Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế hệ thống Cruise Control cho xe điện

Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống cruise control cho xe ô tô điện. Trình bày chi tiết nguyên lý hoạt động, cấu tạo và quy trình lắp đặt thực tế.

• Tác giả: Trịnh Trung Dũng
• Người hướng dẫn: Vũ Đình Huấn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống Cruise Control cho xe ô tô điện
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm và nguyên lý hoạt động Cruise Control cho xe ô tô điện

Cruise Control là hệ thống điều khiển tốc độ tự động trên xe ô tô điện, cho phép xe duy trì tốc độ ổn định mà không cần tài xế liên tục điều chỉnh. Đây là công nghệ quan trọng nâng cao an toàn lái xe và tiết kiệm năng lượng. Hệ thống Adaptive Cruise Control (ACC) là phiên bản nâng cao, tự động điều chỉnh tốc độ để giữ khoảng cách an toàn với phương tiện phía trước. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ, cảm biến khoảng cách, và bộ điều khiển ECU. ECU xử lý dữ liệu và gửi lệnh điều khiển tới bộ biến tần động cơ điện, điều chỉnh công suất để đạt tốc độ mong muốn. Trên xe điện ZERO, hệ thống này tích hợp với bàn đạp tăng tốc điện tử và hộp số giảm tốc để thực hiện các thao tác điều khiển mượt mà và hiệu quả.

1.1. Chức năng chính của hệ thống Cruise Control

Chức năng cài đặt tốc độ (SET) cho phép lưu tốc độ hiện tại. Chức năng tăng tốc (ACCELERATE) và giảm tốc (COAST) điều chỉnh tốc độ từng bước. Phục hồi tốc độ (RESUME) khôi phục tốc độ đã cài đặt. Hệ thống còn hỗ trợ Stop and Go tự động dừng và khởi động lại khi gặp kẹt xe, và giới hạn tốc độ để đảm bảo an toàn.

1.2. Thành phần chính của hệ thống

Công tắc điều khiển trên vô lăng cho phép tài xế kích hoạt các chế độ. Cảm biến tốc độ đo vận tốc xe. Cảm biến khoảng cách phát hiện phương tiện phía trước. ECU điều khiển xử lý thông tin và ra quyết định. Bộ biến tần động cơ thực thi các lệnh điều khiển tốc độ của ECU.

II. Thiết kế hệ thống điều khiển cho xe ô tô điện ZERO

Thiết kế hệ thống Cruise Control cho xe điện ZERO yêu cầu tích hợp nhiều linh kiện điện tử hiện đại. Bộ vi điều khiển Arduino Mega 2560 được lựa chọn làm trái tim của hệ thống, xử lý các tín hiệu đầu vào từ cảm biến và đưa ra quyết định điều khiển. Mạch điều khiển được thiết kế với các mô-đun relay phanh ICC, cảm biến vị trí bàn đạp, và cảm biến tiêu chuẩn tốc độ. Sơ đồ mạch điện được tối ưu hóa để đảm bảo độ tin cậy cao và an toàn điện. Hộp điều khiển hệ thống được đóng gói trong vỏ chống va đập, tích hợp giao diện hiển thị thông tin tốc độ, trạng thái hoạt động. Quá trình thiết kế tuân theo tiêu chuẩn kỹ thuật ô tô và quy chuẩn an toàn.

2.1. Lựa chọn linh kiện và vi mạch điều khiển

Arduino Mega 2560 được chọn vì khả năng xử lý dữ liệu nhanh, hỗ trợ nhiều cảm biến đồng thời. Module relay ICC điều khiển phanh điện tử. Bộ cảm biến ultrasonic hoặc radar phát hiện khoảng cách an toàn. Các IC logic và bộ giãn dòng đảm bảo tín hiệu ổn định. Cấp nguồn sử dụng bộ chỉnh áp DC-DC để cung cấp điện ổn định cho vi mạch.

2.2. Mạch điện và sơ đồ khối hệ thống

Sơ đồ khối gồm cảm biến → bộ xử lý → bộ điều khiển động cơ. Mạch điện được thiết kế với đường dây shielded chống nhiễu, tách biệt mạch điện cao và thấp. Relay điều khiển kết nối giữa ECU và bộ biến tần. Các điểm kết nối được thiết kế để dễ bảo trì, sửa chữa và nâng cấp hệ thống trong tương lai.

III. Lập trình và cài đặt phần mềm hệ thống

Phần mềm Arduino IDE được sử dụng để lập trình vi mạch Arduino Mega 2560, kiểm soát các chức năng Cruise Control. Thuật toán điều khiển sử dụng vòng lặp PID (Proportional-Integral-Derivative) để điều chỉnh tốc độ với độ chính xác cao. Chương trình theo dõi tốc độ thực tế, so sánh với tốc độ mong muốn, và điều chỉnh công suất động cơ thông qua bộ biến tần. Hệ thống có khả năng xử lý interrupt từ công tắc điều khiển, giúp phản ứng nhanh với lệnh của tài xế. Kiểm tra lỗi (Error Checking) và an toàn tự động được lập trình để hủy chế độ Cruise khi phát hiện các tình huống nguy hiểm như phanh khẩn cấp, bẻ vô lăng gập quá mức, hoặc mất tín hiệu cảm biến.

3.1. Giới thiệu Arduino IDE và cấu trúc chương trình

Arduino IDE là môi trường lập trình mở, dễ học với cú pháp C/C++. Chương trình chính bao gồm Setup() khởi tạo thiết bị, Loop() thực hiện lặp liên tục. Thư viện PWM điều khiển tốc độ động cơ. Serial communication cho phép giao tiếp với module hiển thị hoặc thiết bị chẩn đoán. Code được biên dịch, tải lên bo mạch qua cổng USB.

3.2. Thuật toán điều khiển PID và xử lý sự kiện

Vòng lặp PID tính toán sai số tốc độ (setpoint - actual speed), điều chỉnh công suất đầu ra. Gain Kp, Ki, Kd được hiệu chỉnh để đạt phản ứng mượt mà. Interrupt handler xử lý tín hiệu từ công tắc bàn đạp phanh, vô lăng. Hàm an toàn tự động ngắt Cruise Control nếu phát hiện sự cố hoặc lệnh hủy.

IV. Lắp đặt kiểm tra và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống

Lắp đặt hệ thống Cruise Control trên xe điện ZERO yêu cầu kỹ thuật cao và kiểm tra kỹ lưỡng. Các cảm biến được gắn ở vị trí chính xác trên xe để đảm bảo đo lường chính xác. Hộp điều khiển được lắp ở khoang máy hoặc bảng điều khiển, bảo vệ khỏi độ ẩm, nhiệt độ cao. Đường dây cấp nguồn được bảo vệ bằng cầu chì và relay phù hợp. Kiểm tra chức năng thực hiện từng bước: kiểm tra đọc cảm biến, kiểm tra thực thi điều khiển, kiểm tra các chế độ hoạt động. Hiệu chỉnh bộ PID dựa trên test drive để đạt độ chính xác tốc độ ±2%, phản ứng mượt mà không bị dao động. Thử nghiệm trong nhiều điều kiện (đường bằng, dốc, cua) để tối ưu hiệu suất và đảm bảo an toàn toàn diện.

4.1. Quy trình lắp đặt và kết nối hệ thống trên xe

Bước 1: Lắp cảm biến tốc độ trên bánh xe hoặc động cơ. Bước 2: Gắn cảm biến khoảng cách (radar/ultrasonic) ở mặt trước xe. Bước 3: Kết nối bộ điều khiển Arduino với mạch điều khiển động cơ. Bước 4: Lắp công tắc điều khiển trên vô lăng. Bước 5: Kiểm tra toàn bộ kết nối điện, cầu chì và relay có hoạt động đúng.

4.2. Kiểm tra chức năng và hiệu chỉnh bộ PID

Kiểm tra đơn vị: Đọc giá trị cảm biến tốc độ qua serial monitor, phải tăng/giảm khi gia tốc/giảm tốc. Kiểm tra tích hợp: Kích hoạt Cruise Control, xe phải giữ tốc độ ổn định. Hiệu chỉnh PID: Tăng Kp nếu phản ứng chậm, giảm nếu giao động. Điều chỉnh Ki để triệt tiêu sai số bền. Test drive trên đường thực để xác nhận hiệu suất và an toàn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. Lý do chọn đề tài Trong thời đại công nghệ ngày càng phát triển, việc ứng dụng những công nghệ tiến tiến lên xe ô tô cũng ngày càng nhiều. Đặc biệt, các tính năng về an toàn và tiện nghi trên ô tô luôn là điều mà mọi người quan tâm.

Bên cạnh đó, với việc quốc lộ, cao tốc ngày càng được cải thiện về chất lượng, việc tạo sự thoải mái, giảm căng thẳng cho người điều khiển ô tô khi di chuyển trên các đoạn đường dài luôn là vấn đề đáng quan tâm. Một trong số những tín năng có thể làm được điều đó chính là hệ thống Cruise Control. Hiện nay, hầu hết các dòng xe đều được trang bị sẵn hệ thống Cruise Control trên xe, thậm chí có cả hệ thống rời, sẵn sàng lắp đặt khi khách hàng có nhu cầu lắp đặt thêm hệ thống Cruise Control trên những dòng xe chưa được trang bị sẵn hệ thống này. Ngoài ra, nghành công nghiệp ô tô trên thế giới đang có xu hướng phát triển xe ô tô điện, với hàng loạt những hãng xe nổi tiếng đang đầu tư phát triển ô tô điện trong tương lai như BMW, Volkswagen,… Vì thấy được sự quan trọng của sự phát triển này, nhóm chúng em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống Cruise Control cho xe ô tô điện” làm đề tài nghiên cứu Đồ án tốt nghiệp.

Mục tiêu của đề tài  Nắm vững được lý thuyết và nguyên lý hoạt động của hệ thống Adaptive Cruise Control  Hiểu được nguyên lý hoạt động của xe điện  Sử dụng được phần mêm AutoCAD Electrical và PROTEUS  Chế tạo thành công hệ thống Cruise Control và lắp đặt lên xe điện ZERO 1. Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của đề tài là lý thuyết về hệ thống Adaptive Cruise Control và xe điện ZERO 1. Phạm vi nghiên cứu  Tìm hiểu các tín hiệu trên xe điện ZERO  Tìm hiểu cụm công tắc điều khiển và lập trình hệ thống trên Arduino  Thiết kế hệ thống Cruise Control trên xe ZERO 1. Giới thiệu tổng quan hệ thống Adaptive Cruise Control Hệ thống điều khiển hành trình với bộ điều khiển ly tâm được dùng trong ô tô từ đầu thập niên 1910, đặc biệt là hãng Peerless.

Peerless quảng cáo rằng hệ thống điều khiển của 1 họ sẽ "duy trì tốc độ dù khi xe lên hay xuống dốc". Công nghệ này được James Watt và Matthew Boulton phát minh vào năm 1788 để điều khiển động cơ hơi nước. Bộ điều khiển điều chỉnh vị trí của van tiết lưu khi tốc độ của động cơ thay đổi với trọng tải khác nhau. Hệ thống điều khiển hành trình hiện đại được phát minh vào năm 1945 bởi kỹ sư cơ khí khiếm thị Ralph Teetor.

Ý tưởng của ông nảy sinh do sự thất vọng khi ngồi trong xe do luật sư của mình lái. Theo lời ông thì vị luật sư này tăng tốc độ và hạ xuống chậm. Chiếc xe dùng hệ thống do Teetor phát minh đầu tiên là Chrysler năm 1958. Về cơ bản, hệ thống Cruise Control chỉ cho phép xe giữ tốc độ cố định.

Hệ thống Adaptive Cruise Control được ra đời với khả năng theo dõi tốc độ của xe phía trước, từ đó điều chỉnh tốc độ của phương tiện để đảm bảo được khoảng cách an toàn mà không cần sự can thiệp của người lái. Kỹ sư Ralph Teetor 1. Giới thiệu tổng quan xe ô tô điện ZERO Xe ô tô điện ZERO, nguyên mẫu là xe ô tô điện Sanyo SGC-BT5A, là loại xe ô tô điện có tốc độ thấp (dưới 20km/h) dùng để di chuyển trong một khu vực biệt lập như khu 2 du lịch, nhà máy-xí nghiệp, sân golf. Xe có khả năng chở được 4 người và hành lí kèm theo một cách dễ dàng.

Xe điện Sanyo SGC-BT5A Xe ô tô điện ZERO được trang bị động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, sử dụng nguồn 72V với công suất 3.3kW và nguồn 12V cho phụ tải; hệ thống sạc tự ngắt giúp xe được an toàn trong quá trình sạc. Xe khởi động bằng một công tắc nguồn và một khóa. Xe điện ZERO 3 Chương 2. Chức năng của hệ thống điều khiển ga tự động thích ứng trên xe điện 2.

Chức năng điều khiển tốc độ không đổi Hệ thống điều khiển ga tự động trong ECU điều khiển xe so sánh tốc độ thực tế với tốc độ đặt trước. Nếu tốc độ xe cao hơn tốc độ đặt trước, sẽ gửi tín hiệu điều khiển mô men xoắn động cơ điện thấp hơn đến bộ biến tần động cơ điện để giảm tốc độ xe. Nếu tốc độ xe cao hơn tốc độ đặt trước, sẽ gửi tín hiệu điều khiển mô men xoắn động cơ điện cao hơn đến bộ biến tần động cơ điện để tăng tốc độ xe. Tín hiệu điều khiển mô men xoắn mục tiêu động cơ điện được cập nhật liên tục để đảm bảo tốc độ xe không đổi.

Chức năng điều khiển tốc độ không đổi[1] 2. Chức năng cài đặt tốc độ (SET) Khi công tắc SET/COAST được bật và nhả ra khi xe đang chạy trong dải điều khiển tốc độ của chế độ ga tự động (khoảng 40 đến 200km/h với công tắc CRUISE bật), ECU điều khiển xe lưu giá trị này vào bộ nhớ và duy trì tại tốc độ đó khi nhả bàn đạp tăng tốc. Chức năng cài đặt tốc độ [1] Khi công tắc CRUISE bật, kí hiệu Cruise control màu trắng sẽ hiển thị trên đồng hồ hiển thị điện tử. Khi cài đặt thành công, trên đồng hồ hiển thị điện tử, kí hiệu Cruise Control 4 đang hiển thị sẽ chuyển từ màu trắng sang màu xanh.

Khi nhả bàn đạp tăng tốc, xe sẽ chạy ở tốc độ cài đặt. Kí hiệu Cruise Control Một số trường hợp xe không thể cài đặt được: - Công tắc CRUISE tắt. - Tốc độ của xe dưới dải tốc độ của chế độ ga tự động (dưới 40km/h). - Cần số điều khiển điện tử không ở chế độ D.

- Công tắc phanh tay điện tử đang bật. - Phanh đang được sử dụng bởi người lái. Chức năng tăng tốc (ACCELERATE) Khi muốn tăng tốc độ cài đặt trước, ta có 2 cách để thực hiện. Cách thứ nhất là sử dụng công tắc RES/ACC trong lúc chế độ ga tự động đã cài đặt.

Nếu công tắc RES/ACC được bật và giữ, xe sẽ tăng tốc liên tục, nhả công tắc RES/ACC khi xe đạt tốc độ mong muốn. Nếu công tắc RES/ACC được bật và nhả ra lập tức để tăng tốc độ cài đặt trước theo mức tăng cài đặt tùy theo nhà sản xuất, thông thường 10km/h. Sử dụng công tắc RES/ACC để tăng tốc độ[1] Cách thứ hai là sử dụng bàn đạp tăng tốc. Nhấn và giữ bàn đạp tăng tốc đến tốc độ mong muốn cao hơn, rồi gạt công tắc SET/COAST và nhả ra ngay lập tức, ECU điều khiển xe lưu giá trị này vào bộ nhớ và duy trì tại tốc độ đó khi nhả bàn đạp tăng tốc.

Chức năng giảm tốc (COAST) Khi muốn giảm tốc độ cài đặt trước, có 2 cách để thực hiện: Cách thứ nhất là sử dụng công tắc SET/COAST trong lúc chế độ ga tự động đã cài đặt. Nếu công tắc RES/ACC được bật và giữ, xe sẽ giảm tốc liên tục, nhả công tắc SET/COAST khi xe đạt tốc độ mong muốn. Nếu công tắc SET/COAST được bật và nhả ra lập tức để giảm tốc độ cài đặt trước theo mức giảm cài đặt tùy theo nhà sản xuất, thông thường 10km/h. Sử dụng công tắc SET/COAST để giảm tốc độ[1] Cách thứ hai là sử dụng bàn đạp tăng tốc.

Nhấn và giữ bàn đạp tăng tốc đến tốc độ mong muốn thấp hơn, rồi gạt công tắc SET/COAST và nhả ra ngay lập tức, ECU điều khiển xe lưu giá trị này vào bộ nhớ và duy trì tại tốc độ đó khi nhả bàn đạp tăng tốc. Chức năng phục hồi (RESUME) Sau khi chế độ điều khiển chạy tự động bị hủy, ta vẫn có thể phục hồi tốc độ đã cài đặt lần cuối trước khi chức năng CCS bị tạm hủy bằng cách bật công tắc RES/ACC và nhả ra lập tức và xe phải có vận tốc trong dải dải tốc độ của chế độ ga tự động. Sử dụng công tắc RES/ACC để phục hồi tốc độ[1] 6 2. Chức năng giữ khoảng cách với phương tiện phía trước Trong chế độ kiểm soát khoảng cách từ xe đến xe, ACCS tự động duy trì khoảng cách với phương tiện đi phía trước dựa vào tốc độ xe phía trước đó (tối đa là tốc độ cài đặt) và xe di chuyển ở tốc độ cài đặt khi phía trước trống, hoặc phát hiện xe phía trước chuyển làn.

Chế độ này này hoạt động hiệu quả khi hai xe cùng làn đường và di chuyển cùng chiều. Khi phát hiện một phương tiện chạy chậm hơn ở phía trước, ACCS sẽ giảm tốc độ xe xuống để đảm bảo khoảng cách giữa hai xe đã cài đặt bằng cách gửi tín hiệu điều khiển mô men xoắn động cơ điện và gửi tín hiệu đến ABS ECU để phanh (khoảng 40% tổng lực phanh) nếu cần thiết. Bật công tắc DISTANCE để thay đổi khoảng cách với xe phía trước với 3 mức xa (60m), trung bình(45m) và gần (30m). Sử dụng công tắc DISTANCE để thay đổi khoảng cách với xe phía trước[1] 1: Mức xa 2:Mức gần 3: Mức gần 2.

Chức năng Stop and Go ACCS Stop and Go có thể hoạt động ở tốc độ dưới 30km/h (20mph). Chức năng này có thể duy trì khoảng cách thiết lập đến chiếc xe trước ngay cả ở tốc độ rất thấp và có thể giảm tốc độ dừng hoàn toàn. Nếu chiếc xe có hộp số tự động, và kẹt xe trong khoảng thời gian ngắn, ACCS Stop and Go có thể thiết lập cho xe chuyển động lại. Khi xe dừng lại lâu hơn, người lái xe chỉ cần kích hoạt lại hệ thống, ví dụ như bằng cách nhấn nhẹ vào bàn đạp tăng tốc để trở lại kích hoạt ACCS stop and go trở lại.

Bằng cách này, ACCS Stop and Go hỗ trợ điều khiển ngay cả khi giao thông đông đúc và ùn tắc giao thông. Hình mô phỏng hoạt động hệ thống Adaptive Cruise Control Stop and Go 2. Chức năng điều khiển giới hạn tốc độ thấp Giới hạn tốc độ thấp là tốc độ thấp nhất mà hệ thống chạy tự động có thể đặt được, xấp xỉ 40km/h. Điều khiển chạy tự động không thể đạt dưới tốc độ này.

Nếu tốc độ xe giảm xuống thấp hơn dải tốc độ chế độ điều khiển ga tự động do xe phải leo dốc, hay mặt đường xấu, chế độ điều khiển ga tự động sẽ bị tạm hủy. Khi tốc độ tăng lên cao hơn tốc độ giới hạn thấp thì ta có thể khôi phục lại hệ thống điều khiển ga tự động.