Luận văn: Điều khiển chuyển động xe điện dùng bộ quan sát và điều khiển phi tuyến

Luận văn nghiên cứu điều khiển chuyển động xe điện, áp dụng các bộ điều khiển và quan sát phi tuyến nhằm tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định hệ thống.

• Tác giả: Lê Đức Thịnh
• Người hướng dẫn: PTS. Nguyễn Tùng Lâm
• Trường học: Hanoi University of Science and Technology
• Chuyên ngành: Control Engineering and Automation
• Đề tài: Điều khiển xe điện dùng bộ quan sát phi tuyến
• Loại tài liệu: Master thesis
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hanoi

Tóm tắt

I. Khái niệm về Bộ Quan Sát Phi Tuyến trong Điều Khiển Xe Điện

Bộ quan sát phi tuyến là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt quan trọng đối với các hệ thống phức tạp như xe điện. Bộ quan sát này được sử dụng để ước tính các trạng thái của hệ thống mà không thể đo trực tiếp, giúp cải thiện hiệu suất điều khiển và độ ổn định của phương tiện. Trong xe điện, bộ quan sát phi tuyến cho phép hệ thống nắm bắt chính xác các thông số quan trọng như vận tốc bánh xe, mô-men xoắn và các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động. Công nghệ này giải quyết những thách thức liên quan đến tính không tuyến tính của động lực học xe, cung cấp thông tin chính xác để các bộ điều khiển có thể đưa ra quyết định tối ưu. Việc áp dụng bộ quan sát phi tuyến trong điều khiển xe điện không chỉ nâng cao an toàn mà còn tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và cải thiện trải nghiệm lái xe.

1.1. Định nghĩa và Nguyên tắc Hoạt động

Bộ quan sát phi tuyến là một hệ thống ước tính trạng thái dựa trên các phép đo đầu vào và đầu ra. Nó sử dụng mô hình toán học của hệ thống để dự đoán trạng thái và so sánh với các đo lường thực tế. Khi có sai lệch, bộ quan sát sẽ hiệu chỉnh ước tính để hội tụ đến giá trị thực. Trong xe điện, bộ quan sát thường sử dụng kỹ thuật High-Gain Observer hoặc Sliding Mode Observer để xử lý các độ phức tạp và nhiễu.

1.2. Ứng dụng trong Hệ thống Xe Điện

Trong xe điện, bộ quan sát phi tuyến được ứng dụng rộng rãi để ước tính trạng thái của động cơ điện, điều khiển trượt bánh xe và giám sát hiệu suất pin. Nó cho phép hệ thống điều khiển động lực học được tối ưu hóa mà không cần cảm biến phức tạp, giảm chi phí và nâng cao độ tin cậy của phương tiện.

II. Các Phương Pháp Quan Sát và Điều Khiển Chính

Có nhiều phương pháp quan sát phi tuyến được áp dụng trong điều khiển xe điện, mỗi phương pháp có những ưu điểm và hạn chế riêng. Bộ quan sát Backstepping Sliding Mode là một trong những kỹ thuật tiên tiến nhất, kết hợp ưu điểm của hai phương pháp để đạt được hiệu suất cao. Extended State Observer (ESO) là một phương pháp khác cho phép ước tính các nhiễu ngoại lai và các trạng thái bất định. Đối với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (IPMSM) sử dụng trong xe điện, bộ quan sát Sliding Mode cung cấp độ chính xác cao và khả năng chống nhiễu tốt. Bộ quan sát Disturbance được sử dụng để ước tính và bù đắp các tác động bất ngờ từ môi trường. Các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng sự kết hợp của bộ quan sát phi tuyến với các chiến lược điều khiển tiên tiến như Backstepping hoặc Sliding Mode có thể đạt được hiệu suất điều khiển vượt trội.

2.1. High Gain Observer và Extended State Observer

High-Gain Observer sử dụng các hệ số lợi cao để nhanh chóng ước tính trạng thái hệ thống. Phương pháp này hiệu quả nhưng có thể nhạy cảm với nhiễu. Extended State Observer (ESO) mở rộng khái niệm bằng cách ước tính cả các nhiễu tác động lên hệ thống, cải thiện độ mạnh mẽ và tính chính xác của điều khiển xe điện.

2.2. Sliding Mode Observer trong Điều Khiển Động Cơ Điện

Sliding Mode Observer là phương pháp hiệu quả cho các hệ thống không tuyến tính. Nó cung cấp khả năng chống nhiễu tốt và đảm bảo hội tụ trong thời gian hữu hạn. Trong điều khiển tốc độ động cơ điện, Sliding Mode Observer được sử dụng để ước tính tốc độ mà không cần cảm biến tốc độ, giảm chi phí phần cứng.

III. Ứng Dụng Điều Khiển Chuyển Động của Xe Điện

Điều khiển chuyển động của xe điện sử dụng bộ quan sát phi tuyến để cải thiện hiệu suất trong nhiều khía cạnh khác nhau. Một ứng dụng quan trọng là điều khiển trượt bánh xe (Wheel Slip Control), nơi bộ quan sát giúp ước tính chính xác tốc độ bánh xe và mặt đất, cho phép hệ thống duy trì lực kéo tối ưu. Điều khiển hệ thống treo hoạt động (Active Suspension Control) sử dụng bộ quan sát phi tuyến để giám sát độ biến dạng lò xo và tốc độ giảm xóc, cải thiện sự thoải mái và ổn định. Trong điều khiển phương hướng tự hành (Lateral Control), bộ quan sát ước tính góc lái cần thiết để duy trì quỹ đạo mong muốn. Điều khiển chống trượt (Anti-Slip Control) sử dụng thông tin từ bộ quan sát để ngăn chặn quá tải động cơ và bảo vệ pin. Các nghiên cứu cho thấy việc tích hợp bộ quan sát phi tuyến với các bộ điều khiển Backstepping hoặc Sliding Mode có thể nâng cao hiệu suất đáng kể.

3.1. Điều Khiển Trượt Bánh Xe và Traction Control

Traction Control dựa trên bộ quan sát phi tuyến để theo dõi tốc độ bánh xe và tốc độ mặt đất. Bộ quan sát ước tính chỉ số trượt bánh xe (wheel slip ratio) để tối ưu hóa lực kéo. Điều này đặc biệt quan trọng trên các mặt đất trơn hoặc điều kiện thời tiết xấu, nơi xe điện cần duy trì khả năng gia tốc an toàn.

3.2. Điều Khiển Hệ Thống Treo và Động Lực Học Xe

Active Suspension Control sử dụng bộ quan sát phi tuyến để ước tính lực tác động và độ chuyển dịch. Với thông tin này, bộ điều khiển có thể điều chỉnh lực giảm xóc để tối ưu hóa sự thoải mái và độ ổn định. Trong xe điện, điều này giúp cải thiện hiệu suất năng lượng bằng cách giảm tổn thất do chuyển động không cần thiết.

IV. Lợi Ích và Thách Thức trong Triển Khai

Việc triển khai bộ quan sát phi tuyến trong điều khiển xe điện mang lại nhiều lợi ích đáng kể. Thứ nhất, nó giảm số lượng cảm biến cần thiết, từ đó giảm chi phí sản xuất và tăng độ tin cậy của hệ thống. Thứ hai, bộ quan sát phi tuyến cung cấp ước tính chính xác về các trạng thái không thể đo trực tiếp, cải thiện chất lượng điều khiển. Thứ ba, nó cho phép các chiến lược điều khiển tiên tiến như Backstepping Sliding Mode Control được thực hiện hiệu quả. Tuy nhiên, có những thách thức cần vượt qua. Một thách thức lớn là thiết kế bộ quan sát cần phải có độ chính xác cao mà vẫn đơn giản để tính toán trong thời gian thực. Bắt cặp thích hợp của bộ quan sát phi tuyến với các bộ điều khiển khác nhau yêu cầu kỹ năng kỹ thuật cao. Ngoài ra, độ nhạy cảm với các tham số mô hình bất định và các nhiễu ngoại lai cũng là vấn đề cần xem xét kỹ lưỡng.

4.1. Những Lợi Ích Chính của Bộ Quan Sát Phi Tuyến

Bộ quan sát phi tuyến mang lại lợi ích giảm chi phí phần cứng do không cần cảm biến phức tạp. Nó cung cấp ước tính chính xác các trạng thái quan trọng, giúp bộ điều khiển đưa ra quyết định tối ưu. Với khả năng chống nhiễu tốt, bộ quan sát đảm bảo ổn định hoạt động trong các điều kiện thay đổi.

4.2. Thách Thức Kỹ Thuật và Thực Tế

Thiết kế bộ quan sát phi tuyến đòi hỏi mô hình toán học chính xác của hệ thống, điều này khó khăn với các động lực phi tuyến phức tạp. Tính toán thời gian thực là thách thức khác, đặc biệt với các lựa chọn phần cứng tối ưu hóa chi phí. Hiệu chỉnh tham số bộ quan sát và xử lý độ bất định mô hình vẫn là các vấn đề mở cần nghiên cứu thêm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY MASTER THESIS Nonlinear Observer based-Motion Control of Electric Vehicles LÊ ĐỨC THỊNH thinh.vn Control Engineering and Automation Supervisor: Assoc. Nguyễn Tùng Lâm Supervisor’s signature School: School of Electrical and Electronic Engineering Hanoi, 10/2023 LỜI CẢM ƠN Học viên xin chân thành cảm ơn các quý thầy, cô giáo tại Đại học Bách Khoa Hà Nội đã truyền đạt cho em những kiến thức bổ ích trong quá trình học tập và rèn luyện tại trường. Học viên xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo tại Trường Điện-Điện tử, thầy Nguyễn Tùng Lâm, thầy Nguyễn Danh Huy, thầy Hoàng Đức Chính đã hướng dẫn em, giúp em có những định hướng đúng đắn trong quá trình nghiên cứu và thực hiện Luận văn tốt nghiệp. Bên cạnh đó, Học viên cũng xin được gửi lời cảm ơn tới các Nghiên cứu sinh, Học viên và các cộng sự trong Mechatronics Engineering Group đã cùng giúp đỡ, chia sẻ những khó khăn trong quá trình thực hiện nghiên cứu đề tài này.

Cảm ơn gia đình đã chia sẻ và tạo mọi điều kiện để con yên tâm hoàn thành chương trình học và công việc nghiên cứu. Hà Nội, 10/2023 Tác giả Lê Đức Thịnh ACKNOWLEDGMENTS Students would like to sincerely thank the teachers at Hanoi University of Science and Technology for imparting useful and necessary knowledge to me during the process of studying and training at school. Students would like to express their deep gratitude to the teachers at the School of Electrical and Electronics Engineering, Dr. Tung Lam Nguyen, Dr.

Danh Huy Nguyen, and Dr. Duc Chinh Hoang for guiding them and helping them have the right direction during the process of research and implementation of graduation thesis. In addition, the students would also like to thank the Ph. students, MSc students, and colleagues in the Mechatronics Engineering Group for their help and sharing of difficulties during the research process on this topic.

Thank you family for sharing and creating all the conditions for me to feel secure in completing his study program and research work. Hanoi, 10/2023 Author Duc Thinh Le PUBLICATION OF THESIS This thesis comprises a summary and is based on the following appended papers: a. International Journal Paper 1. Traction control based on wheel slip tracking of a quarter-vehicle model with high-gain observers.

International Journal of Dynamics and Control, 10(4), 1130-1137. International Conference Paper 2. Extended State Observer-based Backstepping Sliding Mode Control for Wheel Slip Tracking. In International Conference on Intelligent Systems & Networks.

Backstepping Sliding Mode Control Design for Active Suspension Systems in Half-Car Model. In International Conference on Engineering Research and Applications (pp. Cham: Springer International Publishing. Prescribed Tracking Performace for Lateral Control of an Autonomous Vehicle with High-Gain Observer.

In 2022 11th International Conference on Control, Automation and Information Sciences (ICCAIS) (pp. Disturbance observer-based speed control of interior permanent magnet synchronous motors for electric vehicles. In Regional Conference in Mechanical Manufacturing Engineering (pp. Singapore: Springer Nature Singapore.

National Journal Paper 6. Adaptive Asymmetric Time-Varying Integral Barrier Lyapunov Control-based Trajectory Tracking of Autonomous Vehicles. JST: Smart Systems and Devices, 33(2), 58-68. (English) The State Council for Professorship.

Backstepping sliding mode control and 1st order sliding mode control for wheel slip tracking: A comparison. Journal of Science and Technology – HaUI. (English) The State Council for Professorship. Speed sensorless control of permanent magnet synchronous motors using sliding-mode observer.

Journal of Science and Technology - HaUI. (Vietnamese) The State Council for Professorship. Comparison of controllers for nonlinear active suspension system. Journal of Science and Technology – HaUI.

(Vietnamese) The State Council for Professorship. Nonlinear Disturbance Observer Based Anti-Slip Control Approach For Electrical Vehicles. Journal of Science and Technology – HaUI. (Vietnamese) The State Council for Professorship.

Lateral control for autonomous vehicle using a sliding mode controller based on exponential reaching law. Journal of Military Science and Technology, (FEE), 65–72. (Vietnamese) The State Council for Professorship. Comparison of controllers for nonlinear active half-car suspension.

Journal of Military Science and Technology, (FEE), 73–80. (Vietnamese) The State Council for Professorship. Backstepping based speed control of permanent magnet motors with high-gain disturbance observer. (Vietnamese) The State Council for Professorship.

National Conference Paper 14. Điều khiển bám quỹ đạo phương tiện bay không người lái sử dụng bộ điều khiển trượt kết hợp bộ quan sát trạng thái High-Gain. University of Transport and Communications. (Vietnamese) Proceeding with ISBN: 978-604-76-2724-0.

Điều khiển động lực học bên của xe tự hành sử dụng bộ điều khiển Sliding mode kết hợp bộ quan sát trạng thái High-gain. University of Transport and Communications. (Vietnamese) Proceeding with ISBN: 978-604-76-2724-0. Sensorless speed control for permanent magnet synchronous motor with output tracking error constraint.

Vietnam International Conference and Exhibition on Control and Automation (VCCA). (English) The State Council for Professorship. Other publications by the author, not included in the thesis: a. International Journal Paper 17.

A sensorless anti-windup speed control approach to axial gap bearingless motors with nonlinear lumped mismatched disturbance observers. WoS (SCIE, JIF = 7. Model- free hierarchical control with fractional-order sliding surface for multisection web machines. International Journal of Adaptive Control and Signal Processing, 37(2), 497-518.

WoS (SCIE, JIF = 3. Fractional Order Active Disturbance Rejection Control for Canned Motor Conical Active Magnetic Bearing-Supported Pumps. WoS (ESCI) | Scopus | Scimago Q2. (2023) Robust Adaptive Cerebellar Model Articulation Controller for 1-DOF Nonlaminated Active Magnetic Bearings.

WoS (SCIE, JIF = 0. Adaptive control for multi-shaft with web materials linkage systems. WoS (ESCI) | Scopus | Scimago Q2. International Conference Paper 22.

Advanced Motion Control of a Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle based on Extended State Observer. In International Conference on System Science and Engineering. A New Axial Gap Bearingless Motor Drive System with Nonlinear Robust Control. In 2022 11th International Conference on Control, Automation and Information Sciences (ICCAIS) (pp.

A Neural Network-Based Fast Terminal Sliding Mode Controller for Dual-Arm Robots. In International Conference on Engineering Research and Applications (pp. Cham: Springer International Publishing. Adaptive strategy with output constraints for multi-section web linkage system.

In 2022 7th National Scientific Conference on Applying New Technology in Green Buildings (ATiGB) (pp. Nonlinear control of axial gap magnetic bearing motors: A disturbance observer-based method. In International Conference On Engineering Research And Applications (pp. Cham: Springer International Publishing.

National Journal Paper 27. Application of Backstepping control technique to Non-laminated active magnetic thrust bearings of one degree of freedom. Measurement, Control, and Automation, 4(1), 29-35. (Vietnamese) The State Council for Professorship.

Nonlinear control of a 3-DOF robotic arm driven by electro-pneumatic servo systems. Measurement, Control, and Automation, 3(1), 51-59. (English) The State Council for Professorship. Sensorless Speed Control of Axial Gap Permanent Magnet Motor Using Sliding Mode Observer.

Measurement, Control, and Automation, 3(1), 23-29. (Vietnamese) The State Council for Professorship. A sliding mode controller design for nonlaminated magnetic levitation systems. Journal of Military Science and Technology, (FEE), 81–89.

(Vietnamese) The State Council for Professorship. An axial flux permanent-magnet motor control design using dynamic surface control algorithm. Journal of Military Science and Technology. (Vietnamese) The State Council for Professorship.

National Conference Paper 32. Điều khiển bám quỹ đạo phương tiện bay không người lái sử dụng bộ điều khiển trượt kết hợp bộ quan sát trạng thái High-Gain. University of Transport and Communications. (Vietnamese) Proceeding with ISBN: 978-604-76-2724-0.

Điều khiển độ cao và trạng thái của UAV sử dụng bộ điều khiển trượt và bộ điều khiển PID. University of Transport and Communications. (Vietnamese) Proceeding with ISBN: 978-604-76- 2615-1. Disturbance observer design based robust control design for a web handling segment.

Vietnam International Conference and Exhibition on Control and Automation (VCCA). (English) The State Council for Professorship. Disturbance observer design based robust control design for a web handling segment. Vietnam International Conference and Exhibition on Control and Automation (VCCA).

(English) The State Council for Professorship. Điều khiển độ cao và trạng thái của UAV sử dụng bộ điều khiển trượt và bộ điều khiển PID. University of Transport and Communications. (Vietnamese) Proceeding with ISBN: 978-604-76- 2615-1.

TÓM TẮT Luận văn tốt nghiệp này trình bày về nghiên cứu thiết kế điều khiển chuyển động xe điện sử dụng các thuật toán dựa trên các bộ quan sát nhiễu bất định. Mô hình đầy đủ 14 bậc tự do của ô tô được phần tích, bao gồm 7-DOF Vehicle Ride Model để nghiên cứu hệ thống treo của xe, và 7-DOF Vehicle Handing Model để thực hiện các bài toán điều khiển lực kéo và chuyển làn tự động cho ô tô. Cả 3 phương chuyển động của một chiếc ô tô được nghiên cứu gồm thẳng đứng (Vertical Motion), dọc thân xe (Longitudinal Motion) và ngang thân xe (Lateral Motion). Trong nội dung về phương thẳng đứng của xe, mô hình hệ thống treo ô tô chủ động sử dụng cơ cấu chấp hành Servo điện thủy lực đem lại kết quả vượt trội khi so sánh với hệ thống treo bị động.

Phương chuyển động dọc thân xe chia ra làm 2 nội dung chính gồm điều khiển động cơ IPMSM truyền động cho mô hình 1 bánh xe ô tô và điều khiển phân phối lực kéo kết hợp các bộ quan sát trạng thái cho mô hình 4 bánh xe dẫn động độc lập. Các phương pháp mô phỏng khác nhau bao gồm sử dụng Matlab/Simulink để mô phỏng Model-in-the-loop, sử dụng Matlab/Simulink kết hợp TI C2000 LaunchPad để mô phỏng Processor-in-the-loop, và sử dụng mô tích hợp (Co-Simulation) giữa Matlab/Simulink và Carsim được nghiên cứu để chứng minh tính khả thi, hiệu quả và bền vững của hệ thống điều khiển. ABSTRACT This thesis presents research on the design of electric vehicle motion control using algorithms based on disturbance observers. A 14-DOF of a car is analyzed, including a 7-DOF vehicle ride model to study the vehicle’s suspension system, and a 7-DOF vehicle handing model to perform traction control problems and automatic lane change for cars.

All three directions of motion of the car are studied including vertical motion, longitudinal motion, and lateral motion. In terms of the vertical motion of the vehicle, the active suspension system using an electro-hydraulic servo actuator provides superior results when compared to the passive suspension system. The longitudinal motion of the vehicle body is divided into two main contents, including a control system of an IPMSM motor for one-wheel car models and driving force distribution combined with state observers for 4-wheel independent drive models. Different simulation methods include using Matlab/Simulink to simulate model-in-the-loop, using Matlab/Simulink combined with TI C2000 LaunchPad to simulate processor-in-the-loop, and using Co-Simulation between Matlab/Simulink and Carsim was researched to demonstrate the feasibility, efficiency, and robustness of the control system.

CONTENTS LIST OF ACRONYMS i LIST OF FIGURES iii LIST OF TABLES iv CHAPTER 1.2 Main research question .1 Urgency of the topic .2 Novelty and applicability of the topic .1 Nonlinear active suspension model .2 Electro-hydraulic servo actuator model .1 Extended state observer .2 ESO-based backstepping sliding mode control .1 Anti-slip control for a quarter electric vehicle model driven by IPMSM 21 3.2 Mathematical of a quarter electric vehicle model .3 Robust slip tracking controller design .2 Developing simulation model and driving force distribution for 4IWM electric vehicles .2 Dynamic and kinematic model of 4IWM vehicle .3 Motion control for 4IWM electric vehicles .2 Vehicle dynamics model .1 Sliding mode control design .2 Backstepping control using barrier Lyapunov function .4 Simulation and results .2 Result and discussion .