Nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm bộ điều khiển điện tử phanh ABS ô tô con

Luận văn nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển điện tử phanh ABS ô tô. Trình bày chi tiết cơ sở lý luận, thiết kế mạch và kết quả thử nghiệm thực tế.

• Đề tài: Chế tạo bộ điều khiển điện tử phanh ABS ô tô
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống phanh ABS ô tô

Hệ thống phanh ABS (Anti-lock Braking System) là một trong những công nghệ quan trọng nhất trong an toàn xe ô tô hiện đại. Hệ thống này được thiết kế để ngăn chặn bánh xe bị khóa khi phanh gấp, giúp duy trì khả năng lái và kiểm soát xe. Bộ điều khiển điện tử ABS hoạt động bằng cách giám sát tốc độ của từng bánh xe thông qua cảm biến tốc độ chuyên dụng. Khi phát hiện hiện tượng trượt lết, hệ thống sẽ điều chỉnh áp suất dầu phanh một cách tự động, thực hiện chu trình phanh liên tục để tối ưu hóa lực phanh. Sự kết hợp giữa ABS với các hệ thống khác như EBD (Electronic Brake-force Distribution) và BAS (Brake Assist System) tạo thành một hệ thống phanh toàn diện, đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn quốc tế cao nhất.

1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của ABS

Hệ thống ABS bao gồm các thành phần chính: cảm biến tốc độ bánh xe, cụm bơm và van phân phối dầu, và bộ điều khiển điện tử (ECU). Cảm biến điện từ đặt trên mỗi bánh xe giám sát tốc độ liên tục. Khi bánh xe có xu hướng khóa lại, ECU sẽ điều khiển van điện từ để giảm áp suất dầu phanh, cho phép bánh xe quay trở lại. Quá trình này lặp lại nhiều lần mỗi giây, tạo ra chu trình điều khiển kín liên tục.

1.2. Kết hợp ABS với các hệ thống an toàn khác

ABS kết hợp với EBD giúp phân bổ lực phanh hợp lý giữa các bánh xe trước và sau. Hệ thống BAS (Brake Assist) tự động tăng áp suất khi phát hiện phanh khẩn cấp. TRC (Traction Control) kiểm soát lực kéo của bánh xe. Sự tích hợp này tạo nên một hệ thống an toàn tổng thể đặc biệt hiệu quả trong các tình huống khẩn cấp, đảm bảo ổn định xe và khả năng điều khiển tối đa.

II. Cơ sở lý thuyết về lực bám và hiện tượng trượt bánh xe

Lực bám (adhesion force) là lực ma sát giữa lốp xe và mặt đường, là yếu tố quyết định khả năng phanh của xe. Hệ số bám (μ) phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại đường, điều kiện thời tiết, tình trạng lốp xe và tốc độ. Hiện tượng trượt lết xảy ra khi bánh xe bị khóa hoàn toàn do áp suất phanh quá lớn, làm giảm hệ số bám xuống mức tối thiểu. Ngược lại, nếu áp suất phanh không đủ, bánh xe sẽ tiếp tục lăn với vận tốc cao, kéo dài quãng đường phanh. Đặc tính trượt lý tưởng cho thấy có một điểm tối ưu để tối đa hóa lực phanh mà không gây trượt lết, đây chính là điểm mà ABS cố gắng duy trì thông qua điều khiển áp suất phanh.

2.1. Đặc tính trượt và độ bám theo loại đường

Độ trượt được định nghĩa là tỷ lệ giữa vận tốc xe và vận tốc góc bánh xe. Đặc tính trượt theo hệ số bám thể hiện mối quan hệ giữa độ trượt và lực phanh trên các loại đường khác nhau. Đường khô có hệ số bám cao (μ ≈ 0.8-1.0), trong khi đường ướt giảm xuống (μ ≈ 0.4-0.6). Đặc tính trượt lý tưởng cho phép ABS tối ưu hóa lực phanh bất kể điều kiện đường xá.

2.2. Quá trình điều khiển ABS theo chu trình kiểm soát

Chu trình điều khiển ABS bao gồm ba giai đoạn: tăng áp suất (khi bánh xe chưa trượt), giữ áp suất (khi phát hiện trượt), và giảm áp suất (để phục hồi). Quá trình điều khiển lặp lại liên tục, cho phép hệ thống duy trì bánh xe ở điểm trượt tối ưu. Tần số chu trình có thể đạt 10-15 lần mỗi giây, đảm bảo phản ứng nhanh và hiệu quả cao.

III. Thiết kế bộ điều khiển điện tử cho hệ thống phanh

Bộ điều khiển điện tử ABS được thiết kế dựa trên vi điều khiển AVR có khả năng xử lý tín hiệu nhanh chóng và chính xác. Cấu trúc bộ điều khiển bao gồm nhiều khối chức năng: khối thu và xử lý tín hiệu từ cảm biến, khối cấp nguồn ổn định, khối điều khiển relay, và khối khuếch đại công suất để điều khiển van điện từ phanh. Phần mềm điều khiển được viết bằng CodevisionAVR, cho phép lập trình các thuật toán điều khiển phức tạp. Mô phỏng trên Proteus giúp kiểm chứng thiết kế trước khi chế tạo thực tế. Giao diện phần mềm vẽ đồ thị hiển thị dữ liệu thời gian thực từ cảm biến tốc độ, giúp theo dõi và tối ưu hóa hiệu suất phanh.

3.1. Các khối chức năng trong bộ điều khiển

Khối thu tín hiệu tiếp nhận dữ liệu từ cảm biến tốc độ chuyển đổi thành tín hiệu điện áp. Khối xử lý thực hiện các phép tính để xác định độ trượt và lực bám. Khối cấp nguồn cung cấp điện áp ổn định +5V và +12V. Khối khuếch đại công suất sử dụng transistor MOSFET (IRF530) để điều khiển van điện từ 3 vị trí với dòng điều khiển lớn. Kết nối với máy tính qua chuẩn RS232 cho phép giám sát và hiệu chỉnh thông số phanh.

3.2. Đặc tính phần tử khuếch đại và kiểm chứng thiết kế

MOSFET IRF530 được chọn để khuếch đại công suất điều khiển van điện từ vì có khả năng chuyển mạch nhanh và hệ số khuếch đại cao. Đặc tính I-V của MOSFET cho phép điều khiển dòng tới 30A với dòng gate nhỏ. Mạch thí nghiệm xác định đặc tính khuếch đại trên các điều kiện hoạt động khác nhau. Kết quả thử nghiệm cho thấy bộ điều khiển hoạt động ổn định và đáng tin cậy trên xe thử nghiệm.

IV. Kết quả thử nghiệm và ứng dụng thực tế

Bộ điều khiển phanh ABS hoàn chỉnh được lắp đặt trên ô tô thử nghiệm để kiểm chứng hiệu suất trong điều kiện thực tế. Quá trình thử nghiệm bao gồm các test phanh ở các tốc độ khác nhau: dưới 20 km/h, từ 20-50 km/h, và trên 50 km/h. Đồ thị vận tốc góc bánh xe trong quá trình phanh cho thấy hệ thống ABS đã thành công trong việc duy trì tốc độ bánh xe ở mức tối ưu mà không xảy ra khóa bánh. Khoảng cách phanh được rút ngắn đáng kể so với phanh thông thường, đặc biệt trên các loại đường có lực bám thấp. Khả năng kiểm soát hướng được cải thiện rõ rệt, cho phép lái xe vẫn có khả năng lái ngay cả khi phanh gấp, nâng cao an toàn trong giao thông.

4.1. Phương pháp thử nghiệm và thu thập dữ liệu

Phương pháp thử nghiệm sử dụng các cảm biến tốc độ để thu thập dữ liệu vận tốc bánh xe trong quá trình phanh. Dữ liệu được ghi vào bộ nhớ của vi điều khiển và truyền lên máy tính qua giao diện RS232 để phân tích chi tiết. Các test tiến hành trên các loại đường khác nhau: đường nhựa khô, đường nhựa ướt, và đường có độ dốc. Quá trình phanh được ghi lại chi tiết từ khi bắt đầu phanh tới khi xe dừng hoàn toàn.

4.2. Phân tích kết quả và hiệu quả thực tế của ABS

Kết quả thử nghiệm cho thấy quãng đường phanh giảm 15-25% so với phanh không có ABS trên đường khô và 30-40% trên đường ướt. Hệ số bám được duy trì gần với giá trị tối ưu xuyên suốt quá trình phanh. Ổn định xe được cải thiện đáng kể, giảm nguy c险quay vòng hoặc trượt ngang. Hệ thống ABS đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn an toàn và có thể ứng dụng vào các dòng xe ô tô thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Các vấn để về hệ thống phanh ABS 1. Bự kết hợp giữa APS vả các hệ thẳng khác 1. Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống EBD và BAS.

Hệ thống ADBS kết hợp với hệ thống kiểm soát lực kéo (TRC) 1. Hệ thắng ẳn dịnh xe bằng diện tử 1. Nhiệm vụ của để tài 1. Tỉnh hình nghiên cứu 1.

Nhiệm vụ của để tải CHƯƠNG 2. CƠ SỐ LÍ LUẬN CỬA Đ TÀI. Lue bam và hệ số bám 2. Dộ trưỢt.

cuc nen meee 2. Lực và mô men tác dụng lên bánh xe khi phanh 2. Hiện tượng trượt lết của bánh xe khi phanh 2. Dic tính trượt khi phanh.

Đặo tính trượt theo độ bám. Dặc tính trượt li tưởng. Cấu tao va nguyên lí làm việc của ABS. Cấu tạo của hệ thống ABS 2.

Câm biến tốc độ bánh xe 2. Cụm bơm và van phần phối dầu 2. Nguyên lí làm việc của ABS 2. Pham vi điều khiển của ADS Tain vin thạc sĩ 2.

Chu trình điều khiển cia ABS - 39 2. Quá trình điều khién ABS - 4I 2. Nhiệm vụ của hệthống AB5. : HH ri CHUONG 3.

GIOI THIBU XE THU NGHIEM. Giới thiệu mô hỉnh, điều kiện thử nghiệm. So đỗ hệ thống phanh có ALS cy thé trén xe thi nghiém. Quả trình diều khiển ABS - 48 3.

Khi phanh binh thường. Quá trình giữ áp suắt. Quá trình giảm áp suất 51 3. Quá trình tăng áp suất.

Tín hiệu diều khiển van thủy lực trên ECU nguyên bản của xe 54 3. Van điện từ và phần tử khuyếch đại công suất 54 CHIƯƠNG 4. THIẾT KF, CHẺ TẠO BỘ ĐIU KHIN ĐIÿN TỪ CHO TIE THONG PHANH. Giới thiêu về vi điều khiển AVR và công dụng trong bô điều khiển.

Giới thiệu về phần mềm mô phông và lập trình cho vì điệu khiến. Giới thiêu về proteus - - 60 4. Giới thiệu về CodevisionAVR. Giới thiệu về giao diện phần mềm vẽ đỗ thị 63 4.

Thiét ké cac m6 dun trong bộ điều khiến điện tử. Khối thu và xử lí tín hiệu từ cảm biến. Khối cấp nguồn cho bộ diều khiển - 69 4. Khôi diéu khién role.

Khối diều khiển van diện từ 3 vi ti. Khối khuyếch dại công suất cho các van diện diễu khiển thủy lực77 4. Đặc tính của phần tử khuyếch đại công suất "Nưi Tain vin thạc sĩ -3- 4-4. Thiết kế khối cung cấp gông suất điều khiển van điện từ 81 4.

Khôi kết nổi với máy tính 83 4. Kết quả thiết kế. Tỉnh chỉnh mạch điều khiển để hệ thông làm việc 88 4. Kết quả thử nghiệm g9 KT LUẬN CHUNG.

93 TẢI LIỆU THAM KHẢO 95 PHỤ LỤC.96 Tain vin thạc sĩ IRF530 76. Mô hình thí nghiệm xác dịnh đặc tính của phần tử khuyếch đại công suất sử đụng trong để tài. Mạch thí nghiệm xác định đặc tính của TRES30 78 Hình 4. Sơ đề nguyên lí khối cung cập công suất điều khiển van điện teeter OL Hình 4.

So dé nguyén li khéi khuyéch dai công suất cấp cho cơ cầu chấp hành hệ thông phanh ABS. Mach đẳng bộ dữ liệu sử dụng vi mạch MAX232. Mạch xử lí và điều khiển 85 Tinh 4. Mach khuyếch đại công SUẤU.

Mạch kết nối với máy tỉnh 86 Hình 4. Bộ điều khiển phanh ABS hoàn chỉnh. Lắp đặt bộ diều khiển phanh trên ô tô thử nghiệm. Đồ thị vận tốu gúo bánh xe trong qua trình phanh khi vận tốc dài của ô tô nhỏ hơn 20 knwh.

Đồ thị vận tốc góc bánh xe lrong quá trình phanh 91 Tĩnh 4. Dẻ thị vận tốc góc bánh xe khi phanh. - 92 Tain vin thạc sĩ -4- DANII MUC INI VE Hinh 1.1, Dé thi so sảnh lực phanh khi có và không có trợ lực phanh khẩn cẤp. cn nh Hee neo L2 Hình 1.

Sơ đỗ hệ thống ABS và TRC 13 Hình 1. Các trạng thải của cảnh bướm ga phụ. Sơ đô vị trí hệ thống TESP trên xe Mercedes. ESP diéu khiển phanh chống hiện tượng quay vỏng thừa hoặc quay vòng thiếu.

ve 17 TTình 2. Các yếu tổ ảnh hướng đến hệ số bám. Sơ đỗ lực và mô men tác dụng lên bánh xe khi phanh 24 Tình 2. Trạng thái lăn của bánh xe khi có trượt lết.

Đặc tính trượt theo hé sé bam. Đặc tính trượt ứng với các loại đường khác nhau. Đặc tính trượt lý tưổng. cà sec 30 Hình 2.

Quá trình phanh cơ bản theo đặc tính trượt lý tưởng 3 Hình 2. Sơ đề bề trí các cơ cầu trong hệ thống phanh AB8. Sơ đỏ cảm biến lốc độ loại điện từ và bỗ trí trên xe 33 Hình 2. Tín hiệu điện áp của cảm biển tốc độ bánh xe 34 Hình 2.

Bơm dầu trong hệ thông phanh ABS. Sơ đỗ cum van phân phối 36 Hình 2. Phạm vi điều khiển của hệ thống AHB. Phạm vi điều khiển của ABS theo góc trượt bánh xe.

Chu trình điều khiển kín của AB8 39 Hình 2. So dé trang thái không gian biếu điễn hoạt động của ABS. Quá trình diều khiển của ABS - 43 Hình 2. Sự thay đổi của mỗ mạn phanh Mụ, áp suất dẫn động phanh p và gia tốc a của bảnh xe khi phanh có AB§.

45 Tain vin thạc sĩ -0-~ điểm đó, số kênh điều khiển hệ thống còn i\, chỉ điêu khiển một kênh, hoặc hai kênh cho toàn bộ các cầu hoặc một cầu xe và sử dụng van điểu hỏa lực phanh bằng cơ khi để phần phổi áp suất phanh đến các bánh. Năm 1994: Hệ thống phanh ABS được kết hợp với hệ thông cân bằng điện tử IDD. IIệ thống điện tử đần thay thế các hệ thống cư khi, hệ thống phanh ABS trong hệ thống đã bắt đầu điều khiến nhiều kênh, diéu khiển từng bánh xe độc lập Những năm sau đó lả quá trình hoàn thiện, tối ưu hóa hiệu quả làm việc uũa hộ thông phanh. Hệ thống ABS hoạt động tối wu, đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng phanh của ô tô phải dạt dược các yêu cầu sau - ABS phai dap ứng được các yêu cầu về an toàn liên quan dén động lực học phanh và chuyển động của ôtô.

- Hệ thống phải lâm việc ổn định và có khá năng thích ứng cao, diễu khiển tốt trong suốt dải tốc độ của xe và ở bất kỳ loại đường nào (thay đổi từ đường bé tông khô có độ bám tốt đến đường đóng băng có độ bám kém), - Hệ thống phải khai thác tối da khả năng phanh của các bánh xe trên đường nhằm tăng tỉnh ổn định điều khiển và giãm quãng đường phanh. Điều nảy không phụ thuộc vào việc phanh đột ngột hay phanh từ Lừ của người lái xe, - Khi nhanh xe trên đường cỏ các hệ số bám khác nhau (vi dụ hai bánh xe bên phải cbạy trên đường có dính dầu nhớt vả hai bánh bên trái chay trên đường nhựa khê) thì mô men xoay xe quanh trục đứng đi qua trọng tâm của xo luôn luôn xay ra, lúc này hệ thẳng ABS cần hỗ trợ lâm mô mơn quay đó tăng chậm dễ người lái xe có dủ thời gian điều chỉnh thông qua hệ thống lái; Tain vin thạc sĩ -R- CHUONG 1. Cac van dé vé hé thong phanh ABS THiệ thông phanh trên ô tô là một trong những hệ thống đảm bảo an toản chuyển đồng gủa ô tô, có công dung -_ Giảm dẫn tốc độ hoặc dùng hẳn xe khi xe đang chuyển động: - Git xe đứng yên trên đường đốc trong khoảng thời gian đải mà không cần sự có mặt của người lải xe Hệ thông chông bỏ cứng phanh ABS (Anti-lock Braking Systems) nim trong hé théng an toàn chủ động ctta 6 16 hién dai. IIé thống sẽ điều khiển chống bó cứng các bánh xe trong quá trình phanh, giúp tăng độ ôn định của xe, rút ngắn quãng đường phanh, tăng khả năng điều khiển quay vong 6 16 trong trường hợp cần thiết phải tránh chướng ngại vật Lich sir phat trién của hệ thông phanh và phanh AHBS qua các thời kỉ sau Năm 1924: Khai sinh hệ thống phanh thủy lực và đến năm 1931 thi Ung tinh an Loan phanh với dẫn động hai dòng.

Năm 1951: Ứng dụng dang phanh đĩa, Năm 1852 đến 1963 là thời kỳ ứng dụng trợ lực thủy lực va chân không; Năm 1978: Hệ thông phanh ABS bắt đầu có ứng đụng thương mại trên ô tô. APS tác động váo hệ thống dẫn động thủy lực nhằm giữ, giám hoặc tăng áp suất phanh dẫn đến các xi lanh phanh bánh xe để chồng trượt lẻt trong quá trình phanh. Năm 1989: Hệ thống phanh ABS dược kết hợp với hệ thống chống trượt quay TSC. Hệ thống này điều khiển bằng cách điều chỉnh giá trị của mô men phanh và mô men dược truyền từ động cơ dến các bảnh xe.

Hệ thống này còn có khả năng diều khiển lượng nhiên liệu cấp cho dộng cơ nhằm hạn chế trượt quay bánh xe do thừa mô men. Tuy nhiên tại thời Tain vin thạc sĩ -R- CHUONG 1. Cac van dé vé hé thong phanh ABS THiệ thông phanh trên ô tô là một trong những hệ thống đảm bảo an toản chuyển đồng gủa ô tô, có công dung -_ Giảm dẫn tốc độ hoặc dùng hẳn xe khi xe đang chuyển động: - Git xe đứng yên trên đường đốc trong khoảng thời gian đải mà không cần sự có mặt của người lải xe Hệ thông chông bỏ cứng phanh ABS (Anti-lock Braking Systems) nim trong hé théng an toàn chủ động ctta 6 16 hién dai. IIé thống sẽ điều khiển chống bó cứng các bánh xe trong quá trình phanh, giúp tăng độ ôn định của xe, rút ngắn quãng đường phanh, tăng khả năng điều khiển quay vong 6 16 trong trường hợp cần thiết phải tránh chướng ngại vật Lich sir phat trién của hệ thông phanh và phanh AHBS qua các thời kỉ sau Năm 1924: Khai sinh hệ thống phanh thủy lực và đến năm 1931 thi Ung tinh an Loan phanh với dẫn động hai dòng.

Năm 1951: Ứng dụng dang phanh đĩa, Năm 1852 đến 1963 là thời kỳ ứng dụng trợ lực thủy lực va chân không; Năm 1978: Hệ thông phanh ABS bắt đầu có ứng đụng thương mại trên ô tô. APS tác động váo hệ thống dẫn động thủy lực nhằm giữ, giám hoặc tăng áp suất phanh dẫn đến các xi lanh phanh bánh xe để chồng trượt lẻt trong quá trình phanh. Năm 1989: Hệ thống phanh ABS dược kết hợp với hệ thống chống trượt quay TSC. Hệ thống này điều khiển bằng cách điều chỉnh giá trị của mô men phanh và mô men dược truyền từ động cơ dến các bảnh xe.

Hệ thống này còn có khả năng diều khiển lượng nhiên liệu cấp cho dộng cơ nhằm hạn chế trượt quay bánh xe do thừa mô men. Tuy nhiên tại thời Tain vin thạc sĩ IRF530 76. Mô hình thí nghiệm xác dịnh đặc tính của phần tử khuyếch đại công suất sử đụng trong để tài.