Luận văn: Nghiên cứu đặc tính điều khiển hệ thống lái trợ lực điện

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hệ thống lái trợ lực điện (EPS). Xây dựng mô hình, mô phỏng trên Simulink và phân tích đặc tính điều khiển.

• Đề tài: Mô hình nghiên cứu hệ thống lái trợ lực điện (EPS)
• Loại tài liệu: Luận văn
• Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Lái Trợ Lực Điện EPS

Hệ thống lái trợ lực điện (EPS - Electric Power Steering) là công nghệ tiên tiến trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại. Khác với hệ thống lái trợ lực thuỷ lực truyền thống, EPS sử dụng motor điện để hỗ trợ lực lái, giúp giảm sức mạnh cần thiết từ tài xế. Công nghệ này không chỉ cải thiện trải nghiệm điều khiển mà còn nâng cao an toàn điều khiển xe ở tốc độ cao. Hệ thống EPS được tích hợp trên nhiều dòng xe hiện đại như Kia, Honda, Toyota nhằm đáp ứng yêu cầu khắt khe về tính an toàn quỹ đạo chuyển động. Việc nghiên cứu mô hình EPS giúp tối ưu hóa hiệu suất, độ tin cậy và khả năng điều khiển của xe ô tô.

1.1. Vai Trò Của Hệ Thống Lái Trong An Toàn Giao Thông

Khi ô tô chuyển động với tốc độ cao, một sơ xuất nhỏ từ người điều khiển có thể dẫn đến mất quỹ đạo chuyển động. Do đó, hệ thống lái đóng vai trò quan trọng nhất trong việc đảm bảo an toàn. Hệ thống lái cần duy trì mối tương quan chặt chẽ giữa góc quay vành lái và hướng chuyển động của xe. EPS cải thiện khả năng điều khiển bằng cách tự động điều chỉnh lực hỗ trợ dựa trên tốc độ và điều kiện lái, giúp tài xế có cảm nhận tốt hơn và phản ứng nhanh hơn trong tình huống khẩn cấp.

1.2. Sự Khác Biệt Giữa EPS và HPS

Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực (HPS) sử dụng dầu hydraulic và bơm cơ học, trong khi EPS sử dụng motor điện và ECU. EPS tiêu thụ ít năng lượng hơn, vì nó chỉ hoạt động khi cần thiết, không như HPS phải chạy liên tục. EPS còn có khả năng lập trình để điều chỉnh các tham số lái, giúp cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm khí thải.

II. Nguyên Lý Hoạt Động Của Hệ Thống EPS

Mô hình nghiên cứu hệ thống lái trợ lực điện bắt đầu từ việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động cơ bản. Hệ thống EPS bao gồm các thành phần chính: cảm biến góc lái, ECU (Electronic Control Unit), motor trợ lực, và cơ cầu giảm tốc. Khi tài xế quay vành lái, cảm biến góc lái phát hiện chuyển động và gửi tín hiệu đến ECU. ECU xử lý thông tin dựa trên tốc độ xe, góc lái, và các điều kiện lái khác, sau đó điều khiển motor để cung cấp moment trợ lực thích hợp. Quá trình này diễn ra trong vài mili giây, đảm bảo phản ứng lực lái tự nhiên và mượt mà.

2.1. Các Cụm Chi Tiết Chính Của EPS

Hệ thống EPS trên xe Kia bao gồm: cảm biến góc lái (steering angle sensor) đo lường góc quay, ECU điều khiển logic, motor trợ lực DC cung cấp lực, và cơ cầu giảm lốc (gear reduction mechanism). Mỗi thành phần hoạt động đồng bộ để tạo ra moment trả lái về (return torque) phù hợp. Hệ thống còn có bộ lọc tín hiệu để loại bỏ nhiễu và đảm bảo độ ổn định của hệ thống.

2.2. Sơ Đồ Khối Điều Khiển EPS

Sơ đồ khối điều khiển thể hiện luồng dữ liệu từ các cảm biến đến ECU và motor. Tín hiệu từ cảm biến góc lái được truyền đến ECU, được so sánh với quỹ tích tham chiếu lý tưởng. ECU tính toán sai số và phát ra lệnh điều khiển PWM (Pulse Width Modulation) đến mạch điều khiển motor. Quá trình lặp lại liên tục để duy trì độ chính xác điều khiển cao.

III. Xây Dựng Mô Hình Nghiên Cứu Đặc Tính EPS

Mô hình tính toán động lực học của hệ thống EPS là nền tảng để hiểu rõ hành vi của xe. Mô hình này bao gồm các phương trình vi phân mô tả chuyển động của xe, quan hệ giữa moment trả lái và các thông số hình học, cũng như mô hình ECU và motor trợ lực. Các phương trình động lực học được xây dựng dựa trên định luật Newton và lý thuyết điều khiển, cho phép dự báo hành vi xe dưới các điều kiện lái khác nhau. Mô hình này là cơ sở để mô phỏng số và tối ưu hóa hiệu suất EPS.

3.1. Các Phương Trình Động Lực Học

Các phương trình vi phân mô tả chuyển động của xe bao gồm: phương trình mô tả góc quay của trục lái, góc quay của bánh xe dẫn hướng, và góc lệch bên của thân xe. Mối quan hệ giữa moment trả lái về (Msat) và các thông số hình học như chiều dài cơ sở, bán kính bánh xe được thể hiện qua các công thức toán học. Những phương trình này cho phép tính toán quỹ tích chuyển động của xe dựa trên input từ tài xế.

3.2. Mô Hình Motor Trợ Lực

Motor DC được sử dụng trong EPS có đặc tính động học riêng. Mô hình motor bao gồm phương trình điện (voltage-current relationship) và phương trình cơ học (torque-speed characteristic). ECU điều khiển điện áp cấp cho motor thông qua PWM để tạo ra moment trợ lực yêu cầu. Mô hình này rất quan trọng để dự báo độ trễ phản ứng và tính chính xác của hệ thống.

IV. Mô Phỏng Số Và Phân Tích Kết Quả

Mô phỏng số sử dụng phần mềm Matlab-Simulink cho phép kiểm chứng mô hình lý thuyết và phân tích hành vi EPS trong các tình huống lái khác nhau. Chương trình mô phỏng bao gồm các module tính toán: góc quay trục lái, góc quay bánh xe, góc lệch thân xe, moment trả lái về, lực dọc và lực ngang. Kết quả mô phỏng cung cấp cái nhìn sâu sắc về mối phụ thuộc của moment trả lái với các thông số lái và ảnh hưởng của tỷ số truyền biến đổi đối với hiệu suất hệ thống. Các kết quả này được so sánh với dữ liệu thực tế để xác thực độ chính xác của mô hình.

4.1. Chương Trình Mô Phỏng Các Thông Số Lái

Chương trình mô phỏng tính toán góc quay vành lái, góc quay bánh dẫn hướng, góc lệch thân xe, góc lệch bánh xe, lực dọc và lực ngang. Mỗi chương trình con được xây dựng dựa trên phương trình động lực học tương ứng. Tín hiệu output từ mỗi module được kết nối để tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh. Điều này cho phép mô phỏng quỹ đạo chuyển động toàn diện của xe.

4.2. Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng

Phân tích sự phụ thuộc của moment trả lái Msat cho thấy mối quan hệ tuyến tính với góc quay lái trong phạm vi bình thường. Khảo sát sự thay đổi góc khi có tỷ số truyền cố định và biến đổi chứng tỏ tỷ số truyền có ảnh hưởng đáng kể đến độ nhạy điều khiển. Các kết quả này giúp tối ưu hóa thiết kế EPS cho các điều kiện lái khác nhau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TONG QUAN VE CAC VAN BE NGHIEN CUU 1. Nghiên cứu các biện pháp tăng tỉnh an toàn diều khiển trên xe khi chạy ở tốc dộ cao Ngày nay với sự tiểu bộ của khoa hoc kỹ thuật, xu hướng tăng tốc độ của xe được áp dụng trên hầu hết những dòng xe ô tô hiện đại. Khi ö tô chuyển động với tốc độ cao thì chỉ cần một sơ xuất nhỏ của người điều khiển sẽ dẫn tới mắt quỹ đạo chuyển động, của ô tô và gây ra tại nạn giao thông. Quỹ dạo chuyên động của ô tỏ liên quan đến tỉnh năng dẫn hướng cửa ô tô, đây chỉnh lá khá năng giữ được hưởng chuyển động của õ tô theo góc quay vành lái khi chịu Lác động của các lực và mô xen ngoại cảnh.

Do đó, mat qui đạo chuyên động của ö tô lá mắt khá năng, diễu khiển xe. Cần thiết phải đảm bào mỗi tương quan giữa quỹ đạo chuyển động và góc quay vành lái một cách chặt chế, tức là van để liên quan đến an toản quý đạo chuyển động của xe. Chính vì vậy, khi nâng cao tốc độ ö tô cần phái đám báo mỗi tương quan giữa quỹ đạn chuyến động vả góc quay vành lái phải chặt chẽ hon. Giải quyết vẫn để về an toàn trong quá trình điều khiển khi xe chuyển động ở tốc độ cao, các hãng xe đã tập trung nghiên cửu vả ứng dụng các công nghệ kỹ thuật cao vào cải tiền một số hệ thống va két cau trên xe đặc biệt trên hệ thống phanh va Thệ thống lái, cụ thể như sau: Nãng cao dộ tia cậy hoạt dông của hệ thống phanh dễ giảm thiểu những tai nan đáng tiếc có thế xảy ra trong quá trình điểu khiến xe bằng việc đưa các cum điều khiển điện tử vào tùng hệ thống phanh như hệ thông phanh ABS, hệ thống phân phối lực phanh điện tứ HBD,.

Khi chuyển động với vận tốc cao trên đường, vòng, gắn chướng ngại vật, phanh xe quá ngặt đâu đến bó lết các bánh xe làm mắt khả năng điều khiến hoặc gia tốc hưởng tâm tăng lên đột ngột din đến hiện tượng, trượt bên của các bảnh xe gây nên lat dé thi hé thang ABS va LBD sé chéng hiện tượng bó lết và phân phối lựo phanh tại các bánh xe khác nhau giúp xe ốn định trong qua trinh quay vòng, Dic biệt khi nghiên cứu về tính an toàn điều khiển trên xe khi chạy ở tốc độ cao, hệ thống lái có vai trò quan trọng nhật.11: Chương trình mô phông mômen trợ lực.12: Chương trình mê phòng điện áp mofor trợ lực.13: Quan hệ phụ thuộc của Mval với góc quay dẫn hướng.14: Quan hệ phụ thuộc của Msat với vận tốc.15: Quan hệ của Msat với vận tắc và góc quay bánh xe dẫn hướng. Bookmark nat defined.16: Sự thay đổi góc quay bánh xe dẫn hướng khi tăng vận tốc ôtô trong trường hợn bệ thông lái có từ số truyền cô định OF Hình 4.17: Sự thay đốt của góc quay bánh xe dẫn hưởng khi tăng vận tốc với hệ thống lái có tý số truyền thay đổi .18: Sự thay đối gác quay bảnh xe dẫn hướng khi tăng vận tốc với hệ thông lúi có lộ số truyền cổ định. Error! Bookmark not defined.16: Sự thay đôi của góc quay bảnh xe din huéng kin ting van téc của 516 trong trường hợp hệ thông lái cá tỷ số truyền thay đốError! — Bookmark — not defined.22: Motor dién mét chiều không chỗi than chỗi than lắp trên trục lái. Tìm hiệu vào ra CŨ HP.

Đặu tình của ECU EPS. Hình 2,25, Kết cẩu hệ thống EPS trên xe Kia. Kết cấu cụm trợ lực điện. - Tìn hiệu ra của cản biên Hình 2.

Sơ đồ kết nối và xung tin hiệu của cảm biến tốc độ Ô tô.29: Mạch điều khiến motor trợ lực.30: Sơ đồ khôi điều khiển hệ thông lái trự lực điện xe Kia.31: Bà mặt đặc tính trợ lực. Mã bình tính toán hệ thắng EPS xe KiA.2: Khoảng Caaler và biên dạng của lấp Tình 3.3: Quan hệ giữa mômen cản và vận tắc.4: Mô hình một vết của ôtô.3: Lực và mômen tác dụng lên bánh xe 616.6: Quan bệ động học của mô hình một vết.7: Đặc tính điều khiên của hệ thông lái trợ lực điện xe KIA.8: Sơ đỗ mạch điện motor mot chidu .9: Sa đồ khối điều khiển motor điện của IDS.1: Chương trình mô phông góc quay của trục lá Hình 4.3: Chương trình mỗ phống Jạ, và B, Tầnh 4.3: Chương trình mô phỏng góc quay của trục molor.4: Chương trình mâ phông mômen trả lái vé.5: Chương trình mô phông góc xoay thân xe.6: Chương trình mô phông góc lệch bên thân xe.7: Chương trình tỉnh toán gác lệch bên bánh xe.8: Chương trình mô phông lực dọc 124, và lực ngangÙ Tình 4.9: Chương trình mô phỏng lực đọc F.; và lực ngang F7„.10: Đặc tính điều khiển của hệ thẳng lai trợ lực điện xe KIA. VI DANH MỤC CÁC BANG BIEU, HINA VE Hình 1. Góc Caster và khoảng Caster.

Biển dụng của lô, Tĩnh 1. Dường đặc tính trợ lực Hình 1. Hệ thông lúi trợ lực thủy lực Hình 1.5: Quan hệ giữa À4, và M, ở các v khác nhau. Hệ thông lái trợ lực điện kiểu trợ lực bố trí trên trục lái Hình 2.1: Sơ đồ EPS kiểu motor lắp trên trục lái Hình 2,2: Sơ dỗ EPS kiểu motor lắp trên cơ cầu lái.3: Sơ đồ HPS kiểu motor lấp trên thanh răng.4: Sơ dé bd tri chung cde cum chi tiết của EPS.5: Cầu tạo căm biến mỗ men xod: Tình 2.6: Nguyên lý hoạt động của cảm biển mô men xoắn Hình 2.

tấu tạo cảm biên mô men loại 4 vành đập, Link 2. Loạt động của cảm biển mô men loại 4 vành dãy. Sơ đồ nguyên lý và xung điện dau ra cảm biên mô men loại 4 vành đâu.10: Cảm biến mô men. Cau tao roto.

Bộ phận cảm ứng.13: Tin hiệu ra của cảm bid THình 2.14: Cầu tạo và tin hiệu ra của cảm biên tắc độ đánh lái loại phát điện Hình 2.15: Cấu tạo và tin hiệu ra của cảm biến tắc độ đánh lái loại Hai].16: Ba loại câm biển lốc độ ô tô. : Ba cảm biển tốc độ ô tô loại AAIHE Hình 2.18: Molor điện mội chiều có chi than. Hình 2,19; AAotor diện một chiều không chối than chỗi than lắp trên thanh răng,.20: Két cdu cde bộ phận của motor điện một chiều không chỗi than chối than dùng nam châm vĩnh cửu Hình 2.21: Cơ cấu giảm tốc loại ô cu-bi. N & Tanh mục các ký hiệu: TT |Ký hiệu Giải thích ký hiệu Đơn vị | + | Dệ trượt % 3 Py | Luc can Bn N 3 B | Góc lệch bánh xe dan hướng rad 4 ø— | Góc lệch thân xe so với phương chuyến động rad 5 „| Góc quay thân xe rad 6 1 | Chiều đãi cu sở i 7 a | Khoảng cách từ trong tim 6 t6 dén trục câu trước.

m 8 b_ _ | Kheäng cách từ trọng tâm ô tô đến trục cầu sau m h— | Chiều cao trọng tâm m 16 | ¥ | Vận tốc chuyên dộng của ô tò mis u 1, | Lue doe tai các bánh xe N 12 | lý | Lực bên tại các bánh xe N 13 | Pạ | Lựccảnlãntại các bánhxe N 14 8 | Gia tốc trọng trường ms 15 | My | Mé men tra lai vé Nm 16 | ®& | Góc quay của tục lái rad 17 | 1, | Mâmen quántinh của trục Hải Kgm 18 | M, | Mâmentác động lênvảnhtay lái Nm 19 ã —_ | đốc quay của bánh xe dân hướng, rad 30 1 [lệ số truyền cơ câu lái 21 | Tạ | Mômen quảntinh của moler điện Kgs 22 | K,, | Hệ số mômen của motor điện NhưA 3B x, | Chuyển vị cửa thánh răng TH IV Hình 4.11: Chương trình mô phông mômen trợ lực.12: Chương trình mê phòng điện áp mofor trợ lực.13: Quan hệ phụ thuộc của Mval với góc quay dẫn hướng.14: Quan hệ phụ thuộc của Msat với vận tốc.15: Quan hệ của Msat với vận tắc và góc quay bánh xe dẫn hướng. Bookmark nat defined.16: Sự thay đổi góc quay bánh xe dẫn hướng khi tăng vận tốc ôtô trong trường hợn bệ thông lái có từ số truyền cô định OF Hình 4.17: Sự thay đốt của góc quay bánh xe dẫn hưởng khi tăng vận tốc với hệ thống lái có tý số truyền thay đổi .18: Sự thay đối gác quay bảnh xe dẫn hướng khi tăng vận tốc với hệ thông lúi có lộ số truyền cổ định. Error! Bookmark not defined.16: Sự thay đôi của góc quay bảnh xe din huéng kin ting van téc của 516 trong trường hợp hệ thông lái cá tỷ số truyền thay đốError! — Bookmark — not defined. VH DANH MỤC CÁC BANG BIEU, HINA VE Hình 1.

Góc Caster và khoảng Caster. Biển dụng của lô, Tĩnh 1. Dường đặc tính trợ lực Hình 1. Hệ thông lúi trợ lực thủy lực Hình 1.5: Quan hệ giữa À4, và M, ở các v khác nhau.

Hệ thông lái trợ lực điện kiểu trợ lực bố trí trên trục lái Hình 2.1: Sơ đồ EPS kiểu motor lắp trên trục lái Hình 2,2: Sơ dỗ EPS kiểu motor lắp trên cơ cầu lái.3: Sơ đồ HPS kiểu motor lấp trên thanh răng.4: Sơ dé bd tri chung cde cum chi tiết của EPS.5: Cầu tạo căm biến mỗ men xod: Tình 2.6: Nguyên lý hoạt động của cảm biển mô men xoắn Hình 2. tấu tạo cảm biên mô men loại 4 vành đập, Link 2. Loạt động của cảm biển mô men loại 4 vành dãy. Sơ đồ nguyên lý và xung điện dau ra cảm biên mô men loại 4 vành đâu.10: Cảm biến mô men.

Cau tao roto. Bộ phận cảm ứng.13: Tin hiệu ra của cảm bid THình 2.14: Cầu tạo và tin hiệu ra của cảm biên tắc độ đánh lái loại phát điện Hình 2.15: Cấu tạo và tin hiệu ra của cảm biến tắc độ đánh lái loại Hai].16: Ba loại câm biển lốc độ ô tô. : Ba cảm biển tốc độ ô tô loại AAIHE Hình 2.18: Molor điện mội chiều có chi than. Hình 2,19; AAotor diện một chiều không chối than chỗi than lắp trên thanh răng,.20: Két cdu cde bộ phận của motor điện một chiều không chỗi than chối than dùng nam châm vĩnh cửu Hình 2.21: Cơ cấu giảm tốc loại ô cu-bi.

N LOI NOT DAU Trong những năm gắn đây, nên kinh tế của Việt Nam phát triển rất mạnh, đời sống của người dân lắng cao, nbu cầu di lại, mua sắm gác phương tiện cả nhận cing ting theo.