Nghiên cứu điều khiển hệ thống lái điện trên ô tô con

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRẦN VĂN LỢI

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI
ĐIỆN TRÊN Ô TÔ CON

Chuyên ngành: KỸ THUẬT Ô TÔ – MÁY KÉO
Mã số:

62. 52. 01. 16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRẦN VĂN LỢI

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI
ĐIỆN TRÊN Ô TÔ CON

Chuyên ngành: KỸ THUẬT Ô TÔ –MÁY KÉO
Mã số:

62. 52. 01. 16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

CÁN BỘ HƯỚNG DẤN KHOA HỌC:
1- PGS. TS. Nguyễn Văn Bang
2- PGS. TS. Đỗ Văn Dũng

HÀ NỘI – 2017


1

Chƣơng I.

1.1.

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Hệ thống cơ điện tử trên ô tô
Trong những năm gần đây, các hệ thống cơ điện tử được phổ biến trên tất cả các

dòng xe nhờ vào sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin, công nghệ điện điện
tử, công nghệ chế tạo cảm biến và cơ cấu chấp hành. Xu hướng ứng dụng các hệ thống cơ
điện tử trên ô tô giúp đảm bảo an toàn chuyển động, tiện nghi, thân thiện với môi trường
đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe và thị hiếu của người sử dụng ngày càng phổ biến. Việc
nghiên cứu phát triển các hệ thống cơ điện tử ứng dụng trên ô tô thường được tiến hành
tại các phòng thí nghiệm của các hãng lớn phối hợp với các trường đại học lớn trên thế
giới. Các nghiên cứu ứng dụng giúp các hãng ô tô tạo ra các sản phẩm chất lượng, chiếm
lĩnh thị trường thế giới. Những ứng dụng cơ điện tử ban đầu tập trung cho các loại ô tô
cao cấp với số lượng ít, giá thành cao sau đó dần phổ biến trên nhiều loại khác nhau.
Các nghiên cứu về hệ thống cơ điện tử hình thành nên các bước phát triển công

nghệ trong ngành công nghiệp ô tô một cách rõ nét. Có thể thấy sự thay đổi của công
nghệ ô tô qua các phiên bản xe xuất hiện trên thị trường. Theo quá trình phát triển có thể
chia ra thành các giai đoạn như sau [11]:
 Thuần cơ khí (từ trước đến năm 1920): công nghệ chính của các phiên bản
xe ban đầu tập trung vào các kết cấu cơ khí. Công nghệ chế tạo các hệ thống cơ khí và
đặc tính làm việc của các hệ thống này trở thành nền tảng ngành công nghiệp ô tô.
 Cơ điện (1920-1960): Trong giai đoạn này công nghệ chế tạo các hệ thống
cơ khí tiếp tục được phát triển. Bên cạnh đó các phát minh về điện dần được áp dụng và
phổ biến dẫn đến các hệ thống cơ khí được bổ sung các bộ phận điện làm cải thiện các
đặc tính làm việc của hệ thống thuần cơ khí trước đây. Những ứng dụng này hình thành
nên bước nhảy công nghệ quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô.
 Cơ điện tử dạng độc lập (1960-1985): Trong giai đoạn này công nghệ bán
dẫn được nghiên cứu áp dụng bổ sung cho hệ thống cơ điện giúp cải thiện các đặc tính
làm việc của hệ thống cơ điện lên một bước mới. Mặc dù công nghệ bán dẫn được nghiên
cứu phát triển từ trước những năm 1950, tuy nhiên giai đoạn này mới được nghiên cứu


2

ứng dụng trên ô tô. Đặc biệt trong giai đoạn này việc ứng dụng các nghiên cứu về vi điều
khiển và điều khiển tự động hình thành nên các tính năng tự động hóa các hệ thống cơ
điện tử trên ô tô.
 Cơ điện tử dạng phối hợp (1985-1995): Đặc điểm chính của công nghệ
trong giai đoạn này là sự phối hợp của các hệ thống cơ điện tử cùng tham gia điều khiển
trạng thái chuyển động ô tô. Nhờ vào việc phối hợp điều khiển này quỹ đạo chuyển động
ô tô được kiểm soát.
 Cơ điện tử dạng tích hợp (1995 đến nay): Quan điểm thiết kế đối với các ô
tô trong giai đoạn này là tất cả các hệ thống trên ô tô được kiểm soát một cách thống
nhất. Nhờ các công nghệ truyền dẫn tín hiệu sử dụng mạng CAN cho phép tất cả các hệ
thống kết nối với nhau cùng tham gia quá trình điều khiển ô tô. Cho đến nay, các xe trang

bị công nghệ này có giá thành tương đối cao, chủ yếu tập trung ở các dòng xe cao cấp
[35].
 Giai đoạn tương lai gần: Hiện nay, các nghiên cứu ứng dụng đang tập trung
vào dạng cơ điện tử tích hợp tự động hóa từng phần và cơ điện tử dạng tích hợp tự động
hoàn toàn. Các công nghệ này tập trung vào nghiên cứu việc kiểm soát hoàn toàn các hệ
thống trên xe, phối hợp với hệ thống giao thông thông minh và cảm nhận môi trường lái
xe.
Một hệ thống cơ điện tử trên ô tô bao gồm kết cấu cơ khí, mạch điện điều khiển, cơ
cấu chấp hành, các cảm biến và chương trình điều khiển (Hình 1.1). Trong năm thành
phần của hệ thống cơ điện tử thì chương trình điều khiển đóng vai trò quan trọng nhất.
Chương trình điều khiển có thể thay đổi một cách linh hoạt theo các thuật toán khác
nhau. Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của các hệ thống trên ô tô, các nhà thiết kế sẽ lựa
chọn xây dựng chương trình điều khiển dựa trên các thuật toán. Thuật toán điều khiển
được phát triển dựa trên lý thuyết điều khiển. Lý thuyết điều khiển hiện đại được áp dụng
cho các hệ thống cơ điện tử ô tô làm cho các hệ thống này ngày càng trở nên thông minh.
Việc áp dụng này làm cho ngành công nghiệp ô tô luôn có các bước nhảy công nghệ. Các
hệ thống cơ điện tử được áp dụng để cải tiến các hệ thống nhằm mục đích chính đáp ứng
các trạng thái mong muốn theo yêu cầu điều khiển chuyển động, tối ưu hóa các trạng thái
chuyển động và điều khiển cho người lái. Đối với người ngồi trên xe, các hệ thống cơ


3

điện tử được phát triển theo hướng tạo cảm giác thoải mái và đảm bảo an toàn chủ động
cũng như bị động [36].

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống cơ điện tử ô tô
Các hệ thống cơ điện tử ô tô được phát triển gồm ba hệ thống điều khiển chính: hệ
thống cơ điện tử ô tô điều khiển độc lập, hệ thống cơ điện tử ô tô điều khiển kết hợp, hệ
thống cơ điện tử ô tô điều khiển tích hợp.

1.1.1. Hệ thống điều khiển độc lập
Hệ thống điều khiển độc lập là hệ thống được thiết kế dựa trên đặc tính bản thân hệ
thống chưa xét đến mối liên hệ với các hệ thống điều khiển khác. Hệ thống điều khiển
này được áp dụng trên các hệ thống cơ điện tử thế hệ đầu. Hệ thống điều khiển độc lập
này có thể sử dụng hệ thống điều khiển kín hoặc hở. Trên ô tô đa phần các hệ thống cơ
điện tử đều dùng hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín (Hình 1.2).

Hình 1.2: Hệ thống điều khiển hệ thống lái phản hồi kiểu vòng kín
Hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín áp dụng trên các hệ thống điều khiển trên ô
tô có khuynh hướng duy trì một mối quan hệ được định trước giữa các giá trị biến thiên
của hệ thống. Phương thức điều khiển thông qua phép so sánh giữa các giá trị đáp ứng
mong muốn và giá trị thực tế đạt được. Hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín này ứng
dụng trên ô tô cũng được chia thành nhiều dạng khác nhau như: điều khiển đơn biến, điều


4

khiển đa biến, điều khiển phản hồi trạng thái, điều khiển bền vững…Nghiên cứu ứng
dụng cho hệ thống cơ điện tử độc lập hoàn thiện về mặt kết cấu công nghệ làm tiền đề
cho việc phát triển các hệ thống cơ điện tử ô tô dạng phối hợp [25]. Các hệ thống phát
triển dạng này có thể thấy như: điều khiển tiết chế loại bán dẫn, phun xăng đơn điểm, hệ
thống phanh sử dụng ABS…Chúng hoạt động độc lập, song song nhau, nhận các tín hiệu
đầu vào một cách độc lập hoặc tín hiệu chung. Tuy nhiên, các hệ thống không có sự liên
kết.
1.1.2. Hệ thống điều khiển kết hợp
Hệ thống điều khiển kết hợp được phát triển dựa trên hai hay nhiều hệ thống điều
khiển phối hợp với nhau cùng điều khiển chuyển động của xe. Đặc điểm chính của hệ
thống này là các chương trình điều khiển có tính toán đến sự ảnh hưởng của các hệ thống
khác, kết quả của quá trình điều khiển là sự phối hợp của hai hay nhiều chương trình điều
khiển khác nhau.

Đặc tính động học của xe luôn được điều khiển bởi các tín hiệu được thực hiện qua
thao tác điều khiển bướm ga khi tăng tốc, điều khiển vành tay lái khi đổi hướng và điều
khiển phanh khi gặp chướng ngại vật. Đây là ba tín hiệu chính trong quá trình điều khiển
ô tô. Sự thay đổi ba tín hiệu điều khiển này ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính động lực học
của xe. Mối liên hệ giữa chúng có thể là tương hỗ hoặc xung đột. Có thể thấy rõ quan hệ
giữa hệ thống phanh và hệ thống treo:


Khi tác dụng lực lên bàn đạp phanh, lực phanh tại các bánh xe giúp giảm

vận tốc chuyển động của ô tô hay đảm bảo ổn định động lực học theo phương dọc, nhưng
khi phanh tải trọng có xu hướng dồn về cầu trước ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống treo.


Khi điều khiển quay vòng, trọng lượng phân bố lại lên các bánh xe bên trái

và bên phải.
Hệ thống phanh và hệ thống lái cũng có mối quan hệ quan trọng. Quỹ đạo chuyển
động của xe khi quay vòng có thể can thiệp bằng hệ thống phanh thông qua việc điều
khiển lực phanh điều khiển các bánh xe để đảm bảo quỹ đạo mong muốn. Có thể hiểu rõ
điều này thông qua ví dụ về hoạt động kết hợp giữa hệ thống lái chủ động AFS và hệ
thống ổn định động lực học DSC (Hình 1.3). Trạng thái ô tô khi quay vòng có thể được


5

đáp ứng một cách tối ưu thông qua việc kết hợp quá trình điều khiển hệ thống lái tích cực
và điều khiển tạo lực phanh phụ trên cầu xe. Hệ thống điều khiển kết hợp là tiền thân của
hệ thống điều khiển tích hợp được bố trí trên các xe hiện đại [49].

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển kết hợp AFS và DSC
Hệ thống cơ điện tử phối hợp giúp việc điều khiển trở nên chính xác và hiệu quả
hơn, không những thế nó còn tạo sự liên kết, phối hợp điều khiển giữa các hệ thống. Có
thể chia xu hướng ứng dụng các hệ thống cơ điện tử cũng như phối hợp điều khiển trên
những ô tô hiện đại thành ba vùng chính [29]:


Động cơ, hệ thống truyền lực: Công nghệ mới được áp dụng nhằm nâng

cao hiệu quả sử dụng động cơ như hệ thống phun nhiên liệu điện tử, hệ thống phối khí
điện tử, hệ thống kiểm soát lực kéo, hệ thống kiểm soát khí xả. Các hệ thống này không
những phát triển tối ưu mà còn phối hợp với nhau giúp kiểm soát hoạt động động cơ một
cách hiệu quả.


Điều khiển động lực học xe: Hệ thống điều khiển động lực học xe là sự

phối hợp của nhiều hệ thống. Các hệ thống này không những phát triển tối ưu mà còn
phối hợp với nhau giúp kiểm soát động lực học toàn xe một cách hiệu quả. Các hệ thống
như truyền lực phanh, treo, lái ngày càng được hoàn thiện đáp ứng các yêu cầu sử dụng
xe cũng như điều khiển xe.


6



Thông tin, tiện nghi, giải trí: Các hệ thống thông tin trên xe ngày càng hoàn

thiện đồng thời điều khiển kết hợp giữa thông tin tín hiệu giao thông trên đường làm cho

xe trở nên thông minh hơn.
Trong ba vùng trên, điều khiển động lực học xe được các nhà nghiên cứu quan tâm
nhiều nhất. Các nghiên cứu về kiểm soát động lực học chú trọng tới nhiều khía cạch khác
nhau, tuy nhiên, có thể liệt kê thành ba hướng chính: Điều khiển kiểm soát theo phương
dọc, điều khiển kiểm soát theo phương ngang và điều khiển kiểm soát theo phương thẳng
đứng. Ba hướng trên có quan hệ mật thiết với nhau. Việc phối hợp này có thể thấy chất
lượng điều khiển kiểm soát quỹ đạo, tình trạng động lực học theo mong muốn của người
lái trong quá trình điều khiển xe được nâng cao so với các công nghệ trước.
1.1.3. Hệ thống điều khiển tích hợp
Đối với thiết kế trên ô tô hiện đại, tính an toàn và tiện nghi được đặt lên hàng đầu,
chính vì vậy quỹ đạo chuyển động của ô tô được khảo sát một cách chặt chẽ trong nhiều
tình huống khẩn cấp và tình trạng đường thay đổi [42]. Quỹ đạo chuyển động của ô tô là
tổng hợp kết quả tương tác giữa hệ thống lái, động cơ, hệ thống truyền lực, hệ thống treo,
phanh, lốp xe và tình trạng mặt đường. Quỹ đạo chuyển động của ô tô được tổng hợp từ
các trạng thái:
 Trạng thái chuyển động thẳng: Được khảo sát thông qua khả năng ô tô
chuyển động với vận tốc trung bình lớn nhất trong điều kiện đường cụ thể, được đánh giá
thông qua gia tốc của xe, góc dốc lớn nhất có thể vượt, thời gian và quãng đường tăng
tốc, vận tốc lớn nhất.
 Trạng thái chuyển động quay vòng: Được thể hiện chính trong việc ổn
định trạng thái cân bằng xe trước những tác động bên ngoài ngẫu nhiên.
 Dao động theo phương thẳng đứng: Tình trạng thay đổi về không gian
trạng thái của hành khách hay người sử dụng theo những ảnh hưởng ngẫu nhiên từ mặt
đường.
Để đáp ứng các tiêu chuẩn thiết kế theo quan điểm trên các hệ thống độc lập được
thay thế dần bởi các hệ thống phối hợp. Khi số lượng các hệ thống cơ điện tử trên xe
càng phát triển thì số lượng cảm biến và bộ chấp hành cũng tăng dần. Hệ thống cơ điện tử


7

tích hợp ra đời đáp ứng nhu cầu quản lý một cách thống nhất các thông số đầu vào và
kiểm soát tổng thể các hệ thống phối hợp. Ở các hệ thống này, hệ thống cơ điện tử có
nhiệm vụ kiểm soát động lực học chính của khung xe thông qua các tác động của bốn hệ
thống chính phanh, treo, lái, truyền lực. Ngoài ra các hệ thống phụ trợ khác như chiếu
sáng, hệ thống thông tin tín hiệu, cảnh báo…cũng làm việc dưới sự kiểm soát của hệ
thống tích hợp (Hình 1.4) [17].

Điều khiển
phanh
Điều khiển
chân ga, và số

Ngƣời điều
khiển xe
Góc quay vô
lăng

Hình 1.4: Hệ thống điều khiển tích hợp trên xe
1.2.

Các loại hệ thống lái
Từ khi ô tô ra đời cho đến nay, hệ thống lái được cải tiến không ngừng để đáp ứng

các tiêu chí về an toàn và tiện nghi, tính an toàn chủ động trong điều kiện chuyển động
với vận tốc cao trong tình trạng mật độ các phương tiện tham gia giao thông lớn. Yêu cầu
đối với thiết kế hệ thống lái cũng có sự phát triển. Trong các thiết kế đầu tiên, các yêu
cầu chủ yếu tập trung đáp ứng các tiêu chuẩn về ổn định, đảm bảo động lực học, đảm bảo
an toàn ở phù hợp với tiêu chuẩn về đường bộ, do đó các nghiên cứu tập trung vào mối
quan hệ giữa vô lăng và góc quay bánh xe dẫn hướng. Bước phát triển tiếp theo, các thiết

kế hệ thống lái tập trung chủ yếu đảm bảo an toàn chuyển động thông qua việc cải tiến ổn
định quỹ đạo chuyển động ở nhiều dải vận tốc khác nhau thích nghi với tình trạng đường.
Đối với thiết kế trên ô tô hiện đại, tính an toàn và tiện nghi được đặt lên hàng đầu, chính
vì vậy, quỹ đạo chuyển động của ô tô được khảo sát một cách chặt chẽ trong nhiều tình
huống khẩn cấp và tình trạng mặt đường thay đổi.


8

Tổng hợp quá trình phát triển các hệ thống lái trên xe ô tô có thể liệt kê thành các hệ
thống lái sau: hệ thống lái thuần cơ khí, hệ thống lái trợ lực thủy lực, hệ thống lái trợ lực
thủy lực điều khiển điện, hệ thống lái trợ lực điện, hệ thống lái tích cực, hệ thống lái điện,
hệ thống lái tự động. Mặc dù mặt kết cấu các hệ thống lái khác biệt, tuy nhiên có thể tổng
hợp các thành phần kết cấu hệ thống lái một cách chung nhất như Hình 1.5.

Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống lái
1.2.1. Hệ thống lái cơ khí
Hệ thống lái thuần cơ khí được bố trí trên các xe thế hệ đầu tiên từ thập kỷ 50. Về
cấu tạo chúng gồm hai thành phần dẫn động lái và cơ cấu lái. Các nghiên cứu phát triển
hệ thống lái cơ khí chủ yếu tập trung vào khả năng quay vòng ô tô trong thời gian ngắn
nhất trên một diện tích bé, giữ cho xe ổn định chuyển động thẳng, lực tác dụng lên vành tay
lái nhỏ trong giới hạn số vòng quay đánh lái cho phép, đảm bảo động lực quay vòng đúng
để các bánh xe không bị trượt, sự tương thích động học giữa dẫn động lái và bộ phận dẫn
hướng của hệ thống treo, khả năng ngăn được các va đập của các bánh xe dẫn hướng lên
vành tay lái thông qua hiệu suất truyền lực, quan hệ chuyển động giữa bánh xe bên phải và
bên trái.
Tỷ số truyền của hệ thống lái gồm tỷ số truyền góc và tỷ số truyền mô men. Về mặt
trị số, chúng là tích của tỷ số truyền cơ cấu lái và tỷ số truyền dẫn động lái. Tùy thuộc vào
ô tô, tỷ số truyền hệ thống lái có thể không đổi hoặc thay đổi theo các quy luật khác nhau
theo góc quay vô lăng.

Hiệu suất hệ thống lái gồm hiệu suất thuận và hiệu suất nghịch. Hiệu suất nghịch phải
có trị số nhất định đảm bảo giảm va đập truyền từ các bánh xe dẫn hướng lên vô lăng, tuy


9

nhiên vẫn đảm bảo các bánh xe dẫn hướng tự trả về vị trí chạy thẳng dưới tác dụng của các
mô men ổn định.
Ma sát, độ nhạy và cảm giác lái phụ thuộc nhiều vào khe hở giữa các bề mặt làm việc
của hệ thống lái. Để đảm bảo độ nhạy và cảm giác lái tốt khi ô tô chuyển động ở vận tốc
cao, khe hở làm việc phải nhỏ nhất khi ô tô chuyển động thẳng.
Cảm giác lái là tổng hợp các cảm nhận của người lái về trạng thái quay vòng của ô tô
như vận tốc, bán kính quay vòng, hành lang quay vòng, mô men cản quay bánh xe dẫn
hướng, tình trạng kỹ thuật hệ thống lái…Các giá trị định lượng về mặt kỹ thuật cảm giác
lái gồm mô men cản quay trên vô lăng, vận tốc và góc quay của vô lăng khi nó quay về vị
trí chạy thẳng (Hình 1.6).
Mô men cản quay τd (N.m)



Góc tự trả về
của vô lăng

2

1

t

Góc quay bánh xe dẫn hướng  (độ)

a)

b)

Hình 1.6: Các giá trị định lượng của cảm giác lái
a) Quan hệ giữa mô men cản quay theo góc quay bánh xe dẫn hướng  d ( ) ; b)
Quan hệ giữa góc trả về của vô lăng theo thời gian  (t )
Nhìn chung hệ thống lái thuần cơ khí đáp ứng được yêu cầu ban đầu để xe chuyển
động trên đường ứng với dải vận tốc hạn chế đảm bảo các điều kiện chuyển động quay
vòng. Tuy nhiên, trong quá trình đánh lái, người lái phải sử dụng toàn bộ năng lượng để
thực hiện việc điều khiển hướng chuyển động, đồng thời cũng tiếp nhận những phản hồi
không mong muốn từ mặt đường điều này làm cho người lái cảm thấy mệt mỏi khi sử
dụng. Các nghiên cứu hệ thống lái cơ khí chỉ tập trung vào bài toán góc quay bánh xe dẫn
hướng chuyển động theo vô lăng, do vậy ảnh hưởng của dịch chuyển thân xe đến quá trình
quay vòng khi đánh lái ở vận tốc cao là rõ nét và chưa kiểm soát được, chưa tối ưu khối


10

lượng, kích thước các chi tiết cơ khí nên cơ cấu chưa gọn nhẹ, chiếm nhiều không gian bố
trí [3]. Trên thị trường Việt Nam vẫn còn một số ít các xe cũ đang lưu thông sử dụng loại
hệ thống lái này.
1.2.2. Hệ thống lái trợ lực thủy lực
Hệ thống lái trợ lực thủy lực là sự cải tiến của hệ thống lái thuần cơ khí nhằm giải
quyết vấn đề chính là hỗ trợ một phần năng lượng của người lái trong quá trình điều khiển
xe tạo cảm giác thoải mái khi điều khiển lái. Tùy theo thiết kế và chế độ chuyển động của
xe, năng lượng hỗ trợ của bộ trợ lực do động cơ tạo ra có thể lên đến 80% năng lượng tổn
hao cho việc đánh lái. Việc trang bị hệ thống lái trợ lực giúp cho người lái ít tổn hao năng
lượng khi quay vòng xe đồng thời giảm được những va đập từ bánh xe lên vô lăng. Không

những thế, nó còn nâng cao được tính năng an toàn nhờ vào việc trong một số trường hợp
lốp gặp sự cố đột ngột. Đây là một trong những ưu điểm nổi bật hệ thống lái trợ lực thủy
lực.
Vấn đề chính cần giải quyết ở hệ thống lái này là tỷ lệ trợ lực phù hợp với điều kiện
chạy xe và sự thay đổi góc đánh lái. Có thể thấy rõ khi di chuyển ở vận tốc thấp mô men
cản quay vòng tương đối lớn do vậy cần trợ lực nhiều, ngược lại vận tốc cao cần hạn chế
trợ lực, vị trí vô lăng vị trí trung hòa khi ô tô chạy thẳng cần ít trợ lực, đánh lái nhiều càng
xa vị trí trung hòa, tỷ lệ trợ lực càng tăng. Hay nói cách khác, đặc tính trợ lực của hệ thống
trợ lực thủy lực điều khiển bằng thanh xoắn thay đổi tỷ lệ trợ lực theo điều kiện chuyển
động dựa trên giá trị mô men cản quay vòng. Mô men cản này thay đổi theo vị trí góc đánh
lái và vận tốc chạy xe [9]. Hệ thống lái trợ lực thủy lực ban đầu sử dụng thanh xoắn để điều
khiển các chế độ trợ lực có sơ đồ nguyên lý như hình Hình 1.7.

Xy lanh trợ lực

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý điều khiển trợ lực lái thủy lực


11

Điểm quan trọng nhất của hệ thống lái trợ lực thủy lực này chính là thanh xoắn bố trí
trên trục lái. Thanh xoắn này đóng vai trò bộ phận cảm nhận sự thay đổi mô men cản quay
vòng tại bánh xe dẫn hướng. Khi đánh lái, mô men cản bánh xe dẫn hướng càng lớn mô
men xoắn càng lớn làm cho thanh xoắn biến dạng nhiều khi đó cửa van dầu trợ lực được
mở rộng áp lực dầu trợ lực tăng theo. Vận tốc chạy xe tăng làm cho mô men cản tại bánh
xe dẫn hướng giảm dẫn đến biến dạng thanh xoắn cũng giảm. Trong quá trình chạy xe,
thanh xoắn điều khiển đặc tính trợ lực thay đổi theo góc đánh lái và vận tốc một cách tự
nhiên. Bên cạnh các ưu điểm hệ thống trợ lực lái thủy lực điều khiển bằng thanh xoắn thì
vẫn còn một số nhược điểm cần cải tiến:
- Việc điều khiển các van dầu trợ lực bằng thanh xoắn hoàn toàn bằng cơ khí nên các

chế độ điều khiển trợ lực bị hạn chế do góc biến dạng thanh xoắn được giới hạn.
- Khi chạy ở vận tốc cao công suất bơm dầu tăng dẫn đến áp lực dầu tăng theo, việc
hạn chế trợ lực khó khăn có thể dẫn đến mất cảm giác lái. Trong một số thiết kế có thêm bộ
phận van hạn chế áp suất dầu từ bơm khi chuyển động ở vận tốc cao. Tuy nhiên, do khoảng
biến dạng thanh xoắn tương đối nhỏ trong khi các chế độ mô men cản, vận tốc xe và góc
đánh lái thay đổi liên tục và dải làm việc tương đối lớn chính vì vậy việc điều khiển đặc
tính trợ lực trở nên khó khăn.
- Bơm dầu làm việc liên tục do kết nối trực tiếp với động cơ dẫn đến tổn hao năng
lượng trong tình trạng không cần trợ lực gây lãng phí.
Trên thị trường Việt Nam hiện nay có rất nhiều dòng xe trang bị hệ thống lái này do
giá thành rẻ và phù hợp vận tốc chạy xe hạn chế nhỏ hơn 120 km/h.
1.2.3. Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện tử
Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện là phiên bản cải tiến của hệ thống
lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng thanh xoắn được phát triển từ thập kỷ 90. Đặc điểm
quan trọng của hệ thống này là thanh xoắn cảm biến mô men đánh lái không trực tiếp điều
khiển van trợ lực. Sơ đồ hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện tử như Hình 1.8.
Độ biến dạng của thanh xoắn được chuyển thành tín hiệu điện gửi đến hộp điều khiển
điều khiển trợ lực. Hộp điều khiển trợ lực tổng hợp các tín hiệu chạy xe, tính toán và xác
định phần tỷ lệ trợ lực từ đó quyết định đặc tính trợ lực thông qua việc điều khiển áp lực


12

dầu từ bơm trợ lực và lượng dầu đi vào xy lanh trợ lực. Thông qua việc điều khiển gián
tiếp, các chế độ trợ lực và đặc tính trợ lực được thay đổi một các linh hoạt.

Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý hệ thống trợ lực thủy lực điều khiển điện tử
So với hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng thanh xoắn hệ thống lái trợ lực
thủy lực điều khiển bằng điện tử có nhiều ưu điểm hơn như: Dải làm việc làm việc của trợ
lực đa dạng đáp ứng các dải vận tốc khác nhau đặc biệt là đặc tính trợ lực, tạo cảm giác lái

ở dải vận tốc cao [18]. Trên thị trường Việt Nam hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển
điện thường được trang bị cho các dòng xe hạng trung và một số xe hạng sang.
1.2.4. Hệ thống lái trợ lực điện tử
Hệ thống lái trợ lực điện tử được phát triển với mong muốn thay thế hệ thống trợ
lực thủy lực truyền thống. Điểm chính của hệ thống trợ lực này là bộ phận trợ lực thủy
lực truyền thống được thay thế bằng bộ điều khiển trợ lực sử dụng động cơ điện (Hình
1.9) [45].

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý hệ thống lái trợ lực điện


13

Việc điều khiển trợ lực thông qua mô tơ điện được điều khiển bằng hộp điều khiển.
Hệ thống trợ lực điện có thể xem là một trong những hệ thống cơ điện tử. Trong đó hộp
điều khiển ECU của hệ thống trợ lực chứa chương trình điều khiển. Chương trình điều
khiển được lập trình dựa trên thuật toán điều khiển trợ lực lái. Trong hệ thống này, cảm
biến mô men cản sẽ xác định mô men cản quay bánh xe dẫn hướng, ứng với từng điều
kiện chuyển động cụ thể chương trình sẽ tính toán lựa chọn đặc tính trợ lực thích hợp để
quyết định giá trị mô men bao nhiêu phần trăm thông qua việc điều khiển trực tiếp mô tơ
điện.
Hệ thống lái trợ lực điện khắc phục hạn chế tổn hao công suất do bơm thủy lực hoạt
động liên tục trong quá trình chạy xe. Thêm vào đó, dầu trợ lực lái là một nhân tố gây ô
nhiễm môi trường cũng được khắc phục. Kết cấu của hệ thống lái trợ lực điện tử cũng
gọn hơn. Bộ trợ lực điện này có thể được bố trí linh hoạt trên trục lái dạng EPASColumn, bố trí trên thước lái dạng EPAS-Rack, bố trí trên bộ phận giảm tốc dạng EPASPinion, đặt song hành cùng với thước lái dạng EPAS-Dual-Pinion (Hình 1.10). Hệ thống
trợ lực điện có các chế độ điều khiển trợ lực tương đồng hệ thống trợ lực thủy lực điều
khiển điện, tuy nhiên, khả năng bố trí thay đổi một cách linh hoạt, dễ bố trí, giảm tiêu hao
năng lượng và bảo vệ môi trường [19].

a)

b)

c)

d)

Hình 1.10: Các loại hệ thống lái trợ lực điện
a) EPAS-Column b) EPAS-Pinion c) EPAS-Dual-Pinion d) EPAS-Rack
Tùy theo chế độ chạy xe, đặc tính trợ lực được sử dụng có sự khác nhau thể hiện
qua Hình 1.11 [22]. Ứng với dải vận tốc thấp từ 0 đến 15km/h đặc tính trợ lực biến thiên
lớn, giá trị mô men trợ lực tăng nhanh. Đặc tính trợ lực giảm dần khi vận tốc chạy xe tăng
lên. Các thiết kế bộ trợ lực sẽ có các dải đặc tính trợ lực khác nhau tùy vào tình trạng cản,
tải trọng và dải vận tốc tối đa của xe. Hệ thống trợ lực điện có thể hiệu chỉnh và phân chia
dải đặc tính trợ lực một cách linh hoạt.


14

Mô men trợ lực (N.m)

Tải nặng (màu xanh),
Tải nhẹ (màu đỏ)

Mô men đánh lái (N.m)

Hình 1.11: Đặc tính trợ lực hệ thống lái trợ lực điện ứng với chế độ tải khác nhau
1.2.5. Hệ thống lái chủ động
Hệ thống lái sử dụng trợ lực giúp người lái xe điều khiển chuyển động một các linh
hoạt và dễ dàng, giảm được mệt mỏi khi lái xe trong thời gian dài. Tuy nhiên, hệ thống lái

này vẫn còn một số vấn đề cần cải tiến. Có thể thấy điều khiển hệ thống lái với mục đích
chính là điều khiển quỹ đạo chuyển động ô tô. Quỹ đạo chuyển động ô tô khi quay vòng
chịu ảnh hưởng của góc quay thân xe, biến dạng lốp và tình trạng đánh lái. Khi điều khiển
ô tô ở vận tốc thấp, lốp xe được xem như không biến dạng. Khi đó, bán kính quay vòng thực
tế của ô tô trùng với bán kính quay vòng lý thuyết R. Bán kính này được xác định theo góc
quay của bánh xe dẫn hướng δ và chiều dài cơ sở L, góc quay bánh xe dẫn hướng bên ngoài
và bên trong 1 ,  2 của ô tô theo công thức [7]:

 
B
L
L
Cotg 1 - Cotg 2  , Rt  R 
 ,  1 2
L
tan  
2

(1.1)

Trong trường hợp này, trạng thái quay vòng của ô tô được gọi là quay vòng đúng.
Trong thực tế, do tính đàn hồi của lốp, các phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên
bánh xe khi ô tô quay vòng nên có các góc lệch bên trước αf và sau αr:

f 

Fyf
C f

; r 

Fyr
C r

(1.2)


15

Thành phần lực ngang Fyf, Fyr làm cho các bánh xe cầu trước và bánh xe cầu sau lăn
lệch khỏi phương chuyển động ban đầu dưới các góc lệch bên αf và αr. Trong quá trình
chuyển động quay vòng có thể xảy ra trạng thái quay vòng đúng, quay vòng thiếu, quay
vòng thừa do lốp biến dạng. Vấn đề này được giải quyết khi nghiên cứu phát triển hệ
thống lái chủ động AFS.
Hệ thống lái chủ động được thiết kế dựa trên phân tích về hướng chuyển động thực
tế của xe khi lưu thông ở các vận tốc khác nhau tại các điều kiện khác nhau. Khi ô tô
chuyển động ở dải vận tốc thấp hướng chuyển động của ô tô được quyết định bởi góc
đánh lái [27]. Tuy nhiên khi vận tốc chuyển động lớn hơn 60 km/h ảnh hưởng của lực
quán tính tác động lên thân xe làm xoay thân xe do lốp biến dạng và ảnh hưởng hệ thống
treo là rõ nét. Nói cách khác hướng chuyển động của ô tô phụ thuộc vào hai tín hiệu góc
đánh lái (điều khiển góc quay bánh xe dẫn hướng từ vô lăng) và góc xoay thân xe (thay
đổi điều kiện chạy xe tác động lên hệ thống treo). Hệ thống lái chủ động là bước phát
triển của hệ thống lái cơ khí giải quyết bài toàn ảnh hưởng của tình trạng quay vòng
thiếu, quay vòng thừa do ảnh hưởng của hệ thống treo và biến dạng của lốp (Hình 1.12).
Đặc điểm chính của hệ thống này là sự thay đổi tỷ số truyền theo tình trạng biến dạng lốp
cầu trước và cầu sau. Các thông tin góc xoay thân xe, góc đánh lái, vận tốc xe, áp suất lốp
được chương trình máy tính phân tích, tính toán quyết định tỷ số truyền giữa góc quay vô
lăng và góc quay bánh xe dẫn hướng.

Hình 1.12: Mô hình phân tích góc xoay thân xe do biến dạng lốp

Trên các ô tô hiện đại, hệ thống lái tích cực được điều khiển kết hợp với các hệ
thống điều khiển ổn định quỹ đạo thành hệ thống cơ điện tử ô tô dạng phối hợp đảm bảo
tính điều khiển và tính ổn định của ô tô (Hình 1.13).


16

Cảm biến góc
quay trục lái

DSC
DSC

Hình 1.13: Sơ đồ hoạt động phối hợp của hệ thống AFS và DSC
Nhờ vào sự phối hợp, động lực học xe được kiểm soát tương đối chặt chẽ, quỹ đạo
chuyển động không bị lệch so với mong muốn, đảm bảo an toàn chủ động khi lưu thông
ở vận tốc cao. Đa phần các xe trang bị hệ thống này được nhập khẩu từ các thị trường có
tiêu chuẩn kiểm định cao như Châu Âu hay Bắc Mỹ.
1.2.6. Hệ thống lái điện
Với các hệ thống lái đã trình bày ở trên, khi quay vòng ở các vận tốc khác nhau
người lái chỉ kiểm soát được một số trạng thái động lực học của xe. Hệ thống lái điện có
khả năng tích hợp tất cả các hệ thống khác trên xe thành một đối tượng thống nhất. Trong
các năm gần đầy, hệ thống lái này đang được tập trung nghiên cứu. Khái niệm về hệ
thống lái điện được hình thành dựa trên mong muốn xây dựng hệ thống lái đáp ứng được
các tình trạng chuyển động theo mong muốn của người điều khiển xe khi quay vòng. Ưu
điểm nổi bật của hệ thống lái này là:
 Do bỏ bớt trục lái nên có nhiều khoảng trống để bố trí khoang lái một cách
thuận tiện, giảm đáng kể khối lượng, quán tính của hệ thống.
 Liên kết giữa bộ phận vô lăng và bộ phận chấp hành thông qua bộ điều
khiển cho nên có thể điều khiển chuyển động bánh xe dẫn hướng theo tình trạng chuyển

động ô tô một cách linh hoạt, có khả năng phối hợp với các hệ thống điều khiển khác.


17

 Các tác động từ mặt đường không trực tiếp lên người sử dụng nên tạo cảm
giác thoải mái cho người điều khiển, tránh ảnh hưởng tới sức khỏe.
 Có thể được sử dụng trên các xe điều khiển từ xa, xe chuyên dùng.
 Hệ thống lái điện dẫn động tích hợp với đặc điểm hai bánh dẫn hướng liên
kết với nhau qua hình thang lái (Hình 1.12a). Trên hệ thống này trục lái liên kết giữa vô
lăng và cơ cấu lái được thay thế bằng hệ cơ điện tử.
 Đặc điểm hệ thống lái điện dẫn động độc lập với đặc điểm mỗi bánh xe dẫn
hướng bố trí một động cơ điều khiển (Hình 1.12b). Việc điều khiển một cách độc lập tại
các bánh xe có ưu điểm giúp tỉ lệ thay đổi góc dẫn hướng bánh xe một cách độc lập theo
lý thuyết quay vòng.

Hình 1.14: Các kiểu hệ thống lái điện
a) Dẫn động tích hợp; b) Dẫn động độc lập
Trong hệ thống lái điện dẫn động tích hợp, phía dưới vô lăng được bố trí một cảm
biến vị trí góc quay. Khi người lái tác động vào vô lăng, tín hiệu được cảm biến thu nhận
và truyền qua hộp điều khiển, hộp điều khiển phân tích và xuất tín hiệu điều khiển động
cơ gắn trên cơ cấu lái để điều khiển cơ cấu lái đúng như tín hiệu mà người điều khiển
mong muốn. Ở chiều ngược lại, trên cơ cấu lái cũng gắn một cảm biến thu thập tín hiệu
phản hồi từ mặt đường, tín hiệu này được truyền ngược lên hộp điều khiển, hộp điều
khiển phân tích và xuất tín hiệu điều khiển động cơ gắn dưới vô lăng để tạo cảm giác tác
động phản hồi từ mặt đường đến người lái. Trên các hệ thống lái thông thường, mô men
từ vành tay lái được truyền trực tiếp xuống cơ cấu lái thông qua trục lái. Tuy nhiên, ở hệ
thống lái điện cơ cấu liên kết trung gian này đã được loại bỏ, chính vì vậy, việc đồng bộ

18

góc quay giữa vành tay lái và cơ cấu lái cũng như những tác động phản hồi từ mặt đường
lên vô lăng được xem là một nhiệm vụ quan trọng.
Bộ điều khiển hệ thống lái đóng vai trò then chốt trong quá trình điều khiển xe. Mọi
thông tin sẽ được xử lý bằng điện tử nên khả năng phản ứng với những thông tin trong
quá trình lái xe sẽ nhanh hơn, không những thế, nó còn có khả năng hạn chế phản hồi từ
mặt đường, theo đó khi xe đi vào mặt đường xấu, gồ ghề những rung động từ mặt đường
tác động lên vô lăng sẽ được loại bỏ, nhờ vậy người lái không bị mỏi tay mà thoải mái
hơn đồng thời không gian bố trí cho hệ thống lái giảm, trọng lượng giảm. Trên thế giới,
hệ thống lái này đã và đang nghiên cứu và ứng dụng trong các năm gần đây. Kết quả
nghiên cứu đang được thử nghiệm trên ô tô thực tế.
1.2.7. Hệ thống lái trong tƣơng lai
Các nghiên cứu về hệ thống lái điện là tiền đề phát triển công nghệ lái tự động.
Công nghệ lái xe tự động đã được ứng dụng cho các dòng xe điện, xe lai điện (xe phối
hợp giữa động cơ xăng và điện) trong giao thông tại một số nước phát triển (Mỹ, Đức,
Nhật, Trung Quốc). Công nghệ này được dự báo sẽ được sử dụng trên nhiều phương tiện
vận tải trong tương lai tại các thành phố lớn. Công nghệ lái tự động ứng dụng trên xe
nhiều cấp độ khác nhau. Công nghệ này có thể chia thành bốn cấp độ khác nhau tùy vào
khả năng công nghệ và kết cấu cơ sở hạ tầng giao thông:
Cấp độ 1: Hỗ trợ ngƣời lái: Công nghệ lái tự động hỗ trợ một phần điều khiển
kiểm soát hành trình, hướng dẫn làn chạy xe, tự động đỗ xe. Người lái điều khiển trực
tiếp tác động, kiểm soát quá trình chạy xe [12].
Cấp độ 2: Kết hợp chức năng tự động với ngƣời lái: Trong công nghệ lái
này, người lái kết hợp giữa tín hiệu điều khiển người lái với chức năng điều khiển tự
động kiểm soát hành trình, ổn định bám làn. Người điều khiển chịu trách nhiệm giám sát
các đường và dự kiến tình trạng chạy xe, lựa chọn chế độ chạy hợp lý, trong điều kiện
chạy ổn định có thể chuyển sang chế độ tự động lái xe [43].
Cấp độ 3: Tự động lái mức độ giới hạn: Trong công nghệ lái này, nhiệm vụ
người lái quyết định lựa chọn chế độ, hành trình chạy xe dựa trên kinh nghiệm hoặc quan

sát điều kiện thực tế. Chương trình điều khiển lái tự động xác định quỹ đạo chuyển động


19

ứng với các tình huống lái xe cụ thể và tự động điều khiển lái mà không cần sự can thiệp
của người lái. Các công nghệ này đang được nghiên cứu và thử nghiệm trong những năm
gần đây [37].
Cấp độ 4: Tự động lái hoàn toàn: Công nghệ lái tự động hoàn toàn cho phép
phương tiện thực hiện tất cả các chức năng lái xe và giám sát điều kiện đường bộ khi lưu
thông. Công nghệ này giúp giải phóng sức lao động và thời gian lái xe, người sử dụng chỉ
cần lựa chọn điểm đi và đến công việc còn lại hoàn toàn tự động [14].
1.3.

Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc

1.3.1. Các nghiên cứu nƣớc ngoài
Trên thế giới đã có nhiều tổ chức, tác giả, nhiều đề tài và công trình nghiên cứu lý
thuyết cũng như thực nghiệm về hệ thống lái điện. Các nghiên cứu được tiến hành trên
nhiều khía cạnh khác nhau. Tuy nhiên, có thể thấy một vấn đề chính đó là việc truyền dẫn
tín hiệu giữa vành tay lái phía trên và chuyển động của các bánh xe dẫn hướng. Vấn đề
này có thể được chia thành hai nhóm chính: truyền tín hiệu và phản hồi tín hiệu. Tín hiệu
được truyền đi dựa theo góc quay vành tay lái, tín hiệu phản hồi phản ánh tình trạng
đường lên người lái. Khi nghiên cứu về hệ thống lái điện có thể chia thành năm phần: Bộ
phận vô lăng, động lực học hệ thống lái, bộ phận xử lý tín hiệu đảm bảo an toàn, bộ điều
khiển, động lực học xe.
 Bộ phận vô lăng
Các nghiên cứu tập trung vào các phương pháp điều khiển tạo cảm giác trên vô
lăng. Trong lĩnh vực này nhiều tác giả nghiên cứu hình thành nên ba nhóm chính bao
gồm phương pháp tạo cảm giác sử dụng biểu đồ cảm giác, phương pháp sử dụng cảm

biến mô men, phương pháp sử dụng cảm biến dòng. Các nghiên cứu của Andrew Liu và
Stacey Chang [24] mô tả các kết quả thực nghiệm khi lái xe làm cơ sở phản hồi cảm giác
lái khi cho thử nghiệm ở ba điều kiện thử nghiệm khác nhau. Sau khi thử nghiệm ở ba
trạng thái quay vòng, tác giả so sánh với các kết quả đã công bố và đưa ra các thảo luận
chung. Nguyen- Jee Hwan Ryu nghiên cứu tạo cảm giác xác thực nhất trên vành tay lái
được tái tạo thông qua phương pháp đo dòng [13]. Đặc điểm chính của phương pháp này
là sử dụng cảm biến đo dòng để đo cường độ dòng điện động cơ đặt tại cơ cấu lái làm tín


20

hiệu phản hồi lên vô lăng. Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng phần mềm LabVIEW để
mô phỏng đặc tính cảm giác thông qua phương trình. Tác giả so sánh với các phương
pháp tạo cảm giác khác và cho rằng phương pháp này tái tạo cảm giác chính xác, đơn giản
và tiết kiệm chi phí hơn so với các phương pháp khác. Phương pháp sử dụng cảm biến
mô men phản hồi cảm giác lái được Sanket Amberkar nghiên cứu. Đây là phương pháp
phản hồi cảm giác được phát triển từ các hệ thống lái trợ lực lái điện [34].
 Bộ phận chấp hành hệ thống lái điện
Động lực học bộ phận chấp hành hệ thống lái đóng vai trò then chốt cho phương
pháp điều khiển hệ thống lái điện và tái tạo cảm giác lái trên vô lăng. Bộ chấp hành bao
gồm động cơ điện lắp lên bánh răng cơ cấu lái điều khiển bánh xe dẫn hướng. Các nghiên
cứu trên thế giới sử dụng mô hình hai bậc tự do [8, 30, 39,48], ba bậc tự do [20] và bốn
bậc tự do [15] làm đối tượng để phân tích hệ thống lái điện.
 Bộ phận xử lý tín hiệu và đảm bảo an toàn
Các nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế các mạch điện tử có khả năng điều khiển
hệ thống một cách linh hoạt và có độ tin cậy cao. Cơ cấu liên kết cơ khí đảm bảo an toàn
cũng được xét đến. M. Segawa nhóm nghiên cứu tái tạo cảm giác lái khi tình trạng hỏng
đột ngột xảy ra [26]. Thông qua việc mô phỏng mômen phản ứng với hệ thống lái sử
dụng cơ cấu an toàn. Nghiên cứu này đã chỉ ra thành phần mô men phản ứng được hạn
chế bằng cách thay đổi động lực học hệ thống.

 Bộ điều khiển
Bộ điều khiển quyết định chất lượng điều khiển hệ thống. Nhiều bộ điều khiển đã
được thiết kế và thử nghiệm. Se-WooK-Oh và nhóm nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển
cho hệ thống lái điện [41]. Tác giả đưa ra thuật toán điều khiển với mục đích ban đầu là
tái tạo cảm giác cho mô tơ vô lăng một cách xác thực nhất.
Nhóm nghiên cứu thuộc Trường đại học Swinburne, Melbourne, Úc, thiết kế bộ
điều khiển trượt thử nghiệm trên mô hình hệ thống thử nghiệm. Nhóm tác giả công bố
mô hình nghiên cứu và kết luận phương pháp điều khiển trượt áp dụng cho hệ thống lái
điện sử dụng bộ điều khiển trượt có khả năng đáp ứng tốt trước các kính thích ngẫu nhiên
[51].


21

Nhóm nghiên cứu thuộc trung tâm nghiên cứu hãng Renault, Carlos Canudas-deWit, Xavier Claeys, J. Coudon and Xavier Claeys công bố mô hình hệ thống lái điện và
thử nghiệm hai bộ điều khiển PD và bộ điều khiển thích nghi LQ. Nhóm kết luận rằng
khi sử dụng bộ điều khiển thích nghi LQ cho khả năng đáp ứng tốt hơn so với bộ điều
khiển PD [50].
 Động lực học xe
Nhiều nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của chuyển động quay vòng tác động
lên hệ thống cũng như những ảnh hưởng theo phương dọc và ngang. Paul Jih mô phỏng
và thực nghiệm hệ thống lái điện một các toàn diện trên xe thực tế [34]. Trong nghiên
cứu này cảm giác lái được khảo sát thông qua các tác động của động lực học của cả xe.
Tác giả sử dụng mô hình động lực học lốp Pacejka để phân tích thành phần gây lên lực
cản từ mặt đường làm cơ sở phản hồi lực tác dụng lên vô lăng [52]. Ngoài ra tác giả cũng
xem xét ảnh hưởng của các tác động trợ lực lái thủy lực lên vô lăng.
1.3.2. Các nghiên cứu trong nƣớc
Trong nước, năm 2001, tác giả Nguyễn Thanh Quang nghiên cứu về hệ thống lái
trợ lực thủy lực trên xe du lịch thông qua việc nghiên cứu động học, động lực học và độ
bền các chi tiết trên hệ thống lái trên xe Mekông. Năm 2004, tác giả Mai Khoa tiến hành

nghiên cứu tính điều kiển của ô tô tải với hệ thống lái có trợ lực thủy lực. Năm 2010, tác
giả Nguyễn Tuấn Anh công bố công trình nghiên cứu về điều khiển tối ưu hệ thống lái
tích cực trên ô tô. Năm 2015, tác giả Nguyễn Tuấn Anh công bố nghiên cứu thiết kế bộ
điều khiển PID cho hệ thống lái trợ lực điện ESP.
Ngoài các công trình trên, bản thân tác giả đã tiến hành nghiên cứu về hệ thống lái
điện từ năm 2008 thông qua đề tài thạc sỹ. Trong đề tài này tác giả xây dựng mô hình hệ
thống lái, đồng thời thiết kế các giao diện thực hiện điều khiển và quan sát hệ thống. Tác
giả sử dụng phần mềm LabVIEW thiết kế giao diện điều khiển bộ phận chấp hành đồng
thời quan sát tình trạng phản hồi trên vô lăng. Đây là nghiên cứu ban đầu về hệ thống nên
các thông số hệ thống cũng như bộ điều khiển còn chưa được quan tâm nhiều. Trong
nghiên cứu này bộ điều khiển PID được đưa vào thực nghiệm làm đồng bộ vô lăng và cơ
cấu chấp hành.


22

Nghiên cứu trên được phát triển qua đề tài cấp trường năm 2011. Trong nghiên cứu
tiếp theo này, tác giả quan tâm nhiều đến động lực học của hệ thống đồng thời hoàn thiện
thông số kết cấu cũng như mô phỏng 3D hệ thống. Đồng thời qua nghiên cứu này sai số
giữa vô lăng và cơ cấu chấp hành được xem xét một cách trực quan [4].
Trong đề tài nghiên cứu cấp thành phố “Nghiên cứu chế tạo bộ tạo cảm giác cho hệ
thống lái gián tiếp”, tác giả tập trung nghiên cứu phương pháp tái tạo cảm giác lái trên vô
lăng [5]. Nghiên cứu này được tiến hành thông qua giao tiếp giữa khối 3D mô phỏng hệ
thống lái và vô lăng thực. Tác giả bước đầu cũng xây dựng được đặc tính tái tạo cảm giác
lái trên vô lăng trong quá trình chuyển động xe.
1.3.3. Nhận xét, đánh giá
Các kết quả nghiên cứu của các tác giả nước ngoài đã tương đối hoàn thiện về động
lực học, kết cấu cũng như điều khiển nhưng đây là những nghiên cứu bản quyền của các
công ty, chưa được công bố rộng rãi và sâu sắc. Có thể sử dụng một số kết quả của các
công trình này phục vụ cho quá trình nghiên cứu của tác giả: phương pháp tổng hợp để

nghiên cứu động lực học hệ thống lái điện, bộ điều khiển PID, mô hình bán tự nhiên hệ
thống lái điện ...
Các nghiên cứu trong nước đã xây dựng cơ sở lý thuyết hệ thống lái cơ khí, hệ
thống lái trợ lực thủy lực và hệ thống lái tích cực. Cơ sở lý thuyết trên là nền tảng phát
triển hệ thống lái điện. Tuy nhiên, khả năng thí nghiệm của các hệ thống trên còn hạn
chế, chưa có các sản phẩm để kiểm chứng và đánh giá.
Các nghiên cứu của tác giả được tiến hành trên mô hình bánh xe không tiếp đất
chưa được xây dựng một cách tổng thể cho nên kết quả thực nghiệm còn nhiều hạn chế,
chưa xây dựng được mô hình động lực học hệ thống lái điện. Do vậy, cần có công trình
nghiên cứu toàn diện hơn về hệ thống lái điện gồm nghiên cứu động lực học, xây dựng
bộ điều khiển cho mô hình bánh xe tiếp đất.
1.4.

Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

1.4.1. Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu
Trên thế giới, các nghiên cứu về hệ thống lái điện chỉ mới bắt đầu từ hơn 10 năm
trở lại đây và còn nhiều vấn đề cần nghiên cứu và phát triển. Nghiên cứu về hệ thống lái


23

điện đóng vai trò quan trọng trong việc nắm bắt các công nghệ lái tiên tiến trong tương
lai gần.
Tại Việt Nam, chưa có nghiên cứu chuyên sâu nào về hệ thống lái điện. Vì vậy, đây
là nghiên cứu cần thiết để làm rõ cơ sở lý luận và thực tiễn của hệ thống lái điện và hệ
thống cơ điện tử trên xe. Đây là một trong những công nghệ lái hoàn toàn mới tại Việt
Nam nên cần tiếp cận và làm chủ công nghệ.
1.4.2. Ý nghĩa khoa học
Đầu tiên ở Việt Nam đã thiết kế, chế tạo mô hình bán tự nhiên hệ thống lái điện

bánh xe tiếp đất gồm nhiều bộ phận - cơ khí, điện, điều khiển, phần mềm… thỏa mãn cơ
bản các tiêu chí đối với hệ thống lái ô tô truyền thống. Mô hình trên là kết quả của việc
phân tích kỹ lưỡng các nghiên cứu của nước ngoài kết hợp với điều kiện nghiên cứu
trong nước. Trong đó, các bộ phận cơ khí trên mô hình được lấy từ ô tô nguyên bản, bộ
phận điện và điều khiển sử dụng các thiết bị linh kiện hiện đại, các phần mềm tính toán
hiện đại đảm bảo tính chính xác.
Việc nghiên cứu đưa ra sản phẩm hệ thống lái điện đã phối hợp nhiều nghiên cứu
chuyên môn khác nhau bao gồm các nghiên cứu về bộ phận cơ khí, phần mềm, phần
cứng hệ thống lái điện. Thông qua đề tài nghiên cứu, tác giả mong muốn đưa ra các thông
tin, kết nối các nhà nghiên cứu chuyên môn nhằm ứng dụng thực tế trên xe thật.
1.4.3. Ý nghĩa thực tiễn
Trong các năm gần đây số lượng các hệ thống lái hiện đại sử dụng trên ô tô ngày
càng phổ biến. Nghiên cứu hệ thống lái điện có ý nghĩa quan trọng trong việc tiếp cận và
làm chủ công nghệ lái trên các xe ô tô hiện đại tại Việt Nam. Trên cơ sở nghiên cứu về hệ
thống lái điện có thể tiến hành nghiên cứu các hệ thống điều khiển qua dây dẫn khác
(Drive By Wire) trên ô tô.
Các sản phẩm của quá trình nghiên cứu như phần cứng, phần mềm của hệ thống cơ
điện tử có thể tiếp tục hoàn thiện để sử dụng trên hệ thống lái ô tô thực. Các sản phẩm
trên có khả năng làm việc tốt và ổn định trên mô hình bán tự nhiên. Tuy nhiên, khi thử
nghiệm trên các xe thực tế cần xác định thêm các yếu tố đảm bảo an toàn. Luận án có thể