HỆ THỐNG cân BẰNG điện tử ESP full

Chương 1: Tổng quan về ESP
I.

Lời mở đầu:

- Nếu một chiếc xe được trang bị hệ thống cân bằng điện tử Electronic
Stability Program (ESP), nó cũng sẽ bao gờm hai hệ thống an tồn chủ
động khác: hệ thống chống bó cứng phanh Anti-blocage System (ABS)
và Hệ thống chống trượt (ASR).
- ABS giúp các bánh xe khơng bị khóa trong khi phanh.
- ASR giúp bánh xe không bị trượt trong khi khởi động hoặc tăng tốc.
- Nếu ABS và ASR tác dụng lên động lực theo chiều dọc của xe thì ESP
cũng cải thiện động lực trên bề ngang của thân xe, qua đó giúp xe
ổn định ở tất cả các hướng.
- Nghiên cứu quốc tế cho thấy rằng ít nhất 40% các vụ tai nạn gây tử vong là
do các bánh xe bị trượt khỏi đường.
- Có thể thấy việc xe mất kiểm soát và trượt khỏi làn đường là một trong
những ngun nhân chính của tai nạn giao thơng. ESP có thể ngăn chặn tới
80% các vụ tai nạn liên quan đến trượt.

II. Nguyên lý hoạt động cơ bản của ESP:
- ESP ln ln được kích hoạt trên xe. Nếu chiếc xe di chuyển theo một
hướng khác, ESP sẽ phát hiện một tình huống nguy hiểm và phản ứng ngay
lập tức – kể cả khơng có sự can thiệp của người lái xe. Nó sử dụng hệ
thống phanh của xe để trả lại cho xe quỹ đạo của nó.
- ESP không chỉ can thiệp ở hệ thống phanh, mà còn có thể can thiệp vào động
cơ của xe giúp tăng/giảm tốc các bánh xe. Do đó quỹ đạo của xe được đảm
bảo, trong giới hạn của các định luật vật lý.
- Xét về hệ thống, ESP là hệ thống bao gồm các HT con sau:
 Hệ thống phanh ABS là hệ thống chống bó cứng xe khi phanh có tác
dụng lớn nhất là giảm thiểu tối đa hiện tượng mất lái khi người lái vừa

phanh vừa tránh chướng ngại vật ở tốc độ cao.
o Nguyên lý hoạt động cơ bản:Sự kiểm sốt này thơng qua ECU điều
khiển và cơ cấu thừa hành gồm một hệ thống van điện từ. Các van
trong cơ cấu chấp hành sẽ điều hòa áp suất phanh của bánh trượt theo
các chế độ: tăng, giữ và giảm áp.


 Hệ thống ASR(Acceleration Slip Regulator) được trang bị nhằm chống
hiện tượng trượt quay của các bánh xe chủ động khi xe khởi hành và
tăng tốc đột ngột. Hơn nữa ASR còn giúp xe cải thiện tính ổn định bằng
cách điều chỉnh lực kéo của các bánh xe chủ động.
o Nguyên lý hoạt động cơ bản: Trong quá trình tăng tốc nếu ASR phát
hiện thấy bánh xe chủ động nào bị trượt cảm biến tốc độ của bánh xe
sẽ gửi tín hiệu này đến bộ ECU. ECU sẽ ra lệnh cho hệ thống phanh
tác động vào bánh xe và làm giảm việc quay trơn bánh xe. Hệ thống
ESP cũng gửi tín hiệu đến hộp điều khiển động cơ để đóng bớt bướm
ga lại hoặc làm chậm thời điểm đánh lửa nhằm giảm mô-men xoắn
của động cơ.
 Hệ thống EBR(Engine Brake Regulation): có tác dụng chống hiện
tượng trượt các bánh xe chủ động hoạt động ở chế độ không tải cưỡng
bức và đảm bảo tính ổn định của xe.
o Nguyên lý hoạt động cơ bản: Ở chế độ không tải cưỡng bức như
trường hợp xe xuống dốc, van bướm ga đóng khi đó xe xuống dốc ở
chế độ phanh bằng động cơ nếu xảy ra hiện tượng lực cản của động cơ
quá lớn dẫn đến hiện tượng các bánh xe chủ động bị trượt. Lập tức,
ESP nhận biết hiện tượng này và gửi tín hiệu đến hộp điều khiển động
cơ nhằm làm giảm sự trượt ở các bánh xe chủ động.
In conclusion:
 Với sự phối hợp của các hệ thống trên, chức năng của ESP là giảm thiểu hiện
tượng “văng đầu” (understeering) và “văng đuôi” (oversteering) khi xe vào cua

hoặc tránh chướng ngại vật trong trường hợp khẩn cấp. Trong các tình huống đó
nếu xảy ra, hệ thống sẽ đảm bảo xe không bị lệch ra khỏi hướng điều khiển của
người lái xe.


Trong một khúc của gấp và ở vận tốc cao xe có thể mất ổn định và mất kiểm sốt
đối với người lái xe. màu vàng là chiếc xe không có ESP, còn màu đen là chiếc xe
được trang bị ESP. Xe sau khi mất lái sẽ rơi vào các trường hợp sau:
 Understeer: Cầu trước của xe bị trượt nhiều hơn so với cầu sau của xe
khiến chiếc xe có một xu hướng đi thẳng thay vì theo đường cong. Nếu
có ESP, thì ESP sẽ can thiệp vào hệ thống phanh bánh xe ở phía trong
của cầu sau để điều chỉnh lực phanh cho phù hợp.
 Oversteer: Cầu sau bị trượt nhiều hơn cầu trước, xe có thể có nguy cơ bị
lật. Nếu xe có trang bị hệ thống ESP, thì ESP sẽ gửi tín hiệu đến ECU
can thiệp vào hệ thống phanh bánh xe ở phía ngồi cầu trước để điều
chỉnh lực phanh cho phù hợp.
 Trong trường hợp người lái vẫn tiếp tục tăng tốc sau khi mất lái: ESP
cũng có thể làm giảm mơ-men xoắn động cơ bằng cách điều chỉnh việc
nạp nhiên liệu của động cơ.

III. Các chức năng bổ sung của ESP
Ngoài việc ngăn chặn việc trượt khỏi quỹ đạo của xe. ESP còn có thể cho ta nhiều
hơn thế:
 ESP có khả năng tác dụng lên hệ thống phanh một cách độc lập mà
khơng phụ thuộc vào vị trí chân phanh chúng ta giúp triển khai một loạt
các chức năng bổ sung. ESP nhờ đó làm tăng sự an tồn của xe và cung


cấp cho người lái một cảm giác thoải mái và một chế độ lái vơ cùng linh
hoạt.

Ngồi một số các chức năng thêm của ESP đã là tiêu chuẩn trên các xe. Các chức
năng bổ sung của ESP sẽ là một lựa chọn hoặc cũng sẽ là thiết bị tiêu chuẩn tích
hợp trên xe trong tương lai trong khi yêu cầu về an toàn và tiện nghi ngày càng cao
như:
 Hệ thống bám trên sườn dốc:
Việc khởi động trên sườn dốc thường gặp những khó khăn nhất là đối với xe tải
trọng lớn do ta phải thao tác rất nhanh giữa chân phanh, chân ga và chân côn để
ngăn chặn các xe bị trơi xuống dốc.
Hệ thống ESP có trang bị hệ thống bám trên sườn dốc sẽ giúp khởi động ở sườn
dốc dễ dàng hơn bằng cách vẫn duy trì áp lực ở phanh trong khoảng 2 giây sau khi
người lái nhấc chân khỏi chân phanh. Do đó, người lái có đủ thời gian để chuyển
từ chân phanh sang chân ga mà không cần phải sử dụng phanh tay.
 Trợ giúp phanh khẩn cấp:
Khi phanh khẩn cấp, người lái thường không áp dụng đủ áp lực lên chân phanh.
Đối với hệ thống ESP có trang bị trợ giúp phanh khẩn cấp qua việc giám sát áp lực
trên bàn đạp phanh và sự thay đổi đột ngột của áp lực sẽ giúp ECU biết được khi
nào cần hỗ trợ người lái trong việc dừng xe. Khi phát hiện người lái không phanh
đủ mạnh, hệ thống sẽ làm tăng lực phanh tối đa. Nhờ đó, quãng đường di chuyển
của xe trước khi dừng hẳn cũng sẽ giảm.
 Thích ứng với tải trọng:
Tải trọng xe có một tác động rất lớn lên phanh, độ bám đường và sự cân bằng của
xe. thích ứng tải xác định những thay đổi của khối lượng xe và trọng tâm của xe
sau đó sẽ có những điều chỉnh tương ứng nhờ vào các biện pháp can thiệp của ESP.
 Dự báo lật xe:
Đối với các dòng xe bán tải, do tâm xe cao hơn các loại xe cá nhân, nên nguy cơ lật
xe tăng lên rất nhiều . Chức năng dự báo lật xe sử dụng các cảm biến của hệ thống
ESP và can thiệp khi chiếc xe có nguy cơ bị lật. ECU sẽ điều khiển tác động lên
từng bánh xe riêng rẽ hay làm giảm lực tác dụng của động cơ để ngăn chặn xe bị
lật và giữ xe cân bằng.

 Hệ thống giám sát áp suất lốp:
Áp suất trong lốp giảm có thể dẫn đến một sự khác biệt về tốc độ, độ bám mặt
đường tại các bánh xe có liên quan. Bằng việc so sánh tốc độ từng bánh xe sẽ cho
ta biết bất kỳ sự thay đổi về áp suất. Tính năng này sẽ giúp kiểm sốt áp suất lốp xe
nên sẽ tránh việc phải sử dụng thêm các cảm biến áp suất trong lốp xe.


Chương 2: Cơ sở lý thuyết
I.

Lực và moment:

- Một vật chịu đựng các lực và moment khác nhau. Nếu tổng số lực và
moment tác động lên vật bằng không, vật sẽ đứng yên hoặc chuyển động
thẳng đều khi bỏ qua ma sát. Nếu tổng số này khác 0, thì vật sẽ di chuyển
theo hướng của tổng lực này.
- Loại lực được biết đến nhiều nhất chính là lực hấp dẫn. Lực hấp dẫn tác
động theo hướng hướng vào tâm của trái đất.
- Và ngoài trọng lực, còn những thành phần lực tác dụng vào xe chúng ta như:
1. Lực kéo (Tractive Force)
2. Áp lực phanh (Brake Pressure) – Lực chống lại lực kéo.
3. Lực bên (Lateral Force) – Lực tạo ra khả năng quay vòng cho ô tô.
4. Lực bám mặt đường (Adhesion Force) – Lực bám là kết quả chính
của trọng lực, lực ma sát và một số lực khác.

Hình 1.1: Lực tác động vào bánh xe
- Bên cạnh đó, ơ tơ vẫn chịu tác động của các lực dưới đây:
1. Moment quay vòng (Yaw moment) – Lực giúp Ô tô chuyển hướng.
2. Moment bánh xe(Wheels Moment) – Lực giữ cho ô tô chuyển động.

3. Và một số lực khác như lực khí động học(aerodynamic drag).

Hình 1.2: Moment tác động lên ô tô


- Để tìm ra mối tương quan giữa những lực được liệt kê ở trên, ta sử dụng
vòng tròn ma sát Kamm. Bán kính của vòng tròn Kamm được định nghĩa bởi
lực bám giữa đường và các bánh xe. Nói cách khác, bán kính vòng tròn ma
sát sẽ nhỏ đi khi lực bám giữa bánh xe và mặt đường nhỏ (vòng tròn a) và
bán kính vòng tròn ma sát sẽ lớn khi lực bám giữa bánh xe và mặt đường lớn
(vòng tròn b).

Hình 1.3: Ảnh hưởng của lực bám đến vòng tròn ma sát Kamm
- Những vấn đề cơ bản trong vòng tròn ma sát Kamm chính là tổng hợp lực G
(theo nguyên tắc hình bình hành) của lực ngang (Lateral Force) S và lực
phanh hoặc lực kéo B.
- Ô tô chỉ ổn định khi lực tổng hợp G nằm trong vòng tròn tròn ma sát. Nếu
lực tổng hợp G nằm ngồi vòng tròn ma sát, ơ tơ sẽ khơng điều khiển được
(mất khả năng lái).


Hình 1.4: Tổng hợp lực G và vòng tròn ma sát Kamm
- Ta sẽ cùng xem xét sâu hơn về mối quan hệ bên trong giữa 2 các lực trên
(tổng hợp lực G, lực quay vòng S và lực B).
1. Khi độ lớn của lực tổng hợp giữa áp lực phanh và lực quay vòng vẫn còn
nằm trong vòng tròn ma sát. Ơ tơ sẽ khơng gặp vấn đề khi thực hiện quay
vòng.

Hình 1.5
2. Bây giờ, khi tăng áp lực phanh lên, lực quay vòng sẽ giảm dần.

Hình 1.6
3. Khi tổng hợp lực giữa áp lực phanh và lực quay vòng bằng với áp lực
phanh, bánh xe sẽ bị khóa. Ơ tơ sẽ khơng thể thực hiện quay vòng nữa do
không còn lực quay vòng. 1 trường hợp tương tự xảy ra giữa công suất
đầu vào của động cơ (Input Power) và lực quay vòng. Nếu lực quay vòng
bằng không do công suất đầu vào được sử dụng hồn tồn, lúc đó bánh
xe sẽ quay trơn (bị trượt).

Hình 1.7
II.

Quá trình điều khiển động học của ESP:
1. Nguyên lý hoạt động:

- Trước khi ESP nhận biết được 1 trường hợp lái khẩn cấp, nó phải trả lời
được 2 câu hỏi sau:
 Người lái sẽ đánh lái theo hướng nào?
 Ơ tơ sẽ đi theo hướng nào?
- Hệ thống ESP sẽ trả lời câu hỏi số 1 từ cảm biến góc lái và cảm biến tốc độ
tại các bánh xe.
- Tiếp theo đó câu hỏi số 2 sẽ được cung cấp bởi cảm biến quay vòng (Yaw
sensor) và cảm biến nhận biết tăng tốc lực ngang (Lateral acceration).


- Từ những thông tin từ cảm biến trên, ESP sẽ trả lời được các câu hỏi và cho
ra thông tin là a và b. Từ đó, ESP giả định được là trường khẩn cấp có thể
xảy ra và từ đó can thiệp vào các hệ thống điều khiển.

Hình 1.8:
- 1 trường hợp nguy hiểm sẽ được biểu hiện trong 2 dạng hành vi khác nhau
của ô tô:
 Nếu ô tơ đang có nguy cơ bị Understeer. Bằng cách cho phanh sau bên
trong( bánh gần tâm quay) hoạt động 1 hiệu quả (điều chỉnh lực phanh
phù hợp) và can thiệp vào hệ thống quản lý hộp số và động cơ, ESP sẽ
ngăn chặn được ô tô đi lệch khỏi cua.


Hình 1.9:
 Nếu ơ tơ đang có nguy cơ bị Oversteer. Bằng cách cho phanh trước nằm
ngoài (tâm quay) hoạt động 1 cách hiệu quả (điều chỉnh lực phanh phù
hợp) ) và can thiệp vào hệ thống quản lý hộp số và động cơ, ESP sẽ
ngăn chặn được ô tô đi lệch khỏi hiện tương trượt.

Hình 1.10:
2. Quá trình điều khiển:
- ESP có thể ngăn chặn được cả trường hợp Understeer & Oversteer.
2.1. Quay vòng xe:
- Nguyên lý hoạt động cơ bản của ESP là theo dõi tình trạng hoạt động của xe.
- Ví dụ như chiếc xe ủi muốn thực hiện quay vòng sang trái. Bánh xe bên góc
sẽ bị phanh lại và bánh xe bên ngoài sẽ tăng tốc để quay vòng để trả về
hướng đi ban đầu, bánh xe mà lúc trước bị phanh lại bây giờ sẽ tăng tốc để
quay vòng và bánh còn lại sẽ bị phanh lại.


Hình 1.11: Trạng thái của bánh xe khi xe thực hiện quay vòng
2.2. Khi xe gặp trường hợp khẩn cấp trên đường:
- ESP còn có thể can thiệp sâu vào hệ thống điều khiển khi xe đang di chuyển
trên đường.

- Ví dụ sau đây để thể hiện xe khơng có trang bị ESP khi gặp trường hợp khẩn
cấp:
o Trường hợp ô tô cần phải tránh vật đột ngột xuất hiện trên đường.
Ngay ban đầu, tài xế sẽ bẻ lái rất nhanh về phía tay trái và sau đó lập
tức đánh lái về phía tay phải.
o Ơ tơ sẽ mất ổn định do việc đánh lái của tài xế và chuyển động ở bánh
xe phía sau khơng theo ngun lý hoạt động hệ thống lái. Tài xế sẽ
không thể làm chủ được sự quay vòng của ô tô quanh trục thẳng đứng.

Hình 1.12: Hình ảnh mơ phỏng ơ tơ né chướng ngại vật khi khơng có trang bị ESP
- Hãy cùng quan sát cùng trường hợp này với ơ tơ có trang bị hệ thống ESP.


o Khi ơ tơ có dự định là tránh vật thể. Dựa trên dữ liệu được cung cấp từ
các cảm biến, ESP nhận diện được ô tô chuẩn bị mất cân bằng. Lúc đó
hệ thống sẽ tính tốn để chống lại sự mất cân bằng nó:
 ESP sẽ phanh bánh trái ở phía sau lại. Nó sẽ hạn chế lại sự chuyển động
của ơ tơ do đó lực ngang tác động lên bánh trước giữ được sự ổn định
của xe.
 Khi mà ô tô lảo đảo qua hướng trái, tài xế bẻ lái theo hướng phải. Để
giúp tài xế đánh lái tối đa nhưng vẫn giữ được khả năng lái, Bánh xe
trước phải sẽ bị phanh lại. Lực tác động lên bánh sau sẽ quay tự do để
đảm bảo tối ưu sự hình thành lực quay vòng của các bánh xe ở cầu sau.
 Việc chuyển làn đường nhanh chóng sẽ làm ô tô quay quanh trục thẳng
đứng. Để ngăn cản việc bánh xe phía sau khỏi việc mất lái, bánh xe
trước trái sẽ bị phanh lại. Trong trường hợp nguy hiểm, bánh xe này sẽ
bị phanh với lực phanh khá lớn để giới hạn được sự hình thành lực quay
vòng ở cầu trước (Vòng tròn ma sát Kamm).
 Khi tất cả yếu tố gây mất ổn định xe được điều chỉnh, ESP kết thúc sự
điều khiển của nó và tiếp tục giám sát tình trạng hoạt động của xe.

III. Cấu tạo hệ thống ESP:
- Như đã đề cập ở trên, hệ thống ESP được xây dựng dựa trên những lý thuyết
về hệ thống TRC (HT điều khiển lực kéo).
- Tuy nhiên, ESP có thêm những chức năng: Hệ thống ESP có thể nhận biết và
cải thiện tình trạng khơng ổn định của ô tô khi khởi động ở thời gian đầu
(khi động cơ còn nguội), như hiện tượng trượt.
- ESP cần những tín hiệu đầu vào để tính tốn, nhận biết tình trạng xe và thực
hiện các chức năng điều khiển, các hệ thống ESP của từng hãng sẽ có những
giá trị đầu vào khác nhau nhưng tổng quan, 1 hệ thống ESP cần có các thơng
số tín hiệu như:
o Tỷ lệ quay vòng xe (Rate of Yaw).
o Gia tốc quay vòng (Lateral acceleration).
o Tốc độ bánh xe (Wheel speeds).
o Góc lái (Steering Angle).
o Áp suất phanh (Brake Pressure).
- Chính vì vậy, một số chi tiết cần phải có đối với 1 hệ thống ESP cơ bản:
o Hộp điều khiển ESP bao gồm thiết bị điều khiển và cơ cấu chấp hành.
o Cảm biến tốc độ bánh xe.
o Cảm biến quay vòng xe (quanh trục thẳng đứng) – Yaw rate.


o Cảm biến đo gia tốc quay vòng xe (Sensor measures Lateral
accerelation).
o Cảm biến đo gia tốc xe (Sensor measures Longitudinal accerelation).
o Cảm biến đo góc lái (Steering – angle sensor).
o Cảm biến áp suất phanh ( Internal Brake pressure sensor).
o Cảm biến đo chiều dày má phanh (Brake pad wear sensor).
o ,…

IV.

Cấu tạo hệ thống ESP của Bosch sử dụng trên các dòng xe của Audi:
4.1. Cấu tạo cơ bản của hệ thống ESP Bosch:


Hình 1.13: Sơ đồ cấu tạo cơ bản hệ thống ESP của Bosch trang bị trên các dòng xe
Audi
4.2.

Sơ đồ khối về tín hiệu và cơ cấu chấp hành hệ thống ESP của
Bosch:


4.3.

Quy trình điều khiển:

Hình


- Trong đó:
1. Thiết bị điều khiển điện tử được trang bị ABS, EDL, TCS, ESP,…
2. Hệ thống thủy lực cung cấp cho bơm.
3. Cảm biến đo áp lực phanh.
4. Cảm biến đo gia tốc quay vòng.
5. Cảm biến đo tỷ lệ quay vòng của xe.
6. Nút ấn để kích hoạt/tắt ESP/TCS.
7. Cảm biến đo góc đánh lái.
8. Cơng tác đèn phanh.
9. – 12: Cảm biến tốc độ bánh xe.

13.Dây diện chuẩn đoán.
14.Đèn cảnh báo cho hệ thống phanh.
15.Đèn cảnh báo hệ thống ABS.
16.Đèn cảnh báo hệ thống TCS/ESP.
17.Tình trạng ô tô và hành vi người lái.
18.Hệ thống can thiệp điều khiển động cơ.
19.Hệ thống can thiệp điều khiển hộp số (Chỉ có trên hộp số tự động).
- Chức năng của các cảm biến trong hệ thống ESP:
 Cảm biến tốc độ bánh xe & góc đánh lái:
- Cảm biến tốc độ bánh xe cung cấp một lượng thông tin liên tục về tốc độ
mỗi bánh về thiết bị điều khiển.
- Cảm biến đo góc đánh lái là cảm biến duy nhất cung cấp thông tin thông qua
mạng CANbus để đến thiết bị điều khiển. Thiết bị điều khiển điện tử sẽ tính
tốn dựa trên hướng đánh lái và xử lý tình trạng hoạt động của ơ tơ dựa trên
tổ hợp 2 loại thông tin trên.
 Cảm biến gia tốc quay vòng & cảm biến tỷ lệ quay vòng (Yaw rate
Sensor):
- Cảm biến gia tốc quay vòng sẽ ra tín hiệu cho thiết bị điều khiển biết khi nào
ô tô bị mất lái bên nào (Break away to the side) và cảm biến đo tỷ lệ quay
vòng (Yaw rate sensor) sẽ ra tín hiệu cho thiết bị điều khiển biết khi nào ô tô
bắt đầu trượt.
- Thiết bị điều khiển sẽ tính tốn trạng thái đang vận hành của ơ tô dựa trên 2
thông tin trên.
- Nếu giá trị đã được thiết lập (Set sẵn trong ECU điều khiển) và giá trị thực tế
vận hành không khớp với nhau, ESP sẽ can thiệp điều chỉnh dựa trên thơng
số tính tốn.
- Hệ thống ESP sẽ quyết định:
 Bánh nào sẽ bị phanh hoặc tăng tốc và phanh hoặc tăng tốc ở mức độ
như thế nào.

 Moment động cơ khi nào bị giảm và khi nào hệ thống điều khiển hộp số
được kích hoạt trên ô tô (với ô tô trang bị hộp số tự động).
- Hệ thống ESP sẽ kiểm tra để xem việc điều chỉnh có hiệu quả hay khơng
thơng qua các tín hiệu trả về từ các cảm biến. Nếu điều chỉnh thực hiện tốt,
ESP kết thúc quá trình điều chỉnh và tiếp tục giám sát tình trạng hoạt động
của ơ tơ. Nếu việc điều chỉnh vẫn chưa hiệu quả, Chu trình điều chỉnh sẽ
được thực hiện lại.
- Khi sự điều chỉnh này diễn ra, hệ thống điều khiển sẽ làm sáng đèn ESP để
hiển thị cho tài xế nhận biết.
(Quy trình điều chỉnh lực phanh – lực kéo liên quan đến ABS và TRC khơng
biết cần trình bày khơng nếu trình bày thì dài sml ra, còn các cảm biến có cần
nêu chi tiết và ngun lý hoạt động nó khơng???)
4.4.

Sơ đồ mạch điện hệ thống ESP:

Hình


Hình
- Chú thích: