Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh Trần Văn Thoan, thực hiện tại Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (2018), thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực (hướng nghiên cứu định lượng — mô phỏng lý thuyết kết hợp thực nghiệm). Tên đề tài: "Nghiên cứu điều khiển hệ thống động lực của ô tô tải nhằm hạn chế trượt quay bánh xe chủ động".
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Tại Việt Nam, xe tải sử dụng động cơ diesel với bơm cao áp dãy hoạt động phổ biến trên các địa hình đa dạng: đường bùn đất, đá cấp phối, đường lâm nghiệp, công trường xây dựng. Trên những loại đường này, bánh xe chủ động dễ xảy ra hiện tượng trượt quay, làm giảm tính năng động lực học, giảm ổn định hướng, tăng tiêu hao nhiên liệu và hao mòn lốp. Trong khi các hãng ô tô thế giới đã nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi hệ thống hạn chế trượt quay (TCS — Traction Control System), hai rào cản lớn ngăn việc áp dụng tại Việt Nam là chi phí cao và bảo mật công nghệ. Tại Việt Nam, đã có một số nghiên cứu về hệ thống hạn chế trượt lết bánh xe, nhưng chưa có công trình đáng kể nào nghiên cứu hệ thống điều khiển hạn chế trượt quay bánh xe ô tô. Khoảng trống này — đặc biệt đối với dòng xe tải diesel sử dụng bơm cao áp dãy chưa có điều khiển điện tử — là đối tượng mà luận án hướng đến.
Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu, phát triển hệ thống điều khiển mức tải động cơ nhằm hạn chế độ trượt quay của bánh xe chủ động trên ô tô tải nhỏ sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam. Cụ thể:
- Xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô tải nhỏ trang bị động cơ diesel.
- Lựa chọn thuật toán điều khiển và xác định các tham số của bộ điều khiển.
- Thiết kế, chế tạo và thực nghiệm đánh giá bước đầu hoạt động của hệ thống trên xe thực.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng: Ô tô tải nhỏ 2,98 tấn, công thức bánh xe 4x2, trang bị động cơ diesel bơm cao áp dãy; công suất cực đại 81 kW tại 3 000 v/p; mô men xoắn cực đại 320 Nm tại 2 000 v/p.
- Phạm vi không gian — kỹ thuật: Điều khiển mức tải động cơ (giảm công suất) để hạn chế trượt quay bánh xe chủ động; giới hạn ở chuyển động trên đường thẳng, xấu, trơn trượt và đồng nhất.
- Thời gian: Nghiên cứu được thực hiện và hoàn thành năm 2018.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu ngoài nước được tác giả điểm lại
Luận án khảo sát các công trình theo ba nhóm giải pháp kỹ thuật chính:
| Giải pháp |
Đại diện công trình (tác giả, năm) |
| Thay đổi độ bám đường |
Michael H. Quinn & Paul H. Quinn (1989) — bột đá cẩm thạch |
| Điều khiển bướm ga / công suất động cơ |
Renpei Matsumoto (1990); Toru Ikeda và cộng sự (1998); Tomohiro Fukumura và cộng sự (1998); Dong-Chul Shin (2002); Ivan Dunđerski (2014) |
| Điều khiển nhiên liệu / hệ thống đánh lửa |
Tetsuhiro Yamashita và cộng sự (1996, 1997, 2000); Hirofumi Michioka & Toshiya Mori (2004); Davor Hrovat và cộng sự (2010) |
| Điều khiển phanh kết hợp |
Kenneth J. Potter và cộng sự (2003); Paul Antony Fawkes và cộng sự (2004); Thomas Sauter và cộng sự (2005); Hongtei Eric Tseng và cộng sự (2009); Michael Fodor và cộng sự (2009) |
| Điều khiển theo thuật toán trượt (SMC) |
Jan Erik Stellet, Martin Giessler, Frank Gauterin, Fernando Puente León (2012) |
| Điều khiển PID tại từng bánh xe |
Jaewon Nah, Kyongsu Yi, Wongun Kim, Yeogiel Yoon (2013) |
| Điều khiển mô men bánh xe điện độc lập |
Kanghyun Nam, Yoichi Hori, Choonyoung Lee (2015) |
| Hệ thống thương mại |
Hãng WABCO — điều khiển thanh răng bơm cao áp qua xi lanh khí nén; Toyota — Kazushi Hosomi, Akira Nagae, Shinsuke Yamamoto, Yosuke Takahira, Masamichi Koizumi (2000); Giorgio Previati, Massimiliano Gobbi, Giampiero Mastinu (2006) — đo lực kéo trên đường tuyết và băng |
| Ước lượng mô men cực đại |
Nathan Ewin (2011) — bộ điều khiển MTTE |
Tại Việt Nam, tác giả ghi nhận có các công trình [2]; [3]; [4] nghiên cứu hệ thống hạn chế trượt lết bánh xe, nhưng chưa có công trình đáng kể về hệ thống hạn chế trượt quay.
Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết
Hầu hết các giải pháp quốc tế ứng dụng bướm ga điện tử (phù hợp động cơ xăng), điều khiển đánh lửa, hoặc kết hợp phanh — đều đòi hỏi hệ thống quản lý động cơ điện tử phức tạp, không phù hợp với xe tải diesel bơm cao áp dãy phổ biến tại Việt Nam. Luận án lựa chọn giải pháp điều khiển mức tải (tải của bơm cao áp dãy) qua cơ cấu chấp hành cơ điện tử — phương án phù hợp với điều kiện thực tế trong nước và có thể lắp bổ sung trên xe đang lưu hành.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Lý thuyết và khái niệm nền tảng
- Hiện tượng trượt quay bánh xe: Độ trượt λ của bánh xe chủ động được xác định theo công thức λ = (v_l − v_x)/v_l, trong đó v_l = ω_s · r_d là vận tốc tiếp tuyến, v_x là vận tốc ô tô. Khi mô men động cơ truyền đến bánh xe vượt quá mô men bám cực đại M_φmax = F_φmax · r_d, bánh xe trượt quay ở mức gây hại.
- Quan hệ hệ số bám — độ trượt: Nhiều nghiên cứu cho thấy khi λ nằm trong khoảng 10%–30%, hệ số bám dọc φ_x đạt giá trị lớn nhất trong khi hệ số bám ngang φ_y vẫn ở mức cao. Ngoài khoảng này, cả hai hệ số bám giảm nhanh.
- Mô hình lốp: Luận án điểm lại các mô hình Burckhardt, Dugoff, Pacejka (công thức bậc hai theo hệ số trượt dọc), Ammon. Phạm vi nghiên cứu chỉ theo phương dọc nên lực dọc được tính F_x = F_z · φ_x(λ), với hệ số bám dọc nội suy tuyến tính qua lookup table.
- Mô hình bộ điều tốc cơ khí ly tâm đa chế độ: Hàm truyền bậc nhất W(s) = 1/(a₁·s + b₁), với a₁ = 0,2 và b₁ = 1 xác định từ thực nghiệm bằng công cụ System Identification Parameters của Matlab.
- Công thức Lây Đécman: Dùng để xây dựng đặc tính ngoài động cơ với các hệ số thực nghiệm a₂ = 0,7; b₂ = 1,3; c₂ = 1 (động cơ diesel 4 kỳ buồng cháy xoáy lốc).
- Thuật toán điều khiển PID: Bộ điều khiển theo quy luật tỉ lệ-tích phân-vi phân (Proportional Integral Derivative) được lựa chọn và xác định tham số cho hệ thống.
Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp hỗn hợp: mô phỏng lý thuyết kết hợp thực nghiệm.
Mô phỏng lý thuyết: Xây dựng và chạy mô hình trên phần mềm Matlab-Simulink. Mô hình tổng thể bao gồm: mô hình động cơ diesel (đặc tính bơm cao áp + đặc tính ngoài động cơ), mô tả hệ thống truyền lực, mô hình bánh xe chủ động và bị động, mô hình chuyển động theo phương dọc. Mô phỏng được tổ chức theo nhiều phương án (PA1–PA6) với các dải hệ số bám φ và mức tải Pin khác nhau.
Thực nghiệm:
- Thực nghiệm trong phòng thí nghiệm: Xác định đặc tính ngoài và đặc tính cục bộ bơm cao áp dãy trên băng thử bơm cao áp NT 3000 (đặt tại Học viện Kỹ thuật Quân sự); đo hành trình thanh răng bằng cảm biến AH49E và thiết bị đo ghi đa kênh DEWE 2600 (Trường Đại học SPKT Hưng Yên).
- Thực nghiệm trên xe thực: Kiểm tra cơ cấu chấp hành và hệ thống điều khiển; thử nghiệm trên hai loại bề mặt — nền xưởng công nghiệp bôi mỡ (TN1) và đường bê tông cứng có bùn sét (TN2).
Nguồn dữ liệu
- Dữ liệu thực nghiệm bơm cao áp: đặc tính phun nhiên liệu Qb(n_bca) tại các mức tải 0–100% và số vòng quay bơm n_bca = 400–1 600 v/p (bước 20 v/p), đo lượng phun sau 500 chu trình.
- Dữ liệu thực nghiệm bộ điều tốc: đo độ dịch chuyển thanh răng tại các mức tải Pin = 0; 20; 40; 60; 80; 100%.
- Thông số kỹ thuật đối tượng thực nghiệm (Bảng 1.1), thông số băng thử NT 3000 (Bảng 2.1), thông số cảm biến và cơ cấu chấp hành (Bảng 4.1–4.4).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu
Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về hiện tượng trượt quay bánh xe chủ động, thiết lập công thức xác định độ trượt λ và điều kiện để trượt quay xảy ra (M_e · i_tl/2 > M_φmax). Tổng hợp các hướng nghiên cứu quốc tế và trong nước theo ba giải pháp: điều khiển hệ thống phanh, điều khiển công suất động cơ, kết hợp cả hai. Từ đó, luận án xác định đối tượng là xe tải 4x2 diesel bơm cao áp dãy với các thông số kỹ thuật cơ bản (công suất cực đại 81 kW/3 000 v/p; mô men xoắn cực đại 320 Nm/2 000 v/p; tỉ số truyền tay số 1 là 7,31; tỉ số truyền truyền lực chính 6,57; chiều cao trọng tâm 980 mm; tổng trọng lượng 76 850 N) và xác định phạm vi nghiên cứu — điều khiển giảm công suất động cơ trên đường thẳng.
Chương 2: Mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô
Chương xây dựng bốn mô hình thành phần liên kết trong Matlab-Simulink:
- Mô hình động cơ: Kết hợp đặc tính cục bộ và đặc tính ngoài bơm cao áp (xác định từ thực nghiệm trên băng thử NT 3000) với mô hình bộ điều tốc bậc nhất (a₁ = 0,2; b₁ = 1). Đặc tính ngoài động cơ xây dựng theo công thức Lây Đécman với a₂ = 0,7; b₂ = 1,3; c₂ = 1.
- Mô tả hệ thống truyền lực: Coi là cứng tuyệt đối ở trạng thái khởi hành; mô hình hóa quá trình đóng ly hợp tuyến tính trong 0,5 s qua hệ số k_LH.
- Mô hình bánh xe: Viết phương trình chuyển động quay riêng cho bánh xe chủ động và bị động; hệ số bám dọc theo độ trượt nội suy qua lookup table.
- Mô hình chuyển động theo phương dọc: Hệ phương trình (2.30) mô tả quan hệ giữa gia tốc, vận tốc xe và độ trượt bánh xe.
Kết quả khảo sát mô phỏng theo hai phương án:
- PA1 (φ = 0,3 và 0,8; Pin = 40%, 70%, 100%): Trên đường φ = 0,3 ở mức tải 40%, thời gian đạt vận tốc ổn định khoảng 9 s, gia tốc cực đại a_max = 0,3 m/s², tổng thời gian có λ > 30% là 7,1 s. Trên đường φ = 0,8 cùng mức tải, thời gian đạt vận tốc ổn định khoảng 3 s, a_max = 0,8 m/s², không có thời gian λ > 30%. Ở mức tải 70% trên φ = 0,3, thời gian đạt vận tốc ổn định khoảng 14 s, a_max = 0,3 m/s².
- PA2 (φ = 0,25–0,55 bước 0,05; Pin = 10–100%): Tổng hợp giá trị a_max và λ_amax tại thời điểm đạt gia tốc cực đại theo từng tổ hợp φ và Pin, thể hiện ở Bảng 2.4. Kết quả xác định quan hệ tổng thời gian có λ > 30% theo mức tải và hệ số bám, làm cơ sở để xác định vùng điều khiển hiệu quả.
Chương 3: Xây dựng bộ điều khiển và mô phỏng hoạt động của hệ thống điều khiển
Chương đề xuất cấu trúc hệ thống TCS can thiệp vào mức tải động cơ (p_dk) thay vì mức tải người lái đặt (P_nl). Bộ điều khiển PID được lựa chọn; các tham số được xác định qua mô phỏng khảo sát hệ số k_c và so sánh nhiều bộ điều khiển khác nhau trên đường φ = 0,3; f = 0,15; mức tải 80% (Bảng 3.1, 3.2). Mô phỏng đánh giá hiệu quả theo bốn phương án (PA3–PA6):
- PA3 (khởi hành tay số 1, xe đầy tải): So sánh có/không có bộ điều khiển trên các đường φ = 0,3; 0,35; 0,4. Kết quả thể hiện qua đồ thị vận tốc, gia tốc, độ trượt bánh xe chủ động và mức ga.
- PA4 (khởi hành tay số 2, xe không tải): Đánh giá tương tự PA3.
- PA5: Khảo sát và xác định các vùng làm việc của bộ điều khiển trên mặt phẳng (φ, f) — cho phép xác định vùng điều khiển có hiệu quả và vùng không có hiệu quả.
- PA6: Khảo sát ảnh hưởng của hệ số cản lăn f tới vùng làm việc hiệu quả (Bảng 3.5 liệt kê các giá trị f và φ mô phỏng). Kết quả tổng hợp thành bản đồ các vùng làm việc theo đặc tính bám và cản của mặt đường.
Chỉ tiêu đánh giá hiệu quả gồm tổng thời gian bánh xe có λ > 30% và thời gian đạt các mốc vận tốc v = 1 m/s (PA3) và v = 3 m/s (PA4).
Chương 4: Thiết kế, chế tạo và thực nghiệm hệ thống
Chương trình bày toàn bộ quá trình hiện thực hóa phần cứng:
Cảm biến vận tốc góc bánh xe: Sử dụng cảm biến tiệm cận PRT08-1 kết hợp vành răng; thông số kỹ thuật ghi tại Bảng 4.1; số xung đo n_r và số vấu N_r trên vành răng được dùng để tính vận tốc góc.
Cơ cấu chấp hành: Động cơ bước YH42BYGH47 (thông số tại Bảng 4.3), mô đun TB6600-4A (Bảng 4.4), cụm trục vít — con trượt — thanh ray điều khiển dây ga bơm cao áp. Bảng 4.5 tổng hợp kết quả thực nghiệm kiểm tra cơ cấu chấp hành.
Bộ điều khiển điện tử (ECU): Mạch xử lý tín hiệu từ cảm biến vận tốc góc bánh xe; mạch in được thiết kế và chế tạo thử nghiệm.
Thực nghiệm hệ thống: Tiến hành trên hai loại bề mặt:
- TN1 — nền xưởng công nghiệp bôi mỡ: So sánh vận tốc góc bánh xe, mức ga và độ trượt khi không điều khiển và khi có điều khiển (Bảng 4.7).
- TN2 — đường bê tông cứng có bùn sét: So sánh tương tự (Bảng 4.8).
Kết quả và những đóng góp mới
Luận án trình bày bốn kết quả nghiên cứu mới:
-
Mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô có xét đến đặc tính động cơ đốt trong sử dụng bơm cao áp dãy — kết hợp đặc tính phun nhiên liệu thực nghiệm với công thức Lây Đécman và mô hình bộ điều tốc bậc nhất xác định bằng System Identification Parameters (Matlab).
-
Thuật toán điều khiển PID và giá trị các tham số bộ điều khiển hạn chế trượt quay bánh xe bằng phương pháp điều khiển công suất (mức tải) động cơ thông qua can thiệp vào dây ga bơm cao áp.
-
Kết quả mô phỏng lý thuyết hoạt động của hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe, bao gồm bản đồ vùng điều khiển hiệu quả theo đặc tính bám và cản của mặt đường (PA5, PA6).
-
Mẫu bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành (chế tạo thử nghiệm lần đầu) của hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động, được thực nghiệm trên xe tải thực trên nền xưởng bôi mỡ và đường bê tông có bùn sét.
Kiến nghị: Tiếp tục phát triển hoàn thiện hệ thống hạn chế trượt quay bánh xe chủ động; hướng đến lắp đặt cho các xe tải đang lưu hành sản xuất và lắp ráp tại Việt Nam.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Luận án tự xác định một số giới hạn phạm vi nghiên cứu:
- Chỉ nghiên cứu điều khiển giảm công suất động cơ — không kết hợp điều khiển hệ thống phanh, trong khi nhiều nghiên cứu quốc tế chỉ ra rằng kết hợp hai giải pháp mang lại hiệu quả cao hơn.
- Phạm vi giới hạn ở chuyển động thẳng trên đường đồng nhất — chưa xét đến quay vòng, đường không đồng nhất, hay trường hợp hệ số bám hai bên bánh xe khác nhau.
- Trường hợp đạp ga đột ngột ở mức lớn, thời gian phản ứng của hệ thống (do đặc tính động học bộ điều tốc) có thể không đủ nhanh để xử lý hiệu quả, độ trượt tự giảm theo đặc tính tốc độ động cơ.
- Mô hình mô phỏng sử dụng công thức Lây Đécman thay vì đặc tính ngoài đo trực tiếp trên băng thử động cơ, do hạn chế về thiết bị.
- Hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất: từng bước hoàn thiện hệ thống để tiến tới ứng dụng thực tế cho các dòng xe tải sản xuất, lắp ráp trong nước.
Giá trị tham khảo
Luận án có giá trị tham khảo cho các nhóm đối tượng sau:
- Nghiên cứu sinh và học viên cao học trong lĩnh vực Kỹ thuật Ô tô, Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Điều khiển — đặc biệt phần xây dựng mô hình mô phỏng Matlab-Simulink cho hệ thống TCS trên xe diesel bơm cao áp dãy (Chương 2 và Chương 3).
- Kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm đến phương pháp xác định đặc tính bơm cao áp bằng băng thử và áp dụng System Identification Parameters để nhận dạng tham số hệ thống (Chương 2).
- Cơ sở sản xuất và lắp ráp xe tải tại Việt Nam muốn trang bị thêm tính năng hạn chế trượt quay cho các dòng xe diesel bơm cao áp dãy — phần thiết kế, chế tạo cơ cấu chấp hành và ECU (Chương 4) cung cấp tài liệu kỹ thuật cơ sở.
- Giảng viên và cơ sở đào tạo thuộc chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô — luận án có thể dùng làm tài liệu minh họa cho môn học động lực học ô tô và kỹ thuật điều khiển xe.
Câu hỏi thường gặp
1. Hệ thống điều khiển của luận án can thiệp vào xe theo cơ chế nào?
Hệ thống can thiệp vào mức tải động cơ (p_dk) thông qua một cơ cấu chấp hành cơ điện tử gồm động cơ bước YH42BYGH47, mô đun điều khiển TB6600-4A, cụm trục vít và con trượt tác động vào dây ga bơm cao áp dãy. Khi cảm biến tiệm cận PRT08-1 phát hiện độ trượt bánh xe chủ động vượt ngưỡng, bộ điều khiển PID tính toán và giảm lượng nhiên liệu qua bơm cao áp, qua đó hạ mô men truyền đến bánh xe chủ động xuống mức phù hợp với khả năng bám của đường.
2. Tại sao luận án chọn bộ điều tốc bậc nhất thay vì bậc hai?
Theo tài liệu [8] được trích dẫn trong luận án, mô hình bộ điều tốc bậc hai có hệ số a = 0,005816 rất nhỏ, dẫn đến khâu bậc hai gần như tương đương khâu bậc nhất. Luận án lựa chọn khâu bậc nhất để đơn giản hóa mô hình mô phỏng, với các tham số a₁ = 0,2 và b₁ = 1 được xác định từ thực nghiệm đo hành trình thanh răng kết hợp công cụ System Identification Parameters của Matlab.
3. Độ trượt bánh xe được đo và tính toán như thế nào trong hệ thống thực nghiệm?
Vận tốc góc của bánh xe chủ động (ω_s) và bánh xe bị động (ω_t) được đo gián tiếp qua cảm biến tiệm cận PRT08-1 đếm xung từ vành răng. Khoảng thời gian đếm xung T_r và số vấu N_r trên vành răng cho phép tính vận tốc góc. Vận tốc ô tô v_x được suy từ vận tốc góc bánh xe bị động (không trượt). Độ trượt λ tính theo công thức λ = (v_l − v_x)/v_l = (ω_s · r_d − ω_t · r_d)/(ω_s · r_d). Tín hiệu vị trí dây ga được đo bổ sung bằng cảm biến dịch chuyển.
4. Vùng điều khiển nào có hiệu quả và vùng nào không?
Kết quả mô phỏng PA5 và PA6 xác định bản đồ vùng làm việc của bộ điều khiển theo mặt phẳng hệ số bám (φ) và hệ số cản lăn (f). Trên đường có φ = 0,3 và f = 0,15, mô phỏng so sánh tổng thời gian λ > 30% và thời gian đạt v = 1 m/s (PA3) / v = 3 m/s (PA4) ở các mức ga khác nhau khi có và không có bộ điều khiển. Vùng điều khiển không có hiệu quả xuất hiện khi hệ số bám quá thấp hoặc hệ số cản lăn quá cao đến mức xe không thể khởi hành dù có điều khiển.
5. Kết quả thực nghiệm trên xe thực cho thấy điều gì?
Thực nghiệm TN1 (nền xưởng bôi mỡ) và TN2 (đường bê tông có bùn sét) được tổng hợp lần lượt ở Bảng 4.7 và Bảng 4.8. Kết quả đo vận tốc góc các bánh xe, mức ga và độ trượt khi có và không có bộ điều khiển cho thấy hệ thống chế tạo thử nghiệm hoạt động được trong điều kiện thực tế, góp phần giảm độ trượt quay của bánh xe chủ động khi xe khởi hành trên hai loại bề mặt thử nghiệm nêu trên.
Kết luận
Luận án trình bày một hướng tiếp cận thực tế để trang bị chức năng hạn chế trượt quay bánh xe chủ động cho xe tải diesel bơm cao áp dãy — dòng xe phổ biến tại Việt Nam nhưng chưa được trang bị hệ thống TCS. Phương pháp nghiên cứu kết hợp mô phỏng Matlab-Simulink với thực nghiệm bơm cao áp và thử nghiệm xe thực, cho phép xây dựng và kiểm chứng cả mô hình lý thuyết lẫn phần cứng. Kết quả nổi bật gồm mô hình mô phỏng động cơ diesel bơm cao áp dãy, bộ điều khiển PID với tham số xác định từ mô phỏng, và mẫu cơ cấu chấp hành chế tạo thử nghiệm lần đầu. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở chuyển động thẳng trên đường đồng nhất, điều khiển đơn giải pháp (giảm công suất động cơ), và thử nghiệm bước đầu — những điều này đặt ra các hướng mở rộng cần tiếp tục trong các nghiên cứu sau.