Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình vận hành phương tiện giao thông hai bánh, đặc biệt là xe máy điện, hiện tượng mất độ bám giữa bánh xe chủ động và mặt đường khi tăng tốc trên các bề mặt có hệ số ma sát thấp (đường ướt, trơn trượt, dính dầu mỡ hoặc bùn đất) tiềm ẩn nguy cơ gây tai nạn nghiêm trọng. Khác với động cơ đốt trong có độ trễ nhất định khi sinh công, động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC) trang bị trên xe máy điện có đặc tính cung cấp mô-men xoắn cực đại ngay từ dải vòng tua khởi điểm. Đặc tính này giúp xe tăng tốc nhanh nhưng đồng thời làm tăng nguy cơ bánh xe chủ động bị trượt quay (spin-out) khi người lái vặn ga đột ngột trên mặt đường trơn.

Để giải quyết vấn đề an toàn trên, đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh của nhóm sinh viên Nguyễn Nhật Hào và Tống Văn Hoang (dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Trung Hiếu, thực hiện tháng 6 năm 2024, mã số tài liệu SKL012883) đã lựa chọn đề tài: "Thiết kế và chế tạo bộ kiểm soát lực kéo cho xe máy điện". Bối cảnh thực tế cho thấy, trong khi các hệ thống an toàn chủ động như hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) và hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS - Traction Control System) đã phổ biến trên ô tô và một số dòng mô tô phân khối lớn, việc nghiên cứu và chế tạo hệ thống TCS cho xe máy điện ở cấp độ đồ án sinh viên trong nước vẫn chưa được triển khai rộng rãi. Đồng thời, sự xuất hiện của các tính năng hỗ trợ TCS trên các dòng bộ điều khiển động cơ thương mại (như hãng ECU Votol) đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc làm chủ nguyên lý, thiết kế phần cứng và thuật toán kiểm soát lực kéo trên nền tảng xe thực tế.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể qua 6 nội dung:

  1. Khảo sát và tổng quan các công trình nghiên cứu, bài báo khoa học về hệ thống kiểm soát lực kéo trong và ngoài nước.
  2. Thực nghiệm trượt bánh xe trên nhiều loại bề mặt có hệ số bám thấp.
  3. Thay thế hệ thống động lực và điều khiển mới vào xe máy điện thương mại nhằm đáp ứng yêu cầu tạo mô-men xoắn đủ lớn phục vụ thử nghiệm trượt.
  4. Thiết kế và gia công bộ cơ khí an toàn hỗ trợ xe trong quá trình thực nghiệm trượt.
  5. Thiết kế và chế tạo bộ kiểm soát lực kéo TCS (bao gồm phần cứng xử lý tín hiệu và thuật toán điều khiển).
  6. Thực nghiệm, thu thập dữ liệu, đánh giá và so sánh hành vi động lực học của xe giữa hai trạng thái có kích hoạt TCS và không kích hoạt TCS.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống kiểm soát lực kéo TCS lắp đặt trên nền tảng xe máy điện VinFast Impes; các điều kiện bề mặt đường có hệ số bám thấp gây trượt bánh xe.
  • Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tập trung vào động lực học chuyển động dọc và kiểm soát trượt quay bánh xe chủ động phía sau bằng phương pháp điều khiển ON/OFF can thiệp vào tín hiệu điện áp tay ga. Toàn bộ quá trình gia công cơ khí, lắp ráp hệ thống điện tử và thử nghiệm thực nghiệm được thực hiện tại xưởng Cơ khí Động lực và Phòng thí nghiệm Cơ điện tử Ô tô (Automotive Mechatronics Laboratory), Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong mốc thời gian hoàn thành tháng 6/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nội dung dựa trên nền tảng lý thuyết động lực học chuyển động của ô tô - xe máy, lý thuyết bám giữa bánh xe với mặt đường và nguyên lý điều khiển truyền động điện:

  • Lực bám và hệ số bám: Đồ án phân tích mối quan hệ giữa lực tiếp tuyến và tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe. Lực bám dọc cực đại được xác định theo biểu thức $F_{\varphi x} = \varphi_x \cdot Z_b = \varphi_x \cdot G_b$, trong đó $\varphi_x$ là hệ số bám dọc và $G_b$ là tải trọng thẳng đứng lên bánh xe. Lực phanh cực đại hoặc lực kéo tiếp tuyến không thể vượt quá giới hạn lực bám này. Tương tự, khả năng bám ngang được xác định bởi $F_{\varphi y} = \varphi_y \cdot G_b$. Khi bánh xe đồng thời chịu lực dọc $X_b$ và lực ngang $Y_b$, lực tổng hợp $Q = \sqrt{X_b^2 + Y_b^2}$ bị giới hạn bởi lực bám tổng quát $F_{\varphi tq} = \varphi_{tq} \cdot G_b$.
  • Định nghĩa độ trượt (hệ số trượt): Hiện tượng lăn có trượt quay của bánh xe chủ động được mô tả qua công thức độ trượt khi kéo: $$\delta_k = \frac{v_0 - v}{v_0} = 1 - \frac{v}{v_0} = 1 - \frac{r_l}{r_b}$$ Trong đó $v$ là vận tốc thực tế của tâm bánh xe, $v_0$ là vận tốc lý thuyết ($v_0 = \omega_b \cdot r_b$), $r_l$ là bán kính lăn và $r_b$ là bán kính tính toán của bánh xe. Khi bánh xe quay trơn tại chỗ ($v = 0, \omega_b > 0$), độ trượt đạt giá trị cực đại $\delta_k = 1$ (trượt quay 100%).
  • Mối quan hệ giữa lực bám và độ trượt: Đường cong thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ giữa hệ số bám dọc $\varphi_x$, hệ số bám ngang $\varphi_y$ và độ trượt tương đối cho thấy hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại $\varphi_{max}$ trong dải độ trượt tối ưu $\lambda_0 \in [10%, 30%]$. Vượt qua dải này, hệ số bám dọc sụt giảm và hệ số bám ngang suy giảm nghiêm trọng, dẫn đến nguy cơ mất ổn định hướng của phương tiện.
  • Nguyên lý điều khiển TCS: Đồ án tổng kết các nguyên lý điều chỉnh lực kéo bao gồm: điều chỉnh theo gia tốc góc tăng nhanh của bánh xe chủ động, điều chỉnh theo giá trị độ trượt đặt trước, và điều chỉnh theo tỷ số giữa vận tốc góc và gia tốc góc.
  • Lý thuyết động cơ BLDC: Động cơ một chiều không chổi than hoạt động theo nguyên lý lực Lorentz tương tác giữa từ trường của rôto nam châm vĩnh cửu (vật liệu hợp kim đất hiếm như Neodymium NdFeB hoặc Samarium Cobalt SmCo) và từ trường biến thiên sinh ra bởi dòng điện chạy qua các cuộn dây ba pha đối xứng ở stato. Việc cấp điện tuần tự cho các pha được thực hiện bằng mạch cầu nghịch lưu 6 khóa bán dẫn MOSFET thông qua tín hiệu phản hồi vị trí từ 3 cảm biến Hall đặt lệch nhau trong stato.
  • Bộ điều khiển ON/OFF: Sử dụng nguyên lý điều khiển hai vị trí (bật/tắt). Hệ thống so sánh sai lệch giữa giá trị độ trượt thực tế đo được từ hai bánh xe với giá trị ngưỡng cài đặt để kích hoạt việc đóng/ngắt tín hiệu điều khiển tay ga nhằm đưa độ trượt trở về vùng an toàn.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp tổng quan tài liệu: Khảo sát các nghiên cứu quốc tế như công trình của Tao-Hung Chen và Chia-Hung Tu (thiết kế TCS đa cảm biến cho xe máy điện trên bề mặt đá hoa cương phủ xà phòng), nghiên cứu của Bo-Chiuan Chen và Chia-Hsing Chu (bộ kiểm soát lực kéo sử dụng bộ điều khiển mờ tự tổ chức SOFC).
  • Phương pháp khảo sát và lựa chọn phần cứng kỹ thuật: Lựa chọn linh kiện thay thế dựa trên bảng so sánh thông số kỹ thuật động cơ, bộ điều khiển và vi điều khiển.
  • Phương pháp thực nghiệm: Thiết lập bề mặt thử nghiệm có hệ số ma sát thấp (dùng tấm tôn tráng kẽm kết hợp nước xà phòng); kiểm thử đấu nối mạch điện tĩnh (chưa cấp nguồn) và kiểm thử động (chạy mô hình rời); tiến hành thử nghiệm vận hành trên xe thật có giá đỡ bảo vệ an toàn.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp từ cảm biến tốc độ bánh trước và bánh sau thông qua khối ngắt ngoài của vi điều khiển Arduino Uno R3, truyền tín hiệu số qua giao tiếp nối tiếp UART về máy tính để vẽ đồ thị thời gian thực bằng phần mềm SerialPlot và lưu trữ phân tích trên Microsoft Excel.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kiểm soát lực kéo cho xe máy điện được nhóm tác giả thiết kế, chế tạo và lắp đặt tích hợp hoàn chỉnh lên phương tiện với các khối chức năng phần cứng và phần mềm cụ thể:

1. Kiến trúc phần cứng và lựa chọn linh kiện

Nền tảng ban đầu là xe máy điện VinFast Impes sử dụng động cơ Bosch công suất 1200W gắn đồng trục bánh sau, pin lithium-ion dung lượng 22Ah của LG. Do động cơ Bosch nguyên bản có mô-men xoắn giới hạn (80 N.m) và bộ điều khiển ECU gốc bị khóa kín thông số, nhóm tác giả không thể tạo ra hiện tượng trượt quay bánh xe trên các bề mặt thử nghiệm và không thể can thiệp tín hiệu điều khiển. Do đó, toàn bộ cụm động cơ và bộ điều khiển đã được khảo sát để thay thế.

Hạng mục linh kiện Các phương án khảo sát Phương án được chọn Lý do lựa chọn
Động cơ Hub BLDC • Bosch (1200W, 80 N.m, 550 rpm)
• Yuma (3000W, 220 N.m, 850 rpm)
• QS 260 V4 (3000W, 190 N.m, 1280 rpm)
• QS 205 50H1 V2 (2000W, 160 N.m, 850 rpm)
• QS 205 45H V3 (2000W, 168 N.m, 980 rpm)		 QS 205 50H1 V2 (Công suất 2000W, mô-men 160 N.m, điện áp 48–72V, vành 10 inch, hiệu suất 88%, IP54) Sẵn có tại thị trường Việt Nam, giá thành hợp lý, hiệu suất cao, cung cấp mô-men xoắn lớn gấp 2 lần động cơ Bosch nguyên bản để tạo độ trượt quay mong muốn.
Bộ điều khiển động cơ (ECU) • Kelly KLS7218S (24–72V, 80A liên tục)
• Kelly KLS7218N (40–90V, 80A liên tục)
• Kelly QSKBS72181E (24–72V, 110A)
• Votol EM100		 Votol EM100 Cho phép can thiệp sâu các tham số vận hành, dòng điện và tay ga thông qua phần mềm VOTOL-EM-V3 Software Debugging.
Khối vi điều khiển trung tâm • Arduino Uno R3 (ATmega328P)
• STM32F103C8T6
• PIC16F886		 Arduino Uno R3 Đầy đủ ngoại vi cần thiết (UART, ADC, External Interrupt), dễ lập trình và kết nối với các module mở rộng.

Các linh kiện phụ trợ khác trong hệ thống bao gồm:

  • Module biến đổi điện áp: Module hạ áp DC-DC LM2596 nhận nguồn từ ắc quy/pin để hạ áp xuống mức ổn định cấp nguồn cho khối điều khiển; mạch cầu phân áp để giám sát điện áp khối pin.
  • Module chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC): Sử dụng module DAC MCP4725 (trong mục lục tài liệu có đoạn ghi nhầm là MCP4724) giao tiếp qua bus I2C với Arduino nhằm xuất điện áp analog chính xác giả lập tín hiệu tay ga cấp vào chân nhận tín hiệu ga của ECU Votol EM100.
  • Khối cảm biến tốc độ bánh xe: Gồm 2 cảm biến hiệu ứng Hall công nghiệp được gắn cố định thông qua pát đỡ cơ khí chuyên dụng tại bánh trước và bánh sau. Tín hiệu xung được tạo ra từ đĩa răng đọc cảm biến (tone ring) bằng thép gia công cơ khí gắn đồng trục với mâm bánh xe.
  • Cơ cấu an toàn cơ khí: Khung giá đỡ bằng thép ống hàn cố định vào hai bên sườn xe máy điện, phía dưới lắp hai cụm bánh xe xoay đa hướng (caster wheels). Cơ cấu này đóng vai trò giữ thăng bằng cơ học cho phương tiện, chống lật đổ khi xe mất lực bám ngang và văng đuôi trên mặt đường trơn trượt, đảm bảo an toàn cho người điều khiển thử nghiệm.

2. Thuật toán điều khiển và phần mềm

Hệ thống hoạt động theo nguyên lý kiểm soát điện áp tay ga bằng phương pháp ON/OFF:

  • Tín hiệu điện áp tay ga do người lái vặn được đưa vào chân Analog (ADC) của vi điều khiển Arduino Uno R3.
  • Hai chân ngắt ngoài (External Interrupt) của Arduino nhận các xung điện áp sinh ra khi bánh răng đi qua cảm biến Hall ở bánh trước và bánh sau. Dựa trên số xung đếm được trong khoảng thời gian xác định và chu vi bánh xe (tính theo thông số lốp thực tế), vi điều khiển tính toán vận tốc bánh trước $v_{front}$ (đại diện cho vận tốc thực tế của xe) và vận tốc bánh sau $v_{rear}$ (bánh chủ động).
  • Tỷ số trượt tương đối giữa hai bánh xe được tính toán liên tục theo chu kỳ thời gian thực: $$\lambda = \frac{v_{rear} - v_{front}}{v_{rear}}$$
  • Khi $\lambda$ nằm dưới ngưỡng trượt an toàn, bộ điều khiển ở trạng thái bình thường (ON): điện áp xuất từ DAC MCP4725 đến ECU Votol phản ánh đúng giá trị điện áp tay ga của người lái.
  • Khi $\lambda$ vượt ngưỡng cho phép (xác định bánh sau đang bị trượt quay), thuật toán chuyển sang trạng thái ngắt (OFF): vi điều khiển lập tức hạ điện áp ngõ ra DAC về mức điện áp cắt tải (điện áp thấp), khiến ECU Votol giảm ngay công suất và mô-men xoắn của động cơ BLDC, giúp bánh xe chủ động lấy lại độ bám đường. Khi tỷ số trượt hạ xuống vùng an toàn, điện áp ga được phục hồi tuần tự.

Hệ thống sử dụng các phần mềm chuyên dụng:

  • VOTOL-EM-V3 Software Debugging: Giao tiếp máy tính với ECU Votol EM100 qua cổng giao tiếp nối tiếp để thiết lập thông số tay ga, số cặp cực động cơ, giới hạn dòng pha và ngưỡng bảo vệ.
  • Arduino IDE: Biên dịch và nạp mã điều khiển thuật toán TCS, quản lý ngắt và giao thức truyền thông.
  • SerialPlot và Microsoft Excel: Thu thập chuỗi dữ liệu vận tốc, tỷ số trượt, điện áp và gia tốc góc qua khung truyền UART thời gian thực để phân tích đồ thị.

3. Quy trình kiểm tra và kiểm thử hệ thống

Nhóm tác giả thiết lập quy trình kiểm thử ba bước nghiêm ngặt:

  1. Kiểm tra đấu nối tĩnh (chưa cấp nguồn): Đo thông mạch dây dẫn, kiểm tra tiếp xúc giắc cắm, đo ngắn mạch các pha động cơ và kiểm tra trục cơ khí lắp ráp đảm bảo không bị cạ kẹt.
  2. Kiểm tra động mô hình rời (cấp nguồn): Sử dụng bộ nguồn chuyển đổi AC sang DC cấp điện độc lập cho hệ thống ngoài xe. Kiểm tra hoạt động của bộ điều khiển Votol, kiểm tra đáp ứng của cảm biến Hall, kiểm tra tín hiệu điều biến DAC và thử nghiệm cắt ga mô phỏng.
  3. Thử nghiệm tích hợp trên xe: Cố định động cơ QS 205 vào gắp sau xe VinFast Impes, bố trí ECU Votol dưới cốp, gắn pát cảm biến, bánh răng xung, lắp ráp giá đỡ xe đa hướng và tiến hành thực nghiệm thực địa trên mặt đường.

Nội dung chính theo từng chương

Bố cục khóa luận được cấu trúc thành 5 chương với các nội dung chi tiết:

Chương 1: Tổng quan

Trình bày tính cấp thiết của đề tài an toàn chủ động cho xe máy điện; xác định mục tiêu tổng quan, 6 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể, đối tượng nghiên cứu trên xe VinFast Impes và phạm vi tạo điều kiện đường trơn trượt nhân tạo. Điểm luận các công trình nghiên cứu TCS trong nước (vốn chủ yếu dừng lại ở ô tô) và các công trình quốc tế trên xe hai bánh của nhóm tác giả Tao-Hung Chen, Chia-Hung Tu, Bo-Chiuan Chen và Chia-Hsing Chu. Xác định phương pháp nghiên cứu tài liệu kết hợp thực nghiệm chế tạo thực tế.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Xây dựng cơ sở toán học và động lực học ô tô - xe máy về hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS). Phân tích chi tiết các định nghĩa lực bám dọc, lực bám ngang, hệ số bám tổng quát theo hình elip bám; công thức tính toán độ trượt khi kéo ($\delta_k$) và khi phanh ($\delta_p$); mối quan hệ phi tuyến giữa lực bám và hệ số trượt với vùng cực đại tối ưu nằm trong khoảng 10% đến 30%. Giới thiệu nguyên lý điều khiển hai trạng thái ON/OFF. Phân tích sâu cấu tạo động cơ BLDC (stato dây quấn, rôto nam châm vĩnh cửu, bố trí 3 cảm biến Hall), nguyên lý làm việc theo định luật Lorentz và nguyên lý đóng cắt của mạch chuyển mạch điện tử cầu 6 MOSFET (ESC).

Chương 3: Tổng quan hệ thống

Trình bày quá trình khảo sát xe máy điện VinFast Impes nguyên bản. Mô tả các đợt thực nghiệm trượt ban đầu trên 4 loại bề mặt: tấm bạt ướt có xà phòng, tấm tôn tráng kẽm có xà phòng, đường sỏi đá và tấm mica; qua đó đưa ra kết luận động cơ nguyên bản 1200W không đủ mô-men xoắn để gây trượt bánh và ECU gốc bị khóa.

Chương này tập hợp các bảng số liệu kỹ thuật so sánh 5 loại động cơ Hub BLDC (Bosch, Yuma, QS 260 V4, QS 205 50H1 V2, QS 205 45H V3), 4 loại bộ điều khiển động cơ (Kelly KLS7218S, KLS7218N, QSKBS72181E và Votol EM100) cùng các vi điều khiển (Arduino Uno, STM32F103C8T6, PIC16F886). Thuyết minh tính toán thiết kế mạch nguồn LM2596, module DAC MCP4725, pát giữ cảm biến tốc độ, đĩa răng đọc cảm biến và giá đỡ cơ khí chống lật lắp bánh xe đa hướng. Trình bày chi tiết giao diện cài đặt phần mềm VOTOL-EM-V3 Software Debugging và cách khai thác các ngoại vi vi điều khiển (UART, External Interrupt, ADC, DAC).

Chương 4: Thực nghiệm và nhận xét

Trình bày các sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thực tế khi chạy mô hình rời cũng như khi lắp đặt hoàn thiện vào thân xe. Thuyết minh quy trình kiểm tra đấu nối hai giai đoạn (trước và sau khi cấp nguồn). Tiến hành thực nghiệm vận hành trên các điều kiện bề mặt:

  • Mặt đường nhựa/bê tông khô: Thiết lập đường đặc tính chuẩn khi có lực bám tốt để so sánh vận tốc hai bánh xe.
  • Khi xe gặp đường trơn trượt đột ngột: Xe đang chạy trên đường nhựa thì đi vào đoạn đường trải tôn phủ nước xà phòng.
  • Khi xe xuất phát trực tiếp trên mặt đường trơn trượt: Người lái tăng ga đột ngột ngay trên bề mặt tấm tôn có xà phòng.

Chương này phân tích hàng loạt đồ thị thực nghiệm được trích xuất từ dữ liệu cảm biến: đồ thị vận tốc bánh trước và bánh sau, đồ thị tỷ số trượt theo thời gian, đồ thị điện áp điều khiển tay ga và đồ thị gia tốc góc của bánh xe chủ động trong cả hai trường hợp có TCS và không có TCS.

Chương 5: Kết luận và định hướng phát triển

Đánh giá tổng kết các kết quả kỹ thuật đạt được của đề tài; phân tích trung thực các sai lầm và sự cố kỹ thuật gặp phải trong quá trình chế tạo, lắp ráp; chỉ rõ các điểm hạn chế về mặt thuật toán và phần cứng; từ đó đề xuất các hướng nghiên cứu mở rộng trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật và số liệu thực nghiệm

Đồ án đã chế tạo và lắp đặt thành công hệ thống kiểm soát lực kéo hoạt động trên xe máy điện VinFast Impes với các thông số cấu hình cụ thể:

  • Nâng cấp động cơ truyền động từ động cơ Bosch 1200W lên động cơ Hub BLDC QS 205 50H1 V2 công suất 2000W, điện áp hoạt động 48–72V, mô-men xoắn cực đại 160 N.m (tăng gấp 2 lần so với 80 N.m ban đầu), vận tốc tối đa 70 km/h, giúp sinh công đủ lớn để tạo độ trượt quay bánh sau trên bề mặt trơn trượt.
  • Tích hợp bộ điều khiển Votol EM100 giao tiếp cấu hình qua phần mềm VOTOL-EM-V3, cho phép can thiệp thông số vận hành và nhận lệnh điều khiển điện áp ga từ khối vi điều khiển trung tâm.
  • Chế tạo đĩa răng xung đọc cảm biến và gá đặt thành công 2 cảm biến tốc độ Hall tại bánh trước và bánh sau, truyền xung về Arduino Uno R3 thông qua ngắt ngoài để tính toán thời gian thực vận tốc và tỷ số trượt.
  • Gia công hệ thống giá đỡ phụ bằng thép có bánh xe đa hướng, ngăn chặn nguy cơ lật xe khi đuôi xe bị trượt ngang.

Kết quả phân tích đồ thị thực nghiệm ghi nhận tại Chương 4 cho thấy:

  • Trên đường bê tông/nhựa khô: Vận tốc bánh sau bám sát vận tốc bánh trước, tỷ số trượt nằm trong vùng an toàn nhỏ hơn 10%, điện áp ga duy trì ổn định theo thao tác người lái.
  • Khi gặp đường trơn đột ngột hoặc xuất phát trên đường trơn (không có TCS): Bánh sau quay tít tự do, vận tốc góc và gia tốc góc bánh sau tăng vọt đột ngột trong khi vận tốc bánh trước (tốc độ thực tế của xe) tăng rất chậm; tỷ số trượt $\lambda$ vọt lên mức cao (tiến gần 100%), xe mất tính ổn định hướng, người lái mất kiểm soát đuôi xe.
  • Khi kích hoạt hệ thống TCS: Ngay khi phát hiện tỷ số trượt vượt ngưỡng, bộ điều khiển ON/OFF lập tức can thiệp kéo sụt điện áp điều khiển tay ga xuất qua DAC MCP4725 về mức thấp; động cơ bị ngắt/giảm mô-men tức thì, làm giảm gia tốc góc của bánh sau và kéo tỷ số trượt $\lambda$ hạ nhanh về vùng bám an toàn; sau đó điện áp ga được phục hồi. Xe vượt qua đoạn đường trơn trượt an toàn mà không bị văng lật.

2. Đóng góp khoa học và thực tiễn của đề tài

  • Đóng góp nghiên cứu: Đây là một trong những công trình đồ án tốt nghiệp cấp sinh viên tiên phong tại Việt Nam thực hiện trọn vẹn việc thiết kế, gia công phần cứng, lập trình thuật toán và thử nghiệm thực địa hệ thống TCS trên một mẫu xe máy điện thương mại thực tế, thay vì chỉ dừng lại ở mô phỏng phần mềm lý thuyết.
  • Đóng góp kỹ thuật thực tế: Đề tài đã xây dựng hoàn chỉnh quy trình chuyển đổi hệ thống động lực xe điện (thay thế động cơ BLDC, đấu nối cấu hình ECU mở, thiết kế hệ thống đọc xung tốc độ độc lập) và giải pháp cơ khí an toàn phục vụ công tác nghiên cứu thực nghiệm an toàn chủ động cho xe hai bánh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phần tự đánh giá tại Chương 5 của tài liệu khóa luận, các hạn chế và hướng phát triển được ghi nhận cụ thể:

1. Hạn chế của đề tài

  • Thuật toán điều khiển: Việc áp dụng bộ điều khiển hai vị trí ON/OFF tuy đơn giản và đáp ứng nhanh nhưng gây ra hiện tượng dao động (chattering) giật cục trong điện áp điều khiển tay ga và mô-men xoắn của động cơ, làm giảm độ êm dịu chuyển động khi xe vận hành ở ngưỡng trượt.
  • Quy mô thực nghiệm: Bề mặt trơn trượt được tạo nhân tạo bằng các tấm tôn phủ xà phòng đặt trên mặt đường với chiều dài giới hạn, chưa phản ánh đầy đủ tính đa dạng và liên tục của các điều kiện giao thông phức tạp ngoài thực tế.
  • Cảm biến đo lường: Hệ thống chỉ mới sử dụng cảm biến tốc độ bánh xe để tính toán tỷ số trượt dọc, chưa trang bị cảm biến đo góc nghiêng thân xe hoặc cảm biến đo quán tính đa trục (IMU) để nhận biết độ trượt ngang khi xe vào cua.

2. Định hướng phát triển

  • Nghiên cứu và áp dụng các thuật toán điều khiển liên tục nâng cao như thuật toán điều khiển PID, điều khiển mờ (Fuzzy Logic), hoặc thuật toán điều khiển mờ tự tổ chức (SOFC) để điều biến mô-men xoắn động cơ mượt mà, triệt tiêu hiện tượng giật cục của bộ điều khiển ON/OFF.
  • Bổ sung cảm biến góc lái và cảm biến gia tốc/con quay hồi chuyển (IMU) nhằm phát triển hệ thống kiểm soát ổn định thân xe toàn diện, can thiệp lực kéo theo góc nghiêng của xe khi chuyển hướng.
  • Thiết kế mạch in tích hợp (PCB) chuyên dụng gom toàn bộ vi điều khiển, mạch nguồn hạ áp, DAC và các cổng bảo vệ tín hiệu lên một bo mạch duy nhất nhằm tối ưu kích thước, tăng khả năng chống nhiễu và độ bền khi vận hành thực tế.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật và học thuật cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên và học viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình nghiên cứu, tính toán lý thuyết động lực học bánh xe, và phương pháp ghép nối phần cứng vi điều khiển với hệ thống động lực xe điện.
  • Người nghiên cứu đề tài về an toàn chủ động xe hai bánh: Cung cấp phương pháp thực nghiệm thực tế, giải pháp chế tạo bánh răng đọc xung và gá lắp cảm biến Hall độc lập, cùng giải pháp cơ khí bảo vệ an toàn (giá đỡ bánh xe đa hướng) khi thử nghiệm các tình huống mất ổn định động lực học.
  • Phần đáng tham khảo nhất trong tài liệu:
    • Quy trình khảo sát và bảng thông số kỹ thuật so sánh lựa chọn động cơ Hub BLDC và ECU Votol tại Chương 3.
    • Các bước cấu hình phần mềm VOTOL-EM-V3 Software Debugging và cách thức lập trình ngoại vi (External Interrupt, DAC, UART) của vi điều khiển.
    • Quy trình kiểm tra đấu nối hai bước (chưa cấp nguồn và có cấp nguồn) cùng phương pháp phân tích đồ thị động lực học vận tốc - tỷ số trượt tại Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả phải thay thế động cơ Bosch nguyên bản của xe VinFast Impes?

Động cơ Bosch nguyên bản có công suất định mức 1200W và mô-men xoắn cực đại 80 N.m. Khi nhóm tiến hành thử nghiệm trên các bề mặt có hệ số bám thấp (bạt ướt xà phòng, tôn xà phòng, sỏi đá, mica), mô-men xoắn này không đủ lớn để làm bánh sau bị trượt quay tự do nhằm phục vụ nghiên cứu. Hơn nữa, bộ điều khiển gốc của xe bị khóa kín, không cho phép can thiệp cài đặt. Do đó, nhóm đã thay thế bằng động cơ QS 205 50H1 V2 có công suất 2000W và mô-men xoắn 160 N.m (gấp đôi nguyên bản) cùng ECU Votol EM100 mở để chủ động điều khiển.

2. Thuật toán kiểm soát lực kéo trong đồ án hoạt động dựa trên cơ chế nào?

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển ON/OFF can thiệp vào tín hiệu điện áp tay ga. Vi điều khiển Arduino Uno R3 liên tục đo tốc độ bánh trước (tốc độ xe) và bánh sau (bánh chủ động) qua cảm biến Hall để tính tỷ số trượt $\lambda$. Khi $\lambda$ vượt ngưỡng trượt cho phép, vi điều khiển lập tức điều khiển module DAC MCP4725 xuất mức điện áp thấp vào ECU Votol để ngắt/giảm mô-men xoắn động cơ, đưa bánh xe trở về vùng bám an toàn.

3. Mặt đường trơn trượt phục vụ thử nghiệm được tạo ra như thế nào?

Sau khi khảo sát thử nghiệm trên 4 loại bề mặt (tấm bạt ướt có xà phòng, tấm tôn tráng kẽm phủ xà phòng, đường rải sỏi đá và tấm mica), nhóm tác giả đã chọn phương án sử dụng các tấm tôn tráng kẽm trải nước pha xà phòng. Bề mặt này có hệ số ma sát rất thấp, tạo điều kiện thuận lợi và đồng nhất để bánh xe chủ động bị trượt quay khi người lái tăng ga đột ngột.

4. Giải pháp an toàn cơ khí nào được áp dụng để bảo vệ người lái khi thử nghiệm xe trượt?

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế và gia công một bộ khung giá đỡ bằng thép gắn cố định vào sườn xe máy điện. Hai đầu ngoài của giá đỡ được trang bị các cụm bánh xe xoay đa hướng (caster wheels). Khi xe chạy trên mặt đường trơn và xảy ra hiện tượng trượt ngang bánh sau, hai bánh đa hướng sẽ tiếp xúc mặt đường để đỡ thân xe không bị lật nghiêng, đồng thời người lái luôn được trang bị mũ bảo hiểm trong suốt quá trình thử nghiệm.

5. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập và giám sát bằng những công cụ nào?

Tín hiệu xung từ cảm biến Hall gắn tại bánh trước và bánh sau được đưa vào chân ngắt ngoài của vi điều khiển Arduino Uno R3 để tính toán vận tốc và tỷ số trượt. Dữ liệu được đóng gói thành các khung truyền UART gửi lên máy tính thời gian thực. Nhóm tác giả sử dụng phần mềm SerialPlot để vẽ đồ thị diễn biến tín hiệu trực quan và phần mềm Microsoft Excel để trích xuất, lưu trữ và xử lý các chuỗi số liệu động lực học.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo bộ kiểm soát lực kéo cho xe máy điện" đã giải quyết trọn vẹn bài toán tích hợp hệ thống an toàn chủ động TCS trên nền tảng xe máy điện VinFast Impes thông qua việc thay thế hệ thống động lực công suất lớn hơn, thiết lập hệ thống cảm biến đo tốc độ độc lập và áp dụng thuật toán điều khiển ON/OFF tác động vào điện áp tay ga. Kết quả thực nghiệm trên bề mặt tôn trơn phủ xà phòng chứng minh hệ thống có khả năng nhận diện hiện tượng trượt quay và can thiệp ngắt mô-men xoắn kịp thời, giúp duy trì ổn định hướng chuyển động cho phương tiện. Công trình đóng vai trò là tài liệu tham khảo kỹ thuật thực chứng có giá trị cho sinh viên và các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật ô tô và điều khiển phương tiện điện hai bánh.