Luận văn: Nghiên cứu hệ thống trợ lái điện cho ô tô - Nguyễn Sơn Tùng

Tài liệu chuyên sâu về hệ thống trợ lái điện ô tô (EPAS). Phân tích cấu tạo, nguyên lý, các thành phần và mô phỏng điều khiển hệ thống.

• Tác giả: Nguyễn Sơn Tùng
• Người hướng dẫn: Pgs. Tạ Cao Minh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Hệ Thống Trợ Lái Điện Cho Ô Tô
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống trợ lái điện ô tô

Hệ thống trợ lái điện (EPAS - Electric Power Assisted Steering) là một công nghệ hiện đại trong ngành công nghiệp ô tô, thay thế dần hệ thống trợ lái thủy lực truyền thống. Hệ thống này sử dụng động cơ điện để hỗ trợ lực lái, giúp tài xế điều khiển xe dễ dàng hơn, đặc biệt khi đỗ xe hoặc lái ở tốc độ thấp. EPAS không chỉ cải thiện trải nghiệm lái mà còn giảm tiêu thụ nhiên liệu và phát thải, góp phần bảo vệ môi trường. Công nghệ này đã trở thành tiêu chuẩn trong các xe hơi hiện đại, từ xe hạng A đến các dòng xe sang trọng. Với khả năng tích hợp các tính năng điều khiển nâng cao, hệ thống trợ lái điện mở ra nhiều khả năng phát triển mới cho ngành công nghiệp ô tô toàn cầu.

1.1. Khác biệt giữa trợ lái điện và trợ lái thủy lực

Trợ lái thủy lực (HPAS) sử dụng dầu và bơm thủy lực để tạo áp lực hỗ trợ lái, tiêu tốn năng lượng liên tục. Ngược lại, hệ thống EPAS chỉ kích hoạt động cơ điện khi cần thiết, tiết kiệm điện năng hiệu quả. EPAS cũng dễ bảo trì hơn, không cần thay dầu định kỳ, và có khả năng tích hợp các tính năng thông minh như hỗ trợ lái tự động.

1.2. Ưu điểm nổi bật của EPAS

Hệ thống trợ lái điện mang lại nhiều lợi ích: giảm 3-5% tiêu thụ nhiên liệu, tăng độ chính xác điều khiển, hỗ trợ các tính năng an toàn như điều khiển ổn định, và giảm chi phí bảo trì. EPAS cũng cho phép tùy chỉnh mức độ trợ lái theo điều kiện lái, mang lại sự linh hoạt cao.

II. Cấu tạo chi tiết của hệ thống trợ lái điện

Cấu trúc của EPAS bao gồm nhiều thành phần quan trọng hoạt động điều hòa với nhau. Khối điều khiển điện tử (ECU) là 'não' của hệ thống, xử lý tín hiệu từ các cảm biến và điều khiển hoạt động của động cơ. Cảm biến độ xoắn phát hiện lực lái của tài xế, gửi tín hiệu đến ECU để xác định mức độ hỗ trợ cần thiết. Động cơ không chổi than (BLDC) là trái tim của hệ thống, cung cấp lực trợ lái với hiệu suất cao. Hộp số giảm tốc chuyển đổi vận tốc cao của động cơ thành mô men lớn hơn. Ngoài ra, còn có các thành phần phụ như cảm biến vận tốc xe, cảm biến góc lái, và bộ giao tiếp liên kết với các hệ thống khác của xe.

2.1. Khối điều khiển điện tử ECU

ECU là bộ xử lý trung tâm nhận thông tin từ cảm biến độ xoắn, cảm biến vận tốc xe, và các cảm biến khác. Dựa trên các thuật toán được lập trình, ECU tính toán mức độ hỗ trợ lái tối ưu và điều khiển công suất cung cấp cho động cơ, đảm bảo an toàn và hiệu suất tối đa.

2.2. Động cơ không chổi than BLDC

Động cơ BLDC được chọn cho EPAS vì hiệu suất cao (90%+), chịu tải tốt, và không cần bảo trì chổi than. Động cơ này hoạt động dựa trên từ trường quay, cung cấp lực mịn và ổn định, phù hợp với yêu cầu độ chính xác cao của hệ thống lái.

2.3. Cảm biến độ xoắn

Cảm biến xoắn không tiếp xúc đo lực lái của tài xế một cách chính xác, gửi tín hiệu về ECU để xác định mức độ hỗ trợ. Cảm biến này được thiết kế để chống nhiễu và hoạt động trong môi trường khắc nghiệt của xe.

III. Nguyên lý hoạt động của hệ thống EPAS

Nguyên lý hoạt động của EPAS dựa trên chu kỳ phát hiện-xử lý-hành động. Khi tài xế xoay vô lăng, cảm biến độ xoắn tức thì phát hiện lực xoắn và gửi tín hiệu điện đến ECU. ECU phân tích tín hiệu kết hợp với thông tin vận tốc xe từ cảm biến tốc độ để xác định mức độ hỗ trợ tối ưu. Sau đó, ECU gửi lệnh điều khiển đến động cơ BLDC, cung cấp công suất phù hợp để tạo ra lực trợ lái. Lực này được truyền qua hộp số giảm tốc đến cơ cấu lái, giúp tài xế xoay vô lăng dễ dàng hơn. Hệ thống EPAS có khả năng tự động điều chỉnh mức trợ lái dựa trên tốc độ xe: ở tốc độ thấp, hỗ trợ lái cao để dễ đỗ xe; ở tốc độ cao, giảm hỗ trợ để tăng cảm giác lái và ổn định xe. Quá trình này diễn ra liên tục và ngay lập tức, mang lại trải nghiệm lái mượt mà.

3.1. Cơ chế phát hiện và xử lý tín hiệu

Cảm biến xoắn phát hiện mọi chuyển động của vô lăng với độ chính xác cao. ECU xử lý tín hiệu này kết hợp với dữ liệu vận tốc và trạng thái xe để quyết định mức độ hỗ trợ, đảm bảo an toàn và thoải mái cho người lái.

3.2. Cơ chế truyền động và hỗ trợ lực

Động cơ BLDC được kích hoạt bởi ECU, quay để tạo mô men. Mô men này được giảm tốc và khuếch đại qua hộp số, sau đó truyền đến cơ cấu lái để hỗ trợ lực xoắn vô lăng của tài xế, giảm bớt công sức lái xe.

3.3. Tự động điều chỉnh theo tốc độ xe

Hệ thống EPAS thông minh điều chỉnh mức trợ lái dựa trên vận tốc: tốc độ thấp nhận hỗ trợ cao, tốc độ cao nhận hỗ trợ thấp. Điều này tối ưu hóa cảm giác lái, an toàn, và tiết kiệm năng lượng.

IV. Phân loại và xu hướng phát triển EPAS

Hệ thống trợ lái điện được phân loại theo vị trí lắp đặt động cơ: trợ lái kiểu trụ (motor gắn trên trục lái chính), trợ lái kiểu bánh răng (motor gắn trên hộp giảm tốc), và trợ lái kiểu thanh răng (motor tác động trực tiếp lên thanh tiều khiển hướng). Mỗi loại có ưu nhược điểm riêng về hiệu suất, chi phí, và khả năng tích hợp. Xu hướng phát triển EPAS hiện nay hướng tới tích hợp công nghệ tự động hóa, như hỗ trợ lái thích ứng, điều khiển lái bán tự động, và chuẩn bị cho lái hoàn toàn tự động. Công nghệ Steer By Wire (SBW) là bước tiếp theo, loại bỏ hoàn toàn liên kết cơ học giữa vô lăng và bánh lái, mở ra khả năng thiết kế nội thất linh hoạt hơn. Trên toàn thế giới, các nhà sản xuất ô tô hàng đầu đang đầu tư mạnh vào nghiên cứu phát triển EPAS và công nghệ lái tiên tiến để tăng an toàn, hiệu suất, và trải nghiệm lái.

4.1. Phân loại EPAS theo cấu hình

Trợ lái kiểu trụ đơn giản nhưng hiệu quả, thích hợp cho xe nhỏ. Kiểu bánh răng cung cấp hỗ trợ lực mạnh hơn. Kiểu thanh răng cung cấp độ chính xác cao nhất. Mỗi cấu hình được lựa chọn dựa trên loại xe và yêu cầu hiệu suất.

4.2. Xu hướng công nghệ Steer By Wire SBW

SBW loại bỏ liên kết cơ học, hoàn toàn dựa trên điều khiển điện tử. Công nghệ này cho phép tùy chỉnh độ nhạy lái, hỗ trợ các tính năng an toàn nâng cao, và mở đường cho lái tự động.

4.3. Tích hợp với các hệ thống trợ lái thông minh

EPAS ngày càng được tích hợp với hỗ trợ lái thích ứng, điều khiển ổn định điện tử, và các hệ thống an toàn khác, tạo nên những xe hơi an toàn và thông minh hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- NGUYỄN SƠN TÙNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRỢ LÁI ĐIỆN CHO Ô TÔ NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS. TẠ CAO MINH Hà Nội – 2012 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống trợ lái điện cho ô tô do tôi tự thiết kế dƣới sự hƣớng dẫn của thầy giáo PGS. Tạ Cao Minh. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.

Để hoàn thành luận văn này tôi chỉ sử dụng những tài liệu đƣợc ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Hà Nội, ngày 09 tháng 09 năm 2012 Học viên thực hiện Nguyễn Sơn Tùng MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .i DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU. ii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.

iii LỜI NÓI ĐẦU .1 Chƣơng 1 - HỆ THỐNG LÁI VÀ TRỢ LÁI CHO XE Ô TÔ. Giới thiệu sơ lƣợc về hệ thống lái. Chức năng của hệ thống lái. Kết cấu cơ khí trong hệ thống lái.

Cơ cấu truyền tác động lái. Cơ cấu chỉnh hƣớng bánh lái. Lực và mô men tác động lên hệ thống lái. Hệ thống trợ lái.

Hệ thống trợ lái thủy lực (HPAS). Hệ thống trợ lái điện (EPAS). Hiện tƣợng bánh lái tự trả về tâm. Phân tích động lực học bánh lái khi xe chuyển động.

15 Chƣơng 2 - HỆ THỐNG TRỢ LÁI ĐIỆN CHO XE Ô TÔ. Giới thiệu chung. Khái niệm và phân loại hệ thống trợ lái điện. Các cấu hình trợ lái điện.

Cấu hình trợ lái bằng dây điện (SBW). Nguyên lý hoạt động và chức năng của hệ thống trợ lái điện. Nguyên lý hoạt động của hệ thống EPAS. Chức năng của hệ thống EPAS.

Phân loại hệ thống trợ lái điện. Trợ lái theo kiểu trụ. Trợ lái kiểu bánh răng .Trợ lái kiểu thanh răng. Ƣu, nhƣợc điểm của trợ lái điện.

Các thành phần chính trong hệ thống trợ lái điện cho xe ô tô. Khối điều khiển (ECU). Cảm biến độ xoắn. Động cơ trợ lái trong hệ thống EPAS.

Xu hƣớng nghiên cứu EPAS trên thế giới và Việt Nam, đề xuất phƣơng hƣớng nghiên cứu. Trên thế giới. Đề xuất phƣơng hƣớng nghiên cứu .36 Chƣơng 3 - ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN - VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN GIẢ VECTOR. Giới thiệu về động cơ một chiều không chổi than.

Nguyên lý làm việc. Phƣơng pháp điều khiển BLDCM. Phƣơng pháp điều khiển truyền thống. Phƣơng pháp điều khiển giả vector - PVC.

Khối ƣớc lƣợng cho dòng điện đặt ba pha. Mô phỏng và so sánh phƣơng pháp truyền thống và phƣơng pháp PVC. Mô hình mô phỏng. Kết quả mô phỏng .54 Chƣơng 4 - XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG - VÀ ƢỚC LƢỢNG NHIỄU MẶT ĐƢỜNG.

Xây dựng mô hình hệ thống lái và trợ lái. Quan hệ giữa vô lăng và trục lái. Thành phần mô men dọc trục lái. Kết cấu bánh răng - thanh răng.

Xây dựng mô hình động học xe. Ƣớc lƣợng nhiễu tác động lên thanh răng dẫn hƣớng. Ƣớc lƣợng nhiễu do lực dọc trục sinh ra. Ƣớc lƣợng nhiễu do lực bên sinh ra.

Mô phỏng kiểm chứng bằng Matlab/Simulink. Sơ đồ khối điều khiển. Sơ đồ các khối mô phỏng trong Matlab/Simulink .3 Kết quả mô phỏng và phân tích. 73 Chƣơng 5 - ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN QUAN SÁT NHIỄU - TRONG HỆ THỐNG TRỢ LÁI ĐIỆN Ô TÔ.

Các loại nhiễu tác động lên hệ thống lái. Cảm biến độ xoắn không tiếp xúc. Bộ giảm rung bằng cao su cho cơ cấu giảm tốc động cơ trợ lái. Bộ điều khiển quan sát nhiễu.

Lý thuyết cơ bản về quan sát nhiễu. Ứng dụng thuật toán quan sát nhiễu trong hệ thống trợ lái điện ô tô. Phƣơng pháp tính toán các hàm truyền và lựa chọn bộ lọc. Mô hình mô phỏng trong Matlab/Simulink.

Kết quả mô phỏng. Nhiễu quan sát đƣợc. Nhiễu quan sát đƣợc sau khi qua khâu dẫn trƣớc. Mô men tạo cảm giác lái - mô men trợ lái từ động cơ - góc quay của vô lăng.

Mô phỏng với nhiễu dạng xung. 98 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.100 TÀI LIỆU THAM KHẢO .103 Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT HPAS Hydraulic Power Assisted Steering Trợ lái thủy lực EHPAS Electro - Hydraulic Power Assisted Trợ lái điện - thủy lực Steering EPAS Electric Power Assisted Steering Trợ lái điện SBW Steer By Wire Lái qua dây điện ECU Electric Control Unit Khối điều khiển BLCDM Brushless Direct Current Motor Động cơ một chiều không chổi than ECM Electronic Commutator Motor Động cơ chuyển mạch điện tử DCM Direct Current Motor Động cơ điện một chiều IM Induction Motor Động cơ không đồng bộ IPM Interior Permanent Magnet Động cơ đồng bộ cực chìm SRM Switched Reluctance Motor Động cơ từ trở MCU Micro Controller Unit Mạch điều khiển chuyển mạch điện tử PVC Pseudo Vector Control Điều khiển giả vector DO Disturbance Observer Quan sát nhiễu i Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 2. So sánh đặc điểm một số loại động cơ. Bảng trạng thái chuyển mạch giữa các pha.

Tần số các loại nhiễu tác động lên quá trình lái. Hàm truyền của bộ lọc Butterworth từ bậc 1 đến bậc 8 [13]. Tham số động cơ dùng trong mô phỏng. Tham số xe dùng trong mô phỏng.

Tham số hệ thống lái dùng trong mô phỏng. Bảng tra dòng điện đặt vào động cơ [A] theo mô men lái [Nm] và vận tốc xe [km/h].105 ii Danh mục hình vẽ, đồ thị DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1. Bánh xe ở hệ thống lái bằng hai bánh trƣớc trong khi rẽ [2]. Các kết cấu truyền tác động lái phổ biến [2].

Liên kết truyền tác động lái giữa hai bánh [12]. Cơ cấu chỉnh hƣớng bánh lái Davis. Cơ cấu chỉnh hƣớng bánh lái Ackermann [13]. Các lực và mô men tác dụng lên lốp [2].

Một số cấu hình hệ thống trợ lái thủy lực cơ bản [13]. Một số cấu hình trợ lái bằng điện cơ bản [13]. Động học bánh lái của xe. Biến dạng lốp tại bề mặt tiếp xúc [6].

Lực và mô men trên bánh trƣớc nhìn từ trên xuống khi xe rẽ. Bánh xe ở hệ thống lái bốn bánh khi rẽ [13]. Cấu hình hệ thống trợ lái điện đơn giản [3]. Đồ thị quan hệ vận tốc xe, mô men lái và dòng điện đặt vào động cơ [8].

Phân loại hệ thống trợ lái điện. Các cấu hình trợ lái [13]. Sơ đồ khối điều khiển hệ thống EPAS [12]. Một số loại cảm biến độ xoắn [12].

Cảm biến độ xoắn dựa trên hiện tƣợng cảm ứng điện từ của Delphi [12]. Động cơ một chiều không chổi than [13].37 iii Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 3. Cấu tạo BLDCM [10]. Stator của BLDCM [9].

Các dạng sức điện động của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu [10]. Rotor của BLDCM. Sắp xếp của nam chân trên rotor [10]. Động cơ có 1 cặp cực và 6 cuộn dây stator.

Nguyên lý làm việc BLDCM chuyển mạch một cực tính [11]. Thứ tự chuyển mạch và chiều quay của từ trƣờng stator [2]. Nguyên lý làm việc BLDCM chuyển mạch hai cực tính [2]. Đập mạch mô men [11].

Thứ tự chuyển mạch trong một chu kỳ. Chiều của dòng điện trong một trạng thái. Dạng tín hiệu Hall và dạng điện áp các pha của động cơ [13]. Hệ điều khiển BLDCM theo phƣơng pháp truyền thống.

Nguyên lý điều khiển dòng điện bằng bộ điều khiển dải trễ HCC. Dòng điện, sức phản điện động trong nguyên lý điều khiển dải trễ [11]. Dòng điện, mô men khi điều khiển theo phƣơng pháp truyền thống [10]. Mô hình điều khiển theo phƣơng pháp PVC.

Khối điều khiển dòng điện.52 iv Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 3. Khối ƣớc lƣợng mới cho dòng điện đặt ba pha. Phƣơng pháp điều khiển truyền thống. Phƣơng pháp điều khiển giả vector PVC.

Kết quả đặc tính dòng điện pha a, mô men và quỹ đạo từ thông. Mô hình động học hệ thống trợ lái [1]. Mô hình đơn tuyến của xe [5]. Góc trƣợt của bánh trƣớc.

Lực dọc trục và mô men hãm bánh trƣớc. Phân bố lực và mô men trên hai bánh trƣớc [7]. Sơ đồ khối điều khiển. Đƣờng cong quan hệ trợ lái của NSK.

Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống. Sơ đồ khối tính toán lực nhiễu. Kết quả mô phỏng với mô men lái hình sin có biên độ 5 Nm, tần số 0.125 Hz khi xe chạy ở vận tốc 30 km/h và 120 km/h. Quan hệ giữa mô men đặt và góc lái đặt.

Kết quả mô phỏng với trƣờng hợp lái xe đi vòng tròn. Cảm biến độ xoắn không tiếp xúc [12]. Mối liên hệ giữa nhấp nhô mô men và dải trễ của cảm biến độ xoắn [12]. Bộ giảm rung cao su cho cơ cấu giảm tốc động cơ trợ lái [12].

Mô hình bù nhiễu đơn giản khi biết trƣớc nhiễu. Sơ đồ khối ý tƣởng của phƣơng pháp quan sát nhiễu. Sơ đồ khối tƣ tƣởng của phƣơng pháp quan sát nhiễu thực tế.85 v Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 5. Sơ đồ khối của phƣơng pháp quan sát nhiễu.

Sơ đồ khối của phƣơng pháp quan sát nhiễu thực tế. Mô hình hệ thống lái. Mô hình quan sát nhiễu trong hệ thống trợ lái. Đậc tính quá độ của ba loại lọc thông thấp [4].

Mô hình khối quan sát nhiễu trong Matlab. Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống. Nhiễu đặt và nhiễu quan sát đƣợc. Nhiễu quan sát đƣợc sau khi qua khâu dẫn trƣớc.

Kết quả mô phỏng với nhiễu sin biên độ 50 Nm, tần số 3 Hz. Kết quả mô phỏng với nhiễu xung 150N - 2,5giây. 98 vi Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Hòa trong sự phát triển nhƣ vũ bão của các ngành công nghiệp phục vụ nhu cầu đời sống của nhân loại, ngành công nghiệp sản xuất ô tô cũng đang khẳng định vai trò to lớn của mình trong công cuộc đó. Từ những mẫu xe thô sơ đời đầu đến những chiếc xe hiện đại nhƣ ngày nay, tất cả ra đời đều nhằm mục đích đem lại sự thoải mái, tiện lợi cho ngƣời sử dụng.

Không nằm ngoài mục đích đó, việc nghiên cứu, phát triển các thế hệ khác nhau về hệ thống lái ô tô cũng đƣợc tiến hành từ rất lâu và đang có những bƣớc phát triển đáng chú ý.