Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật ô tô hiện đại, hệ thống lái đóng vai trò quyết định đến tính năng an toàn, độ ổn định chuyển động và cảm giác điều khiển của người lái. Xu hướng phát triển công nghệ điều khiển ô tô chuyển dịch mạnh mẽ từ hệ thống trợ lực thủy lực truyền thống sang hệ thống lái trợ lực điện (Electric Power Steering - EPS) nhằm tối ưu hóa hiệu suất năng lượng, giảm tiêu hao nhiên liệu và dễ dàng tích hợp với các hệ thống an toàn chủ động điện tử. Nhằm phục vụ công tác giảng dạy, nghiên cứu thực hành tại các cơ sở đào tạo chuyên ngành ô tô, việc xây dựng các mô hình học cụ trực quan, phản ánh chính xác cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống EPS trên các dòng xe thương mại phổ biến là yêu cầu cấp thiết.

Đề tài đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống lái trợ lực điện dựa trên xe Toyota Vios 2017" do sinh viên Đỗ Phạm Thiên Ân thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Vũ Văn Định tại Bộ môn Cơ khí Ô tô, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Giao thông Vận tải (TP. Hồ Chí Minh, năm 2023) tập trung giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu sau:

  • Mục tiêu nghiên cứu:

    1. Thiết kế được mô hình hệ thống lái trợ lực điện hoàn chỉnh dựa trên xe cơ sở.
    2. Làm rõ cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các thuật toán điều khiển của hệ thống EPS.
    3. Mô phỏng hoạt động của hệ thống lái trợ lực điện bằng nền tảng vi điều khiển Arduino nhằm ứng dụng trực tiếp vào công tác giảng dạy và thực hành.

  • Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

    1. Tính toán, thiết kế mô hình hệ thống lái trợ lực điện dựa trên xe cơ sở Toyota Vios 2017.
    2. Lắp ráp mô hình thực nghiệm, vận hành và đánh giá kết quả hoạt động.
    3. Thiết kế sơ đồ hệ thống điện điều khiển và sơ đồ mạch mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng.
    4. Xây dựng phần cứng và lập trình điều khiển mô phỏng hệ thống bằng Arduino.
    5. Nghiên cứu công tác khai thác kỹ thuật, quy trình chẩn đoán mã lỗi, kiểm tra bảo dưỡng, tháo lắp cơ khí và reset góc lái.
    6. Tổng kết đánh giá và đề xuất hướng phát triển đề tài.

  • Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

    • Đối tượng nghiên cứu: Cấu tạo cơ khí, mạch điện điều khiển, phần mềm mô phỏng và quy trình khai thác kỹ thuật hệ thống lái trợ lực điện EPS trên xe Toyota Vios 2017 (thế hệ trang bị động cơ xăng 2NR-FE 1.5L DOHC VVT-i).
    • Phạm vi không gian và thời gian: Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Cơ khí Ô tô, Trường Đại học Giao thông Vận tải, hoàn thành vào tháng 01 năm 2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài được xây dựng trên nền tảng lý thuyết động học và động lực học hệ thống lái ô tô, kết hợp kỹ thuật điều khiển điện tử và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ứng dụng:

  • Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật:

    • Lý thuyết động học quay vòng ô tô theo nguyên tắc Ackerman đảm bảo các bánh xe dẫn hướng không bị trượt lê khi chuyển hướng.
    • Lý thuyết phân loại và kết cấu các cơ cấu lái: bánh răng – thanh răng, trục vít – con lăn hai vành, trục vít – cung răng, trục vít – chốt quay, liên hợp trục vít – êcu bi – thanh răng – cung răng.
    • Cơ sở nguyên lý các hệ thống trợ lực lái: trợ lực thủy lực (bơm cánh gạt, van chia dòng bù không tải, van điều khiển lưu lượng), trợ lực điện – thủy lực (Hybrid) và hệ thống trợ lực điện thuần túy (EPS) với trợ lực gắn trên cột lái (Column-Assist EPS).
    • Tài liệu kỹ thuật hệ thống điện và chẩn đoán chính hãng Toyota (Toyota Techstream / Toyota Tis).

  • Phương pháp nghiên cứu thực tế:

    • Phương pháp phân tích – tổng hợp lý thuyết: Phân tích nguyên lý cảm biến mô-men dạng hiệu ứng Hall, động cơ điện một chiều (DC Motor), các tín hiệu điều khiển từ ECU động cơ và cụm đồng hồ táp-lô gửi về EPS ECU.
    • Phương pháp thiết kế mô phỏng mạch điện: Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện điều khiển và mạch mô phỏng (Simulation Module) trên phần mềm Proteus.
    • Phương pháp mô hình hóa và nhúng vi điều khiển: Sử dụng bo mạch Arduino Uno R3, cảm biến góc/mô-men giả lập (biến trở Volume 10k) và cơ cấu chấp hành (động cơ RC Servo MG996R) để mô phỏng đáp ứng trợ lực theo góc đánh lái trên phần mềm Arduino IDE.
    • Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật và chẩn đoán: Thực hiện quy trình chẩn đoán lỗi qua giắc DLC3 (OBD-II), sử dụng thiết bị chẩn đoán chuyên dụng, phân tích mã lỗi hệ thống (DTC), đo kiểm góc đặt bánh xe (Camber, Caster, Kingpin, độ chụm) và cài đặt góc lái (Steering Angle Sensor Adjustment).

  • Nguồn dữ liệu: Thông số kỹ thuật xe cơ sở Toyota Vios 2017E, sơ đồ mạch điện từ phần mềm tra cứu kỹ thuật Toyota Tis, tập lệnh lập trình vi điều khiển Arduino C/C++ và các bảng quy chuẩn góc đặt bánh xe theo tiêu chuẩn nhà sản xuất Toyota.

Thiết kế và triển khai mô hình mô phỏng

Đồ án triển khai thiết kế hệ thống điều khiển và mạch mô phỏng hoạt động của hệ thống trợ lực lái điện nhằm phục vụ học cụ trực quan.

Kiến trúc phần cứng mô phỏng

Mô hình mô phỏng chuyển đổi các thành phần thực tế trên xe sang các khối linh kiện điện tử tương đương:

Thành phần trên xe Toyota Vios Linh kiện thay thế trên mô hình Arduino Chức năng kỹ thuật trong mô hình
Cảm biến mô-men (Torque Sensor) Biến trở xoay (Volume 10K) Xuất tín hiệu điện áp analog tương ứng góc quay vô lăng về vi điều khiển
Hộp điều khiển trợ lực (EPS ECU) Bo mạch vi điều khiển Arduino Uno R3 Xử lý tín hiệu analog, thực thi thuật toán điều khiển và xuất xung PWM
Mô tơ trợ lực lái DC (EPS Motor) Động cơ RC Servo MG996R Chấp hành góc quay trợ lực theo tín hiệu điều khiển từ Arduino
Nguồn cấp điện hệ thống Adapter nguồn 5V DC qua giắc cắm J5 Cung cấp nguồn nuôi cho mạch vi điều khiển và tải servo

Sơ đồ kết nối và thuật toán điều khiển

  • Sơ đồ chân giao tiếp:
    • Biến trở Volume 10K: Chân 1 nối nguồn 5V, Chân 3 nối Mass (GND), Chân 2 (tín hiệu) kết nối trực tiếp với chân Analog A0 của bo mạch Arduino Uno R3.
    • Động cơ RC Servo MG996R: Dây nguồn và Mass nối nguồn ngoài/Arduino, dây tín hiệu điều khiển kết nối chân Digital Pin 11 (PWM) của Arduino.
  • Thuật toán điều khiển:
    1. Hệ thống đọc tín hiệu điện áp analog từ chân A0 với độ phân giải 10-bit (giá trị số từ 0 đến 1023).
    2. Hàm chuyển đổi tỉ lệ map(Value, 0, 1023, 0, 180) ánh xạ dải giá trị điện áp đầu vào thành góc quay trục động cơ servo từ 0 đến 180 độ.
    3. Lệnh gServo.write(goc) điều khiển cơ cấu chấp hành servo MG996R bám sát góc xoay của biến trở, mô phỏng phản hồi trợ lực theo tác động của người lái lên vô lăng.
    4. Điều kiện logic hoạt động: Khi có tín hiệu vận hành (tốc độ động cơ $> 0$), hệ thống kích hoạt điều khiển trợ lực; khi cảm biến mô-men và tốc độ bằng $0$, hệ thống ngắt chế độ trợ lực.
#include <Servo.h>
#define SERVO_PIN 11

Servo gServo;
int Value = 0;
int goc = 0;

void setup() {
  gServo.attach(SERVO_PIN);
}

void loop() {
  Value = analogRead(A0);
  goc = map(Value, 0, 1023, 0, 180);
  gServo.write(goc);
}

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan về hệ thống lái

Chương I tổng hợp lý thuyết toàn diện về xe cơ sở Toyota Vios 2017 và phân tích chuyên sâu các dạng hệ thống lái trên ô tô:

  • Thông số kỹ thuật xe cơ sở Toyota Vios 2017E:
Thông số Giá trị tiêu chuẩn
Kiểu động cơ 2NR-FE, 4 kỳ, 4 xi lanh thẳng hàng, DOHC, Dual VVT-i
Dung tích xi lanh 1.496 cc
Hộp số Tự động (AT) 5 cấp / Vô cấp (CVT)
Kích thước tổng thể ($D \times R \times C$) 4.475 mm $\times$ 1.700 mm $\times$ 1.475 mm
Chiều dài cơ sở 2.550 mm
Trọng lượng không tải / Toàn tải 1.060 kg / 1.500 kg
Số chỗ ngồi 4 - 5 chỗ
  • Phân tích kết cấu hệ thống lái:
    • Yêu cầu kỹ thuật: Đảm bảo tính cơ động, bán kính quay vòng nhỏ, ổn định hướng chuyển động thẳng, triệt tiêu phản lực va đập từ mặt đường và giảm lực điều khiển trên vành lái.
    • Cơ cấu lái: Khảo sát các dạng cơ cấu lái phổ biến; trong đó cơ cấu bánh răng – thanh răng trên Vios được đánh giá cao nhờ kết cấu nhỏ gọn, hiệu suất truyền động cao và độ rơ tay lái thấp.
    • So sánh các kiểu trợ lực: Hệ thống trợ lực thủy lực phụ thuộc vào tốc độ động cơ qua bơm dầu dây đai và cần van bù không tải; trong khi hệ thống trợ lực điện EPS trên Toyota Vios 2017 sử dụng mô tơ DC điều khiển độc lập theo dải tốc độ xe và mô-men lái.
  • Cấu tạo chi tiết hệ thống EPS Toyota Vios 2017: Bao gồm 6 cụm chính: Cảm biến mô-men dạng Hall trên trục lái, Mô tơ điện DC trợ lực, Hộp điều khiển EPS ECU, ECU động cơ (truyền tín hiệu vòng tua máy), Cụm đồng hồ táp-lô (truyền tín hiệu tốc độ xe qua cảm biến ABS) và Đèn cảnh báo lỗi trợ lực lái P/S.

Chương II: Thiết kế sơ đồ hệ thống điện, mô phỏng mô hình hệ thống bằng Arduino

Chương II trình bày quá trình tính toán, thiết kế mạch điện và triển khai mô hình mô phỏng:

  • Thiết kế mạch điều khiển: Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch điện hệ thống lái trên Proteus, phân tích đường cấp nguồn $12\text{ V DC}$ từ ắc quy qua các cầu chì bảo vệ mạch điện chính.
  • Mô hình hóa bằng vi điều khiển Arduino:
    • Giới thiệu kiến trúc phần cứng Arduino Uno R3: các chân cấp nguồn $5\text{ V}$, $3.3\text{ V}$, GND, các kênh Digital I/O, kênh điều chế độ rộng xung (PWM) và các cổng Analog 10-bit.
    • Triển khai mạch nạp phần mềm Arduino IDE, sử dụng cấu trúc lập trình C/C++ để đọc dữ liệu cảm biến và xuất tín hiệu điều khiển servo MG996R.
    • Tối ưu hóa kết cấu mô hình: Tích hợp mạch điện mô phỏng trên nền tảng cơ khí nguyên bản nhằm trực quan hóa quá trình biến đổi tín hiệu từ góc xoay vành lái thành chuyển động trợ lực của mô tơ mà không làm thay đổi kết cấu chịu lực cơ học của cụm trục lái.

Chương III: Khai thác kỹ thuật hệ thống lái trợ lực điện dựa trên xe Toyota Vios 2017

Chương III đi sâu vào hướng dẫn thực hành kỹ thuật, quy trình kiểm tra, chẩn đoán sự cố, bảo dưỡng và sửa chữa:

  • Bảng chẩn đoán nguyên nhân hư hỏng và biện pháp khắc phục:
Hiện tượng hư hỏng Nguyên nhân chính Biện pháp kiểm tra và xử lý
Nặng lái Áp suất lốp không đủ, mòn hoa lốp; sai lệch góc đặt bánh xe; khớp cầu treo trước mòn rơ; mô tơ trợ lực hư hỏng; trục lái hoặc cơ cấu lái kẹt; ắc quy/máy phát yếu điện; hỏng EPS ECU. Bơm lốp đúng áp suất, đo độ cao hoa lốp; cân chỉnh góc đặt bánh xe; thay khớp cầu; kiểm tra máy phát, ắc quy; kiểm tra/thay thế mô tơ, cơ cấu lái và EPS ECU.
Trả lái kém Lốp trước mòn không đều; sai lệch góc đặt bánh xe; cụm trục lái hoặc cơ cấu lái bị bó kẹt; hỏng EPS ECU. Đảo lốp hoặc thay lốp mới; kiểm tra và căn chỉnh góc đặt bánh xe; kiểm tra, bôi trơn hoặc thay thế cụm trục lái, cơ cấu lái, hộp ECU.
Độ rơ vô lăng quá lớn Mòn trục trung gian; khớp cầu dưới hệ thống treo mòn rơ; vòng bi moay-ơ cầu trước mòn; cơ cấu bánh răng - thanh răng rơ. Kiểm tra độ rơ cơ học; thay thế vòng bi moay-ơ, khớp cầu hoặc cơ cấu lái mới.
Tiếng gõ/tiếng rít khi đánh lái Khe hở ăn khớp bánh răng thanh răng quá lớn; cao su chắn bụi rách lọt cát bụi; trượt đai truyền hoặc hỏng bạc lót cụm cột lái. Căn chỉnh khe hở ăn khớp thanh răng; thay chụp bụi cao su, bôi trơn mỡ chuyên dụng; siết lại bulông giá đỡ.
  • Quy trình chẩn đoán mã lỗi điện tử qua cổng DLC3 (OBD-II):
    1. Kết nối thiết bị chẩn đoán qua giắc 16 chân (16 PIN CONNECTOR) dưới bảng táp-lô.
    2. Truy cập phần mềm chẩn đoán: Chọn International $\rightarrow$ Automatically Search $\rightarrow$ System Selection $\rightarrow$ Chassis $\rightarrow$ EMPS (Electric Motor Power Steering).
    3. Đọc mã lỗi (DTC Analysis) và kiểm tra thông số dòng dữ liệu thời gian thực (Data Analysis).
  • Quy trình Reset cảm biến góc lái (Steering Angle Sensor Adjustment):
    • Khi xuất hiện mã lỗi C1143: Steering Angle Sensor System (khiến đèn cảnh báo VDC/SLIP sáng trên táp-lô), kỹ thuật viên truy cập mục ABS/VSC $\rightarrow$ chọn Special Function $\rightarrow$ chọn Steering Angle Sensor Adjustment $\rightarrow$ bấm OK để hoàn tất hiệu chuẩn lại vị trí $0$ của vô lăng.
  • Quy trình bảo dưỡng và căn chỉnh góc đặt bánh xe:
    • Kiểm tra hành trình tự do vành tay lái, kiểm tra đầu thanh nối và độ rơ moay-ơ.
    • Căn chỉnh góc Camber, Caster, Kingpin và độ chụm bánh trước bằng cách nới lỏng đai ốc hãm đầu thanh răng, điều chỉnh xoay ren thanh răng đều hai bên để đạt giá trị tiêu chuẩn kỹ thuật.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật đạt được:
    • Hoàn thiện bản vẽ thiết kế sơ đồ mạch điện điều khiển và sơ đồ mô phỏng hệ thống trợ lực lái điện Toyota Vios 2017 trên phần mềm Proteus.
    • Chế tạo thành công mô hình học cụ mô phỏng hoạt động của hệ thống EPS sử dụng vi điều khiển Arduino Uno R3, biến trở xoay 10K và động cơ servo RC MG996R, đảm bảo đáp ứng nhanh và thể hiện chính xác góc quay trợ lực.
    • Hệ thống hóa toàn bộ quy trình công nghệ khai thác kỹ thuật bao gồm: bảng mã triệu chứng hư hỏng, quy trình tháo lắp cụm trục lái - cơ cấu lái, quy trình chẩn đoán qua cổng DLC3 và quy trình reset cảm biến góc lái khi gặp mã lỗi C1143.
  • Đóng góp thực tiễn:
    • Cung cấp mô hình thực hành trực quan và bộ tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chi tiết phục vụ giảng dạy các môn học Thực tập Hệ thống gầm, Điện thân xe và Chẩn đoán ô tô tại trường đại học.
    • Đưa ra giải pháp học cụ chi phí thấp bằng cách ứng dụng nền tảng mã nguồn mở Arduino để mô phỏng các hệ thống điều khiển điện tử phức tạp trên ô tô.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Do giới hạn về thời gian và kinh phí thực hiện, mô hình mô phỏng mới dừng lại ở việc giả lập cảm biến mô-men bằng biến trở và mô tơ trợ lực bằng động cơ servo RC cỡ nhỏ; chưa tích hợp giao tiếp trực tiếp với toàn bộ mạng CAN-Bus nguyên bản của xe để nhận tín hiệu tốc độ xe thực tế từ cảm biến ABS.
  • Hướng phát triển:
    • Nâng cấp phần cứng mô hình, kết nối trực tiếp mạch điều khiển với hộp EPS ECU và mô tơ DC trợ lực nguyên bản của Toyota Vios.
    • Mở rộng mạch giả lập tín hiệu xung tốc độ xe (VSS) và tín hiệu vòng tua máy (NE) để kiểm tra hoạt động biến thiên trợ lực theo dải vận tốc chuyển động thực tế.
    • Tích hợp màn hình LCD/OLED hiển thị trực tiếp góc đánh lái, dòng điện tiêu thụ của mô tơ trợ lực và các thông số vận hành theo thời gian thực.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí Ô tô, Công nghệ Kỹ thuật Ô tô: Sử dụng làm tài liệu tham khảo trực tiếp khi làm đồ án tốt nghiệp, đồ án thiết kế hệ thống gầm (PD3) hoặc nghiên cứu phương pháp chế tạo mô hình học cụ ứng dụng vi điều khiển Arduino.
  • Giảng viên và cán bộ kỹ thuật xưởng: Tham khảo sơ đồ bố trí, giải thuật mô phỏng và phương pháp xây dựng sa bàn thực hành chẩn đoán lỗi hệ thống lái trợ lực điện.
  • Kỹ thuật viên sửa chữa ô tô: Tham khảo quy trình chẩn đoán lỗi hệ thống lái qua máy quét chẩn đoán, các bước căn chỉnh góc đặt bánh xe cơ học và quy trình reset cảm biến góc lái mã lỗi C1143.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình mô phỏng trong đồ án sử dụng các linh kiện Arduino nào để thay thế cho các bộ phận thực tế trên hệ thống EPS? Trong mô hình mô phỏng, tác giả sử dụng biến trở xoay Volume 10K để thay thế cho cảm biến mô-men xoắn, bo mạch vi điều khiển Arduino Uno R3 đóng vai trò thay thế cho hộp điều khiển EPS ECU, và động cơ RC Servo MG996R được sử dụng để mô phỏng hoạt động tạo lực của mô tơ điện DC trợ lực lái.

2. Điều kiện thuật toán để hệ thống trợ lực lái bắt đầu và kết thúc làm việc trong mô hình là gì? Hệ thống bắt đầu kích hoạt điều khiển trợ lực khi nhận được tín hiệu tốc độ động cơ lớn hơn $0$. Cường độ và góc trợ lực phụ thuộc trực tiếp vào tín hiệu điện áp từ cảm biến mô-men (biến trở). Quá trình trợ lực kết thúc khi giá trị cảm biến mô-men bằng $0$ và tín hiệu tốc độ động cơ trở về mức $0$.

3. Mã lỗi nào xuất hiện khi hệ thống cảm biến góc lái gặp sự cố và quy trình xử lý trên máy chẩn đoán diễn ra như thế nào? Khi cảm biến góc lái gặp lỗi, hệ thống sẽ báo mã lỗi C1143: Steering Angle Sensor System và làm sáng đèn cảnh báo VDC/SLIP trên bảng đồng hồ táp-lô. Để khắc phục, kỹ thuật viên kết nối máy chẩn đoán qua giắc DLC3, chọn mục ABS/VSC, truy cập menu Special Function, chọn chức năng Steering Angle Sensor Adjustment và bấm OK để hoàn tất quy trình reset góc lái về vị trí cân bằng tiêu chuẩn.

4. Hệ thống lái trợ lực điện (EPS) trên xe Toyota Vios 2017 gồm những bộ phận chính nào? Hệ thống EPS trên Toyota Vios 2017 bao gồm 6 cụm bộ phận chính: Cảm biến mô-men lái loại Hall, mô tơ điện trợ lực DC gắn trên trục lái, hộp điều khiển trợ lực EPS ECU, ECU động cơ (cung cấp tín hiệu tốc độ động cơ), cụm đồng hồ táp-lô (cung cấp tín hiệu tốc độ xe) và đèn cảnh báo hư hỏng P/S.

5. Khi xe xảy ra hiện tượng nặng lái, các nguyên nhân kỹ thuật chính được xác định là gì? Các nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nặng lái bao gồm: lốp xe không đủ áp suất hoặc mòn quá mức; góc đặt bánh xe bị sai lệch; khớp cầu dưới của hệ thống treo trước bị mòn rơ; mô tơ trợ lực lái bị hư hỏng; cụm trục lái hoặc cơ cấu lái bị kẹt cơ học; nguồn điện cung cấp từ ắc quy/máy phát không ổn định; hoặc hỏng hóc bên trong hộp điều khiển EPS ECU.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Đỗ Phạm Thiên Ân đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu nghiên cứu về hệ thống lái trợ lực điện trên xe Toyota Vios 2017. Tác giả đã kết hợp thành công giữa phân tích lý thuyết cơ khí ô tô chuyên sâu với kỹ thuật lập trình nhúng Arduino để chế tạo mô hình học cụ mô phỏng trực quan, phản ánh chính xác nguyên lý hoạt động của hệ thống EPS. Các quy trình chẩn đoán, bảo dưỡng, cân chỉnh góc đặt bánh xe và khắc phục mã lỗi C1143 được xây dựng rõ ràng, mang lại giá trị ứng dụng cao cho công tác đào tạo thực hành và kỹ thuật sửa chữa ô tô thực tế.