ĐIỀU KHIỂN LỰC KÉO CHO ÔTÔ ĐIỆNTRÊN CƠ SỞ ƯỚC LƯỢNG TỈ SỐ TRƯỢT - Bao cao đồ án tốt nghiệp chuyên ngành tự động hóa BKHN (10)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HĨA CƠNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hà Nội, 5/2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HĨA CƠNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
ĐIỀU KHIỂN LỰC KÉO CHO ÔTÔ ĐIỆN
TRÊN CƠ SỞ ƯỚC LƯỢNG TỈ SỐ TRƯỢT
Trưởng bộ môn

: PGS.TS. Trần Trọng Minh

Giáo viên hướng dẫn : ThS.Võ Duy Thành
Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Văn Quỳnh

Lớp

: TĐH 02 - K58

MSSV

: 20133232

Giáo viên duyệt

:

Hà Nội, 5/2018


Lời cam đoan

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp "ĐIỀU KHIỂN LỰC KÉO CHO ÔTÔ ĐIỆN
TRÊN CƠ SỞ ƯỚC LƯỢNG TỈ SỐ TRƯỢT" là do em tự thực hiện với sự hướng dẫn
của thầy Võ Duy Thành. Mọi số liệu và kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa hề được
sử dụng. Các tài liệu tham khảo cho đồ án này đều được cảm ơn và trích dẫn trong phần
tài liệu tham khảo. Nếu sai, em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi sự kỷ luật
của bộ môn và nhà trường đề ra.
Hà Nội, ngày 19 tháng 05 năm 2018
Sinh viên

Nguyễn Văn Quỳnh

1


MỤC LỤC

Mục lục

Lời mở đầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

Chương 1. Giới thiệu chung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.1. Các định nghĩa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.1.1. Điều khiển lực kéo (Traction Control) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.1.2. Tỉ số trượt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

1.2. Tầm quan trọng của điều khiển lực kéo và tỉ số trượt . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

1.3. Các phương pháp điều khiển lực kéo hiện nay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

1.3.1. Phương pháp điều khiển tỉ số trượt trong khoảng ổn định . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

1.3.2. Phương pháp điều khiển chính xác tỉ số trượt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

1.3.3. Phương pháp điều khiển chống trượt dựa trên cơ sở giới hạn mô men truyền cực đại
(MTTE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

1.4. Các phương pháp ước lượng tỉ số trượt đã công bố . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

1.4.1. Ước lượng tỉ số trượt thông qua mơ hình động học . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

1.4.2. Ước lượng tỉ số trượt thông qua ước lượng vận tốc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

1.5. Đề xuất của đồ án . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

Chương 2. Ước lượng tỉ số trượt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

2.1. Mơ hình hóa hệ thống xe ơ tơ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

2.2. Ước lượng tỉ số trượt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

Chương 3. Điều khiển chống trượt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

3.1. Ước lượng mô men truyền cực đại (MTTE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

3.2. Đề xuất thuật toán điều khiển chống trượt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

2


MỤC LỤC

3.3. Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

Chương 4. Xây dựng hệ thống thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

4.1. Cấu trúc hệ thống mô phỏng Hardware-in-the-loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

4.1.1. Mô phỏng Hardware-in-the-loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

4.1.2. Cấu hình hệ thống Hardware-in-the-loop cho ô tô điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

4.2. Xây dựng hệ thống Hardware-in-the-loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

4.2.1. Rời rạc hóa các thành phần điều khiển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

4.2.2. Card điều khiển dSPACE 1103 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

4.2.3. Kit dzsp TMS320F28335 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

4.2.4. Matlab Control Desk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

4.2.5. Các thành phần hỗ trợ hệ thống. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

Chương 5. Kết quả thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

5.1. Kịch bản thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

5.2. Kết quả thực nghiệm HIL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

Chương 6. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

Phụ lục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

Tài liệu tham khảo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

56

3


DANH SÁCH HÌNH VẼ

Danh sách hình vẽ
1.1

Mối quan hệ của tỉ số trượt và hệ số ma sát . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.2

Mô tả tác dụng của bộ điều khiển lực kéo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.3

Sơ đồ khối phương pháp điều khiển tỉ số trượt trong khoảng ổn định . . . . 14

1.4

Cấu trúc hệ điều khiển trên cơ sở điều khiển trượt SMC . . . . . . . . . . . 15

1.5

Xe ô tô điện I-MieV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.1

Các lực tác động lên xe ô tô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.2

Mơ hình tốn học của ơ tô điện

2.3

Mối quan hệ giữa tỉ số trượt và hệ số ma sát thơng qua phương trình Pacejka 22

2.4

Mơ hình bộ ước lượng tỉ số trượt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.1

Mô hình tốn học của ơ tơ điện

3.2

Cấu hình bộ điều khiển theo phương pháp MTTE . . . . . . . . . . . . . . 28

3.3

Cấu trúc hệ điều khiển lực kéo trên cơ sở giới hạn mô men truyền cực đại . 31

3.4

So sánh vận tốc xe và vận tốc bánh xe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.5

So sánh mô men đặt vào động cơ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.6

So sánh tỉ số trượt của xe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.1

Cấu hình hệ thống Hardware-in-the-loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.2

Cấu hình thực nghiệm hệ thống Hardware-in-the-loop . . . . . . . . . . . . 38

4.3

Cấu trúc hệ điều khiển lực kéo trên cơ sở giới hạn mô men truyền cực đại . 39

4.4

Card điều khiển số dSPACE 1103 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.5

Thư viện RTI1103 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.6

Thư viện RTI CAN Blockset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4


DANH SÁCH HÌNH VẼ

4.7

Sơ đồ ngoại vi của TMS320F28335 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.8

Giao diện ứng dụng của Control Desk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.9

Bộ vô lăng BETOP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.10 Giao diện và cấu hình thực tế của hệ thống mô phỏng . . . . . . . . . . . . 45
5.1

Kết quả thực nghiệm xe khi không điều khiển . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.2

Kết quả thực nghiệm với phương pháp MTTE . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.3

Kết quả thực nghiệm với phương pháp MTTE cải tiến với K=2,78 . . . . . 51

5.4

Kết quả thực nghiệm với phương pháp MTTE cải tiến với K=20 . . . . . . 52

5.5

Kết quả thực nghiệm với phương pháp MTTE cải tiến với K=40 . . . . . . 53

5


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
EV

Electrical Vehicle

Xe ô tô điện

HIL

Hardware-in-the-loop

Hệ thống Hardware-in-the-loop

ICE

Internal Combustion Engine

Động cơ đốt trong

ABS

Anti-locking Breaking System

Hệ thống chống bó cứng phanh

TC

Traction Control

Điều khiển lực phát động

TCS

Traction Control System

Hệ thống điều khiển lực phát động

SMC

Sliding Mode Control

Điều khiển Sliding Mode Control

MTTE Maximum Torque Transmision Estimation Ước lượng mô men truyền cực đại

6


Lời mở đầu

Lời mở đầu
Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học – kỹ thuật, ngành công nghiệp ô tô
cũng phát triển mạnh mẽ nhằm thỏa mãn nhu cầu của khách hàng về an toàn, tiện nghi,
thời trang. Các hãng sản xuất ơ tơ đã tích hợp nhiều hệ thống tiên tiến. Tuy nhiên, xe ô tô
đang gặp những khó khăn như nguồn nhiên liệu chất đốt ngày càng cạn kiệt và việc tiêu
thụ xăng dầu là một trong những nguyên nhân gây lên hiện tượng nóng lên toàn cầu.
Nhằm khắc phục nhược điểm này, các nhà khoa học cùng các hãng xe ô tô đã nghiên
cứu và phát triển dịng sản phẩm xe ơ tơ chạy bằng điện hồn tồn thân thiện với mơi
trường. Đi liền với việc ô tô điện ra đời là hàng loạt vấn đề kèm theo như sạc pin, khởi
động, điều khiển, chống trượt bánh... để đảm bảo cho ô tô hoạt động ổn định cũng như
sự an toàn cho người điều khiển.
Một vấn đề đặt ra để đảm bảo an toàn cho người lái cũng như những người ngồi trên
xe ô tô điện là khắc phục tình trạng trượt bánh, gây ra nguy cơ mất lái trong quá trình
tăng tốc hoặc khi xe đi vào các mơi trường trơn trượt, có độ bám đường thấp. Hướng điều
khiển là điều khiển lực kéo hay chính là mơ men xoắn của động cơ khi xảy ra hiện tượng
trên. Mục đích của đồ án này là thiết kế một phương pháp điều khiển lực kéo (Traction
Control System - TCS) tối ưu cho ô tô điện. Nếu các lực lái trên bánh xe được điều khiển
tốt, hiệu năng của quá trình lái được cải thiện rõ rệt, tăng độ tin cậy và an toàn cho người
lái.

Sau quá trình làm việc, đồ án đề xuất phương án điều khiển lực kéo động cơ theo
phương pháp Ước lượng mô men cực đại ( Maximum Transmissible Torque Estimation).
Bên cạnh đó, do yêu cầu của phương pháp này cần sử dụng tỉ số trượt của xe nên đồ án
đề xuất thiết kế bộ ước lượng tỉ số trượt của xe.
Bố cục của đồ án gồm 6 chương:
• Chương 1: Trình bày khái niệm tổng quan về ô tô điện, điều khiển lực kéo và tỉ

số trượt. Tiếp theo là các phương pháp điều khiển lực kéo và ước lượng tỉ số trượt
đã có cũng như ưu nhược điểm của từng phương pháp. Cuối chương đặt ra vấn đề

7


Lời mở đầu

chính của đồ án.
• Chương 2: Trình bày phương pháp ước lượng tỉ số trượt.
• Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển lực kéo theo phương pháp Ước lượng mơ men

cực đại và mơ phỏng kiểm chứng.
• Chương 4: Xây dựng hệ thống thực nghiệm.
• Chương 5: Trình bày kết quả thực nghiệm của phương pháp điều khiển.
• Chương 6:Kết luận.

Do thời gian thực hiện đồ án không nhiều, kiến thức còn hạn chế nên khi làm đồ án
khơng tránh khỏi những hạn chế và sai sót. Em mong nhận được sự góp ý và những ý
kiến phản biện của quý thầy cô và bạn đọc. Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 19 tháng 05 năm 2018
Sinh viên

Nguyễn Văn Quỳnh

8


Chương 1. Giới thiệu chung

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG
1.1.

Các định nghĩa

1.1.1.

Điều khiển lực kéo (Traction Control)

Điều khiển lực kéo (Traction Control System – TCS) là phương pháp điều khiển bằng
cách giới hạn lực lái trên các bánh xe nhằm hạn chế hiện tượng trượt lốp xe khi xe đi trên
mặt đường trơn trượt, có độ bám đường thấp trong q trình tăng tốc. Với mục đích này,
điều khiển lực kéo được coi là một trong những phần điều khiển chính cho phương tiện,
được phát triển để đảm bảo mô men đầu ra đạt được hiệu quả cao nhất. Điều khiển lực
kéo hay điều khiển tỉ số trượt suy cho cùng cũng nhằm một mục đích là chống trượt cho
xe. Chương 3 đồ án sẽ trình bày phương pháp chống trượt xe dùng điều khiển lực kéo.
Khi một chiếc xe khơng có hệ thống điều khiển lực kéo cố gắng tăng tốc trên các bề mặt
đường trơn trượt như băng, tuyết, sỏi hoặc cát, các bánh xe có thể bị trượt. Kết quả là
bánh xe quay nhanh trên mặt đường nhưng thực tế là xe không chuyển động hoặc chuyển
động rất chậm. Hiện tượng trượt bánh được thể hiện thông qua tỉ số trượt, được tính tốn
thơng qua sai lệch giữa tốc độ xe và tốc độ bánh xe. Trong điều kiện thông thường khi tỉ
số trượt được giữ ở mức ổn định, xe sẽ hoạt động ổn định và an toàn. Nhưng khi xảy ra

hiện tượng trơn trượt thì đồng thời tỉ số trượt cũng tăng lên cao dẫn tới người lái gặp khó
khăn trong việc điều khiển xe và hệ quả là có thể gây ra tai nạn.
Hoạt động của hệ thống điều khiển lực kéo thể hiện rõ ràng trong một số tình huống
khi xe ơ tơ tăng tốc, bánh xe quay nhanh mà xe chỉ từ từ đi rất chậm chứ khơng phóng
nhanh. Đó chính là do mất ma sát giữa bánh xe với mặt đường, tốc độ của xe khơng
tương thích với số vịng quay của bánh và công suất động cơ. Trong trường hợp này, hệ
thống TCS sẽ can thiệp bằng cách hạn chế mô men sinh ra để độ tiếp xúc giữa lốp và
mặt đường đạt tốt nhất.
Ngồi yếu tố bảo vệ mơi trường, động cơ điện có nhiều ưu điểm lớn so với động cơ
đốt trong (ICE) như:

9


Chương 1. Giới thiệu chung
• Đáp ứng mơ men xoắn nhanh: Tốc độ đáp ứng mô men của động cơ điện nhanh gấp

100 đến 500 lần động cơ đốt trong. Ví dụ trong động cơ đốt trong, thời gian cần
thiết để khởi động xe sau khi đạp ga là 200ms. Nhưng phản hồi thực tế thì chậm
hơn nhiều do sự chậm trễ trong các cơ cấu cơ học. Trong khi đó thời gian phản hồi
của mơ men động cơ điện nhỏ hơn 10ms.
• Dễ dàng tính tốn được mơ men của động cơ: Trong động cơ đốt trong, việc tính

tốn được mơ men động cơ là rất khó khăn nếu khơng muốn nói là khơng thể.
Nhưng với động cơ điện thì ta hồn tồn có thể tính tốn được mơ men xoắn của
động cơ thơng qua dịng điện chạy trong động cơ.
• Động cơ được trang bị độc lập cho mỗi bánh xe: Hiện tại chúng ta đã có động cơ

gắn liền với từng bánh xe, tức là mỗi bánh xe có một động cơ riêng biệt. Nhưng đi
kèm với việc có động cơ gắn liền với bánh xe thì việc điều khiển chuyển động của

xe sẽ phức tạp hơn thông thường.
Những ưu thế này giúp việc điều khiển lực kéo thuận lợi hơn rất nhiều so với điều khiển
trên ô tô chạy xăng truyền thống khi mà tốc độ đáp ứng mơ men nhanh và có thể đo đạc
mơ men một cách chính xác.
1.1.2. Tỉ số trượt
Tỉ số trượt của xe được dùng để thể hiện độ trượt của bánh xe khi xe đi vào các điều
kiện mặt đường trơn trượt. Tỉ số trượt được tính tốn khi xe tăng tốc theo cơng thức:
λ=

Vω −V
max(Vω ,V, ε)

(1.1)

Trong đó:
Vω là tốc độ quay của bánh xe.
V là tốc độ dài của xe.
ε là một hằng số có giá trị rất nhỏ so với 1 để tránh trường hợp mẫu số bằng 0.
Trong nội dung đồ án chỉ nghiên cứu quá trình xe tăng tốc nên ta mặc định rằng giá trị
max(Vω ,V) = Vω trong toàn bộ thời gian. Vậy giá trị tỉ số trượt:
λ=

Vω −V
Vω

(1.2)

Hình (1.1) thể hiện mối quan hệ giữa tỉ số trượt và hệ số ma sát giữa bánh xe với mặt
đường. Khi xe di chuyển trên mặt đường tốt thì hệ số ma sát sẽ cao nhất, tỉ số trượt nhỏ
10

Chương 1. Giới thiệu chung
1
0.9
0.8

Đường khô

Hệ số ma sát

0.7

0.6
0.5

Đường ướt

0.4
0.3
0.2

Đường tuyết
0.1
0
0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Tỷ số trượt

Hình 1.1: Mối quan hệ của tỉ số trượt và hệ số ma sát

nhất và tăng dần đối với các mặt đường trơn. Việc xác định được tỷ số trượt sẽ cho ta biết
được trạng thái của xe ở mỗi loại điều kiện mặt đường. Vận tốc xe là một thành phần cơ
bản để xác định được tỷ số trượt. Tuy nhiên, để xác định được chính xác vận tốc của xe
là rất khó. Việc đo được tốc độ của xe yêu cầu phải lắp đặt các cảm biến ở các bánh xe
khơng có dẫn động hoặc tích phân giá trị của gia tốc. Nhưng nếu dùng phép tích phân,
tín hiệu cảm biến của gia tốc có thể bị nhiễu sẽ dẫn đến giá trị vận tốc thu được khơng
chính xác. Chương 2 đồ án sẽ đề xuất phương pháp ước lượng giá trị tỉ số trượt để dùng
cho việc điều khiển.

1.2.

Tầm quan trọng của điều khiển lực kéo và tỉ số trượt

Ở đường có hệ số ma sát thấp, bánh xe chủ động sẽ bị quay tại chỗ nếu xe khởi hành
hay tăng tốc nhanh, làm mất mát mô men chủ động và làm cho bánh xe có có thể trượt.
Mơ men cực đại sinh ra từ động cơ truyền cho bánh xe được quyết định bởi hệ số ma sát
giữa lốp xe và mặt đường. Nếu có truyền mơ men đến các bánh xe vượt qua giới hạn về
lực bám của lốp với mặt đường, nó sẽ làm bánh xe trượt quay. Việc đảm bảo mô men
phù hợp với hệ số ma sát trong trường hợp này đôi khi không dễ dàng đối với người lái.
Ở phần lớn các trường hợp, khi khởi hành xe đột ngột, người lái đạp chân ga quá nhanh
và làm bánh xe bị trượt quay, mất mát lực kéo và mô men. Hệ thống TCS giảm mô men
xoắn của động cơ khi bánh xe bắt đầu trượt quay không phụ thuộc vào ý định của người
lái, cùng lúc đó nó điều khiển hệ thống phanh tác động làm giảm mô men truyền đến
mặt đường tới một giá trị phù hợp. Vì vậy có thể khởi hành và tăng tốc một cách nhanh
11


Chương 1. Giới thiệu chung

Hình 1.2: Mơ tả tác dụng của bộ điều khiển lực kéo
chóng và ổn định.
Để ơ tơ có thể chuyển động được thì vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường phải
có độ bám nhất định. Mối liên hệ này được đặc trưng bởi tỉ số trượt. Như khái niệm ở
trên, tỉ số trượt phụ thuộc vào sự chênh lệch tốc độ dài của xe và tốc độ bánh xe, tác động
trực tiếp đến việc lái xe và làm chủ được tốc độ của người lái nên điều khiển tỉ số trượt
cho xe ô tô có tính chất vơ cùng quan trọng. Điểu khiển được tỉ số trượt ổn định ở giá trị
tối ưu sẽ giúp xe hoạt động ổn định, hạn chế các tình huống xấu phát sinh.
Trong quá trình hoạt động của xe, mô men hay lực kéo xe chuyển động giữ vai trị
chính giúp xe tiến về phía trước. Hơn nữa đối với ô tô điện, đáp ứng mô men xoắn nhanh
(tốc độ đáp ứng mô men của động cơ điện nhanh gấp 100 đến 500 lần động cơ đốt trong)
nên việc điều khiển lực kéo có tốc độ tác động nhanh hơn nhiều so với điều khiển các

yếu tố gián tiếp khác. Lực kéo tác động trực tiếp tới sự thay đổi tốc độ bánh xe và tốc
độ dài của xe. Chính sự chênh lệch của chúng lại dẫn đến sự thay đổi của tỉ số trượt. Vì
vậy, có thể nói lực kéo và tỉ số trượt có mối quan hệ chặt chẽ với nhau trong tổng thể
hoạt động của ô tơ. Và q trình điều khiển lực kéo và điều khiển tỉ số trượt cũng gây
ra những tác động qua lại nên thông thường, người ta thường kết hợp hài hịa việc điều
khiển chúng sao cho xe có thể hoạt động ổn định và an toàn nhất.

12


Chương 1. Giới thiệu chung

1.3.

Các phương pháp điều khiển lực kéo hiện nay

Có rất nhiều phương pháp điều khiển lực kéo đã được công bố và thử nghiệm chia
làm ba hướng chính:
• Điều khiển tỉ số trượt trong khoảng ổn định: Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc

kết hợp với bộ điều khiển PI.
• Điều khiển chính xác tỉ số trượt: Nổi bật là phương pháp điều khiển Sliding Mode

Control (SMC).
• Điều khiển chống trượt trên cơ sở giới hạn mô men truyền cực đại: Phương pháp

này tránh đi mối quan hệ phi tuyến giữa tỉ số trượt và hệ số ma sát do khơng thể
kiểm sốt chính xác được mối quan hệ giữa chúng.
1.3.1. Phương pháp điều khiển tỉ số trượt trong khoảng ổn định
Phương pháp được trình bày trong tài liệu [1].Trong phương pháp này , mơ hình tuyến

tính hóa quanh điểm làm việc được sử dụng để mô tả quan hệ giữa mô men động cơ sau
khi quy đổi sang lực Fm và tỉ số trượt xây dựng theo phương trình:
∆λ
1
M(1 − λ )
1
=
∆Fm Na Mω + M(1 − λ ) 1 + τs
trong đó, Mω là mơ men qn tính của xe được quy đổi về khối lượng; a là gradient của
đường cong µ − λ tại điểm làm việc. Vω0 là vận tốc bánh xe tại điểm làm việc. Hằng số
thời gian τ được tính toán như sau:
τ=

1
MMω Vω0
Na Mω + M(1 − λ )

Từ đó, bộ điều khiển tỉ số trượt được tổng hợp để bù điểm cực trong mơ hình có dạng bộ
PI:
K

1 + τs
s

Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản trong thiết kế và có tính khả thi trong thực
nghiệm. Nhưng hạn chế của phương pháp là việc lựa chọn điểm làm việc là khá khó
khăn vì trong q trình hoạt động thì xe ln ln thay đổi trạng thái. Hơn nữa, việc tính
tốn và điều khiển theo giá trị tỉ số trượt luôn luôn thay đổi theo điều kiện mặt đường
yêu cầu khả năng xử lý phần cứng cao và khó khăn trong việc xây dựng ở miền thời gian
thực.

13


Chương 1. Giới thiệu chung
Actual
Torque
Command

I com
Select Low

Wheel Speed
Vw

Motor & Vehicle

I

Drive s
Torque
Command

V

Vehicle Speed

Torque
Command

Slip Ratio Controller

I slip



Target
Slip
ratio

opt

Road Condition
Estimator

Hình 1.3: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển tỉ số trượt trong khoảng ổn định

1.3.2.

Phương pháp điều khiển chính xác tỉ số trượt

Nghiên cứu điển hình cho phương pháp này là phương pháp điều khiển Sliding Mode
Control - SMC [2] [3]. Cấu trúc điều khiển của phương pháp này được thể hiện trên hình
(1.4). Lệnh điều khiển từ người lái chính là giá trị Tcom được lấy làm đầu vào cho hệ
thống. Qua mô hình xe điện Tcom sẽ được biến đổi và cho đầu ra là tỉ số trượt λ . Khi nào
có sự thay đổi về tỉ số trượt λ thể hiện ở sự sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị thực, bộ
điều khiển sẽ đưa ra một lượng mô men bù Tm để bù vào lượng đặt Tcom . Giá trị đặt λ ∗
này chính là giá trị tỉ số trượt tối ưu cho loại mặt đường xe đang hoạt động đảm bảo xe
có độ bám đường tối thiểu.

Luật điều khiển Tm được viết theo phương trình sau:

Tm =

1
s
− fˆ − Ki (λ − λ˙ ) − (F − v)sat( )
b
Φ

(1.3)

Mặt trượt s được định nghĩa:
s(λ ,t) = λ˜ + Ki
với λ˜ = λ − λ ∗ và Ki là hệ số tích phân, Ki >0
14

t
0

(λ˜ (τ))dτ

(1.4)


Chương 1. Giới thiệu chung

+

EV Model

- +

-

Sliding
Mode
Control
Hình 1.4: Cấu trúc hệ điều khiển trên cơ sở điều khiển trượt SMC
Các thành phần cịn lại được tính tốn như sau:
g
r2 Mˆ
f˜ = −
1 + (1 − λ )
µ(c,
ˆ λ)
Vw
Jw
r2
g
ˆ c,
|µ(cmax , λ ) − µ(c,
ˆ λ )| + (1 − λ ) |Mmax µ(cmax , λ ) − Mµ(
F=
ˆ λ )|
|Vw |
Jw
(1 − λ )r
b=
JwV
w




−1s ≤ −Φ



s
s
sat
=
−Φ ≤ s ≤ Φ

Φ
Φ




1s > Φ
Kết quả điều khiển của phương pháp này khá tốt, đạt được độ chính xác trong điều khiển
và đặc biệt làm giảm được hiện tượng chattering phát sinh trong điều khiển. Nhưng mặt
khác tốc độ đáp ứng của phương pháp chậm, luật điều khiển quá phức tạp với rất nhiều
giả thiết lý tưởng được đặt ra và phải ước lượng nhiều giá trị tham số.
1.3.3. Phương pháp điều khiển chống trượt dựa trên cơ sở giới hạn mô men truyền
cực đại (MTTE)
Phương pháp này được xây dựng để tránh đi mối quan hệ phi tuyến giữa tỉ số trượt và
hệ số ma sát do khơng thể kiểm sốt chính xác được mối quan hệ giữa chúng [4]. Một
hệ số α được đề xuất để thể hiện mối quan hệ động học giữa gia tốc bánh xe và gia tốc
15

Chương 1. Giới thiệu chung

của xe:
α=

V˙
V˙ω

Hệ số α này được chọn bằng 0,9. Từ các phương trình động lực học của xe, các gia
tốc có thể tính tốn như sau:
1
V˙ = (Fd − Fdr )
m
Re f f (T − Re f f Fd )
V˙w =
Jw
Từ đó ta tính lại được hệ số α:
α=

(Fd − Fdr )Jw
V˙
=
V˙w (T − Re f f Fd )Re f f M

Từ phương trình trên suy ra được giá trị mô men cực đại:
Tmax =

Jw
+ 1 Re f f Fd

αM(Re f f )2

Trong đó:
M là khối lượng xe (tính cả tải).
Jw là mơ men qn tính bánh xe.
Fd là lực lái xe (driving force).
Re f f là bán kính bánh xe.
Phương pháp này đã được thử nghiệm trên cả mô phỏng và lý thuyết và cho thấy bộ
ước lượng mô men hoạt động khá hiệu quả khi đi vào đường trơn. Nhưng việc chọn giá
trị α bằng 0,9 mang tính kinh nghiệm và khơng thể thể hiện hết được các trạng thái của
xe khi hoạt động. Hơn nữa bộ điều khiển này chỉ hoạt động tốt ở miền tốc độ xe thấp,
khi tốc độ lên cao thì bộ điều khiển rơi vào trạng thái mất kiểm sốt.

1.4.

Các phương pháp ước lượng tỉ số trượt đã cơng bố

1.4.1.

Ước lượng tỉ số trượt thơng qua mơ hình động học

Phương pháp ước lượng này của giáo sư K.Fujii và H.Fujimoto đề cập trong tài liệu
"Traction Control based on Slip Ratio Estimation Without Detecting Vehicle Speed for
16


Chương 1. Giới thiệu chung

Electric Vehicle" [5]. Công thức ước lượng theo phương pháp này như sau:
ω˙

Jw
λˆ˙ = − λˆ + 1 + 2
ω
r M

ω˙
T
− 2
ω r Mω

(1.5)

Trong đó:
Jw là quán tính bánh xe.
r là bán kính bánh xe.
T là mô men đặt vào động cơ.
Phương pháp này cho giá trị ước lượng khá chính xác nhưng lại có nhiều nhược điểm
khó khắc phục. Thứ nhất là phụ thuộc giá trị khối lượng M. Trong quá trình hoạt động
nếu tổng khối lượng M của xe thay đổi (khi thêm người, thêm hàng hóa ) thì cơng thức
này khơng cịn chính xác mà phải tính tốn nạp lại giá trị M mới thì bộ ước lượng mới
hoạt động chính xác. Thứ hai, bộ ước lượng hoạt động khơng chính xác trong giai đoạn
xe đi hết đoạn đường trơn và chuyển sang mặt đường tốt. Giá trị gia tốc quay quanh bánh
xe ω˙ tạo nhiều nhiễu phát sinh.
1.4.2. Ước lượng tỉ số trượt thơng qua ước lượng vận tốc
Phương pháp này tính tốn dựa trên cơng thức định nghĩa của tỉ số trượt công thức
(1.2). Dùng cảm biến để đo vận tốc dài của bánh xe cũng như vận tốc dài của ơ tơ. Từ
đó theo cơng thức (1.2) để tính tốn ra được tỉ số trượt. Phương pháp này sử dụng cơng
thức tính tốn đơn giản nhưng vấn đề đo vận tốc bằng cảm biến hiện tại khác khó khăn
và chi phí q cao, khơng phù hợp với điều kiện nghiên cứu và sản xuất thực tiễn.

1.5.

Đề xuất của đồ án

Nhìn chung, các phương pháp ước lượng tỉ số trượt hiện tại đều có những nhược điểm
khá lớn cần khắc phục. Vì vậy đồ án đề xuất một phương pháp ước lượng tỉ số trượt mà
không cần dùng tới ước lượng hay đo đạc vận tốc để khắc phục việc phụ thuộc vào các
giá trị khối lượng M, quán tính bánh xe Jw và chi phí quá cao của cảm biến tốc độ. Từ
phương pháp ước lượng đó và tính khả thi của phương pháp MTTE, nhóm đồ án quyết
định chọn đề tài: "Điều khiển lực kéo cho ô tô điện trên cơ sở ước lượng tỉ số trượt"
với định hướng cải tiến phương pháp điều khiển lực kéo dựa trên ước lượng mơ men cực
đại, giúp bộ điều khiển có thể hoạt động một cách hiệu quả không chỉ ở miền tốc độ thấp
mà còn đảm bảo sự hoạt động ổn định của ô tô.
17


Chương 1. Giới thiệu chung

Cấu trúc nghiên cứu của đồ án gồm có:
• Đối tượng nghiên cứu là xe ơ tơ điện(EV) i-MiEV của hãng Mitsubishi.
• Nền tảng nghiên cứu và thực nghiệm là hệ thống Hardware-in-the-loop được xây

dựng cho ô tô điện.
• Vi điều khiển sử dụng là Card điều khiển eZdsp TMS320F28335.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là xe ô tô điện I-MiEV của hãng Mitsubishi. Các
thông số của xe và bộ điều khiển như bảng (1.1).
Thông số

Ký hiệu Giá trị Đơn vị

Khối lượng của xe

M

1080

kg

bán kính bánh xe

r

0.3

m

Mơ men qn tính bánh xe

Jw

2

kgm2

Mơ men qn tính của xe

Jx

100

kgm2

Tỉ số gia tốc (MTTE)

α

0.9

Hệ số hiệu chỉnh

K

Hằng số thời gian của bộ lọc

τ

10

Bảng 1.1: Bảng thông số của xe

Hình 1.5: Xe ơ tơ điện I-MieV

18

ms


Chương 1. Giới thiệu chung

Mitsubishi i-MiEV nặng 1.080kg, có chiều dài 3,396m, chiều rộng 1,475m và cao
1,600m. Chiếc xe sử dụng hệ thống pin Lithium-ion 16kWh, động cơ 47KW cho công
suất 63 HP và mô men xoắn cực đại 133Lb-ft, có khả năng đạt tốc độ cực đại 130km/h.
Xe i-MiEV có khả năng chạy quãng đường 120km sau mỗi lần sạc đầy điện. Có thể sạc
điện cho hệ thống pin của xe i-MiEV bằng nguồn điện 110V hoặc 220V tại gia đình. Hệ
thống pin được sạc đầy trong thời gian 7-14 tiếng.

Kết luận chương
Chương 1 đã trình bày các khái niệm tổng quan về ô tô điện, điều khiển lực kéo và tỉ
số trượt. Tiếp theo là các phương pháp điều khiển lực kéo và ước lượng tỉ số trượt đã có
cũng như ưu nhược điểm của phương pháp. Chương 2 sẽ đề xuất phương pháp ước lượng
tỉ số trượt mới.

19


Chương 2. Ước lượng tỉ số trượt

CHƯƠNG 2
ƯỚC LƯỢNG TỈ SỐ TRƯỢT
2.1.

Mơ hình hóa hệ thống xe ơ tơ

Hình 2.1: Các lực tác động lên xe ơ tơ
Hình 3.1 thể hiện các lực tác động lên ô tô khi chuyển động thẳng. Nếu bỏ qua lực
ma sát lăn và lực ma sát với khơng khí. Đặc tính của xe thể hiện qua các phương trình:
T − Re f f Fd = Jw

dω

dt

(2.1a)

mV˙ = Fd − Fdr

(2.1b)

Vw = Re f f ω

(2.1c)

Fd = µN

(2.1d)

trong đó:
T là mơ men sinh ra bởi động cơ, quy đổi về trục bánh xe.
Fd là lực ma sát sinh ra bởi tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường.
Re f f là bán kính bánh xe.
Jw là mơ men qn tính bánh xe.
ω là tốc độ quay của bánh xe.
V là vận tốc dài của xe.
Fdr là lực cản trở chuyển động của xe.
20


Chương 2. Ước lượng tỉ số trượt

Vw ký hiệu cho vận tốc của bánh xe.

N là trọng lực đặt lên bánh xe.
µ là hệ số ma sát của mặt đường.
Ta đã bỏ qua lực ma sát lăn của xe nên khi đó lực cản trở chuyển động của xe chỉ cịn là
lực cản khơng khí:
ρ
Fdr = Fair = sin(vx )Cw A v2 x
2

(2.2)

với:
Cw là hệ số khí động học của xe ơ tơ.
A là diện tích mặt trước của xe ô tô (quy đổi ra mặt phẳng vuông góc với hướng chuyển
động).
ρ là mật độ khơng khí.
Từ các phương trình động lực học trên ta xây dựng được mơ hình tốn học của xe ơ tơ
điện như hình vẽ (2.2). Khối Slip Ratio Calculation chính là khối tính tốn giá trị tỉ số
trượt dựa trên giá trị vận tốc của bánh xe và vận tốc dài của xe. Trong trường hợp của bài
tốn điều khiển lực kéo xe ơ tơ điện áp dụng cho xe trong quá trình tăng tốc, vận tốc của
bánh xe Vw =ωRe f f luôn luôn lớn hơn vận tốc dài của xe V, nên hiệu giữa chúng Vw −V

Hình 2.2: Mơ hình tốn học của ô tô điện

21


Chương 2. Ước lượng tỉ số trượt

luôn lớn hơn 0. Tỉ số trượt được tính tốn:
λ=

Vω −V
Vω

(2.3)

Khối Pacejka’s Magic Fomular hay µ − λ function thể hiện quan hệ giữa tỉ số trượt với
hệ số ma sát của mặt đường. Đầu vào là giá trị tỉ số trượt λ , đầu ra là hệ số ma sát. Mối
quan hệ này thể hiện qua phương trình:
µ=

1
Fd
= (D sin(C.arctan(B(1 − E)(λ + Sh) + E.arctan(B(λ + Sh))) + Sv) (2.4)
N
N

Trong đó, N là tổng trọng lượng của xe, các giá trị B,C,D,E,Sh,Sv là các giá trị được đề
cập trong tài liệu “A Universal Dynamic and Kinematic Model of Vehicles” [6]. Lúc này
coi phương trình này là một hàm số với biến là λ và các hệ số kèm theo để có thể theo
dõi được quan hệ giữa chúng. Hình (2.3) thể hiện mối quan hệ tỉ số trượt với hệ số ma sát
dựa trên phương trình Pacejka tổng quát. Mối quan hệ này sẽ thay đổi với từng điều kiện
mặt đường và tải trọng xe khác nhau thông qua các hệ số tỉ lệ liên quan. Ba đường đồ thị
tương ứng với ba trạng thái mặt đường tổng quát nhất mà xe hay gặp phải. Tùy từng điều
kiện mặt đường khác nhau mà sẽ dùng đường đặc tính tương ứng phù hợp nhất.

Hình 2.3: Mối quan hệ giữa tỉ số trượt và hệ số ma sát thơng qua phương trình Pacejka

22

Chương 2. Ước lượng tỉ số trượt

2.2.

Ước lượng tỉ số trượt

Phương trình (2.3) được viết lại như sau:
λ=

Re f f ω −V
Re f f ω

(2.5)

Lấy đạo hàm 2 vế thu được:
1 V˙ ω −V ω˙
λ˙ = −
Re f f
ω2

(2.6)

Do khi tăng tốc coi xe đi thẳng nên gia tốc của xe ơ tơ khi đó là V˙ = ax . Gia tốc này đo
được từ cảm biến gắn trên thân xe. Thay vào phương trình trên thu được:
λ˙ = −
=−
=−
⇒ λ˙

V ω˙
Re f f ω Re f f ω 2
(Re f f ω −V − Re f f ω)ω˙
ax
+
Re f f ω
Re f f ω 2
Re f f ω −V ω˙ ω˙
ax
+
−
Re f f ω
Re f f ω ω ω
ω˙ ω˙
ax
=−
−λ +
Re f f ω
ω ω
ax

−

(2.7)

Xét phương trình (2.7), các giá trị gia tốc của xe ax , tốc độ quay của bánh xe ω, tốc
độ góc của bánh xe ω˙ hồn tồn có thể đo được bằng các cảm biến gia tốc và tốc độ
quay. Chỉ còn giá trị λ là khơng thể đo được. Vì vậy cần phải có một bộ ước lượng tỉ số
trượt λ . Cũng xuất phát từ phương trình (2.7), đồ án đề xuất một bộ ước lượng tỉ số trượt
như sau:

ax
ω˙ ω˙
˙
λˆ = −
− λˆ +
Re f f ω
ω ω

(2.8)

˙ Giá trị này
Xét phương trình (2.8), có xuất hiện giá trị gia tốc quay quanh bánh xe ω.
tác động xấu tới mơ hình ước lượng do gây ra hiện tượng nhiễu tín hiệu. Vì vậy, đồ án
sử dụng bộ lọc Kalman Filter để lọc bớt nhiễu phát sinh. Nhưng do phần này không phải
trọng tâm chính của đồ án nên tác giả xin phép khơng trình bày kỹ.
Một trong những điểm mạnh của bộ ước lượng tỉ số trượt này là đơn giản, dễ xây
dựng và triển khai. So sánh với phương pháp ước lượng khác của giáo sư K.Fujii và
23