Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ điện tử nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống kiểm soát lực kéo và hệ thống cân bằng điện tử cho xe ô tô

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ điện tử nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống kiểm soát lực kéo và cân bằng điện tử xe ô tô.

• Tác giả: Cổ Tấn Anh Quân
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Công Bằng
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống kiểm soát lực kéo và hệ thống cân bằng điện tử cho xe ô tô
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống kiểm soát lực kéo và cân bằng điện tử

Hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) và hệ thống cân bằng điện tử (ESP) là hai công nghệ quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại. Chúng được thiết kế để nâng cao tính an toàn và hiệu suất của xe ô tô. Bộ điều khiển cho TCS giúp duy trì lực kéo tối ưu giữa bánh xe và mặt đường, trong khi hệ thống cân bằng điện tử đảm bảo rằng xe không bị lật khi vào cua hoặc trong các tình huống khẩn cấp. Việc nghiên cứu và thiết kế các bộ điều khiển này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của xe mà còn giảm thiểu tai nạn giao thông. Theo một nghiên cứu, việc áp dụng TCS và ESP có thể giảm thiểu tai nạn lên đến 30%.

1.1. Lịch sử phát triển của các hệ thống an toàn

Lịch sử phát triển của các hệ thống an toàn trên xe ô tô bắt đầu từ những năm 1970 với sự ra đời của hệ thống chống bó cứng phanh (ABS). Sau đó, TCS và ESP được phát triển nhằm cải thiện khả năng kiểm soát và ổn định của xe. Các công nghệ này đã trải qua nhiều giai đoạn cải tiến, từ việc sử dụng cảm biến đơn giản đến các thuật toán phức tạp trong công nghệ điều khiển điện tử. Sự phát triển này không chỉ giúp nâng cao tính năng an toàn mà còn cải thiện trải nghiệm lái xe cho người sử dụng.

II. Phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống kiểm soát lực kéo TCS

Bộ điều khiển cho hệ thống kiểm soát lực kéo TCS được thiết kế dựa trên các nguyên lý cơ bản của công nghệ điều khiển. Phân tích sơ lược cho thấy rằng bộ điều khiển này cần phải phản ứng nhanh chóng với các thay đổi trong điều kiện đường và trạng thái của xe. Việc sử dụng thuật toán PID cổ điển là một trong những phương pháp phổ biến để điều chỉnh lực phanh và lực kéo. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc tối ưu hóa các tham số điều khiển có thể cải thiện hiệu suất của TCS lên đến 35.72%. Điều này chứng tỏ rằng việc nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển cho TCS là rất cần thiết để nâng cao tính an toàn cho xe ô tô.

2.1. Thiết kế bộ điều khiển lực phanh BTC

Bộ điều khiển lực phanh BTC là một phần quan trọng trong hệ thống TCS. Nó có nhiệm vụ điều chỉnh lực phanh cho từng bánh xe dựa trên thông tin từ các cảm biến tốc độ bánh xe. Việc thiết kế bộ điều khiển này cần phải xem xét đến các yếu tố như độ trễ trong phản ứng và khả năng xử lý tín hiệu. Các mô phỏng cho thấy rằng việc sử dụng bộ khuếch đại phi tuyến có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của bộ điều khiển, giúp giảm thời gian hoạt động của hệ thống an toàn này. Điều này không chỉ nâng cao tính năng an toàn mà còn cải thiện trải nghiệm lái xe cho người sử dụng.

III. Phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống cân bằng điện tử ESP

Hệ thống cân bằng điện tử ESP đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn định của xe trong các tình huống khẩn cấp. Bộ điều khiển động lực học VDC được thiết kế để theo dõi và điều chỉnh mômen quay của từng bánh xe. Việc phân tích các chế độ vận hành khác nhau của VDC cho thấy rằng hệ thống này cần phải phản ứng nhanh chóng với các thay đổi trong điều kiện lái. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc tối ưu hóa các tham số điều khiển có thể cải thiện hiệu suất của ESP lên đến 10.47%. Điều này chứng tỏ rằng việc nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển cho ESP là rất cần thiết để nâng cao tính an toàn cho xe ô tô.

3.1. Thiết kế bộ điều khiển động lực học VDC

Bộ điều khiển động lực học VDC cần phải được thiết kế để xử lý các tín hiệu từ cảm biến tốc độ quay và cảm biến gia tốc. Việc sử dụng các thuật toán phức tạp giúp bộ điều khiển có thể đưa ra các quyết định chính xác và kịp thời. Các mô phỏng cho thấy rằng việc cải thiện thuật toán điều khiển có thể giúp giảm thiểu hiện tượng thừa lái và thiếu lái, từ đó nâng cao tính ổn định của xe. Điều này không chỉ giúp bảo vệ người lái mà còn góp phần giảm thiểu tai nạn giao thông.

IV. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống kiểm soát lực kéo và cân bằng điện tử xe ô tô đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các tham số điều khiển có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và tính an toàn của xe. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng các công nghệ mới trong thiết kế bộ điều khiển có thể giúp giảm thiểu thời gian hoạt động của các hệ thống an toàn này. Đề xuất cho các nghiên cứu tiếp theo là nên tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển thông minh hơn, nhằm nâng cao khả năng phản ứng của hệ thống trong các tình huống khẩn cấp.

4.1. Đề xuất cho nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo nên xem xét việc áp dụng trí tuệ nhân tạo và học máy vào thiết kế bộ điều khiển cho TCS và ESP. Việc này có thể giúp cải thiện khả năng dự đoán và phản ứng của hệ thống trong các tình huống phức tạp. Ngoài ra, việc nghiên cứu các cảm biến mới và công nghệ kết nối cũng sẽ góp phần nâng cao tính năng an toàn cho xe ô tô trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Các hệ thống an toàn trên xe ô tô Sự gia tăng thu nhập và mức sống ở khu vực thành thị kéo theo xu hướng gia tăng về nhu cầu sở hữu ô tô [1]. Điều này làm thay đổi sâu sắc điều kiện lưu thông và tình trạng giao thông trong các thành phố trên thế giới (hình 1. Theo Tổ chức Y tế Thế giới WHO, có khoảng 1,35 triệu người chết và 20-50 triệu người bị thương do tai nạn xe hơi trên toàn cầu mỗi năm [2], trong số đó, một lượng lớn tai nạn giao thông đường bộ có nguyên nhân đến từ lỗi của con người [3].

Vì thế, việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống, thiết bị và quy định về ô tô nhằm giảm thiểu sự xuất hiện và hậu quả của việc va chạm giao thông liên quan đến xe cơ giới đã trở thành một yêu cầu bức thiết của cuộc sống hiện đại. Ùn tắc giao thông đầu những năm 1970 ở các thành phố của Hoa Kỳ [4] Trong thế giới an toàn xe, "chủ động" và "bị động" là hai thuật ngữ phổ biến nhất và quan trọng nhất trong việc phân loại các hệ thống an toàn trên xe ô tô. Các hệ thống an toàn chủ động như phanh, radar, … được sử dụng như là những công nghệ hỗ trợ tài xế ngăn ngừa các trường hợp nguy hiểm có thể dẫn đến tai nạn trước khi nó thật sự xảy ra. Trong khi đó, các hệ thống an toàn bị động như túi khí, dây an toàn và cấu trúc vật lý của xe thì được dùng để bảo vệ người điều khiển cùng hành khách ngồi trong buồng lái trong và sau khi xảy ra tình huống tai nạn.

1 TỔNG QUAN Ngày nay, có thể nói ngành công nghiệp ô tô đang trên đà phát triển mạnh mẽ cả về số lượng xe bán ra lẫn chất lượng của xe – được đảm bảo với rất nhiều tính năng hỗ trợ được nghiên cứu, cấp bằng sáng chế, phát triển tối ưu và tích hợp trên các hệ thống an toàn. Một số hệ thống an toàn phổ biến trên ô tô (hình 1.2) có thể kể đến như: ❑ Dây đai an toàn (Seatbelts) ❑ Khung xe hấp thụ lực (Chassis) ❑ Hệ thống túi khí SRS (Supplemental Restraint System) ❑ Hệ thống cảnh báo tiền va chạm FCW (Forward-Collision Warning) ❑ Hệ thống giám sát và cảnh báo điểm mù BSM (Blind Spot Monitoring) ❑ Hệ thống hỗ trợ đỗ xe PAS (Parking Assist System) ❑ Hệ thống chiếu sáng phía trước thích ứng AFS (Adaptive Front–lighting System) ❑ Hệ thống cảnh báo chệch làn đường LDWS (Lane Departure Warning System) ❑ Hệ thống chống bó cứng phanh ABS (Anti-lock Braking System) ❑ Hệ thống phanh tự động khẩn cấp AEB (Automatic Emergency Braking) ❑ Hệ thống kiểm soát hành trình thích ứng ACC (Adaptive Cruise Control) ❑ Hệ thống hỗ trợ lực phanh khẩn cấp BA (Brake Assist System) ❑ Hệ thống cân bằng điện tử ESP (Electronic Stability Program) ❑ Hệ thống kiểm soát lực kéo TCS (Traction Control System) ❑ Hệ thống hỗ trợ khởi hành ngang dốc HAC (Hill-start Assist Control) ❑ Hệ thống phân phối lực phanh điện tử EBD (Electronic brakeforce distribution) ❑ Hệ thống hỗ trợ xuống dốc hay đổ đèo HDC (Hill Descent Control) hay DHAC (Down Hill Assist Control) Qua đó, có thể thấy về mặt số lượng các hệ thống an toàn chủ động được phát triển và ứng dụng chiếm ưu thế lớn hơn so với các hệ thống an toàn bị động. Trong số đó, các chức năng liên quan đến hệ thống phanh và radar chiếm tỷ trọng cao nhất. Điều này là hoàn toàn hợp lý trên phương diện phòng chống và giảm thiểu tối đa những thiệt hại về kinh tế và con người khổng lồ cho toàn xã hội cùng những tổn thất không thể bù đắp được cho người bị nạn, gia đình và thân nhân của họ gây ra bởi tai nạn giao thông [3].

2 TỔNG QUAN A a) Dây đai an toàn [5] b) Hệ thống túi khí [6] c) Radar [7] d) Hệ thống phanh [8] Hình 1. Một số hệ thống an toàn trên xe ô tô 1. Lịch sử phát triển của một số hệ thống an toàn trên xe ô tô a) Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) đầu tiên trên thế giới dành cho ô tô được phát triển vào những năm 1920 bởi kỹ sư ô tô và máy bay người Pháp Gabriel Voisin. Tuy nhiên, hệ thống ban đầu này không được áp dụng rộng rãi và công nghệ ABS không trở nên phổ biến trên ô tô cho đến nhiều thập kỷ sau.

ABS hiện đại như chúng ta biết ngày nay, được giới thiệu lần đầu tiên vào những năm 1960. Năm 1966, công ty ô tô Chrysler của Mỹ đã cung cấp hệ thống "Sure-Brake" như một tùy chọn trên một số loại xe cao cấp của họ. Công nghệ ABS đầu tiên này sử dụng máy tính để kiểm soát áp suất phanh và ngăn bánh xe bị bó cứng khi phanh gấp. Trong những năm qua, công nghệ ABS không ngừng phát triển và cải tiến, trở thành tính năng an toàn tiêu chuẩn trên hầu hết các loại xe trên thế giới.

Bosch, một công ty kỹ thuật và công nghệ đa quốc gia của Đức, đã đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển và phổ biến hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) trên ô tô. Bosch giới thiệu công nghệ ABS vào năm 1978, đây là một cột mốc quan trọng trong lịch sử an toàn ô tô. 3 TỔNG QUAN Hình 1. Hệ thống chống bó cứng phanh ABS [9] Hệ thống ABS của Bosch (hình 1.3) sử dụng các cảm biến để theo dõi tốc độ của từng bánh xe và máy tính riêng để kiểm soát áp suất phanh nhằm tránh hiện tượng bó cứng bánh xe khi phanh.

Sự cải tiến này đã cải thiện đáng kể độ ổn định và khả năng kiểm soát của xe trong các tình huống phanh khẩn cấp, đặc biệt là trên các bề mặt trơn trượt. Hệ thống ABS của Bosch đã được nhiều nhà sản xuất ô tô áp dụng và trở thành tính năng tiêu chuẩn trên nhiều loại xe trên toàn thế giới. Công nghệ ABS của Bosch đã tiếp tục phát triển và họ đã trở thành nhà cung cấp hàng đầu về ABS và các hệ thống an toàn ô tô khác trong nhiều thập kỷ. Họ đã đóng góp đáng kể vào sự tiến bộ của công nghệ an toàn trên xe, bao gồm những cải tiến như hệ thống kiểm soát ổn định điện tử (ESC) và hệ thống hỗ trợ người lái tiên tiến (ADAS).

b) Hệ thống điều khiển túi khí (SRS/ACU) Công nghệ túi khí, bao gồm cả bộ phận điều khiển, đã phát triển qua nhiều năm với sự đóng góp của nhiều công ty. Những hệ thống này đã trở thành tính năng an toàn tiêu chuẩn trên hầu hết các loại xe. Khái niệm SRS, trong đó túi khí là một bộ phận quan trọng, bắt đầu thu hút được sự chú ý trong ngành công nghiệp ô tô trong những năm 1970. Bosch – nhà cung cấp nổi tiếng các hệ thống an toàn ô tô, bao gồm bộ điều khiển túi khí (ACU), cùng với các công ty công nghệ ô tô khác, đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy công nghệ bộ điều khiển túi khí nhằm cải thiện độ an toàn của xe.

Năm 1971, nhà sản xuất ô tô General Motors (GM) của Mỹ đã giới thiệu một hệ thống túi khí cơ bản được gọi là Hệ thống hạn chế đệm khí (ACRS) trên một số phương tiện của mình. Hệ thống này bao gồm một dạng ACU ban đầu, mặc dù nó không phức tạp như các bộ điều khiển túi khí hiện đại. Nó chủ yếu tập trung vào việc bung túi khí khi xảy ra va chạm, dựa trên các cảm biến cơ học và khả năng giảm tốc của xe. 4 TỔNG QUAN Bộ điều khiển túi khí (ACU) (hình 1.4) đầu tiên trên thế giới, còn được gọi là mô- đun điều khiển túi khí hoặc bộ điều khiển điện tử túi khí (ECU), xuất hiện vào giữa những năm 1970.

Việc phát triển túi khí và hệ thống điều khiển liên quan của chúng là nỗ lực hợp tác của nhiều nhà sản xuất và nhà cung cấp ô tô khác nhau. Bộ điều khiển túi khí ACU [10] “Thiết bị kích hoạt quá trình bơm hơi trong túi” mà Bosch đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế vào mùa xuân năm 1976, đánh dấu bước quan trọng đầu tiên trong quá trình phát triển của công ty. Một thành phần quan trọng của thiết bị này là cảm biến gia tốc có chức năng đo độ giảm tốc xảy ra khi va chạm theo thời gian, nhờ đó túi khí bảo vệ sẽ được bơm căng vào đúng thời điểm trong các vụ tai nạn với nhiều nguyên nhân khác nhau. Cảm biến này còn có thể được sử dụng để kích hoạt bộ căng đai tự động theo cách tương tự.

Bộ điều khiển điện tử của Bosch dành cho hệ thống hạn chế thụ động được đưa vào sản xuất hàng loạt vào năm 1980 và được sử dụng lần đầu tiên trên xe Mercedes- Benz S-Class vào năm 1981. Bộ phận này có ba đầu ra đánh lửa để kích hoạt túi khí người lái, túi khí hành khách hai bước và bộ căng đai an toàn trong trường hợp va chạm. Trong những năm qua, những tiến bộ trong công nghệ cảm biến, xử lý máy tính và hệ thống an toàn trên xe đã dẫn đến các bộ điều khiển túi khí phức tạp hơn có thể giám sát các thông số khác nhau của xe, đánh giá mức độ nghiêm trọng của va chạm và triển khai túi khí với độ chính xác cao hơn. Những phát triển này đã góp phần cải thiện độ an toàn của túi khí và giảm nguy cơ bung túi khí không cần thiết.

Việc liên tục cải tiến các bộ phận điều khiển túi khí và các hệ thống an toàn liên quan đã đóng một vai trò quan trọng trong việc tăng cường khả năng bảo vệ người ngồi trong ô tô. 5 TỔNG QUAN c) Hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) Hình 1. Hệ thống kiểm soát lực kéo TCS [11] Hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) (hình 1.5) đầu tiên trên thế giới được công ty ô tô Mỹ General Motors (GM) giới thiệu vào năm 1971. TCS của GM ban đầu được giới thiệu như một tùy chọn trên các loại xe hiệu suất cao của họ, chẳng hạn như Oldsmobile Toronado năm 1971.

Hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) là sự phát triển cao cấp hơn của công nghệ ABS. Bosch giới thiệu nó ra thị trường vào năm 1986. Bộ điều khiển điện tử của công nghệ TCS được thiết kế để ngăn bánh xe quay khi tăng tốc trên mặt đường trơn trượt hoặc độ bám đường thấp bằng cách làm giảm tốc độ của bánh xe quay cho đến khi chúng lấy lại được độ bám.