- Thuật toán MTEE chống bó phanh/điều khiển lực kéo ô tô điện MTEE Algorithm for Antilock Braking/Traction control of EVs Vũ Ngọc Minh Trường ĐHHH Việt Nam e-Mail:
[email protected] Tạ Cao Minh Trường ĐHBK Hà Nội e-Mail:
[email protected] Tóm tắt Bản báo cáo trình bày một bộ điều khiển chống trượt cho ô tô điện sử dụng phương pháp điều khiển MTEE với mục đích tăng cường hiệu quả của xe trong cả hai chế độ vận hành chạy xe và phanh xe.
- Trong phương pháp này bộ điều khiển được thiết kế để ngăn ngừa trạng thái trượt của bánh xe xuất hiện trong trường hợp không xác định được chính xác tình trạng mặt đường với mục đích tăng cường sự ổn định của hệ thống điều khiển và nâng cao hiệu quả xử lý của người điều khiển.
- Từ khóa: Xe điện, điều khiển lực kéo, hệ thống chống bó phanh (ABS) Abstract This paper presents a slip suppression controller using MTEE control for electric vehicles which aims to improve the control performance of EVs in both driving and braking mode.
- Ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa J w kgm 2 Quán tính bánh xe ω rad/s Vận tốc góc bánh xe T Nm Momen kéo r m Bán kính bánh xe F d N Lực kéo xe M kg Khi lượng xe V m/s Vận tốc xe v ar m/s Vận tốc gió F dr N Lực cản chuyển động λ Tỉ lệ trượt μ Hệ s ma sát a m/s 2 Gia tc xe a w m/s 2 Gia tốc bánh xe C rr Hệ số cản lăn F rr Nm Lực cản lăn A p m 2 Diện tích cản gió C D Hệ số cản gió ρ Mật độ không khí F ar Nm Lực cản gió T br Nm Momen phanh xe Chữ viết tắt EVs Electric Vehicles MTEE Maximum Torque Estimation Extended ABS Anti-lock braking system TCS Traction control system 1.
- Mở đầu Hình 1 Thể hiện mối quan hệ giữa tỉ lệ trượt của bánh xe với hệ số ma sát trong một điều kiện mặt đường nhất định.
- Khi xe chuyển động ở vùng ổn định hệ số ma sát của bánh xe theo phương dọc và phương ngang đều rất cao, vận tốc xe gần bằng vận tốc bánh xe.
- Trong khi đó nếu xe hoạt động ở vùng không ổn định (vùng xe bị trượt) Hệ số ma sát giảm, đặc biệt là ma sát theo phương ngang, ứng với một momen xoắn không đổi từ động cơ, vận tốc bánh xe ngày càng tăng trong khi vận tốc xe giảm xuống.
- Hệ số trượt λ→1 xe không còn khả năng bám đường theo phương ngang.
- xe sẽ mất ổn định và rơi vào trạng thái bị xoay xe.
- Hệ số ma sát theo phương dọc và ngang xe Một trong những ưu thế của động cơ điện so với động cơ đốt trong là có thể điều khiển sinh momen xoắn nhanh và chính xác.
- Mặt khác độ bám giữa bánh xe với mặt đường là nhân tố chính quyết định chất lượng chuyển động của ô tô lại phụ thuộc vào lực kéo do động cơ sinh ra.
- Nói cách khác sự ổn định và an toàn của ô tô có thể được cải thiện bằng cách điều khiển momen của động cơ điện.
- Bên cạnh đó, nếu kiểm soát trạng thái bám đường một cách hiệu quả sẽ giảm tổn thất năng lượng, quãng đường di chuyển cho một lần sạc từ đó được nâng lên [1-8].
- Trong [3], điều khiển lực kéo dựa trên phương pháp ước lượng mô-men xoắn truyền tải tối đa đã được đề xuất.
- Trong [10], điều khiển lực kéo của ô tô điện bằng việc sử dụng một khâu quan sát trượt để nâng cao hiệu quả hoạt động kiểm soát và bảo tồn năng lượng.
- Bộ điều khiển chống lại những bất trắc mô .
- hình được thiết kế để có được lực kéo tối đa bằng cách giới hạn tỷ lệ trượt.
- Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) là hệ thống an toàn chủ động quan trọng nhất cho phương tiện đường bộ.
- Các ABS có thể cải thiện sự an toàn của một chiếc xe trong các điều kiện mặt đường khác nhau vì nó có thể tối đa hóa lực ma sát dọc trục từ đó giữ cho lực ngang trục xe có giá trị lớn.
- Lực ngang trục lớn là một nhân tố giữ cho xe ở trạng thái ổn định [11].
- Hãm tái sinh trong quá trình phanh là một phương pháp để nâng cao hiệu quả sử dụng điện năng, phương pháp này đã được áp dụng trong các loại xe ô tô điện.
- Tuy nhiên, hệ thống phanh cơ khí thông thường phải được giữ lại và làm việc cùng với hệ thống hãm tái sinh do năng lượng tái tạo từ các mô-men xoắn điện năng bị giới hạn bởi nhiều yếu tố, chẳng hạn như tốc độ động cơ, khả năng bộ nạp của bộ biến đổi và nhiệt độ của acquy [9].
- Một số phương pháp điều khiển tiên tiến đã được đề xuất cho hệ ABS, chẳng hạn như FLC [7], điều khiển thích nghi [8].
- TCS và ABS thường được phân tích, thiết kế là hai bộ điều khiển độc lập cho chế độ chạy và chế độ phanh.
- Thực tế vận hành, ô tô thường xuyên chuyển đổi qua lại giữa hai chế độ này.
- Bài báo này xây dựng thuật toán điều khiển ABS và TCS bằng một bộ điều khiển duy nhất, đồng thời bài báo phân tích thuật toán phối hợp điều khiển phanh cơ khí và phanh điện trong chế độ ABS.
- Bố cục bài báo được trình bày như sau: Mục 2 xây dựng mô hình động lực ô tô bao gồm mô hình lốp xe, mô hình động lực học dọc trục thân xe, mô hình phanh thủy lực và lưu đồ phân chia momen phanh.
- Mục 3 đi sâu phân tích, thiết kế bộ điều khiển lực kéo/chống bó phanh.
- Mục 4 trình bày kết quả mô phỏng kiểm chứng khả năng hoạt động của bộ điều khiển trong điều kiện mặt đường trơn trượt bằng phần mềm MATLAB/SIMULINK.
- Mô hình động lực ô tô Cấu trúc của một hệ truyền động trên ô tô điện trong bài báo này được trình bày trên hình 2.
- Xe ô tô sử dụng bốn động cơ được tích hợp trực tiếp vào bánh xe (in-wheel motors.
- Hệ thống phanh thủy lực bao gồm pedal phanh, bộ điều khiển phanh thủy lực, bốn xilanh phanh thủy lực cho bốn bánh và cảm biến tốc độ bánh xe.
- Khi nhấn phanh, bộ điều khiển phanh sẽ tính toán momen phanh cần thiết cho bánh trước và bánh sau dựa trên tín hiệu lực nhấn pedal phanh.
- Từ các giá trị tính toán này bộ điều khiển phanh sẽ ước lượng momen phanh động cơ điện có thể sinh ra dựa trên các yếu tố như tốc độ bánh xe, trạng thái acquy và một số thông tin khác.
- Thuật toán phân bổ momen phanh sẽ tính toán, phân chia momen cần thiết áp đặt cho từng động cơ điện và bộ điều khiển phanh sẽ gửi tín hiệu tính toán được cho bộ điều khiển chuyển động.
- Bộ điều khiển chuyển động sẽ quyết định trạng thái động cơ chạy hay phanh dựa trên yêu cầu momen từ pedal ga và từ bộ điều khiển phanh gửi tới.
- 2 Cấu hình điều khiển chuyển động xe ô tô 2.1.
- Mô hình lốp xe.
- Lốp xe là thành phần kết nối để truyền đạt lực kéo từ ô tô tới mặt đường tạo nên chuyển động theo chiều dọc của xe.
- Mô hình lốp xe mô tả mối liên hệ giữa tỉ lệ trượt với hệ số ma sát giữa bánh xe và mặt đường.
- Các mô hình lốp bao gồm thực nghiệm (semiempirical) và mô hình phân tích.
- Mô hình mô tả tính phi tuyến của lốp xe đã được trình bày trong nhiều công trình nghiên cứu, chẳng hạn như mô hình Burckhardt [9], mô hình lốp LuGre.
- Trong bài báo này, Magic Formula [12] được sử dụng, vì nó là đặc biệt thích hợp cho mục đích phân tích trong khi vẫn giữ được độ chính xác trong các mô tả về hệ số ma sát.
- Trong quá trình ô tô chuyển động, tỷ lệ trượt dọc được định nghĩa là: ax.
- (1) Lực kéo chuyển động được cho bởi.
- (2) Trong đó λ là tỉ lệ trượt, và ω là tốc độ quay của bánh xe.
- Tỉ lệ trượt λ=1 là đặc tính bánh xe bị trượt hoàn toàn trên mặt đường trong chế độ chạy và λ=-1 khi bánh xe bị trượt hoàn toàn trên mặt đường trong chế độ phanh.
- Tỉ lệ trượt λ=0, có nghĩa là không có sự trượt giữa bánh xe và mặt đường tại điểm tiếp xúc.
- λ trong mô hình Magic Formula [12] được mô tả như sau e)0(,)1.05*(e)0 kkekke.
- Mối quan hệ giữa tỉ lệ trượt và hệ số ma sát Hệ số ma sát.
- là một hàm của hệ số điều kiện mặt đường k và tỉ lệ trượt.
- Hình 3 thể hiện mối liên hệ giữa hệ số ma sát µ và tỉ lệ trượt λ trong các điều kiện mặt đường khác nhau, đường asphalt khô (k=1), đường ướt (k=0.5) và đường băng tuyết (k=0.2).
- Ta có thể tính toán được giá trị λ cho giá trị lớn nhất.
- trong các điều kiện mặt đường khác nhau.
- Để tìm giá trị này ta cho ()0 d d.
- Như vậy, với từng điều kiện mặt đường khác nhau, khi đạt tới 0.13.
- lực kéo/phanh đạt giá trị lớn nhất.
- Mô hình xe ô tô.
- Mô hình động lực học dùng để phân tích là mô hình một bánh như mô tả trên hình 4.
- Ở đây có 2 loại momen quán tính là momen bánh xe và momen thân xe.
- Bỏ qua các thành phần chuyển động ngang, biểu thức động lực học dọc trục được mô tả cho xe ô tô như sau: hSmgF x2 F z2 Fx1=F d F z1 a 1 a 2 v ω H.
- Mô hình động lực học dọc trục xe ô tô w d d JTrF dt.
- (8) Ở trạng thái tĩnh phân bố trọng lượng thân xe lên các bánh xe như sau zz stst aa FMgFMg aaaa.
- (9) Khi xe chuyển động sự phân bố trọng lượng của thân xe theo chiều thẳng đứng lên các bánh xe không đều nhau.
- ststdyndyn zzzz FFFF lần lượt là trọng lượng thân xe phân bổ lên các bánh trước và bánh sau ở trạng thái tĩnh và trạng thái động.
- Khi xe tăng tốc, trục trước sẽ trở lên nhẹ hơn, ngược lại khi xe giảm tốc trục sau sẽ trở lên nhẹ hơn so với trạng thái tĩnh.
- Trong bài báo, tác giả sẽ sử dụng mô hình ô tô truyền động cầu trước để phân tích và mô phỏng.
- Khi chuyển động, ô tô chịu 3 lực cản chính là lực cản do ma sát của các bộ phận chuyển động, lực cản gió và lực cản lăn.
- Lực cản do ma sát thường nhỏ hơn nhiều so với hai thành phần còn lại vì vậy trong mô hình sẽ bỏ qua thành phần này.
- Hệ thống phanh thủy lực Trong hầu hết các xe ô tô điện, lực phanh xe được sinh ra bởi hệ thống phanh cơ khí.
- Lực phanh xe sinh ra bởi ma sát giữa má phanh và đĩa phanh trên bánh xe.
- Momen phanh trên các bánh xe phụ thuộc vào áp suất dầu thủy lực trong các xilanh phanh.
- Áp suất dầu thủy lực thay đổi nhờ việc điều tiết đóng mở giữa van dầu vào và van dầu ra.
- Hoạt động của các hệ thống chống bó phanh thường là quá trình chuyển trạng thái on/off của áp suất dầu phanh.
- Khác với hệ thống phanh thủy lực, đáp ứng của động cơ điện rất nhanh, đồng thời momen điều khiển có thể áp đặt một cách chính xác, do đó phanh bằng động cơ điện sẽ tăng cường khả năng chống bó phanh của ô tô điện.
- Hiệu quả của xe ô tô điện với phanh thủy lực là cơ cấu chấp hành của hệ thống chống bó phanh được so sánh trong [10].
- Ngày nay, các nghiên cứu chống bó phanh bằng việc sử dụng động cơ điện làm cơ cấu chấp hành đang được nghiên cứu rộng rãi.
- Trong phần tiếp theo của bài báo, mô hình động lực hệ thống thủy lực của hệ thống phanh được mô tả bởi hàm truyền [9] rake 1 bh T k Ts.
- (11) Trong đó k là hệ số khuếch đại của hệ thống thủy lực, τ là hàng số thời gian của momen phanh thủy lực, T h là momen đặt đầu vào bộ phanh thủy lực.
- T brake là momen phanh thủy lực.
- Thuật toán phanh Khi là cơ cấu chấp hành của hệ thống phanh, động cơ điện không chỉ biến đổi cơ năng chuyển động thành năng lượng điện mà còn có đáp ứng momen hãm nhanh và chính xác.
- Tuy nhiên, momen hãm của động cơ điện bị giới hạn bởi một số nhân tố như tốc độ xe, trạng thái acquy.
- Vì vậy quá trình phanh phải phối hợp giữa phanh bằng động cơ điện với hệ thống phanh cơ khí.
- Đối với hệ thống phanh trên ô tô điện cần có một thuật toán để quyết định phân bổ lực phanh giữa hệ thống phanh cơ khí và phanh tái sinh bằng động cơ điện trong trường hợp phanh thông thường và phanh khẩn cấp.
- Hình 5 chỉ ra rằng, nếu momen hãm lớn nhất của động cơ điện T max nhỏ hơn so với momen phanh yêu cầu T br thì cả động cơ điện và hệ thống phanh cơ khí sẽ làm việc cùng nhau.
- Momen phanh của động cơ điện sẽ bằng giá trị lớn nhất có thể.
- Phần còn lại sẽ do hệ thống phanh thủy lực T h đảm nhiệm.
- Nếu momen hãm lớn nhất của động cơ điện lớn hơn so với momen phanh yêu cầu thì chỉ có hệ thống phanh bằng động cơ điện hoạt động, bộ điều khiển chuyển động sẽ điều chỉnh dòng điện động cơ để sinh ra momen hãm bằng giá trị momen phanh yêu cầu.
- 18 V và Vw ở chế độ kết hợp điều khiển phanh thủy lực và hãm tái sinh.
- Kết luận Bài báo trình bày phương pháp mô hình hóa và ước lượng momen hiệu quả tối đa cho điều khiển chuyển động dọc trục ô tô điện.
- Báo cáo đề xuất thuật toán mở rộng khả năng ước lượng momen cho chế độ chạy/phanh xe cũng như phối hợp giữa phanh cơ khí và hãm tái sinh bằng động cơ điện.
- Các mô phỏng trên Matlab/Simulink cho kết quả tốc độ xe và bánh xe được kiểm soát ổn định trong cả vùng tốc độ thấp và tốc độ cao.
- Tuy nhiên phương pháp này dựa trên giả định xe di chuyển trên một đường thẳng tất cả các bánh xe tiếp xúc với mặt đường với cùng một hệ số ma sát.
- Hiện nay, anh làm NCS chuyên ngành thiết bị và hệ thống điều khiển tự động tại trường đại học Bách Khoa Hà Nội.
- Hướng nghiên cứu chính là điện tử công suất, truyền động điện, thiết kế và thực hiện các hệ thống điều khiển, các thiết bị biến đổi công suất và hệ thống mạng công nghiệp.
- Minh tập trung vào điều khiển các hệ truyền động điện, điện tử công suất, các ứng dụng cho ô tô điện và năng lượng mới