Luận Văn Thạc Sĩ Về Mô Hình Dạy Học Hệ Thống Lái Trợ Lực Điện Giao Tiếp Qua LabVIEW

Khám phá luận văn thạc sĩ về mô hình dạy học hệ thống lái trợ lực điện giao tiếp máy tính qua LabVIEW, ứng dụng trong giáo dục và công nghệ.

• Tác giả: Trịnh Thái Luân
• Người hướng dẫn: PGS. TS. Đỗ Văn Dũng
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ ô tô
• Đề tài: Mô Hình Dạy Học Hệ Thống Lái Trợ Lực Điện Giao Tiếp Máy Tính Thông Qua LabVIEW
• Loại tài liệu: Luận văn cao học
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• 1. Chƣơng 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2.1. Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái trên thế giới:
• 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong vùng ASEAN và trong nước:
• 1.3. Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu
• 1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu:
• 1.3.2. Đối tượng nghiên cứu:
• 1.4. Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của đề tài
• 1.4.1. Nhiệm vụ của đề tài:
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu:
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2. Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan về hệ thống lái trợ lực
• 2.1.1. Công dụng hệ thống lái trợ lực:
• 2.1.2. Phân loại hệ thống lái trợ lực:
• 2.2. Hệ thống lái có trợ lực thủy lực
• 2.2.1. Cấu trúc tổng quát HTL trợ lực thuỷ lực:
• 2.2.2. Mô hình toán học HTL trợ lực thuỷ lực:
• 2.3. Đặc tính trợ lực lái:
• 2.4. Giải pháp điều khiển thay đổi hệ số trợ lực lái:
• 2.5. Hệ thống trợ lực thủy lực điều khiển điện điện tử
• 2.5.1. HTL trợ lực thủy lực với van điện từ lắp ở bơm trợ lực thực hiện điều khiển lưu lượng:
• 2.5.2. Hệ thống trợ lực thủy lực với van điện từ trên mạch dầu van trợ lực lái:
• 2.5.3. Hệ thống lái trợ lực thủy lực với van điện từ tại cửa vào ra (cửa P và cửa R) của van trợ lực:
• 2.5.4. Hệ thống lái trợ lực thủy lực với cách thay đổi tốc độ bơm trợ lực lái:
• 2.6. Hệ thống lái trợ lực điện – điện tử
• 2.6.1. Trợ lực trên trục lái:
• 2.6.2. Trợ lực trên cơ cấu lái:
• 2.7. Cảm biến trong hệ thống trợ lực lái Điện – Điện tử:
• 2.7.1. Cảm biến tốc độ đánh lái có 2 loại:
• 2.7.2. Cảm biến mô men lái có 3 loại:
• 2.7.3. Cảm biến tốc độ ô tô:
• 3. CHƢƠNG 3: PHẦN MỀM LABVIEW
• 3.1. Những khái niệm cơ bản
• 3.1.1. Giới thiệu chung:
• 3.1.2. VI (Virtual Instrument) - Thiết bị ảo
• 3.1.3. Front Panel và Block Diagram
• 3.2. Kỹ thuật lập trình trên LabVIEW
• 3.3. Các công cụ hỗ trợ lập trình
• 3.4. Các cấu trúc điều khiển luồng chương trình
• 3.4.1. Case & Sequence Structures:
• 3.5. SubVI và cách xây dựng subVI
• 3.5.1. Khái niệm SubVI. Xây dựng SubVI
• 3.5.2. Tạo một SubVI từ một VI:
• 3.5.3. Tạo một SubVI từ một phần của VI:
• 3.6. Xây dựng ứng dụng
• 3.7. Gỡ rối và sửa chương trình xây dựng trên LabVIEW
• 3.8. Xây dựng giao diện điều khiền trên máy tính
• 4. Chƣơng 4: THIẾT KẾ CARD GIAO TIẾP
• 4.1. Giới thiệu chung vi điều khiển
• 4.2. Cấu trúc phần cứng của họ vi điều khiển AVR
• 4.2.1. Tổng quan về kiến trúc
• 4.2.2. Các thanh ghi đa dụng
• 4.2.3. Cổng ra vào
• 4.2.4. Bộ nhớ SRAM
• 4.2.5. Cấu trúc ngắt
• 4.2.6. Bộ so sánh analog
• 4.2.7. Bộ biến đổi A/D bên trong
• 4.2.8. Bộ định thời watchdog bên trong
• 4.3. Giới thiệu vi điều khiển ATmega16 (AT90s4414/8515)
• 4.3.1. Mô tả chức năng các chân ATmega16
• 4.4. Giới thiệu vi điều khiển ATtmega8
• 4.4.1. Sơ đồ chân và sơ đồ khối của ATmega8
• 4.4.2. Mô tả chức năng các chân ATmega8
• 4.5. Thiết kế card giao tiếp giữa máy tính và mô hình
• 4.5.1. Sơ đồ giao tiếp giữa máy tính và mô hình:
• 4.5.2. Chuẩn giao tiếp:
• 5. Chƣơng 5: THIẾT KẾ, THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN
• 5.1. Giới thiệu mô hình
• 5.2. Thiết kế các bộ phận chính trên mô hình
• 5.2.1. Bộ phận tạo mô men cản của mặt đường:
• 5.2.2. Trục lái trợ lực điện và cơ cấu dẫn động:
• 5.2.3. Bộ phận điều khiển:
• 5.3. Thiết kế các bộ phận chức năng trên mô hình hệ thống lái EPS
• 5.3.1. Bộ phận phát tín hiệu tốc độ động cơ:
• 5.3.2. Bộ phận phát tín hiệu tốc độ xe:
• 5.4. Cấu tạo cảm biến tốc độ bánh xe:
• 5.5. Hoạt động của cảm biến tốc độ bánh xe loại điện từ:
• 5.6. Cảm biến tốc độ bánh xe và sơ đồ truyền tín hiệu trên mô hình
• 5.7. Nguyên lý điều khiển trên mô hình EPS:
• 5.8. Hướng dẫn sử dụng mô hình
• 5.8.1. Điện áp sử dụng cho mô hình:
• 5.8.2. Vận hành mô hình:
• 5.8.2.1. Chuẩn bị thiết bị và kiểm tra:
• 5.8.2.2. Vận hành mô hình khi không kết nối với tính:
• 5.8.2.3. Vận hành mô hình khi kết nối với tính:
• 6. Chƣơng 6: THỰC NGHIỆM
• 6.1. Mục tiêu thực nghiệm
• 6.2. Thiết bị và dụng cụ thực nghiệm
• 6.3. Trình tự thực nghiệm
• 6.4. Tính toán và kiểm nghiệm mô men cản quay vòng tác dụng lên mô hình:
• 6.4.1. Tính toán mô men cản quay vòng cực đại Mc max:
• 6.4.2. Thực nghiệm giá trị mô men cản quay vòng cực đại MCmax
• 6.4.3. Tính toán mô men cản quay vòng MCmax trên xe TOYOTA Prius sản xuất 2004 - 2007
• 6.5. Tính toán kiểm nghiệm lực tác dụng lên vô lăng lái
• 6.6. Đánh giá kết quả thực nghiệm
• 6.7. Tính toán mô men trợ lực cực đại của motor trợ lực trên mô hình
• 7. Chƣơng 7: KẾT LUẬN - HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• 7.1. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình dạy học hệ thống lái trợ lực điện

Mô hình dạy học hệ thống lái trợ lực điện qua LabVIEW là một công cụ quan trọng trong giáo dục công nghệ ô tô. Mô hình này không chỉ giúp sinh viên hiểu rõ về cấu trúc và hoạt động của hệ thống lái trợ lực điện mà còn cung cấp trải nghiệm thực tế thông qua mô phỏng. Việc áp dụng phần mềm LabVIEW trong mô hình này cho phép sinh viên thực hành và nắm bắt kiến thức một cách hiệu quả hơn.

1.1. Khái niệm về hệ thống lái trợ lực điện

Hệ thống lái trợ lực điện (EPS) là công nghệ hiện đại giúp giảm lực cần thiết để điều khiển vô lăng. EPS hoạt động dựa trên cảm biến và động cơ điện, mang lại nhiều lợi ích cho người lái.

1.2. Vai trò của LabVIEW trong mô hình dạy học

LabVIEW là phần mềm mạnh mẽ cho phép mô phỏng và điều khiển các hệ thống điện tử. Việc sử dụng LabVIEW trong mô hình dạy học giúp sinh viên dễ dàng thực hiện các thí nghiệm và phân tích dữ liệu.

II. Thách thức trong việc dạy học hệ thống lái trợ lực điện

Dạy học về hệ thống lái trợ lực điện gặp nhiều thách thức, từ việc truyền đạt kiến thức lý thuyết đến việc thực hành trên mô hình. Một trong những khó khăn lớn nhất là sinh viên thường thiếu kinh nghiệm thực tế và không hiểu rõ cách thức hoạt động của các thành phần trong hệ thống.

2.1. Khó khăn trong việc tiếp cận kiến thức lý thuyết

Nhiều sinh viên gặp khó khăn trong việc hiểu các khái niệm lý thuyết liên quan đến hệ thống lái trợ lực điện, dẫn đến việc áp dụng thực tế không hiệu quả.

2.2. Thiếu thiết bị thực hành phù hợp

Việc thiếu thiết bị thực hành như mô hình hệ thống lái trợ lực điện có thể làm giảm khả năng tiếp thu kiến thức của sinh viên, ảnh hưởng đến chất lượng đào tạo.

III. Phương pháp dạy học hiệu quả cho hệ thống lái trợ lực điện

Để nâng cao hiệu quả dạy học về hệ thống lái trợ lực điện, cần áp dụng các phương pháp giảng dạy hiện đại. Việc kết hợp lý thuyết và thực hành sẽ giúp sinh viên nắm vững kiến thức và kỹ năng cần thiết.

3.1. Kết hợp lý thuyết và thực hành

Giáo viên nên kết hợp giữa lý thuyết và thực hành để sinh viên có thể áp dụng kiến thức vào thực tế, từ đó nâng cao khả năng hiểu biết.

3.2. Sử dụng công nghệ trong giảng dạy

Việc sử dụng công nghệ như LabVIEW trong giảng dạy giúp sinh viên có trải nghiệm thực tế và dễ dàng tiếp cận các khái niệm phức tạp.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mô hình dạy học hệ thống lái trợ lực điện

Mô hình dạy học hệ thống lái trợ lực điện không chỉ giúp sinh viên nắm vững kiến thức mà còn chuẩn bị cho họ những kỹ năng cần thiết để làm việc trong ngành công nghiệp ô tô. Các ứng dụng thực tiễn của mô hình này rất đa dạng, từ việc thiết kế đến bảo trì hệ thống lái.

4.1. Thiết kế và phát triển hệ thống lái

Sinh viên có thể áp dụng kiến thức từ mô hình để thiết kế và phát triển các hệ thống lái trợ lực điện cho xe hơi, đáp ứng nhu cầu thị trường.

4.2. Bảo trì và sửa chữa hệ thống lái

Mô hình cũng giúp sinh viên hiểu rõ quy trình bảo trì và sửa chữa hệ thống lái, từ đó nâng cao khả năng làm việc trong ngành công nghiệp ô tô.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai của mô hình dạy học

Mô hình dạy học hệ thống lái trợ lực điện qua LabVIEW là một công cụ hữu ích trong giáo dục công nghệ ô tô. Hướng phát triển tương lai của mô hình này có thể bao gồm việc cải tiến công nghệ và mở rộng nội dung giảng dạy để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp.

5.1. Cải tiến công nghệ mô hình

Cần liên tục cập nhật và cải tiến công nghệ mô hình để đảm bảo sinh viên được tiếp cận với những công nghệ mới nhất trong ngành công nghiệp ô tô.

5.2. Mở rộng nội dung giảng dạy

Mở rộng nội dung giảng dạy để bao gồm các khía cạnh mới của hệ thống lái trợ lực điện, từ đó nâng cao chất lượng đào tạo.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của ngành công nghiệp ô tô hiện đại, các cơ cấu điều khiển cơ khí và thủy lực truyền thống đang được thay thế mạnh mẽ bằng các hệ thống điều khiển điện tử thông minh. Điển hình cho quá trình chuyển dịch này là hệ thống lái trợ lực điện (Electronic Power Steering - EPS), công nghệ đã được các tập đoàn lớn như Ford cam kết tích hợp trên 80% đến 90% số lượng xe thương mại. So với hệ thống trợ lực thủy lực (HPS), hệ thống lái trợ lực điện mang lại khả năng tiết kiệm từ 5% đến 8% mức tiêu hao nhiên liệu, cấu tạo gọn nhẹ, hoạt động độc lập với vòng tua động cơ và dễ dàng tích hợp các thuật toán điều khiển an toàn chủ động.

Tại Việt Nam, công tác đào tạo chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại các trường đại học và cao đẳng gặp nhiều rào cản do chi phí nhập khẩu các mô hình dạy học hiện đại rất đắt đỏ, dao động hàng trăm triệu đồng mỗi bộ, trong khi các thiết bị tự chế trong nước thường chỉ phục vụ việc quan sát cấu tạo tĩnh mà không đo kiểm hay chẩn đoán được các thông số làm việc động học.

Nhằm giải quyết triệt để bất cập này, đề tài nghiên cứu đã đặt ra mục tiêu thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình dạy học hệ thống lái trợ lực điện có khả năng giao tiếp máy tính thông qua phần mềm LabVIEW. Công trình được hoàn thành vào tháng 4 năm 2013 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, dựa trên việc nghiên cứu thực nghiệm cơ cấu lái thực tế của dòng xe hybrid Toyota Prius sản xuất trong giai đoạn 2004 đến 2007. Đề tài không chỉ chế tạo thành công bộ tạo mô men cản quay vòng biến thiên theo dải tốc độ từ 0 km/h đến trên 100 km/h mà còn xây dựng giao diện giám sát 100% tín hiệu cảm biến theo thời gian thực, giúp giảm khoảng 60% chi phí đầu tư trang thiết bị dạy học và nâng cao 45% hiệu quả tiếp thu kỹ năng thực hành chẩn đoán cho người học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng tích hợp giữa lý thuyết động lực học ô tô và lý thuyết điều khiển tự động hóa hiện đại:

• Lý thuyết động lực học hệ thống lái ô tô: Khảo sát mối quan hệ toán học giữa lực tác dụng của người lái lên vành tay lái, mô men cản quay vòng của mặt đường tác dụng lên bánh xe dẫn hướng và mô men trợ lực do motor điện sinh ra. Thiết kế lực lái tác dụng trên vô lăng duy trì ở mức tối ưu từ 3 kg đến 5 kg trong trường hợp lực cản mặt đường cực đại khi đỗ xe, đồng thời tự động giảm mức trợ lực về 0 khi xe vận hành ở dải vận tốc cao để tạo cảm giác mặt đường chân thực và đảm bảo an toàn.
• Lý thuyết điều khiển động cơ điện và biến đổi công suất: Phân tích hai giải pháp điều khiển motor trợ lực lái một chiều điện áp 12V bằng phương pháp điều khiển điện áp và phương pháp điều khiển dòng điện mục tiêu thông qua mạch cầu H MOSFET. Tốc độ và mô men trợ lực được điều chế độ rộng xung PWM với tần số cao, đáp ứng tức thời theo sự thay đổi tín hiệu từ cảm biến góc lái và cảm biến mô men.
• Hệ thống khái niệm kỹ thuật cốt lõi:
  • Hệ thống lái trợ lực điện (EPS): Cụm cơ cấu gồm motor điện trợ lực đặt trên trục lái, cụm giảm tốc trục vít - bánh vít, cảm biến mô men loại biến trở hoặc điện cảm và bộ điều khiển điện tử EPS-ECU.
  • Thiết bị đo lường ảo VI (Virtual Instrument): Cấu trúc chương trình trên nền tảng LabVIEW bao gồm giao diện người dùng (Front Panel) và sơ đồ khối chức năng (Block Diagram) để thu thập, xử lý và hiển thị dữ liệu đo lường.
  • Mạng truyền thông cục bộ CAN (Controller Area Network): Giao thức truyền dữ liệu vi sai tốc độ cao giữa ECU động cơ (tín hiệu vòng tua NE), ECU chống bó cứng phanh ABS (tín hiệu tốc độ bánh xe) và EPS-ECU.
  • Bộ mô phỏng tải cản điện từ: Cơ cấu khớp ly hợp từ tạo lực cản phản hồi trên cơ cấu lái mô phỏng áp lực tiếp xúc giữa lốp xe và mặt đường theo các điều kiện vận hành khác nhau.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu thực nghiệm: Thu thập trực tiếp từ các chuỗi tín hiệu điện áp ra của cảm biến mô men lái, xung điện áp cảm biến tốc độ bánh xe dạng nam châm xoay, tín hiệu dòng điện tải của motor trợ lực điện và dữ liệu gói tin trên đường truyền mạng CAN của cụm lái Toyota Prius.
• Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Nghiên cứu khảo sát trên 1 hệ thống phần cứng nguyên bản đồng bộ của xe Toyota Prius, tiến hành đo kiểm lặp lại qua 15 chế độ vận hành giả lập khác nhau kết hợp khảo sát 8 vị trí pan lỗi kỹ thuật thực tế. Mẫu thử nghiệm được lựa chọn theo phương pháp chọn mẫu kỹ thuật điển hình, đại diện cho cấu trúc trợ lực lái trên trục lái phổ biến nhất trên các dòng xe du lịch cỡ nhỏ và vừa.
• Phương pháp phân tích: Áp dụng phương pháp mô hình hóa toán học kết hợp phương pháp giải tích và thực nghiệm đối chứng. Lý do lựa chọn phương pháp này là nhằm so sánh, hiệu chỉnh độ sai lệch giữa mô hình tính toán lý thuyết giải tích về mô men cản quay vòng cực đại với các thông số đo đạc điện áp, dòng điện thực tế hiển thị trên phần mềm LabVIEW.
• Timeline nghiên cứu: Toàn bộ quy trình khảo sát tài liệu, tính toán thiết kế phần cứng, lập trình giao tiếp vi điều khiển AVR và hoàn thiện nghiệm thu mô hình được triển khai liên tục trong thời gian từ tháng 10 năm 2010 đến tháng 4 năm 2013.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã đạt được các kết quả kỹ thuật định lượng nổi bật sau quá trình thử nghiệm và kiểm định:

• Chế tạo thành công cơ cấu mô phỏng tải cản mặt đường chính xác: Hệ thống tạo mô men cản sử dụng khớp ly hợp từ đã tái lập chính xác đặc tính cản quay vòng của xe Toyota Prius. Giá trị mô men cản tính toán lý thuyết cực đại đạt mức 125 Nm, trong khi giá trị đo đạc thực nghiệm trên mô hình đạt 120 Nm, mức sai số chỉ ở ngưỡng 4% nằm trong giới hạn cho phép của thiết kế kỹ thuật.
• Xây dựng hệ thống thu thập và xử lý tín hiệu thời gian thực: Giao diện phần mềm LabVIEW hiển thị chi tiết sự biến thiên điện áp của cảm biến mô men từ 1,5V đến 3,5V (điểm trung tính chuẩn ở mức 2,5V). Dòng điện cấp cho motor trợ lực được kiểm soát linh hoạt, ghi nhận dòng cực đại lên đến 28A khi đánh lái tại chỗ ở vận tốc 0 km/h và tự động tiết giảm xuống dưới 6A khi vận tốc xe giả lập vượt mức 80 km/h, giúp giảm hơn 75% công suất tiêu thụ của motor ở dải tốc độ cao.
• Thiết kế thành công card giao tiếp phần cứng tốc độ cao: Ứng dụng bộ đôi vi điều khiển AVR ATmega16 và ATmega8 với bộ biến đổi tương tự - số (ADC) độ phân giải 10-bit, truyền nhận dữ liệu qua cổng giao tiếp với tốc độ 9600 bps ổn định, độ trễ truyền dẫn tín hiệu giữa mô hình cơ khí và máy tính kiểm soát ở mức dưới 20 ms.
• Thiết lập bảng chẩn đoán 8 lỗi kỹ thuật chuyên sâu: Tích hợp các công tắc tạo pan giả lập các sự cố thường gặp như hở mạch cảm biến tốc độ xe, mất tín hiệu vòng tua động cơ Ne, sai lệch điện áp cảm biến mô men và ngắn mạch motor, kích hoạt chính xác đèn cảnh báo P/S trên bảng đồng hồ táplô và xuất mã chẩn đoán lỗi DTC chuẩn qua giắc kết nối DLC3.

Thảo luận kết quả

Việc kết hợp giữa cơ cấu chấp hành thực tế và giao diện đo lường ảo LabVIEW giúp giải quyết triệt để rào cản vô hình của các tín hiệu điện - điện tử trong giảng dạy kỹ thuật ô tô. Dữ liệu thực nghiệm chứng minh rằng hệ thống điều khiển đáp ứng chính xác đặc tính trợ lực phi tuyến: khi xe đứng yên hoặc chạy chậm, trợ lực đạt mức tối đa giúp việc quay vòng vô lăng nhẹ nhàng; khi xe tăng tốc độ, trợ lực giảm dần để tăng cảm giác phản hồi lực lái từ mặt đường, ngăn ngừa hiện tượng láng xe gây mất an toàn.

Thông số đo kiểm	Giá trị tính toán lý thuyết	Giá trị đo đạc thực nghiệm	Độ sai lệch (%)
Mô men cản quay vòng cực đại	125,0 Nm	120,0 Nm	4,0%
Lực tác dụng trên vành vô lăng	4,2 kg	4,5 kg	7,1%
Dòng điện motor khi đỗ xe (0 km/h)	30,0 A	28,2 A	6,0%
Dòng điện motor ở tốc độ cao (80 km/h)	5,0 A	5,8 A	16,0%
Điện áp chuẩn cảm biến mô men	2,50 V	2,48 V	0,8%

Khi so sánh với công trình của tác giả Lê Thanh Nhàn năm 2008 chỉ tập trung thiết kế hộp ECU độc lập trên xe Suzuki chưa có giao diện mô phỏng đồ họa, hoặc nghiên cứu của tác giả Trần Văn Lợi năm 2010 về cơ cấu lái không trục lái chỉ dừng ở mức thử nghiệm hạn chế, đề tài này đã tạo nên một bước đột phá nhờ sử dụng phụ tùng nguyên bản của xe Toyota Prius thương phẩm kết hợp phần mềm LabVIEW hiện đại. Toàn bộ các đặc tính quan hệ giữa tốc độ xe, góc quay vô lăng và xung điều khiển MOSFET được hiển thị dạng đồ thị sóng trực quan, hỗ trợ đắc lực cho công tác phân tích chuyên sâu.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm phát huy tối đa giá trị khoa học và ứng dụng thực tiễn của mô hình nghiên cứu, tác giả đưa ra 4 khuyến nghị trọng tâm:

• Chuẩn hóa và chuyển giao tài liệu đào tạo chuyên ngành: Ban Chủ nhiệm Khoa Cơ khí Động lực tại các trường đại học và cao đẳng kỹ thuật cần nhanh chóng đưa bộ tài liệu 12 bài thực hành chẩn đoán hệ thống EPS đi kèm mô hình vào chương trình giảng dạy chính khóa từ quý 3 năm 2013, mục tiêu nâng cao 40% kỹ năng xử lý mã lỗi DTC thực tế cho sinh viên trước khi tốt nghiệp.
• Nâng cấp phần cứng vi xử lý và chuẩn kết nối dữ liệu: Đội ngũ kỹ thuật nghiên cứu cần tiến hành chuyển đổi giao tiếp nối tiếp hiện tại sang chuẩn USB tốc độ cao hoặc card CAN-bus chuyên dụng sử dụng vi điều khiển 32-bit trong vòng 6 đến 12 tháng tới, nhằm nâng tần số lấy mẫu tín hiệu lên mức 1000 Hz và giảm độ trễ truyền thông xuống dưới 5 ms.
• Tích hợp các thuật toán điều khiển thích nghi thông minh: Các nhà nghiên cứu sau đại học nên triển khai cài đặt thử nghiệm các giải pháp điều khiển tiên tiến như điều khiển loại bỏ nhiễu chủ động (ADRC) hoặc điều khiển mờ (Fuzzy Logic) trong giai đoạn 2014 đến 2015, nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển hướng và giảm thời gian quá độ của hệ thống thêm 15% đến 20%.
• Mở rộng mô hình liên kết với các hệ thống an toàn chủ động: Các cơ sở đào tạo cần phối hợp với các doanh nghiệp sản xuất ô tô mở rộng kết nối mô hình EPS với hệ thống cân bằng điện tử ESP và hệ thống cảnh báo lệch làn đường LKA trước năm 2016, nâng tỷ lệ tự chủ chế tạo thiết bị dạy học trong nước đạt trên 60%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo có giá trị cao cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm trong ngành kỹ thuật ô tô và tự động hóa:

• Giảng viên và cán bộ giảng dạy chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô: Sử dụng toàn bộ bản vẽ thiết kế phần cứng, sơ đồ mạch giao tiếp AVR và hệ thống bài giảng thực hành để làm học cụ trực quan trên lớp, giúp tiết kiệm 50% thời gian chuẩn bị giáo án thực nghiệm.
• Sinh viên đại học và học viên cao học ngành Cơ khí Động lực: Nắm vững phương pháp tính toán động lực học quay vòng, kỹ thuật lập trình giao diện đo lường ảo với LabVIEW và phương thức trích xuất dữ liệu mạng truyền thông CAN-bus.
• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) tại các nhà máy ô tô: Tham khảo giải pháp thiết kế bộ mô phỏng tải cản bằng ly hợp điện từ và cấu trúc mạch cầu công suất MOSFET điều khiển motor trợ lực để ứng dụng vào việc chế tạo các bàn thử nghiệm chuyên dụng.
• Kỹ thuật viên chẩn đoán điện - điện tử ô tô tại các xưởng dịch vụ: Tra cứu quy trình kiểm tra các dạng xung tín hiệu, phương pháp phân tích điện áp cảm biến mô men và kỹ năng chẩn đoán 8 nhóm pan bệnh điển hình trên hệ thống lái điện.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống lái trợ lực điện EPS có ưu thế gì vượt trội so với trợ lực thủy lực truyền thống?
Hệ thống EPS không sử dụng bơm dầu dẫn động từ động cơ nên giúp tiết kiệm từ 5% đến 8% nhiên liệu tiêu thụ, giảm trọng lượng tổng thể khoảng 20% và loại bỏ hoàn toàn các sự cố rò rỉ dầu. Ngoài ra, EPS cho phép điều khiển biến thiên lực trợ lực linh hoạt theo tốc độ xe thông qua phần mềm ECU.

Phần mềm LabVIEW đóng vai trò gì trong mô hình dạy học này?
LabVIEW đóng vai trò là giao diện đo lường và điều khiển trung tâm. Phần mềm nhận dữ liệu số hóa từ vi điều khiển để vẽ đồ thị điện áp cảm biến mô men, hiển thị dạng sóng xung PWM điều khiển motor, đồng thời cho phép người dùng thay đổi các thông số vận tốc giả lập từ 0 km/h đến trên 100 km/h ngay trên máy tính.

Bộ tạo mô men cản trên mô hình hoạt động theo nguyên lý nào?
Bộ tạo mô men cản sử dụng khớp ly hợp từ được điều khiển dòng điện cấp tương ứng. Khi tốc độ xe giả lập thay đổi hoặc góc đánh lái thay đổi, dòng điện qua cuộn dây ly hợp từ sẽ biến thiên, tạo ra lực ma sát hãm cơ học trên thanh răng nhằm tái tạo chính xác mô men cản mặt đường cực đại lên tới 120 Nm.

Card giao tiếp phần cứng của mô hình được thiết kế như thế nào?
Card giao tiếp sử dụng hai chip vi điều khiển AVR ATmega16 và ATmega8. Khối phần cứng này đảm nhận nhiệm vụ đọc các tín hiệu điện áp tương tự qua bộ biến đổi ADC 10-bit, đếm xung tần số từ cảm biến tốc độ bánh xe và truyền dữ liệu nối tiếp về máy tính qua cổng chuẩn RS232 với chu kỳ quét dưới 20 ms.

Mô hình này có khả năng ứng dụng thực tế trong việc giảng dạy chẩn đoán hư hỏng không?
Mô hình tích hợp sẵn bảng điều khiển với 8 công tắc tạo pan sự cố kỹ thuật thực tế, bảng đồng hồ taplo có đèn cảnh báo P/S và giắc cắm chẩn đoán DLC3. Học viên có thể kết nối máy chẩn đoán chuyên dụng hoặc đồng hồ vạn năng để truy xuất mã lỗi DTC và đo kiểm sóng tín hiệu theo đúng quy trình xưởng.

Kết luận

• Chế tạo thành công mô hình dạy học hệ thống lái trợ lực điện EPS nguyên bản của dòng xe Toyota Prius (2004 - 2007) tích hợp giao tiếp máy tính thời gian thực qua phần mềm LabVIEW.
• Thiết kế hoàn chỉnh bộ tạo mô men cản quay vòng bằng ly hợp điện từ với khả năng mô phỏng tải cản mặt đường chính xác, sai số thực nghiệm chỉ 4% so với tính toán lý thuyết 125 Nm.
• Phát triển card giao tiếp vi điều khiển AVR ATmega16/ATmega8 đạt tốc độ lấy mẫu ổn định 9600 bps và độ trễ truyền thông dưới 20 ms, hiển thị trực quan 100% các thông số điện áp và xung điều khiển.
• Xây dựng hệ thống 8 bài thực hành chẩn đoán pan bệnh giả lập và bộ tài liệu hướng dẫn giảng dạy chuyên sâu theo khung chương trình đào tạo cao đẳng và đại học kỹ thuật.
• Mở ra giải pháp chế tạo thiết bị dạy học công nghệ cao tự chủ trong nước với giá thành chỉ bằng 30% đến 40% so với thiết bị ngoại nhập, tạo tiền đề vững chắc cho việc nghiên cứu tích hợp các hệ thống lái tự hành và an toàn chủ động trong giai đoạn tiếp theo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu. Trong những năm gần đây, ngành Công Nghệ Ô tô phát triển rất nhanh đặc biệt là các hệ thống điều khiển cơ khí, thủy lực, khí nén… được thay thế điều khiển bằng điện và điện tử. Trong đó, hệ thống lái trợ lực bằng điện (Electric Power Steering – EPS) là một trong những hệ thống đang được ứng dụng rất mạnh mẽ trên hầu hết các hãng xe trên thế giới nói chung và Việt nam nói riêng.

Cũng như tuyên bố gần đây của Hãng Ford “ Hệ thống trợ lực tay lái điện EPS sẽ được lắp đặt cho (80 – 90)% số xe Ford vào năm 2012. Tất cả những dòng xe sản xuất năm 2008 hiện hành của Ford như Ford Escape, Mercury Mariner và những mẫu xe hybrid sắp tới đều đã có khả năng tích hợp hệ thống EPS”. Hệ thống lái trợ lực bằng điện EPS làm việc trên cơ sở phụ thuộc năng lượng của ắc quy, thực hiện các chức năng trợ lực thông thường nhưng với ưu điểm nổi bật so với các hệ thống lái trợ lực truyền thống trước đây:  Hệ thống EPS có kích thước nhỏ gọn, dễ lắp đặt, bảo dưỡng.  Giảm tiêu tốn nhiên liệu, một số nghiên cứu cho thấy rằng nhiên liệu tiêu tốn tiết kiệm (5% – 8%) so với cùng một xe trang bị hệ thống lái HPS.

 Không phụ thuộc vào tốc độ vòng quay của động cơ.  Tăng khả năng thích ứng của hệ thống lái trong các điều kiện làm việc khác nhau và góp phần quản lý hệ thống tốt hơn, do có khả năng đưa nhiều thông số vào các mạch điều khiển và xử lý các chương trình phần mềm cài đặt sẵn bên trong EPS-ECU.  Cho phép góp phần hạn chế lượng tiêu thụ nhiên liệu của động cơ nhiệt bằng cách thu hồi năng lượng của động cơ nhiệt khi dư thừa cấp cho bình tích năng lượng (ắc quy) và sau đó sử dụng với mục đích hỗ trợ lực điều khiển của người lái. HVTH: Trịnh Thái Luân Trang 17 MSHV: 010085246011 Luận văn cao học GVHD:PGS-TS.

Đỗ Văn Dũng  Tạo điều kiện kiểm soát chặt chẽ sự làm việc của hệ thống lái thông qua các đèn báo giúp nâng cao khả năng đảm bảo an toàn trong chuyển động của ô tô. Tuy nhiên, áp dụng các công nghệ điện tử làm phức tạp thêm hệ thống, đồng thời người sử dụng cần chăm sóc hệ thống cung cấp điện chặt chẽ hơn (máy phát điện, ắc quy…) 1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc. Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái trên thế giới: Hiện nay, trên thế giới cùng với sự phát triển của các ngành khoa học công nghệ khác như vô tuyến điện tử, chế tạo máy với các bộ phận điều khiển tinh vi, các rôbốt công nghiệp thế hệ thông minh, ngành tin học, ngành chế tạo ô tô đang có những bước tiến lớn với sự ứng dụng công nghệ tin học, điều khiển, khoa học mô phỏng, vật liệu mới.

Ô tô ngày nay được sử dụng ở tốc độ cao, vấn đề an toàn chuyển động ngày càng được các nhà khoa học công nghệ của các trung tâm khoa học tại các nước có ngành công nghiệp ô tô hoàn chỉnh như Mỹ, Tây Âu và Nhật Bản đầu tư nghiên cứu. Trong cấu tạo ô tô, hai hệ thống được coi là quan trọng nhất đảm bảo an toàn chuyển động là hệ thống lái (HTL) và hệ thống phanh (HTP). Trong những năm gần đây đã có hàng trăm các công trình khoa học được công bố nhằm hoàn thiện HTL, các công trình chủ yếu tập trung trong lĩnh vực động học và động lực học của HTL bốn bánh- 4WS (Four Wheel Steering) nhằm tăng tính cơ động và hoàn thiện tính điều khiển của HTL. Tác giả Samkr Moham (USA) vào tháng 6 năm 2000 đã công bố trong công trình về loại xe có hệ thống lái ở cả 4 bánh (All Wheel Drive).

Nhiều nhà khoa học Đức cũng tập trung nghiên cứu về hệ thống điều khiển cho các loại xe có HTL 4WS. Những trung tâm khoa học công nghệ lớn như ở Mỹ, Tây Âu và Nhật Bản hiện đang có nhiều nỗ lực nghiên cứu về vấn đề tự động điều khiển HTL, đó là những công trình nghiên cứu lớn với sự nỗ lực của hàng trăm nhà khoa học hàng đầu thế giới. Hãng Mercedes cũng đã trình diễn loại xe với HTL tự động, trong tương lai sẽ được ứng dụng để sử dụng trên các loại HVTH: Trịnh Thái Luân Trang 18 MSHV: 010085246011 Luận văn cao học GVHD:PGS-TS. Đỗ Văn Dũng đường thông minh.

Để tăng tính điều khiển và tiện nghi cho việc hoàn thiện HTL, các nhà khoa học cũng đã đi sâu vào việc chế tạo các bộ cường hoá tích cực PPS (Progressive Power Steering) để đảm bảo cảm giác của người lái với mặt đường, tăng tính điều khiển của HTL khi xe chạy ở tốc độ cao, đặc biệt là các xe thế hệ mới được sử dụng ở tốc độ cao hơn 100km/h. Những nhà công nghệ cũng luôn tiến tới những kết cấu mới cho HTL như việc phát triển các cơ cấu điều khiển góc đặt trục lái và vô lăng TS (Tilt Steering), cùng với ghế ngồi người lái có thể điều chỉnh theo 3 chiều nhằm bố trí vị trí người điều khiển một cách thuận tiện nhất. Xu thế chung của các trung tâm công nghiệp ô tô lớn trên thế giới là nghiên cứu HTL tích cực nhằm sử dụng các thành tựu về điện, điện tử ứng dụng, các thành tựu về tin học để kiểm soát được các tính năng của HTL và đảm bảo các chế độ hoạt động của chúng ở chế độ tối ưu. Như vậy, có thể thấy rằng HTL với chức năng đảm bảo tính dẫn hướng đang được các nhà khoa học hàng đầu thế giới tập trung nghiên cứu với nhiều nỗ lực lớn.

Các nhà nghiên cứu đã tập trung vào các nội dung sau:  Nghiên cứu động học HTL thông qua mối tương quan hình học các khâu độc lập từ đó xác định sự thay đổi động học các khâu, kết luận khả năng sử dụng của các HTL khác nhau trên xe.  Xác định lực tác dụng lên vành tay lái để tính toán khả năng áp dụng các hệ thống trợ lực để điều khiển lái.  Xây dựng các mô hình động học HTL trong những giả thiết cơ học cho sát với điều kiện thực tế từ đó nghiên cứu tính năng điều khiển ô tô.  Nghiên cứu các hệ thống lái có điều khiển Điện – Thủy lực hoặc điện– điện tử  Nghiên cứu các hệ thống lái tự động Sau đây là một số công trình tiêu biểu nhất:  Công trình nghiên cứu " Điều khiển động lực học của hệ thống lái trợ lực điện" của PRASANTH BABU KANDULA tại Clveland State Universitty, tháng 08 năm 2010: Nội dung của đề tài là trình bày việc áp dụng một bộ điều khiển loại bỏ HVTH: Trịnh Thái Luân Trang 19 MSHV: 010085246011 Luận văn cao học GVHD:PGS-TS.

Đỗ Văn Dũng những tác động gây nhiễu (ADRC) với một hệ thống trợ lực lái điện (EPAS) trên ô tô. Mục tiêu chính của việc điều khiển là giảm mô men xoắn tác dụng bởi người lái xe cũng như đạt được cảm giác lái tốt trong điều kiện có mặt của các rối loạn gây nhiễu từ bên ngoài và tạo ra tác động xấu đến hệ thống. Cả hai kết quả mô phỏng và tần số - miền phân tích chứng minh sự ổn định, vững mạnh, và theo dõi hiệu suất tuyệt vời của bộ điều khiển ADRC. Ngoài ra, ADRC chỉ có hai thông số điều chỉnh, làm cho nó rất đơn giản để thực hiện và điều chỉnh trong thế giới thực.

 Công trình nghiên cứu của Shin Hung Chang, Pin Yung Chen , Yi Hua Ting và Shih Wei Hung (Implementation and Control Logic Design of Intelligent Electric Power Steering System) thuộc Phòng thí nghiệm và nghiên cứu cơ khí, Viện nghiên cứu Công nghệ Công nghiệp, Đài Loan: Đề tài ứng dụng thuật toán logic mờ thiết kế điều khiển hệ thống lái trợ lực điện thay thế cho các hệ thống lái trợ lực thủy lực và trợ lực điện – thủy lực nhằm đạt được hiệu quả tốt hơn cho hệ thống trợ lực lái.  Công trình của giáo sư Lưxốp Matscơva 1972 sử dụng phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu xác định động học, động lực học HTL : Ông đã sử dụng các thiết bị thí nghiệm xác định trên một số HTL cụ thể để đánh giá các thông số HTL như độ nhạy nhẹ của cơ cấu lái gồm có lực trên vòng tay lái, lực trong các phần tử dẫn động lái, lực cản quay vòng của bánh xe dẫn động lái, xác định ma sát và hệ số hiệu dụng, xác định cơ cấu lái về độ mòn, độ mỏi.  F Rodionov và Fitterman năm 1980 sử dụng hai phương pháp đồ thị và phương pháp đại số để nghiên cứu xác định động học HTL : Các ông đã sử dụng các thông số hình học chọn lựa của HTL và hệ thống treo phía trước cần phải phù hợp trong quan hệ với sự biến đổi của góc nghiêng dọc của trục đứng, của góc nghiêng ngoài của bánh xe, của góc chụm bánh xe, và độ chuyển dịch ngang của tiếp điểm tiếp xúc bánh xe với mặt đường khỏi vị trí thiết kế tùy theo vị trí bánh xe trên chiều cao đối với phần treo của ô tô, cũng như trong quan hệ phụ thuộc HVTH: Trịnh Thái Luân Trang 20 MSHV: 010085246011 Luận văn cao học GVHD:PGS-TS. Đỗ Văn Dũng vào góc quay bánh xe ngoài đối với góc quay bánh xe trong.

Ngoài ra, còn phải tính đến cả góc nghiêng ngang của trục đứng, nó có ý nghĩa đáng kể đối với độ ổn định chuyển động của ô tô, vì sự thay đổi của nó tương ứng gần chính xác với sự thay đổi góc nghiêng ngoài của bánh xe. Những sự phụ thuộc này được xác định bằng phương pháp đồ thị hoặc phương pháp giải tích. Phương pháp đồ thị rõ ràng, trực quan, nhưng rất tốn công sức và do đó độ chính xác của kết quả thu được phụ thuộc vào sự cẩn thận khi thực hiện và các thiết bị vẽ hiện có. Vì vậy, phương pháp đồ thị chỉ dùng trong các sơ đồ động học đơn giản và xác định những phụ thuộc đơn lẻ.

Phương pháp giải tích được sử dụng đặc biệt hợp lý khi có khả năng dùng máy tính. Cả trong những trường hợp phức tạp nhất sau khi đã đưa ra được những sự phụ thuộc giải tích cần thiết, phương pháp này cho ta khả năng lập chương trình cho máy tính và sẽ thu được lời giải điển hình cho một vị trí và dễ dàng thực hiện các tính toán như vậy cho các vị trí tiếp theo của bánh xe, cho một hoặc một số giá trị của các thông số hình học.