Điều khiển chuyển động ô tô điện cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ

..

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

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG Ô TÔ ĐIỆN: CẢI THIỆN
ĐỘ BÁM ĐƯỜNG DÙNG LÝ THUYẾT MỜ

NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HỐ
MÃ SỐ:

HỒNG KIM NGA

Người hướng dẫn khoa học: TS. TẠ CAO MINH

HÀ NỘI - 2008


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn “Điều khiển chuyển động ô tô điện: cải
thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ” do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn
của Thầy giáo TS Tạ Cao Minh.
Để hoàn thành bản luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu đã được
ghi trong bảng những tài liệu tham khảo mà không sử dụng bất cứ một tài
liệu nào khác. Nếu phát hiện có sự sao chép tơi xin hoàn toàn chịu trách
nhiệm.

Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2008.

Người thực hiện

Hoàng Kim Nga


MỤC LỤC

Trang
MỞ ĐẦU
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN

1

1.1. Giới thiệu xe điện …………………………………………...

1

1.1.1. Lịch sử phát triển của xe điện ………………………….

1

1.1.2. Ưu điểm và những vấn đề còn tồn tại của xe điện ……..

4

1.1.3. Cấu trúc của ô tô điện …………………………………..

5

1.1.4. Nguyên lý hoạt động của ô tô điện ……………..............

7

1.1.5. Các loại động cơ dùng cho ô tô điện …………………...

8

1.2. Giới thiệu đề tài ……………………………………………..

11

Chương 2. MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ ĐIỆN

13

2.1. Hiện tượng trượt trong ô tô điện ……………………………

13

2.2. Xây dựng mô hình động lực học của ơ tơ điện …………….

15

2.2.1. Mơ hình động cơ của ơ tơ điện …………………………

19

2.2.2. Mơ hình điều khiển của hệ thống ………………………

21

2.2.3. Mô phỏng hệ thống điều khiển của ô tô điện trên
môi trường Matlab - Simulink ………………………………………..

26

Chương 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG
CAO ĐỘ BÁM ĐƯỜNG

30

3.1. Phương pháp điều khiển theo mơ hình mẫu (MFC) ………...

31

3.1.1. Ngun lý điều khiển theo mơ hình mẫu ………………

31

3.1.2. Điều khiển theo phương mơ hình mẫu …………………

33

3.2. Phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt ………………….

36

3.2.1. Nguyên tắc điều khiển tối ưu tỷ số trượt ……………….

37

3.2.2. Mơ hình ơ tơ điện trong phương pháp điều khiển tối ưu
tỷ số trượt ……………………………………………………………...

39

3.2.3. Ước lượng điều kiện mặt đường trong điều khiển tối ưu
tỷ số trượt ……………………………………………………………...
3.2.4. Thiết kế bộ điều khiển tỷ số trượt ……………………...

41
44

3.2.5. Mô phỏng phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt
trên môi trường Matlab - Simulink …………………………………....

46

Chương 4. ƯỚC LƯỢNG CHẤT LƯỢNG ĐƯỜNG DÙNG
LÔGIC MỜ

52

4.1. Đặt vấn đề …………………………………………………..

52

4.2. Tổng quan về lý thuyết mờ ....................................................

53

4.2.1. Sơ đồ chức năng bộ điều khiển mờ .................................

53

4.2.2. Mơ hình mờ MAMDANI ................................................

55

4.3. Thuật tốn điều khiển độ bám đưịng cho ơ tơ điện ...............

61

Chương 5. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIÈU KHIỂN Ô TÔ
ĐIỆN

64

5.1. Mô phỏng hệ thống …………………………………………

64

5.2. Đánh giá kết quả mô phỏng ………………………………...

72


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Tham số µ = f(λ) ...........................................................

23

Bảng 2.2. Các thông số sử dụng để mô phỏng .............................

26


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình vẽ 1.1. Cấu trúc của ơ tơ điện ...............................................

6

Hình vẽ 2.1. Đặc tính của lực truyền động và lực bên ..................

13

Hình vẽ 2.2. Mơ hình tổng quát truyền động cho xe điện .............

15

Hình vẽ 2.3. Phân tích động lực học xe điện .................................

16

Hình vẽ 2.4. Đặc tính µ - λ ............................................................

17

Hình vẽ 2.5. Mơ hình động cơ của ơ tơ .........................................

21

Hình vẽ 2.6. Khối tính tốn tỷ số trượt .........................................

21

Hình vẽ 2.7. Xây dựng đặc tính µ = f(λ) dựa trên bảng tính
Lookup Table .........................................................................................

22

Hình 2.8. Dạng đường cong của lực cản khơng khí ......................

23

Hình 2.9. Sơ đồ tính tốn lực cản của khơng khí Fa = Fa(v) .........

24

Hình 2.10. Mơ hình điều khiển của hệ thống ................................

25

Hìng 2.11. Sơ đồ mơ phỏng mơ hình ô tô điện

27

Hình 2.12. Tốc độ bánh xe và tốc độ xe ........................................

28

Hình 2.13. Đáp ứng của tỷ số trượt ...............................................

28

Hình 2.14. Đáp ứng mome ………………………………………

29

Hình 3.1. Nguyên tắc của lý thuyết điều khiển theo mơ hình mẫu

31

Hình 3.2. Dạng tín hiệu trong hệ chính xác ..................................

33

Hình 3.3. Sơ đồ khối của P2 điều khiển theo mơ hình mẫu ...........

34

Hình 3.4. Sơ đồ tổng quát nguyên lý điều khiển tối ưu tỷ số trượt

37

Hình 3.5. Cấu trúc bộ điều khiển tỷ số trượt .................................

39

Hình 3.6. Mơ hình của xe điện ......................................................

39

Hình 3.7. Ước lượng các mặt đường khác nhau ...........................

42

Hình 3.8. Ước lượng đương cong µ - λ cho đường nhựa khô .......

43


Hình 3.9. Ước lượng đương cong µ - λ cho tấm kim loại ướt
bằng điều khiển tỷ số trượt ....................................................................

43

Hình 3.10. Sơ đồ bộ điều khiển tỷ số trượt ...................................

45

Hình 3.11. Tỷ số trượt tối ưu thường được xác định khi α = 1 .....

45

Hình 3.12. Sơ đồ khối Slip ratio control .......................................

46

Hình 3.13. Sơ đồ khâu tạo tỷ số trượt tối ưu .................................

46

Hình 3.14. Sơ đồ mơ phỏng P2 điều khiển tối ưu tỷ số trượt ........

48

Hình 3.15. Đồ thị tốc độ ô tô và tốc độ bánh xe khi λopt = 0.15 ....

49

Hình 3.16. Đồ thị tỷ số trượt khi λopt = 0.15 .................................

49

Hình 3.17. Đồ thị momen khi λopt = 0.15 ......................................

50

Hình 4.1. Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ ................

54

Hình 4.2. Mơ hình mờ MAMDANI ..............................................

55

Hình 4.3. Hàm liên thuộc kiểu tam giác ........................................

56

Hình 4.4. Hệ mờ với nhiều đầu vào và một đầu ra .......................

57

Hình 4.5. µB’ xác định theo ngun tắc hợp thành MIN ...............

59

Hình 4.5. µB’ xác định theo ngun tắc hợp thành PROD ............

59

Hình 4.7. Giá trị đầu vào rõ và giá trị đầu vào mờ ........................

60

Hình 5.1. Hệ mờ MISO tính ước lượng độ bám đường ………....

64

Hình 5.2. Biến ngơn ngữ đầu vào Slip-ratio ……………………

65

Hình 5.3. Biến ngơn ngữ đầu vào Friction-Co ………………….

65

Hình 5.4. Biến ngơn ngữ đầu ra Water …………………………

66

Hình 5.5. Biến ngơn ngữ đầu ra Concrete ………………………

66

Hình 5.6. Biến ngơn ngữ đầu ra Gravel ………………………...

67

Hình 5.7. Biến ngơn ngữ đầu ra Asphalt ………………………..

67

Hình 5.8. Đặc tính quan hệ vào ra hệ mờ MISO ………………...

68


Hình 5.9. Các luật suy luận mờ ………………………………….

68

Hình 5.10. Kết quả mô phỏng xác định bộ ước lượng độ bám đường

69

Hình 5.11. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ơ tô điện sử dụng bộ

ước lượng điều kiện mặt đường ……………………………………….

70

Hình 5.12. Sơ đồ khối bộ ước lượng độ trượt tối ưu ……………

71

Hình 5.13. Sơ đồ bộ điều khiển tỷ số trượt tối ưu ……………….

71

Hình 5.14. Tốc độ bánh xe và tốc độ ơ tơ ……………………….

72

Hình 5.15. Đáp ứng của tỷ số trượt ……………………………...

72

Hình 5.16. Momen ………………………………………………

73

Hình 5.17. Sơ đồ khối mô phỏng trong trường hợp đưa độ trượt
tối ưu vào hệ thống ……………………………………………………
Hình 5.18. Tốc độ ơ tơ và tốc độ bánh xe ……………………….

74

Hình 5.19. Đáp ứng tỷ sổ trượt ………………………………….

75

Hình 5.20. Momen ………………………………………………

76

75


MỞ ĐẦU
Ơ tơ là một loại phương tiện giao thơng đã có từ lâu và ngày càng trở
nên khơng thể thiếu được trong đời sống của con người. Ơ tơ được sử dụng
hiện nay đa phần chạy bằng xăng dầu - là nguyên nhân chính của vấn đề cạn
kiệt nguồn năng lượng, vấn đề ô nhiễm môi trường trong thành phố, hiệu
ứng nhà kính dẫn tới sự nóng lên của trái đất.
Để khắc phục những nhược điểm trên, ô tô điện đã ra đời với những
tính năng nổi trội như: thân thiện với môi trường, tiết kiệm nguồn năng
lượng dầu, độ an tồn và chính xác cao. Với những tính năng ưu việt đó,
trong tương lai khơng xa ơ tơ điện sẽ dần thay thế ô tô chạy bằng động cơ
đốt trong và sẽ chiếm lĩnh vị trí quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô.
Tuy nhiên, ô tô điện cũng gặp phải khó khăn là làm thế nào để điều
khiển được ô tô điện trên những đoạn đường trơn ướt mà vẫn đảm bảo
khơng trượt và an tồn. Để giải quyết vấn đề này, người ta đã đề xuất các
phương pháp cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ. Vì vậy, tơi đã được
giao đề tài tốt nghiệp “Điều khiển chuyển động ô tô điện: cải thiện độ bám
đường dùng lý thuyết mờ”.
Nội dung của đề tài được chia thành 5 chương:
- Chương 1: Tổng quan về ô tơ điện

- Chương 2: Mơ hình động lực học ơ tô điện
- Chương 3: Các phương pháp điều khiển để nâng cao độ bám đường
- Chương 4: Ước lượng chất lượng đường bằng lý thuyết mờ
- Chương 5: Mô phỏng điều khiển mờ cải thiện độ bám đường của ô tơ
điện.
Bản luận văn này được hồn thành dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy
giáo TS Tạ Cao Minh. Tuy nhiên, do thời gian và trình độ bản thân cịn hạn
chế nên khơng tránh khỏi những thiếu xót, kính mong nhận được sự đóng


góp ý kiến tận tình của các thầy cơ cùng các bạn để bài luận văn được hoàn
thiện hơn.
Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2008.

Hoàng Kim Nga


1

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN
1.1. Giới thiệu xe điện
1.1.1. Lịch sử phát triển của xe điện
Lịch sử phát triển của xe điện gắn liền với sự phát minh ra động cơ điện.
Năm 1820 Faraday công bố kết quả thí nghiệm của ơng về chuyển động quay
điện từ gồm chuyển động quay của dây dẫn trong từ trường và chuyển động
của nam châm quanh một dây dẫn. Tới năm 1831 ông phát minh ra định luật
cảm ứng điện từ, đây là mốc son quan trọng cho quá trình phát triển của động
cơ điện cũng như sự phát triển của xe điện.
Trước năm 1830 phương tiện giao thông chủ yếu là sử dụng năng lượng

hơi nước. Sau khi phát minh ra động cơ điện, vào khoảng năm 1834 chiếc xe
điện đầu tiên được ra đời, nó chạy bằng nguồn ắc quy không thể nạp lại và chỉ
chạy được trên đoạn đường ngắn. Thời gian sau đó cơng nghệ chế tạo ắc quy
có sự phát triển rõ rệt nhưng vẫn cịn hạn chế.
- Năm 1897 xe điện French Kriger đạt vận tốc lớn nhất Vmax = 15
dặm/h, xe đi được 50 dặm trên mỗi lần xạc.
- Năm 1900 xe điện French với vận tốc tối đa Vmax = 40 dặm/h, xe đi
được 100 dặm trên mỗi lần xạc.
Tới năm 1912 đã có 34000 xe điện được đăng ký, thời gian này số xe
điện có trên thị trường tăng khá mạnh.
Năm 1920 xe điện tạm thời lắng xuống thay vào đó là sự lên ngôi của
động cơ đốt trong. Lý do của sự biến mất của xe điện sau những thành công
nhất định là do xe chạy bằng động cơ đốt trong đã có những cải tiến về kỹ
thuật đáng kể:

Điều khiển chuyển động ô tô điện: Cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ


2

- Năm 1911 phát minh ra bộ khởi động động cơ làm cho xe chạy xăng
khởi động đơn giản hơn.
- Năm 1925 cải tiến trong kỹ tuật sản xuất hang loạt làm giá thành xe
chạy bằng năng lượng xăng dầu giảm xuống đáng kể.
- Hơn nữa ở các vùng nông thôn bị giới hạn về sử dụng điện nên việc
nạp ắc quy gặp khó khăn, cịn xăng dầu được bán khắp mọi nơi rất thuận tiện.
Mãi tới năm 1960 xe điện mới được quan tâm trở lại, lý do đầu tiên là
vấn đề ơ nhiễm mơi trường do khói từ xe chạy bằng động cơ đốt trong sinh ra.
Các nhà máy sản xuất chính như General Motor và Ford đã bắt đầu nghiên
cứu và phát triển xe điện. General Motor bỏ ra 15 triệu đơ la cho chương trình

nghiên cứu và cho ra đời hai xe được gọi với hai cái tên Electrovair và
Electrovan. Các đặc tính kỹ thuật của hai xe Electrovair 1 (1964) và
Electrovair 2 (1966) được đưa ra như sau:
- Xe chạy bằng động cơ xoay chiều ba pha, cơng suất 115Hp, tốc độ
13000 vịng/phút.
- Ắc quy silver-zinc 512 (V) khối lượng 680 (lb).
- Bộ biến đổi DA-AC sử dụng thiết bị chỉnh lưu điều khiển silicon.
- Tốc độ tói đa 80 dặm/h.
- Gia tốc từ 0 ÷ 60 dặm/h trong 15,6s.
- Khối lượng xe 3400 (lb).
Về đặc tính kỹ thuật thì có thể so sánh với xe chạy bằng động cơ đốt
trong. Bất lợi chính của xe điện này là hộp ắc quy silver-zinc (Ag-Zn) quá đắt
tiền và nặng, với thời gian làm việc ngắn và thời gian sạc dài. Thêm vào đó
trong những năm 1960, nhân tố thúc đẩy sự phát triển là “The Great Electric
Car Race” (cuộc đua xe điện lớn) cuộc đua đã tạo ra một bước ngoặt về công
nghệ chế tạo xe điện. Tuy nhiên sự đột phá công nghệ trong những năm 1960
vẫn chưa đủ mạnh để đưa xe điện vào thương mại.
Điều khiển chuyển động ô tô điện: Cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ


3

Vào những năm 1970, lệnh cấm vận ở Ả Rập tạo ra một cơn khủng
hoảng về năng lượng, giá xăng dầu tăng đột biến. Nhu cầu phát triển xe điện
càng trở nên mạnh mẽ, nó được sự quan tâm đặc biệt của các hãng sản xuất ơ
tơ lớn và chính phủ. Sự phát triển mạnh trong giai đoạn này dẫn tới sự khả thi
tính thương mại cho xe điện.
Vào những năm 1980 và những năm 1990, do sự phát triển mạnh mẽ của
công nghệ chế tạo chất bán dẫn công suất lớn, cùng với cuộc cách mạng về kỹ
thuật vi xử lý, mà dẫn tới thiết kế bộ biến đổi điện tử công suất, cải tiến đáng

kể hiệu quả điều khiển các động cơ điện. Xe điện được phát triển mạnh mẽ
theo nhiều hướng nghiên cứu khác nhau và đạt được những thành tựu đáng
kể.
Ngày nay, phương tiện chủ yếu là ô tô, ô tô là một phần không thể thiếu
trong cuộc sống hàng ngày, nhưng đa phần ô tô được sử dụng hiện nay là
chạy bằng động cơ đốt trong là ngun nhân chính của sự ơ nhiễm mơi trường
trong thành phố, hiệu ứng nhà kính dẫn tới sự nóng lên của trái đất. Đây cũng
là ngun nhân chính của nhiều cuộc khủng hoảng kinh tế, chính trị và cuộc
khủng hoảng dầu thô đang diễn ra gay gắt trên thế giới. Số ô tô của hành tinh
chúng ta đã tăng gấp đôi khoảng một tỷ so với mười năm trước. Sự tăng số
lượng ô tô trên đường mỗi năm chỉ tăng thêm ơ nhiễm. Do đó nhu cầu phát
triển xe điện để thay thế xe chạy bằng xăng dầu là điều tất yếu. Xe điện cho
hiệu suất cao điều khiển vận hành bằng nguồn năng lượng sạch, thân thiện với
môi trường. Việc thay thế xe chạy bằng năng lượng xăng dầu bằng xe chạy
bằng điện là giải pháp hiệu quả để kìm chế vấn đề ơ nhiễm mơi trường và tiết
kiệm nguồn nguyên liệu đang dần khan hiếm trên hành tinh chúng ta hiện
nay.

Điều khiển chuyển động ô tô điện: Cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ


4

1.1.2. Ưu điểm và những vấn đề còn tồn tại của xe điện
Xe điện có những vấn đề ưu thế cho xã hội như tính kinh tế, tiết kiệm
nhiên liệu, thân thiện với mơi trường, độ an tồn cao, khơng gây ồn. Về kỹ
thuật nó cũng có những ưu đỉem nổi trội là hiệu suất cao, khả năng sinh
mômen nhanh, chính xác, tăng tốc êm, nhờ khả năng thay đổi tốc độ dễ dàng
của hệ truyền động điện nên phân cơ khí nhỏ gọn, dễ dàng tự động hố.
- Hiệu suất sử dụng năng lượng cao, không gây ô nhiễm mơi trường:

Điện năng có thể được thu hồi trong q trình hãm của xe, đồng thời xe điện
hồn tồn khơng phát sinh các khí thải trong q trình hoạt động, đây cũng là
một đặc trưng rất quan trọng giúp cho xe điện có tiềm năng phát triển to lớn
trong tương lai khi mà yêu cầu về bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng
được đặt lên hàng đầu.
- Sinh mômen nhanh và dễ điều khiển: mômen do động cơ điện sinh ra
tỷ lệ với dòng điện đây là quan hệ tượng đối tuyến tính và có đáp ứng nhanh
do qn tính điện là nhỏ. Trong khi đó momen do động cơ xăng sinh ra phụ
thuộc phi tuyến vào góc mở van tiết lưu, tỷ lệ hỗn hợp khơng khí nhiên liêu…
và đáp ứng chậm, khơng chính xác.
- Khối lượng nhẹ và kết cấu cơ khí đơn giản: do động cơ điện dễ dàng
điều chỉnh tốc độ, cần một tỷ số truyền thậm chí khơng cần hộp số (ở một số
loại xe truyền động trưc tiếp từ động cơ), ngoài ra có thể khơng cần bộ vi sai
(xe điện truyền động độc lập các bánh).
- Dễ dàng tự động hoá đem lại những tiện ích cho người sử dụng: việc
điều khiển bằng điện năng có thể ứng dụng các cơng nghệ hiện đại về vi xử lý
để có các hệ thống thông minh giúp người sử dụng cảm thấy thoải mái, tiện
lợi.
Bên cạnh đó, xe điện vẫn cịn tồn tại những hạn chế chưa khắc phục
được hoàn toàn như vấn đề nguồn cấp cho động cơ còn chưa thoả mãn yêu
Điều khiển chuyển động ô tô điện: Cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ


5

cầu, do khả năng tích điện của ắc quy hiện nay chưa cao và thời gian nạp ắc
quy lại dài. Động cơ điện không sinh được mômen lớn bằng động cơ xăng, vì
lý do này động cơ điện ít được dùng cho các phương tiện cỡ lớn, vì phương
tiện loại này địi hỏi mơmen khi khởi động hoặc khi tăng tốc là rất cao, chủ
yếu dùng cho các phương tiện nhỏ (xe con, xe lăn, …).

Hiện nay các hãng sản xuất ô tô lớn vẫn không ngừng nghiên cứu theo
nhiều hướng khác nhau để chế tạo ra nguồn điện có khả năng đáp ứng năng
lượng lâu dài cho động cơ. Sử dụng kết hợp động cơ điện và động cơ xăng
cho xe điện xem ra đang là giải pháp thích hợp nhất hiện nay, có thể xem đây
như là một bước quá độ để tiến đến chế tạo ra xe điện có thể hồn tồn đáp
ứng đựoc u cầu thực tế đặt ra. Ngồi ra, vấn đề tự động hố cho xe điện và
nghiên cứu các thuật toán điều khiển cao cấp để mang lại hiệu quả vận hành
cao nhất cho phương tiện (ví dụ: tối ưu theo độ trựơt, … ) cũng được tiến
hành đồng thời.
1.1.3. Cấu trúc của ô tô điện
Cấu trúc của ô tô điện có những phần giống và khác so với ô tô chạy
bằng động cơ đốt trong thơng thường. Ngồi sự khác biệt về động cơ sử dụng,
hai loại ơ tơ này cịn có những điểm khác nhau cơ bản như về nguồn năng
lượng cấp, về hệ thống điều khiển, hệ thống khởi động,… Dưới đây chúng ta
sẽ chia ô tô điện thành hai phần: phần điện và phần cơ.
Phần điện của ô tô bao gồm:
+ Động cơ: động cơ mà ô tô sử dụng là động cơ điện, động cơ này sẽ
nhận năng lượng từ một phần nguồn cố định, nguồn này sẽ thơng qua bộ biến
đổi để biến năng lượng đó sao cho phù hợp với các yêu cầu về thay đổi tốc độ
của động cơ.
+ Hệ thống cung cấp điện: ắc quy, nguồn điện, bộ điều chỉnh
+ Hệ thống đánh lửa: cuộn đánh lửa, bộ chia điện, bugi…
Điều khiển chuyển động ô tô điện: Cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ


6

+ Hệ thống khởi động: ắc quy, máy khởi động, rơ le, công tắc tơ…
+ Hệ thống các thiết bị theo dõi: các loại đồng hồ đo, cảm biến…
+ Hệ thống chiếu sáng và tín hiệu

+ Một số thiết bị phụ khác.

Hình 1.1. Cấu trúc của ơ tơ điện
Phần cơ của ơ tơ điện (hệ thống truyền lực): có nhiệm vụ truyền mômen
xoắn từ động cơ đến bánh xe chủ động của ôtô, hệ thống này cho phép thay
đổi tỷ số truyền giữa động cơ và bánh xe chủ động tuỳ theo điều kiện chuyển
động trong khi vẫn giữ nguyên chế độ làm việc của động cơ. Ngoài ra, hệ
thống này còn dùng để khởi động động cơ một cách êm dịu, ngắt truyền động
giữa động cơ và bánh xe.
+ Bộ ly hợp: Dùng để nối động cơ với hệ thống truyền lực một cách êm
dịu và tách động cơ ra khỏi hệ thống truyền lực một cách nhanh chóng và dứt
khốt. Trong q trình sử dụng, bộ ly hợp được tách ra khi sang số hoặc khi
phanh ô tô để việc sang số được dễ dàng và tránh bị va đập. Ngồi ra, bộ ly
hợp cịn được dùng là cơ cấu an toàn giữ cho các chi tiết của hệ thống truyền
lực khỏi bị quá tải.
+ Hộp số: Để ôtô có thể làm việc được trong những điều kiện rất khác
nhau về đường xá, trọng tải và tốc độ. Để thích ứng với những điều kiện đó,
cần phải thay đổi lực kéo cùng tốc độ của ô tô trong một khoảng khá rộng để
Điều khiển chuyển động ô tô điện: Cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ


7

đảm bảo được chế độ làm việc kinh tế của động cơ. Hộp số dùng để thay đổi
lực kéo tức là thay đổi tốc độ của ơ tơ. Ngồi ra, nó cịn được dùng để thay
đổi hướng chuyển động như chế độ chạy tiến hay chạy lùi.
+ Các đăng: Trục các đăng dùng để truyền lực từ trục thứ cấp của hộp số
đến trục chủ động của truyền lực chính của cầu sau ô tô.
+ Hệ thống phanh hãm: Thực hiện chức năng phanh, dừng xe khi cần
thiết.

1.1.4. Nguyên lý hoạt động của ô tô điện
Khi động cơ quay, công suất của động cơ được truyền đến bánh xe chủ
động của ô tô thông qua hệ thống truyền lực. Khi truyền như vậy, công suất bị
tổn hao do ma sát trong hệ thống truyền lực và công suất ở bánh xe chủ động
sẽ nhỏ hơn công suất do động cơ phát ra. Công suất ở bánh xe chủ động được
thể hiện qua hai thơng số là mơmen xoắn và vịng quay của bánh xe chủ động.
Nhờ có mơmen xoắn truyền tới bánh xe chủ động và nhờ có sự tiếp xúc giữa
bánh xe chủ động với mặt đường nên tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe chủ động
và mặt đường sẽ phát sinh ra lực kéo tiếp tuyến hướng theo chiều chuyển
động. Lực kéo tiếp tuyến chính là lực mà mặt đường tác dụng lên bánh xe. Để
cho ô tô có thể chuyển động được thì ở vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt
đường phải có độ bám đường nhất định đặc trưng bằng hệ số bám. Nếu độ
bám thấp thì bánh xe có thể bị trượt hoặc quay khi có mơmen xoắn lớn truyền
động từ động cơ đến bánh xe chủ động và lúc đó ơ tơ khơng thể tiến lên phía
trước được. Hệ số bám giữa bánh xe chủ động và mặt đường là tỷ số giữa lực
kéo tiếp tuyến cực đại sinh ra tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe chủ động và mặt
đường trên tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe chủ động. Tải trọng này
thường được gọi là tải trọng bám Gf:
f=

Pk max
Gf

Điều khiển chuyển động ô tô điện: Cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ

(1.1)


8

- Lực kéo tiếp tuyến cực đại phát sinh theo điều kiện bám giữa bánh xe
chủ động và mặt đường:
Pk max = f * G f

(1.2)

- Nếu gọi Z là phản lực thẳng góc từ mặt đường tác dụng lên bánh xe
chủ động thì:
Z = Gf

(1.3)

- Lực bám Pf xác định bởi:
Pf = f * Z

(1.4)

- Để cho bánh xe chủ động không bị trượt hoặc quay tại chỗ khi ô tô
chuyển động thì lực kéo tiếp tuyến cực đại phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám Pf
nghĩa là phải thoả mãn điều kiện (2.5):
Pk max ≤ Pf

(1.5)

1.1.5. Các loại động cơ dùng cho ô tô điện
Động cơ chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ và ngược lại,
chính là sức kéo trong các hệ truyền động. Các hệ thống truyền động đã được
áp dụng cho nhiều hệ thống như: máy bơm, quạt gió, các máy cuốn giấy và
máy dệt, các máy nâng hạ, động cơ servo và rôbốt, các máy cán thép và các
máy quay nghiền xi măng, đặc biệt, ngày nay còn được ứng dụng rộng rãi

trong ô tô điện,… Mỗi động cơ là một cấu trúc điện, cơ và nhiệt phức tạp.
Mặc dù máy điện đã được biết đến từ hơn một trăm năm trước đây nhưng
những nghiên cứu và phát triển về lĩnh vực này dường như là bất tận. Tuy
nhiên, tốc độ phát triển của các loại máy điện là thấp hơn trong sự tương quan
với các thiết bị bán dẫn và các bộ biến đổi công suất. Để thiết kế kỹ thuật cho
một hệ thống truyền động có tính năng cao thì u cầu là phải đáp ứng được
các chỉ tiêu về máy điện, mơ hình động lực học và sự biến thiên về thơng số.
Nói chung, với những hệ truyền động dùng trong công nghiệp, chúng ta
Điều khiển chuyển động ô tô điện: Cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ


9

thường phân loại thành truyền động có tốc độ khơng đổi và truyền động có
tốc độ biến đổi. Các loại máy điện xoay chiều với nguồn cấp hình sin tần số
không đổi thường được dùng trong các hệ truyền động có tốc độ hằng, ngược
lại, các động cơ một chiều hay được sử dụng hơn trong các hệ truyền động có
tốc độ biến đổi.
Trong phần này chúng ta sẽ so sánh ưu nhược điểm của các loại các loại
động cơ được sử dụng trong ô tô điện như sau:
1.1.5.1. Động cơ một chiều
Động cơ một chiều (bao gồm động cơ một chiều kích từ độc lập và động
cơ một chiều kích từ nối tiếp) đều gặp phải những bất lợi như: giá thành cao,
quán tính lớn và các vấn đề về bảo trì với cơ cấu chổi than, vành góp. Khơng
những thế, các cơ cấu chổi than và vành góp sẽ giới hạn tốc độ máy điện và
biên độ dòng điện, gây ra các vấn đề về nhiễu điện từ, không cho phép động
cơ hoạt động trong môi trường bụi bẩn và dễ cháy nổ. Tuy nhiên, các bộ điều
khiển và bộ biến đổi truyền động của động cơ một chiều thường đơn giản và
mômen sinh ra là rất nhanh. Các động cơ xoay chiều (ví dụ: động cơ khơng
đồng bộ roto lồng sóc) khơng gặp phải các bất lợi của động cơ một chiều như

đã đề cập đến ở trên. Trong hai đến ba thập kỷ gần đây, chúng ta đã thu được
các kết quả nghiên cứu và phát triển ngày càng mở rộng về công nghệ truyền
động của máy điện xoay chiều với tần số và tốc độ thay đổi. Mặc dù những
ứng dụng chính cho truyền động tốc độ thay đổi sử dụng động cơ một chiều
nhưng gần đây chúng đã dần được thay thế bởi động cơ xoay chiều. Trong
hầu hết các ứng dụng mới đã sử dụng truyền động động cơ xoay chiều.

Điều khiển chuyển động ô tô điện: Cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ


10

1.1.5.2. Động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều hai dây quấn mà
trong đó chỉ có một dây quấn (dây quấn sơ cấp) nhận điện từ lưới điện xoay
chiều và dây quấn còn lại (dây quấn thứ cấp) được nối tắt lại hay được khép
kín qua điện trở. Dịng điện trong cuộn dây thứ cấp được sinh ra nhờ hiện
tượng cảm ứng điện từ, nó có tần số fr là hàm của tốc độ roto.
Mặc dù vậy động cơ không đồng bộ cũng có những ưu điểm và nhược
điểm như sau:
* Ưu điểm
+ Động cơ không đồng bộ được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế. Ưu
điểm nổi bật của loại động cơ này là dải điều chỉnh tốc độ lớn, lớn hơn 4÷5
lần so với ωđm.
+ Động cơ khơng đồng bộ có cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ roto
lồng sóc. So với động cơ một chiều, động cơ khơng đồng bộ có giá thành hạ,
vận hành tin cậy, chắc chắn, có thể dùng trực tiếp lưới điện ba pha nên có thể
khơng cần thiết bộ biến đổi kèm theo.
* Nhược điểm
+ Động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá

trình quá độ khó khăn, riêng với động cơ roto lồng sóc, thì các chỉ tiêu khởi
động xấu hơn.
+ Do không tách biệt được các thành phần dòng điện, tốc độ, và điện áp
nên việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ là khó khăn hơn nhiều so
với động cơ một chiều.
+ Q trình khởi động khó khăn hơn do đặc tính tại ω =0 có mơmen M
là nhỏ nên nếu nhỏ hơn mơmen cản Mc thì rõ ràng là khơng thể khởi động

Điều khiển chuyển động ô tô điện: Cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ


11

được. Để khởi động thành cơng thì cần phải tăng mômen lên để thắng được
Mc.
+ Hiệu suất sử dụng η thấp
+ Như vậy, nhược điểm chính của động cơ khơng đồng bộ là đặc tính
mở máy xấu, hiệu suất sử dụng thấp và việc khống chế quá trình quá độ khó
khăn hơn so với động cơ một chiều.
1.1.5.3. Động cơ xoay chiều đồng bộ ba pha kích từ nam châm vĩnh cửu

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được chia ra làm hai loại chính:
+ Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có từ thơng dạng hình sin, cực
từ bố trí mặt ngồi (SPM: Simusoidal Surface Magnet Motor).
+ Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có từ thơng dạng hình sin, cực
từ bố trí chìm bên trong (IPM: Simusoidal Interior Magnet Motor.
Cũng giống như động cơ không đồng bộ, (IPM) có dải điều chỉnh tốc độ
lớn, khống chế q trình q dộ khó khăn. Nhưng động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu lại có ưu điểm hơn động cơ không đồng bộ là hiệu suất sử dụng rất
cao. Tuy nhiên động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu lại có giá thành đắt.

Với những ưu điểm và nhược điểm kể trên thì động cơ khơng một chiều
trước đây vấn được sử dụng trong ngành ô tô điện thì bây giờ đã dần được
thay thế bởi động cơ không đồng bộ. Đặc biệt động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu SPM được sử dụng rất nhiều trong ô tơ điện vì hiệu suất mà nó
mang lại rất cao.
1.2. Giới thiệu đề tài
Ơ tơ là một loại phương tiện giao thơng đã có từ lâu và ngày càng trở lên
không thể thiếu được trong đời sống của con người. Cùng với sự ra đời của
các loại xe ngày càng được cải tiến về mẫu mã và chất lượng, điều mà các nhà
sản xuất lo ngại nhất là vấn đề cạn kiệt nguồn năng lượng và vấn đề ô nhiễm
Điều khiển chuyển động ô tô điện: Cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ


12

mơi trường. Ơ tơ điện đã ra đời và khắc phục được hai vấn đề trên, hơn nữa ô
tô điện cịn có khả năng sinh mơmen nhanh và chính xác đảm bảo độ an toàn
và thoải mái tiện lợi của xe. Với những tính năng ưu việt đó thì trong tương
lai không xa, ô tô điện sẽ dần thay thế ô tô chạy bằng động cơ đốt trong và sẽ
chiếm lĩnh vị trí quan trọng trong ngành cơng nghiệp ơ tơ.
Tuy nhiên, ơ tơ điện cũng gặp phải khó khăn là làm thế nào để điều
khiển được ô tô điện trên những đoạn đường trơn ướt mà vẫn đảm bảo khơng
trượt và an tồn. Để giải quyết vấn đề này, người ta đã đề xuất các phương
pháp cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ. Đây cũng là nội dung chính
của bài luận văn này.

Điều khiển chuyển động ơ tô điện: Cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ


13

Chương 2
MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Ơ TƠ ĐIỆN
2.1. Hiện tượng trượt trong ô tô điện
Một trong những vấn đề đáng được lưu tâm nhất trong ô tô điện là điều
khiển tỷ số trượt. Khi ô tô đi trên các đoạn đường khô ráo, hệ số ma sát lớn,
độ trượt là nhỏ. Ngược lại, khi xe chạy trên đường trơn (như đoạn đường có
nước, có sỏi cát nhỏ, …) thì hiện tượng trượt xảy ra. Lúc này, hệ số ma sát
giữa xe và bề mặt đường giảm rất mạnh, độ trượt tăng lên, bánh xe quay
nhanh hơn rất nhiều nhưng xe lại khơng di chuyển (xe có hiện tượng đứng
n trong khi bánh xe quay tròn,quay tại chỗ) hoặc xe bị trượt trên đường
(giống như hiện tượng phanh hãm). Ở đây, chúng ta sẽ phân tích kỹ hiện
tượng trượt thơng qua việc xem xét đồ thị biểu hiện mối quan hệ giữa các lực
tác dụng lên ô tô và hệ số ma sát với mặt đường khi ô tô chạy.
Hệ số ma sát (µ)

Vùng điều khiển sức kéo
Lực truyền động

Lực bên

Tỷ số trượt ( λ )

Hình 2.1. Đặc tính của lực truyền động và lực bên
Khi ô tô hoạt động, có hai lực tác dụng chính vào ơ tơ:
+ Lực truyền động (driving force) hay còn gọi là lực thẳng (longitudinal
force).
+ Lực bên (lateral force).
Điều khiển chuyển động ô tô điện: Cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ

14

Các đặc tính của lực này được miêu tả như trên hình 2.1. Từ hình vẽ
trên, chúng ta rút ra nhận xét, cả lực truyền động (lực lái) và lực bên đều phụ
thuộc rất mạnh mẽ vào hệ số trượt λ. Như đã nói từ trước, hệ số λ trượt được
xác định theo biểu thức sau:
λ=

Vω − V
Vω

(2.1)

Ở đây:
+ V: tốc độ của xe
+ Vω: tốc độ của bánh xe
+ λ: hệ số trượt của xe
Lực bên có giá trị lớn nhất khi λ = 0 hay vận tốc bánh xe chính là vận
tốc của xe, khi đó khơng có hiện tượng trượt xảy ra. Đồng thời, lực bên sẽ
giảm rất nhanh khi λ tăng. Khi hiện tượng trượt xảy ra thì hệ số ma sát sẽ đột
ngột giảm, lúc đó hệ số trượt sẽ tăng lên và độ lớn lực bên sẽ giảm đi nhanh
chóng. Điều này sẽ làm nảy sinh rất nhiều vấn đề nghiêm trọng như: sự trơi
của bánh xe truyền động phía trước, sự quay nhanh hơn của các bánh xe
truyền động phía sau và sự trôi của cả bốn bánh xe. Nếu như hiện tượng trượt
xảy ra khi ta đang cua xe trên đường vòng thi sẽ vơ cùng nguy hiểm, bởi trong
tình huống đó, lực trung bình tác dụng lên xe cũng giảm xuống.
Vùng điều khiển sức kéo tối ưu và hiệu quả nhất, theo nghiên cứu và
tính tốn của các chun gia chính là vùng gách chéo ở lân cận giao điểm của
hai đường cong lực (đường conglực truyền động và đường cong lực bên),

được thể hiện trên hình 2.1. Ở vùng lân cận này, khi hệ số trượt thay đổi thì
lực truyền động và lực bên cũng thay đổi một cách tuyến tính và việc điều
khiển sẽ trở nên hồn tồn đơn giản hơn rất nhiều.
Trong khuôn khổ đồ án này, chúng ta sẽ chỉ tiến hành việc điều khiển
lực truyền động (driving force) hay còn gọi là lực thẳng, lực lái thông qua
Điều khiển chuyển động ô tô điện: Cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ


15

việc điều chỉnh hệ số trượt để nâng cao độ bám dính mặt đường của lốp xe.
Trên cơ sở đó chúng ta sẽ xây dựng mơ hình điều khiển cho động cơ và cho
hệ thống được thực hiện ngay ở phần kế tiếp.
2.2. Xây dựng mơ hình động lực học của ơ tơ điện
Mơ hình tổng qt cho xe điện có dạng như hình 2.2

Điều
khiển

Động cơ
điện

Hệ thống
truyền lực

-

Bán kính
bánh xe r

Vận tốc
bánh xe Vw

Momen
cản tổng Mc

Hình 2.2. Mơ hình tổng quát truyền động cho xe điện
Ở đây ô tô sẽ sử dụng một động cơ điện, thông qua hệ thống truyền lực
sẽ sinh ra mômen ở đầu trục động cơ. Hiệu giữa mômen do động cơ sinh ra và
mômen cản chính là mơmen đưa vào làm bánh xe quay. Ở đây đồ án không
tập trung vào vấn đề động cơ mà sẽ chỉ đi sâu vào vấn đề điều khiển.
Để thành lập mơ hình động lực học của xe điện, trước hết cần xuất phát
từ phương trình động lực học cơ bản của truyền động điện:

T -Td = J

dω
dt

Trong đó:
T: mômen động cơ đã biến đổi qua cơ cấu hộp số.
Td: mômen cản tổng.
ω: tốc độ ra đầu trục.

Điều khiển chuyển động ô tô điện: Cải thiện độ bám đường dùng lý thuyết mờ

(2.2)