Thiết kế, thử nghiệm hệ thống kiểm soát lực kéo trên xe máy điện loại động cơ đặt trong bánh xe

Đồ án kiểm soát lực kéo trên xe máy điện VinFast Impes tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật

• Tác giả: Phạm Đăng Anh Hiếu
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Trung Hiếu
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Thiết kế, thử nghiệm hệ thống kiểm soát lực kéo trên xe máy điện loại động cơ đặt trong bánh xe
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan kiểm soát lực kéo xe máy điện động cơ trong bánh xe

Xe máy điện đang phát triển mạnh mẽ tại Việt Nam. Xu hướng chuyển dịch năng lượng xanh thúc đẩy cải tiến công nghệ giao thông. Xe máy điện sử dụng động cơ đặt trong bánh xe sở hữu nhiều lợi thế nổi bật. Kết cấu này loại bỏ các bộ phận truyền động trung gian như xích tải hoặc dây đai. Hiệu suất truyền động tăng cao rõ rệt. Không gian khung sườn được giải phóng tối đa. Tuy nhiên, đặc tính đáp ứng mô-men xoắn tức thời của động cơ điện tiềm ẩn nhiều nguy cơ. Mô-men xoắn cực đại xuất hiện ngay từ dải vận tốc bằng không. Hiện tượng này dễ khiến bánh chủ động bị trượt quay khi khởi hành hoặc tăng tốc trên đường trơn ướt. Đề tài nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh tập trung giải quyết bài toán an toàn này. Hệ thống kiểm soát lực kéo Traction Control System giữ vai trò trọng tâm. Hệ thống giám sát sai lệch tốc độ giữa bánh trước và bánh sau. Thiết bị xử lý tín hiệu theo thời gian thực để can thiệp nguồn điện cấp. Việc kiểm soát dòng điện giúp khống chế trượt quay hiệu quả. Nghiên cứu mang lại giải pháp công nghệ giá trị cao cho phương tiện giao thông thông minh.

1.1. Khái niệm và vai trò hệ thống TCS trên xe hai bánh

Hệ thống kiểm soát lực kéo viết tắt là TCS. Đây là trang bị an toàn chủ động thiết yếu trên xe cơ giới hiện đại. Chức năng chính của hệ thống là chống trượt quay bánh dẫn động khi tăng tốc. Khi bướm ga hoặc tay ga mở rộng, mô-men xoắn truyền đến bánh xe tăng nhanh. Nếu lực kéo tiếp tuyến vượt quá lực bám cực đại của mặt đường, bánh xe sẽ mất ma sát. Xe mất ổn định lái và có thể văng đuôi hoặc đổ ngã. Hệ thống TCS can thiệp trực tiếp vào bộ điều khiển để giảm mô-men sinh ra. Thiết bị bảo đảm lốp xe luôn nằm trong vùng bám dính an toàn. Hệ thống giữ vững khả năng làm chủ phương tiện trên mọi điều kiện mặt đường.

1.2. Đặc tính kỹ thuật của động cơ điện trong bánh xe

Động cơ đặt trong bánh xe hay in-wheel motor mang cấu trúc tích hợp độc đáo. Toàn bộ stator và rotor nằm gọn trong vành bánh xe. Thiết kế này loại bỏ hộp số, trục các-đăng và dây curoa truyền động. Hiệu suất cơ học của hệ thống tăng lên đáng kể. Khối lượng toàn xe giảm thiểu rõ rệt. Tuy nhiên, khối lượng không được treo ở bánh xe lại gia tăng. Động cơ điện một chiều không chổi than BLDC cung cấp mô-men xoắn lớn tức thời. Đường đặc tính mô-men xoắn đạt đỉnh ngay ở vòng tua thấp. Đặc tính phản ứng nhanh này đòi hỏi cơ chế kiểm soát công suất cực kỳ chính xác. Nếu thiếu mạch điều khiển lực kéo, bánh xe rất dễ mất kiểm soát lực bám.

II. Vấn đề trượt quay bánh xe máy điện và nguy cơ mất kiểm soát

Hiện tượng trượt quay xuất hiện khi lực kéo tại điểm tiếp xúc vượt giới hạn ma sát. Động lực học chuyển động phụ thuộc chặt chẽ vào mối quan hệ giữa lốp và mặt đường. Khi người lái vặn ga nhanh, động cơ điện phản hồi gần như không có độ trễ. Lực kéo tiếp tuyến tại vệt tiếp xúc tăng vọt trong tích tắc. Mặt đường trơn trượt có hệ số bám rất thấp. Nước mưa, cát bụi hoặc bùn đất làm suy giảm lực bám ma sát nghiêm trọng. Khi phản lực tiếp tuyến lớn hơn lực bám cực đại, bánh xe bắt đầu quay trượt tại chỗ. Tốc độ góc của bánh xe tăng đột ngột trong khi vận tốc tịnh tiến của thân xe không đổi. Độ trượt dọc của bánh xe tăng cao vượt ngưỡng tối ưu. Bánh xe rơi vào vùng mất bám hoàn toàn. Lúc này, khả năng truyền lực ngang bị triệt tiêu theo quy luật elip ma sát. Xe máy chỉ có hai bánh nên tính cân bằng ngang rất nhạy cảm. Sự suy giảm lực bám ngang khiến phương tiện mất lái tức thì. Xe dễ dàng bị rê bánh, trượt ngang và dẫn đến tai nạn lật đổ nguy hiểm.

2.1. Động lực học tiếp xúc giữa lốp và mặt đường

Sự tương tác giữa lốp xe và mặt đường tuân theo các định luật ma sát phức tạp. Lực tiếp tuyến dọc sinh ra lực đẩy giúp xe tiến về phía trước. Lực bám ngang giữ vai trò ổn định hướng chuyển động của thân xe. Tổng hợp lực tiếp tuyến và lực ngang không được vượt quá lực bám tổng quát. Giới hạn này được biểu diễn thông qua vòng tròn ma sát hay elip ma sát. Khi lực kéo dọc tăng lên quá mức, khả năng bám ngang suy giảm tương ứng. Nếu hệ số trượt dọc vượt quá ngưỡng mười lăm đến hai mươi phần trăm, hệ số bám tụt dốc nhanh chóng. Bánh xe chuyển từ trạng thái lăn có trượt sang trạng thái trượt quay tự do.

2.2. Hạn chế an toàn của xe máy điện khi thiếu TCS

Nhiều dòng xe máy điện hiện nay chưa được trang bị hệ thống TCS. Thiếu sót này tạo ra rủi ro lớn cho người vận hành phương tiện. Động cơ điện phát huy toàn bộ mô-men xoắn ngay khi mở ga. Khi di chuyển trên đường mưa trơn hoặc vạch kẻ sơn ẩm ướt, bánh xe mất bám đột ngột. Xe máy lập tức bị sàng lắc đuôi xe hoặc đổ nghiêng sang một bên. Người lái rất khó phản xạ kịp thời bằng phanh cơ học thông thường. Việc điều chỉnh tay ga bằng cảm giác thủ công không đủ nhanh nhạy. Thiếu cơ chế can thiệp điện tử tự động làm tăng tỷ lệ va chạm giao thông nghiêm trọng trong đô thị.

III. Giải pháp kiểm soát lực kéo xe máy điện tại Sư phạm Kỹ thuật

Nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã phát triển hệ thống TCS chuyên biệt. Mô hình ứng dụng trên xe máy điện VinFast Impes sử dụng động cơ BLDC công suất 1200W. Cấu trúc hệ thống bao gồm cảm biến đo tốc độ bánh xe, bộ vi điều khiển trung tâm và mạch can thiệp tín hiệu điều khiển. Cảm biến gửi tín hiệu xung tốc độ từ bánh trước và bánh sau về bộ xử lý. Thuật toán liên tục tính toán độ trượt dọc theo tỷ lệ sai lệch vận tốc góc. Khi phát hiện độ trượt vượt quá giá trị ngưỡng cho phép, bộ điều khiển kích hoạt thuật toán can thiệp. Tín hiệu điều khiển bướm ga được điều chế tức thời để giới hạn dòng điện cấp vào động cơ. Nhờ đó, mô-men xoắn ở trục bánh xe giảm xuống ngay lập tức. Bánh xe nhanh chóng lấy lại độ bám đường mà không gây giật cục hay làm khựng xe. Quá trình xử lý tín hiệu diễn ra trong vài mili giây. Thử nghiệm trên mô hình thực tế chứng minh hệ thống hoạt động ổn định và kiểm soát độ trượt chính xác.

3.1. Thuật toán điều khiển độ trượt trên vi điều khiển

Thuật toán kiểm soát dựa trên công thức tính toán độ trượt tương đối giữa hai bánh xe. Vi điều khiển đọc tín hiệu từ hai cảm biến Hall gắn tại bánh trước và bánh sau. Tần số xung phản ánh trực tiếp vận tốc góc của từng bánh. Bộ vi xử lý tính sai lệch tốc độ và ước tính độ trượt theo chu kỳ quét định kỳ. Khi độ trượt vượt ngưỡng giới hạn khoảng mười lăm phần trăm, thuật toán điều khiển PID hoặc logic mờ phát tín hiệu điều chế xung PWM. Tín hiệu này can thiệp vào điện áp tay ga gửi tới bộ điều khiển động cơ MCU. Dòng cấp cho mô tơ lập tức hạ thấp. Mô-men kéo giảm nhanh giúp lốp xe nhanh chóng tái lập độ bám đường an toàn.

3.2. Thực nghiệm và đánh giá trên xe mẫu VinFast Impes

Nghiên cứu tiến hành thử nghiệm thực tế trên xe máy điện VinFast Impes nhằm kiểm chứng hiệu quả. Nhóm thử nghiệm thiết lập các kịch bản vận hành trên bề mặt có hệ số ma sát thấp. Xe được kiểm tra khả năng tăng tốc đột ngột từ vị trí đứng yên trên đường trơn ướt. Kết quả đo đạc cho thấy thời gian phát hiện và dập tắt hiện tượng trượt quay chỉ mất dưới một trăm mili giây. Xe duy trì quỹ đạo chuyển động thẳng, không xuất hiện hiện tượng văng đuôi hay lệch hướng. Khả năng gia tốc vẫn được bảo toàn tối ưu trong ngưỡng an toàn. Thử nghiệm chứng minh tính khả thi của giải pháp trong điều kiện vận hành thực tế tại Việt Nam.

IV. Ứng dụng hệ thống kiểm soát lực kéo xe máy điện trong thực tế

Đề tài tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã khẳng định tầm quan trọng của hệ thống TCS trên xe máy điện. Giải pháp kỹ thuật này giải quyết triệt để nguy cơ trượt quay bánh xe khi tăng tốc. Hệ thống vừa bảo đảm an toàn chuyển động vừa kéo dài tuổi thọ cho lốp xe và động cơ điện. Việc giảm thiểu hao mòn lốp mang lại lợi ích kinh tế thiết thực cho người sử dụng. Bên cạnh đó, hệ thống góp phần hạn chế tổn thất năng lượng pin trong các pha tăng tốc mất kiểm soát. Mô hình nghiên cứu mở ra tiềm năng ứng dụng thương mại rộng rãi trên các dòng xe máy điện nội địa. Cấu trúc phần cứng tinh gọn kết hợp thuật toán tối ưu giúp hạ giá thành sản xuất. Các nhà sản xuất xe điện có thể tích hợp trực tiếp giải pháp vào bộ điều khiển trung tâm sẵn có. Đây là bước tiến quan trọng thúc đẩy tiêu chuẩn an toàn cho phương tiện giao thông hai bánh tại Việt Nam. Công nghệ này hứa hẹn nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm công nghệ ô tô xe máy trong nước.

4.1. Lợi ích an toàn và bảo vệ độ bền phương tiện

Hệ thống kiểm soát lực kéo đem lại lợi ích kép cho xe máy điện. Về mặt an toàn, hệ thống loại bỏ nguy cơ ngã xe do trượt bánh khi tăng tốc trên đường trơn hoặc qua gờ giảm tốc. Người điều khiển tự tin làm chủ phương tiện trong mọi điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Về mặt kỹ thuật, việc triệt tiêu hiện tượng trượt quay giúp lốp xe mòn đều và giảm nguy cơ rách vấu lốp. Động cơ điện và bộ truyền động bánh xe không phải chịu tải giật đột ngột. Nhiệt độ của cuộn dây động cơ và bộ biến tần được giữ trong ngưỡng an toàn. Tuổi thọ tổng thể của khối pin và hệ thống truyền lực được kéo dài đáng kể.

4.2. Xu hướng tích hợp công nghệ an toàn trên xe điện

Nghiên cứu từ Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đặt nền móng cho xu hướng tích hợp an toàn hiện đại. Trong tương lai, hệ thống kiểm soát lực kéo sẽ kết hợp chặt chẽ với hệ thống chống bó cứng phanh ABS. Sự đồng bộ giữa phanh tái sinh và TCS tạo nên cấu trúc điều khiển động lực học phương tiện toàn diện. Các cảm biến quán tính IMU nhiều trục sẽ được bổ sung để đo góc nghiêng thân xe. Thuật toán có thể chủ động điều chỉnh lực kéo khi xe vào cua nghiêng dốc. Việc nội địa hóa phần mềm và giải pháp điều khiển giúp các doanh nghiệp sản xuất xe máy điện Việt Nam chủ động công nghệ, tối ưu chi phí và tăng sức cạnh tranh.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp phương tiện giao thông chạy điện trên toàn cầu, các công nghệ bảo vệ an toàn chủ động cho người điều khiển phương tiện ngày càng trở thành yêu cầu cấp thiết. Sự gia tăng nhanh chóng về số lượng xe máy điện kéo theo những yêu cầu kỹ thuật khắt khe về khả năng kiểm soát quỹ đạo và độ bám đường, đặc biệt khi phương tiện vận hành trong điều kiện mặt đường trơn trượt, khi vào cua hoặc tăng tốc đột ngột. Hệ thống kiểm soát lực kéo (Traction Control System - TCS) là một trong những giải pháp an toàn chủ động then chốt, đóng vai trò giới hạn tốc độ quay của bánh xe dẫn động nhằm ngăn chặn hiện tượng trượt quay và duy trì lực bám tối ưu giữa lốp và mặt đường.

Nhóm tác giả nhận định rằng phần lớn các đề tài nghiên cứu về TCS ở cấp độ sinh viên trước đây tại Việt Nam chỉ dừng lại ở lý thuyết thuần túy hoặc mô hình mô phỏng cơ bản, chưa đi sâu vào thực nghiệm trên phương tiện thực tế ở nhiều điều kiện bám khác nhau. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tập trung vào việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống kiểm soát lực kéo trên nền tảng xe máy điện hai bánh có động cơ đặt trong bánh xe (hub motor).

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể theo 7 nội dung:

1. Khảo sát và tổng quan các công trình nghiên cứu, bài báo khoa học liên quan đến hệ thống TCS.
2. Tiến hành thực nghiệm hiện tượng trượt của bánh xe trên các điều kiện đường xá khác nhau.
3. Thay thế hệ thống động lực và điều khiển mới cho xe nguyên bản nhằm đáp ứng yêu cầu tạo trượt trong thử nghiệm.
4. Thiết kế bổ sung cơ cấu cơ khí an toàn (giá đỡ chống đổ) để bảo đảm an toàn khi thực nghiệm trượt.
5. Thiết kế và phát triển bộ điều khiển kiểm soát lực kéo.
6. Đánh giá, so sánh và phân tích dữ liệu thực nghiệm giữa hai trạng thái có và không có sự can thiệp của hệ thống TCS.
7. Đưa ra kết luận định lượng về các chỉ số trượt và độ ổn định của phương tiện.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) ứng dụng trên xe máy điện Vinfast Impes sử dụng động cơ một chiều không chổi than (BLDC) dạng đặt trong bánh xe; mô hình toán học động lực học bánh xe và xe hai bánh; điều kiện mặt phẳng tiếp xúc có hệ số bám thấp.
• Phạm vi nghiên cứu: Về không gian, nghiên cứu và thực nghiệm được tiến hành tại khuôn viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM; phạm vi mặt đường thực nghiệm được xây dựng nhân tạo bằng hệ thống các tấm tôn phẳng nhằm chủ động tạo ra bề mặt trơn trượt có hệ số bám thấp; về thời gian, đề tài hoàn thành vào tháng 12 năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài dựa trên cơ sở động lực học chuyển động và tương tác giữa lốp xe với mặt đường. Độ bám dọc giữa bánh xe và mặt đường được xác định qua hệ số bám dọc $\varphi_x$, biểu diễn mối quan hệ giữa lực phanh/kéo cực đại và tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe:

$$\varphi_x = \frac{F_{pmax}}{G_b}$$

Trong đó, phản lực thẳng đứng $Z_b = G_b$, lực bám dọc cực đại được giới hạn bởi $F_{\varphi x} = \varphi_x \cdot G_b$. Khả năng bám ngang được xác định tương tự qua hệ số bám ngang $\varphi_y$ và lực bám ngang $F_{\varphi y} = \varphi_y \cdot G_b$. Khi đồng thời xuất hiện cả phản lực tiếp tuyến $X_b$ và phản lực ngang $Y_b$, hệ số bám tổng quát được xác định bởi:

$$\varphi_{tq} = \frac{\sqrt{X_b^2 + Y_b^2}}{G_b}$$

Hiện tượng trượt của bánh xe được lượng hóa thông qua hệ số trượt. Khi bánh xe chủ động chịu mô-men kéo, hệ số trượt $\delta_k$ được tính toán theo quan hệ động học giữa vận tốc lý thuyết $v_o$ (với $v_o = \omega_b \cdot r_b$) và vận tốc thực tế của xe $v$:

$$\delta_k = \frac{v_o - v}{v_o} = 1 - \frac{v}{v_o} = 1 - \frac{r_l}{r_b}$$

Khi bánh xe chủ động bị trượt quay hoàn toàn ($v = 0$ trong khi $\omega_b > 0$), bán kính lăn $r_l = 0$, hệ số trượt đạt giá trị cực đại $\delta_k = 1$. Đường đặc tính trượt thực nghiệm chỉ ra rằng hệ số bám dọc cực đại $\varphi_{x,max}$ đạt được khi độ trượt nằm trong dải tối ưu $\delta_{po} = 0{,}15 - 0{,}25$ (thường chọn mốc 0,2). Nếu bánh xe vượt qua ngưỡng này, hệ số bám dọc sụt giảm và hệ số bám ngang tiệm cận 0, khiến phương tiện mất ổn định hướng.

Về hệ thống dẫn động, động cơ điện BLDC được phân tích dựa trên cấu tạo stato 3 pha nối sao, roto sử dụng nam châm vĩnh cửu, tích hợp 3 cảm biến vị trí Hall lệch pha nhau để bộ phận chuyển mạch điện tử (sử dụng 6 van bán dẫn công suất MOSFET) điều khiển trình tự cấp điện tương ứng theo phản lực điện từ (định luật Lorentz).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm thực tế:

• Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm MATLAB/Simulink và BikeSim để xây dựng mô hình động lực học phương tiện xe hai bánh, mô hình động cơ BLDC, mô hình pin, khối tính toán tỷ số trượt và bộ điều khiển TCS theo chu trình lái tiêu chuẩn FTP-75 cùng các mức mô-men xoắn đầu vào 20 Nm, 40 Nm và 80 Nm.
• Phương pháp thiết kế - chế tạo thực nghiệm: Thay thế động cơ nguyên bản bằng động cơ hub motor công suất lớn và bộ điều khiển Votol EM100; thiết kế bộ vi xử lý trung tâm Controller Box sử dụng vi điều khiển STM32 NUCLEO-F446RE; thu thập dữ liệu gia tốc qua cảm biến MPU6050, cảm biến tốc độ đọc qua lòng phanh và truyền dữ liệu thời gian thực bằng giao thức ESP-NOW qua kit NodeMCU ESP32.
• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thông số kỹ thuật xuất xưởng của xe Vinfast Impes; dữ liệu đặc tính kỹ thuật của động cơ QS Motor và bộ điều khiển Kelly, Votol; dữ liệu gia tốc góc, tốc độ vòng quay và điện áp/dòng điện đo đạc thực tế từ cảm biến và phần mềm VOTOL-EM-V3 Software Debugging.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kỹ thuật được phát triển dựa trên nền tảng phần cứng của xe máy điện Vinfast Impes. Nhằm chủ động tạo ra độ trượt quay lớn giữa bánh sau và mặt đường trong điều kiện thử nghiệm an toàn, nhóm tác giả đã tiến hành khảo sát và thay thế các cụm chi tiết động lực và điều khiển chính.

Thông số kỹ thuật	Xe nguyên bản (Vinfast Impes)	Cấu hình thay thế / Nâng cấp phục vụ thực nghiệm
Động cơ điện	BLDC Bosch, công suất định mức 1200W	Động cơ Hub Motor BLDC công suất cao (QS Motor)
Bộ điều khiển động cơ (ECU)	Bộ điều khiển nguyên bản theo xe	Votol EM100 (giao tiếp VOTOL-EM-V3 Software Debugging)
Bộ điều khiển thuật toán TCS	Không trang bị	Bo mạch STM32 NUCLEO-F446RE (ARM Cortex-M4)
Cảm biến đo tốc độ bánh xe	Cảm biến nguyên bản	Cảm biến tốc độ lắp tại đồ gá bánh trước và lòng phanh bánh sau
Cảm biến đo góc và gia tốc thân xe	Không trang bị	Cảm biến quán tính MPU6050 (đo góc nghiêng ngang roll, góc xoay yaw)
Mạch xử lý tín hiệu phụ trợ	Không trang bị	Mạch hạ áp LM2596 3A, Mạch khuếch đại AD620, mạch cầu phân áp
Giao tiếp truyền dữ liệu đo đạc	Không trang bị	Module truyền không dây NodeMCU ESP32 qua giao thức ESP-NOW
Cơ cấu an toàn thực nghiệm	Giá để chân và chân chống tiêu chuẩn	Hệ thống thanh giá đỡ hai bên lắp bánh xe đa hướng
Bề mặt thử nghiệm	Mặt đường giao thông thông thường	Tấm tôn thép mạ kẽm bố trí trên đường chạy để giảm hệ số bám

Cơ chế điều khiển được triển khai theo cấu trúc mạch kín:

1. Thu nhận tín hiệu: Tín hiệu xung từ cảm biến tốc độ ở bánh trước và bánh sau được đưa về vi điều khiển STM32. Khối WS_Timer tính toán vận tốc góc và vận tốc dài của từng bánh xe. Đồng thời, cảm biến MPU6050 truyền giá trị gia tốc và góc nghiêng thân xe.
2. Xử lý thuật toán: Khối Slip_Ratio tính toán hệ số trượt $\delta_k$. Bộ điều khiển so sánh giá trị này với ngưỡng trượt đặt trước. Hai giải thuật chính được triển khai:
   • Bộ điều khiển ON/OFF: Ngắt tín hiệu ga khi hệ số trượt hoặc gia tốc bánh xe vượt ngưỡng cho phép, và phục hồi tín hiệu khi các thông số trở lại giới hạn an toàn.
   • Bộ điều khiển PID: Điều chỉnh liên tục giá trị điện áp điều khiển tay ga nhằm duy trì mô-men xoắn và hệ số trượt xoay quanh giá trị mục tiêu.
3. Xuất tín hiệu can thiệp: Tín hiệu sau xử lý đi qua khối OutPut_DAC để tạo mức điện áp analog tương ứng gửi trực tiếp đến cổng nhận tín hiệu tay ga của bộ điều khiển Votol EM100. Cụm công tắc cơ khí phụ trợ cho phép người lái chuyển đổi linh hoạt giữa tín hiệu tay ga thật, tay ga giả lập và chế độ vận hành tối đa ga.
4. Truyền dữ liệu: Dữ liệu vận hành được STM32 đóng gói, truyền qua UART sang kit NodeMCU ESP32 phát tín hiệu không dây theo giao thức ESP-NOW đến máy tính nhận, xuất ra cổng COM ảo để phục vụ phân tích.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương này trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh phương tiện giao thông chạy điện phát triển nhanh, đòi hỏi các giải pháp an toàn chủ động phải được nâng cấp tương xứng. Tác giả khảo sát tổng quan các nghiên cứu trong nước (chủ yếu dừng ở mức mô phỏng lý thuyết cơ bản) và ngoài nước (tích hợp TCS với ABS/ESP, ứng dụng trí tuệ nhân tạo của Đại học Stanford, tối ưu hóa phân bổ mô-men cho xe hybrid tại MIT). Trên cơ sở đó, chương xác định mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và phương pháp tiếp cận kết hợp giữa mô phỏng số và thực nghiệm phần cứng trên xe máy điện hai bánh.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tập trung hệ thống hóa nền tảng toán học và kỹ thuật về lực bám, động lực học bánh xe và phương pháp điều khiển. Nội dung chi tiết bao gồm định nghĩa hệ số bám dọc $\varphi_x$, hệ số bám ngang $\varphi_y$, hệ số bám tổng quát $\varphi_{tq}$; các trạng thái lăn của bánh xe (lăn không trượt, lăn có trượt quay, lăn có trượt lết) và công thức tính toán hệ số trượt khi kéo $\delta_k$, khi phanh $\delta_p$. Chương phân tích mối quan hệ giữa độ trượt và hệ số bám, xác định vùng trượt tối ưu ($0{,}15 - 0{,}25$), đồng thời giới thiệu các nguyên lý điều khiển TCS: điều khiển ON/OFF, điều khiển theo tỷ số trượt, theo gia tốc bánh xe và bộ điều khiển PID. Bên cạnh đó, chương làm rõ cấu tạo, nguyên lý chuyển mạch của động cơ điện BLDC 3 pha sử dụng cảm biến Hall và nguyên lý truyền thông không dây ESP-NOW trên nền tảng vi điều khiển.

Chương 3: Tổng quan hệ thống

Chương 3 trình bày chi tiết về các thành phần cấu thành hệ thống thực nghiệm. Tác giả khảo sát thông số xe máy điện Vinfast Impes nguyên bản (tải trọng 130 kg, vận tốc tối đa 49 km/h, động cơ Bosch 1200W, pin Lithium-ion LG 22Ah) và giải thích lý do cần thay thế động cơ cùng bộ điều khiển để đáp ứng điều kiện tạo mô-men gây trượt bánh. Chương trình bày quá trình khảo sát, chọn lựa động cơ Hub Motor QS Motor (so sánh các dòng QS 260 V4 3000W, QS 205 50H1 V2, QS 205 45H V3) và bộ điều khiển BLDC (so sánh Kelly KLS7218S, KLS7218N, QSKBS72181E và Votol EM100). Tiếp đó, cấu hình chi tiết Controller Box được thiết lập gồm vi điều khiển STM32 NUCLEO-F446RE, module hạ áp LM2596 3A, module khuếch đại AD620, module NodeMCU ESP32, cảm biến MPU6050, cảm biến tốc độ gắn đồ gá và thiết kế bề mặt đường trượt bằng tấm tôn. Phần cuối chương trình bày việc xây dựng mô hình mô phỏng trên MATLAB/Simulink và BikeSim theo chu trình FTP-75, so sánh phản hồi vận tốc ở các mức mô-men 20 Nm, 40 Nm và 80 Nm.

Chương 4: Thực nghiệm và nhận xét

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình chuẩn bị và tiến hành thực nghiệm. Tác giả trình bày các sơ đồ kết nối hệ thống điện giữa bánh xe, cảm biến Hall, bộ điều khiển Votol, cụm công tắc chuyển đổi chế độ ga và giá đỡ cơ khí lắp bánh xe đa hướng. Chương phân tích chi tiết các khối chức năng trong chương trình nhúng: WS_Timer, Slip_Ratio, Condition Controller, OutPut_DAC, Signal_LEDs, Current Sense và Throttle. Kết quả đo đạc từ phần mềm VOTOL-EM-V3 và Simulink được đối chiếu trực tiếp qua các chỉ số tốc độ quay (RPM) và dòng điện. Toàn bộ các đồ thị thực nghiệm được phân tích chuyên sâu cho 4 trạng thái vận hành:

• Xe không có sự can thiệp của TCS.
• Xe có điều khiển TCS ON/OFF dựa trên tỷ số trượt.
• Xe có điều khiển TCS ON/OFF dựa trên gia tốc bánh xe.
• Xe có điều khiển TCS ứng dụng thuật toán PID.

Các đồ thị được đánh giá đa biến gồm: dòng điện tiêu thụ, điện áp tín hiệu ga, vận tốc hai bánh xe, gia tốc bánh xe, tỷ số trượt $\delta_k$, góc nghiêng ngang (roll) và góc xoay thân xe (yaw).

Chương 5: Kết luận và định hướng phát triển

Chương cuối cùng tổng kết các kết quả đạt được về mặt lý thuyết mô phỏng và sản phẩm phần cứng thực tế. Tác giả thẳng thắn chỉ ra những sai lầm, trục trặc kỹ thuật gặp phải trong quá trình thi công và các hạn chế của đề tài. Từ đó, chương đề xuất các định hướng phát triển tiếp theo nhằm hoàn thiện hệ thống kiểm soát lực kéo trên phương tiện giao thông chạy điện.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình hệ thống kiểm soát lực kéo trên xe máy điện Vinfast Impes đã được nâng cấp hệ thống động lực. Các kết quả định lượng cụ thể thu được từ mô phỏng và thực nghiệm thực tế bao gồm:

• Hiệu chỉnh và đồng bộ mô hình mô phỏng: Mô hình động lực học phương tiện xây dựng trên MATLAB/Simulink phản ánh tương đồng với mô hình chuẩn trên phần mềm chuyên ngành BikeSim khi kiểm tra với chu trình FTP-75 và các dải mô-men xoắn đầu vào 20 Nm, 40 Nm, 80 Nm.
• Kiểm soát hệ số trượt: Trong trường hợp không có TCS, khi tăng ga đột ngột trên bề mặt tấm tôn trơn trượt, bánh sau bị trượt quay nghiêm trọng với hệ số trượt $\delta_k$ tăng vọt tiệm cận giá trị 1 ($100%$), vận tốc góc bánh sau tăng đột biến trong khi vận tốc xe thực tế (đo qua bánh trước) gần như không đổi. Khi kích hoạt bộ điều khiển TCS (cả ON/OFF và PID), độ trượt $\delta_k$ được kéo về duy trì ổn định xung quanh vùng bám tối ưu ($0{,}15 - 0{,}25$).
• Cải thiện độ ổn định thân xe: Khi không có TCS can thiệp, bánh sau mất bám ngang dẫn đến hiện tượng văng đuôi, thể hiện qua sự thay đổi đột ngột và dao động lớn của góc nghiêng ngang (roll) và góc xoay thân xe (yaw) trên cảm biến MPU6050. Khi có sự can thiệp của TCS, góc xoay thân xe và biên độ dao động nghiêng ngang được triệt tiêu đáng kể, xe duy trì chuyển động tịnh tiến thẳng trên đường trượt.
• So sánh hiệu quả thuật toán: Bộ điều khiển ON/OFF theo tỷ số trượt và gia tốc cắt giảm nhanh dòng điện và điện áp ga nhưng gây ra hiện tượng giật cục dao động quanh ngưỡng đóng/ngắt. Trong khi đó, bộ điều khiển PID giúp điều chỉnh điện áp tay ga mượt mà hơn, hạn chế các xung dòng điện quá mức và duy trì mô-men truyền động liên tục.

Về giải pháp và đóng góp kỹ thuật:

• Đề xuất và hiện thực hóa giải pháp kiểm soát lực kéo gián tiếp thông qua việc can thiệp vào tín hiệu điện áp tay ga (đầu vào của ECU động cơ BLDC), giúp hệ thống có khả năng tích hợp linh hoạt lên các dòng xe điện hiện hành mà không cần can thiệp sâu vào cấu trúc phần mềm nội bộ của nhà sản xuất ECU.
• Thiết kế hệ thống giá đỡ bảo hộ cơ khí gắn bánh xe đa hướng, cung cấp giải pháp an toàn phục vụ thực nghiệm trượt bánh trên xe hai bánh mà không gây nguy hiểm cho người lái và thiết bị.
• Xây dựng hệ thống đo lường không dây telemetry thời gian thực dựa trên vi điều khiển STM32 và ESP-NOW, cho phép đồng bộ hóa dữ liệu đo đạc cảm biến góc nghiêng, tốc độ và dòng điện lên máy tính phục vụ nghiên cứu học thuật.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được tác giả ghi nhận từ thực tế triển khai:

• Phương pháp điều khiển can thiệp gián tiếp qua điện áp tay ga phụ thuộc vào độ trễ đáp ứng của ECU thương mại Votol EM100; hệ thống chưa thực hiện can thiệp trực tiếp vào từng xung PWM chuyển mạch của các van bán dẫn công suất dẫn động động cơ.
• Bề mặt thực nghiệm trơn trượt mới chỉ được tạo lập bằng hệ thống các tấm tôn mạ kẽm nhân tạo, chưa khảo sát đầy đủ trên các bề mặt đường phức tạp khác trong tự nhiên như đường bùn lầy, đường cát hoặc đường nhựa ướt ở các dải tốc độ cao.
• Cơ cấu đồ gá cảm biến tốc độ ở bánh xe và lòng phanh còn chịu ảnh hưởng bởi rung động cơ học trong quá trình xe vận hành, gây ra một số nhiễu tín hiệu xung ở dải tốc độ thấp.
• Nguồn năng lượng pin giới hạn khiến việc thử nghiệm gia tốc liên tục ở dòng xả cao trong thời gian dài gặp hạn chế về độ sụt áp.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:

• Nghiên cứu và tự thiết kế bo mạch biến tần điều khiển động cơ BLDC riêng biệt, tích hợp trực tiếp thuật toán TCS vào nhân điều khiển vector (FOC) nhằm triệt tiêu độ trễ đáp ứng.
• Tích hợp phối hợp giữa hệ thống kiểm soát lực kéo TCS và hệ thống chống bó cứng phanh ABS trên cùng một bộ xử lý trung tâm nhằm tối ưu hóa toàn diện lực bám dọc và ngang cho cả hai quá trình tăng tốc và phanh hãm.
• Mở rộng thuật toán điều khiển sang các cấu trúc điều khiển thích nghi, điều khiển trượt (Sliding Mode Control) hoặc thuật toán học máy nhằm nhận diện và ước lượng tự động hệ số bám của mặt đường trong thời gian thực.
• Thử nghiệm hệ thống trên nhiều điều kiện địa hình thực tế đa dạng với dải tốc độ rộng hơn.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo cho:

• Giảng viên, sinh viên và học viên cao học thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa có định hướng nghiên cứu về an toàn chủ động trên phương tiện giao thông chạy điện.
• Các kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) xe máy điện quan tâm đến giải pháp nâng cấp hệ thống kiểm soát lực kéo trên nền tảng phương tiện sẵn có mà không làm thay đổi kết cấu chính của xe.
• Phần nội dung đáng giá để tham khảo gồm: quy trình xây dựng và kết nối mô phỏng đồng bộ giữa MATLAB/Simulink và BikeSim; sơ đồ nguyên lý mạch xử lý tín hiệu Controller Box dựa trên STM32 và ESP-NOW; cấu trúc thuật toán tính toán tỷ số trượt và phương pháp thiết kế đồ gá an toàn phục vụ thực nghiệm trượt trên xe hai bánh.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao nhóm tác giả phải thay thế động cơ nguyên bản của xe Vinfast Impes trong đề tài này?

Động cơ nguyên bản của xe Vinfast Impes là dòng BLDC do Bosch sản xuất có công suất định mức 1200W. Động cơ này cùng bộ điều khiển xuất xưởng được thiết kế với giới hạn mô-men xoắn an toàn nhằm phục vụ nhu cầu di chuyển thông thường, do đó không tạo ra đủ mô-men xoắn tức thời lớn để làm bánh sau bị trượt quay mạnh trên bề mặt thử nghiệm. Nhóm tác giả bắt buộc phải thay thế bằng động cơ Hub Motor BLDC công suất cao hơn cùng bộ điều khiển Votol EM100 để chủ động tạo ra hiện tượng trượt quay phục vụ cho việc kiểm chứng thuật toán TCS.

2. Hệ số trượt khi kéo ($\delta_k$) được tính toán bằng công thức nào và điều kiện trượt quay hoàn toàn xảy ra khi nào?

Hệ số trượt khi kéo được xác định theo công thức quan hệ động học:

$$\delta_k = \frac{v_o - v}{v_o} = 1 - \frac{v}{v_o} = 1 - \frac{r_l}{r_b}$$

Trong đó $v_o$ là vận tốc lý thuyết của bánh xe dẫn động ($v_o = \omega_b \cdot r_b$), $v$ là vận tốc thực tế của xe, $r_b$ là bán kính tính toán và $r_l$ là bán kính lăn. Trạng thái trượt quay hoàn toàn xảy ra khi bánh xe chủ động quay tại chỗ nhưng xe không di chuyển ($v = 0$ và $\omega_b > 0$), dẫn đến bán kính lăn $r_l = 0$ và hệ số trượt đạt giá trị tuyệt đối $\delta_k = 1$ ($100%$).

3. Khối điều khiển trung tâm (Controller Box) được cấu thành từ những linh kiện phần cứng nào?

Controller Box của hệ thống bao gồm: bo mạch vi điều khiển STM32 NUCLEO-F446RE đảm nhiệm vai trò tính toán trung tâm; mạch hạ áp DC LM2596 3A để cung cấp nguồn ổn định; module khuếch đại tín hiệu AD620; mạch cầu phân áp; kit phát sóng NodeMCU ESP32 đảm nhiệm việc truyền dữ liệu không dây; và cảm biến quán tính MPU6050 để đo gia tốc và góc nghiêng của thân xe.

4. Giải pháp an toàn cơ khí nào đã được thiết kế để bảo vệ người thực nghiệm khi xe bị trượt?

Nhóm tác giả đã thiết kế và chế tạo một hệ thống thanh giá đỡ bằng thép gắn đối xứng hai bên thân xe. Tại các điểm tiếp đất của giá đỡ được lắp đặt các cụm bánh xe đa hướng. Khi bánh sau xe máy điện bị trượt quay hoặc văng đuôi làm xe mất thăng bằng, thanh giá đỡ cùng bánh xe đa hướng sẽ đóng vai trò điểm tựa phụ chống lật đổ, vừa giữ an toàn cho người điều khiển vừa không làm cản trở chuyển động tịnh tiến của xe trong lúc ghi nhận số liệu.

5. Những giải thuật điều khiển nào đã được lập trình và so sánh thực nghiệm trong khóa luận?

Đề tài đã xây dựng, mô phỏng và thực nghiệm so sánh ba cấu hình giải thuật kiểm soát lực kéo:

• Giải thuật ON/OFF điều khiển dựa trên ngưỡng tỷ số trượt.
• Giải thuật ON/OFF điều khiển dựa trên ngưỡng gia tốc của bánh xe dẫn động.
• Giải thuật điều khiển PID liên tục dựa trên sai số giữa tỷ số trượt thực tế và tỷ số trượt mục tiêu để điều biến điện áp tay ga.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã giải quyết bài toán thiết kế và thử nghiệm hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) trên xe máy điện hai bánh sử dụng động cơ đặt trong bánh xe một cách có hệ thống. Thông qua việc kết hợp giữa mô phỏng số trên Simulink/BikeSim và thực nghiệm trên phương tiện thật với bo mạch STM32 NUCLEO-F446RE, nghiên cứu đã chứng minh khả năng kiểm soát tỷ số trượt về vùng bám tối ưu và ổn định góc nghiêng thân xe khi tăng tốc trên mặt đường trơn trượt. Các số liệu đo đạc thực nghiệm và phân tích so sánh giữa các thuật toán ON/OFF và PID là nguồn dữ liệu kỹ thuật giá trị, đặt nền tảng cho việc phát triển các hệ thống an toàn chủ động tích hợp trên phương tiện giao thông chạy điện tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 Lý do chọn đề tài Trong bối cảnh công nghệ thông tin bùng nổ trên toàn cầu, hàng loạt hệ thống được cải tiến và phát triển. Các doanh nghiệp cần tập trung phát triển và nâng cấp hệ thống của mình để đáp ứng nhu cầu thị trường. Trong các ngành công nghiệp đang phát triển hiện nay, ngành công nghiệp xe điện đang có những bước phát triển vượt bậc. Việc phát triển các hệ thống an toàn phải đồng hành song song với sự phát triển của ngành xe điện.

Hệ thống Traction Control System là một lĩnh vực cần được nghiên cứu và phát triển, hệ thống này giúp kiểm soát và tối ưu hóa quá trình vận hành của xe. TCS là một hệ thống có tính linh hoạt cao cho phép các nhà quản lý dễ dàng điều chỉnh và mở rộng nhu cầu riêng theo hướng phát triển của từng doanh nghiệp. Sau khi khảo soát và có cái nhìn tổng quan về các bài báo. Ở mức độ đề tài sinh viên, nhóm nhận thấy các đề tài đã làm về TCS đúng nhưng vẫn chưa đủ.

Chính vì thế nhóm đã quyết định thực hiện cải tiến, tiến hành khai thác đề tài TCS.2 Mục tiêu - Khảo sát và tổng quan các bài báo đã từng đề cập về TCS. - Tiến hành thực nghiệm trượt trên các điều kiện đường xá khác nhau. - Thay thế hệ thống mới cho xe để đáp ứng được thử nghiệm trượt. - Thiết kế bộ cơ khí thêm cho xe để đảm bảo tính an toàn khi thực nghiệm.

- Thiết kế bộ kiểm soát lực kéo. - Đánh giá, so sánh và phân tích kết quả giữa việc có và không có TCS. - Kết luận về các chỉ số trượt.3 Đối tượng nghiên cứu - Thiết kế hệ thống kiểm soát lực kéo TCS trên xe máy điện VinfastImpes. - Xây dựng điều kiện mặt đường có hệ số bám thấp, trơn trượt.4 Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước 1.1 Nghiên cứu trong nước Tại Việt Nam đã có một số công trình nghiên cứu hệ thống kiểm soát lực kéo tuy nhiên chưa có công trình nào đáng kể.

Việc nghiên cứu TCS trước đây chỉ nằm ở mức cơ bản dựa trên những lý thuyết sẵn có. Việc thực nghiệm ở nhiều điều kiện đường xá khác nhau giúp tìm hiểu sâu hơn về hệ thống TCS. Việc áp dụng hệ thống TCS lên xe máy điện 1 là điều cần thiết để kiểm soát tình trạng xe, từ đó chúng ta tiến tới việc ứng dụng trên xe ô tô điện. Hệ thống TCS hiện vẫn đang được cải tiến và phát triển trong và ngoài nước, kèm theo đó là hàng loạt công nghệ tiên tiến kèm theo.

Trong tương lai, hi vọng hệ thống này xe được ứng dụng rộng rãi trong nước để đảm bảo an toàn cho người tham gia giao thông.2 Nghiên cứu ngoài nước Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tích hợp TCS với hệ thống chống bó cứng ABS và hệ thống ESP có nhiều cải thiện ổn định và an toàn của xe. Một nghiên cứu đã chỉ ra rằng chúng ta có thể kết hợp ba hệ thống này với nhau để giảm thiểu đáng kể khả năng xảy ra tai nạn trong điều kiện đường trơn trượt. Tại Nhật Bản đã tập trung phát triển mô hình toán học cho xe trong các điều kiện lái khác nhau. Họ đã sử dụng mô phỏng mô hình xe không gian để đánh giá hiệu suất của TCS trong việc kiểm soát độ bám, cho thấy rằng TCS có thể tối ưu hóa lực kéo và ngăn ngừa hiện tượng trượt.

Gần đây đã khám phá việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo AI và máy học trong việc tối ưu hóa các thông số TCS.