LATS Nghiên cứu hệ thống ABS dẫn động khí nén

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hồ Hữu Hùng

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ABS DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 62520116

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – 2015


Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS. TS. Lưu Văn Tuấn
2. PGS. TS. Đào Mạnh Hùng

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ
cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Trên thế giới, các hãng sản xuất lớn đã nghiên cứu rất sâu về hệ thống ABS,
có thực nghiệm kiểm chứng và đã ứng dụng thương mại vào hầu hết các loại xe.
Tuy nhiên các tài liệu, kết quả nghiên cứu là tư liệu riêng của các hãng, không được
công bố hoặc có công bố chỉ mang tính chất hướng dẫn sử dụng.
Trong khi đó, các xe tải hiện đang sử dụng trong nước đa số sử dụng hệ
thống phanh khí nén và không có ABS. Do đó, việc nghiên cứu, làm chủ kỹ thuật
ABS khí nén có ý nghĩa thực tiễn đối với ngành công nghiệp ô tô trong nước.
Đề tài khoa học công nghệ cấp nhà nước: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử
nghiệm hệ thống ABS cho hệ thống phanh khí nén dùng trên ô tô lắp ráp tại Việt
Nam”, mã số KC.03.05/11-15 (sau đây gọi tắt là đề tài KC.03.05/11-15) do Trường
Đại học Bách khoa Hà Nội chủ trì thực hiện nhiều nội dung nghiên cứu, chế tạo các
cụm chi tiết trong hệ thống ABS. Trong các nội dung nghiên cứu của đề tài
KC.03.05/11-15, nội dung nghiên cứu, chế tạo bộ điều khiển điện tử yêu cầu có các
kết quả nghiên cứu chi tiết về phương pháp và thuật toán điều khiển ABS và giá trị
ngưỡng điều khiển ABS. Đây là vấn đề nghiên cứu không được các hãng công bố,
cần phải có phương pháp nghiên cứu khoa học, trang thiết bị hiện đại để hoàn thiện
nghiên cứu.
Xuất phát từ những yêu cầu thực tế trên, nghiên cứu sinh chọn đề tài:
“Nghiên cứu hệ thống ABS dẫn động khí nén” nhằm triển khai một số nội dung
nghiên cứu của đề tài KC.03.05/11-15.
Mục đích nghiên cứu
Luận án được thực hiện nhằm nghiên cứu, đề xuất phương pháp điều khiển,
thuật toán điều khiển và xác định giá trị ngưỡng điều khiển cho hệ thống phanh khí

nén có ABS trên xe ô tô tải. Kết quả nghiên cứu của luận án là các thông số quan
trọng cho đề tài KC.03.05/11-15 ứng dụng để chế tạo bộ điều khiển điện tử cho hệ
thống phanh khí nén có ABS.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Hiện nay trong nước có nhiều doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp ô tô sử dụng hệ
thống phanh khí nén với sản lượng và chủng loại ngày càng tăng. Tuy nhiên đa số
các chủng loại ô tô này chưa được trang bị ABS. Do đó, việc nghiên cứu hệ thống
phanh ABS khí nén để từng bước nghiên cứu chế tạo, thay thế các cụm chi tiết
trong hệ thống ABS của các hãng có ý nghĩa thực tiễn đối với ngành công nghiệp ô
tô và công nghiệp phụ trợ trong nước.
Kết quả nghiên cứu của luận án được đề tài KC.03.05/11-15 ứng dụng vào
sản xuất thử nghiệm bộ điều khiển điện tử ABS cho hệ thống phanh khí nén trên xe
ô tô tải. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống ABS hoạt động ổn định, hiệu quả
phanh của ô tô trong trường hợp có ABS được cải thiện so với trường hợp không có
ABS.
-1-


Luận án đã giải quyết được các vấn đề: Xây dựng mô hình mô phỏng hệ
thống phanh khí nén có ABS, đề xuất một thuật toán điều khiển hệ thống theo gia
tốc góc bánh xe; Thông qua bước mô phỏng hoạt động của hệ thống trên máy tính,
luận án sơ bộ xác định được ngưỡng giá trị gia tốc góc của bánh xe để điều khiển
hoạt động của ABS; Nghiên cứu thực nghiệm nhằm hiệu chỉnh giá trị ngưỡng gia
tốc góc điều khiển. Đây là các vấn đề có ý nghĩa khoa học, là cơ sở cho các nghiên
cứu hoàn thiện tiếp theo của hệ thống ABS khí nén.

Equation Chapter (Next) Section 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Hệ thống phanh ABS khí nén trên xe ô tô
ABS (Anti-lock Braking System) là hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi

phanh. ABS nâng cao tính ổn định hướng chuyển động của ô tô khi phanh, duy trì
khả năng dẫn hướng và giảm quãng đường phanh [69]. Trong trường hợp phanh
trên đường khô và với vận tốc cao (trên 35 km/h), quãng đường phanh khi có ABS
ngắn hơn khi không có ABS. Tuy nhiên, trong trường hợp phanh từ vận tốc thấp
hơn, phanh trên đường trơn trượt, quãng đường phanh khi có ABS có thể dài hơn
khi không có ABS [59]. Hiệu quả của ABS khi phanh ở vận tốc thấp không cao nên
hệ thống ABS không được kích hoạt. Giới hạn vận tốc của ô tô trước khi phanh để
kích hoạt hệ thống ABS khác nhau theo từng loại xe và theo nhà sản xuất ABS. Hệ
thống ABS lắp trên xe tải rơ moóc hoặc sơ mi rơ moóc giúp hạn chế được nguy cơ
đầu kéo bị quay ngược (jackknifing) khi phanh gấp, nâng cao tính an toàn cho ô tô.
Hơn nữa, các bánh xe không bị trượt lết trong quá trình phanh nên hạn chế được tốc
độ mài mòn của lốp xe [69].
So với hệ thống phanh thủy lực có ABS, hệ thống phanh ABS khí nén có tần
số làm việc thấp hơn do quá trình biến đổi áp suất khí nén trong bầu phanh chậm
hơn nhiều so với quá trình biến đổi áp suất dầu trong hệ thống phanh thủy lực. Theo
công bố của hãng Wabco [67], [68], [69], tần số hoạt động của hệ thống ABS khí
nén do hãng chế tạo nằm trong khoảng từ 3 đến 5 Hz.
Trên thế giới, ABS liên tục được nghiên cứu và phát triển nên hiệu quả của
hệ thống ngày càng cao. Ban đầu, hệ thống ABS khí nén lắp đặt trên xe tải như một
lựa chọn thêm cho sự an toàn, nhưng với hiệu quả vượt trội của nó nên từ năm
1991, các nước Châu Âu đã bắt buộc các hãng phải lắp ABS lên xe tải hạng nặng,
đến năm 1998 tiếp tục áp dụng bắt buộc trên các loại xe tải hạng nhẹ [49]. Hiện
nay, ABS được lắp đặt rộng rãi trên hầu hết các loại xe, kể cả máy kéo nông nghiệp
như một tiêu chuẩn an toàn [36].
1.2. Lịch sử phát triển hệ thống ABS khí nén
Quá trình phát triển hệ thống phanh ABS đã trải qua thời gian rất dài với
nhiều thành tựu đáng kể.
-2-

Hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô đến nay đã khá hoàn thiện về kết
cấu, tính năng và chất lượng điều khiển. Nghiên cứu điều khiển hệ thống phanh
ABS là cơ sở để phát triển và tích hợp các hệ thống điều khiển tích cực khác trên
xe.
1.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Các hãng lớn như Wabco, Bendix, Bosch … đều các có nghiên cứu rất sâu
vào hệ thống ABS, có phòng thí nghiệm nghiên cứu cảm biến, tối ưu kết cấu van
chấp hành cũng như thuật toán điều khiển và thiết kế bộ điều khiển … Sản phẩm
của các hãng được thử nghiệm, tối ưu hóa thiết kế và sản xuất thương mại để lắp
đặt trên xe ô tô. Tuy nhiên tài liệu nghiên cứu của các hãng xe là tài liệu bí mật,
không được công bố.
1.4. Tình hình nghiên cứu trong nước
Các công trình nghiên cứu trong nước đã có nhiều ý nghĩa quan trọng trong
việc hoàn thiện cơ sở lý thuyết quá trình phanh cũng như giải quyết các vấn đề về
điều khiển quá trình phanh. Tuy nhiên, các nghiên cứu sâu về hệ thống ABS còn
hạn chế, chủ yếu tập trung nghiên cứu ABS cho hệ thống phanh thủy lực bằng mô
hình mô phỏng, các thực nghiệm chủ yếu được thực hiện trên mô hình có tính chất
minh họa trong phòng thí nghiệm. Một số ít công trình nghiên cứu về hệ thống ABS
khí nén nhưng đều chỉ dừng lại ở mô phỏng trên máy tính, chưa có các nghiên cứu
thực nghiệm để hoàn thiện nghiên cứu.
1.5. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống phanh khí nén và hệ thống
ABS (cảm biến, van chấp hành ABS, bộ điều khiển) sử dụng cho xe ô tô tải cỡ
trung bình.
Van chấp hành ABS do đề tài KC.03.05/11-15 chế tạo theo mẫu van chấp
hành ABS của hãng Wabco. Các trạng thái tăng áp, giảm áp, giữ áp được điều
khiển bởi 2 van: van điện từ điều khiển cấp khí và van điện từ điều khiển xả khí.
Bảng trạng thái sau thể hiện hoạt động của van chấp hành ABS khi điều khiển
ON/OFF các van điện từ.
1.6. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu
 Nghiên cứu, xác định được khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống
phanh khí nén có ABS trên xe nghiên cứu;
 Xây dựng được mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô trong quá trình phanh
và hệ thống phanh dẫn động khí nén có ABS nhằm phục vụ nghiên cứu, mô
phỏng xác định ngưỡng điều khiển và quá trình điều khiển hệ thống;
 Đề xuất được một thuật toán điều khiển hệ thống ABS dẫn động khí nén theo
gia tốc góc bánh xe và xác định được bộ giá trị ngưỡng gia tốc góc bánh xe
dùng để điều khiển chuyển pha làm việc của các van chấp hành ABS trong quá
trình ABS khí nén hoạt động.
-3-


Phạm vi nghiên cứu
Luận án thực hiện nghiên cứu hệ thống ABS dẫn động khí nén trên ô tô tải
cỡ trung bình, sử dụng vành răng cảm biến và van chấp hành ABS do đề tài
KC.03.05/11-15 chế tạo. Hệ thống ABS dẫn động khí nén trên xe nghiên cứu sử
dụng thông số từ bốn cảm biến đo vận tốc góc của bốn bánh xe để điều khiển bốn
van chấp hành ABS độc lập, do đó luận án nghiên cứu thuật toán điều khiển hệ
thống ABS theo gia tốc góc của các bánh xe khi phanh. Luận án nghiên cứu mô
phỏng chuyển động của xe trong quá trình phanh trên đường bằng, phẳng và nghiên
cứu mô phỏng hệ thống phanh dẫn động khí nén có ABS bằng phần mềm Matlab –
Simulink, Matlab – StateFlow, chưa xét đến quá trình phanh khi xe quay vòng và
phanh trên đường có hệ số bám khác nhau giữa hai vết bánh xe. Qua quá trình mô
phỏng hoạt động của hệ thống trên máy tính, luận án xác định được gần đúng bộ giá
trị ngưỡng gia tốc góc điều khiển ABS. Luận án thực hiện các nghiên cứu thực
nghiệm trên các loại đường thẳng, bề mặt đường đồng nhất phủ nhựa asphalt (khô
và ướt), phủ bê tông (khô và ướt) ở các dải vận tốc khác nhau (từ 30 km/h đến 60
km/h) nhằm chính xác hóa bộ giá trị ngưỡng gia tốc góc điều khiển ABS và đánh
giá hiệu quả hoạt động của toàn bộ hệ thống.

1.7. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu
 Nghiên cứu hệ thống phanh ABS khí nén trên ô tô;
 Nghiên cứu cảm biến và phương pháp đo vận tốc góc, gia tốc góc bánh xe;
 Nghiên cứu khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh khí nén có
ABS;
 Nghiên cứu, xây dựng thuật toán điều khiển hệ thống phanh ABS khí nén;
 Nghiên cứu, xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô tải trong quá
trình phanh;


Nghiên cứu, xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh ABS khí nén;

 Nghiên cứu, xác định ngưỡng điều khiển của hệ thống ABS khí nén;
 Nghiên cứu thực nghiệm hệ thống phanh ABS khí nén trên đường thử nghiệm.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết: xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống trên máy tính,
thực hiện mô phỏng để khảo sát đặc tính của hệ thống, từ đó xác định sơ bộ giá trị
ngưỡng điều khiển.
Nghiên cứu thực nghiệm: Được thực hiện nhiều lần trên cơ sở giá trị ngưỡng
điều khiển được xác định sơ bộ từ mô phỏng lý thuyết, phân tích, đánh giá kết quả
nhằm điều chỉnh giá trị ngưỡng điều khiển để hệ thống hoạt động tốt trong thực tế.
1.8. Kết luận chương 1
Hệ thống ABS khí nén liên tục được nghiên cứu hoàn thiện về kết cấu và
tính năng làm việc, được lắp đặt thương mại trên nhiều loại xe tải khác nhau. Ở các
-4-


nước phát triển, hệ thống ABS khí nén bắt buộc phải được lắp đặt trên xe ô tô tải
như một tiêu chuẩn an toàn.

Trên thế giới, việc nghiên cứu, hoàn thiện hệ thống ABS khí nén đang được
nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và đạt được nhiều thành tựu. Tuy nhiên,
kết quả nghiên cứu được công bố mang tính chất giới thiệu, chưa đủ chi tiết để có
thể triển khai ứng dụng vào thực tế. Việc nghiên cứu, ứng dụng công nghệ ABS vào
sản xuất ô tô trong nước còn nhiều hạn chế.
Tại Việt Nam, có một số công trình nghiên cứu về hệ thống ABS nhưng chủ
yếu tập trung vào ABS dành cho hệ thống phanh thủy lực. Cần có nhiều nghiên
cứu, chế tạo thử nghiệm tiếp theo để từng bước làm chủ công nghệ ABS khí nén
trên xe ô tô.
Việc nghiên cứu nhằm từng bước làm chủ kỹ thuật, công nghệ ABS khí nén
trên các xe ô tô có ý nghĩa thực tiễn và khoa học, giúp phát triển nền công nghiệp
phụ trợ sản xuất ô tô, nâng cao chất lượng và cạnh tranh về giá thành cho ô tô sản
xuất trong nước sản xuất.
Luận án được nghiên cứu nhằm giải quyết các vấn đề phức tạp trong nội
dung thiết kế, chế tạo bộ điều khiển điện tử cho hệ thống phanh khí nén có ABS của
đề tài KC.03.05/11-15. Kết quả nghiên cứu của luận án được đề tài KC.03.05/11-15
ứng dụng, chế tạo thành công bộ điều khiển điện tử hệ thống ABS.

Equation Chapter (Next) Section 1

-5-


CHNG 2. C S Lí THUYT
2.1. Quy trỡnh nghiờn cu
Quy trỡnh nghiờn cu, xỏc nh ngng iu khin c mụ t nh s
trờn Hỡnh 2. 1.
Bắt đầu

Biết mục tiêu:

Độ trượt từ 10 - 30%

Mô phỏng theo
độ trượt

Không đạt

Phân tích, đánh giá
& hiệu chỉnh
Đạt

- Xác định được miền biến thiên gia tốc góc;
- Xác định được gia tốc góc tại thời điểm chuyển pha.

Mô phỏng theo
gia tốc góc
Mô phỏng lý thuyết

Không đạt

Phân tích, đánh giá
& hiệu chỉnh
Đạt

Xác định được bộ ngưỡng gia tốc góc (lý thuyết)

Thực nghiệm
nghiên cứu thực nghiệm

Không đạt

Phân tích, đánh giá
& hiệu chỉnh
Đạt

Xác định được bộ ngưỡng gia tốc góc (thực tế)

Kết thúc

Hỡnh 2. 1. Quy trỡnh nghiờn cu, xỏc nh ngng iu khin

2.2. Phng phỏp iu khin ABS
duy trỡ c lc phanh ln v kh nng iu khin hng chuyn ng
cn thc hin iu khin duy trỡ h s bỏm dc x v h s bỏm ngang y cú
-6-


giá trị lớn. Tuy nhiên, rất khó để xác định độ trượt của bánh xe khi phanh do vận
tốc dài của bánh xe và bán kính động lực học bánh xe là những đại lượng rất khó
xác định được chính xác.
Thực tế giới hạn điều khiển ABS theo độ trượt có thể thay đổi trong phạm vi
lớn. Do đó căn cứ theo ngưỡng độ trượt của các bánh xe để điều khiển ABS có thể
khiến mức độ hiệu quả phanh không giống nhau trên các loại đường khác nhau và
khi sử dụng các loại lốp khác nhau.
Mặt khác, gia tốc góc của bánh xe khi phanh là đạo hàm theo thời gian của
vận tốc góc bánh xe nên nó thể hiện xu hướng bó cứng của bánh xe. Vận tốc góc
bánh xe b có thể dễ dàng xác định với độ chính xác tương đối cao bằng cảm biến
vận tốc góc, từ đó hệ thống dễ dàng tính toán được gia tốc góc của các bánh xe trên
cơ sở đạo hàm giá trị vận tốc góc đo được đó. Do đó luận án chọn phương pháp
điều khiển ABS theo gia tốc góc của bánh xe khi phanh.

2.3. Nghiên cứu khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống
phanh khí nén có ABS
Để xây dựng được phương pháp và thuật toán điều khiển hệ thống ABS, cần
thiết phải nghiên cứu đặc tính của đối tượng điều khiển. Một trong số các đặc tính
quan trọng, quyết định đến phương pháp và thuật toán điều khiển là khả năng đáp
ứng tần số điều khiển của đối tượng điều khiển.
Mỗi chu kỳ làm việc của ABS, áp suất khí nén trong bầu phanh có thể thay
đổi qua ba trạng thái tăng áp, giữ áp và giảm áp. Nếu chu trình làm việc của hệ
thống chỉ gồm 2 pha tăng và giảm áp suất với độ dài mỗi pha được xác định hợp lý
thì hệ thống sẽ đáp ứng được với tần số cao hơn.
2.4. Xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô trong quá
trình phanh
2.4.1. Chuyển động của ô tô trong quá trình phanh trên đường bằng phẳng
Trong quá trình phanh, ảnh hưởng của dao động khung xe, dầm cầu và bánh
xe rất nhỏ so với sự phân bố lại trọng lượng lên các cầu xe. Hơn nữa đối tượng khảo
sát là quá trình phanh trên đường thẳng, bằng phẳng của xe tải, nên để đơn giản,
luận án đã giả thiết khung xe, dầm cầu và bánh xe là một khối thống nhất (bỏ qua
hệ thống treo), chỉ xét đến sự phân bố lại trọng lượng lên các cầu xe để nghiên cứu
quá trình phanh.
Trong quá trình phanh, lực cản không khí và lực cản lăn rất nhỏ so với lực
phanh [4] nên luận án bỏ qua các lực này trong quá trình tính toán. Do vậy, phương
trình chuyển động của ô tô khi phanh có thể viết lại thành:
(2.11)
mx   Fbf  Fbr
2.4.2. Động lực học bánh xe trong quá trình phanh
Với giả thiết bỏ qua lực cản lăn, phương trình chuyển động quay của bánh
xe khi phanh được xác định như sau [57], [58], [64]:
-7-

J bx  M b  Fx rd

(2.12)

2.4.3. Sự phân bố lại trọng lượng khi phanh
Trọng lượng phân bố lên cầu xe cần phải được xác định để có thể tính toán
lực phanh tác dụng lên bánh xe. Trong quá trình phanh, trọng lượng của xe phân bố
lên các cầu biến đổi theo gia tốc chậm dần x của xe, được xác định theo các công
thức:
Phân bố trên cầu trước: Fzf 
Phân bố trên cầu sau: Fzr 

m
 gb  xhg 
L

m
 ga  xhg 
L

(2.13)
(2.14)

2.4.4. Mô hình mô phỏng chuyển động của xe
Từ phương trình (2.21) xác định được vận tốc dọc của ô tô như sau:
t

vx  
0

Fbf  Fbr
m

dt  v0

(2.15)

2.4.5. Mô hình mô phỏng bánh xe
Khi mô phỏng chuyển động quay của bánh xe, luận án sử dụng phương trình
chuyển động quay của bánh xe khi phanh (2.12). Gia tốc góc của bánh xe được xác
định từ công thức (2.12):



M b  Fx rd
Jbx

(2.16)

Từ đó, vận tốc góc của bánh xe được xác định theo công thức :
t

M b  Fx rbx
 0
Jbx
0

 

(2.17)

Các thông số v x xác định theo công thức (2.15) và  xác định theo công
thức (2.17) là cơ sở để xác định độ trượt của bánh xe.
2.5. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén
Mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén trên xe ô tô tải sử dụng các giả
thiết:
 Lực đạp phanh của người lái đủ để van phân phối mở hoàn toàn tại thời điểm
bắt đầu mô phỏng;
 Áp suất khí nén trong các bình chứa không thay đổi trong quá trình phanh,
có giá trị bằng nhau và bằng 0,8 MPa;
2.5.1. Cơ sở tính toán áp suất và lưu lượng khí nén trong hệ thống phanh
Phương trình trạng thái của khí lý tưởng ở trạng thái đẳng nhiệt:
pV  nRT
-8-

(2.18)


Lưu lượng khối của chất khí chảy qua một tiết lưu có thể xác định theo công
thức [38]:

p  pd  pa 

Qw  Cv K g

(2.20)

GTu

Khi có lưu lượng khí nén đi vào và đi ra khỏi một dung tích, áp suất trong

dung tích đó thay đổi và có thể được mô tả như sau [38]:
dpd
1
Qw, in  Qw, out 

dt
Cn 

(2.21)

Khí dung của chất khí ( Cn ) được tính theo công thức [38]:
Cn 

gV
kRT

(2.22)

2.5.2. Mô hình mô phỏng van phân phối
Khi người lái đạp phanh, lưu lượng khí nén đi qua khoang dưới ra cầu trước
là Q1, đi qua khoang phía trên ra cầu sau là Q2 được xác định như sau:
Q1  Cv1 K g

( pTank 2  p1 )( p1  pa )
GTu

(2.24)

Q2  Cv 2 K g

( pTank 1  p2 )( p2  pa )
GTu

(2.25)

2.5.3. Mô hình mô phỏng van xả nhanh ở dòng phanh cầu trước
Áp dụng phương trình (2.20) có thể xác định được các lưu lượng khí nén đi
ra khỏi van xả nhanh đến các bầu phanh như sau:
Q11  K g Cv

( p1  p11 )( p11  pa )
GTu

(2.28)

Q12  K g Cv

( p1  p12 )( p12  pa )
GTu

(2.29)

2.5.4. Mô hình mô phỏng van gia tốc trên dòng phanh cầu sau
Áp dụng phương trình (2.20), phương trình xác định các lưu lượng Q21 và
Q22 đến bầu phanh phía sau bên trái và bầu phanh phía sau bên phải khi van gia tốc
mở hoàn toàn như sau:

Q21  K g Cv

 pTank1  p21  pTank1  p21 

GTu
-9-

(2.31)


Q22  K g Cv

 pTank1  p22  pTank1  p22 
GTu

(2.32)

2.5.5. Mô hình mô phỏng bầu phanh và cơ cấu phanh
Áp dụng phương trình (2.21) với lưu ý thể tích bầu phanh thay đổi do màng
bầu phanh dịch chuyển có được phương trình xác định biến thiên áp suất như sau
[7]:

dPCha
p F dy
kRT

(QCha  Cha
)
dt
g  yF  Vo 
kRT dt

(2.33)

Phương trình chuyển động của màng bầu phanh và cần đẩy như sau:
m

d2y
dy
 pCha F  ( yi  yo )C  yClx  b
dt 2
dt

(2.34)

Mô men phanh tại các bánh xe được xác định theo công thức sau:

M   yi  y0  C ' r

(2.35)

Trong đó: C ' là hệ số mô men của cơ cấu phanh [N/m]; r: Bán kính của
trống phanh [m].
2.6. Kết luận chương 2
Điều khiển quá trình phanh để duy trì độ trượt trong khoảng nhất định sẽ
giúp duy trì giá trị hệ số bám dọc và hệ số bám ngang cao, nhờ đó nâng cao tính ổn
định hướng chuyển động và hiệu quả phanh của ô tô. Tuy nhiên, độ trượt của bánh
xe khi phanh là đại lượng rất khó xác định chính xác nên khó thực hiện điều khiển
hệ thống căn cứ theo độ trượt của bánh xe. Trong khi đó, gia tốc góc của bánh xe
thể hiện xu hướng bó cứng của bánh xe khi phanh. Hơn nữa, gia tốc góc có thể xác
định dễ dàng thông qua cảm biến đo vận tốc góc bánh xe. Do đó luận án chọn
phương pháp điều khiển ABS theo gia tốc góc bánh xe.
Việc xác định khả năng đáp ứng tần số điều khiển của đối tượng điều khiển
là cần thiết và có ý nghĩa quan trọng đối với việc đề xuất thuật toán và các thông số

điều khiển khác.
Việc xác định ngưỡng điều khiển là quá trình phức tạp. Để giảm thời gian và
chi phí nghiên cứu, luận án tiến hành nghiên cứu thông qua các bước: mô phỏng
trên máy tính để điều chỉnh thuật toán điều khiển và xác định sơ bộ ngưỡng điều
khiển; nghiên cứu thực nghiệm trên cơ sở kết quả nghiên cứu lý thuyết nhằm chính
xác hóa các thông số cần xác định. Để có cơ sở thực hiện mô phỏng trên máy tính,
luận án đã xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô, kết hợp với mô hình
mô phỏng của hệ thống phanh và hệ thống ABS để có được đối tượng nghiên cứu
hoàn chỉnh.

Equation Chapter (Next) Section 1
- 10 -


CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ABS
DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN

Ap suat khi nen [MPa]

3.1. Khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống ABS
Thực hiện nội dung nghiên cứu đã trình bày ở mục 2.2 với dãy xung điều
khiển có tần số thay đổi lần lượt từ 0,5 Hz, 1 Hz, … 10 Hz để điều khiển van chấp
hành ABS hoạt động ở chế độ tăng áp và giảm áp luân phiên nhau với tỉ lệ thời gian
tăng áp/giảm áp là 60/40
%.
0.9
0.8
Thống kê lại giá
trị áp suất khí nén trong
0.7

Ap suat binh chua
Ap suat bau phanh cao nhat
bình chứa và giá trị áp
0.6
Ap suat bau phanh thap nhat
suất cao nhất và thấp
0.5
nhất trong bầu phanh
0.4
phía sau theo tần số của
0.3
xung điều khiển, luận án
0.2
xây dựng được đồ thị
0.1
như .
0
Từ đó có thể nhận
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

định rằng, khi tần số điều
Tan so dieu khien [Hz]
khiển từ 5 Hz trở lên, Hình 3. 2. Quy luật biến thiên giá trị áp suất cao nhất và thấp
giá trị cao nhất của áp nhất trong bầu phanh phía sau theo tần số của xung điều khiển
suất trong bầu phanh
không lớn, áp suất biến thiên trong phạm vi nhỏ làm giảm ý nghĩa của ABS. Từ đó,
khi thiết kế bộ điều khiển ABS, không nhất thiết phải lấy mẫu tín hiệu từ các cảm
biến đo vận tốc góc bánh xe với tần số quá cao và chương trình điều khiển của bộ
điều khiển cần thiết kế để phù hợp với khả năng đáp ứng của hệ thống.
3.2. Thuật toán điều khiển hệ thống ABS
Khi cấp nguồn điện, bộ điều khiển làm việc và liên tục theo dõi vận tốc góc,
gia tốc góc của các bánh xe và ở trạng thái chờ. Khi người lái đạp phanh (có tín
hiệu từ công tắc đèn báo phanh), bộ điều khiển lập tức chuyển sang chế độ hoạt
động. Lúc này bộ điều khiển tính toán vận tốc dài của ô tô (v) và so sánh với giá trị
được đặt trước ( v0 ).Nếu vận tốc dài của ô tô nhỏ hơn  v  v0  , hệ thống phanh
không kích hoạt chế độ có điều khiển của ABS mà chỉ hoạt động như trạng thái
phanh bình thường. Nếu vận tốc dài của ô tô lớn hơn  v  v0  , bộ điều khiển sẽ
chạy chương trình điều khiển ABS đã được lập trình sẵn.

- 11 -


Pha hoạt động mặc định đầu
tiên của chu trình điều khiển là pha
tăng áp. Khi đó áp suất khí nén
trong bầu phanh tăng dần, mô men
phanh tăng theo làm gia tốc góc
của bánh xe giảm dần. Khi gia tốc
góc giảm đến giá trị nhỏ hơn giá trị
ngưỡng 1   1  , ECU điều

khiển chuyển sang trạng thái giữ
nguyên áp suất trong bầu phanh.
Nếu gia tốc góc của bánh xe chưa
giảm quá giá trị ngưỡng
1   1  , ECU tiếp tục điều
khiển hệ thống hoạt động ở trạng
thái tăng áp suất trong bầu phanh.
Áp suất trong bầu phanh
duy trì ở mức cao khiến gia tốc góc
bánh xe tiếp tục giảm, khi gia tốc
góc giảm đến giá trị nhỏ hơn giá trị
ngưỡng  2     2  thì ECU điều
khiển giảm áp suất trong bầu
phanh. Nếu gia tốc góc của bánh
xe chưa giảm quá giá trị ngưỡng
 2     2  , ECU tiếp tục điều
khiển hệ thống hoạt động ở trạng
thái giữ nguyên áp suất trong bầu
phanh.
Khi ECU điều khiển chuyển
Hình 3. 3.. Lưu đồ thuật toán điều khiển
sang trạng thái giảm áp, áp suất
ABS theo gia tốc góc bánh xe
trong bầu phanh giảm, mô men
phanh giảm theo làm gia tốc góc của bánh xe tăng dần. Khi gia tốc góc bánh xe tăng
vượt quá giá trị ngưỡng  3    3  thì ECU điều khiển chuyển sang pha giữ
nguyên áp suất. Nếu quá trình giảm áp chưa đủ để gia tốc góc bánh xe tăng vượt
quá giá trị ngưỡng  3     3  thì ECU tiếp tục điều khiển hệ thống hoạt động ở
trạng thái giảm áp suất trong bầu phanh.
Theo quán tính, gia tốc góc bánh xe tiếp tục tăng, và khi tăng vượt quá giá trị

ngưỡng  4     4  , ECU sẽ điều khiển chuyển sang pha tăng áp suất trong bầu
phanh. Nếu quá trình giữ áp chưa đủ để gia tốc góc bánh xe tăng vượt quá giá trị
ngưỡng  4     4  thì ECU tiếp tục điều khiển hệ thống hoạt động ở trạng thái giữ
nguyên áp suất trong bầu phanh.
- 12 -


Chu trình điều khiển được lặp lại như vậy cho đến khi vận tốc dài của ô tô
giảm xuống thấp hơn mức được đặt trước (v1) thì chuyển quá trình phanh sang kiểu
phanh bình thường (van chấp hành ABS liên tục ở trạng thái tăng áp) cho đến khi
kết thúc quá trình phanh.
3.3. Cảm biến và phương pháp đo vận tốc góc bánh xe
Xe nghiên cứu là xe tải sử dụng hệ thống phanh khí nén không có ABS. Do
đó đề tài KC.03.05/11-15 cần phân tích đặc điểm kết cấu của xe nghiên cứu để chọn
phương án lắp đặt vành răng đo vận tốc góc bánh xe, tính chọn cảm biến và tính số
răng của vành răng để đảm bảo hệ thống ABS làm việc ổn định. Đây là cơ sở để
luận án nghiên cứu, đề xuất thuật toán điều khiển hệ thống và nghiên cứu xác định
các ngưỡng điều khiển.
3.3.1. Cảm biến đo vận tốc góc bánh xe
Cảm biến được lựa chọn là một loại cảm biến điện từ của hãng Omron, có
mã hiệu E2A-S08KS02-WP-C1 2M. Đây là loại cảm biến thông dụng trong công
nghiệp, dễ tìm mua và giá thành rẻ.
Các thông số khác của cảm biến như sau:
 Tần số làm việc lớn nhất: 1.500 Hz;
 Điện áp hoạt động: 12 – 24 V (tối đa tới 32V).
3.3.2. Vành răng cảm biến
Đề tài KC.03.05/11-15 đã thiết kế và chế tạo rành răng cảm biến đo vận tốc
góc bánh xe. Vành răng được lắp lên phần trống phanh có đường kính 358 mm, có
các thông số chính như sau:
 Số răng: 120 răng;

 Bề rộng răng: 5 mm;
 Khoảng cách giữa hai răng: 5 mm;
3.3.3. Phương pháp đo vận tốc góc và gia tốc góc bánh xe
Để đo vận tốc góc bằng cảm biến điện từ kết hợp với rành răng, luận án sử
dụng phương pháp đo tần số. Vận tốc góc của bánh xe (rad/s) được xác định theo
công thức sau:



nx 2
tm p

(3.1)

Gia tốc góc của bánh xe được tính toán dựa trên đạo hàm của vận tốc góc.
Trong thiết kế phần cứng ECU, vi điều khiển được tính toán gia tốc góc bánh xe
trên cở sở đạo hàm số. Gia tốc góc bánh xe sau thời gian lấy mẫu k được xác định
theo công thức:

k 

k  k 1
tm

(rad / s 2 )

(3.2)

- 13 -

3.4. Mô hình mô phỏng hoạt động của hệ thống ABS
3.4.1. Mô hình mô phỏng van chấp hành ABS
Áp dụng phương trình (2.20), lưu lượng khí nén Qin đi qua van ABS đến
bầu phanh trong pha tăng áp và lưu lượng khí nén Qout xả qua van ABS trong pha
giảm áp được xác định như sau:

Qin  K g Cv
Qout  K g Cv

 p  pcha  pcha  pa 
GTu

Ctr _ Sup

 pcha  pa  pa  pa 
GTu

Ctr _ Exh

(3.3)
(3.4)

Ctr_Sup và Ctr_Exh là biến điều khiển dòng khí nén đi vào bầu phanh và
biến điều khiển xả khí nén ra khỏi bầu phanh. Các biến này có giá trị bằng 0 hoặc 1
tùy theo tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển.
3.4.2. Mô hình mô phỏng cảm biến đo vận tốc góc bánh xe
Trên thực tế, cảm biến đo vận tốc góc bánh xe kiểu cảm biến điện từ và vành
răng yêu cầu khoảng thời gian t m để đo và cập nhật về cho vi xử lý. Trong mỗi chu
kỳ lấy mẫu t m , giá trị vận tốc góc mà vi xử lý nhận được là hằng số.

Sử dụng khối Zero order hold để giữ giá trị vận tốc góc không đổi trong suốt
thời gian đúng bằng thời gian lấy mẫu. Sau thời gian lấy mẫu trên, bộ điều khiển
được cập nhật các giá trị vận tốc góc bánh xe mới.
3.4.3. Mô hình mô phỏng bộ điều khiển
Hệ thống phanh ABS có các trạng thái hoạt động: Phanh thường (không kích
hoạt ABS), tăng áp, giữ áp, giảm áp và liên tục có sự chuyển đổi qua lại giữa các
trạng thái đó. Do đó luận án xây dựng bộ điều khiển trong môi trường Matlab –
StateFlow. Mô hình mô phỏng bộ điều khiển ABS theo gia tốc góc bánh xe được
xây dựng gồm bốn mô đun tương tự nhau, sơ đồ của một mô đun được trình bày
như Hình 3. 9.

Hình 3. 9. Sơ đồ một mô đun trong mô hình mô phỏng bộ điều khiển hệ thống ABS
theo gia tốc góc của bánh xe

- 14 -


3.5. Mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô khi phanh bởi hệ thống
phanh khí nén có ABS
Trên cơ sở các quan hệ giữa các đại lượng vật lý trong quá trình phanh đã
trình bày ở mục đã nêu ở mục 2.3 và 2.4, luận án đã xây dựng được mô hình mô
phỏng chuyển động thẳng của ô tô trong quá trình phanh trên đường bằng phẳng bởi
hệ thống phanh khí nén có ABS trong môi trường Matlab – Simulink và Matlab –
StateFlow. Sơ đồ khối của mô hình mô phỏng này được thể hiện như Hình 3. 10.
Chi tiết phần mô hình mô phỏng được giới thiệu ở Phụ lục 2.
p 11

C¸c b×nh pTank
khÝ nÐn

Bµn ®¹p
phanh

Fb®

p1

M« h×nh b¸nh
xe tr­íc tr¸i

Van chÊp QCham2
C¬ cÊu phanh Mb2
hµnh tr­íc
pcham2 tr­íc bªn ph¶i
bªn ph¶i

M« h×nh b¸nh
xe tr­íc ph¶i

Van chÊp QCham3
C¬ cÊu phanh M b3
hµnh sau
pcham3 sau bªn tr¸i
bªn tr¸i

M« h×nh b¸nh
xe sau tr¸i

Van chÊp QCham4
C¬ cÊu phanh M b4

p 22 hµnh sau
pcham4 sau bªn ph¶i
bªn ph¶i

M« h×nh b¸nh
xe sau ph¶i

Van x¶
Q12
nhanh
p 12

Van
ph©n
phèi

Q21
Q2
p2

p 21

Van gia
tèc

QCham1

C¬ cÊu phanh M b1
p cham1 tr­íc bªn tr¸i

Q11
Q1

Van chÊp
hµnh tr­íc
bªn tr¸i

Fxi
Fzi

M«
h×nh
th©n
xe

vx

Q22

Ctr_Sup i
Ctr_Exhi
ECU - ABS

vx

Hình 3. 10. Sơ đồ khối mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô khi phanh bởi hệ
thống phanh khí nén có ABS

3.6. Nghiên cứu, xác định ngưỡng gia tốc góc điều khiển ABS
3.6.1. Mô phỏng điều khiển theo độ trượt bánh xe

Hệ thống phanh khí nén có
ABS được mô phỏng với phương
pháp điều khiển theo theo độ
trượt. Phương pháp điều khiển
ABS này biết trước được miền
biến thiên của đối tượng điều
khiển (độ trượt của các bánh xe
nằm trong khoảng 10 – 30%).
Bằng cách quy hoạch các bộ giá
trị của ngưỡng độ trượt điều khiển
 1 ... 4  và các kết quả mô
Hình 3. 12. Biến thiên giá trị đột trượt, gia tốc
phỏng tương ứng (độ trượt bánh
góc và biến điều khiển ECU theo thời gian
xe, quãng đường phanh …), luận
- 15 -


án chọn được bộ giá trị độ trượt cho hiệu quả phanh cao nhất.
Phân tích sự biến thiên gia tốc góc của bánh xe tương ứng với các trạng thái
hoạt động của van chấp hành ABS (thông qua giá trị biến điều khiển từ ECU) trong
trường hợp mô phỏng hoạt động (Hình 3.12) xác định được sơ bộ giá trị ngưỡng gia
tốc góc điều khiển hệ thống ABS.
3.6.2. Mô phỏng điều khiển theo gia tốc góc bánh xe
Thực hiện mô phỏng hệ thống theo gia tốc góc bánh xe với bộ giá trị ngưỡng
gia tốc góc xác định được sơ bộ ở bước trên (Mục 3.6.1). Đánh giá kết quả mô
phỏng để điều chỉnh bộ ngưỡng giá trị gia tốc góc điều khiển  1 ,  2 ,  3 ,  4 . Quá
trình này được thực hiện nhiều lần đến khi hệ thống đạt hiệu quả phanh tốt nhất.
3.6.3. Kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng sau đây cho thấy luận án đã xây dựng được mô hình mô

phỏng hệ thống phanh ABS khí nén phù hợp với hoạt động thực tế của hệ thống
trên xe, xác định được bộ ngưỡng giá trị gia tốc góc điều khiển  1 ,  2 ,  3 ,  4 phù
hợp để điều khiển. Cụ thể, ngưỡng gia tốc góc xác định được bằng lý thuyết như
Bảng 3.2.
Bảng 3. 2. Ngưỡng gia tốc góc điều khiển ABS được xác định theo lý thuyết

Chuyển pha

Ngưỡng gia tốc góc (ε) điều
khiển bánh xe cầu trước

Ngưỡng gia tốc góc (ε) điều
khiển bánh xe cầu sau

Tăng áp → Giữ áp

 1 = −61,6 (rad/s2)

 1 = −56,5 (rad/s2)

Giữ áp → Giảm áp

 2 = −82,0 (rad/s2)

 2 = −75,8 (rad/s2)

Giảm áp → Giữ áp

 3 = +45,3 (rad/s2)

 3 = +49,4 (rad/s2)

Giữ áp → Tăng áp

 4 = +66,7 (rad/s2)

 4 = +69,5 (rad/s2)

Để kiểm tra mô hình mô phỏng, luận án thực hiện mô phỏng quá trình phanh
của ô tô khi phanh với vận tốc ban đầu 40 km/h và 72 km/h trên đường khô và
đường ướt. Trên mỗi loại đường sẽ mô phỏng hai trường hợp: hệ thống phanh có
ABS và hệ thống phanh không có ABS (không kích hoạt ABS). Sau đây là một số
kết quả mô phỏng.
Một số kết quả mô phỏng quá trình phanh với vận tốc ban đầu trước khi
phanh v0 = 11,11 (m/s) (40 km/h), phanh trên đường khô như các Hình 3. 13, Hình
3. 14, Hình 3. 15. Kết quả mô phỏng hoạt động ở các trường hợp khác được nêu ở
Phụ lục 3.

- 16 -


Gia toc goc banh xe sau trai

Gia toc goc banh xe truoc phai
100
Co ABS
Khong ABS

50

Gia toc goc RL [rad/s2 ]

Gia toc goc FR [rad/s2 ]

100

0
-50

-100

Co ABS
Khong ABS

50
0
-50

-100

0

0.5

1

1.5
2
Thoi gian phanh [s]

2.5

3

0

0.5

1

1.5
2
Thoi gian phanh [s]

2.5

3

Hình 3. 13. Gia tốc góc của bánh xe khi phanh trên đường khô, v0 = 40 km/h
Do truot banh xe truoc phai

Do truot banh xe sau trai
1

0.8

Do truot RL [x100%]

Do truot FR [x100%]

1

Co ABS
Khong ABS

0.6
0.4
0.2
0
0

0.8

Co ABS
Khong ABS

0.6
0.4
0.2

0.5

1

1.5
2
Thoi gian phanh [s]

2.5

0
0

3

0.5

1

1.5
2
Thoi gian phanh [s]

2.5

3

Hình 3. 14. Độ trượt của bánh xe khi phanh trên đường khô, v0 = 40 km/h
Van toc banh xe truoc phai va van toc o to

35
30
25
20
15
10
5
0
0

Van toc banh xe sau trai va van toc o to

45

v__FR, Co ABS
v__Vehicle, Co ABS
v__FR, Khong ABS
v__Vehicle, Khong ABS

40

v__RL & v__Vehicle [km/h]

v__FR & v__Vehicle [km/h]

45

v__RL, Co ABS
v__Vehicle, Co ABS
v__RL, Khong ABS
v__Vehicle, Khong ABS

40
35
30
25
20
15
10
5

0

0.5

1

1.5
2
Thoi gian phanh [s]

2.5

3

0

0.5

1

1.5
2
Thoi gian phanh [s]

2.5

3

Hình 3. 15. Vận tốc của bánh xe và của xe khi phanh trên đường khô, v0 = 40 km/h

Các kết quả mô phỏng trên mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô
trong quá trình phanh khi phanh bởi hệ thống phanh khí nén có ABS do luận án xây
dựng phù hợp với quy luật thực tế. Do đó có thể sử dụng mô hình mô phỏng để
nghiên cứu, xác định sơ bộ giá trị ngưỡng điều khiển của hệ thống ABS.
3.7. Kết luận chương 3
Khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh khí nén có ABS trên
xe nghiên cứu chỉ đạt đến 4 Hz, do đó khi thiết kế bộ điều khiển cần tính toán các
thông số: thời gian lấy mấu tín hiệu vận tốc góc, thời gian điều khiển van chấp hành
ABS, phương pháp điều khiển … phù hợp để hệ thống làm việc tốt.
Trên cơ sở đặc tính và thông số của cảm biến đo vận tốc góc bánh xe và
vành răng do đề tài KC.03.05/11-15 thiết kế, chế tạo, luận án đã nghiên cứu và xác
- 17 -


định gia tốc góc bánh xe theo phương pháp đạo hàm số vận tốc góc bánh xe. Gia
tốc góc bánh xe được sử dụng làm thông số điều khiển cho hệ thống ABS.
Luận án đã xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống ABS (van chấp hành
ABS, cảm biến và bộ điều khiển) và kết hợp với mô hình mô phỏng hệ thống phanh
và mô hình mô phỏng chuyển động của xe để có mô hình mô phỏng quá trình
phanh của xe sử dụng hệ thống phanh khí nén có ABS.
Mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén có ABS do luận án xây dựng cho
kết quả mô phỏng phù hợp với hoạt động của hệ thống trong thực tế. Do đó có thể
sử dụng mô hình mô phỏng này cho các nghiên cứu, phát triển tiếp theo về hệ thống
phanh khí nén có ABS trên xe ô tô.
Điều khiển ABS khí nén theo gia tốc góc bánh xe là phương pháp khả thi và
có hiệu quả. Tuy nhiên, quá trình xác định các giá trị ngưỡng gia tốc góc điều
khiển phức tạp. Kết quả có được từ giai đoạn mô phỏng trên máy tính là giá trị sơ
bộ cho các nghiên cứu, mô phỏng thực nghiệm tiếp theo.
Equation Chapter (Next) Section 1

- 18 -


CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
4.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm
Bằng phương pháp thực nghiệm đã trình bày ở nội dung 2.3 và nghiên cứu,
phân tích kết quả thực nghiệm ở nội dung 3.1, và luận án đã xác định được khả
năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh khí nén có ABS trên xe nghiên
cứu. Trên cơ sở đó luận án nghiên cứu, đề xuất được thuật toán điều khiển hệ thống
theo gia tốc góc các bánh xe khi phanh. Luận án đã xây dựng mô hình mô phỏng
chuyển động của ô tô trong quá trình phanh, mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí
nén có ABS, trên cơ sở đó nghiên cứu, xác định được sơ bộ giá trị ngưỡng điều
khiển hệ thống ABS. Tiếp theo, luận án tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm
nhằm mục đích:
 Chính xác hóa bộ giá trị ngưỡng gia tốc góc điều khiển ABS khí nén đã
xác định sơ bộ bằng phương pháp mô phỏng trên máy tính.
 Đánh giá hiệu quả hoạt động của toàn bộ hệ thống phanh khí nén có ABS
trên xe nghiên cứu.
4.2. Nghiên cứu chính xác hóa ngưỡng điều khiển
4.2.1. Quy trình mô phỏng thực nghiệm
Việc thử nghiệm trên đường thử được thực hiện nhiều lần với nhiều giá trị
ngưỡng điều khiển khác nhau. Các giá trị ngưỡng điều khiển này được tham khảo
từ kết quả của bước mô phỏng trên và được điều chỉnh dần sau mỗi lần mô phỏng
thực nghiệm để phù hợp với điều kiện vận hành thực tế của xe và của nhiều loại
đường (đường khô và ướt, đường trải nhựa asphalt, đường bê tông …).
4.2.2. Thiết bị thử nghiệm
4.2.2.1. Bộ điều khiển điện tử hệ thống ABS
Phần chính của bộ điều khiển là một vi điều khiển họ AVR của hãng Atmel.
Các thông số kỹ thuật và chức năng của bộ điều khiển như sau:
 Tốc độ hoạt động: 8 MHz;

 Tương thích với hệ thống ABS kiểu 4S/4M;
 Dải điện áp hoạt động: 7 – 40 V DC;
4.2.2.2. Thiết bị đo vận tốc góc bánh xe
Vận tốc góc của các bánh xe là thông số quan trọng, cho thấy tác động của
bộ điều khiển tới vận tốc góc của các bánh xe khi phanh. Để theo dõi và ghi lại vận
tốc góc của các bánh xe, luận án sử dụng thiết bị đo ghi vận tốc góc bánh xe. Thiết
bị này sử dụng cảm biến đo vận tốc góc bánh xe có sẵn trên hệ thống phanh ABS.
Thiết bị đo ghi vận tốc góc bánh xe được kiểm tra độ chính xác tại Trung
tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng 1 (Quatest 1), kết quả kiểm tra cho
thấy sai số của thiết bị đo đều nhỏ hơn 1%.

- 19 -


4.2.2.3. Thiết bị đánh dấu quãng đường phanh
Thiết bị đánh dấu quãng đường phanh hoạt động trên nguyên tắc: khi người
lái tác động lên bàn đạp phanh, thiết bị điều khiển phun liên tục chất lỏng đánh dấu
xuống mặt đường. Khi kết thúc quá trình phanh, người lái thôi tác động lên bàn đạp
phanh, vòi phun ngừng phun. Vết chất lỏng đánh dấu trên mặt đường thể hiện
quãng đường chuyển động của xe trong quá trình phanh.
4.2.2.4. Thiết bị đo ghi đa kênh (DEWE5000)
Quá trình nghiên cứu thực nghiệm ở giai đoạn cuối cùng yêu cầu xác định
các thông số của quá trình phanh (quãng đường phanh, gia tốc phanh, thời gian
phanh …) với độ chính xác cao. Với sự hỗ trợ của Viện Kỹ thuật Cơ giới Quân Sự,
thiết bị đo ghi đa kênh (DEWE5000) kết hợp với cảm biến vận tốc S400 của hãng
CORREVIT® (dải đo từ 0,5 km/h đến 400 km/h) và cảm biến đo lực bàn đạp phanh
(dải đo từ 0 đến 1.500 N) được sử dụng để xác định các thông số của quá trình
phanh.
4.2.3. Ngưỡng điều khiển và hoạt động của hệ thống phanh khí nén có ABS
Trong thực tế, hệ thống ABS sử dụng vành răng có số răng hữu hạn (trường

hợp luận án nghiên cứu là 120 răng – mục 3.3), với phương pháp đo vận tốc như đã
trình bày ở mục 3.3.3, số xung mà hệ thống đếm được (n x) trong khoảng thời gian
lấy mẫu (tm) là số nguyên. Do đó giá trị gia tốc góc mà hệ thống xác định được
không biến thiên liên tục, nó chỉ có thể có các giá trị cách nhau những bước nhất
định. Bộ giá trị ngưỡng điều khiển gần nhất với bộ giá trị ngưỡng điều khiển xác
định được bằng mô phỏng lý thuyết (Bảng 3. 2) phù hợp với giá trị có thể đo được
trong thực tế như trong Bảng 4. 1.
Bảng 4. 1. Các giá trị ngưỡng gia tốc góc điều khiển ABS phù hợp với giá trị đo được trong
thực tế của hệ thống ABS luận án nghiên cứu

Chuyển pha

Ngưỡng gia tốc góc (ε) điều
khiển bánh xe cầu trước

Ngưỡng gia tốc góc (ε) điều
khiển bánh xe cầu sau

Tăng áp → Giữ áp

 1 = −62,8 (rad/s2)

 1 = −58,1 (rad/s2)

Giữ áp → Giảm áp

 2 = −83,7 (rad/s2)

 2 =−76,7 (rad/s2)

Giảm áp → Giữ áp

 3 = +46,5 (rad/s2)

 3 = +51,2 (rad/s2)

Giữ áp → Tăng áp

 4 = +67,4 (rad/s2)

 4 = +69,7 (rad/s2)

Lập chương trình điều khiển cho bộ điều khiển điện tử theo lưu đồ thuật toán
điều khiển đã trình bày ở mục 3.2 với các giá trị ngưỡng điều khiển xác định được
như trong Bảng 4. 1 và thực hiện thử nghiệm trên đường thử để đánh giá hoạt động
của hệ thống ABS.
Sau nhiều lần hiệu chỉnh và thực nghiệm, luận án xác định được bộ giá trị
ngưỡng gia tốc góc điều khiển hệ thống phanh ABS khí nén lắp đặt trên xe nghiên
cứu như trong Bảng 4. 3.
- 20 -


Bảng 4. 3. Ngưỡng gia tốc góc điều khiển ABS

Chuyển pha

Ngưỡng gia tốc góc (ε) điều
khiển bánh xe cầu trước

Ngưỡng gia tốc góc (ε) điều

khiển bánh xe cầu sau

Tăng áp → Giữ áp

 1 = −58,1 (rad/s2)

 1 = −53,5 (rad/s2)

Giữ áp → Giảm áp

 2 = −79,1 (rad/s2)

 2 = −72,1 (rad/s2)

Giảm áp → Giữ áp

 3 = +44,2 (rad/s2)

 3 = +48,8 (rad/s2)

Giữ áp → Tăng áp

 4 = +65,1 (rad/s2)

 4 = +67,4 (rad/s2)

Kết quả thực nghiệm hoạt động của hệ thống phanh khí nén có ABS
Với chương trình điều khiển và các giá trị ngưỡng điều khiển đó, luận án đã
tiến hành thử nghiệm nhiều lần ở một số chế độ thử nghiệm khác nhau (vận tốc ban
đầu trước khi phanh v = 30 km/h, 40 km/h, trên đường phủ nhựa asphalt khô, đường

phủ nhựa asphalt ướt) tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Các kết quả của nhiều
lần mô phỏng thực nghiệm ở cùng một chế độ đều tương tự nhau nên có thể nhận
định rằng hệ thống ABS hoạt động ổn định. Hình 4. 10 dưới đây trình bày đồ thị
biến thiên vận tốc góc của các bánh xe khi phanh gấp với vận tốc trước khi phanh
40 km/h trên đường phủ nhựa asphalt khô.

Hình 4. 10. Biến thiên vận tốc góc các bánh xe khi phanh có ABS trên đường phủ nhựa
asphalt khô, v0 = 40 km/h

Qua các kết quả thu được từ thực nghiệm cho thấy:
Trong đa số trường hợp thử nghiệm, quãng đường phanh trong trường hợp
hệ thống phanh có ABS ngắn hơn trường hợp hệ thống không có ABS. Một số
trường hợp thử nghiệm phanh với vận tốc ban đầu khoảng 30 km/h và các trường
hợp phanh trên đường trơn ướt có quãng đường phanh có ABS dài hơn trường hợp
không có ABS.
- 21 -


Sự biến thiên vận tốc góc của các bánh xe trong quá trình phanh có điều
khiển của ABS (trong thực tế) tương tự với sự biến thiên vận tốc góc của các bánh
xe trong kết quả mô phỏng ở mục 3.6.3. Cụ thể, quy luật biến thiên vận tốc góc các
bánh xe trong quá trình phanh trên đường khô ở vận tốc ban đầu 40 km/h thu được
từ kết quả mô phỏng (Hình 3. 15) và từ kết quả thực nghiệm (Hình 4. 11) có sự
tương đồng; quy luật biến thiên vận tốc góc các bánh xe trong quá trình phanh trên
đường ướt ở vận tốc ban đầu 40 km/h thu được từ kết quả mô phỏng (Hình 3. 19) và
từ kết quả thực nghiệm (Hình 4. 12) có sự tương đồng. Điều đó cho thấy mô hình
mô phỏng chuyển động của ô tô và mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén có
ABS phù hợp với hoạt động thực tế của xe nghiên cứu trong quá trình phanh.
4.3. Thử nghiệm đánh giá hiệu quả hệ thống
Luận án đã tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm và xác định được giá trị

ngưỡng điều khiển hệ thống ABS theo gia tốc góc bánh xe cho loại xe nghiên cứu.
Các giá trị này được sử dụng trong bộ điều khiển ABS do đề tài KC.03.05/11-15
chế tạo. Nhằm đánh giá hoạt động của bộ điều khiển và của toàn bộ hệ thống ABS
khí nén trên xe nghiên cứu, đề tài KC.03.05/11-15 đã thực hiện các thử nghiệm
đánh giá hiệu quả phanh trong các trường hợp xe nghiên cứu được lắp ABS và
không được lắp ABS. Các trường hợp thử nghiệm này được thực hiện ở các trạng
thái xe đầy tải (2,98 tấn) và xe không tải, ở các dải vận tốc trước khi phanh khác
nhau.
Thử nghiệm hiệu quả phanh trên đường thử được Trung tâm thử nghiệm xe cơ giới
– Cục Đăng kiểm Việt Nam thực hiện. Kết quả thử nghiệm được trích như các Bảng
4. 4 và Bảng 4. 5, các kết quả thử nghiệm khác như trong báo cáo thử nghiệm tại
Phụ lục 5.
Kết quả theo quy chuẩn Việt Nam (thử ở vận tốc 30 km/h)
Bảng 4. 4. Quy chuẩn Việt Nam về hiệu quả phanh và kết quả thử nghiệm

Vận tốc ban đầu trước khi phanh: 30 km/h
TT

1

Kết quả thử
nghiệm

Yêu cầu

Thông số kiểm tra

Kết
luận

Không
tải

Đầy
tải

Không
tải

Đầy
tải

≥ 5,4

≥ 5,0

6,05

5,94

≤9

≤ 10

8,15

8,52

Đạt

3

3

Đúng

Đúng

Đạt

≥ 5,4

≥ 5,0

6,07

5,92

Đạt

≤9

≤ 10

8,43

8,79

Đạt

3

3

Đúng

Đúng

Đạt

Xe được lắp ABS
1.1

Gia tốc phanh lớn nhất (m/s2)

1.2

Quãng đường phanh (m)

1.3

Hành lang phanh (m)

2

Đạt

Xe không được lắp ABS
2.1

Gia tốc phanh lớn nhất (m/s2)

2.2

Quãng đường phanh (m)

2.3

Hành lang phanh (m)

- 22 -


Kết quả theo tiêu chuẩn Châu Âu ECE R13 (Thử kiểu 0)
Bảng 4. 5. Tiêu chuẩn Châu Âu ECE R13 về hiệu quả phanh và kết quả thử nghiệm

TT
1

Thử kiểu 0 (Động cơ ngắt khỏi hệ thống truyền lực, v0 = 60 km/h)
Thông số kiểm tra

Yêu cầu

Kết quả thử nghiệm

Xe được lắp ABS
1.1

Quãng đường phanh (m)

36,7

31,56

1.2

Hành lang phanh (m)

3,5

Đạt

2

Xe không được lắp ABS
2.1

Quãng đường phanh (m)

36,7

34,14

2.2

Hành lang phanh (m)

3,5

Đạt

Các kết thử nghiệm cho thấy hiệu quả của hệ thống phanh chính trên xe thử
nghiệm đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật theo Quy chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn
Châu Âu (ECE R13) về hệ thống phanh.
4.4. Kết luận chương 4
Bằng nghiên cứu thực nghiệm, luận án đã hiệu chỉnh được bộ giá trị ngưỡng
gia tốc góc được xác định từ mô phỏng lý thuyết trên máy tính.
Bộ giá trị ngưỡng điều khiển được đề tài KC.03.05/11-15 ứng dụng để thiết
kế, chế tạo bộ điều khiển ABS. Các kết thử nghiệm cho thấy hiệu quả của hệ thống
phanh chính trên xe thử nghiệm đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật theo Quy chuẩn
Việt Nam và tiêu chuẩn Châu Âu (ECE R13) về hệ thống phanh. Hiệu quả phanh
được cải thiện rõ rệt khi phanh từ vận tốc cao (từ 50 km/h trở lên). Ở các dải vận
tốc thấp (từ 40 km/h trở xuống), hiệu quả phanh không được cải thiện đáng kể
nhưng vẫn đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của Quy chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn
Châu Âu.

- 23 -