Thiết kế bộ thực nghiệm xe điện, nhận dạng mô hình bánh xe và xây dựng bộ điều khiển phát động ứng dụng với xe điện PET

MỤC LỤC
MỤC LỤC………………………………………………………………………………...i
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU…………………………………………………………iii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT…………………………………………………………...iv
DANH MỤC HÌNH VẼ………………………………………………………………….v
LỜI NÓI ĐẦU…………………………………………………………………………..vii
Chương 1. GIỚI THIỆU XE ĐIỆN PET VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHO
XE PET…………………………………………………………………………………...1
1.1. Xe điện trên thế giới và xe điện ở Việt Nam ............................................................ 1
1.2. Xe điện 3 bánh PET .................................................................................................. 3
Chương 2. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG MÔ HÌNH BÁNH XE ĐIỆN
BẰNG THỰC NGHIỆM………………………………………………………………...6
2.1. Cơ sở lý thuyết và đặc điểm chuyển động của bánh xe............................................ 6
2.1.1. Động lực học bánh xe và khái niệm về sự trượt ................................................ 6
2.1.2. Xây dựng mô hình động lực học bánh xe .......................................................... 9
2.2. Đề xuất phương pháp nhận dạng thực nghiệm ....................................................... 11
Chương 3. THU THẬP SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM VÀXỬ LÝ SỐ LIỆU………...13
3.1. Thiết kế mạch thu nhận dữ liệu .............................................................................. 13
3.1.1. Yêu cầu thu nhận dữ liệu.................................................................................. 13
3.1.2. Thiết kế mạch thực nghiệm.............................................................................. 13
3.1.3. Thuyết minh nguyên lý .................................................................................... 16
3.2. Truyền nhận dữ liệu bằng I2C ................................................................................ 16
3.2.1. Giới thiệu sơ lược về I2C ................................................................................. 16
3.2.2. Giới thiệu lý thuyết về multi master- slave ...................................................... 17
3.3. Giao tiếp dữ liệu với máy tính và xử lý số liệu ...................................................... 18
3.3.1. Giao tiếp nhận dữ liệu ...................................................................................... 18
3.3.3. Xử lý tín hiệu-Vẽ đường đặc tính tối ưu .......................................................... 20
3.4. Kết quả đo và xử lý số liệu thực nghiệm ................................................................ 23
Chương 4. NHẬN DẠNG MÔ HÌNH…………………………………………………26
4.1. Phân loại các phương pháp nhận dạng ................................................................... 26
4.2. Các bước tiến hành nhận dạng................................................................................ 28

4.3. Nhận dạng mô hình thực nghiệm bánh xe .............................................................. 30
4.3.1. Câu trúc mô hình tuyến tính có tham số và thuật toán bình phương tối thiểu . 30
4.3.2. Nhận dạng mô hình bánh xe trên các mặt đường............................................. 32
4.3.3. Mô phỏng và kiểm chứng................................................................................. 39

-i-




Chương 5. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHÁT ĐỘNG BÁNH XE XE ĐIỆN
PET………………………………………………………………………………………41
5.1. Các vấn đề trong điều khiển xe điện PET............................................................... 41
5.1.1. Đặc điểm chuyển động và truyền động của xe PET ....................................... 41
5.1.2. Vần đề tồn tại với bộ điều khiển cũ ................................................................. 41
5.2. Lựa chọn phương pháp điều khiển ......................................................................... 43
5.3. Thiết kế bộ điều khiển cho xe điện PET................................................................. 47
Chương 6. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN……………54
6.1. Một số hình ảnh thực tế .......................................................................................... 54
6.2. Đánh giá kết quả ..................................................................................................... 57
6.3. Định hướng phát triển............................................................................................. 57
6.3.1. Nâng cao tính linh hoạt của xe trên nhiều mặt đường khác nhau .................... 57
6.3.2. Nâng cao chất lượng điều khiển....................................................................... 59
6.3.3. Nhận dạng trực tuyến ....................................................................................... 60
KẾT LUẬN……………………………………………………………………………...61
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………………...62

-ii-

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
BẢNG 5-1. PID SỐ DỰA TRÊN ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ…………………………41
BẢNG 5-2. PID SỐ THEO GIÁ TRỊ TỚI HẠN…………………………………42

-iii-




DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
BLCDM
DTC
MFC
SRC
ROM
SDA
SDL
SISO
LS
ML
PEM
ARX
FIR

Brushless Direct Current Motor
Direct Torque Control
Model Following Control
Slip Ratio Control

Read Only Memory
Serial Data
Serial Clock
Single Input Single Output
Least Square
Maximum Likehood
Prediction Error Method
Auto Regressvive eXternal
Input model
Finite Impulse Response

Động cơ một chiều không chổi than
Phương pháp điều khiển trực tiếp mô-men
Điều khiển theo mô hình mẫu
Điều khiển hệ số trượt
Bộ nhớ chỉ đọc
Đường truyền dữ liệu nối tiếp
Đường truyền xung đồng bộ
Hệ có một tín hiệu vào và một tín hiệu ra
Bình phương tối thiểu
Xác xuất cực đại
Lỗi dự báo
Mô hình truy hồi các giá trị đầu ra có tính
đến nhiễu
Đáp ứng xung hữu hạn

-iv-

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Lịch sử phát triển xe điện trên thế giới. ....................................................... 0
Hình 1.2. Xe điện ở Việt Nam. .................................................................................... 2
Hình 1.3. Xe điện PET. ................................................................................................ 3
Hình 2.1. Chuyển động thẳng của xe trên dốc [4]. ...................................................... 6
Hình 2.2. Mô hình 1 bánh [4]....................................................................................... 7
Hình 2.3. Quan hệ µ-λ.................................................................................................. 1
Hình 2.4. Mô hình bánh xe [13]. .................................................................................. 1
Hình 2.5. Sơ đồ mô phỏng mô hình lý thuyết bánh xe. ............................................. 10
Hình 2.6. Đặc tính của mô hình bánh xe.................................................................... 11
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý khối thu nhận dữ liệu. ..................................................... 15
Hình 3.2. Start – Stop conditions. ................................................................................ 1
Hình 3.3. Khung truyền dữ liệu I2C. ........................................................................... 1
Hình 3.4. Cấu hình 2 Master trong mạng..................................................................... 1
Hình 3.5. Giao tiếp qua cổng nối tiếp RS 232. ............................................................ 1
Hình 3.6. Phần mềm thu nhận dữ liệu.......................................................................... 1
Hình 3.7. So sánh độ mịn. ............................................................................................ 1
Hình 3.8. So sánh độ trễ pha. ....................................................................................... 1
Hình 3.9. Tốc độ bánh trái trên đường nhựa. ............................................................. 23
Hình 3.10. Tốc độ bánh phải trên đường nhựa. ......................................................... 23
Hình 3.10. Tốc độ bánh trái trên đường lát gạch. ...................................................... 24
Hình 3.11. Tốc độ bánh phải trên đường lát gạch...................................................... 24
Hình 3.12. Tốc độ bánh trái trên đường bê tông. ....................................................... 25
Hình 3.13. Tốc độ bánh phải trên đường bê tông. ..................................................... 25
Hình 4.1. Nhận dạng vòng kín. .................................................................................... 1
Hình 4.2. Sơ đồ kiểm nghiệm. ..................................................................................... 1
Hình 4.3. Sơ đồ một hệ thống SISO............................................................................. 1
Hình 4.4. Tín hiệu vào và tín hiệu ra của mô hình vòng kín tốc độ bánh phải ............ 1
Hình 4.5. Nhận dạng với lớp mô hình tuyến tính có tham số. ..................................... 1

Hình 4.6. Kết quả nhận dạng với các cấu trúc mô hình tuyến tính.............................. 1
Hình 4.7. Độ chính xác của các phép nhận dạng. ........................................................ 1
Hình 4.8. Đồ thị đặc tính đối tượng. ............................................................................ 1
Hình 4.9. Kết quả nhận dạng cho mặt đường bê tông................................................ 37
Hình 4.10. Kết quả nhận dạng cho mặt đường lát gạch. ............................................ 38
Hình 4.11. Mô phỏng kiểm chứng ở tốc độ đặt 150 vòng /phút. ................................. 1
Hình 4.12. Mô phỏng kiểm chứng ở tốc độ đặt 100 vòng/phút. ................................ 40
Hình 5.1. Đáp ứng tốc độ trên các mặt đường khác nhau............................................ 1
-v-




Hình 5.2. Cấu trúc điều khiển hệ SISO trên miền thời gian gián đoạn........................ 1
Hình 5.3. Đáp ứng quá độ. ......................................................................................... 46
Hình 5.3. Sơ đồ mô phỏng. ........................................................................................ 49
Hình 5.4. Các đáp ứng quá độ ứng với bộ điều khiển cũ và độ điều khiển mới........ 49
Hình 5.5. Đáp ứng trên miền tần số. ......................................................................... 50
Hình 5.6. Kết quả thực tế ứng với bánh xe phải khi xe chạy trên đường nhựa. ........ 51
Hình 5.7. Kết quả thực tế ứng với bánh xe phải khi xe chạy trên đường bê tông. .... 52
Hình 5.8. Kết quả thực tế ứng với bánh xe phải khi xe chạy trên đường lát gạch..... 52
Hình 6.1. Kiểm tra mạch trước khi tiến hành thử nghiệm. ........................................ 54
Hình 6.2. Cho xe chạy trên đường nhựa để lấy số liệu. ............................................. 54
Hình 6.3. Xe chạy trên đường lát gạch trơn. .............................................................. 55
Hình 6.4. Lấy các dữ liệu đo và trong máy tính......................................................... 55
Hình 6.5. Thử nghiệm xe với bộ điều khiển cũ và bộ điều khiển mới....................... 56
Hình 6.6. Kiểm tra sự linh hoạt của xe với bộ điều khiển mới. ................................. 56
Hình 6.7. Đường đặc tính trung bình. ........................................................................ 58
Hình 6.8. Phương pháp MFC [13]. ............................................................................ 59
Hình 6.9. Phương pháp MFC. .................................................................................... 60

-vi-




LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, việc giá nhiên liệu tăng cao cùng với sự ô nhiễm môi
trường do các phương tiện sử dụng nhiên liệu gây ra đã khiến thế giới phải đánh giá lại
việc sử dụng nhiên liệu sao cho hiệu quả cũng như tìm ra các giải pháp sử dụng các
nguồn năng lượng khác rẻ hơn, thân thiện với môi trường. Cùng với các nhà máy, xí
nghiệp thì khí thải từ các phương tiện giao thông là những thủ phạm chính gây nên hiện
tượng ô nhiễm môi trường. Mặc dù vấn đề này đã được đề cập từ rất lâu nhưng cả thế
giới vẫn chưa có hướng giải quyết hợp lý vì cho tới nay thì động cơ đốt trong vẫn là lựa
chọn đầu tiên cho các phương tiện đi lại. Nhưng những năm gần đây khoa học kỹ thuật
phát triển, các phương tiện giao thông sử dụng năng lượng sạch đã có những bước tiến
lớn và được rất nhiều nước phát triển trên thế giới nghiên cứu làm định hướng thay thế
cho xe sử dụng động cơ đốt trong.
Khoảng vài năm trở lại đây, nhiều mẫu xe điện ở Việt Nam đã ra đời, có mẫu thì đã
ứng dụng vào thực tế, có những mẫu xe điện là tiền đề cho bước phát triển xe ô tô điện ở
Việt Nam và xe điện PET của trường đại học Bách Khoa Hà nội là một điển hình. Được
các sinh viên Tự Động Hóa K49 nghiên cứu và phát triển, xe PET đã gây được sự chú ý
của mọi người dân và nhất là khẳng định thêm rằng Việt Nam hoàn toàn có thể phát triển
xe điện.
Là phiên bản đầu tiên nên xe PET vẫn còn nhiều điểm tồn tại cần khắc phục, kế thừa
kết quả của các sinh viên K49, nhóm sinh viên EV K50 chúng em đề xuất đề tài “Thiết
kế bộ thực nghiệm xe điện, nhận dạng mô hình bánh xe và xây dựng bộ điều khiển
phát động ứng dụng với xe điện PET” nhằm mục đích khắc phục những nhược điểm
còn tồn tại của xe điện PET, tạo tiền đề ứng dụng thực tế cho xe cũng như mục tiêu phát
triển xe điện ở Việt Nam.

Toàn bộ đề tài được thực hiện trong khoảng thởi gian 5 tháng dưới sự hướng dẫn của
thầy giáo, PGS-TS Tạ Cao Minh và thầy giáo Nguyễn Duy Đỉnh. Nội dung đồ án được
chia thành 6 chương. Chương 1: Giới thiệu xe điện PET và các vấn đề phát triển cho xe
PET. Chương 2: Xuất phát điểm của đề tài và đề xuất phương pháp nhận dạng thực
nghiệm bánh xe điện. Từ chương 3 đến chương 5 là quá trình thực hiện bao gồm các
bước thu thập số liệu, nhận dạng mô hình thực nghiệm bánh xe và xây dựng bộ điều
khiển cho đối tượng đã nhận dạng. Cuối cùng là chương 6: đánh giá các kết quả đạt được
và nêu các định hướng phát triển.

-vii-




Do thời gian không có nhiều, cũng như kiến thức còn hạn chế, đề tài được thực hiện
nhiều bằng thực nghiệm nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Vì thế nhóm em rất
mong nhận được những lời góp ý, hướng dẫn của các thầy cô để nhóm chúng em khắc
phục nhưng tồn tại của bản đồ án và tạo tiền đề phát triển xe PET nói riêng và xe điện nói
chung.

Hà Nội, ngày 31 tháng 05 năm 2010
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hải Dương

-viii-

Chương 1. Giới thiệu xe điện PET và định hướng phát triển cho xe PET

Chương 1
GIỚI THIỆU XE ĐIỆN PET VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT
TRIỂN CHO XE PET
1.1.

Xe điện trên thế giới và xe điện ở Việt Nam

Xe điện trên thế giới đã có 1 lịch sử lâu đời tình từ chiếc xe đầu tiên xuất hiện vào
khoảng năm 1832. Trải qua rất nhiều thăng trầm cùng với sự thống trị của xe sử dụng
động cơ đốt trong cho đến tận bây giờ nhưng với tình hình nhiên liệu đang một ngày cạn
dần cộng với sự ô nhiễm môi trường do xe sử nhiên liệu gây ra, xe điện đang dần khẳng
định được tính ưu việt và đồng thời được cả thế giới đánh giá là chiếc xe của tương lai.
Hiện nay, rất nhiều nước phát triển trên thế giới đã chọn và tập trung nghiên cứu phát
triển xe điện, trong đó phải kể tới Mỹ, Đức, Nhật…các cường quốc trong lĩnh vực sản
xuất ô tô. Có thể nói xe điện đang bước vào giai đoạn phát triển mạnh mẽ nhất từ trước
đến nay. Hình vẽ 1.1 phản ánh chặng đường phát triển của xe điện trên thế giới.

Hình 1.1. Lịch sử phát triển xe điện trên thế giới.
Còn đối với Việt Nam, hiện nay chúng ta chưa có một định hướng phát triển cụ thể
cho xe điện, ngay cả việc làm chủ công nghệ xe ô tô truyền thống chúng ta cũng còn gặp
-1-




Chương 1. Giới thiệu xe điện PET và định hướng phát triển cho xe PET

rất nhiều khó khăn. Có thể giải thích do điều kiện kinh tế, khoa học kỹ thuật chưa thực sự

phát triển. Tuy nhiên, Việt Nam có cơ hội tiếp xúc với khoa học kỹ thuật tiên tiến trên thế
giới, do đó dù gặp khó khăn nhưng những chiếc xe sử dụng điện đã được nghiện cứu và
xuất hiện ở Việt Nam trong những năm gần đây. Trong số nhưng chiếc xe đầu tiên có thể
kể tới: Xe điện 3 bánh của tác giả Trần Văn Tâm, xe lăn điện của trường đại hoc Bách
Khoa TP HCM, và xe PET của trường đại học Bách Khoa Hà nội.

Hình 1.2. Xe điện ở Việt Nam.
Mặc dù các xe điện kể trên còn ở mức cơ bản song đã góp phần thúc đấy ý nghĩ phải
tiến hành nghiên cứu phát triển xe điện ở Việt Nam và chúng ta hoàn toàn có thể làm
được. Đi tiên phong và tạo tiền để cho sự phát triển xe điện phải bắt nguồn từ những
-2-




Chương 1. Giới thiệu xe điện PET và định hướng phát triển cho xe PET

nghiên cứu bài bản của các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam. Xe điện PET (Personal
Electrical Transporter) là một trong những kết quả bước đầu trong lĩnh vực xe điện.

1.2.

Xe điện 3 bánh PET

Được các sinh viên K49 bộ môn Tự Động Hóa khoa Điện đại học Bách Khoa Hà nội
nghiên cứu và chế tạo, xe điện PET nhanh chóng gây được sự chú ý của những người
quan tâm đến lĩnh vực xe chạy bằng điện. Mới chỉ là kết quả nghiên cứu bước đầu nhưng
xe PET được thiết kế một cách gọn gàng, tiện dụng và nhất là hướng tới những người tàn
tật, người già giúp họ có thể chủ động hơn trong việc di chuyển và đi lại.
Hình 1.3 dưới đây là hình ảnh của xe điện PET.

Hình 1.3. Xe điện PET.

- Thông số của xe:
• 2 bánh dẫn động và 1 bánh lái bị động.
• Chiều dài 0.7m, chiều rộng 0.6m.

-3-




Chương 1. Giới thiệu xe điện PET và định hướng phát triển cho xe PET

• Sử dụng động cơ BLDC liền bánh (InWheel Motor), công suất 350W mỗi động
cơ.
• Ắc quy 36V gồm 3 ắc quy 12V 12Ah, có thể chạy xe liên tục trong 2-3 tiếng.
• Điều khiển xe bằng tay cầm (Joystick).
• Có phanh điện và cơ.
- Ưu điểm:
• Thiết kế nhỏ gọn, tiện dụng.
• Dễ dàng sử dụng với Joystick.
• Đáp ứng được yêu cầu chuyển động và rẽ lái ở mức cơ bản.
- Nhược điểm:
• Xe mới chỉ chạy tốt trên đường nhựa.
• Khởi động chưa êm, và có hiện tượng hơi giật.
• Chưa linh hoạt trong không gian hẹp.
• Gặp chướng ngại vật xe dễ bị lắc.
Trên cơ sở kế thừa kết quả của nhóm sinh viên EV (Electrical Vehicle) K49, nhóm
sinh viên EV K50 tiếp tục phát triển đề tài nghiên cứu về xe điện, phát triển xe điện PET.

Việc phát triển xe điện PET được tiến hành tứng bước, trước hết phải khắc phục những
nhược điểm của xe điện PET, điều đó cũng chính là mục tiêu của nhóm khi thực hiện đồ
án này.
- Mục tiêu thực hiện đồ án :
• Xe chạy tốt trên nhiều mặt đường khác nhau.
• Khởi động êm, loại bỏ hiện tượng giật.
• Xoay sở linh hoạt trong phạm vi hẹp.
• Xe có tính ổn định cao khi gặp chướng ngại vật.

-4-




Chương 1. Giới thiệu xe điện PET và định hướng phát triển cho xe PET

Để thực hiện các mục tiêu đã đặt ra nhóm EV K50 đề xuất thực hiện đề tài: “Thiết kế
mạch thực nghiệm và nhận dạng mô hình bánh xe cho xe điện PET”. Đề tài xuất phát
từ những nguyên nhân dẫn đến các nhược điểm của xe PET, đề xuất phương pháp khắc
phục và tiến hành thử nghiệm thực tế với xe PET và cuối cùng đánh giá kết quả và tính
đứng đắn của hướng thực hiện.
Các chương tiếp theo sẽ lần lượt giải quyết các vấn đề: Thứ nhất là nguyên nhân dẫn
đến các nhược điểm của xe. Thứ hai là hướng khắc phục các nhược điểm với đề xuất
nhận dạng mô hình bánh xe bằng thực nghiệm. Thứ ba là các bước thực hiện và kiểm
nghiệm kết quả thực tế.

-5-

Chương 2. Đề xuất phương pháp nhận dạng mô hình bánh xe điện bằng thực nghiệm

Chương 2
ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG MÔ HÌNH
BÁNH XE ĐIỆN BẰNG THỰC NGHIỆM
Mô hình hóa bằng lý thuyết có thể phản ánh sâu sắc bản chất bên trong của đối
tượng điều khiển, phục vụ việc tìm hiểu và khảo sát các đặc tính động học của đối tượng,
sách lược điều khiển nhưng lại gặp khó khăn trong việc xây dựng chính xác mô hình
cũng như xác định các tham số cho mô hình. Việc xây dựng mô hình lý thuyết đôi khi quá
phức tạp và để đơn giản người ta thường bỏ qua một số ảnh hưởng của các tham số dẫn
đến kết quả thực tế và tính toán sai khác nhau. Đó là nguyên nhân chính dẫn đến các
nhược điểm của xe điện PET. Trong chương này chúng ta sẽ đi phân tích mô hình lý
thuyết của bánh xe để từ đó đề ra phương pháp mô hình hóa bằng thực nghiệm.

2.1. Cơ sở lý thuyết và đặc điểm chuyển động của bánh xe
2.1.1. Động lực học bánh xe và khái niệm về sự trượt
Để phân tích chuyển động của xe chạy thẳng trên đường, ta hãy xét trường hợp một
chiếc xe có khối lượng M, chạy thẳng lên dốc nghiêng góc α ở tốc độ v và gia tốc a như
hình 2.1.

Hình 2.1. Chuyển động thẳng của xe trên dốc [4].
Coi cả xe là một hệ kín, các lực tác dụng lên xe gồm:
- Lực cản không khí: Fad.
- Lực ma sát lăn: Frr, Frf.
- Lực ma sát trượt: Fd.
-6-

Chương 2. Đề xuất phương pháp nhận dạng mô hình bánh xe điện bằng thực nghiệm

- Lực lên/xuống dốc: Pt.
Để đơn giản hóa việc giải quyết bài toán điều khiển chuyển động, người ta thường
dung mô hình xe quy về một bánh như hình 2.2.

Hình 2.2. Mô hình 1 bánh [4]
-

M là phần khối lượng mà xe tác dụng lên bánh.
J là mô men quán tính của bánh xe.
r là bán kính bánh xe.
N là phản lực mặt đường tác dụng lên điểm tiếp xúc với bánh xe.
Fm là lực phát động bánh xe tác dụng lên mặt đường.
Fd là lực ma sát do mặt đường tác dụng lên bánh xe.

Trong quá trình xe tăng, giảm tốc lực cản không khí Fad và lực ma sát lăn Fr có thể
coi là vô cùng nhỏ so với lực quán tính và lực ma sát trượt nên ta có thể bỏ qua sự ảnh
hưởng của chúng khi xét động lực học bánh xe. Ta có các phương trình mô tả chuyển
động của xe và bánh xe:
1
Fd
sM

(2-1)

T − rFd
sJ

(2-2)

V=
ω=

Vω = ω.r

(2-3)

trong đó, ω và Vω là tốc độ góc và tốc độ dài của bánh xe.
Trên thực tế, khi xe tăng tốc, do quán tính của bánh xe nhỏ hơn nhiều so với quán tính
của thân xe cho nên nếu lực ma sát không đủ, bánh xe sẽ có gia tốc lớn hơn gia tốc của

-7-




Chương 2. Đề xuất phương pháp nhận dạng mô hình bánh xe điện bằng thực nghiệm

thân xe, làm cho vận tốc của bánh xe Vω tăng nhanh trong khi vận tốc dài V của xe tăng
chậm hơn. Khi đó, bánh xe gọi là bị trượt trên mặt đường. Điều tương tự cũng xảy ra khi
xe giảm tốc.
Để đánh giá mức độ trượt, người ta đưa ra khái niệm hệ số trượt xác định bởi:

λ=

Vω − V
Vω

khi xe tăng tốc (Vω > V)

(2-4)

λ=

Vω − V
V

khi xe giảm tốc (Vω < V)

(2-5)

Bằng thực nghiệm, người ta đã xây dựng được đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của hệ số
ma sát trượt vào điều kiện mặt đường và hệ số trượt λ như hình 2.3.

Hình 2.3. Quan hệ µ-λ.

Quan hệ µ-λ như hình 2.3 được xây dựng từ thực nghiệm theo công thức xấp xỉ
[13]:

-8-




Chương 2. Đề xuất phương pháp nhận dạng mô hình bánh xe điện bằng thực nghiệm

μ = − 1, 05k ( e −45 λ − e −0,45 λ )

(tăng tốc)

(2-6)

μ = 1,1k ( e 35 λ − e 0,35 λ )

(giảm tốc)

(2-7)

Trong đó, k là hệ số bám đặc trưng cho điều kiện mặt đường:
k = 1 : đường nhựa

k = 0,5:

đường ướt

k = 0,7: đường sỏi

k = 0,2:

đường băng tuyết

Các nghiên cứu chỉ ra rằng, vùng điều khiển chuyển động tối ưu là vùng tuyến tính (λ
= 0,02 ÷ 0,15) trong đặc tính µ-λ hình 2.3 [13]. Hình 2.3 cũng cho thấy, khi xe chạy trên
đường nhựa, hệ số ma sát, và do đó, lực ma sát lớn, làm cho bánh xe bám tốt vào mặt
đường; tuy nhiên, ở đường băng, hệ số ma sát nhỏ hơn nhiều. Nếu ta vẫn giữ gia tốc như
cũ, nghĩa là mô men lớn trong khi lực ma sát nhỏ, từ phương trình (2-2) và (2-3) ta thấy,
bánh xe sẽ có gia tốc lớn trong khi xe có gia tốc nhỏ. Điều này làm cho hệ số trượt λ tăng
vượt ra ngoài khoảng an toàn, gây ra sự trượt cho bánh xe.

Rõ ràng trượt là hiện tượng không tốt, gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng như mất lái,
mòn lốp, lãng phí công suất động cơ, … cho nên, chống trượt là vấn đề được quan tâm
hàng đầu trong các nghiên cứu về điều khiển chuyển động xe, bất kể là xe điện hay xe
chạy động cơ đốt trong.
2.1.2. Xây dựng mô hình động lực học bánh xe
Từ các phương trình (2-1) đến (2-7) ta xây dựng được mô hình bánh xe như hình 2.4.

Hình 2.4. Mô hình bánh xe [13].
-9-




Chương 2. Đề xuất phương pháp nhận dạng mô hình bánh xe điện bằng thực nghiệm

Từ mô hình trên có thể xác định được đặc tính của bánh xe, đặc tính tốc độ còn phụ
thuộc vào khối lượng M của xe, phụ thuộc vào Momen quán tính của bánh xe J, phụ
thuộc vào công thức thực nghiệm giữa hệ số trượt λ và hệ số ma sát µ. Việc giả định các
tham số trên đã biết ta hoàn toàn có thể khảo sát đặc tính của mô hình bằng Matlab
Simulink. Hình 2.5 là sơ đồ mô phỏng, với hệ sộ mặt đường Road Conditions bằng 1, hệ
số ma sát µ được tính bằng công thức 2-6 và 2-7.

Hình 2.5. Sơ đồ mô phỏng mô hình lý thuyết bánh xe.
Đầu vào của đối tượng là momen đặt, đầu ra là vận tốc của bánh xe. Với một
momen đủ lớn thì vận tốc bánh xe sẽ tăng cho đến khi đạt vận tốc tới hạn.

-10-

Chương 2. Đề xuất phương pháp nhận dạng mô hình bánh xe điện bằng thực nghiệm

Hình 2.6. Đặc tính của mô hình bánh xe.

2.2. Đề xuất phương pháp nhận dạng thực nghiệm
Khảo sát đặc tính động học của mô hình lý thuyết với các tham số được giả định như
điều kiện mặt đường, khối lượng của xe không đổi trong quá trình chuyển động, cũng
như coi momen quán tính của bánh xe là một đại lượng đã biết. Từ việc giả định như vậy
tiến hành mô phỏng và có thể xác định được sách lược điều khiển cho mô hình lý thuyết
tuy nhiên khi áp dụng bộ điều khiển dựa trên mô hình lý thuyết vào thực tế thì kết quả thu
được sai khác so với tính toán và mô phỏng dẫn đến các nhược điểm của xe PET đã trình
bày ở chương đầu tiên. Lý do trong thực tế thì khối lượng xe luôn thay đổi trong quá trình
vận hành, việc đo vận tốc xe bằng ước lượng từ công thức (2-1) mà không sử dụng cảm
biến cũng tạo ra sai khác trong thực tế. Đó là chưa kể tới trong quá trình mô hình ta đã bỏ
qua các ảnh hưởng của khí động học, lực ma sát lăn….Và cuối cùng sử dụng chung một
bộ điều khiển cho hai bánh xe cũng dẫn đến sai khác lí do đặc tính hai bánh xe không
hoàn toán giống nhau.
Khi thực hiện mô hình hóa cho một đối tượng, người ta đã kết luận rằng phương pháp
mô hình hóa tốt nhất là kết hợp giữa mô hình hóa lý thuyết và mô hình hóa thực nghiệm.
Dựa trên cơ sở đó nhóm em đề xuất “Phương pháp nhận dạng mô hình bánh xe điện
bằng thực nghiệm”. Tiến hành cho xe chạy thực tế trên đường và đo các dữ liệu thực
nghiệm thì các dữ liệu đo được sẽ phản ánh đầy đủ các ảnh hưởng của mọi tham số tác
động. Tổng hợp các dữ liệu đo được vào máy tính và sử dụng để nhận dạng thì ta có thể

-11-

Chương 2. Đề xuất phương pháp nhận dạng mô hình bánh xe điện bằng thực nghiệm

thu được một mô hình đã hàm chứa các ảnh hưởng của tham số. Để tiến hành nhận dạng
nhóm em sẽ thực hiện các công việc sau:
- Thiết kế mạch thu nhận dữ liệu.
- Nhận dữ liệu vào máy tính và xử lý lọc nhiễu.
- Tìm hiểu lý thuyết nhận dạng, đưa ra phương pháp nhận dạng phù hợp.
Nội dung của việc tiến hành nhận dạng sẽ được trình bày ở 2 chương tiếp theo.

-12-




Chương 3. Thu thập số liệu thực nghiệm và xử lý số liệu

Chương 3
THU THẬP SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM VÀ
XỬ LÝ SỐ LIỆU
3.1. Thiết kế mạch thu nhận dữ liệu
3.1.1. Yêu cầu thu nhận dữ liệu
Khi xe đang chuyên động trên đường hay các quá trình chuyển hướng cần thu nhận
các tín hiệu vận tốc của động cơ, dòng điện, momen…để phục vụ cho việc phân tích và
xây dựng mô hình.
Do thu nhận được càng nhiều dữ liệu và tín hiệu thu được càng nhanh càng có lợi cho
việc xây dựng mô hình được chính xác, và quá trình xử lý dữ liệu được tách rời với quá
trình đo do đó nhóm em lựa chọn phương án ghi dữ liệu ra bộ nhớ ngoài trong toàn bộ
quá trình thu dữ liệu. Sau đó mới truyền các dữ liệu từ bộ nhớ ngoài lên máy tình phục vụ
cho quá trình xử lý và xây dựng các đường đặc tính.
3.1.2. Thiết kế mạch thực nghiệm

Trên cơ sở yêu cầu thu nhận dữ liệu nhóm em thiết kế mạch lưu tín hiệu song song
đảm bảo tốc độ thu nhập dữ liệu cao. Lựa chọn bộ nhớ ngoài lớn 512Kb-1024Kb và thiết
kế mạch bao gồm các module :
- Module truyền thông nối tiếp: sử dụng giao tiếp I2C chế độ multi- master, PIC 16f877
được sử dụng để giao tiếp với 2 slave trong mạch điều khiển (DSPIC 4012).
- Bộ nhớ ngoài: sử dụng ROM AT49F010 bộ nhớ 1megabits lưu dữ liệu.
- Module RS232: sử dụng PIC 16f877 kết hợp với MAX232 truyền lên cổng COM máy
tính.
Mạch sử dụng :
- PIC 16F877
PIC 16F877 là dòng PIC thông dụng trên thị trường đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu của
bài toán .
Các thông số đặc trưng của PIC:
• Lập trình với 35 câu lệnh đơn giản, hầu hết thực hiện trong 1 chu kì.
• Tốc độ hoạt động : Xung đồng hồ vào DC-20MHz.
-13-




Chương 3. Thu thập số liệu thực nghiệm và xử lý số liệu

• Chu kì thực hiện lệnh là 200ns.
• Dải điện thế 2.0÷5.5V.
• Có 3 timer : 2 bộ 8 bit, 1 bộ 16 bit.
• 33 cổng IO, 8 cổng Analog.
• Cổng truyền thông nối tiếp SSP với SPI và I2C.
• Truyền thông USART.
• Giá sản phẩm không quá đắt.
- Bộ nhớ ngoài ROM AT49F010

Đáp ứng yêu cầu lưu trữ dữ liệu lớn đồng thời tốc độ đọc ghi cao. Đặc tính của chip:
• Sử dụng điện áp 5V cho việc đọc, xóa và lập trình.
• Bộ nhớ 1Mbits (128Kx8) , công nghệ CMOS.
• Truy nhập nhanh với tốc độ 45ns.
• Có timer và điều khiển bên trong.
• Xóa toàn bộ ROM nhanh trong thời gian 10s.
• Lập trình nhanh với tốc độ 10us / byte.
• Bảo vệ dữ liệu bằng Data Polling.
• Tiêu thụ công suất nhỏ với 30mA khi hoạt động và 100uA khi standby.
• Số lần ghi lớn 10.000 lần.

-14-




Chương 3. Thu thập số liệu thực nghiệm và xử lý số liệu

GND
C2

VCC

22pF

C1

2

20M

1

22pF

XTAL

R403
10K

U1

13
14
1

MCLR

RA7/OSC1/CLKIN
RA6/OSC2/CLKOUT
RE3/MCLR/Vpp

*
SW RESET
C402
1u

GND

A14

A15
A16

D1

GND

2
3
4
5
6
7

A8
A9
A10
A11
A12
A13

LED

8
9
10
R1
Resistor
1K

VCC

GND

VCC

11
12
31
32

RA0/AN0/ULPWU/C12IN0RA1/AN1/C12IN1
RA2/AN2/CVREF/C2IN+
RA3/AN3/VREF+/C1IN+
RA4/TOCKI/C1OUT
RA5/AN4/SS/C2OUT
REO/AN5
RE1/AN6
RE2/AN7
VDD
VSS
VSS
VDD

RB0/AN12/INT
RB1/AN10/C12IN3RB2/AN8
RB3/AN9/PGM/C12IN2RB4/AN11
RB5/AN13/T1G
RB6/ICSPCLK
RB7/ICSPDAT

RCO/T1OSO/T1CKI
RC1/T1OSI/CCP2
RC2/P1A/CCP1
RC3/SCK.SCL
RC4/SDI/SDA
RC5/SDO
RC6/TX/CK
RC7/RX/DT

PIC16F887

RD0
RD1
RD2
RD3
RD4
RD5/PIB
RD6/P1C
RD7/P1D

33
34
35
36
37
38
39
40

A0

A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7

15
16
17
18
23
24
25
26

WE
OE
CE
SCL
SDA

19
20
21
22
27
28
29

30

D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7

TX
RX

SW
2

Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý khối thu nhận dữ liệu.

-15-



VCC
3
1 MODE
GND

A0
A1

A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
A9
A10
A11
A12
A13
A14
A15
A16

12
11
10
9
8
7
6
5
27
26
23
25
4
28

29
3
2

U2
A0
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
A9
A10
A11
A12
A13
A14
A15
A16
AT49F010

D0
D1
D2
D3
D4
D5

D6
D7
GND
VCC
WE
OE
CE

13
14
15
17
18
19
20
21
16
32
31
24
22

D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7

VCC
WE GND
OE
CE


Chương 3. Thu thập số liệu thực nghiệm và xử lý số liệu

3.1.3. Thuyết minh nguyên lý
Tín hiệu cần thu thập thông qua giao tiếp I2C với các vi xử lý khác được lưu trữ vào
ROM qua các chân địa chỉ từ A0-A15.Với 16 chân địa chỉ thì ta có thể lưu giữ được 216
dữ liệu, mỗi dữ liệu ứng có độ lớn 1byte và được lưu trữ vào trong ROM thông qua các
chân data A0-A7.
Mạch có 2 chế độ lưu và truyền dữ liệu, được điều khiển bởi Switch gạt. Khi hoạt
động ở chế độ lưu hay chế độ ghi thì dữ liệu sẽ được truyền từ DSPIC 4012 của mạch
điều khiển sang PIC16F877 qua giao tiếp I2C và ghi vào ROM. Sau đó muốn nhận dữ
liệu vào máy tính thì Switch được gạt sang, ta sẽ truyền dữ liệu từ ROM lên máy tính qua
giao tiếp RS232.

3.2. Truyền nhận dữ liệu bằng I2C
3.2.1. Giới thiệu sơ lược về I2C
a) Khái niệm
Một giao tiếp I2C gồm có 2 dây: Serial Data (SDA) và Serial Clock (SCL).SDA là
đường truyền dữ liệu 2 hướng, còn SCL là đường truyền xung đồng theo 1 hướng. Trên
mạng I2C mỗi thiết bị sẽ nhận một địa chỉ trong suốt thời gian giao tiếp giữa chủ và
tớ.Thiết bị chủ ( master) giữ vai trò chủ động , còn thiết bị tớ ( Slave) chỉ đợi lắng nghe
master phát tín hiệu xuống và nó sẽ dáp ứng lại tín hiệu đó.
b) Điều kiện Start và Stop

Hình 3.2. Start – Stop conditions.

Điều kiện Start trên bus là: Chân SDA có cạnh từ cao xuống thấp và chân SCL đang
ở mức cao.
-16-




Chương 3. Thu thập số liệu thực nghiệm và xử lý số liệu

Điều kiện Stop trên bus là: Chân SDA có cạnh từ thấp lên cao và chân SCL đang ở
mức cao.
c) Định dạng dữ liệu truyền trong I2C

Hình 3.3. Khung truyền dữ liệu I2C.
Ban đầu Master sẽ truyền 8 bit cho Slave trong đó có 7 bit chứa địa chỉ ( Address)
của Slave và bit LSB sẽ có hai giá trị : nếu là 1 ( đọc dữ liệu từ Slave) hay là 0 (đưa dữ
liệu ra slave) .
Sau đó nếu địa chỉ tới đúng con Slave thì master sẽ nhận được tín hiệu ACK từ con
Slave. Sau đó nó sẽ truyền mỗi lần 8 bit Data xuống Slave.Khi con Slave nhận xong 8 bít
nó sẽ kéo đường ACK xuống thấp, để báo cho master biết Slave đã nhận đủ 8 bit.
3.2.2. Giới thiệu lý thuyết về multi master- slave
Bus I2C ban đầu thực chất được phát triển như một bus multi-master (nhiều chủ). Có
nghĩa là có hơn 1 thiết bị có thể chủ động trong hệ thống.
Nếu ta chỉ dùng 1 master thì trên bus thực sự không có sự xung đột dữ liệu.Tuy nhiên nếu
có từ 2 master trở lên như hình 3.4.

Hình 3.4. Cấu hình 2 Master trong mạng.
-17-