Nghiên cứu thiết kế bộ quan sát hệ số trượt và ước lượng tốc độ tuyệt đối cho điều khiển lực kéo của ô tô điện tt

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

VÕ DUY THÀNH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ
BỘ QUAN SÁT HỆ SỐ TRƯỢT
VÀ ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ TUYỆT ĐỐI
CHO ĐIỀU KHIỂN LỰC KÉO CỦA Ô TÔ ĐIỆN

Ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 9520216

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – 2019


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

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Tạ Cao Minh

Phản biện 1: GS. TS. Lê Hùng Lân
Phản biện 2: PGS. TS. Hồ Hữu Hải
Phản biện 3: PGS. TS. Nguyễn Thanh Tiên

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp
Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………

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


MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài
Ước lượng trạng thái là nhiệm vụ cơ bản của điều khiển chuyển
động và động lực học xe ô tô. Trên xe ô tô có rất nhiều trạng thái, ví
dụ như: góc trượt thân xe, vận tốc dài, hệ số trượt, góc lăn xe, khối
lượng, độ cứng lốp... Mỗi trạng thái của xe ô tô đều đóng góp vai trò
quan trọng vào hệ thống điều khiển, làm tăng cường chất lượng điều
khiển và đặc biệt góp phần đảm bảo an toàn cho người lái và hành
khách trên xe trong những điều kiện vận hành và đặc điểm môi trường
khác nhau. Nếu không xác định được các trạng thái thì việc điều khiển
xe hoàn toàn phụ thuộc kinh nghiệm và thể trạng của người lái, tiềm
ẩn rất nhiều rủi ro trong quá trình tham gia giao thông như hiện tượng
mất lái khi đi đường trơn, thừa/thiếu lái khi rẽ hoặc khi phanh để tránh
vật cản xuất hiện đột ngột. Nếu có thể biết được các trạng thái của xe,
hệ thống điều khiển có thể can thiệp tín hiêu vào các cơ cấu chấp hành
để hỗ trợ người lái, giúp đưa xe ô tô về điều kiện vận hành an toàn và
tuân theo yêu cầu điều khiển của người lái. Vì vậy, việc ước lượng
trạng thái của xe ô tô là cực kỳ cần thiết.
Việc ước lượng trạng thái cho xe ô tô điện đang là một chủ đề
nghiên cứu hấp dẫn ở cả lý thuyết hàn lâm lẫn triển khai thực tế bởi ô
tô điện là xu thế chung của cả thế giới. Các kết quả nghiên cứu về ước
lượng trạng thái của ô tô điện thường được ứng dụng vào điều khiển
chuyển động và điều khiển tự lái. Xét trên đặc thù giao thông tại Việt

Nam, tác giả lựa chọn đề tài có tên gọi: "Nghiên cứu thiết kế bộ quan
sát hệ số trượt và ước lượng tốc độ tuyệt đối cho điều khiển lực kéo
của ô tô điện".
Luận án tập trung nghiên cứu về các lĩnh vực sau của xe ô tô điện.
-

-

Nghiên cứu thiết kế các bộ quan sát và ước lượng trạng thái
của xe ô tô điện. Cụ thể, luận án tập trung giải quyết vấn đề
ước lượng hệ số trượt của xe ô tô, một trong những trạng thái
tiên quyết đảm bảo vận hành an toàn và tin cậy của xe cũng
như người lái và hành khách.
Điều khiển chuyển động xe ô tô điện bằng cách thiết kế các
bộ điều khiển chống trượt và điều khiển lực kéo. Các thuật
1


toán điều khiển sử dụng kết quả của các nghiên cứu về ước
lượng hệ số trượt.
Cấu trúc của luận án
-

-

-

-

Chương 1 tổng quan về đối tượng nghiên cứu, phạm vi và các

yêu cầu chi tiết cho nội dung nghiên cứu, xây dựng phương
hướng giải quyết vấn đề nghiên cứu.
Chương 2 thực hiện mô hình hóa đối tượng và xây dựng mô
hình mô phỏng trên máy tính cũng như mô hình mô phỏng
thời gian thực HIL của xe ô tô điện.
Chương 3 đề xuất các thuật toán ước lượng và quan sát hệ số
trượt cũng như vận tốc dài xe ô tô điện
Chương 4 đề xuất các thuật toán điều khiển chuyển động ứng
dụng kết quả nghiên cứu hệ số trượt.
Chương 5 tập trung vào việc xây dựng phần cứng phục vụ việc
triển khai các thuật toán ước lượng như đã đề cập trong các
chương trước. Tiếp đó là các kết quả thử nghiệm trên cả nền
tảng phần cứng đã xây dựng và các kết quả thử nghiệm trên
hệ thống HIL đã xây dựng trong chương 2.
Cuối cùng, một số kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo
được trình bày trong phần cuối, phần Kết luận.

Những đóng góp chính của luận án
-

-

Đề xuất thuật toán nâng cao tốc độ trích mẫu của các cảm biến
trên cơ sở sửa đổi bộ Multirate Kalman Filter nhằm đồng bộ
tốc độ trích mẫu các cảm biến
Đề xuất bộ quan sát hệ số trượt trên cơ sở phương pháp tổng
hợp dữ liệu đa cảm biến
Đề xuất bộ ước lượng tốc độ dài xe ô tô trên cơ sở phương
pháp tổng hợp cảm biến
Đề xuất bộ điều khiển chống trượt bằng phương pháp bù mô

men trên cơ sở ước lượng hệ số trượt
Đề xuất bộ điều khiển lực kéo trên cơ sở giới hạn mô men
truyền cực đại.

2


CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Đối tượng và nội dung nghiên cứu
Khi vấn đề về sử dụng năng lượng hóa thạch cùng các ảnh hưởng
của biến đổi khí hậu đang diễn ra trên toàn cầu thì xe ô tô chạy bằng
năng lượng thuần điện (gọi tắt là ô tô điện) trở thành một giải pháp tất
yếu cho một môi trường xanh và sạch. Ô tô điện trong luận án được
giới hạn là loại phương tiện giao thông chở người, dưới 9 chỗ, có bốn
bánh xe gắn với một thân độc lập, được truyền động bởi động cơ điện
và cấp nguồn từ hệ thống ắc quy.
Điều khiển ô tô điện, về cơ bản, có thể được chia làm năm nhóm
chính gồm: (1) điều khiển động cơ truyền động, (2) Điều khiển chuyển
động của xe ô tô, (3) quản lý tối ưu các nguồn năng lượng, (4) điều
khiển tự lái và (5) ước lượng tham số xe ô tô điện. Luận án tập trung
nghiên cứu về các lĩnh vực sau của xe ô tô điện.
•

•

Đối với nghiên cứu về ước lượng, hệ số trượt 𝜆 được lựa chọn làm
đối tượng nghiên cứu. Căn cứ theo phương trình tính hệ số trượt,
luận án sẽ ước lượng hệ số trượt theo hai hướng:
- Ước lượng trực tiếp 𝜆 thông qua mô hình, cụ thể là mô hình

động học của đối tượng để đảm bảo tính độc lập với sự thay
đổi của các tham số động lực học của xe ô tô.
- Ước lượng vận tốc dài của xe ô tô để từ đó, kết hợp với thông
tin về tốc độ bánh xe, tính toán hệ số trượt. Việc ước lượng
được vận tốc dài cũng có thể được sử dụng mở rộng cho nhiều
mục đích nghiên cứu trong tương lai.
Đối với việc ứng dụng, hệ thống điều khiển lực kéo TCS ô tô điện
được lựa chọn làm mục tiêu ứng dụng của kết quả ước lượng. Điều
này là hoàn toàn hợp lý bởi hệ số trượt được sử dụng nhiều nhất
cho mục đích điều khiển lực kéo hoặc cái bài toán chống trượt
bánh cho xe ô tô điện.

1.2. Các yêu cầu của nghiên cứu
Từ các đề xuất về nội dung nghiên cứu, các yêu cầu tương ứng đối với
các mục tiêu cũng được đề nghị như sau:
3


•

•
•
•

Yêu cầu đối với thuật toán và kết quả ước lượng:
- Yêu cầu về độ chính xác: đề xuất độ chính xác của kết quả
phải trên 95% tức là sai số phép ước lượng phải nhỏ hơn 5%.
- Yêu cầu về độ bền vững (robust) của phép ước lượng.
- Yêu cầu về tốc độ ước lượng: đề xuất các bộ ước lượng/quan
sát phải hoạt động ở tốc độ tối thiểu là 200Hz.

- Yêu cầu về tính khả thi. Các thuật toán ước lượng phải đảm
bảo đơn giản để có thể triển khai thời gian thực trên các nền
tảng xử lý số.
Yêu cầu đối với bộ điều khiển lực kéo
Yêu cầu về tính ổn định: tính ổn định của bộ điều khiển cần phải
được khảo sát và chứng minh.
Yêu cầu về tính khả thi: thuật toán điều khiển cần đủ đơn giản để
triển khai thời gian thực trên các bộ điều khiển số như vi điều
khiển, DSP.

1.3. Phương hướng thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu
Hình 1.18 mô tả các nội dung cụ thể cũng như phương hướng thực
hiện nghiên cứu.
Đối với nhiệm vụ ước lượng hệ số trượt, luận án tiến hành theo
hai hướng. Thứ nhất, luận án đề xuất bộ ước lượng và quan sát hệ số
trượt dựa trên mô hình động học của chính đối tượng ước lượng. Thứ
hai, xác định hệ số trượt được thực hiện thông qua việc ước lượng vận
tốc dài xe ô tô điện. Các kết quả ước lượng được kiểm chứng bằng mô
phỏng off-line trên máy tính, mô phỏng thực nghiệm trên mô hình
Hardware-in-the-loop (HIL) và bằng thực nghiệm trên xe ô tô điện iMiEV do Mitsubishi sản xuất.
Trên cơ sở hệ số trượt đã ước lượng, luận án đề xuất các thuật toán
điều khiển chống trượt và điều khiển lực kéo xe ô tô điện. Chất lượng
của các bộ điều khiển được kiểm chứng bằng mô phỏng off-line và mô
phỏng thực nghiệm HIL trên nền tảng card điều khiển dSPACE DS1103.

4


Hình 1.18. Phương hướng thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu

CHƯƠNG 2
MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG XE Ô TÔ ĐIỆN
2.1. Cấu hình hệ thống mô phỏng
Một chiếc xe ô tô chuyển động trên đường có thể được xem như
một mô hình thân cứng với 6 bậc tự do trong không gian 3 chiều.
Chúng gồm có 3 phương chuyển động tịnh tiến dọc trục (longitudinal),
ngang trục (lateral), lên xuống (heave) cùng 3 phương chuyển động
quay quanh 3 trục này (yaw, roll, pitch). Tuy nhiên, để giảm khối
lượng tính toán cũng như độ phức tạp của mô hình trong quá trình thiết
kế, các giả thiết sau được đưa ra: (1) xe ô tô chỉ chạy trên đường bằng
5


phẳng nằm ngang và (2) bỏ qua các ảnh hưởng của các chuyển động
theo phương thẳng đứng cũng như chuyển động quay roll và pitch.
Với các giả thiết trên, mô hình xe được đơn giản hóa thành hệ
thống 3 bậc tự do gồm dọc trục, ngang trục và chuyển động quay quanh
trục thẳng đứng như trình bày trong Hình 2.2. Các phương, chiều của
lực tác dụng cũng như của các hướng chuyển động được tham chiếu
theo hệ trục tọa độ gắn vào trọng tâm của xe.

Hình 2.2. Mô hình xe ô tô ba bậc tự do và các lực tác dụng

2.2. Mô hình động học và động lực học của xe ô tô
2.2.1. Mô hình động học xe ô tô
𝑣̇𝑥 = 𝑎𝑥 + 𝑟𝑣𝑦

(2.3a)

𝑣̇𝑦 = 𝑎𝑦 − 𝑟𝑣𝑥

(2.3b)

với, 𝑎𝑥 và 𝑎𝑦 tương ứng là gia tốc dọc trục và ngang trục của xe, 𝑟 là
tốc độ quay quanh thân xe (yaw rate), 𝑣𝑥 và 𝑣𝑦 lần lượt là vận tốc dọc
và ngang trục của xe ô tô.
2.2.2. Mô hình động lực học xe ô tô
1. Mô hình các lực tác dụng lên xe
m𝑎𝑥 = (𝐹𝑥1 + 𝐹𝑥2 ) cos δ − (𝐹𝑦1 + 𝐹𝑦2 ) sin δ + 𝐹𝑥3
+ 𝐹𝑥4 − 𝐹𝑎𝑖𝑟
6

(2.4a)


𝑚𝑎𝑦 = (𝐹𝑥1 + 𝐹𝑥2 ) 𝑠𝑖𝑛 𝛿 + (𝐹𝑦1 + 𝐹𝑦2 ) 𝑐𝑜𝑠 𝛿
+𝐹𝑦3 + 𝐹𝑦4

(2.4b)

𝐽𝑧 𝑟̇ = 𝑙𝑓 (𝐹𝑥1 + 𝐹𝑥2 ) 𝑠𝑖𝑛 𝛿 + 𝑙𝑓 (𝐹𝑦1 + 𝐹𝑦2 ) 𝑐𝑜𝑠 𝛿
𝑏𝑓
− 𝑙𝑟 (𝐹𝑦3 + 𝐹𝑦4 ) − (𝐹𝑥1 − 𝐹𝑥2 ) 𝑐𝑜𝑠 𝛿
(2.4c)
2
𝑏𝑓
𝑏𝑟
+ (𝐹𝑦1 − 𝐹𝑦2 ) 𝑠𝑖𝑛 𝛿 − (𝐹𝑥3 − 𝐹𝑥4 )
2
2

Trong đó, 𝐹𝑎𝑖𝑟 là lực cản gió được xác định như sau:
𝜌
𝐹𝑎𝑖𝑟 = 𝑠𝑖𝑔𝑛(𝑣𝑥 )𝑐𝑊 𝐴 𝑣𝑥2
(2.5)
2
𝑐𝑊 là hệ số hình dáng khí động học của xe, 𝐴 là diện tích mặt trước
của xe, 𝜌 là mật độ không khí, 𝑏𝑓 và 𝑏𝑟 chiều rộng trục trước và sau
của xe, 𝑙𝑓 và 𝑙𝑟 là khoảng cách từ trục trước và sau xe đến tâm khối, 𝛿
là góc lái của bánh xe, 𝑚 là khối lượng xe ô tô.
2. Mô hình lốp xe
𝐹𝑥𝑖 = 𝐷 sin (𝐶 arctan ((𝐵(1 − 𝐸)(λ𝑖 + 𝑆ℎ𝑖 )
+ 𝐸 arctan(𝐵(λ𝑖 + 𝑆ℎ𝑖 )))) + 𝑆𝑣𝑖 )
𝐹𝑦𝑖 = 𝐷 sin ((𝐶 arctan(𝐵(1 − 𝐸)(α𝑖 + 𝑆ℎ𝑖 )
+ 𝐸 arctan(𝐵(α𝑖 + 𝑆ℎ𝑖 )))) + 𝑆𝑣𝑖 )

(2.6)

(2.8)

Với, 𝐵, 𝐶, 𝐷, 𝐸, 𝑆ℎ𝑖 , 𝑆𝑣𝑖 là các hệ số được xây dựng từ đặc tính của lốp
và phụ thuộc vào phản lực 𝐹𝑧𝑖 của mặt đường lên điểm tiếp xúc bánh
xe, 𝜆𝑖 và 𝛼𝑖 lần lượt là hệ số trượt và góc trượt ngang của bánh thứ 𝑖.
Phản lực 𝐹𝑧𝑖 là một hàm số phụ thuộc vào kích thước hình học của xe
và đặc biệt là gia tốc 𝑎𝑥 của xe.
3. Hệ số trượt và góc trượt ngang
-

Hệ số trượt của bánh xe được xác định theo công thức sau:
λ𝑖 =

𝑅𝑒𝑓𝑓 ω𝑖 − 𝑣𝑥
max(𝑅𝑒𝑓𝑓 ω𝑖 , 𝑣𝑥 )
7

(2.12)


Với 𝑅𝑒𝑓𝑓 là bán kính bánh xe, 𝜔𝑖 là tốc độ quay của bánh xe thứ 𝑖
-

Góc trượt ngang của các bánh xe được tính theo:
𝑣𝑦 + 𝑙𝑓 𝑟
𝛼1 = 𝛿 − arctan (
)
𝑏𝑓
𝑣𝑥 − 𝑟
2

(2.15a)

𝑣𝑦 + 𝑙𝑓 𝑟
𝛼2 = 𝛿 − arctan (
)
𝑏𝑓
𝑣𝑥 + 𝑟
2

(2.15b)

𝛼3 = − 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 (

𝑣𝑦 − 𝑙𝑟 𝑟
)
𝑏𝑟
𝑣𝑥 − 𝑟
2

𝑣𝑦 − 𝑙𝑟 𝑟
)
𝑏
𝑣𝑥 + 𝑟 𝑟
2
2.3. Mô hình hệ truyền động xe ô tô điện
𝛼4 = − 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 (

(2.15c)

(2.15d)

Hệ thống truyền động (Drivetrain System) bao gồm toàn bộ các thành
phần truyền lực, tính từ động cơ cho tới trục bánh chủ động của xe ô
tô. Xe ô tô điện có cấu trúc đơn giản gồm (các) động cơ điện, hộp giảm
tốc, trục và bánh xe. Hình 2.13 mô tả cấu hình điển hình của hệ thống
truyền động cho xe ô tô điện.

Hình 2.13. Cấu hình hệ thống truyền động xe ô tô điện
8


Gọi 𝐾𝑖 là tỉ số truyền của hộp giảm tốc thì mô men đầu ra của bộ

truyền được tính theo công thức: 𝑇𝑡 = 𝐾𝑖 𝑇𝑒 với 𝑇𝑒 là mô men đầu ra
của động cơ. Phương trình cân bằng mô men tại trục của bộ truyền
được viết như sau:
𝐽𝑥

𝑑𝜔
= 𝑇𝑡 − 𝑅𝑒𝑓𝑓 𝐹𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 − 𝑇𝑏
𝑑𝑡

(2.18)

= 𝐾𝑖 𝑇𝑒 − 𝑅𝑒𝑓𝑓 𝐹𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 − 𝑇𝑏
Với 𝐹𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = ∑4𝑖=1 𝐹𝑥𝑖 là tổng lực dọc trục trên các bánh xe đã quy đổi
về trục của bộ truyền. Động cơ truyền động được mô hình đơn giản
bằng một khâu trễ bậc nhất với hệ số khuếch đại 𝐾𝑚 và hằng số thời
gian 𝑇𝑚 .
2.4. Mô hình HIL của xe ô tô điện
Với hệ thống các mô hình và phương trình đã đề cập, hệ thống
HIL được xây dựng với cấu hình được mô tả trên Hình 2.12. Mô hình
HIL được biên dịch và chạy thời gian thực trên card điều khiển
dSPACE DS-1103 như thể hiện trên Hình 2.16.

Hình 2.12. Cấu hình hệ HIL xe ô tô điện
Hình 2.16. Hệ thống HIL
xe ô tô điện

2.5. Kết quả kiểm chứng mô hình
Mô hình HIL được kiểm chứng thông qua hai thử nghiệm mang
tính đại diện gồm đi thẳng và đánh lái theo chu kỳ. Các kết quả được
trình bày trên các Hình 2.17 và 2.18.

9


c) Gia tốc dọc trục

a) Góc lái của vô lăng

d) Vận tốc dài
Hình 2.17. Thử nghiệm đi thẳng

b) Vận tốc dài
Hình 2.18. Thử nghiệm đánh lái

CHƯƠNG 3
ƯỚC LƯỢNG TRẠNG THÁI XE Ô TÔ ĐIỆN
3.1. Nâng cao tốc độ trích mẫu cảm biến
Việc ước lượng trạng thái của xe ô tô điện đòi hỏi phải kết hợp
thông tin từ nhiều cảm biến khác
nhau. Vì vậy, việc đồng bộ tốc độ
làm việc của các cảm biến là thực
sự cần thiết. Để đồng bộ tốc độ,
luận án đề xuất phương pháp nâng
cao tốc độ các cảm biến trích mẫu
chậm trên cơ sở sửa đổi bộ
Multirate Kalman Filter (M-MKF).
Bộ M-MKF hoạt động thông
qua việc cập nhật lại phương sai
của phép đo sau mỗi chu kỳ trích
mẫu “giả” theo biểu thức sau:

Hình 3.4. Các tín hiệu và
phương sai động

𝑅𝑖 = (𝜉 + 1)𝑖𝑅, 𝑖 = 2,3 … 𝑛 − 1

(3.13)

Trong đó, 𝜉 là hệ số cập nhật và được đề xuất trên cơ sở Hình 3.4 như
sau:
10


𝑥𝑘−𝑛 − 𝑥𝑘
|
𝜉 = tan 𝛼 = |
𝑇𝑠

(3.11)

Với 𝑇𝑠 là chu kỳ trích mẫu thực của cảm biến (khác với 𝑇𝑐 là chu kỳ
trích mẫu điều khiển, yêu cầu nhanh hơn 𝑛 lần so với 𝑇𝑠 ).
Để đánh giá chất lượng của bộ M-MKF, hai dạng tín hiệu tiêu biểu
là hình sin và hình tam giác được thử nghiệm mô phỏng. Các kết quả
mô phỏng kiểm chứng được trình bày trên các Hình 3.7 và 3.8. Trong
đó, tín hiệu gốc được so sánh với các tín hiệu trích mẫu chậm (có kèm
nhiễu) và tín hiệu sau bộ M-MKF. Ngoài ra, bộ M-MKF còn dược so
sánh với bộ Multirate Kalman Filter tiêu chuẩn đề thấy được sự cải
tiến. Kết quả được trình bày kỹ hơn trong luận án chi tiết.

a) Tín hiệu gốc và tín hiệu đo

a) Tín hiệu gốc và tín hiệu đo

c) Tín hiệu gốc và bộ M-MKF
Hình 3.7. Thử nghiệm tín hiệu sin

c) Tín hiệu gốc và bộ M-MKF
Hình 3.8. Tín hiệu tam giác

3.2. Ước lượng hệ số trượt xe ô tô điện
Hệ số trượt trong quá trình tăng tốc của xe ô tô điện được tính theo
công thức sau:
𝜆=

𝜔𝑅𝑒𝑓𝑓 − 𝑣𝑥
𝜔𝑅𝑒𝑓𝑓

(3.21)

Lấy đạo hàm và sau một số phép biến đổi, bộ ước lượng hệ số
trượt được đề xuất như sau:
11


𝑎𝑥
𝜔̇ 𝜔̇
𝜆̂̇ = −
− 𝜆̂ +
𝑅𝑒𝑓𝑓 𝜔

𝜔 𝜔

(3.24)

Để đảm bảo phép ước lượng hội tụ, luận án đề xuất bộ quan sát hệ
số trượt:
𝑎𝑥
𝜔̇ 𝜔̇
𝜆̂̇ = −
− 𝜆̂ + + 𝑘(𝜆̂)(𝑎𝑥 − 𝜆̂𝑔)
𝑅𝑒𝑓𝑓 𝜔
𝜔 𝜔

(3.31)

Với 𝑘(𝜆̂) là hệ số khuếch đại bộ quan sát và cần đảm bảo điều kiện
sau:
𝑘(𝜆̂) >

𝜔̇ 1
𝜔𝑔

(3.34)

Khả năng của bộ quan sát được đánh giá trước hết thông qua thử
nghiệm mô phỏng với xe chạy trên mặt đường tốt và bất ngờ gặp đoạn
đường trơn (trong 5s). Các kết quả mô phỏng được trình bày trong
Hình 3.12.

b) Hệ số trượt đo và ước lượng

a) Vận tốc xe và bánh xe
Hình 3.12. Kết quả mô phỏng ước lượng hệ số trượt

3.3. Ước lượng tốc độ dài trên cơ sở tổng hợp cảm biến
Tốc độ dài của xe ô tô trong nghiên cứu được ước lượng bằng
phương pháp tổng hợp dữ liệu từ các cảm biến gồm: cảm biến gia tốc,
cảm biến tốc độ quay bánh xe và GPS. Việc xây dựng thuật toán tổng
hợp được bắt đầu từ bài toán tổng quát với các phép đo cùng một đối
tượng 𝑥 bằng ba loại cảm biến khác nhau và cho ra các kết quả đo khác
nhau theo công thức:
𝑧𝑖 = 𝑥 + 𝑣𝑖 , 𝑖 = 1. .3
12

(3.36)


Với 𝑧𝑖 , 𝑖 = 1. .3 là giá trị đo về từ các cảm biến, 𝑣𝑖 là nhiễu của các
phép đo tương ứng. Có thể xây dựng phép ước lượng của 𝑥 như sau:
𝑥̂ = 𝑘1 𝑧1 + 𝑘2 𝑧2 + 𝑘3 𝑧3

(3.37)

Với 𝑘𝑖 là các trọng số cần phải xác định một cách tối ưu.
Định nghĩa sai số phép ước lượng là 𝑥̃ = 𝑥̂ − 𝑥. Để có được 𝑥̂ là
ước lượng tối ưu của 𝑥 thì cần tối thiểu hóa trung bình bình phương
của 𝑥̃ một cách tối ưu. Hơn nữa, các giá trị 𝑘𝑖 cũng cần phải được xác
định với độ lớn độc lập với giá trị của 𝑥. Các điều kiện này dẫn tới các
phương trình sau:
𝐸 [𝑥̃ ] = 𝐸[𝑘1 (𝑥 + 𝑣1 ) + 𝑘2 (𝑥 + 𝑣2 )
+𝑘3 (𝑥 + 𝑣3 ) − 𝑥] = 0

𝐽 = 𝐸 [𝑥̃ 2 ] = 𝐸[(𝑘1 (𝑥 + 𝑣1 ) + 𝑘2 (𝑥 + 𝑣2 )
+𝑘3 (𝑥 + 𝑣3 ) − 𝑥)2 ]

(3.39)

(3.42)

Với 𝐸 [𝑥̃ ] và 𝐸 [𝑥̃ 2 ] lần lượt là kỳ vọng và phương sai của sai số phép
ước lượng. Giải các phương trình trên và phương trình đạo hàm riêng
của phương sai đối với các 𝑘𝑖 thì sẽ có được giá trị của các trọng số
này theo phương sai của từng phép đo 𝜎𝑖2 như sau:
𝑘1 =

𝜎22 𝜎32
𝜎12 𝜎22 + 𝜎22 𝜎32 + 𝜎12 𝜎32

(3.49)

𝑘2 =

𝜎12 𝜎32
𝜎12 𝜎22 + 𝜎22 𝜎32 + 𝜎12 𝜎32

(3.47)

𝑘3 =

𝜎12 𝜎22
𝜎12 𝜎22 + 𝜎22 𝜎32 + 𝜎12 𝜎32

(3.48)

Ứng dụng kết quả trên trong việc xác định tốc độ dài của xe ô tô
điện, nhiệm vụ còn lại là xác định phương sai của các cảm biến trong
từng trường hợp cụ thể. Quá trình vận hành xe có thể được chia làm
ba giai đoạn gồm tăng tốc, giảm tốc và đi ổn định như trình bày trong
bảng 1. Ứng với các giai đoạn này mà phương sai của các cảm biến
cũng sẽ khác nhau và cần phải tiến hành thực nghiệm với hệ thống
chuẩn để xác định các giá trị này.
13


Bảng 1. Các giai đoạn của vận tốc

Tăng tốc
𝒑𝒂 > 𝟎
𝒂𝒙 > 𝒆𝒙 (3.51)
𝒑𝒃 = 𝟎

Đi ổn định
𝑝𝑎 > 0
|𝑝𝑎̇ | ≤ 𝑒𝑎
|𝑎𝑥 | ≤ 𝑒𝑥 (3.52)
𝑝𝑏 = 0

Phanh/giảm tốc
𝑝𝑎 = 0
𝑎𝑥 ≤ −𝑒𝑥
𝑝𝑏 > 0

(3.53)

Trong đó, 𝑒𝑥 và 𝑒𝑎 là các hằng số có giá trị nhỏ tương ứng với gia tốc
và vị trí chân ga để phân biệt các giai đoạn của vận tốc. 𝑝𝑎 và 𝑝𝑏 là vị
trí chân ga và chân phanh.
CHƯƠNG 4
ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG XE Ô TÔ ĐIỆN
4.1. Điều khiển giới hạn hệ số trượt
Dựa trên hệ số trượt đã
ước lượng được, thuật toán
điều khiển giới hạn hệ số trượt
được đề xuất với hoạt động
theo kiểu bù feedforward và
cấu hình hệ thống bù được
trình bày trong Hình 4.2. Hệ
Hình 4.2. Cấu hình hệ thống điều
thống điều khiển này cho phép
khiển giới hạn hệ số trượt
hạn chế hệ số trượt dưới giá trị
cho phép nhằm khống chế độ trượt của xe trong vùng an toàn.

Hình 4.3. Luật bù kiểu 1

Hình 4.5. Luật bù kiểu 2

Luật bù được mô tả trên Hình 4.3 và 4.5. Trong đó, Hình 4.3 trình
bày luật bù thứ nhất cho kết quả bị dao động tần số cao ở lượng đặt
14

mô men. Luật bù thứ hai ở Hình 4.5 được biến đổi thành một khâu rơle nhằm giảm tần số đập mạch trong tín hiệu đặt mô men.
Trong đó, Δ𝑇max chính là được đặt mô men từ người lái thông qua
̂−
chân ga. 𝜆̂𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡 được chọn là 0,08. 𝜆̂+
𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡 = 0,09 và 𝜆𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡 = 0,07.

a) Vận tốc

a) Vận tốc

b) Hệ số trượt

b) Hệ số trượt

c) Mô men đặt
Hình 4.8. Bộ bù kiểu 1

c) Mô men đặt
Hình 4.9. Bộ bù kiểu 2

Hệ số 𝐾 là độ dốc đường đặc tính và được xác định theo công
phương trình sau:
𝐾=

Δ𝑇
= 𝑚𝑔𝑅𝑒𝑓𝑓
𝜆̂
15

(4.2)

Chất lượng của bộ điều khiển kiểu bù được mô phỏng kiểm chứng
và được trình bày trong các Hình 4.8 và 4.9. Trước hết, có thể thấy hệ
số trượt đã được giữ ổn định tại giá trị điều khiển (Hình 4.8) hay dao
động quanh giá trị cố định (Hình 4.9).
4.2. Điều khiển chống trượt trên cơ sở ước lượng mô men truyền
cực đại
Mô men truyền cực đại được sử dụng cho việc giới hạn mô men
đặt từ phía người lái để đảm bảo xe vận hành ổn định trên các điều
kiện mặt đường không tốt. Theo công trình khoa học ban đầu đã công
bố, mô men truyền cực đại được tính như sau:
𝐽𝑤
𝑇𝑚𝑎𝑥 = (
2 + 1) 𝑅𝑒𝑓𝑓 𝐹𝑑
α𝑚𝑅𝑒𝑓𝑓

(4.7)

Với 𝛼 là tỉ số giữa gia tốc xe và gia tốc bánh xe, 𝐹𝑑 là lực lái của xe ô
tô và được ước lượng theo công thức
𝐹𝑑 =

𝑇
𝑅𝑒𝑓𝑓

−

𝐽𝑤 ω̇
𝑅𝑒𝑓𝑓

(4.8)

Do việc lựa chọn 𝛼 mang tính kinh nghiệm và không có cơ sở nên
luận án đề xuất cải tiến hệ thống điều kiển bằng cách xác định lại
𝑇max có tính đến ảnh hưởng của đặc tính mặt đường thông qua hệ số
trượt như sau:
𝑇𝑚𝑎𝑥 = (

𝐽𝑤
2 + 1) 𝑅𝑒𝑓𝑓 𝐹𝑑 − 𝐾𝑐 𝜆
(1 − λ)𝑚𝑅𝑒𝑓𝑓

(4.11)

Với 𝐾𝑐 𝜆 là thành phần đưa vào để bù sự biến động tăng của 𝜆 trong
quá trình quá độ của việc điều khiển khi xe đi vào vùng đường trơn.
𝐾𝑐 có điều kiện sau:
𝐾𝑐 ≥ κ

𝐽𝑤 𝐹𝑑
𝑚𝑅𝑒𝑓𝑓

(4.15)

Trong đó, 𝜅 là hệ số chỉnh định và nếu 𝜆 được điều khiển nhỏ hơn 0,2
thì κ ≥ 2.78.
Cấu trúc bộ điều khiển được trình bày trong Hình 4.10.
16

Hình 4.10. Cấu trúc bộ điều khiển

Việc khảo sát và chứng minh tính ổn định của hệ thống điều khiển
đã được trình bày chi tiết trong quyển luận án.
Việc kiểm chứng hệ thống điều khiển được đánh giá trước hết qua
mô phỏng với việc lựa chọn các hệ số chỉnh định 𝜅 khác nhau. Việc
khảo sát sự ảnh hưởng của đáp ứng điều khiển khi thay đổi 𝜅 được đề
cập kỹ trong quyển luận án.
Các Hình 4.14 và 4.16 mô tả kết quả mô phỏng và so sánh các giá
trị khi thay đổi 𝜅 với phương pháp nguyên bản. Thử nghiệm cho thấy
với giá trị 𝜅 = 20 cho kết quả tốt nhất khi hệ số trượt được khống chế
ở mức không đổi.

Hình 4.14. Tốc độ của xe và bánh xe

17

Hình 4.16. Hệ số trượt


CHƯƠNG 5
XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
5.1. Xây dựng hệ thống thực nghiệm
5.1.1. Hệ thống thu thập và xử lý dữ liệu
Hệ thống thu thập dữ liệu có nhiệm vụ đo các tín hiệu từ hệ cảm
biến chuyển động, kết nối với mạng CAN trên xe ô tô thử nghiệm là
xe ô tô điện i-MiEV do Mitsubishi sản xuất. Từ đó, áp dụng các thuật
toán để ước lượng hệ số trượt và vận tốc dài theo yêu cầu đề ra. Hệ
thống phần cứng gồm một mạch Vi điều khiển dòng dsPIC30F và một

bộ điều khiển MyRIO 9500 của National Instruments. Cấu hình hệ
thống được trình bày trên Hình 5.1.

Hình 5.1. Cấu hình hệ thống phần cứng thu thập dữ liệu

5.1.2. Hệ thống tham chiếu DAS-3
Hệ thống DAS-3 do Kitsler sản xuất được sử dụng làm hệ thống
tham chiếu. Mục đích của hệ thống trước hết là tạo tín hiệu chuẩn để
chỉnh định các phép ước lượng đề xuất. Sau đó, kết quả đo của hệ
DAS-3 sẽ được sử dụng để so sánh với kết quả đo thời gian thực từ hệ
thống ước lượng đề xuất.

18


Hình 5.4b. Các cảm biến của DAS-3

Hình 5.4a. Hệ thu thập dữ liệu

Hình 5.4b và 5.4a mô tả các hệ thống thực nghiệm của luận án.
5.1.3. Hệ thống điều khiển cho mô hình Signal HIL
Chương 2 đã mô tả việc xây dựng và chạy thử nghiệm hệ thống
Signal HIL cho xe ô tô điện. Việc triển khai hệ thống điều khiển được
thực hiện trên một mạch điều khiển bên ngoài và có giao tiếp với hệ
thống thí nghiệm thông qua một số chuẩn kết nối như được mô tả trong
Hình 5.5 và 5.6.

Hình 5.5. Cấu hình hệ thống điều
khiển Signal HIL

Hình 5.6. Hệ thống điều khiển và
mô phỏng kiểu Signal HIL

5.2. Kết quả thực nghiệm
5.2.1. Nâng cao tốc độ trích mẫu cảm biến với M-MKF
Bộ M-MKF được thử nghiệm trên hai loại cảm biến gồm (1) đo
tốc độ quay của bánh xe có độ phân giải 36 xung/vòng và hoạt động ở
tốc độ 10Hz, và (2) cảm biến GPS hoạt động ở tần số 10Hz. Với bộ
M-MKF, cả hai cảm biến này được nâng tốc độ trích mẫu lên 500Hz.
19


Hình 6.5 và 6.6 trình bày chất lượng của bộ M-MKF trong việc nâng
cao tốc độ làm việc của các cảm biến này.

Hình 5.11. M-MKF với encoder
bánh xe

Hình 5.12. M-MKF với GPS

5.2.2. Ước lượng hệ số trượt không dùng thông tin vận tốc
Cấu hình hệ thống
ước lượng hệ số trượt
được trình bày trên
Hình 6.7. Tốc độ cập
nhật hệ số trượt được
đặt ra là 500Hz. Vì vậy,
Hình 5.13. Cấu hình hệ thống thực nghiệm
tốc độ bánh xe đo thông
ước lượng hệ số trượt

qua cảm biến encoder sẽ
được nâng cao lên tương ứng thông qua bộ M-MKF. Kết quả kiểm
chứng thực nghiệm cho phương pháp ước lượng hệ số trượt được trình
bày trên Hình 6.8a ứng với thử nghiệm trên mô hình HIL và Hình 6.8b
ứng với thử nghiệm trên xe ô tô điện i-MiEV.

Hình 5.14b. Thực nghiệm với iMiEV

Hình 5.14a. Thực nghiệm với HIL

20


5.2.3. Ước lượng tốc độ dài với phương pháp tổng hợp cảm biến
Cấu hình hệ thống ước lượn vận tốc dài xe ô tô điện được mô tả
trên Hình 6.9. Tương tự hệ số trượt, tốc độ dài cũng được ước lượng
ở tần số 500Hz. Vận tốc bánh xe và vận tốc đo từ GPS thông qua bộ
M-MKF được tăng tần số trích mẫu lên bằng với tần số làm việc này.
Để kiểm chứng khả năng của hệ thống ước lượng, xe ô tô được
thử nghiệm trong trường hợp xấu nhất, đó là di chuyển trên đường có
vùng đường trơn và vùng đường bám. Hình 6.10a là kết quả ước lượng
tốc độ dài và có so sánh với tốc độ bánh xe cũng như tốc độ đo từ hệ
thống tham chiếu. Hình 6.10b mô tả kết quả tính toán hệ số trượt từ
thông tin vận tốc ước lượng. Kết quả này có so sánh với kết quả tính
toán từ hệ thống đo tham chiếu.

Hình 5.15. Cấu hình hệ thống ước lượng tốc độ dài

Hình 5.16a. Vận tốc ước lượng

Hình 5.16b. Hệ số trượt

21


5.2.4. Điều khiển giới hạn hệ số trượt

b) Vận tốc xe và bánh xe

b) Vận tốc xe và bánh xe

c) Hệ số trượt đo và ước lượng

c) Hệ số trượt đo và ước lượng

Hình 5.18. Kết quả với bộ bù kiểu 1

Hình 5.19. Kết quả với bộ bù kiểu 2

Điều khiển giới hạn hệ số trượt được thử nghiệm trên hệ thống mô
phỏng thời gian thực kiểu Signal HIL với nền tảng dSPACE DS-1103.
Kết quả thử nghiệm được trình bày trên các Hình 6.12 và 6.13 với hai
bộ bù khác nhau. Nhìn chung, tốc độ bánh xe và hệ số trượt trong cả
hai bộ bù đều được giữ ổn định. Hệ số trượt ước lượng bám rất sát với
hệ số trượt đo thực tế trong mô hình.
5.2.5. Điều khiển giới hạn mô men truyền cực đại
Kết quả thử nghiệm phương pháp điều khiển giới hạn mô men
truyền cực đại được trình bày trên các hình từ Hình 6.14 tới Hình 6.17.
Các hệ số chỉnh định 𝜅 cũng được thử nghiệm với ba giá trị như trong
phần mô phỏng gồm 𝜅 = 2,78; 20 và 50. Các kết quả điều khiển cũng

được so sánh với phương pháp MTTE nguyên bản.

22


Hình 5.21. 𝜅 = 2.78

Hình 5.20. MTTE nguyên bản

Có thể thấy, thử nghiệm trên hệ thống Signal HIL cũng cho kết
quả tương tự như trên mô phỏng. Trong đó, bộ điều khiển với hệ số
chỉnh định 𝜅 = 20 cho kết quả tốt nhất khi giữ được hệ số trượt ở giá
trị ổn định. Trong toàn bộ quá trình chạy thử nghiệm, bộ ước lượng hệ
số trượt đã cho thấy khả năng làm việc tốt khi giá trị ước lượng bám
sát giá trị đo và phục vụ tốt cho quá trình điều khiển.

Hình 5.22. 𝜅 = 20

Hình 5.23. 𝜅 = 50

KẾT LUẬN
Với nhiệm vụ ước lượng hệ số trượt và ứng dụng cho bài toán điều
khiển lực kéo của xe ô tô điện, luận án đã đạt được các kết quả sau:
-

Xây dựng được mô hình mô phỏng xe ô tô điện, từ đó, xây
dựng hệ thống Signal HIL phục vụ thử nghiệm thực nghiệm.
Đề xuất các thuật toán ước lượng hệ số trượt, ước lượng vận
tốc dài và các thuật toán điều khiển chống trượt, điều khiển
lực kéo đáp ứng các yêu cầu đặt ra.

23