Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô

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

LẠI NĂNG VŨ

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀUKHIỂN
QUÁ TRÌNH PHANH Ô TÔ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2012


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

Lại Năng Vũ

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀUKHIỂN
QUÁ TRÌNH PHANH Ô TÔ
Chuyên ngành
Mã số

: Kỹ thuật ô tô máy kéo
: 62 52 35 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Nguyễn Trọng Hoan

2. PGS.TS. Hồ Hữu Hải

Hà Nội - Năm 2012


2

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi, đề tài được thực hiện
tại Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội dưới
sự hướng dẫn của PGS. TS. Nguyễn Trọng Hoan và PGS.TS. Hồ Hữu Hải.
Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa
từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác.
Tác giá luận án

Lại Năng Vũ


3

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, Tác giả bày tỏ lòng biết ơn, sự kính trọng PGS.TS Nguyễn
Trọng Hoan, PGS.TS Hồ Hữu Hải – Viện Cơ khí động lực Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội đã trực tiếp hướng dẫn, luận giải, tận tình giúp đỡ, dành nhiều thời
gian, công sức để luận án này được hoàn thành.
Tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Phạm Văn Lang, các Thầy giáo,
Cô giáo thuộc Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
nói riêng và các Thầy giáo, các chuyên gia trong ngành Cơ khí động lực nói chung
và các đồng nghiệp đã dành nhiều trí tuệ, xem xét, đánh giá, góp ý kiến trong suốt
quá trình thực hiện luận án.

Tác giả xin chân thành cảm ơn: Viện Cơ giới quân sự/TCKT/BQP, Khoa Vũ
khí/HVKTQS, Xưởng SC ô tô Năm Tám, Tổng công ty ASC, Trường Cao đẳng
CN&KT ô tô/TCKT/BQP; cảm ơn Thầy giáo TS Nguyễn Quốc Cường Trường
ĐHBK Hà Nội và các sinh viên K49, K51, K52, K53 thuộc Bộ môn Ô tô và xe
chuyên dụng/Viện Cơ khí động lực đã giúp đỡ trong quá trình nghiên cứu thực
nghiệm.
Xin chân thành cảm ơn Viện đào tạo sau đại học Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội; Lãnh đạo, chỉ huy Cục Xe-Máy/BQP, tập thể cán bộ Phòng Quân huấn/Cục
Xe-Máy luôn động viên, tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi giúp Tác giả vượt
qua những khó khăn trong thời gian nghiên cứu.
Vô cùng biết ơn các thành viên trong gia đình đã dành mọi điều kiện tốt nhất
trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu.


I

MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................... I
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................................ III
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ V
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ................................................................ V
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH PHANH Ô TÔ ............. 4
1.1 Tai nạn giao thông và các yếu tố ảnh hưởng ................................................... 4
1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới .................................................................. 6
1.2.1 Sự phát triển của hệ thống phanh ô tô ............................................................. 6
1.2.2 Các công trình nghiên cứu về điều khiển quá trình phanh ............................ 11
1.3 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam ................................................................. 15
1.4 Kết luận chương 1 ......................................................................................... 18
Chương 2 CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH PHANH ÔTÔ .............................. 19

2.1 Vấn đề điều khiển quá trình phanh ô tô ......................................................... 19
2.1.1 Sự lăn-bám-trượt của bánh xe với mặt đường khi phanh .............................. 19
2.1.2 Sự phân bố tải trọng của ô tô khi phanh ........................................................ 24
2.2 Hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh .............................................. 26
2.2.1 Chu trình điều khiển ABS ............................................................................. 26
2.2.2 Quá trình điều khiển trong hệ thống ABS ..................................................... 27
2.2.3 Ứng dụng lô gic trong điều khiển ABS ......................................................... 29
2.2.4 Phương pháp điều khiển của ABS ................................................................. 32
2.3 Sự quay thân xe khi phanh ............................................................................ 35
2.4 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng quá trình phanh ......................................... 36
2.4.1 Các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh ............................................................ 36
2.4.2 Các chỉ tiêu đánh giá ổn định hướng ............................................................. 37
2.5 Kết luận chương 2 ......................................................................................... 38
Chương 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
QUÁ TRÌNH PHANH Ô TÔ ........................................................................ 39
3.1 Hệ thống ABS có xét đến ổn định hướng khi phanh ..................................... 39
3.2 Mô hình động lực học ô tô khi phanh............................................................ 42
3.2.1 Các giả thiết xây dựng mô hình ..................................................................... 42
3.2.2 Mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô ..................................................... 43
3.2.3 Mô hình bánh xe ............................................................................................ 47
3.3 Mô hình hệ thống dẫn động phanh thủy lực .................................................. 53
3.3.1 Khối xy lanh phanh chính.............................................................................. 56
3.3.2 Khối van điều chỉnh áp suất .......................................................................... 58
3.3.3 Khối xy lanh công tác và cơ cấu phanh ......................................................... 60
3.4 Bộ điều khiển ABS có xét đến ổn định hướng .............................................. 62


II
3.4.1
3.4.2

3.5
3.5.1
3.5.2
3.5.3
3.6

Bộ suy luận theo lô gic mờ ............................................................................ 63
Bộ điều khiển điện tử ABS ............................................................................ 67
Mô phỏng hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô..................................... 70
Mô phỏng đánh giá hoạt động của hệ thống điều khiển phanh ..................... 71
Mô phỏng đánh giá chất lượng phanh ........................................................... 75
Mô phỏng xác định giá trị ngưỡng gia tốc góc bánh xe ................................ 79
Kết luận chương 3 ......................................................................................... 82

Chương 4 THIẾT KẾ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ
HỆ THỐNG PHANH ABS ........................................................................... 83
4.1 Cơ sở thiết kế bộ ECU-ABS .......................................................................... 83
4.1.1 Cảm biến vận tốc góc bánh xe ....................................................................... 84
4.1.2 Cụm rơ le điều khiển ..................................................................................... 85
4.1.3 Cụm van thủy lực .......................................................................................... 86
4.1.4 Bộ điều khiển điện tử (ECU-ABS) ................................................................ 87
4.2 Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển (ECU-ABS) ................................................. 88
4.2.1 Cấu trúc ECU-ABS ....................................................................................... 88
4.2.2 Thiết kế các mô đun trong bộ điều khiển điện tử .......................................... 89
4.2.3 Thuật toán điều khiển .................................................................................... 92
4.2.4 Chế tạo bộ ECU-ABS .................................................................................... 94
4.3 Thử nghiệm đánh giá chất lượng bộ ECU-ABS chế tạo ............................... 95
4.3.1 Đối tượng, mục đích và phương pháp thử nghiệm ........................................ 95
4.3.2 Thiết bị thử nghiệm ....................................................................................... 96
4.3.3 Thử nghiệm đo vận tốc góc và gia tốc góc .................................................. 100

4.3.4 Xác định tần số biến đổi vận tốc bánh xe bằng hình ảnh ............................ 103
4.4 Thử nghiệm đánh giá chất lượng quá trình phanh....................................... 104
4.4.1 Mục đích và phương pháp ........................................................................... 104
4.4.2 Thiết bị thử nghiệm ..................................................................................... 105
4.4.3 Quy trình thử nghiệm .................................................................................. 107
4.4.4 So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm ................................... 110
4.5 Kết luận chương 4 ....................................................................................... 112
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 113
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 114
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ............................................. 118


III

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1.

Ký hiệu bằng chữ cái La tinh

Ký hiệu
a
b
B
L
hg
rb

Giải thích
Khoảng cách từ tâm cầu trước đến trọng tâm
Khoảng cách từ tâm cầu sau đến trọng tâm

Chiều rộng cơ sở của xe
Chiều dài cơ sở của xe
Chiều cao trọng tâm của xe
Bán kính làm việc của bánh xe

Đơn vị
m
m
m
m
m
m

AF

Diện tích tiết diện trước của ô tô

Cd

Hệ số cản không khí

v

Vận tốc dọc của xe

m/s
rad/s

u
r

m
g
jp

Vận tốc dọc bánh xe trước trái, trước phải, sau trái, sau
phải
Vận tốc ngang của xe
Vận tốc quay thân xe theo trục thẳng đứng
Khối lượng của xe
Gia tốc trọng trường
Gia tốc chậm dần cực đại

ax

Gia tốc chuyển động dọc

m/s2

ay

Gia tốc chuyển động bên

m/s2

Iz

Mô men quán tính ô tô quanh trục thẳng đứng

kg.m2

Iw

Mô men quán tính bánh xe

kg.m2

Mk

Mô men kéo

N.m

Mb

Mô men phanh bánh xe

N.m

Mz

Mô men quay thân xe quanh trục thẳng đứng

N.m

Zi

Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe

N

Fz
Frfl , Frfr

Phản lực mặt đường tác dụng lên bánh xe

N

Phản lực mặt đường bánh xe trước bên trái, bên phải

N

Fzrl , Fzrr

Phản lực mặt đường bánh xe sau bên trái, bên phải

N

Lực dọc

N

Fxfl , Fxfr

Lực dọc bánh xe trước bên trái, bên phải

N

Fxrl , Fxrr

Lực dọc bánh xe sau bên trái, bên phải

N

Lực bên

N

v fl , v fr , vrl , vrr

Fx

Fy

m2

m/s
rad/s
kg
m/s2
m/s2


IV
Fyfl , Fyfr

Lực bên bánh xe trước bên trái, bên phải

N

Fyrl , Fyrr

Lực bên bánh xe sau bên trái, bên phải

N

Fa

Lực cản không khí

N

Pϕ

Lực bám

N

p fl , p fr , prl , prr Áp suất phanh tương ứng bánh xe trước trái, trước phải,
sau trái, sau phải
Cα f , Cα r

Độ cứng bên của lốp trước, lốp sau

Pa
N/rad

K fl , K fl , K rl , K r Hằng số phanh tương ứng với bánh xe trước trái, trước
phải, sau trái, sau phải
2.

Ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp
Đơn vị
rad

Ký hiệu
α fl ,α fr

Giải thích
Góc lệch bên bánh xe trước trái, trước phải

α rl , α rr

Góc lệch bên bánh xe sau trái, sau phải

rad

βv

Góc quay vành lái

rad

β

Góc quay bánh xe dẫn hướng

rad

ε
γ

δ
ϕ ,ϕ x ,ϕ y

Góc quay thân xe
Góc lệch thân xe
Hệ số tính đến ảnh hưởng các khối lượng quay
Hệ số bám, hệ số bám dọc, hệ số bám ngang

rad
rad

λ , λx , λ y
ρ
ω
ω
ω1
ω 2
ω 3

Độ trượt, độ trượt dọc, độ trượt ngang

3.

Mật độ không khí
Vận tốc góc bánh xe
Gia tốc góc bánh xe
Ngưỡng gia tốc giảm áp

kg/m3
rad/s

rad/s2
rad/s2

Ngưỡng gia tốc giữ áp

rad/s2

Ngưỡng gia tốc tăng áp

rad/s2

Các chữ viết tắt

Ký hiệu

Giải thích

ABS

Hệ thống phanh chống hãm cứng bánh xe khi phanh (Anti-lock
Braking Systems)

ABS-SC

Hệ thống phanh chống hãm cứng bánh xe khi phanh có xét đến ổn


V
định hướng
AYC

Hệ thống điều khiển góc hướng chủ động (Active Yaw Control)

EBD

Hệ thống phân bố lực phanh điện tử (Electronic Brake force
Distribution)

ECU

Bộ điều khiển điện tử (Electronic Control Unit)

ESP

Hệ thống ổn định xe bằng điện tử (Electronic Stability Program)

FLC

Điều khiển lôgic mờ (Fuzzy Logic Controller)

TCS

Hệ thống điều khiển lực kéo (Traction control system)

YSC

Hệ thống điều khiển ổn định góc hướng (Yaw Stability Control)

VSC

Hệ thống điều khiển ổn định ô tô (Vehicle Stability Control)

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1
Bảng 2.2
Bảng 3.1
Bảng 3.2
Bảng 3.3
Bảng 3.4
Bảng 3.5
Bảng 4.1
Bảng 4.2
Bảng 4.3
Bảng 4.4
Bảng 4.5
Bảng 4.6

Quan hệ mệnh đề hợp thành với mệnh đề điều kiện và mệnh đề kết
luận trong lô gic truyền thống .............................................................. 30
Bảng luật suy luận mờ .......................................................................... 31
Hệ số theo công thức Burckhardt của một số loại đường [53] ............ 50
Các luật hợp thành của bộ suy luận mờ ............................................... 66
So sánh chỉ tiêu hiệu quả phanh ô tô trên đường khô và đường ướt
khi không có và có hệ thống ABS ........................................................ 77
So sánh chỉ tiêu hiệu quả phanh ô tô trên đường nửa khô, nửa ướt
khi không có ABS, có ABS và có ABS-SC ......................................... 78
Kết quả xác định giá trị ngưỡng gia tốc bằng mô phỏng .................... 82
Thông số kỹ thuật cơ bản của bộ chuyển đổi hiển thị vận tốc góc và
gia tốc góc bánh xe ............................................................................... 96
Trình tự thí nghiệm xác định gia tốc góc bánh xe.............................. 100

Trình tự thí nghiệm chụp ảnh biến đổi vận tốc bánh xe khi phanh.... 104
Quy trình thử nghiệm đánh giá chất lượng quá trình phanh .............. 107
Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng quá trình phanh .............................. 110
So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thử nghiệm ........................... 111

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1
Hình 2.1
Hình 2.2

Tiến trình phát triển của hệ thống phanh ô tô ....................................... 6
Đặc tính trượt lý tưởng ......................................................................... 20
Quá trình phanh theo đặc tính trượt lý tưởng ....................................... 20


VI
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5

Sự biến đổi hệ số bám dọc và hệ số bám ngang theo độ trượt ............. 22
Quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt của một số loại đường ................ 23
Mối quan hệ giữa ϕ x và λ với các loại lốp ........................................ 23

Hình 2.6

Mối quan hệ ϕ x , ϕ y với λ ứng với góc lệch bên α i .......................... 24

Hình 2.7
Hình 2.8

Sơ đồ điều khiển hệ thống ABS ........................................................... 26
Sự thay đổi của mô men phanh M b (a), áp suất dẫn động phanh (p)

Hình 2.9
Hình 2.10
Hình 2.11
Hình 2.12
Hình 2.13
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10
Hình 3.11
Hình 3.12
Hình 3.13
Hình 3.14
Hình 3.15
Hình 3.16
Hình 3.17
Hình 3.18
Hình 3.19
Hình 3.20
Hình 3.21

Hình 3.22

và gia tốc góc ( ω ) của bánh xe khi phanh có ABS ............................. 28
Hàm thuộc các biến đầu vào và biến đầu ra của bộ suy luận mờ ........ 32
Sơ đồ thuật toán điều khiển theo độ trượt ............................................ 33
Sơ đồ thuật toán điều khiển theo gia tốc góc bánh xe .......................... 34
Điều khiển chống sự quay thân xe khi phanh ...................................... 35
Góc lệch của ô tô khi phanh (a) và độ lệch của ô tô khi phanh (b)...... 37
Sơ đồ hệ thống phanh ABS -SC ........................................................... 40
Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển phanh ABS-SC .................... 41
Hệ tọa độ nghiên cứu chuyển động ô tô khi phanh .............................. 42
Mô hình động lực học ô tô trong không gian ....................................... 44
Mô hình mô phỏng chuyển động thân ô tô khi phanh ......................... 46
Các lực tác dụng lên bánh xe khi phanh .............................................. 47
Mô hình mô phỏng lốp xe theo mô hình Burchardt ............................. 50
Quan hệ hệ số bám và độ trượt xây dựng theo mô hình Burchardt
với hệ số bám lớn nhất là 0,7 và 0,5 .................................................... 51
Quan hệ hệ số bám dọc và ngang theo độ trượt dọc ............................ 51
Mô hình mô phỏng động lực học của bánh xe ..................................... 52
Mô hình mô phỏng chuyển động ô tô khi phanh ................................. 53
Sơ đồ hệ thống dẫn động phanh thủy lực có ABS ............................... 54
Mô hình mô phỏng hệ thống dẫn động phanh thủy lực có ABS.......... 56
Mô hình xy lanh phanh chính............................................................... 56
Mô hình mô phỏng xy lanh phanh chính ............................................. 57
Mô hình mô phỏng cụm van điều chỉnh áp suất 1 ............................... 59
Mô hình mô phỏng cụm van điều chỉnh áp suất 2 ............................... 60
Mô hình mô phỏng xy lanh công tác và cơ cấu phanh......................... 61
Sơ đồ thuật toán của hệ thống phanh ABS-SC .................................... 62
Mô hình mô phỏng bộ điều khiển ABS-SC ......................................... 63
Bộ suy luận theo lôgic mờ.................................................................... 65

Hàm liên thuộc của tín hiệu đầu vào er ............................................... 65

Hình 3.23 Hàm liên thuộc của tín hiệu đầu vào er ............................................... 66
Hình 3.24 Hàm liên thuộc của tín hiệu đầu ra K ................................................. 66
Hình 3.25 Quan hệ giữa biến đầu ra với các biến đầu vào của bộ suy luận mờ ... 67


VII
Hình 3.26
Hình 3.27
Hình 3.28
Hình 3.29
Hình 3.30
Hình 3.31
Hình 3.32
Hình 3.33
Hình 3.34
Hình 3.35
Hình 3.36
Hình 3.37
Hình 3.38
Hình 4.1
Hình 4.2
Hình 4.3
Hình 4.4
Hình 4.5
Hình 4.6
Hình 4.7
Hình 4.8
Hình 4.9

Hình 4.10
Hình 4.11
Hình 4.12
Hình 4.13
Hình 4.14
Hình 4.15
Hình 4.16
Hình 4.17
Hình 4.18
Hình 4.19

Mô hình mô phỏng bộ điều khiển ECU-ABS ...................................... 70
Vận tốc góc bánh xe khi phanh trên đường khô ở v0=40km/h ............ 71
Vận tốc góc bánh xe khi phanh trên đường ướt ở v0=40km/h ............. 72
Vận tốc góc bánh xe khi phanh trên đường nửa khô, nửa ướt ở
v0=40km/h ............................................................................................ 72
Độ trượt dọc của bánh xe khi phanh trên đường khô ở v0=40km/h ..... 73
Độ trượt dọc của bánh xe khi phanh trên đường ướt ở v0=40km/h ..... 73
Độ trượt dọc của bánh xe khi phanh trên đường nửa khô, nửa ướt ở
v0=40km/h ............................................................................................ 74
Hiệu quả phanh trên đường khô ở v0=40km/h ..................................... 76
Hiệu quả phanh trên đường ướt ở v0=40km/h...................................... 76
Hiệu quả phanh trên đường nửa khô, nửa ướt ở v0=40km/h................ 77
Biến đổi gia tốc góc các bánh xe ở v0=40km/h, ϕmax=0,4 ................... 81
Quan hệ ngưỡng gia tốc theo hệ số bám (a) và vận tốc phanh (b) ....... 81
Mật độ phân bố chuẩn giá trị ngưỡng gia tốc ...................................... 81
Cấu tạo và bố trí của cảm biến đo vận tốc góc bánh xe ....................... 84
Sơ đồ mạch điện van điện từ bộ chấp hành trên xe ............................. 86
Sơ đồ tín hiệu từ cảm biến đo vận tốc góc bánh xe ............................. 88
Sơ đồ cấu trúc ECU-ABS chế tạo ........................................................ 88

Sơ đồ nguyên lý mô đun chuẩn hóa xung ............................................ 89
Khối cấp nguồn cho mạch điều khiển .................................................. 90
Sơ đồ mạch điều khiển rơ le bơm dầu và van điện từ bộ chấp hành ... 91
Khối vi điều khiển ................................................................................ 92
Sơ đồ thuật toán điều khiển của ECU-ABS ......................................... 93
Bộ điều khiển điện tử ECU-ABS ......................................................... 95
Bộ chuyển đổi, hiển thị vận tốc góc và gia tốc góc bánh xe ................ 97
Giao diện phần mềm hiển thị kết quả đo ............................................. 98
Kết nối bộ chuyển đổi, hiển thị vận tốc góc và gia tốc góc bánh xe.... 98
Camera tốc độ cao FASTCAM SA1.1 675K-C1 ................................. 99
Sơ đồ cổng kết nối thiết bị ................................................................. 100
Vận tốc và gia tốc góc các bánh xe khi phanh xe không có ABS
trên đường khô ở vận tốc v0=40km/h ................................................ 101
Vận tốc và gia tốc góc các bánh xe khi phanh xe có ECU- ABS
nhập ngoại trên đường khô ở vận tốc v0=40km/h .............................. 101
Vận tốc và gia tốc góc các bánh xe khi phanh xe có ECU- ABS chế
tạo trên đường khô ở vận tốc v0=40km/h........................................... 102
Vận tốc và gia tốc góc các bánh xe khi phanh xe không có ABS
trên đường ướt ở vận tốc v0=40km/h ................................................. 102


VIII
Hình 4.20 Vận tốc và gia tốc góc các bánh xe khi phanh xe có ECU- ABS
nhập ngoại trên đường ướt ở vận tốc v0=40km/h .............................. 102
Hình 4.21 Vận tốc và gia tốc góc các bánh xe khi phanh xe có ECU- ABS chế
tạo trên đường ướt ở vận tốc v0=40km/h ........................................... 103
Hình 4.22 Thiết bị DEWETRON - 5000 ............................................................ 105
Hình 4.23 Vị trí lắp cảm biến S400 và cảm biến đo lực bàn đạp phanh ............. 106
Hình 4.24 Sơ đồ đấu nối thiết bị và các cảm biến............................................... 106
Hình 4.25 Kết quả thử nghiệm phanh ở v=40km/h đường khô ......................... 109

Hình 4.26 Kết quả thử nghiệm phanh ở v=40km/h đường ướt .......................... 109
Hình 4.27 So sánh vận tốc và quãng đường phanh trên đường khô ở v0=40km/h
khi không có ABS (a) và có ABS sử dụng ECU chế tạo (b) ............... 110
Hình 4.28 So sánh vận tốc và quãng đường phanh trên đường ướt ở v0=40km/h
khi không có ABS (a) và có ABS sử dụng ECU chế tạo (b) ................. 111


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, với sự tăng trưởng của nền kinh tế, giao thông
đường bộ Việt Nam đã phát triển trên nhiều lĩnh vực, trong đó phải kể đến sự gia
tăng nhanh chóng phương tiện ô tô cả về số lượng, chủng loại. Tuy nhiên, khi mật
độ giao thông và vận tốc trung bình của ô tô khi tham gia giao thông tăng lên các
biện pháp bảo đảm an toàn giao thông càng có ý nghĩa đặc biệt quan trọng.
Hệ thống phanh giữ một vai trò quan trọng đảm bảo an toàn khi chuyển động
của ô tô, có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo đảm an toàn cho người, phương tiện
khi tham gia giao thông nhất là khi ô tô chuyển động trên các mặt đường xấu, ướt
với vận tốc cao, phanh khẩn cấp. Để quá trình phanh ô tô đạt hiệu quả cao và giữ ổn
định hướng chuyển động của ô tô khi phanh phụ thuộc rất nhiều vào điều khiển quá
trình phanh. Hiện nay, đa số các ô tô con sử dụng hệ thống phanh có khả năng tự
động điều chỉnh quá trình phanh và trở thành tiêu chuẩn đánh giá chỉ tiêu yêu cầu
kỹ thuật và độ tin cậy của xe.
Trên thế giới, đã có nhiều công trình nghiên cứu, ứng dụng nội dung này, tuy
nhiên các tài liệu, kết quả nghiên cứu là tư liệu riêng của hãng không được công bố
hoặc có công bố chỉ mang tính chất hướng dẫn sử dụng, có ý nghĩa về lý thuyết,
không thống nhất giữa các hãng. Trong hệ thống phanh tự điều khiển quá trình
phanh, giá thành bộ điều khiển điện tử (ECU) và bộ chấp hành thủy lực chiếm
khoảng (70 ÷ 80) % trị giá của toàn hệ thống. Theo thông tin từ các cơ sở sửa chữa ô

tô trên địa bàn Hà Nội tỷ lệ hư hỏng bộ điều khiển điện tử chiếm tỷ lệ cao, nhất là
các xe ô tô hoạt động ở khu vực địa bàn thường xuyên bị ngập úng hay trong mùa
mưa bão, việc thay thế chủ yếu nhập khẩu đơn chiếc, giá thành cao. Do đó, việc
nghiên cứu, làm chủ kỹ thuật, công nghệ hiện đại trên ô tô nói chung, hệ thống điều
khiển quá trình phanh nói riêng để từng bước nghiên cứu chế tạo thay thế bộ điều
khiển điện tử của hệ thống phanh có ý nghĩa thực tiễn đối với ngành công nghiệp ô
tô nước ta, nhằm từng bước nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh cho các sản
phẩm ô tô chế tạo trong nước.
Xuất phát từ những yêu cầu thực tế trên, nghiên cứu sinh chọn đề tài “Nghiên
cứu hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô”.


2
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô, đề xuất cấu trúc và mô
phỏng bộ điều khiển chống hãm cứng bánh xe có xét đến ổn định hướng chuyển
động của xe khi phanh. Xây dựng thuật toán điều khiển, thiết kế, chế tạo bộ điều
khiển điện tử cho hệ thống phanh dẫn động thủy lực có ABS trên ô tô con nhằm góp
phần từng bước làm chủ công nghệ, kỹ thuật hiện đại ngành công nghiệp ô tô tại
Việt Nam.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: nghiên cứu bộ điều khiển điện tử hệ thống chống hãm
cứng bánh xe (ECU-ABS) của hệ thống phanh dẫn động thủy lực trên ô tô con.
Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu điều khiển quá trình phanh xe ô tô con 5 chỗ
dẫn động phanh thủy lực có ABS, chưa kể đến kỹ thuật chẩn đoán và lưu lỗi hệ
thống.
4. Phương pháp nghiên cứu và sản phẩm
Phương pháp nghiên cứu: kết hợp nghiên cứu mô phỏng lý thuyết trên máy
tính và thực nghiệm trên ô tô con.
Sản phẩm của đề tài: thuật toán điều khiển ECU-ABS, mô hình mô phỏng quá

trình phanh của hệ thống phanh ABS. Chế tạo, thử nghiệm ECU-ABS cho ô tô con
và bộ hiển thị vận tốc góc, gia tốc góc bánh xe khi phanh.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Động lực học phanh ô tô là quá trình vật lý phức tạp, việc nghiên cứu điều
khiển quá trình phanh ô tô là một nội dung quan trọng nâng cao an toàn chuyển
động của ô tô. Xây dựng mô hình mô phỏng điều khiển quá trình phanh của hệ
thống phanh ABS, kết quả nghiên cứu là cơ sở khảo sát điều khiển chống hãm cứng
bánh xe và ổn định hướng chuyển động của hệ thống phanh dẫn động thủy lực. Đề
xuất cấu trúc, thuật toán điều khiển, chế tạo ECU-ABS của hệ thống phanh ABS ô
tô con và thử nghiệm trên xe thực là một sản phẩm cụ thể, góp phần từng bước nắm
bắt công nghệ, tiếp cận khoa học kỹ thuật hiện đại trên ô tô mang ý nghĩa thực tiễn
và có ý nghĩa khoa học. Bộ chuyển đổi, hiển thị vận tốc góc và gia tốc bánh xe của
hệ thống phanh ABS có ý nghĩa thiết thực phục vụ học tập, nghiên cứu kiểm tra sự
làm việc của hệ thống phanh trên ô tô có hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi
phanh.


3
6. Bố cục của luận án
Luận án ngoài phần mở đầu và kết luận, gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về điều khiển điều khiển quá trình phanh ô tô. Trình
bày tổng quát kết quả nghiên cứu về điều khiển quá trình phanh ô tô trên thế giới và
trong nước, tìm hiểu kết quả của các công trình, đề tài nghiên cứu qua đó tìm ra
những vấn đề còn tồn tại trong các công trình nghiên cứu tại Việt Nam để xác định
nội dung nghiên cứu của luận án để đạt mục tiêu đề ra.
Chương 2: Cơ sở điều khiển quá trình phanh ô tô. Nghiên cứu vấn đề điều
khiển quá trình phanh ô tô, tập trung làm rõ cơ sở lý thuyết điều khiển chống hãm
cứng bánh xe, sự quay thân xe khi phanh của hệ thống ABS và tiêu chuẩn đánh giá
chất lượng quá trình phanh.
Chương 3: Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển quá trình phanh

ABS. Đề xuất cấu trúc, thuật toán điều khiển hệ thống phanh ABS có xét đến ổn
định hướng của xe khi phanh làm cơ sở xây dựng mô hình mô phỏng quá trình điều
khiển bằng công cụ Staflow phần mền Matlab Simulink. Nhằm đánh giá quá trình
điều khiển hệ thống chống hãm cứng bánh xe có xét đến ổn định hướng của xe khi
phanh (gọi tắt hệ thống ABS-SC), xác định sơ bộ giá trị ngưỡng gia tốc góc bánh xe
cho thuật toán điều khiển ECU-ABS chế tạo và mô phỏng khảo sát đánh giá chất
lượng quá trình phanh.
Chương 4: Thiết kế chế tạo thử nghiệm bộ điều khiển điện tử hệ thống phanh
ABS. Đề xuất thuật toán điều khiển, thiết kế, chế tạo 1 bộ ECU-ABS và thử nghiệm
trên ô tô thực để đánh giá chất lượng ECU-ABS chế tạo và đánh giá chất lượng quá
trình phanh khi ô tô không có hệ thống ABS, khi ô tô có hệ thống ABS sử dụng
ECU-ABS nhập ngoại và ECU-ABS chế tạo.
Phần kết luận và kiến nghị: đánh giá kết quả nghiên cứu của luận án so với
mục tiêu đã xác định, đề xuất hướng phát triển của các công trình nghiên cứu tiếp
theo để từng bước hoàn thiện ECU-ABS với các tính năng chẩn đoán, lưu lỗi phục
vụ cho ô tô sản xuất trong nước.


4

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH PHANH Ô TÔ
Nghiên cứu điều khiển quá trình phanh ô tô nhằm nâng cao hiệu quả phanh và
ổn định hướng chuyển động của ô tô khi phanh luôn là vấn đề được các nhà khoa
học quan tâm. Trên thế giới và trong nước vấn đề này đã trở thành yêu cầu cấp thiết,
là một trong các biện pháp bảo đảm an toàn cho xe khi chuyển động và hạn chế tai
nạn giao thông do ô tô gây ra. Để đạt các chỉ tiêu hiệu quả, ổn định hướng chuyển
động của ô tô khi phanh hệ thống phanh trên ô tô ngày càng hoàn thiện. Sự phát
triển của khoa học, công nghệ kỹ thuật điện, điện tử và điều khiển tự động ngày
càng ứng dụng phổ biến trong công nghiệp ô tô nói chung và hệ thống phanh nói

riêng. Trên cơ sở phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu trên thế giới và tại
Việt Nam nhằm đề xuất nội dung nghiên cứu của luận án.

1.1

Tai nạn giao thông và các yếu tố ảnh hưởng
Trong những năm gần đây, với sự tăng trưởng của nền kinh tế, giao thông

đường bộ Việt Nam đã phát triển trên nhiều lĩnh vực, trong đó phải kể đến sự gia
tăng nhanh chóng phương tiện ô tô cả về số lượng, chủng loại. Theo thống kê của
cơ quan quản lý phương tiện tính đến tháng 9/2011 toàn quốc có khoảng gần 2 triệu
ô tô, trên 33 triệu mô tô. Số lượng phương tiện tiếp tục tăng, 8 tháng năm 2011 đăng
ký mới gần 130 nghìn ô tô và 2 triệu mô tô; nếu chỉ tính riêng trong tháng 8/2011 có
gần 14 nghìn ô tô và trên 267 nghìn mô tô đã được đăng ký.
Đi đôi với sự gia tăng về phương tiện, nguy cơ mất an toàn giao thông đường
bộ cũng tăng lên, theo số liệu của Ủy ban An toàn giao thông quốc gia tổng hợp số
vụ mất an toàn giao thông đường bộ xẩy ra 8 tháng năm 2011 là gần 8 nghìn 5 trăm
vụ, làm chết trên 7 nghìn người, bị thương gần 6 nghìn người; riêng trong tháng
8/2011 toàn quốc xẩy ra trên 1 nghìn vụ, làm chết gần 9 trăm người, bị thương trên
8 trăm người.
Trên thế giới tai nạn giao thông cũng đang là vấn đề cấp bách, hàng năm tai
nạn giao thông làm chết trên dưới một triệu người, bị thương hàng trục triệu người.
Nếu chỉ tính năm 2002, tai nạn giao thông làm chết gần 1,2 triệu người, bị thương
hơn 50 triệu người, trong đó nhiều người bị thương tật suốt đời.


5
Qua thống kê, tai nạn giao thông do ô tô gây ra phụ thuộc điều kiện môi
trường giao thông, người lái, tình trạng kỹ thuật của ô tô và các yếu tố khác. Đây là
mối quan hệ qua lại giữa ba yếu tố: Đường - Xe - Người, các yếu tố có tác động mật

thiết và chi phối lẫn nhau. Các nhà nghiên cứu đã đưa ra kết quả khảo sát tỷ lệ tai
nạn giao thông do yếu tố con người chiếm khoảng (72 ÷ 80)%, điều kiện môi trường
chiếm (18 ÷ 20)%, yếu tố tình trạng kỹ thuật của ô tô chiếm (1,5 ÷ 2)%.
Yếu tố con người là nguyên nhân gây tai nạn giao thông chiếm tỷ lệ cao nhất,
phụ thuộc vào ý thức, trình độ kỹ thuật và trạng thái tâm lý, kinh nghiệm xử lý của
người lái ô tô. Để hạn chế các yếu tố này, cần phải tăng cường về thể chế pháp lý,
giáo dục, nhận thức, ý thức chấp hành luật giao thông và trình độ, kỹ năng điều
khiển ô tô của người tham gia giao thông.
Yếu tố môi trường giao thông như hệ thống giao thông, tình trạng mặt đường,
khí hậu, thời tiết, cơ sở hạ tầng. Khi cơ sở hạ tầng phát triển, nhu cầu nâng cao hiệu
quả kinh tế, năng xuất vận chuyển của ô tô tăng cao, làm cho mật độ tham gia giao
thông, vận tốc chuyển động ô tô có xu hướng tăng, do đó nguy cơ xảy ra tai nạn
giao thông cũng tăng lên, đòi hỏi trình độ chuyên môn, ý thức chấp hành luật giao
thông và yêu cầu kỹ thuật của ô tô khi tham gia giao thông cao hơn.
Tình trạng kỹ thuật của ô tô là yếu tố gây mất an toàn giao thông chiếm tỷ lệ
thấp, đó là kết quả của sự ứng dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật, công nghệ hiện đại
ngày càng nhiều, đồng thời các trang thiết bị, tài liệu công nghệ về ô tô từng bước
hoàn thiện và trình độ chuyên môn, khả năng ứng dụng, khai thác sử dụng của đội
ngũ cán bộ chuyên môn kỹ thuật trong ngành công nghệp ô tô ngày càng cao.
Tại Việt Nam, thực trạng tình hình giao thông đường bộ có nhiều vấn đề bất
cập, tiềm ẩn khả năng gây mất an toàn giao thông cao, để kiềm chế và ngăn chặn tai
nạn giao thông, ngày 29/6/2007 Chính phủ đã ban hành Nghị quyết 32/2007/NQ CP, với 7 nhóm giải pháp chính, trong đó việc nghiên cứu, nâng cao chất lượng,
hiệu quả hệ thống an toàn trên ô tô là yêu cầu không thể thiếu.
Hệ thống phanh trên ô tô phải bảo đảm các yêu cầu ổn định hướng chuyển
động khi phanh và hiệu quả phanh tốt nhất, do đó việc nghiên cứu, hoàn thiện về bố
trí, kết cấu, cấu trúc và thuật toán điều khiển của hệ thống phanh trên ô tô đang
được các hãng ô tô đầu tư và đã thu được nhiều kết quả khả quan.


6

1.2

Tình hình nghiên cứu trên thế giới

1.2.1 Sự phát triển của hệ thống phanh ô tô
Hiện nay, hệ thống phanh ô tô đã tương đối hoàn thiện về bố trí, kết cấu các bộ
phận, cụm và hệ thống, cũng như quá trình điều khiển, giúp bảo đảm, nâng cao hiệu
quả quá trình phanh và tính ổn định hướng. Để đạt được những thành tựu đó, hệ
thống phanh ô tô đã trải qua một quá trình phát triển trong thời gian dài, tiến trình
phát triển của hệ thống phanh ô tô được mô tả trên Hình 1.1 [43], [57].

ABS- Hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh
ACC- Hệ thống kiểm soát hành trình
EBD- Hệ thống phân bố lực phanh điện tử
ESP - Chương trình điều khiển ổn định điện tử
ECU- Bộ điều khiển điện tử
HCU- Bộ điều khiển thủy lực
EHB- Hệ thống phanh điện thủy lực
EMB- Hệ thống phanh điện tử

Hình 1.1

Tiến trình phát triển của hệ thống phanh ô tô

Theo tiến trình trên, sự phát triển của hệ thống phanh được phản ánh thông
qua sự phát triển về cơ cấu phanh, dẫn động phanh và điều khiển phanh.
Về cơ cấu phanh: sự phát triển đầu tiên trong thiết kế phải kể đến sự thay đổi
của phanh tang trống, với việc chuyển từ đai phanh ngoài tang trống đến guốc
phanh ở trong, thay đổi sử dụng phanh tang trống cơ cấu phanh bốn bánh trên các
xe được thiết kế trước năm 1970 [23], [25],[26], các xe con sản xuất sau năm 1970

7
sử dụng phanh đĩa ở cơ cấu phanh 2 bánh xe phía trước, hiện nay trên ô tô con hầu
hết sử dụng phanh đĩa ở cơ cấu phanh của tất cả các bánh xe.
Về dẫn động phanh: tương tự như cơ cấu phanh bánh xe, dẫn động phanh ngày
càng hoàn thiện, từ dẫn động cơ khí, cơ khí kết hợp với dẫn động thủy lực hay khí
nén và dẫn động thủy - khí kết hợp. Năm 1924, hệ thống phanh dẫn động thủy lực
bắt đầu được áp dụng, trong hệ thống dẫn động phanh thủy lực đầu tiên xy lanh
chính sử dụng loại pít tông đơn, xy lanh có một cửa ra. Năm 1967, xy lanh chính
kép được sử dụng. Hiện nay sử dụng loại xy lanh chính có đường kính bậc.
Để nâng cao độ tin cậy làm việc của hệ thống và chất lượng phanh ô tô, dẫn
động thủy lực đến các bánh xe cũng thay đổi nhằm phân chia lực tác dụng phanh
ngày càng phù hợp với kết cấu và bố trí hệ thống truyền lực. Lúc đầu hệ thống
phanh dẫn động thủy lực chỉ có 1 đường dẫn động cho cả 4 bánh xe. Năm 1931, hệ
thống phanh thủy lực dẫn động hai dòng ra đời. Đến nay, có 5 kiểu bố trí đường dẫn
dầu phanh: một đường dẫn động 2 bánh xe cầu trước và một đường dẫn động 2
bánh xe cầu sau; một đường dẫn động cho bánh xe phía trước bên phải, bánh sau
bên trái và một đường dẫn động cho 2 bánh còn lại; 1 đường dẫn động cho cả 4
bánh xe và 1 đường dẫn động riêng cho 2 bánh trước; có 2 đường trong đó mỗi
đường dẫn động 2 bánh phía trước và 1 bánh phía sau; có 4 đường, mỗi đường dẫn
động cho cả 4 bánh xe.
Bộ phận trợ lực phanh làm giảm lực tác động của người lái lên bàn đạp phanh
nhưng vẫn duy trì được cảm giác và độ nhạy khi phanh, thực ra hệ thống phanh trợ
lực thực chất là hệ thống phanh cơ bản có thêm bộ khuếch đại công suất phanh.
Năm 1952, bộ khuếch đại được đặt giữa bàn đạp phanh và xy lanh chính, khuếch
đại lực tác động từ bàn đạp phanh. Năm 1952, sử dụng độ chân không trên đường
ống nạp của động cơ cung cấp cho bộ trợ lực chân không, đến năm 1963 trợ lực
thủy lực được ra đời, sử dụng áp suất thủy lực từ hệ thống lái thủy lực để hoạt động.
Vào giữa thập niên 80, bộ khuếch đại công suất phanh kết hợp điện - thủy lực được

giới thiệu, loại này hoạt động tương tự trợ lực thủy lực nhưng dùng bơm thủy lực
bằng điện. Bộ trợ lực điện - thủy lực chỉ kích hoạt bơm thủy lực khi cần sự trợ lực
vì vậy tính hiệu quả cao hơn, làm cơ sở cho việc điều khiển quá trình phanh điều
khiển cơ khí được thay thế điều khiển điện tử càng nhiều.


8
Về điều khiển phanh: một trong những bước đột phá trong tiến trình phát triển
của hệ thống phanh ô tô là sự tích hợp các hệ thống điện, điện tử, dẫn đến sự ra đời
của hệ thống điều khiển phanh tích cực như hệ thống chống bó cứng bánh xe khi
phanh (ABS). Sự phát triển của hệ thống ABS, cũng như các hệ thống điều khiển
tích cực trên ô tô khác luôn gắn bó chặt chẽ với sự phát triển của công nghệ trong
cảm biến và cơ cấu chấp hành. Hệ thống ABS bắt đầu được sử dụng trong ngành
công nghiệp ô tô từ năm 1978 [35], [43] và hiện nay được trang bị trên hầu hết các
xe ô tô hiện đại. Theo thông tin của hãng Bosch, năm 2007, 76% xe ô tô chế tạo
mới được trang bị hệ thống ABS và nó trở thành thiết bị tiêu chuẩn cho xe ô tô chở
khách tại châu Âu, Mỹ và Nhật.
Hệ thống ABS được chia làm 2 loại [23], [57]: hệ thống kín và hệ thống hở.
Hệ thống kín có xy lanh chính và cụm van điều tiết (còn gọi là bộ chấp hành) bố trí
thành một khối, dùng bơm trợ lực và bộ tích trữ cho tác dụng trợ lực. Ngược lại hệ
thống hở xy lanh chính và bộ chấp hành bố trí riêng rẽ và dùng bơm tuần hoàn.
Trung tâm điều khiển của hệ thống phanh ABS là bộ điều khiển điện tử (ECU) của
hệ thống ABS ngày càng hoàn thiện, ban đầu ECU chỉ thu nhận và xử lý tín hiệu từ
cảm biến vận tốc bánh xe để phát tín hiệu điều khiển bộ chấp hành thực hiện điều
chỉnh áp suất dầu dẫn động đến cơ cấu phanh bánh xe. Đến nay, tín hiệu đầu vào
của ECU từ các cảm biến bố trí trên xe: lực bàn đạp phanh, áp suất dầu trong hệ
thống dẫn động thủy lực, gia tốc chậm dần của xe khi phanh, góc quay thân xe.., để
xử lý và ra lệnh điều khiển bộ chấp hành vì vậy điều khiển quá trình phanh ngày
càng chính xác, hiệu quả phanh, ổn định chuyển động của xe khi phanh được nâng
cao. Bộ chấp hành của hệ thống ABS cũng phát triển không ngừng, thiết kế ban đầu

của Teves kết hợp tất cả các van thành một khối, đặt trực tiếp trên xy lanh chính,
đây là một tổ hợp gồm: xy lanh chính, trợ lực điện - thủy lực và khối van hay Bosch
chế tạo các van điều khiển đặt trong một thiết bị thủy lực đơn, được nối với xy lanh
chính bằng 2 đường ống thủy lực. Các van điện từ thay đổi từ loại một van điều
khiển một xy lanh bánh xe với 3 chế độ (tăng áp, giữ áp, giảm áp) tín hiệu điều
khiển bằng cường độ dòng điện, đến loại 2 van điều khiển một xy lanh bánh xe tín
hiệu điều khiển bằng điện áp. Tần số đóng, mở của van cũng tăng theo (từ 5÷20Hz)


9
[1], [23], [25], [35], [44] đáp ứng yêu cầu điều khiển quá trình phanh xe vận tốc cao,
quán tính chậm dần của xe khi phanh lớn.
Bước phát triển tiếp theo của hệ thống điều khiển phanh tích cực là sự tích hợp
hệ thống ABS với các hệ thống điều khiển khác trên xe. Năm 1989, hệ thống phanh
ABS tích hợp hệ thống chống trượt quay TCS (Traction Control System) [55], [57],
[26] nhằm điều khiển lực kéo của bánh xe chủ động khi ô tô khởi hành hay tăng tốc
đột ngột không vượt quá khả năng bám giữa bánh xe với mặt đường. Nguyên lý làm
việc của hệ thống điều khiển TCS trên ô tô dựa vào tín hiệu từ cảm biến vận tốc
bánh xe và cảm biến vị trí bướm ga; xử lý, ra tín hiệu điều khiển thay đổi công suất
động cơ bằng cách điều chỉnh sự đóng mở bướm ga phụ và điều khiển quá trình
phanh bánh xe chủ động theo nguyên lý hệ thống ABS không có sự can thiệp của
người lái. Đồng thời gửi tín hiệu đến ECU động cơ và ECU-ECT để báo TCS đang
hoạt động.
Khi phanh, trọng lượng bám lên cầu xe thường xuyên thay đổi, đòi hỏi có sự
điều chỉnh mô men phanh bánh xe phù hợp phân bố tải trọng và điều kiện bám bánh
xe với mặt đường. Mặt khác, trong những trường hợp đặc biệt cần phanh ô tô khẩn
cấp đòi hỏi lực phanh bánh xe phải đạt đến giá trị tối đa trong thời gian ngắn nhất.
Vào những năm giữa của thập niên 90, hệ thống EBD & BAS được thiết kế trên cơ
sở kết hợp với hệ thống ABS. Hoạt động của hệ thống EBD dựa vào tín hiệu từ cảm
biến vận tốc bánh xe, ECU kiểm soát sự biến thiên tốc độ bánh xe khi phanh, ra tín

hiệu điều khiển các van của bộ chấp hành điều chỉnh áp suất dầu (tăng áp, giữ áp và
giảm áp) của các xy lanh bánh xe phù hợp với tải trọng và điều kiện mặt đường
trong quá trình phanh. Trường hợp trợ lực phanh khẩn cấp (BAS), bơm dầu của bộ
chấp hành, hút dầu từ xy lanh chính cấp thẳng đến các xy lanh bánh xe, áp suất này
lớn hơn nhiều áp suất dầu tạo bởi xy lanh chính do người lái tác dụng, làm lực
phanh lớn, trợ lực cho phanh khẩn cấp.
Năm 1995, hệ thống ổn định xe bằng điện tử ESP ra đời, là một hệ thống an
toàn chủ động cải thiện tính ổn định chuyển động của xe bằng cách can thiệp vào hệ
thống phanh, có khả năng tác động riêng rẽ một hay nhiều bánh xe, trên cầu trước
hay cầu sau [35], [59]. ESP điều khiển đảm bảo ổn định trong các trạng thái phanh
khi ô tô quay vòng hay khi khởi hành và tăng tốc. Để tăng cường cho việc điều


10
khiển phanh có hiệu quả, thì ESP còn tác động đến cả động cơ và hộp số, như vậy
hệ thống ESP liên kết, tích hợp các hệ thống: ABS, ASR, TCS, BAS.
Năm 1998, hệ thống ACC được ứng dụng đây là hệ thống điều khiển tăng tính
an toàn của xe, bằng các cảm biến lade hoặc sóng điện từ, hệ thống máy tính sẽ xác
định khoảng cách giữa các xe và ECU tự điều chỉnh khoảng cách an toàn thông qua
ESP. Giai đoạn này cũng ứng dụng hệ thống treo tự động điều chỉnh phản lực thẳng
đứng của mặt đường lên bánh xe, nhằm tối ưu tính ổn định và nâng cao tính tiện
nghi của xe.
Từ năm 2002 trở lại đây, hệ thống điều khiển trên xe là tích hợp điều khiển
đồng thời các hệ thống phanh, lái, treo trên xe (thường gọi là X-by-Wire), bộ chấp
hành thủy lực được thay dần bằng hệ thống điện. Các hệ thống tự động điều khiển
trên xe trước đây điều khiển riêng rẽ hoặc chỉ có sự liên hệ tương đối, hiện nay với
X-by-Wire các hệ thống này có mối liên hệ chặt trẽ với nhau. Hệ thống điều khiển
động lực học của xe là hệ thống điện tử tổng hợp thu, nhận tín hiệu từ các cảm biến
trên xe, xác định trạng thái chuyển động của ô tô và những tác động của người lái,
tính toán, ra tín hiệu điều khiển các bộ chấp hành của hệ thống treo, lái, phanh, động

cơ nhằm ổn định sự chuyển động của ô tô.
Như vậy, hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô đến nay đã khá hoàn thiện
về kết cấu, trong đó hệ thống chống hãm cứng bánh xe ABS vẫn là hệ thống cơ bản.
Quá trình điều khiển hệ thống phanh ABS là cơ sở phát triển, tích hợp các hệ thống
điều khiển tích cực khác trên xe.
Mặt khác để quá trình điều khiển ngày càng tối ưu, số lượng các tín hiệu đầu
vào của ECU ngày càng nhiều, có tín hiệu các cảm biến đo được giá trị (tín hiệu rõ),
nhưng có tín hiệu chưa rõ (tín hiệu mờ). Việc xử lý, tính toán và đưa ra các tín hiệu
điều khiển nhanh, chính xác đòi hỏi mô hình cấu trúc hệ thống, thuật toán điều
khiển hợp lý, khoa học hơn do đó nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật, công nghệ mới
trên ô tô nói riêng, hệ thống phanh nói riêng không dừng lại vẫn là vấn đề thách
thức các nhà khoa học trên thế giới. Tại Việt Nam, yêu cầu cấp bách làm chủ khoa
học kỹ thuật hiện đại đã và đang ứng dụng trên ô tô đáp ứng sự phát triển nền công
nghiệp ô tô trong nước vì vậy nghiên cứu về hệ thống phanh và điều khiển quá trình
phanh là yêu cầu cấp thiết.


11
1.2.2 Các công trình nghiên cứu về điều khiển quá trình phanh
Một vấn đề đặc biệt quan trọng trong nghiên cứu động lực học chuyển động
của ô tô là duy trì sự bám của lốp xe với mặt đường nhằm đạt được lực kéo hoặc lực
phanh cao, đồng thời phải có tính dẫn hướng tốt. Trong nghiên cứu động lực học
chuyển động thẳng của ô tô người ta tập trung vào nghiên cứu chuyển động của ô tô
khi kéo và chuyển động của ô tô khi phanh. Các nghiên cứu chuyển động ô tô khi
phanh đã dẫn đến sự ra đời của hệ thống điều khiển chống hãm cứng bánh xe khi
phanh (ABS) [26], [38].
Các lý do chính dẫn đến sự cần thiết phải sử dụng hệ thống ABS trong điều
khiển quá trình phanh ô tô, vì hệ thống phanh ABS có khả năng duy trì sự bám của
bánh xe với mặt đường, hạn chế sự trượt của bánh xe khi phanh, bảo đảm sự ổn
định hướng chuyển động của xe và hiệu quả quá trình phanh. Nghiên cứu về các

yếu tố ảnh hưởng đến sự lăn, bám trượt của bánh xe khi phanh [33], [35], [61], đã
chỉ ra rằng, nếu duy trì được độ trượt dọc của các bánh xe gần với điểm có giá trị hệ
số bám lớn nhất (vùng độ trượt tốt ưu) thì đồng thời đạt được quãng đường phanh
ngắn nhất và giữ ổn định hướng chuyển động của ô tô.
Trong bốn thập niên gần đây, trên thế giới có rất nhiều công trình nghiên cứu
liên quan đến hệ thống ABS đã được công bố [43]. Các công trình này chủ yếu tập
trung vào nghiên cứu điều khiển quá trình phanh dựa vào theo dõi hai tín hiệu điều
khiển chính là gia tốc góc và độ trượt dọc của các bánh xe khi phanh [53], [57], [61].
Các nghiên cứu hệ thống ABS dựa trên việc theo dõi và điều khiển độ trượt
dọc của các bánh xe có những đặc trưng cơ bản là [29], [31], [48], [49], [63] cơ sở
toán học rõ ràng và mô men phanh thường có tính hội tụ về giá trị nhất định. Tuy
nhiên việc ứng dụng vào thực tế của các nghiên cứu này gặp phải khó khăn. Một là,
rất khó ước lượng chính xác độ trượt của các bánh xe do không thể hoặc rất khó đo
được chính xác vận tốc thực của xe. Hai là, giá trị độ trượt dọc tối ưu khác nhau với
mỗi loại đường và thường không biết hoặc không dễ xác định được trong thực tế.
Một số công trình nghiên cứu điển hình theo hướng này là:
Nghiên cứu phương pháp điều khiển hồi tiếp kiểu trượt cho hệ thống ABS của
Cem Unsal và Pushkin Kachroo[29], đã mô tả hệ thống điều khiển phi tuyến nhằm
duy trì ổn định chuyển động của ô tô. Nghiên cứu đã đưa ra thuật toán điều khiển


12
dựa trên mô hình điều khiển trượt, sử dụng bộ lọc Kalman để loại bỏ nhiễu. Tuy
nhiên, các tác giả đã sử dụng bộ điều khiển trượt trên cơ sở theo dõi độ trượt của
bánh xe, vì vậy kết quả nghiên cứu của đề tài vẫn chỉ có ý nghĩa về lý thuyết.
Nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển trượt theo độ rộng xung
(PWM-Pulse Width Modulation) trong hệ thống ABS của Ming-Chin Wu và MingChang Shih [48], đã nghiên cứu kết hợp điều khiển theo độ rộng xung PWM và
theo độ trượt để thiết kế mô hình bộ điều khiển hệ thống phanh ABS. Trong thử
nghiệm tác giả thực hiện trên băng thử với trạng thái đường khô và ướt để đánh giá,
vì vậy kết quả cũng chưa ứng dụng trên thực tế.

Nghiên cứu điều khiển trượt bằng lô gic mờ cho hệ thống ABS của M.
Oudghiri và các cộng sự [49], đã đề xuất phát triển phương pháp điều khiển theo
kiểu trượt và lô gic mờ để điều chỉnh lực phanh. Ứng dụng lô gic mờ trong nghiên
cứu này được sử dụng để đánh giá các thông số đầu vào chưa biết của ECU-ABS.
Trong công trình nghiên cứu điều khiển kéo của Hyeongcheol Lee và Masayoshi
Tomizuka [41] (Đại học California, Mỹ) đã ứng dụng lý thuyết điều khiển thích
nghi để nghiên cứu chống trượt bánh xe. Cũng theo hướng này, trong luận văn thạc
sỹ khoa học và kỹ thuật của Mark A. Morton [45] đã nghiên cứu các chế độ điều
khiển chống trượt quay bánh xe của ô tô rô bốt.
Gần đây, cùng với nghiên cứu về điều khiển chuyển động phanh, nhiều công
trình nghiên cứu điều khiển trượt khi kéo cũng được thực hiện. Giáo sư Hunsang
Jung và các cộng sự [37], đã đề xuất mô hình mô phỏng quá trình điều khiển chống
trượt quay của bánh xe. Tiếp theo công trình này, một số tác giả khác cũng đã công
bố các nghiên cứu của mình về ổn định điều khiển ổn định kéo, điển hình là công
trình của TK. CHUN and M. SUNWOO [31]. Trong công trình này, các tác giả đã
mô phỏng quá trình điều khiển chống trượt bánh xe dùng cho hệ thống TCS.
Như vậy, các nghiên cứu hệ thống ABS dựa trên việc theo dõi độ trượt của các
bánh xe đều dừng lại trên mô hình lý thuyết hoặc mô hình mô phỏng, chưa có
những ứng dụng và phát triển trong thực tế. Tuy nhiên, các nghiên cứu này đã giúp
giải thích cơ chế và minh chứng tính đúng đắn của việc cần thiết phải phát triển kỹ
thuật ABS trong điều khiển quá trình phanh ô tô. Thuật toán điều khiển sử dụng


13
trong các hệ thống ABS trên xe ô tô thực tế chủ yếu dựa trên tín hiệu điều khiển là
gia tốc góc của các bánh xe khi phanh.
Các nghiên cứu hệ thống ABS dựa sự theo dõi gia tốc góc của bánh xe [25],
[35], [36], [47], [52], [56], [60] có một số ưu điểm sau: có cơ sở để ứng dụng vào
thực tế, có tính ổn định cao và có thể duy trì độ trượt của các bánh xe gần với giá trị
tối ưu. Tuy nhiên, các nghiên cứu này cũng gặp phải khó khăn đó là việc xác định

các giá trị ngưỡng gia tốc góc bánh xe, thường phải dựa trên các số liệu thống kê
thông qua thực nghiệm, do đó việc xác định và hiệu chỉnh các giá trị ngưỡng này
trong các thuật toán điều khiển là nhiệm vụ phức tạp. Một số công trình nghiên cứu
điển hình theo hướng này như sau:
Việc thực thi các giải pháp kỹ thuật nhằm đưa hệ thống ABS vào sử dụng trên
ô tô thực được hãng Bosch đặc biệt quan tâm [25], [26]. Hãng này đã thiết kế và
đưa vào ứng dụng hệ thống ABS cho xe ô tô, sử dụng gia tốc góc của các bánh xe
làm tín hiệu tác động điều khiển, quá trình điều khiển diễn ra theo ba pha: tăng áp,
giữ áp và giảm áp. Điều khiển chuyển đổi giữa các pha nhờ so sánh giá trị gia tốc
góc của các bánh xe với các giá trị ngưỡng gia tốc góc được xác định bằng thực
nghiệm. Hiện nay, thuật toán điều khiển ABS này của hãng Bosch đang được sử
dụng trên hầu hết các xe thương mại.
Trong công trình nghiên cứu động lực học hệ thống phanh chống hãm cứng
bánh xe của Mark Denny [46], tác giả đã nghiên cứu động lực học lốp xe trên mô
hình phi tuyến, hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường là hàm phi tuyến, phụ thuộc
chủ yếu vào vận tốc của xe và vận tốc góc của bánh xe. Trên cơ sở đó, đã trình bày
phương pháp ước lượng gia tốc góc của bánh xe và quan hệ giữa sự biến đổi gia tốc
góc của bánh xe với sự thay đổi độ trượt. Tác giả đã xây dựng phương pháp để xác
định hai giá trị ngưỡng gia tốc góc bánh xe (ngưỡng thấp và ngưỡng cao), từ đó tính
toán giá trị mô men phanh tương ứng nhằm điều khiển hệ thống ABS để duy trì độ
trượt gần với độ trượt tối ưu. Ưu điểm của nghiên cứu này là xây dựng được
phương pháp ước lượng gia tốc góc của bánh xe trong quan hệ động lực học dạng
phi tuyến giữa lốp xe và mặt đường, sử dụng thuật toán tương đối đơn giản đã xác
định được giá trị ngưỡng gia tốc góc để điều khiển hệ thống ABS duy trì được độ
trượt dọc gần độ trượt tối ưu. Tuy nhiên, nghiên cứu này mới chỉ trình bày trên mô