Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển để đạt lực phanh lớn nhất trong hệ thống phanh ABS

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
-----------------------------------LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đay là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của
PGS. TS. Phạm Hữu Nam. Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Ô tô và xe chuyên
dụng, Viện Cơ khí động lực, Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các số liệu, kết quả trình
bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất
kỳ công trình nào.
Hà Nội, ngày 15 tháng 06 năm 2011
Tác giả

Nguyễn Thanh Tùng

-1-


MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan………………………………………………………………

1

MỤC LỤC………………………………………………………………....

2

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU……………………...

4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ…………………………………...

8

LỜI NÓI ĐẦU……………………………………………………………..

10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN………………………………………………

12

1.1. ĐẶC ĐIỂM QUÁ TRÌNH PHANH Ô TÔ……………………………

12

1.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ABS………………

15

1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ABS………………………….

16

1.4. MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU
KHIỂN TRONG HỆ THỐNG ABS……………………………………….

19

1.5. ĐỀ XUẤT MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU………………………………

22

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHANH ABS ¼ XE.

24

2.1. CÁC LỰC VÀ MOMEN TÁC DỤNG LÊN XE TRONG QUÁ
TRÌNH PHANH…………………………………………………………...

24

2.2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHANH ABS ¼ XE………………………...

29

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN………………

48

3.1. PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN…………………

48

3.2. ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN…………………………...

63

3.3. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN……………………………………….

73

3.4. KHẢ NĂNG ĐÁP ỨNG CỦA HỆ THỐNG VÀ ẢNH HƯỞNG
CỦA ĐỘ TRỄ……………………………………………………………...

76

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ……………..

80

4.1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM…………………………..

80

-2-


4.2. CÁC THÍ NGHIỆM TIẾN HÀNH TRÊN MÔ HÌNH……………….

87

4.3. THỬ NGHIỆM THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN THEO GIA TỐC
GÓC NGƯỠNG…………………………………………………………..

89

4.4. THỬ NGHIỆM THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU LỰC
PHANH……………………………………………………………………

91

4.5. NHẬN XÉT CHUNG………………………………………………...

93

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………………..

95

TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………

97

PHỤ LỤC………………………………………………………………….

99

-3-


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TT

Chữ viết tắt

Tên đầy đủ

Ý nghĩa

1

ABS

Anti-lock Braking System Hệ thống chống bó cứng phanh

2

ASR

Anti-Slip Regulation

Hệ thống chống trượt quay
bánh xe

5

BA

Brake Assist

Hệ thống hỗ trợ phanh

3

EBD

Eletronic Brakeforce
Distribution

Bộ phân phối lực phanh điện
tử

4

ECU

Electronic Control Unit

Bộ điều khiển điện tử

6

VSC

Vehicle Stability Control

Hệ thống điều khiển ổn định
thân xe

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
TT KÝ HIỆU

ĐƠN VỊ GIẢI THÍCH

16

λ

17

αt

0

Góc lệch bên của bánh xe

19

Pφ

N

Giới hạn bám

33

Q7

m3/s

Lưu lượng dầu chảy ra khỏi xy lanh phanh bánh
xe

54

Qp

m3/s

Lưu lượng của bơm dầu

59

ω

rad/s

Vận tốc góc bánh xe

63

ω0

rad/s

Vận tốc góc trước khi phanh

64

v0

m/s

Vận tốc ô tô trước khi phanh

rad/s2

Gia tốc góc bánh xe

m/s2

Gia tốc chậm dần ô tô

66
15

a

Độ trượt dọc của bánh xe

-4-


51

A12

m2

Diện tích tiết diện ngang của van một chiều 12

30

A6

m2

Tiết diện hiệu dụng của lỗ tiết lưu

35

A7

m2

Tiết diện hiệu dụng của lỗ tiết lưu

24

Am

m2

Diện tích tiết diện ngang piston xy lanh chính

41

As

m2

Diện tích tiết diện ngang của xy lanh phanh bánh
xe

50

Cd12

Hiệu suất qua tiết lưu của van 12

29

Cd6

Hiệu suất tiết lưu qua lỗ tiết lưu van giữ áp

34

Cd7

Hiệu suất tiết lưu qua lỗ tiết lưu van giảm áp

46

Cl

N.m/s

Hệ số giảm chấn của bình tích năng

23

Cm

N.m/s

Hệ số giảm chấn của dầu

40

Cs

N.m/s

Hệ số giảm chấn của xy lanh phanh bánh xe

37

Fb

N

Lực phanh

7

Fw

Nm

Lực cản không khí

1

Fx

N

Lực dọc

2

Fy

N

Lực ngang

3

Fz

N

Phản lực thẳng đứng

10

G

N

Trọng lượng ô tô

14

hg

m

Chiều cao trọng tâm ô tô

60

J

kg.m2

Momen quán tính bánh xe

42

K

N/m

Hằng số độ cứng của má phanh

57

Kb

11

L

m

Chiều dài cơ sở ô tô

12

l1

m

Khoảng cách từ trọng tâm tới cầu trước

13

l2

m

Khoảng cách từ trọng tâm tới cầu sau

58

m

Kg

Khối lượng ô tô

Hệ số tăng của mo men phanh

-5-

47

Ml

kg

Khối lượng pit-tông

21

Mm

kg

Khối lượng piston xy lanh chính

39

Ms

kg

Khối lượng của pit tông trong xy lanh phanh
bánh xe

4

Mx

Nm

Momen quanh trục x

5

My

Nm

Momen quanh trục y

6

Mz

Nm

Momen quanh trục z

52

P13

Pa

Áp suất dầu trong khoang công tác của bơm

18

Pf

N

Lực cản lăn

36

Pl

Pa

Áp suất của dầu phanh trong bình tích năng

48

Pl

Pa

Áp suất của dầu phanh trong bình tích năng

22

Pm

Pa

Áp suất dầu tại xy lanh chính

32

Ps

Pa

Áp suất của dầu phanh trong xy lanh phanh bánh
xe

26

Q14

m3/s

Lưu lượng dầu từ bơm tới xy lanh chính

27

Q6

m3/s

Lưu lượng dầu từ xy lanh chính tới bánh xe

61

R

m

Bán kính bánh xe

65

S

m

Quãng đường phanh

62

Tb

Nm

Momen phanh

9

v

m/s

Vận tốc ô tô

49

Vl

m3

Thể tích trong đường dầu từ van điện từ tới van
một chiều 12

28

Vm

m3

Thể tích dầu trước van điện từ (6)

56

Vp

m3

Thể tích dầu trong khoang công tác của bơm

43

Vs

m3

Thể tích dầu trong xy lanh phanh bánh xe

8

W

N.s2/m2

Hệ số cản không khí

45

xl0

m

Độ dịch chuyển ban đầu của lò xo trong bình
-6-


tích áp
20

xm

M

Dịch chuyển của piston xy lanh chính

38

xs

m

Dịch chuyển của piston phanh

44

βl

N/m2

Modun đàn hồi hiệu dụng của đường ống dầu từ
van điện từ tới van một chiều 12

25

βm

N/m2

Modun đàn hồi hiệu dụng của dầu trước van điện
từ

55

βp

N/m2

Modun đàn hồi hiệu dụng của khoang công tác
của bơm

31

ρ

kg/m3

Khối lượng riêng của dầu phanh

-7-


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Quy luật biến đổi của lực dọc và lực ngang
Hình 1.2: Quỹ đạo xe khi phanh có ABS và không có ABS
Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý hệ thống ABS
Hình 1.4: Vùng hệ số trượt có lực phanh lớn
Hình 1.5: Sơ đồ bố trí hệ thống phanh ABS
Hình 1.6: Cảm biến gia tốc dọc thân xe
Hình 2.1: Các lực và momen tác dụng lên ô tô
Hình 2.2: Hiện tượng phân bố lại tải trọng khi phanh
Hình 2.3: Quy luật biến đổi của lực dọc và lực ngang
Hình 2.4: Mô hình hệ thống phanh ABS ¼ xe
Hình 2.5: Mô hình xy lanh phanh chính
Hình 2.6: Mô hình xy lanh phanh
Hình 2.7: Mô hình bình tích năng
Hình 2.8: Mô hình hệ thống thủy lực
Hình 2.9: Động lực học bánh xe
Hình 2.10: Ví dụ về mô hình lốp Pacejka
Hình 2.11: Hệ số bám dọc sử dụng mô hình lốp Burkhardt

Hình 2.12: Mô hình động lực học bánh xe
Hình 3.1: Sơ đồ thuật toán điều khiển theo độ trượt định trước
Hình 3.2: Hệ số bám dọc của lốp đối với 2 loại đường khác nhau
Hình 3.3: Điều khiển theo độ trượt định trước loại đường I
Hình 3.4: Điều khiển theo độ trượt định trước loại đường II

-8-


Hình 3.5: Thuật toán điều khiển theo gia tốc chậm dần của bánh xe
Hình 3.6: Điều khiển theo gia tốc góc bánh xe trong điều kiện có độ trễ
Hình 3.7: Điều khiển trượt lý thuyết và thực tế
Hình 3.8: Mô phỏng đặc tính của van ở trạng thái tăng áp và giảm áp
Hình 3.9: Đặc tính áp suất phanh – độ trượt
Hình 3.10: Sơ đồ thuật toán điều khiển tối ưu lực phanh
Hình 3.11: Các trạng thái biến đổi của áp suất phanh
Hình 3.12: Thuật toán điều khiển lực phanh tối ưu trên loại đường I
Hình 3.13: Thuật toán điều khiển lực phanh tối ưu trên loại đường II
Hình 3.14: Thuật toán điều khiển tối ưu lực phanh hệ thống trễ
Hình 3.15: Sơ đồ tổ hợp bộ điều khiển
Hình 3.16: Khối xử lý tín hiệu bánh xe
Hình 3.17: Khối xử lý trung tâm
Hình 3.18: Khối công suất
Hình 3.19: Hình ảnh thực tế của bộ điều khiển ABS
Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý băng thử ABS
Hình 4.2: Mô hình thiết kế 3D băng thử
Hình 4.3: Cảm biến tốc độ bánh xe
Hình 4.4: Cảm biến tốc độ tang trống và mạch xử lý tín hiệu
Hình 4.5: Cảm biến áp suất và mạch xử lý tín hiệu
Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo và thu thập dữ liệu

Hình 4.7: Sơ đồ thuật toán bộ thu thập và xử lý dữ liệu
Hình 4.8: Bộ đo và thu thập dữ liệu
Hình 4.9: Kết quả thực nghiệm pha tăng áp và giảm áp
Hình 4.10: Kết quả điều khiển theo gia tốc góc bánh xe
Hình 4.11: Kết quả thử nghiệm tối ưu lực phanh
-9-


LỜI NÓI ĐẦU
Hệ thống phanh đã và đang giữ một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo
an toàn chuyển động của ô tô. Ô tô ngày nay có tốc độ chuyển động trung bình trên
đường cao hơn nhiều so với trước đây, do đó hệ thống phanh không những phải
đảm bảo hiệu quả phanh tốt mà còn phải đảm bảo tính ổn định khi phanh. Thực tế
cho thấy khi phanh trên đường mà bánh xe xảy ra hiện tượng bó cứng bánh xe thì
không những hiệu quả phanh giảm mà còn gây mất khả năng định hướng của xe,
gây ra các tai nạn nghiêm trọng. Vì vậy trên các ô tô hiện nay, thường lắp thêm hệ
thống ABS làm nhiệm vụ chống bó cứng bánh xe trong quá trình phanh, điều chỉnh
lực phanh tối ưu đảm bảo tính ổn định hướng cho xe khi phanh.
Hệ thống phanh ABS hiện nay đã được áp dụng rộng rãi trên nhiều hãng ô tô
trên thế giới, một số nước coi việc trang bị hệ thống phanh ABS là tiêu chuẩn. Nhờ
sự tác động của hệ thống điều khiển điện tử mà hệ thống phanh ABS ngày càng
phát triển hơn, đáp ứng nhanh hơn và chính xác hơn với các trạng thái làm việc của
quá trình phanh.
Các nghiên cứu về ABS hiện nay tập trung vào hoàn thiện thuật toán điều
khiển cũng như kết hợp điều khiển ABS và các hệ thống tổ hợp của nó. ABS ngày
nay đã không còn là một kỹ thuật mới áp dụng tại Việt Nam, tuy nhiên chưa có
nhiều các nghiên cứu việc tìm hiểu kỹ nguyên lý và các thuật toán điều khiển của hệ
thống ABS, đặc biệt là các thuật toán điều khiển cho phép xây dựng tổ hợp hoàn
chỉnh một bộ điều khiển.
Luận văn tiến hành nghiên lý thuyết kết hợp với thực nghiệm kiểm chứng

trên mô hình băng thử thực hiện các nhiệm vụ:
• Nghiên cứu tổng quan về hệ thống ABS;
• Xây dựng mô hình toán học của hệ thống ABS;
• Xây dựng thuật toán điều khiển tối ưu lực phanh;
• Thực nghiệm đánh giá thuật toán trên mô hình thực.
Trong thời gian làm luận văn, tác giả đã có nhiều cố gắng tích cực và chủ
động học hỏi, vận dụng các kiến thức đã được học và tìm hiểu các kiến thức mới.
Dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS. TS. Phạm Hữu Nam và các thầy giáo trong
- 10 -


Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Đại học Bách Khoa Hà Nội,
và sự hỗ trợ của các sinh viên ngành ô tô K51 Phòng thí điện, Bộ môn Ô tô và xe
chuyên dụng, đặc biệt là sinh viên Lê Hoàng Long, đề tài đã hoàn thành các mục
tiêu và nhiệm vụ đặt ra.
Tuy nhiên vì điều kiện có hạn, lại tiếp cận với nghiên cứu đa ngành nên bản
luận văn không thể tránh khỏi những sai sót. Rất mong các Thầy và các bạn đồng
nghiệp thông cảm và đóng góp ý kiến để bản luận văn được hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày 15 tháng 06 năm 2011
Tác giả

Nguyễn Thanh Tùng

- 11 -


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN
1.1. ĐẶC ĐIỂM QUÁ TRÌNH PHANH Ô TÔ

Hệ thống phanh giữ vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn chuyển
động của xe. Các chỉ tiêu chính đánh giá chất lượng phanh của ô tô là chỉ tiêu hiệu
quả và chỉ tiêu ổn định hướng chuyển động của xe khi phanh.
Để đạt hiệu quả phanh cao, yêu cầu lực phanh phát huy ở vùng tiếp xúc giữa
bánh xe với mặt đường phải đạt được trị số bằng lực bám. Trị số của lực bám giữa
bánh xe với mặt đường phụ thuộc vào tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe và
hệ số bám của bánh xe với mặt đường.
Trong quá trình phanh, do tác dụng của lực quán tính của ô tô làm cho tải
trọng tác dụng lên các bánh xe cầu trước và sau thay đổi liên tục. Tải trọng tác dụng
lên cầu trước tăng lên, tải trọng tác dụng lên cầu sau giảm đi theo quan hệ tỷ lệ với
sự tăng của giảm tốc phanh:

F Z1=

h
G
.(l 2+ a. g )
L
g

(1.1)

F Z2 =

h
G
.(l 1− a . g )
L
g

(1.2)

Vì vậy, muốn tận dụng khả năng bám, trong quá trình phanh lực phanh ở các
bánh xe cầu trước và sau cần phải được điều khiển liên tục theo trọng lượng bám
của các bánh xe tương ứng.
Các kết quả nghiên cứu về động lực học của bánh xe ô tô chuyển động trên
nền đường cứng cho thấy: ở chế độ chủ động, dưới tác dụng của mô men xoắn, lốp
- 12 -


Chương 1: TỔNG QUAN

xe bị biến dạng làm xuất hiện hiện tượng trượt cục bộ tại vùng tiếp xúc của bánh xe
với mặt đường. Kết quả là khi phanh, bánh xe bị phanh sẽ vừa lăn vừa trượt. Sự
trượt tăng tỷ lệ với mô men phanh phát huy ở bánh xe. Để đánh giá mức độ trượt sử
dụng khái niệm độ trượt  xác định theo công thức:

λ=

v− ω. R
v

(1.3)

Trị số của  nhận giá trị trong khoảng [0,1]. Khi vận tốc góc bánh xe bằng
không (=1), bánh xe bị hãm cứng. Trong khi đó, do quán tính chuyển động, xe ô tô
sẽ bị trượt lết trên đường.
Các công trình nghiên cứu về sự bám giữa bánh xe với mặt đường trong quá
trình phanh [7] cho thấy, hệ số bám của bánh xe với mặt đường biến đổi phụ thuộc
vào độ trượt . Hình 1.1 biểu diễn sự biến đổi của hệ số bám dọc và bám ngang phụ

thuộc vào độ trượt và các loại đường khác nhau.

Hình 1.1: Quy luật biến đổi của lực dọc và lực ngang
Quan sát các đồ thị cho thấy, trong quá trình phanh, có một vùng trị số của hệ số
trượt (vùng giá trị của  từ 0,17 đến 0,3) trong đó hệ số bám dọc đạt trị số max còn
trị số bám ngang đạt trị số tương đối lớn. Ngoài ra, trong quá trình phanh, nếu bánh
- 13 -


Chương 1: TỔNG QUAN

xe bị hãm cứng (trượt lết, =1) khi đó do trị số của hệ số bám ngang rất bé sẽ làm
cho xe mất tính ổn định hướng. Từ các phân tích trên có thể rút ra kết luận: để tận
dụng được khả năng bám cũng như đảm bảo ổn định hướng chuyển động của xe khi
phanh, cần phải điều khiển mô men phanh tác dụng lên bánh xe sao cho phù hợp
với vùng độ trượt [0,170,3]. Việc điều khiển mô men phanh được thực hiện bằng
cách điều khiển (tăng giảm) áp suất trong dẫn động phanh bánh xe.
Biện pháp kết cấu nhằm điều khiển lực phanh các bánh xe cầu trước và sau
trong quá trình phanh trên các ô tô trước đây là sử dụng bộ tự động điều chỉnh lực
phanh ở các bánh xe cầu sau theo các thông số tải trọng và áp suất. Hệ thống phanh
được lắp bộ điều chỉnh này có khả năng hạn chế khả năng trượt lết của các bánh xe
cầu sau khi phanh, tuy nhiên, tính năng này chỉ phát huy trong điều kiện chuyển
động của xe trên một số loại đường nhất định. Trường hợp xe chuyển động trên các
loại đường có hệ số bám thấp hiện tượng trượt lết của xe vẫn có thể xảy ra, đặc biệt
khi phanh xe ở tốc độ cao.
Trên các xe ô tô hiện đại, người ta sử dụng hệ thống phanh ABS, đây là hệ
thống phanh điều khiển kiểu điện tử cho phép tự động điều khiển áp suất trong dẫn
động phanh ra các bánh xe sao cho duy trì được độ trượt của bánh xe trong quá
trình phanh nằm trong vùng độ trượt tối ưu (vùng giá trị của  từ 0,17 đến 0,3). Nhờ
tính năng điều khiển này, trong quá trình phanh, xe vừa có hiệu quả phanh cao vừa

ổn định hướng và có tính năng điều khiển tốt. Hình 1.1 mô tả quỹ đạo phanh của xe
khi phanh trên đường vòng, trong hai trường hợp có ABS và không có ABS. Xe có
trang bị ABS tính năng điều khiển của xe tốt hơn so với xe không có trang bị ABS.
Với hệ thống phanh ABS, áp suất trong dẫn động phanh được tự động điều chỉnh
điều nhằm đạt được momen phanh tối ưu trên các bánh xe, nhờ đó ngay cả với
người lái ít kinh nghiệm thao tác phanh cũng trở nên đơn giản hơn, tránh được hiện
tượng trượt lết của xe khi phanh.
- 14 -


Chương 1: TỔNG QUAN

Hình 1.2: Quỹ đạo xe khi phanh có ABS và không có ABS
Ngoài ra do hệ thống phanh ABS có thể điều khiển riêng rẽ áp suất phanh tới
từng bánh xe, nên có thể kết hợp với một số hệ thống khác: hệ thống chống trượt
quay bánh xe ASR, hệ thống phân bố lực phanh điện tử EBD… để tăng hiệu quả và
tính năng ổn định khi vận hành của xe.
1.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ABS
Trong hệ thống phanh trang bị ABS, ngoài các bộ phận xy lanh phanh chính,
cơ cấu phanh đặt tại bánh xe giống như ở hệ thống phanh thông thường, còn có một
hệ thống điều khiển điện tử bao gồm các cảm biến, bộ điều khiển trung tâm và cơ
cấu chấp hành. Trên hình 1.3 tín hiệu từ các cảm biến đo tốc độ góc đặt ở các bánh
xe được gửi về bộ điều khiển trung tâm. Bộ điều khiển trung tâm tính toán, xử lý và
đưa ra tín hiệu điều khiển sự hoạt động của cơ cấu chấp hành. Cơ cấu chấp hành của
hệ thống ABS là hệ các van thủy lực điện từ điều khiển đóng/mở đường dầu đến các
xy lanh phanh bánh xe nhằm duy trì độ trượt  từ 0,17 đến 0,3, đảm bảo phát huy
được lực phanh tối ưu trong quá trình phanh
- 15 -

Chương 1: TỔNG QUAN

Hình 1.3 trình bày sơ đồ hệ thống phanh dẫn động thủy lực có trang bị ABS.

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý hệ thống phanh ABS
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ABS
Về mặt bản chất, điều khiển quá trình phanh chính là điều khiển lực phanh sinh
ra tại các bánh xe. Tuy nhiên lực phanh tại các bánh xe là giá trị rất khó xác định.
Do đó để điều khiển lực phanh, người ta nghĩ tới việc điều khiển hệ số trượt giữa
lốp và mặt đường [6]. Khi duy trì hệ số trượt nằm trong vùng nhất định thì giá trị
lực phanh sẽ lớn nhất và giá trị lực ngang vẫn còn khá cao đảm bảo hiệu quả phanh
cao cũng như ổn định hướng khi phanh.

Hình 1.4: Vùng hệ số trượt có lực phanh lớn
- 16 -


Chương 1: TỔNG QUAN

Đối với mỗi loại đường khác nhau thì có một giá trị độ trượt tương ứng với
lực phanh lớn nhất, và để ô tô có thể hoạt động tốt ở nhiều loại đường khác nhau,
với phương pháp điều khiển này độ trượt được điều khiển nằm trong một vùng nhất
định xung quanh giá trị độ trượt tối ưu.
Tuy nhiên phương pháp (còn gọi là thuật toán) điều khiển theo độ trượt này
có nhược điểm là hệ số trượt cũng giống như lực phanh là một giá trị khó xác định.
Trong số các thông số để xác định hệ số trượt gồm có: gia tốc góc bánh xe là thông
số có thể đo được nhờ sử dụng cảm biến tốc độ đặt tại bánh xe như trên hình 1.5,
còn vận tốc tức thời của xe là một thông số khó xác định chính xác.
Một phương pháp khác được sử dụng để điều khiển các chế độ làm việc của
ABS là điều khiển theo thông số gia tốc góc bánh xe. Theo phương pháp này điều

khiển này, chọn trước vùng ngưỡng giá trị gia tốc góc bánh xe, giá trị ngưỡng trên
của gia tốc tương ứng với trạng thái bánh xe sắp bị bó cứng, giá trị ngưỡng dưới
tương ứng với vùng trị số độ trượt nhỏ

Hình 1.5: Sơ đồ bố trí hệ thống phanh ABS
- 17 -


Chương 1: TỔNG QUAN

Để tăng tính chính xác trong quá trình điều khiển, phương pháp điều khiển
theo gia tốc góc bánh xe yêu cầu lắp bổ sung thêm cảm biến đo gia tốc dọc thân xe
(hình 1.6).
Đặc điểm phương pháp điều khiển theo vùng các giá trị ngưỡng của gia tốc
góc bánh xe có ưu điểm chính là khả năng thu thập tín hiệu đầu vào từ các cảm biến
tốc độ bánh xe. Tuy nhiên, các trị số ngưỡng trên và dưới của gia tốc để định ra tác
động điều khiển là luôn thay đổi phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của xe trong
quá trình phanh

Hình 1.6: Cảm biến gia tốc dọc thân xe
Trong các cơ cấu chấp hành của hệ thống phanh, do có các phần tử cơ khí
(con trượt, van bi, lò xo) nên ảnh hưởng trễ đến kết quả điều khiển. Tín hiệu cảm
biến tới ECU và tín hiệu từ ECU tới cơ cấu chấp hành rất nhanh và có thể coi như
không có trễ. Do hệ thống có quán tính, nên để từ tín hiệu điều khiển tới cơ cấu
chấp hành, cơ cấu chấp hành điều khiển đóng/mở các van điều khiển áp suất tới lúc
áp suất trong hệ thống có thay đổi cần một khoảng thời gian nhất định. Tần số điều
khiển phải phù hợp với khả năng đáp ứng của hệ thống, nếu tần số điều khiển lớn
quá, các kết cấu cơ khí, thủy lực, khí nén không đáp ứng kịp sẽ dẫn tới hiện tượng
hệ thống làm việc kém hiệu quả, thậm chí mất tác dụng.

- 18 -


Chương 1: TỔNG QUAN

Khi đánh giá chất lượng làm việc của một hệ thống phanh điều khiển điện tử
nói chung hay hệ thống phanh ABS nói riêng, một trong những tiêu chí quan trọng
nhất chính là tần số tác động của cả hệ thống. Nhân tố chính ảnh hưởng tới tần số
này là độ trễ của hệ thống. Các hệ thống phanh điều khiển điện tử cũ thường có độ
trễ lớn do đó tần số điều khiển thường rất thấp và sinh ra các xung áp suất phản hồi
rất rõ ở bàn đạp phanh. Ngày nay nhờ các thành tựu khoa học công nghệ nên quán
tính trong các hệ thống điều khiển nhỏ đi kết hợp với các phương pháp điều khiển
mới giúp giảm ảnh hưởng của quán tính dẫn tới hoạt động của hệ thống phanh, nhờ
đó mà quá trình phanh hiệu quả và chính xác hơn.
1.4. MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
TRONG HỆ THỐNG ABS
1.4.1. Một số kết quả nghiên cứu trên thế giới
Hệ thống phanh ABS được nghiên cứu và phát triển từ những năm đầu thế kỷ
20, ban đầu được dùng trên tàu hỏa và máy bay. Lần đầu tiên vào những năm 50, hệ
thống ABS được sử dụng trên xe ô tô trên xe Lincolns với số lượng sản xuất hạn
chế và sử dụng một hệ thống ABS của máy bay Pháp.
Ngày nay, những hệ thống phanh ABS trên các xe ô tô rất phức tạp và được
điều khiển điện tử có lập trình. Kể từ những giữa năm 80, các nhà sản xuất đã đưa
ra rất nhiều loại hệ thống phanh chống bó cứng bánh xe. Nhiều nghiên cứu trên thế
giới đã tiến hành nhằm đưa ra các phương pháp điều khiển cũng như cải tiến hệ
thống phanh ABS. Vào thời kỳ đầu, các nghiên cứu nhằm hoàn thiện kết cấu hệ
thống ABS. Hiện nay, khi kết cấu hệ thống ABS đã khá hoàn thiện, thì các nghiên
cứu tập trung vào xây dựng các thuật toán điều khiển tối ưu, nhằm hạn chế dần
nhược điểm của hệ thống ABS.
Nghiên cứu “Cosimulation of Parameter based vehicle dynamics and an ABS

- 19 -


Chương 1: TỔNG QUAN

control system” của Rengaraj, Chandrasekaran , Adgar, Adam, Cox, Chris S và
Crolla, David A đã nghiên cứu sử dụng kết hợp xây dựng mô hình trên
Matlab/Simulink và mô phỏng trên môi trường SimCar và thử nghiệm mô phỏng và
đánh giá mô hình. Nghiên cứu dựa trên cơ sở 2 phần mềm trên xây dựng mô hình
toàn xe kết hợp với xây dựng mô hình của hệ thống ABS. Các thông số đầu vào
được đưa vào từ môi trường Matlab/Simulink, phần mềm Carsim sẽ mô phỏng đánh
giá và gửi kết quả trở lại Matlab. Tuy nhiên nghiên cứu này vẫn chưa đưa ra một
phương án cụ thể trong điều khiển ABS.
Nghiên cứu “Sliding Mode Measurement Feedback Control for Antilock
Braking Systems” của Cem Ünsal và Pushkin Kachroo công bố năm 1999 đã mô tả
một hệ thống điều khiển dựa trên hệ phi tuyến nhằm điều khiển chuyển động của xe
theo phương dọc. Nghiên cứu đưa ra thuật toán điều khiển dựa trên mô hình điều
khiển trượt, một mô hình điều khiển mới hiện nay có khả năng ứng dụng phù hợp
cho các điều khiển trên ô tô. Nghiên cứu cho rằng, trong quá trình phanh có nhiều
nhân tố phi tuyến gây nhiễu cho quá trình điều khiển, do đó, bằng việc sử dụng bộ
lọc Kalman để loại bỏ các thành phần nhiễu do môi trường tác động, kết hợp với
việc sử dụng bộ điều khiển kiểu trượt để điều khiển động lực học dọc của xe. Hạn
chế của đề tài là sử dụng bộ điều khiển trượt điều khiển độ trượt của xe và do đó
mức độ nghiên cứu của đề tài vẫn chỉ dừng ở mức nghiên cứu lý thuyết.
Nghiên cứu “Using the sliding-mode PWM method in an anti-lock braking
system” của Ming-Chin Wu và Ming-Chang Shih công bố năm 2001 nghiên cứu kết
hợp điều khiển độ rộng xung PWM và điều khiển trượt để tạo nên bộ điều khiển gần
như liên tục cho hệ thống phanh ABS. Để kiểm chứng cho phương pháp nghiên cứu
này, nghiên cứu đã đưa ra hai phương pháp điều khiển: một phương pháp điều khiển
liên tục trực tiếp tới hệ thống ABS và một phương pháp điều khiển theo độ rộng

xung. Các nghiên cứu đã được thử nghiệm trên băng thử với trạng thái đường khô

- 20 -


Chương 1: TỔNG QUAN

và ướt để đánh giá kết quả. Thực nghiệm cho thấy phương pháp điều khiển theo độ
rộng xung cho kết quả khá tốt mà không yêu cầu có phản hồi về độ trượt.
Nghiên cứu “Robust Fuzzy Sliding Mode Control for

Antilock Braking

System “ của M. Oudghiri, M. Chadli, A. El Hajjaji công bố năm 2007 đã đề xuất
phát triển phương pháp điều khiển theo kiểu trượt và logic mờ để điều chỉnh lực
phanh. Nghiên cứu này cũng sử dụng mô hình điều khiển trượt để nghiên cứu quá
trình phanh ô tô. Tuy nhiên, nghiên cứu có đưa vào sử dụng phương pháp logic mờ
để tổ hợp bộ điều khiển. Phương pháp logic mờ trong nghiên cứu này được sử dụng
để đánh giá các thông số đầu vào chưa biết của bộ điều khiển ABS. Nghiên cứu này
mới dừng lại ở nghiên cứu lý thuyết điều khiển độ trượt và mô phỏng trên máy tính.
1.4.2. Một số kết quả nghiên cứu trong nước về điều khiển ABS
Việt Nam đã có một số nghiên cứu tiếp cận với hệ thống phanh ABS. Những
nghiên cứu ban đầu đa số là nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng hệ thống ABS bằng
các phần mềm mô phỏng. Những nghiên cứu này chủ yếu quan tâm tới hiệu quả của
ABS trong quá trình phanh, ảnh hưởng tới động lực học của xe...
Các nghiên cứu trước đây chưa chú trọng tới phương pháp điều khiển hệ
thống, đặc biệt là phương pháp điều khiển tiếp cận với thực tế mà chỉ dừng lại ở
mức xây dựng mô hình. Đã một số đề tài tiến hành nghiên cứu xây dựng thử
nghiệm bộ điều khiển ABS, đề tài đã có những đánh giá liên quan tới bộ điều khiển
này tuy nhiên chưa đưa ra được thuật toán điều khiển cụ thể.

Nghiên cứu “Động lực học của quá trình phanh ô tô có trạng bị bộ chống
hãm cứng bánh xe (ABS)” của tác giả Nguyễn Mạnh Cường công bố năm 1996 đã
bước đầu nghiên cứu các nguyên lý chung của hệ thống ABS. Trong nghiên cứu, tác
giả có đề cập tới ảnh hưởng của tương tác lốp – mặt đường, và mô hình tính toán
phanh. Nghiên cứu này cũng đề cập tới một phương pháp điều khiển ABS là điều
- 21 -


Chương 1: TỔNG QUAN

khiển theo giá trị độ trượt tối ưu và các phương án điều khiển xoay quanh phương
pháp này. Tuy nhiên phương pháp điều khiển này có hạn chế là chỉ phù hợp với một
loại đường nhất định, trong khi thực tế là giá trị độ trượt luôn luôn thay đổi.
Nghiên cứu “Tổng hợp bộ điều khiển điện tử và mô phỏng hệ thống phanh
có ABS trên ô tô du lịch” của tác giả Lại Năng Vũ năm 2007 đã trình bày mô hình
ABS ½ xe và phương pháp điều khiển ABS theo giá trị gia tốc góc ngưỡng. Tác giả
cũng đã xây dựng một mô hình thực nghiệm ABS để với bộ điều khiển ABS gốc và
bộ điều khiển ABS xây dựng để kiểm tra đánh giá lại kết quả. Hạn chế của nghiên
cứu là các giá trị gia tốc ngưỡng đưa ra chủ yếu theo kinh nghiệm, chư có cơ sỏ tính
toán cũng như kiểm nghiệm tính hợp lý ủa các trị số này.
Luận văn “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm bộ điều khiển điện tử cho hệ
thống phanh ô tô con” của tác giả Hồ Hữu Hùng năm 2009 đã đi sâu hơn vào việc
nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển điện tử cho hệ thống phanh ABS. Tác giả xây
dựng phương pháp điều khiển theo gia tốc ngưỡng theo các pha tăng áp, giữ áp và
giảm áp của một hệ thống ABS cụ thể sử dụng van 3 vị trí.

Tuy nhiên nghiên cứu

này chưa đưa ra được các bước xây dựng một bộ điều khiển cũng như cơ sở xác
định thông số xây dựng bộ điều khiển, các giá trị ngưỡng trong điều khiển chưa

được kiểm nghiệm cả trong tính toán lý thuyết cũng như thực nghiệm.
1.5. ĐỀ XUẤT MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU:
Từ các phân tích trên, tôi đã chọn đè tài nghiên cứu: NGHIÊN CỨU KỸ
THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỂ ĐẠT LỰC PHANH LỚN NHẤT TRONG HỆ
THỐNG PHANH ABS.
Các mục tiêu nghiên cứu của đề tài là:
 Xây dựng mô hình toán học để nghiên cứu các thông số động lực học của
- 22 -


Chương 1: TỔNG QUAN

ABS
 Nghiên cứu đề xuất thuật kỹ thuật điều khiển trong hệ thống phanh ABS
nhằm phát huy lực phanh tối ưu tại các bánh xe trong quá trình phanh. Kỹ
thuật điều khiển ở đây bao gồm nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển và
kỹ thuật tổ hợp bộ điều khiển theo thuật toán đã đề xuất
 Xây dựng mô hình thí nghiệm để đánh giá bằng thực nghiệm chất lượng làm
việc của hệ thống phanh ABS theo thuật toán điều khiển đã đề xuất.
Phương pháp nghiên cứu của đề tài:
 Nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm
 Sử dụng các phương pháp mô phỏng số trên máy tính để mô hình hóa hệ
thống ABS được nghiên cứu
Nội dung của luận văn được trình bày qua các chương
 Chương 1: TỔNG QUAN - Nghiên cứu tổng quan về hệ thống phanh ABS
và các thành tựu nghiên cứu về hệ thống phanh trong nước và thế giới
 Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHANH ABS ¼ XE – Tiến
hành xây dựng mô hình hệ thống phanh bao gồm hệ thống thủy lực, mô hình
¼ xe và mô hình lốp
 Chương 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN – Phân tích

các

thuật toán điều khiển và xây dựng thuật toán điều khiển
 Chương 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ - Thu thập, phân
tích và đánh giá kết quả thực nghiệm.

- 23 -


CHƢƠNG 2

XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHANH ABS ¼ XE

2.1. CÁC LỰC VÀ MOMEN TÁC DỤNG LÊN XE TRONG QUÁ TRÌNH
PHANH
Hình 2.1 trình bày sơ đồ các lực và momen tác dụng lên xe trong qúa trình
phanh. Theo 3 phương (x, y, z), tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường có
các lực thành phần tương ứng gồm có Fx – lực dọc, Fy – lực ngang, Fz – lực thẳng
đứng. Các lực cản không khí đặt tại tâm tiết diện cản trước và cản bên của xe (lực
cản theo phương dọc xe và lực cản theo phương ngang của xe), lực quán tính đặt tại
trọng tâm xe. Các mô men thành phần gồm có momen Mx – momen gây lật ngang
xe, My – momen gây chúi hoặc nâng đầu xe, và Mz – momen gây xoay thân xe.
Lực dọc Fx là lực cản tác động lên xe theo phương chuyển động X (phương
dọc theo thân xe). Trong khi đó lực ngang Fy gây ra chuyển động của xe theo
phương y, ảnh hưởng tới tính ổn định hướng chuyển động của xe. Trong các nghiên
cứu lý thuyết, giá trị giới hạn của lực dọc Fx và lực ngang Fy thường được biểu diễn
qua giá trị của phản lực thẳng đứng Fz dưới dạng sau:
Fx = φx.Fz

(2.1)

Fy = φy.Fz

(2.2)

Lực dọc Fx trong trường hợp phanh có chiều ngược với chiều chuyển động
của ô tô. Giá trị của Fx ảnh hưởng tới hiệu quả phanh của xe. Trường hợp xe đi vào
quay vòng hoặc mặt đường có độ bám khác nhau, do giá trị độ bám tại các bánh xe
là khác nhau nên giá trị Fx tại các bánh xe cũng khác nhau và sinh ra momen quay
thân xe Mz.
- 24 -


Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHANH ABS ¼ XE

Lực ngang Fy sinh ra do xe đi vào đường nghiêng ngang hoặc do gió bên thổi
vào thân xe. Lực ngang cũng gây ra momen gây lật xe My.
Khi ô tô chuyển động , không khí cũng gây ra một lực ngược chiều với chiều
chuyển động của ô tô – gọi là lực cản không khí. Lực cản không khí phụ thuộc vào
diện tích cản chính diện, hệ số cản không khí và vận tốc chuyển động của ô tô.
Fw = W.v2

(2.3)

Hình 2.1: Các lực và momen tác dụng lên ô tô
Trong quá trình phanh, do lực quán tính nên có hiện tượng phân bố lại khối
lượng ra cầu trước và cầu sau. Xét trong mặt phẳng dọc:

F Z1=

h
G
.(l 2+ a. g )
L
g

(2.4)

F Z2 =

h
G
.(l 1− a . g )
L
g

(2.5)

- 25 -