia tốc góc điều khiển phức tạp. Kết quả có được từ giai đoạn mô phỏng trên máy tính là giá trị sơ bộ cho các nghiên cứu, mô phỏng thực nghiệm tiếp theo. Equation Chapter (Next) Section 1 - 18 -