Nghiên cứu hệ thống lái Steer by Wire điện tử - thủy lực (Nguyễn Xuân Tuấn)

Luận án nghiên cứu hệ thống lái steer by wire điện tử thủy lực, phân tích nguyên lý hoạt động, thiết kế và tối ưu hóa công nghệ lái xe hiện đại.

• Tác giả: Nguyễn Xuân Tuấn
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Văn Bang
• Trường học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực
• Đề tài: Nghiên cứu hệ thống lái steer by wire điện tử thủy lực
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống lái Steer by Wire điện tử thủy lực

Hệ thống lái Steer by Wire (SBW) điện tử thủy lực là công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực kỹ thuật ô tô hiện đại. Hệ thống này loại bỏ hoàn toàn trục lái cơ khí truyền thống, thay thế bằng tín hiệu điện tử điều khiển động cơ điện và bộ trợ lực thủy lực. Nghiên cứu luận án tiến sĩ của Nguyễn Xuân Tuấn (2021) tại Đại học Giao thông Vận tải đã phân tích toàn diện cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống SBW. Hệ thống bao gồm ba thành phần chính: cụm vành tay lái tạo cảm giác lái, bộ điều khiển điện tử trung tâm và bộ chấp hành dẫn hướng. Cảm biến đo góc xoay vành lái, mômen tác dụng truyền tín hiệu đến bộ xử lý. Bộ chấp hành sử dụng động cơ điện kết hợp trợ lực thủy lực để điều khiển góc quay bánh xe dẫn hướng. Công nghệ này cho phép kiểm soát độc lập hai bánh trước, đảm bảo động lực học quay vòng chính xác. Hệ thống SBW điện tử thủy lực mở ra hướng phát triển mới cho ngành công nghiệp ô tô thông minh.

1.1. Cấu tạo nguyên lý hệ thống lái SBW

Hệ thống lái SBW điện tử thủy lực gồm ba cụm chính hoạt động phối hợp. Cụm vành tay lái chứa cảm biến đo góc xoay, động cơ điện tạo momen phản hồi giúp người lái cảm nhận lực cản đường. Bộ chấp hành dẫn hướng sử dụng động cơ điện kết hợp cơ cấu bánh răng thanh răng, thông qua hình thang lái để quay bánh xe dẫn hướng. Bộ trợ lực thủy lực cung cấp áp suất hỗ trợ quá trình đánh lái. Bộ điều khiển điện tử nhận tín hiệu từ cảm biến góc lái, cảm biến momen, cảm biến vận tốc xe để tính toán và phát lệnh điều khiển phù hợp.

1.2. So sánh hệ thống lái SBW với hệ thống truyền thống

Hệ thống lái truyền thống sử dụng trục lái cơ khí kết nối trực tiếp vành tay lái với cơ cấu lái bánh răng thanh răng. Hệ thống SBW loại bỏ hoàn toàn liên kết cơ khí này, thay thế bằng truyền động điện tử. Ưu điểm nổi bật của SBW bao gồm: giảm trọng lượng hệ thống, tăng không gian cabin, cho phép điều khiển góc lái hai bánh trước độc lập. Nhược điểm cần giải quyết là đảm bảo độ tin cậy và an toàn khi xảy ra hư hỏng điện tử. Hệ thống SBW điện tử thủy lực kết hợp ưu điểm trợ lực thủy lực truyền thống với tính linh hoạt của điều khiển điện tử.

II. Phân tích mô hình động lực học và vấn đề kỹ thuật của hệ thống SBW

Mô hình động lực học đóng vai trò nền tảng trong nghiên cứu hệ thống lái SBW điện tử thủy lực. Xây dựng mô hình chính xác giúp hiểu rõ hành vi hệ thống và thiết kế bộ điều khiển hiệu quả. Hệ thống được mô tả bằng các phương trình vi phân liên quan đến áp suất hệ thống, áp suất tải, lưu lượng dầu thủy lực và vị trí pít tông. Mô hình bao gồm các thành phần: động cơ điện một chiều, cụm bánh xe dẫn hướng, bộ chấp hành dẫn hướng và bộ phận điện tử điều khiển. Các giả thiết xây dựng mô hình bao gồm: bỏ qua ma sát trong xy lanh thủy lực, coi chất lỏng là không nén được ở trạng thái lý tưởng, bỏ qua rò rỉ trong hệ thống van. Phương trình lưu lượng qua lỗ van tính theo công thức Bernoulli với hệ số lưu lượng dòng chảy và độ chênh áp suất. Áp suất trong xy lanh được xác định từ cân bằng lưu lượng và thể tích làm việc của piston. Mô hình mô phỏng sử dụng sơ đồ khối để mô tả tương tác giữa các phần tử trong hệ thống.

2.1. Mô hình động học bộ chấp hành dẫn hướng

Bộ chấp hành dẫn hướng là phần tử thực thi quan trọng nhất trong hệ thống SBW. Mô hình động học của bộ chấp hành bao gồm: động cơ điện cung cấp momen xoắn, cơ cấu truyền động bánh răng thanh răng chuyển đổi momen thành lực dịch chuyển tuyến tính. Hệ thống trợ lực thủy lực với bơm, van phân phối và xy lanh tạo lực hỗ trợ. Diện tích mở van phụ thuộc góc xoắn thanh xoắn, được tính theo đường cong Boost hoặc công thức tuyến tính. Lưu lượng tải tương ứng với vận tốc pít tông ở trạng thái ổn định. Phương trình cân bằng lực trên pít tông xác định lực tác dụng cần thiết để dịch chuyển cơ cấu lái.

2.2. Mô hình động lực học đổi hướng chuyển động ô tô

Mô hình đổi hướng chuyển động ô tô mô tả mối quan hệ giữa góc lái bánh xe dẫn hướng và quỹ đạo chuyển động của xe. Hệ phương trình động lực học bao gồm cân bằng lực theo phương ngang và cân bằng momen quay quanh trục đứng. Các tham số đầu vào gồm: góc lái bánh trước, vận tốc xe, bán kính quay vòng, góc trượt bánh xe. Mô hình xe hai bánh đơn giản hóa được sử dụng để phân tích tính ổn định hướng chuyển động. Kết quả mô phỏng cho thấy mối liên hệ giữa góc lái bánh trái và bánh phải cần thiết để đảm bảo động học quay vòng đúng.

III. Thiết kế bộ điều khiển và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm hệ thống SBW

Thiết kế bộ điều khiển là bước then chốt quyết định hiệu suất hoạt động của hệ thống lái SBW điện tử thủy lực. Luận án nghiên cứu ba phương pháp điều khiển chính: PID (Proportional-Integral-Derivative), LQR (Linear Quadratic Regulator) và SMC (Sliding Mode Control). Phương pháp điều khiển trượt SMC được lựa chọn thiết kế chi tiết cho hệ thống do khả năng chịu nhiễu và不确定性 tốt. Bộ điều khiển SMC được thiết kế cho hai vòng điều khiển: bộ điều khiển chấp hành dẫn hướng và bộ điều khiển tạo cảm giác lái. Vòng điều khiển chấp hành đảm bảo góc lái bánh xe bám theo góc lái mong muốn. Vòng điều khiển cảm giác lái tạo momen phản hồi trên vành tay lái tương ứng với lực tác dụng từ mặt đường. Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trên xe ô tô thật với hệ thống lái trợ lực thủy lực, sau đó chuyển đổi sang cấu hình SBW. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm được so sánh để đánh giá độ chính xác mô hình và hiệu quả bộ điều khiển.

3.1. Phương pháp điều khiển trượt SMC cho hệ thống SBW

Điều khiển trượt SMC (Sliding Mode Control) là phương pháp điều khiển phi tuyến mạnh mẽ, phù hợp với hệ thống có不确定性 và nhiễu bên ngoài. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc dẫn dắt trạng thái hệ thống trượt trên bề mặt trượt đã thiết kế. Bộ điều khiển SMC cho chấp hành dẫn hướng đảm bảo góc lái bánh xe theo đúng lệnh từ vành tay lái. Bộ điều khiển SMC cho cảm giác lái tạo momen phản hồi chính xác giúp người lái nhận biết tình trạng đường. Thiết kế bề mặt trượt sử dụng sai lệch giữa góc lái thực tế và góc lái mong muốn. Luật điều khiển đảm bảo hệ thống hội tụ về bề mặt trượt và duy trì trạng thái trượt.

3.2. Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình xe ô tô

Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành theo nhiều bước bài bản. Bước chuẩn bị bao gồm lắp đặt cảm biến góc lái, cảm biến momen, cảm biến áp suất dầu và thiết bị thu thập dữ liệu trên xe ô tô thử nghiệm. Phương pháp thực hiện gồm đo đặc tính tĩnh và động của hệ thống lái trợ lực thủy lực gốc, sau đó chuyển đổi sang cấu hình SBW điện tử thủy lực. Thực nghiệm đánh giá đáp ứng hệ thống với các tín hiệu đầu vào: bước, sin và ngẫu nhiên. Kết quả thực nghiệm được xử lý và so sánh với kết quả mô phỏng để kiểm chứng mô hình toán học và đánh giá hiệu suất bộ điều khiển SMC đã thiết kế.

IV. Kết luận và ứng dụng hệ thống lái Steer by Wire điện tử thủy lực

Nghiên cứu hệ thống lái Steer by Wire điện tử thủy lực đã đạt được nhiều kết quả quan trọng về mặt lý thuyết và thực tiễn. Mô hình động lực học toàn diện được xây dựng mô tả chính xác hành vi hệ thống từ vành tay lái đến bánh xe dẫn hướng. Bộ điều khiển trượt SMC được thiết kế đạt hiệu suất tốt, đảm bảo góc lái bánh xe bám theo lệnh và tạo cảm giác lái chân thực cho người điều khiển. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phù hợp với nhau, chứng minh tính đúng đắn của mô hình và phương pháp điều khiển. Hệ thống SBW điện tử thủy lực có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô. Công nghệ này đặc biệt phù hợp với xe tự hành, xe điện và xe thương mại hạng nặng. Phát triển hệ thống SBW góp phần nâng cao tính an toàn, thoải mái và hiệu quả vận hành phương tiện giao thông. Hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm tối ưu hóa bộ điều khiển và tích hợp hệ thống với các hệ thống hỗ trợ lái tiên tiến ADAS.

4.1. Đóng góp khoa học của luận án nghiên cứu

Luận án nghiên cứu hệ thống lái SBW điện tử thủy lực có nhiều đóng góp khoa học giá trị. Thứ nhất, xây dựng mô hình động lực học toàn diện mô tả tương tác giữa hệ thống điện tử, thủy lực và cơ khí trong hệ thống SBW. Thứ hai, thiết kế thành công bộ điều khiển trượt SMC cho cả hai vòng điều khiển chấp hành dẫn hướng và cảm giác lái. Thứ ba, quy trình chuyển đổi từ hệ thống lái trợ lực thủy lực truyền thống sang hệ thống SBW được nghiên cứu chi tiết. Thứ tư, kết quả thực nghiệm trên xe ô tô thật chứng minh tính khả thi của giải pháp đề xuất.

4.2. Ứng dụng và triển vọng phát triển hệ thống SBW

Hệ thống lái SBW điện tử thủy lực có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành ô tô hiện đại. Ứng dụng đầu tiên là xe tự hành, nơi hệ thống SBW cho phép điều khiển góc lái chính xác theo thuật toán自动驾驶. Ứng dụng thứ hai là xe điện và xe hybrid, tận dụng ưu điểm giảm trọng lượng và tăng không gian bố trí. Ứng dụng thứ ba là xe thương mại hạng nặng cần lực lái lớn với độ chính xác cao. Triển vọng phát triển bao gồm tích hợp hệ thống SBW với hệ thống hỗ trợ lái tiên tiến ADAS, cải tiến bộ điều khiển áp dụng trí tuệ nhân tạo và phát triển hệ thống dự phòng đảm bảo an toàn tuyệt đối.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Trên ô tô hiện đại, tính an toàn và tiện nghi được đặt lên hàng đầu. Hệ thống lái là một trong những hệ thống của ô tô có chức năng thay đổi và ổn định hướng khi ô tô chuyển động, do đó ảnh hưởng đến tính an toàn chủ động của ô tô. Với sự phát triển vượt bậc của ngành công nghiệp điện tử, việc ứng dụng các công nghệ điện tử lên các bộ phận, tổng thành trên ô tô là xu hướng tất yếu, công nghệ này đã được áp dụng lên tổng thành động cơ (điều khiển chân ga, EFI, ESA, ISC…), hệ thống an toàn như chống bó cứng phanh ABS, hệ thống ESC, phanh tay điện tử…Hệ thống lái ô tô cũng không ngoài xu hướng đó. Việc ứng dụng công nghệ điện tử vào hệ thống lái – Hệ thống lái Steer by wire (SBW) là một bước phát triển tiếp theo đáp ứng được với các đòi hỏi ngày càng cao về an toàn chuyển động cho ô tô, thoải mái, linh hoạt cho người lái và hơn nữa nó đáp ứng tốt nhất những yêu cầu cho một chiếc xe ô tô tự lái trong tương lai.

 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu: Hệ thống lái SBW là một trong các hệ thống trên ô tô được ứng dụng công nghệ điện tử. Thời gian gần đây có nhiều nhà khoa học trong nước và trên thế giới đã và đang nghiên cứu hoàn thiện hệ thống lái SBW, các nghiên cứu này cũng là tiền đề phát triển cộng nghệ lái tự động. Công nghệ lái hiện đại này được dự báo là công nghệ sử dụng trên phương tiện vận tải trong tương lai tại các thành phố lớn. Do vậy, nghiên cứu hệ thống lái SBW có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn nhằm nắm bắt các công nghệ tiên tiến trên thế giới để từng bước làm chủ công nghệ trong tương lai.

Hiện nay công nghệ X-by wire được áp dụng trên ô tô như Hình 1.1 cho một số hệ thống như: Động cơ (Direct fuel injection), hệ thống phanh (Brake by wire), hệ thống treo (Active suspension), hệ thống lái (Electrically assisted power steering)… công nghệ này đã cho thấy những lợi ích rõ ràng: Nâng cao tính tiện nghi, cải thiện hiệu suất, tăng độ tin cậy, độ an toàn, giảm chi phí sản xuất, chi phí vận hành.1: Các ứng dụng công nghệ “X - by wire” trên ô tô. Nối tiếp sự phát triển đó, xu hướng tiếp theo trong việc phát triển hệ thống lái là hoàn toàn loại bỏ trục lái – Hệ thống lái SBW, đây sẽ là thay đổi lớn nhất từ trước đến nay đối với hệ thống lái ô tô, cải thiện sự an toàn và gia tăng hiệu suất điều khiển, do đó cần được quan tâm nghiên cứu sâu hơn nữa và chứng minh hiệu quả của nó trong thực tế. Hệ thống lái SBW: Thay vì sử dụng trục lái cơ khí để truyền động đến cơ cấu lái (hệ thống lái truyền thống), hệ thống sử dụng một bộ chấp hành dẫn hướng (động cơ điện, thủy lực…) và một bộ điều khiển điện tử (gồm các cảm biến và bộ xử lý điện tử ECU). Việc nghiên cứu chuyển đổi từ hệ thống lái thông thường trên ô tô sang hệ thống lái SBW là nghiên cứu mang tính ứng dụng thực tiễn cao, liên quan đến các nghiên cứu động lực học của hệ thống lái và nghiên cứu điều khiển tối ưu cho hệ thống.

Trên thế giới đã có nhiều tác giả nghiên cứu về hệ thống lái SBW, nhưng những nghiên cứu khoa học này rất khó để tiếp cận (các nghiên cứu bản quyền, nghiên cứu đặt hàng của các nhà sản xuất…), hoặc các nghiên cứu mới dừng ở mức độ mô phỏng hoặc nghiên cứu mới thực nghiệm trên mô hình mà chưa thực sự được kiểm chứng trên ô tô thực. Năm 2013 được đánh dấu với việc hãng sản xuất ô tô Nissan của Nhật Bản đã lần đầu tiên đưa hệ thống lái SBW lên mẫu xe thương mại Infiniti Q50 như Hình 1.2: Hệ thống lái SBW trên xe Nissan Infiniti Q50 Hệ thống lái SBW trang bị trên xe Nissan intifiti Q50 gồm có: (1) Hệ thống cảm biến góc quay: Gửi tín hiệu (góc quay vành lái ) đến hệ thống tính toán điện tử. (2) Bộ phận ly hợp: Phần lớn thời gian ở trạng thái mở. Được kích hoạt khi hệ thống gặp sự cố, giúp duy trì liên kết cơ khí giữa vành lái với cơ cấu lái.

(3) Hệ thống xử lý điện tử (ECU): Kiểm soát động cơ điện và hệ thống cảm biến góc quay vành lái sao cho góc quay bánh xe tương thích đúng với yêu cầu của người lái. (4) Hai động cơ điện: Không cần động cơ điện công suất lớn, tiết kiệm không gian lắp đặt, 02 động cơ điện này thực hiện vai trò của việc dẫn động lái và hình thang lái. Mặc dù vẫn còn chờ các đánh giá từ phía người dùng cũng như những cải tiến cho hệ thống của nhà sản xuất, nhưng bước đầu cho thấy hướng phát triển mới đối với hệ thống lái trên ô tô. Ở nước ta cũng đã có một số nghiên cứu trong vài năm gần đây về hệ thống lái SBW, tuy nhiên các nghiên cứu mới chỉ dừng lại trên mô hình bán thực nghiệm.

Do đó việc nghiên cứu hệ thống lái SBW đầy đủ về cả phương diện lý thuyết và kiểm nghiệm trên xe ô tô thực tế là rất cần thiết. Luận án với định hướng nghiên cứu: “Nghiên cứu hệ thống lái Steer by wire điện tử -thủy lực” mong muốn đáp ứng phần nào các nhu cầu cấp thiết đặt ra đó.  Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống lái trợ lực thủy lực trên ô tô tải HINO 300Series. 4  Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm để chuyển đổi hệ thống lái có trợ lực thủy lực trên ô tải HINO 300Series sang hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực.

Bơm thủy lực trợ lực lái vẫn được dẫn động trực tiếp từ động cơ của ô tô.  Ý nghĩa khoa học của nghiên cứu: - Là nghiên cứu đầu tiên ở Việt nam hoàn thành việc chuyển đổi hệ thống lái có trợ lực thủy lực trên ô tô HINO 300Series thành hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực. - Đã xây dựng mô hình động lực học và mô hình mô phỏng hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực phù hợp với đối tượng nghiên cứu, đạt độ chính xác cần thiết - Nghiên cứu phương pháp điều khiển phù hợp, xây dựng luật điều khiển. Thiết kế chế tạo bộ điều khiển công nghiệp hoạt động ổn định trên đối tượng nghiên cứu.

 Ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu: - Hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực lắp trên Ô tô HINO 300Series là sản phẩm công nghiệp đã được thử nghiệm không tải, có tải tại chỗ và vận hành trên đường giao thông nội bộ. - Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng cho việc giảng dạy, nghiên cứu khoa học, chuyển giao công nghệ. - Mở ra một hướng nghiên cứu mới về việc chuyển đổi từ hệ thống lái ô tô thông thường sang hệ thống lái SBW.  Đóng góp của nghiên cứu: - Lần đầu tiên trong nước đã nghiên cứu chuyển đổi thành công hệ thống lái có trợ lực thủy lực trên xe ô tô HINO 300Series sang hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực.

Sản phẩm hoàn thành là hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực lắp trên xe hoạt động ổn định, tin cậy ở các chế độ khai thác trong thực tế: Đánh lái tại chỗ (có trợ lực thủy lực và không có trợ lực thủy lực), di chuyển trên đường giao thông nội bộ với vận tốc 5 ÷ 10 km/h. - Mô hình lý thuyết, các thông số của hệ thống được tính toán và đo đạc từ các bộ xử lý, cảm biến điện tử cho kết quả chính xác; Bộ số liệu thực nghiệm được tiến 5 hành công phu, đầy đủ với các thiết bị, dụng cụ thí nghiệm hiện đại đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy. - Đã nghiên cứu tạo cảm giác lái cho hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực đầy đủ nhất bao gồm: Tạo mô men cảm giác khi đánh lái; Giới hạn vành lái khi đánh hết lái về hai phía bằng điện; Tự động trả vành lái về điểm cân bằng tương ứng với khi ô tô chuyển động thẳng. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Hệ thống lái với vấn đề quay vòng và ổn định hướng chuyển động ô tô Các kết quả thống kê và nghiên cứu thực nghiệm [10],[11],[12] cho thấy: Tỷ lệ tai nạn giảm đáng kể đối với các phương tiện được trang bị hệ thống cân bằng điện tử (ESC).

Khi có vấn đề mất ổn định, hệ thống này sẽ can thiệp vào hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh (ABS) nhằm điều chỉnh góc xoay và tốc độ của từng bánh xe sao cho cân bằng với góc trượt quán tính của xe, nhờ vậy mà xe không bị chệch hướng đột ngột hay lật xe. Tuy nhiên sự tham gia của chúng đôi khi làm ảnh hưởng đến sự linh hoạt cũng như giới hạn sự hoạt động của xe, nhưng với hệ thống lái lại cho khả năng tốt hơn để thỏa mãn các vấn đề nêu trên: Trong một số trường hợp, việc sử dụng hệ thống lái thay vì phanh sẽ an toàn hơn bởi vì việc đánh lái phát sinh ít ma sát hơn giữa lốp xe và mặt đường. Trường hợp lốp xe phía sau đã đạt đến giới hạn độ bám của chúng khi xe đang chạy, lúc này kiểm soát duy nhất là bánh xe phía trước, nếu phanh trong tình huống này thường dẫn đến xe bị mất hướng và quay tròn không thể kiểm soát được [13].3: Lực tác động lên bánh xe DH:(a) Lực tạo ra do phanh Fx, (b) Lực tạo ra khi lái Fy 𝑡 Trên Hình 1.3 mô men tạo ra do phanh: 𝑀𝑃 = 𝐹𝑥 , mô men tạo ra do lái: 𝑀𝐿 = 2 2𝐹𝑦 𝑎. Lực bên Fy ở mỗi lốp xe chỉ bằng một phần tư lực theo chiều dọc Fx, tạo ra 7 𝐹 𝑎 trong cùng một khoảng thời gian: 𝐹𝑦 = 𝑥 vì vậy 𝑀𝐿 = 𝐹𝑥.

Kết quả này cho thấy hệ 4 2 thống lái đặc biệt hữu ích để kiểm soát một chiếc xe khi lực 𝐹𝑥 đã đến giới hạn bám. Đối với thiết kế trên ô tô hiện đại, tính an toàn và tiện nghi được đặt lên hàng đầu, chính vì vậy quỹ đạo chuyển động của ô tô được khảo sát một cách chặt chẽ trong nhiều tình huống khẩn cấp và tình trạng đường thay đổi [14].4: Các bậc tự do của ô tô trong không gian Quỹ đạo chuyển động của ô tô là tổng hợp kết quả tương tác giữa hệ thống lái, động cơ, hệ thống truyền lực, hệ thống treo, phanh, lốp xe và tình trạng mặt đường.