Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống chống bó cứng phanh
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.47 MB, 76 trang )
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
NGUYỄN THỊ THẮM
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
CHO HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Đà Nẵng, 2020
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
NGUYỄN THỊ THẮM
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
CHO HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH
Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số
:
62.52.02.16
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN LÊ HÒA
ĐÀ NẴNG, 2020
ii
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG CHỐNG
BÓ CỨNG PHANH ABS
Học viên: Nguyễn Thị Thắm
Mã số:
Khóa: 36
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt - Luận văn này trình bày thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống chống bó cứng
phanh ABS. Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) là một hệ thống an tồn ơ tơ cho phép các bánh xe
duy trì sự tiếp xúc chủ động với mặt đường, ngăn chặn các bánh xe bị khóa và tránh trượt khơng kiểm
sốt. ABS giúp cải thiện khả năng kiểm soát xe và giảm khoảng cách dừng trên mặt đường khô và ướt
ABS điều chỉnh áp suất phanh độc lập với lực đạp để đưa tốc độ của bánh xe về giới hạn trượt cho
phép. ABS giúp cải thiện khả năng kiểm soát xe và giảm khoảng cách dừng trên mặt đường khô và
ướt. Bộ Bộ điều khiển PID sẽ tính tốn giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và
giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều
khiển đầu vào.
Từ khóa - Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS), bộ điều khiển PID, vận tốc dừng ô tô,
khoảng cách dừng ô tô, khả năng bẻ lái ô tô.
PID CONTROLLER DESIGN FOR SYSTEMS
ABS HARD BRAKE
Abstract
This thesis presents PID controller design for ABS anti-lock braking system. Anti-lock braking system
(ABS) is an automotive safety system that allows the wheels to maintain active contact with the road,
preventing the wheels from locking and avoiding uncontrolled gliding. ABS helps improve vehicle
control and reduce stopping distance on wet and dry pavement. ABS adjusts brake pressure
independently with pedal force to bring wheel speed to the slip limit. ABS helps improve vehicle
control and reduce stopping distances on dry and wet roads. The PID controller will calculate the
"error" value as the difference between the variable parameter measurement value and the desired set
value. The controller will minimize the error by adjusting the input control value.
Key word - Anti-lock braking system (ABS), PID controller, stopping speed, stopping
distance, ability to steer cars.
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN...................................................................................................................................... i
TÓM TẮT................................................................................................................................................... ii
MỤC LỤC................................................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT.............................................................................................. v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU........................................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................................................. vii
DANH MỤC CÁC HÌNH................................................................................................................ viii
MỞ ĐẦU...................................................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài........................................................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu................................................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.......................................................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu............................................................................................................ 2
5. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn......................................................................................... 2
6. Bố cục................................................................................................................................................ 2
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH
(ABS).............................................................................................................................................................. 4
1.1. Giới thiệu chung về hệ thống ABS............................................................................................. 4
1.1.1. Tổng quan................................................................................................................................. 4
1.1.2. Chức năng................................................................................................................................. 6
1.2. Cấu tạo................................................................................................................................................... 8
1.2.1. Tín hiệu đầu vào (cảm biến).............................................................................................. 9
1.2.2. Bộ điều khiển điện tử trung tâm ECU......................................................................... 10
1.2.3. Cơ cấu chấp hành................................................................................................................ 15
1.3. Nguyễn lý hoạt động hệ thống phanh ABS........................................................................... 16
1.4. Điều khiển hệ thống ABS............................................................................................................ 18
1.5. Kết luận............................................................................................................................................... 22
CHƢƠNG 2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG ABS...................... 23
2.1. Mơ hình hệ thống phanh 1/4 xe................................................................................................. 23
2.1.1. Động lực học của xe và bánh xe.................................................................................... 23
2.1.2. Quan hệ giữa hệ số ma sát và hệ số trượt.................................................................. 24
2.2. Bộ điều khiển PID.......................................................................................................................... 26
2.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển PID............................................................................................. 26
2.2.2. Đặc điểm của các khâu P, I và D................................................................................... 28
2.3. Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống ABS.................................................................... 32
iv
2.4. Kết luận............................................................................................................................................... 33
CHƢƠNG 3. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ...................... 34
3.1. Mô phỏng hệ thống ABS vịng hở (chưa có điều khiển).................................................. 34
3.1.1. Sơ đồ mơ phỏng................................................................................................................... 34
3.1.2. Kết quả mô phỏng............................................................................................................... 35
3.2. Mô phỏng hệ thống ABS vịng kín (có điều khiển)........................................................... 37
3.2.1. Bộ điều khiển tỷ lệ (P)...................................................................................................... 37
3.2.2. Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân (PI).............................................................................. 41
3.2.3. Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân - vi phân (PID)....................................................... 44
3.2.4. So sánh kết quả mơ phỏng hệ thống phanh ABS có điều khiển PID và
khơng có điều khiển................................................................................................................................ 48
3.5. Kết luận............................................................................................................................................... 50
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................................................... 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)
v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ
viết tắt
ABS
ASR
BA
EBD
ECU
VSC
PID
ESP
SBC
EHB
BBW
vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
KÝ HIỆU
λ
S
Tb
v
ω
ω0
v0
g
m
Mz
L
J
K
G
R
W
ρ
vii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng
1.1.
2.1.
2.2.
Các trạng thái giảm tố
Tham số của mơ hình
mặt đường khác nhau
Tham số của mơ hình
mặt đường khác nhau
2.3.
Các tham số của mô h
3.1.
Tham số mô phỏng.
3.2.
Khoảng cách dừng xe
3.3.
Vận tốc bánh xe.
3.4.
Vận tốc của xe.
viii
DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
hình
1.1.
Q trình phát triển h
1.2.
Quỹ đạo xe khi phanh
1.3.
Cấu tạo ABS
1.4.
Vị trí và cấu tạo cảm
1.5.
Hoạt động của ABS k
1.6.
Hoạt động của ABS ở
1.7.
Hoạt động của ABS ở
1.8.
Hoạt động của ABS ở
1.9.
Sơ đồ hệ thống phanh
1.10.
Dạng xung của cảm b
1.11.
Xe có ABS và khơng
1.12.
Sơ đồ ngun lý hệ th
1.13.
Vùng hệ số trượt có l
1.14.
Cảm biến gia tốc dọc
2.1.
Động lực học 1/4 xe
2.2.
Quan hệ μ(λ) theo mô
2.3.
Cấu trúc bộ điều khiể
2.4.
Cấu trúc bộ điều khiể
2.5.
Đồ thị PV theo thời g
2.6.
Đồ thị PV theo thời g
Kd không đổi)
2.7.
2.8.
Đồ thị PV theo thời g
Cấu trúc của hệ thống
2.9.
Cơ cấu chấp hành của
3.1.
Hệ thống ABS chưa c
3.2.
Vận tốc bánh và vận
3.3.
Khoảng cách dừng xe
3.4.
Sự biến thiên của hệ s
3.5.
Mo mem phanh
3.6.
Điều khiển phản hồi k
3.7.
Hệ thống ABS có điề
ix
Số hiệu
hình
3.8.
Vận tốc dài và vận tố
3.9.
Sự biến thiên của hệ s
3.10.
Sự biến thiên của mo
3.11.
Khoảng cách dừng xe
3.12.
Điều khiển phản hồi k
3.13.
Hệ thống ABS khi có
3.14.
Vận tốc dài và vận tố
3.15.
Sự biến thiên của hệ s
3.16.
Sự biến thiên của mô
3.17.
Khoảng cách dừng xe
3.18.
Điều khiển phản hồi k
3.19.
Hệ thống ABS điều k
3.20.
Vận tốc dài và vận tố
3.21.
Khoảng cách dừng xe
3.22.
Sự biến thiên của hệ s
3.23.
Sự biến thiên của mo
3.24.
Khoảng cách dừng hệ
điều khiển.
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu sử dụng xe ô tô ngày càng nhiều.
Người ta dùng ô tô với nhiều mục đích khác nhau, nhất là vận chuyển hành khách,
hàng hóa, giao thông công cộng,..Nhu cầu cao dẫn đến mật độ ô tô lưu thông trên
đường ngày càng nhiều nên tai nạn giao thơng ngày càng cao. Do đó, để đảm bảo tính
an tồn vấn đề tai nạn giao thơng là một trong những hướng giải quyết cần thiết nhất,
luôn được quan tâm của các nhà thiết kế và chế tạo ôtô. Hệ thống phanh là một trong
những hệ thống quan trọng nhất trên xe, cùng với hệ thống lái, hệ thống phanh góp
phần giữ an tồn cho người ngồi trên xe khi giảm tốc độ và dừng xe, đặc biệt là trong
những tình huống nguy hiểm.
Vì thế, hệ thống phanh được đặc biệt chú ý trong q trình tính tốn thiết kế xe
ô tô. Phanh sử dụng ABS là một trong hai công nghệ bổ sung cho hệ thống phanh hữu
dụng nhất của ngành công nghiệp ôtô thời gian gần đây.
Hệ thống phanh chống bó cứng (ABS), viết tắt của Anti-lock Braking System,
là một hệ thống giúp cho bánh xe của phương tiện ln bám đường và quay trong q
trình phanh, hạn chế tối đa hiện tượng trượt lết trên mặt đường của bánh xe phanh nhờ
nguyên lý nhấp nhả phanh liên tục. Khi phanh gấp xe ở tốc độ cao, khi xe quay vòng
hoặc phanh khi xe đi trên đường trơn sẽ xảy ra hiện tượng trượt lết của bánh xe trên
mặt đường do bánh xe bị bó cứng làm cho quãng đường phanh dài hơn và kèm theo đó
là sự mất ổn định, người lái khơng thể điều khiển hướng của xe, thậm chí văng xe, đổ
xe, lật xe. Điều này là rất nguy hiểm. Tuy nhiên, hệ thống phanh chống bó cứng khắc
phục được điều trên.
Một nghiên cứu tại Úc vào năm 2003 của Trung tâm nghiên cứu tai nạn thuộc
Đại học Monash chỉ ra rằng ABS giúp giảm nguy cơ tai nạn 18% trên đường tốt và
giảm đến 35% trên đường gồ ghề. Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng khi phanh
trên đường cát, sỏi, đường nhiều tuyết với ABS thì quãng đường phanh khơng phải rút
ngắn mà cịn tăng thêm khoảng 22%. Điều này cũng khơng phải là có hại vì trên các
loại đường này bánh xe phanh nhanh chóng bị bó cứng hơn mà ABS thì ngăn chặn
điều đó để ưu tiên quyền kiểm soát xe.
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc và hỗ trợ rất lớn của kỹ thuật điện tử, của
ngành điều khiển tự động và các phần mềm tính tốn, lập trình cực mạnh đã cho phép
nghiên cứu và đưa vào ứng dụng các phương pháp điều khiển mới trong ABS như điều
khiển mờ, điều khiển thông minh, tối ưu hóa q trình điều khiển ABS.
2
Vì những lý do trên nên đề tài “Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống chống
bó cứng phanh” thực sự cần thiết.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích của luận văn là nghiên cứu cơ sở lý thuyết, đề xuất phương pháp và
xây dựng chương trình dự báo phù hợp bộ điều khiển PID cho hệ thống chống bó
phanh cứng trên xe ô tô.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống chống bó cứng phanh trên xe ô tô.
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phanh
và chống bó cứng cho các bánh xe ơ tơ.
4. Phƣơng pháp nghiên
cứu Nghiên cứu lý thuyết:
- Nghiên cứu các tài liệu về bộ điều khiển PID.
- Phân tích bản chất vật lý của các hiện tượng xảy ra trong quá trình phanh từ
đó đánh giá tính hiệu quả và phạm vi ứng dụng của hệ thống phanh ABS giúp người
đọc nắm được bản chất cơ bản của hệ thống phanh ABS.
- Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mơ hình hoạt động của cơ cấu phanh ABS
của ¼ xe.
Nghiên cứu thực nghiệm:
- Tất cả các công việc của đề tài được mô phỏng và kiểm chứng bằng
phần mềm Matlab/simulink.
5. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn
Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển hệ thống ABS làm việc tối ưu, nhằm ngăn
chặn lốp xe bị khóa trong q trình phanh khẩn cấp, điều kiện đường trơn trượt hoặc
trong lúc hoản loạn của tài xế. Bộ điều khiển PID cho hệ thống chống bó phanh cứng
trên xe ơ tơ có thể làm giảm độ trượt khi phanh cũng như khoảng cách và thời gian
phanh, cải thiện hiệu quả phanh trên bề mặt phức tạp.
6. Bố cục
- Lý do chọn đề tài
- Mục đích nghiên cứu
- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu
- Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn
Ngoài phần mở đầu và kết thúc, nội dung chính của luận văn được trình bày
trong 3 chương với nội dung như sau:
3
Chương 1 trình bày tổng quan hệ thống phanh ABS, về cấu tạo như cảm biến,
bộ điều khiển điện tử trung tâm, hệ thống thuỷ lực... nguyên lý hoạt động cũng như các
phương pháp điều khiển ABS.
Trong chương 2, tác giả đề cập đến việc xây dựng mơ hình tốn học của hệ
thống phanh chống bó cứng. Chương này mơ tả động lực học, hệ thống phanh thuỷ lực
của ¼ xe. Phân tích q trình điều khiển dựa trên phương pháp điều khiển chế độ trượt
theo mơ hình của Pacejka và các giả định cơ bản được thực hiện.
Chương 3 mô phỏng và đánh giá kết quả được thực hiện trong MATLABSimulink về độ trượt, vận tốc bánh và khoảng cách dừng xe. Từ đó dẫn ra ưu điểm bộ
điều khiển PID cho hệ thống chống bó cứng phanh ABS như là khoảng cách dừng xe
ngắn hơn so với hệ thống phanh không sử dụng bộ điều khiển.
4
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH (ABS)
1.1. Giới thiệu chung về hệ thống ABS
1.1.1. Tổng quan
Hệ thống chống bó cứng phanh - Antilock Brake System (ABS) được sử dụng
lần đầu tiên trên các máy bay thương mại vào năm 1949, chống hiện tượng trượt ra
khỏi đường băng khi máy bay hạ cánh. Tuy nhiên, kết cấu của ABS lúc đó cịn cồng
kềnh, hoạt động khơng tin cậy và khơng tác động đủ nhanh trong mọi tình huống.
Trong quá trình phát triển, ABS đã được cải tiến từ loại cơ khí sang loại điện và hiện
nay là loại điện tử. ABS là một hệ thống tự động sử dụng các nguyên tắc phanh
ngưỡng và phanh nhịp, các kỹ thuật đã từng được thực hiện bởi các trình điều khiển
trước khi ABS được phổ biến rộng rãi.
Hệ thống phanh ABS trên các xe ô tô rất phức tạp và được điều khiển điện tử có
lập trình. Kể từ những giữa năm 80, các nhà sản xuất đã đưa ra rất nhiều loại hệ thống
phanh chống bó cứng bánh xe. Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã tiến hành nhằm đưa
ra các phương pháp điều khiển cũng như cải tiến hệ thống phanh ABS. Vào thời kỳ
đầu, các nghiên cứu nhằm hoàn thiện kết cấu hệ thống ABS.
Để tránh hiện tượng các bánh xe bị hãm cứng trong quá trình phanh khi lái xe
trên đường trơn, người lái xe đạp phanh bằng cách nhịp liên tục lên bàn đạp phanh để
duy trì lực bám, ngăn khơng cho bánh xe bị trượt lết và đồng thời có thể điều khiển
được hướng chuyển động của xe. Về cơ bản, chức năng của hệ thống phanh ABS cũng
giống như vậy nhưng hiệu quả, độ chính xác và an tồn cao hơn.
Vào thập niên 1960, nhờ kỹ thuật điện tử phát triển, các vi mạch điện tử
(microchip) ra đời, giúp hệ thống ABS lần đầu tiên được lắp trên ôtô vào năm 1969.
Sau đó, hệ thống ABS đã được nhiều cơng ty sản xuất ôtô nghiên cứu và đưa vào ứng
dụng từ những năm 1970s. Công ty Toyota sử dụng lần đầu tiên cho các xe tại Nhật từ
năm 1971, đây là hệ thống ABS 1 kênh điều khiển đồng thời hai bánh sau. Nhưng phải
đến thập niên 1980s hệ thống này mới được phát triển mạnh nhờ hệ thống điều khiển
kỹ thuật số, vi xử lý (digital microprocessors/microcontrollers) thay cho các hệ thống
điều khiển tương tự (analog) đơn giản trước đó.
Lúc đầu hệ thống ABS chỉ được lắp trên các xe du lịch cao cấp, đắt tiền, được
trang bị theo yêu cầu và theo thị trường. Dần dần hệ thống này được đưa vào sử dụng
rộng rãi hơn, đến nay ABS gần như đã trở thành tiêu chuẩn bắt buộc cho tất cả các loại
xe tải, một số xe du lịch và cho phần lớn các loại xe hoạt động ở những vùng có đường
băng, tuyết dễ trơn trượt. Hệ thống ABS không chỉ được thiết kế trên các hệ thống
5
phanh thủy lực, mà còn ứng dụng rộng rãi trên các hệ thống phanh khí nén của các xe
tải và xe khách lớn.
Nhằm nâng cao tính ổn định và tính an toàn của xe trong mọi chế độ hoạt động
như khi xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột, khi đi vào đường vòng với tốc độ cao, khi
phanh trong những trường hợp khẩn cấp,… hệ thống ABS còn được thiết kế kết hợp
với nhiều hệ thống khác như Hình 1.1.
Hình 1.1. Quá trình phát triển hệ thống phanh ABS.
Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống kiểm soát lực kéo TRC-Traction control
(hay ASR) làm giảm bớt công suất động cơ và phanh các bánh xe để chống hiện tượng
các bánh xe bị trượt lăn tại chỗ khi xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột, bỡi điều này
làm tổn hao vơ ích một phần cơng suất của động cơ và mất tính ổn định chuyển động
của ơtơ.
Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống phân phối lực phanh bằng điện tử EBD
(Electronic Brake force Distribution) nhằm phân phối áp suất dầu phanh đến các bánh
xe phù hợp với các chế độ tải trọng và chế độ chạy của xe.
Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp BAS (Brake Assist
System) làm tăng thêm lực phanh ở các bánh xe để có quãng đường phanh là ngắn
nhất trong trường hợp phanh khẩn cấp. Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống ổn định
ôtô bằng điện tử (ESP), khơng chỉ có tác dụng trong khi dừng xe, mà cịn can thiệp vào
cả q trình tăng tốc và chuyển động quay vịng của ơtơ, giúp nâng cao hiệu suất
chuyển động của ôtô trong mọi trường hợp.
ESP: Electronic Stability Program – Chương trình kiểm sốt ổn định động học
của ôtô. Chương trình là một phần của hệ thống VSC, được dùng để kiểm soát khả
năng ổn định hướng của ôtô khi phanh, khi đi trên đường vòng hay chuyển động thẳng
gặp ngoại lực ngẫu nhiên tác động.
6
SBC: Sensoelectric Braking Control – Hệ thống phanh thủy lực điện tử, được
bố trí theo sự mở rộng kiểm sốt nhờ các cảm biến và chương trình điều khiển thích
hợp của ôtô con.
EHB: Electrohydraulic brake – Hệ thống phanh thủy lực điện tử là một phân
khúc của hệ thống phanh điện tử có sự hỗ trợ của hệ thống thủy lực.
BBW: Brake – By – Wirre – Hệ thống phanh điện là một phân khúc của hệ
thống phanh điện tử khơng có sự hỗ trợ của hệ thống thủy lực.
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc và hỗ trợ rất lớn của kỹ thuật điện tử, của
ngành điều khiển tự động và các phần mềm tính tốn, lập trình cực mạnh đã cho phép
nghiên cứu và đưa vào ứng dụng các phương pháp điều khiển mới trong ABS như điều
khiển mờ, điều khiển thơng minh, tối ưu hóa q trình điều khiển ABS.
1.1.2. Chức năng
Hệ thống chống bó cứng phanh Antilock Brake System (ABS) là hệ thống
chống trượt an toàn được sử dụng trên các phương tiện trong đường bộ, như ô tô, xe
máy, xe tải và xe buýt. ABS hoạt động bằng cách ngăn chặn các bánh xe bị khóa trong
khi phanh, do đó duy trì khả năng tiếp xúc chủ động với mặt đường.
ABS là một hệ thống tự động sử dụng các nguyên tắc phanh ngưỡng và phanh
nhịp, các kỹ thuật đã từng được thực hiện bởi những người lái xe khéo léo trước khi
ABS được phổ biến rộng rãi. ABS hoạt động với tốc độ nhanh hơn nhiều và hiệu quả
hơn hầu hết các quá trình điều khiển có thể quản lý. Mặc dù ABS thường cung cấp khả
năng kiểm soát xe được cải thiện và giảm khoảng cách dừng trên bề mặt khô và một số
bề mặt trơn trượt, trên bề mặt sỏi lỏng hoặc tuyết phủ, ABS có thể tăng đáng kể
khoảng cách dừng xe, trong khi vẫn cải thiện khả năng kiểm sốt được hướng lái.
Các phiên bản hiện đại có thể khơng chỉ ngăn chặn khóa bánh xe khi phanh, mà
cịn có thể thay đổi độ lệch phanh trước và sau. Do đó nâng cao tính ổn định, khi bánh
xe bị khóa sẽ làm giảm lực phanh nhỏ hơn giá trị cho phép, đồng thời khơng có khả
năng để duy trì các lực tác động theo phương ngang do đó dẫn đến mất ổn định. Việc
kiểm soát được lực ma sát cho phép kiểm soát được các lực tác động theo phương
ngang, do đó kiểm sốt bẻ lái được cải thiện và có thể tránh vật cản một cách chủ
động.
Trong quá trình phanh, do tác dụng lực qn tính của ơ tô làm cho tải trọng tác
dụng lên các bánh xe cầu trước và sau thay đổi liên tục. Tải trọng tác dụng lên cầu
trước tăng lên, tải trọng tác dụng lên cầu sau giảm đi theo quan hệ tỷ lệ với sự tăng của
giảm tốc phanh. Để đạt hiệu quả phanh cao nhất, yêu cầu lực phanh phát huy ở vùng
tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường phải đạt được trị số bằng lực bám. Trị số của lực
bám giữa bánh xe với mặt đường phụ thuộc vào tải trọng tác dụng lên bánh xe và hệ số
7
bám của bánh xe với mặt đường. Hệ thống phanh giữ vai trị quan trọng trong việc
đảm bảo an tồn chuyển động của xe.
Vì vậy, muốn tận dụng khả năng bám mặt đường trong quá trình phanh, lực
phanh các bánh xe ở cầu trước và cầu sau cần phải được điều khiển liên tục theo trọng
lượng bám của các bánh xe tương ứng.
Các kết quả nghiên cứu về động lực học của bánh xe ô tô chuyển động trên nền
đường cứng cho thấy: ở chế độ chủ động, dưới tác dụng của mô men xoắn, lốp xe bị
biến dạng làm xuất hiện hiện tượng trượt cục bộ tại vùng tiếp xúc của bánh xe với mặt
đường. Kết quả là khi phanh, bánh xe bị phanh sẽ vừa lăn vừa trượt. Sự trượt tăng tỷ lệ
với mô men phanh phát huy ở bánh xe.
Biện pháp kết cấu nhằm điều khiển lực phanh các bánh xe cầu trước và cầu sau
trong quá trình phanh trên các ơ tơ trước đây là sử dụng bộ tự động điều chỉnh lực
phanh ở các bánh xe cầu sau theo các thông số tải trọng và áp suất. Hệ thống phanh
được lắp bộ điều chỉnh này có khả năng hạn chế khả năng trượt lết của các bánh xe cầu
sau khi phanh, tuy nhiên, tính năng này chỉ phát huy trong điều kiện chuyển động của
xe trên một số loại đường nhất định. Trường hợp xe chuyển động trên các loại đường
có hệ số bám thấp hiện tượng trượt lết của xe vẫn có thể xảy ra, đặc biệt khi phanh xe
ở tốc độ cao.
Trên các xe ô tô hiện đại, người ta sử dụng hệ thống phanh ABS, đây là hệ
thống phanh điều khiển c h o phép tự động điều khiển áp suất trong dẫn động phanh ra
các bánh xe, sao cho duy trì được độ trượt của bánh xe trong quá trình phanh nằm
trong vùng độ trượt tối ưu. Nhờ tính năng điều khiển này, trong q trình phanh, xe
vừa có hiệu quả phanh cao vừa ổn định hướng và có tính năng điều khiển tốt. Xe có
trang bị ABS tính năng điều khiển của xe tốt hơn so với xe khơng có trang bị ABS. Với
hệ thống phanh ABS, áp suất trong dẫn động phanh được tự động điều chỉnh điều
nhằm đạt được momen phanh tối ưu trên các bánh xe, nhờ đó ngay cả với người lái xe
ít kinh nghiệm thao tác phanh cũng trở nên đơn giản hơn, tránh được hiện tượng trượt
lết của xe khi phanh như Hình 1.2.
8
Hình 1.2. Quỹ đạo xe khi phanh có ABS và khơng có ABS
1.2. Cấu tạo
Về cơ bản, hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) bao gồm 3 khối chính như
Hình 1.3
- Tín hiệu đầu vào (cảm biến) bao gồm cảm biến tốc độ bánh xe, công tắc chân
phanh.
- Bộ điều khiển điện tử ECU (Electronic Control Unit), đồng thời là máy phát
điện.
- Cơ cấu chấp hành (đầu ra) bao gồm các van điện từ điều khiển dòng dầu
phanh vào/ra xy lanh bánh xe, bơm dầu phanh, đèn báo phanh và giắc chuẩn đốn.
Hình 1.3. Cấu tạo ABS
9
1.2.1. Tín hiệu đầu vào (cảm biến)
Khối này làm nhiệm vụ chuyển giao các thông tin về trạng thái làm việc của hệ
thống dưới dạng các tín hiệu điện, cụ thể là dạng xung, on-off,... Trong đó, bộ phận
quan trọng nhất chính là các cảm biến tốc độ bánh xe. Nó sẽ giúp hộp điều khiển biết
được tình trạng hoạt động của bánh xe đang ở tốc độ bao nhiêu (km/h), có đang bị bó
cứng hay khơng (khi bó cứng tốc độ bằng 0). Tín hiệu từ cơng tắc chân phanh sẽ cho
biết trạng thái hoạt động của bàn đạp phanh, khi xe đang thực hiện phanh thì đèn sẽ
phát sáng ở phía sau xe để các phương tiện di chuyển xung quanh nhận biết.
Việc sử dụng cảm biến giảm tốc cho phép ECU đo trực tiếp sự giảm tốc của
bánh xe trong q trình phanh. Vì vậy, nó biết rõ hơn trạng thái của mặt đường. Kết
quả là mức độ chính xác khi phanh được cải thiện để tránh cho các bánh xe khơng bị
bó cứng.
Cảm biến giảm tốc bao gồm hai cặp đèn LED và phototransistor, một đĩa xẻ
rãnh và một mạch biến đổi tín hiệu. Cảm biến giảm tốc nhận biết mức độ giảm tốc độ
bánh xe và gửi các tín hiệu về ECU. ECU dùng những tín hiệu này để xác định chính
xác tình trạng mặt đường và thực hiện các biện pháp điều khiển thích hợp như Hình
1.4.
Đĩa cảm biến
PhotoTransistor 1
ON
Hình 1.4. Vị trí và cấu tạo cảm biến giảm tốc
Khi mức độ giảm tốc của xe thay đổi, đĩa xẻ rãnh lắc theo chiều dọc của xe
tương ứng với mức độ giảm tốc độ. Các rãnh trên đĩa cắt ánh sáng từ đèn LED đến
phototransistor và làm phototransistor đóng, mở. Người ta sử dụng 2 cặp đèn LED và
phototransistor để tạo ra 4 trạng thái giảm tốc như trình bày ở bảng 1.1.
10
Bảng 1.1. Các trạng thái giảm tốc của cảm biến giảm tốc.
Phototransistor số 1
Phototransistor số 1
Trạng thái giảm tốc
1.2.2. Bộ điều khiển điện tử trung tâm ECU
Bộ vi xử lý, hay cịn gọi là ECU thực hiện cơng việc tiếp nhận các thông tin từ
cảm biến tốc độ bánh xe trong khối “các tín hiệu đầu vào”, sau đó sẽ phân tích và cho
biết bánh xe đang quay với tốc độ bao nhiêu, có bị bó cứng hay khơng. Tiếp đến, ECU
sẽ truyền lệnh xử lý đến đầu ra.
Khi xe đang di chuyển mà ta thắng lại, ban đầu các bánh xe sẽ trong trạng thái
bó cứng. Để biết được điều này, cảm biến tốc độ bánh xe sẽ truyền thông tin trạng thái
của xe ô tô đến bộ vi xử lý, ECU sẽ phân tích và kết luận xe bị bó cứng phanh, cuối
cùng nó sẽ kích hoạt mở van điện từ xả áp suất dầu phanh của xy lanh bánh xe về hệ
thống bơm, và bánh xe thực hiện việc quay bình thường.
Chưa hết, khi bánh xe đã quay trở lại thì bộ điều khiển điện tử tiếp tục kích hoạt
mơ tơ bơm hoạt động, đồng thời mở van điện từ cung cấp dầu có áp suất vào hệ thống
phanh để phanh bánh xe trở lại. Quá trình phanh - nhả - phanh - nhả diễn ra liên tục
với tốc độ rất nhanh tạo nên sự trơn tru, giúp cho bánh xe vừa thực hiện chức năng
phanh vẫn có thể quay mà khơng bị bó cứng, trong khi bánh xe trước vẫn thực hiện
chức năng dẫn hướng cho xe ơ tơ một cách bình thường. Ngồi ra, ECU cịn có chức
năng kiểm tra ban đầu, chức năng dự phịng và chức năng chẩn đốn như Hình 1.5.
Chức năng kiểm tra ban đầu: ECU kích hoạt van điện và môtơ bơm theo thứ tự
để kiểm tra hệ thống điện của ABS. Nó chỉ hoạt động một lần sau mỗi lần bật khóa
điện. Chức năng này hoạt động khi tốc độ xe lớn hơn 6 km/h với đèn phanh tắt.
Điều khiển chống bó cứng: ECU liên tục nhận được các tín hiệu tốc độ bánh xe
từ bốn cảm biến tốc độ xe bằng cách tính tốn tốc độ và sự giảm tốc của mỗi bánh xe.
Khi đạp phanh, áp suất dầu tại mỗi xylanh bánh xe bắt đầu tăng và tốc độ mỗi bánh xe
bắt đầu giảm. Nếu có bất kì bánh xe nào sắp bị bó cứng, ECU giảm, giữ và tăng áp
suất dầu trong xy lanh bánh xe đó.
11
Chi tiết
Van 3 vị trí
Bơm
Hình 1.5. Hoạt động của ABS khi phanh bình thường
12
Chi tiết
Van 3 vị trí
Bơm
Hình 1.6. Hoạt động của ABS ở chế độ giảm áp
13
Chi tiết
Van 3 vị trí
Bơm
Hình 1.7. Hoạt động của ABS ở chế độ giữ áp
