Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống chống bó cứng phanh và hệ thống cân bằng điện tử trên ô tô

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

LÊ ĐẠI THÀNH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
CHO HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH VÀ
HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ
STUDY AND DESIGN CONTROLLERS FOR
ANTI-LOCK BRAKING SYSTEM AND
ELECTRONIC STABILITY SYSTEM IN CARS

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
Mã số: 60520114

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2016


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Công Bằng ..................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS. Nguyễn Thanh Phương ......................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS. Nguyễn Duy Anh ...............................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày . . 16. . . tháng . .12 . . năm . .2016 . . .

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. TS. Nguyễn Quốc Chí ..........................
2. TS. Lê Thanh Hải .................................
3. PGS.TS. Nguyễn Thanh Phương .........
4. PGS.TS. Nguyễn Duy Anh ..................
5. TS. Ngô Hà Quang Thịnh ....................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA…………


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Lê Đại Thành ..................................................MSHV: 1570629 .............
Ngày, tháng, năm sinh: 02/04/1992 ...........................................Nơi sinh: Tp. Cần Thơ ....
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử .......................................... Mã số : 60520114 . ........
I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG
CHỐNG BÓ CỨNG PHANH VÀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Tìm hiểu tổng quan về đề tài.

-

Tìm hiểu tổng quan về hệ thống chống bó cứng phanh ABS và hệ thống cân bằng
điện tử VDC.

-

Phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống ABS.

-

Phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống VDC.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/07/2016 ...................................................................
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2016 ..................................................
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Phạm Công Bằng .........................................................

Tp. HCM, ngày 04 tháng 07 năm 2016
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA….………
(Họ tên và chữ ký)

Ghi chú: Học viên phải đóng tờ nhiệm vụ này vào trang đầu tiên của tập thuyết minh LV

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên em xin chân thành cảm ơn các thầy cô Trường Đại Học Bách Khoa
TP.HCM, đặc biệt là các thầy cơ khoa Cơ Khí đã cung cấp cho em những kiến thức
nền tảng để thực hiện luận văn này. Quá trình làm luận văn tạo điều kiện cho em vận
dụng những kiến thức đã học, học thêm nhiều kiến thức mới từ các tài liệu liên quan
và đặc biệt là từ thầy hướng dẫn, thầy TS.Phạm Công Bằng.
Em xin chân thành cảm ơn thầy về những kiến thức bổ ích, kinh nghiệm thực tế và
những ý tưởng mà thầy đã truyền đạt cho em trong suốt quá trình làm luận văn, giúp
em vượt qua các khó khăn của đề tài và hoàn thành các yêu cầu đặt ra. Thầy đã dạy
cho em rất nhiều bài học tuyệt vời cho chuyên ngành, cho cách làm việc và cho cuộc
sống của em.
Cuối cùng, em xin cảm ơn công ty Robert Bosch Engineering and Business
Solutions Vietnam đã tạo điều kiện về thời gian và cung cấp tài liệu kỹ thuật giúp em
thực hiện luận văn này.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm ….
Học viên

Lê Đại Thành

i


TĨM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn trình bày hệ thống chống bó cứng phanh ABS và hệ thống cân bằng điện
tử VDC với cấu tạo và nguyên lý hoạt động. Qua đó, luận văn xác định chất lượng
điều khiển mong muốn, thực hiện mơ hình hóa và thiết kế bộ điều khiển cho hai hệ

thống này. Để làm rõ tính thiết thực của hệ thống, luận văn trình bày và phân tích kết
quả mơ phỏng khi chưa có hai hệ thống này. Thêm vào đó, kết quả mơ phỏng với bộ
điều khiển được phân tích để nhấn mạnh những ưu điểm của việc sử dụng bộ điều
khiển cho hệ thống chống bó cứng phanh và hệ thống cân bằng điện tử.

ii


ABSTRACT

Thesis presents anti-lock braking system ABS and electronic stability program
VDC with their structures and operating principles. Thereby, desired performance
indicators for modeling and designing controllers for ABS and VDC systems are
determined. In addition, simulation results with these controllers are analyzed to
emphasize advantages of using ABS and VDC systems.

iii


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi và được sự hướng dẫn của
thầy TS.Phạm Công Bằng. Các nội dung nghiên cứu và các kết quả trong đề tài này
là trung thực. Tôi cam kết chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình.

iv


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ..............................................................................................................i
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................ ii
ABSTRACT .............................................................................................................. iii
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................iv
MỤC LỤC ................................................................................................................... v
DANH SÁCH HÌNH VẼ ...........................................................................................ix
DANH SÁCH BẢNG ..............................................................................................xiv
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI......................................................................... 1
1.1 Lịch sử ra đời và quá trình phát triển của ô tô ........................................................... 1
1.1.1 Lịch sử ra đời của ô tô............................................................................................... 1
1.1.2 Quá trình phát triển của ô tô ..................................................................................... 1
1.2 Lịch sử ra đời và quá trình phát triển của hệ thống an tồn trên ơ tơ ..................... 2
1.3 Lý do chọn đề tài ................................................................................................... 3
1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi của luận văn ............................................................ 5
1.5 Bố cục luận văn ..................................................................................................... 5
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 7
2.1 Tổng quan hệ thống chống bó cứng phanh ABS ...................................................... 7
2.1.1 Cấu tạo hệ thống ABS ........................................................................................ 7
2.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống ABS .............................................................. 12
2.1.3 Chất lượng điều khiển mong muốn của hệ thống ABS ...................................... 14
2.2 Tổng quan hệ thống cân bằng điện tử VDC ............................................................ 14
2.2.1 Cấu tạo hệ thống VDC ..................................................................................... 16
2.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống VDC .............................................................. 21
2.2.3 Chất lượng điều khiển mong muốn của hệ thống VDC...................................... 24
v


2.3 Kết luận

........................................................................................................... 25

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG
ABS ........................................................................................................................... 26
3.1 Phân tích hệ thống ABS ...................................................................................... 26
3.1.1 Tính tốn động học, động lực học ......................................................................... 26
3.1.2 Mối liên hệ giữa hệ số ma sát và tỷ lệ trượt ......................................................... 27
3.1.3 Phân tích moment thắng ......................................................................................... 28
3.2 Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống ABS trên Matlab Simulink ......................... 29
3.2.1 Mơ hình hóa hệ thống ABS .................................................................................... 29
3.2.2 Mơ phỏng khối caliper trên Matlab Simulink ...................................................... 29
3.2.3 Mô phỏng khối bánh xe trên Matlab Simulink .................................................... 30
3.2.4 Mô phỏng khối xe trên Matlab Simulink .............................................................. 30
3.2.5 Mô phỏng hệ thống ABS trên Matlab Simulink .................................................. 30
3.2.6 Kết quả mô phỏng khi chưa có hệ thống ABS và khi có hệ thống ABS với bộ
điều khiển thô sơ........................................................................................................ 31
3.3 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống ABS ............................................................... 37
3.3.1 Sơ đồ điều khiển ............................................................................................... 37
3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống ABS ............................................................ 37
3.3.3 Kết quả mô phỏng hệ thống ABS với bộ điều khiển PID .................................. 37
3.3.4 Nhận xét kết quả mô phỏng hệ thống ABS với bộ điều khiển PID... .............. 40
3.4 Kết luận

........................................................................................................... 40

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG
VDC .......................................................................................................................... 42
4.1 Phân tích hệ thống VDC ..................................................................................... 42
4.1.1 Tính tốn động học, động lực học hệ thống VDC ............................................... 42
4.1.2 Tính tốn các lực tác động lên bánh xe theo phương X và phương Y .............. 44
vi

4.1.3 Tính tốn góc lệch ngang của các bánh xe ........................................................... 44
4.1.4 Tính tốn bán kính quẹo cua của xe với góc lái δ ............................................... 45
4.1.5 Tính tốn tốc độ xoay mong muốn của xe ........................................................... 45
4.1.6 Tính tốn cân bằng moment cho bánh xe ............................................................. 46
4.2 Xác định bánh xe cần tác động moment thắng ....................................................... 46
4.3 Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống VDC trên Matlab Simulink......................... 47
4.3.1 Mơ hình hóa hệ thống VDC ................................................................................... 47
4.3.2 Mơ phỏng khối moment thắng 1 trên Matlab Simulink...................................... 47
4.3.3 Mô phỏng khối moment thắng 2 trên Matlab Simulink...................................... 48
4.3.4 Mô phỏng khối moment thắng 3 trên Matlab Simulink...................................... 48
4.3.5 Mô phỏng khối moment thắng 4 trên Matlab Simulink...................................... 49
4.3.6 Mô phỏng khối bánh trước bên trái trên Matlab Simulink ................................. 49
4.3.7 Mô phỏng khối bánh trước bên phải trên Matlab Simulink ............................... 50
4.3.8 Mô phỏng khối bánh sau bên trái trên Matlab Simulink .................................... 50
4.3.9 Mô phỏng khối bánh sau bên phải trên Matlab Simulink................................... 51
4.3.10 Mô phỏng khối lực tác động bánh trước bên trái trên Matlab Simulink ........ 51
4.3.11 Mô phỏng khối lực tác động bánh trước bên phải trên Matlab Simulink ...... 52
4.3.12 Mô phỏng khối lực tác động bánh sau bên trái trên Matlab Simulink ............ 53
4.3.13 Mô phỏng khối lực tác động bánh sau bên phải trên Matlab Simulink .......... 53
4.3.14 Mô phỏng khối xe trên Matlab Simulink ........................................................... 54
4.3.15 Mô phỏng khối tốc độ xoay mong muốn trên Matlab Simulink ..................... 54
4.4 Kết quả mơ phỏng khi chưa có hệ thống VDC ....................................................... 54
4.4.1 Kết quả mơ phỏng trường hợp quẹo cua góc lái dương...................................... 56
4.4.2 Kết quả mô phỏng trường hợp quẹo cua góc lái âm ........................................... 58
4.4.3 Kết quả mơ phỏng trường hợp quẹo cua trái phải ............................................... 61
4.5 Kiểm chứng giải thuật xác định bánh xe cần tác động moment thắng................. 63
vii

4.5.1 Trường hợp quẹo cua góc lái dương ..................................................................... 63
4.5.2 Trường hợp quẹo cua góc lái âm ........................................................................... 64
4.6 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống VDC .............................................................. 65
4.6.1 Sơ đồ điều khiển ............................................................................................... 65
4.6.2 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống VDC ........................................................... 65
4.6.3 Kết quả mô phỏng hệ thống VDC với bộ điều khiển PID .................................. 66
4.6.4 Nhận xét kết quả mô phỏng hệ thống VDC với bộ điều khiển PID .................. 70
4.7 Kết luận

.................................................................................................................... 70

CHƯƠNG 5: TỔNG KẾT ........................................................................................ 71
5.1 Kết quả đạt được ................................................................................................. 71
5.1.1 Kết quả đạt được của hệ thống ABS ..................................................................... 71
5.1.2 Kết quả đạt được của hệ thống VDC .................................................................... 71
5.2 Đề xuất hướng phát triển cho đề tài.......................................................................... 72
5.2.1 Đề xuất hướng phát triển cho hệ thống ABS ....................................................... 72
5.2.2 Đề xuất hướng phát triển cho hệ thống VDC....................................................... 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 73

viii


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 Chiếc ơ tơ ba bánh đầu tiên do Karl Benz chế tạo ....................................... 1
Hình 1.2 Lịch sử phát triển hệ thống ABS của Bosch ................................................ 4
Hình 2.1 Cấu tạo hệ thống ABS .................................................................................. 7
Hình 2.2 Cảm biến tốc độ bánh xe .............................................................................. 8
Hình 2.3 Vị trí lắp đặt cảm biến tốc độ bánh xe ......................................................... 8

Hình 2.4 Bộ điều khiển ECU trong module ABS của Bosch ..................................... 9
Hình 2.5 Mạch thủy lực của hệ thống ABS .............................................................. 10
Hình 2.6 Ba trạng thái làm việc của bộ điều biến thủy lực ....................................... 11
Hình 2.7 Đồ thị hệ số ma sát theo tỷ lệ trượt λ ......................................................... 13
Hình 2.8 So sánh giữa xe có ABS và khơng có ABS ............................................... 14
Hình 2.9 Tài xế quẹo cua với tốc độ cao................................................................... 15
Hình 2.10 Hệ thống VDC ......................................................................................... 16
Hình 2.11 Cảm biến góc lái chủ động trên vơ lăng................................................... 16
Hình 2.12 Cảm biến góc xoay tích hợp với cảm biến gia tốc ................................... 17
Hình 2.13 Tài xế quẹo cua quá mức cần thiết ........................................................... 17
Hình 2.14 Tài xế quẹo cua dưới mức cần thiết ......................................................... 18
Hình 2.15 Mạch thủy lực của hệ thống VDC ........................................................... 19
Hình 2.16 Ba trạng thái làm việc của bộ điều biến thủy lực ..................................... 20
Hình 2.17 Tài xế quẹo cua tốc độ cao và xe được trang bị hệ thống VDC .............. 21
Hình 2.18 Xe vào cua trái phải ................................................................................. 22
Hình 2.19 Quẹo cua quá mức cần thiết và dưới mức cần thiết ................................. 23
Hình 2.20 Xe tránh vật cản trên đường ..................................................................... 24
Hình 3.1 Lực và moment tác động lên 1 bánh xe khi đạp thắng .............................. 26
ix


Hình 3.2 Mối liên hệ giữa tỷ lệ trượt và hệ số ma sát của đường nhựa khơ ............. 27
Hình 3.3 Phanh đĩa và cơ cấu hoạt động của phanh đĩa với caliper ......................... 28
Hình 3.4 Mơ hình hóa hệ thống ABS........................................................................ 29
Hình 3.5 Mơ phỏng khối caliper trên Matlab Simulink ............................................ 29
Hình 3.6 Mơ phỏng khối bánh xe trên Matlab Simulink .......................................... 30
Hình 3.7 Mơ phỏng khối xe trên Matlab Simulink ................................................... 30
Hình 3.8 Mơ phỏng hệ thống ABS trên Matlab Simulink ........................................ 31
Hình 3.9 Mơ phỏng hệ thống thắng chưa được trang bị hệ thống ABS ................... 32
Hình 3.10 Moment thắng trong trường hợp khơng có hệ thống ABS ...................... 32

Hình 3.11 Kết quả mơ phỏng tốc độ bánh xe trường hợp khơng có hệ thống ABS..32
Hình 3.12 Kết quả mô phỏng tỷ lệ trượt trường hợp không có hệ thống ABS ......... 33
Hình 3.13 Kết quả mơ phỏng vận tốc xe trường hợp khơng có hệ thống ABS ........ 33
Hình 3.14 Khoảng cách dừng trường hợp khơng có hệ thống ABS ......................... 34
Hình 3.15 Mơ phỏng hệ thống ABS với bộ điều khiển thơ sơ.................................. 34
Hình 3.16 Kết quả mô phỏng moment thắng với bộ điều khiển thơ sơ .................... 34
Hình 3.17 Kết quả mơ phỏng vận tốc bánh xe với bộ điều khiển thô sơ .................. 35
Hình 3.18 Kết quả mơ phỏng tỷ lệ trượt với bộ điều khiển thơ sơ ........................... 35
Hình 3.19 Kết quả mô phỏng vận tốc xe với bộ điều khiển thô sơ ........................... 36
Hình 3.20 Kết quả mơ phỏng khoảng cách dừng với bộ điều khiển thơ sơ .............. 36
Hình 3.21 Sơ đồ điều khiển....................................................................................... 37
Hình 3.22 Mơ phỏng hệ thống ABS với bộ điều khiển PID trên Matlab Simulink..37
Hình 3.23 Kết quả mô phỏng moment thắng với bộ điều khiển PID ....................... 38
Hình 3.24 Kết quả mơ phỏng vận tốc bánh xe với bộ điều khiển PID ..................... 38
Hình 3.25 Kết quả mô phỏng tỷ lệ trượt với bộ điều khiển PID............................... 39
Hình 3.26 Kết quả mơ phỏng vận tốc xe với bộ điều khiển PID .............................. 39
x


Hình 3.27 Kết quả mơ phỏng khoảng cách dừng với bộ điều khiển PID ................. 40
Hình 4.1 Mơ hình 7 bậc tự do của xe ........................................................................ 42
Hình 4.2 Bán kính quẹo cua của xe với góc lái δ...................................................... 45
Hình 4.3 Xe quẹo cua với bán kính quẹo cua Rc ...................................................... 45
Hình 4.4 Moment tác động lên bánh xe khi VDC tác động lực thắng ...................... 46
Hình 4.5 Mơ hình hóa hệ thống VDC ....................................................................... 47
Hình 4.6 Mơ phỏng khối moment thắng 1 trên Matlab Simulink ............................. 48
Hình 4.7 Mơ phỏng khối moment thắng 2 trên Matlab Simulink ............................. 48
Hình 4.8 Mô phỏng khối moment thắng 3 trên Matlab Simulink ............................. 49
Hình 4.9 Mơ phỏng khối moment thắng 4 trên Matlab Simulink ............................. 49
Hình 4.10 Mơ phỏng khối bánh trước bên trái trên Matlab Simulink ...................... 50

Hình 4.11 Mơ phỏng khối bánh trước bên phải trên Matlab Simulink ..................... 50
Hình 4.12 Mô phỏng khối bánh sau bên trái trên Matlab Simulink ......................... 51
Hình 4.13 Mơ phỏng khối bánh sau bên phải trên Matlab Simulink ........................ 51
Hình 4.14 Mơ phỏng khối lực tác động bánh trước bên trái trên Matlab Simulink..52
Hình 4.15 Mô phỏng khối lực tác động bánh trước bên phải trên Matlab Simulink 52
Hình 4.16 Mơ phỏng khối lực tác động bánh sau bên trái trên Matlab Simulink ..... 53
Hình 4.17 Mô phỏng khối lực tác động bánh sau bên phải trên Matlab Simulink ... 53
Hình 4.18 Mơ phỏng khối xe trên Matlab Simulink ................................................. 54
Hình 4.19 Mơ phỏng khối tốc độ xoay mong muốn trên Matlab Simulink .............. 54
Hình 4.20 Mơ phỏng xe khi chưa có hệ thống VDC ................................................ 55
Hình 4.21 Góc lái của trường hợp quẹo cua góc lái dương ...................................... 56
Hình 4.22 Vận tốc của xe theo phương X trường hợp quẹo cua góc lái dương ....... 56
Hình 4.23 Vận tốc của xe theo phương Y trường hợp quẹo cua góc lái dương ....... 56
Hình 4.24 Góc xoay của xe trường hợp quẹo cua góc lái dương.............................. 57
xi


Hình 4.25 Tốc độ xoay thực tế của xe trường hợp quẹo cua góc lái dương ............. 57
Hình 4.26 Tốc độ xoay mong muốn của xe trường hợp quẹo cua góc lái dương ..... 57
Hình 4.27 Sai số tốc độ xoay của xe trường hợp quẹo cua góc lái dương................ 58
Hình 4.28 Góc lái của trường hợp quẹo cua góc lái âm............................................ 58
Hình 4.29 Vận tốc của xe theo phương X trường hợp quẹo cua góc lái âm ............. 59
Hình 4.30 Vận tốc của xe theo phương Y trường hợp quẹo cua góc lái âm ............. 59
Hình 4.31 Góc xoay của xe trường hợp quẹo cua góc lái âm ................................... 59
Hình 4.32 Tốc độ xoay thực tế của xe trường hợp quẹo cua góc lái âm .................. 60
Hình 4.33 Tốc độ xoay mong muốn của xe trường hợp quẹo cua góc lái âm .......... 60
Hình 4.34 Sai số tốc độ xoay của xe trường hợp quẹo cua góc lái âm ..................... 60
Hình 4.35 Góc lái của trường hợp quẹo cua trái phải ............................................... 61
Hình 4.36 Vận tốc của xe theo phương X trường hợp quẹo cua trái phải ................ 61
Hình 4.37 Vận tốc của xe theo phương Y trường hợp quẹo cua trái phải ................ 61

Hình 4.38 Góc xoay của xe trường hợp quẹo cua trái phải ...................................... 62
Hình 4.39 Tốc độ xoay thực tế của xe trường hợp quẹo cua trái phải ...................... 62
Hình 4.40 Tốc độ xoay mong muốn của xe trường hợp quẹo cua trái phải.............. 62
Hình 4.41 Sai số tốc độ xoay của xe trường hợp quẹo cua trái phải ........................ 63
Hình 4.42 Mơ phỏng xe trường hợp tác động moment thắng lên bánh xe thứ 4 ...... 63
Hình 4.43 Sai số tốc độ xoay khi tác động moment thắng lên bánh xe thứ 4 ........... 64
Hình 4.44 Mơ phỏng xe trường hợp tác động moment thắng lên bánh xe thứ 3 ...... 64
Hình 4.45 Sai số tốc độ xoay khi tác động moment thắng lên bánh xe thứ 3 ........... 65
Hình 4.46 Sơ đồ điều khiển....................................................................................... 65
Hình 4.47 Mơ phỏng hệ thống VDC với bộ điều khiển PID trên Matlab Simulink . 66
Hình 4.48 Kết quả mô phỏng moment thắng tác động lên bánh trước bên trái ........ 66
Hình 4.49 Kết quả mơ phỏng moment thắng tác động lên bánh trước bên phải ...... 67
xii


Hình 4.50 Kết quả mơ phỏng moment thắng tác động lên bánh sau bên trái ........... 67
Hình 4.51 Kết quả mô phỏng moment thắng tác động lên bánh sau bên phải ......... 67
Hình 4.52 Kết quả mơ phỏng vận tốc xe theo phương X ......................................... 68
Hình 4.53 Kết quả mơ phỏng vận tốc xe theo phương Y ......................................... 68
Hình 4.54 Kết quả mơ phỏng góc xoay của xe ......................................................... 68
Hình 4.55 Kết quả mô phỏng tốc độ xoay thực tế của xe ......................................... 69
Hình 4.56 Kết quả mơ phỏng tốc độ xoay mong muốn của xe ................................. 69
Hình 4.57 Kết quả mô phỏng sai số tốc độ xoay của xe ........................................... 69

xiii


DANH SÁCH BẢNG
Bảng 3.1 Giá trị a,b và c ứng với các dạng bề mặt đường theo mơ hình Pacejka .... 28
Bảng 3.2 Số liệu của tài liệu tham khảo .................................................................... 31

Bảng 4.1 Bánh xe cần tác động moment thắng bởi hệ thống VDC .......................... 46
Bảng 4.2 Các thông số mô phỏng ............................................................................. 55

xiv


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1 Lịch sử ra đời và q trình phát triển của ơ tơ
1.1.1 Lịch sử ra đời của ô tô
Cho đến nay việc xác định chiếc ô tô (xe hơi) đầu tiên ra đời khi nào vẫn còn nhiều
ý kiến khác nhau trên thế giới. Từ “ô tô” được bắt nguồn từ tên tiếng Anh là
“automobile” có nghĩa là tự động chuyển động. Như vậy nếu căn cứ theo định nghĩa
này, chiếc ô tô đầu tiên trên thế giới ra đời năm 1770 do Nicolas Joseph Cugnot chế
tạo chạy bằng máy hơi nước. Tuy nhiên, sau khi Nicolaus Otto phát minh ra động cơ
đốt trong vào năm 1876, ơ tơ mới có hình dáng và động cơ gần giống với ngày nay.
Do đó người ta coi ô tô ra đời ở thời kỳ này. Hình 1.1 dưới đây là chiếc ô tô ba bánh
đầu tiên do kỹ sư người Đức Karl Benz chế tạo và được cấp bằng sáng chế năm 1886.

Hình 1.1 Chiếc ơ tơ ba bánh đầu tiên do Karl Benz chế tạo [1]

1.1.2 Q trình phát triển của ơ tơ
Sau sự thành cơng của ô tô ba bánh do Karl Benz chế tạo, nhiều nhà chế tạo đã vào
cuộc và ô tô đã có các bộ phận chính với bố trí như hiện nay kể từ năm 1894. Tiếp
sau đó, ơ tơ khơng ngừng được cải tiến và phát triển, trải qua nhiều bước ngoặt quan
trọng:
- Năm 1895, Michelin lắp bánh hơi cho ô tô.
- Năm 1897, kĩ sư Đức Gottlieb Daimler sáng chế bộ tản nhiệt hình tổ ong.
1

- Năm 1898, nhà chế tạo Louis Renault sáng chế hộp số ba tốc độ cho ô tô.
- Năm 1901, chiếc Mercedes ra đời đánh dấu sự thay đổi diện mạo của ơ tơ.
- Năm 1904, chiếc Vauxhall có cần sang số lắp trên cột tay lái.
- Năm 1905, Pieere Bossu sáng chế bộ khởi động bằng điện. Bộ dẫn động bánh
trước và kính chắn gió cũng xuất hiện trong thời điểm này.
- Năm 1913, đánh dấu sự triển vọng thật sự của ngành công nghiệp ô tô với việc
Henry Ford đưa vào vận hành dây chuyền lắp ráp hàng loạt đầu tiên. Chiếc Ford-T,
chiếc xe bình dân đầu tiên được loại bỏ các phụ tùng thừa và sản xuất 18 triệu chiếc.
- Năm 1926, 2 kỹ sư Jean A. Grégoire và Pierre Fenaille chế tạo chiếc Tracta, xe
đầu tiên dẫn động bằng bánh trước.
- Năm 1932, Cotal sáng chế hộp số điện từ.
- Năm 1940, Oldsmobile tung ra những chiếc ô tô đầu tiên sang số tự động.
- Năm 1950, chiếc ơ tơ đầu tiên chạy bằng tuabin khí ra đời ở Anh.
- Năm 1952, những chiếc ô tô với tay lái có trợ lực được sản xuất hàng loạt.
- Năm 1953, phanh đĩa bắt đầu được áp dụng trên xe Jaguar của Anh.
Từ những năm 1970 trở đi, các thế hệ ô tô mới chủ yếu tập trung nâng cao cơng
suất, giảm tiêu thụ chất đốt, giảm khí gây ơ nhiễm và gia tăng vai trị của thiết bị điện
tử. Đến năm 1990, các hệ thống điện tử lắp đặt cho ô tô đã chiếm 6% giá tiền một xe,
và con số này tới năm 2000 đã tăng gấp ba lần. Cùng với sự phát triển của ô tơ, các
tính năng an tồn ngày càng được chú trọng. Các hệ thống đảm bảo an toàn cho người
sử dụng như: hệ thống chống bó cứng phanh ABS, đệm an toàn tự thổi phồng Air
Bags, hệ thống cân bằng điện tử VDC,… đã trở thành bắt buộc ở nhiều nước cơng
nghiệp.
1.2 Lịch sử ra đời và q trình phát triển của hệ thống an tồn trên ơ tơ
Khi chiếc ơ tô đầu tiên ra đời, do mức độ phổ biến cũng như vận tốc ô tô chưa cao
nên các hệ thống an toàn cũng chưa được quan tâm đúng mực. Tuy nhiên, kể từ khi
ô tô được đưa vào sản xuất hàng loạt, các hệ thống an toàn ra đời và phát triển không
ngừng song song với sự phát triển của ô tô. Khởi đầu là năm 1898 khi lần đầu tiên
đèn điện được thêm vào đằng trước ô tô ở Mỹ. Sau khi hệ thống điện được đưa vào

ô tơ, các hệ thống an tồn bắt đầu được nghiên cứu phát triển với những cột mốc quan
trọng như:
2


- Năm 1926, cần gạt nước tự động ra đời thay cho cần gạt nước điều khiển bằng
tay.
- Năm 1930, kính an tồn trở thành bắt buộc cho mọi chiếc xe.
- Năm 1949, lần đầu tiên thử nghiệm tai nạn ơ tơ.
- Năm 1951, túi khí an tồn có thể kích hoạt tự động hoặc bằng tay được sáng chế
ở Đức.
- Năm 1959, dây an toàn trở thành bắt buộc cho mọi chiếc xe.
- Năm 1978, hãng Bosch của Đức chế tạo thành cơng hệ thống chống bó cứng
phanh ABS và áp dụng cho dòng xe S-serie của Mercedes.
- Năm 1987, Mercedes và BMW lần đầu tiên ra mắt hệ thống kiểm soát độ bám
đường TCS.
- Năm 1995, hãng Bosch của Đức chế tạo thành công hệ thống cân bằng điện tử
VDC và áp dụng lần đầu tiên trên 2 chiếc xe của BMW là 750iL và 850Ci.
- Năm 1996, Mercedes phát minh ra hệ thống trợ lực phanh.
- Năm 1998, hệ thống phát hiện điểm mù được lắp đặt trên chiếc Volvo S80.
- Năm 2002, hệ thống cảnh báo làn đường được giới thiệu tại châu Âu cho xe tải
Mercedes.
- Năm 2010, Volvo phát triển hệ thống túi khí cho người đi đường và hệ thống giúp
xe phát hiện người đi đường.
1.3 Lý do chọn đề tài
Phân tích các vụ tai nạn thông qua hệ thống nghiên cứu tai nạn chuyên sâu của Đức
(GIDAS, German Accident Database, 2001-2004) cho thấy hệ thống ABS có thể giúp
ngăn chặn từ 25% đến 30% những tai nạn nghiêm trọng cũng như tai nạn gây tử vong
[2]. Hiện nay ABS là bộ phận gần như bắt buộc ở các loại ô tô, theo số liệu thống kê
đến năm 2007 có khoảng 76% ơ tô trên thế giới sử dụng hệ thống ABS của Bosch.

Tuy nhiên, hiện nay hệ thống ABS đã khơng cịn là độc quyền của Bosch, có rất nhiều
hãng xe có thể nghiên cứu và sản xuất. Do đó, Bosch vẫn tiếp tục nghiên cứu hệ thống
ABS để tăng sức cạnh tranh, uy tín trên thị trường và hơn hết là nâng cao độ an toàn
cho người sử dụng như minh họa trong hình 1.2.

3


Hình 1.2 Lịch sử phát triển hệ thống ABS của Bosch [3]
Hệ thống cân bằng điện tử VDC là một trong những giải pháp an toàn chủ động
quan trọng bên cạnh hệ thống chống bó cứng phanh ABS, phân bổ lực phanh điện tử
EBD và hệ thống kiểm soát độ bám đường TCS… Theo Ủy ban an toan giao thông
quốc gia Mỹ (NHTSA), VDC giúp giảm 35% số vụ va chạm. Nguy cơ gây tử vong
của xe SUV được trang bị hệ thống cân bằng điện tử thấp hơn 67% so với trường hợp
xe khơng có trang bị hệ thống này [4]. Nghiên cứu của viện bảo hiểm an toàn đường
bộ của Mỹ (IIHS) công bố tháng 6/2006 chỉ ra rằng nước Mỹ sẽ không mất đi 10.000
người nếu tất cả các xe đều được trang bị hệ thống cân bằng điện tử [4]. Ngoài ra,
VDC là một trong những tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá một chiếc ô tơ. Chính vì
vậy, Bosch đang nghiên cứu hệ thống VDC để nâng cao độ an toàn cho người sử
dụng cũng như đáp ứng nhu cầu của các hãng xe cao cấp.
Tại Việt Nam, ABS đã phổ biến hơn so với cách đây 5 năm. Gần như tất cả các
mẫu xe mới ra mắt đều trang bị cơng nghệ an tồn tiên tiến này. Trong đó phải kể đến
các dịng xe của Toyota vốn đã chiếm lĩnh thị trường Việt Nam từ lâu. Hệ thống
chống bó cứng phanh ABS là hệ thống an toàn tiêu chuẩn được trang bị trên tất cả
các mẫu xe do Toyota phân phối tại Việt Nam như Toyota Corrola Altis, Toyota
Camry, Toyota Vios, Toyota Yaris, Toyota Fortuner, Toyota Innova Toyota Land
Cruiser, Toyota Hiace, Toyota Hilux [5]. Hiện nay các hãng xe rất cạnh tranh trong
việc nghiên cứu và sản xuất hệ thống chống bó cứng phanh ABS.
4

Đối với hệ thống cân bằng điện tử VDC, tại Việt Nam từ lâu hệ thống này đã trở
thành tiêu chuẩn để so sánh sự cao thấp giữa 2 xe với nhau. Nếu bỏ đi hệ thống cân
bằng điện tử VDC, giá thành của một xe nhập về Việt Nam có thể giảm được 1000
USD trở lên, tính tại thời điểm năm 2007 [6]. Những dòng xe như Toyota Innova
2016, Mazda (từ Mazda 3 đến Mazda 6), Chevrolet, Audi và BMW đều được trang
bị hệ thống này. Hiện nay hệ thống cân bằng điện tử VDC rất được các hãng xe quan
tâm nghiên cứu.
1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi của luận văn
Vì những lý do trên và thời gian thực hiện luận văn có giới hạn trong khoảng 5
tháng nên mục tiêu đề ra cho luận văn là:
+ Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) và
hệ thống cân bằng điện tử (VDC) với chất lượng điều khiển mong muốn.
Để đạt được mục tiêu nêu trên, các nhiệm vụ cụ thể cần thực hiện bao gồm:
+ Nghiên cứu tổng quan hệ thống chống bó cứng phanh và hệ thống cân bằng điện
tử: nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và chất lượng điều khiển mong muốn
của hệ thống chống ABS và VDC.
+ Phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống chống bó cứng phanh ABS: tính
tốn động học, động lực học, mơ hình hóa hệ thống và thiết kế bộ điều khiển bằng
Matlab Simulink.
+ Phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống cân bằng điện tử VDC: tính tốn
động học, động lực học, mơ hình hóa hệ thống và thiết kế bộ điều khiển bằng Matlab
Simulink.
Phạm vi luận văn: các thuật ngữ kỹ thuật, nguyên lý, tài liệu kỹ thuật… được giới
hạn trong phạm vi hệ thống của công ty Bosch tại Việt Nam.
1.5 Bố cục luận văn
Các nhiệm vụ được đề ra ở trên sẽ được phân bố vào các chương của luận văn như
sau:
5

- Chương 2 trình bày tổng quan hệ thống chống bó cứng phanh và hệ thống cân
bằng điện tử.
- Chương 3 sẽ đi sâu phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống ABS.
- Chương 4 tập trung phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống VDC.
- Chương 5 tổng kết những kết quả đạt được và đề xuất hướng phát triển của đề
tài.

6


CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Để có cơ sở thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống chống bó cứng phanh và hệ thống
cân bằng điện tử, chỉ số điều khiển phải xác định trước. Do đó trong chương này sẽ
phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động và chất lượng điều khiển mong muốn của 2
hệ thống này. Nội dung cần phải thực hiện trong chương này là:
+ Cấu tạo hệ thống ABS.
+ Nguyên lý hoạt động hệ thống ABS.
+ Chất lượng điều khiển mong muốn của hệ thống ABS.
+ Cấu tạo hệ thống VDC.
+ Nguyên lý hoạt động hệ thống VDC.
+ Chất lượng điều khiển mong muốn của hệ thống VDC.

2.1 Tổng quan hệ thống chống bó cứng phanh ABS
2.1.1 Cấu tạo hệ thống ABS

Hình 2.1 Cấu tạo hệ thống ABS [7]

7

Hình 2.1 mơ tả hệ thống ABS, bao gồm các thành phần của hệ thống phanh thông
thường: bàn đạp phanh (1), trợ lực phanh (2), ống xi-lanh chính (3), bình chứa dầu
phanh (4), mạch phanh (5), ống mềm (6), phanh và ống phanh bánh xe (7). Để có
được hệ thống ABS cần có thêm các thành phần: cảm biến tốc độ bánh xe (8), bộ
điều biến thủy lực (9), bộ điều khiển ECU (10), đèn cảnh báo (11) sẽ sáng khi ABS
bị tắt.
 Cảm biến tốc độ bánh xe

Hình 2.2 Cảm biến tốc độ bánh xe
Cảm biến tốc độ bánh xe trong hình 2.2 dùng để đo tốc độ quay của bánh xe và
chuyển tín hiệu điện đến bộ điều khiển. Đầu cảm biến được gắn gần một bánh răng
kim loại bên trong bi moay ơ như biểu diễn trong hình 2.3. Một chiếc xe có thể có 3
hoặc 4 cảm biến tốc độ bánh xe tùy thuộc vào mẫu mã của hệ thống ABS.

Hình 2.3 Vị trí lắp đặt cảm biến tốc độ bánh xe

8