Hội nghị toàn quốc lần thứ 8 về Cơ Điện tử - VCM-2016
THIẾT KẾ BỘ ĐIỂU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI STEER-BY-WIRE CONTROL DESIGN FOR STEER-BY-WIRE SYSTEM Trần Văn Lợi1 , Nguyễn Văn Bình2, Nguyễn Văn Bang3, Đỗ Văn Dũng4 1 Bộ môn Cơ khí, Trường Đại học Giao thông Vận tải- Cơ sở II 2 Bộ môn Điện điện tử, Trường Đại học Giao thông Vận tải-Cơ sở II 3 4
Bộ môn Cơ khí ô tô, Trường Đại học Giao thông Vận tải
Khoa cơ khí động lực, Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh 1
Email:
[email protected] Email:
[email protected] 3 Email:
[email protected] 4 Email:
[email protected] 2
Tóm tắt: Kỹ thuật điều khiển tự động được nghiên cứu để nâng cao độ tin cậy, độ an toàn của các hệ thống xe tự lái. Việc xây dựng được một mô hình chính xác của hệ thống lái, cũng như mô hình động học của xe có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết lập được một hệ điều khiển có chất lượng. Phần nghiên cứu thể hiện trong bài báo tập trung vào việc xây dựng mô hình chính xác của hệ thống lái Steer-By-Wire (SBW) làm cơ sở thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống SBW. Các kết quả khảo sát, mô phỏng, thử nghiệm từng phần hệ thống được mô tả để khẳng định chất lượng hệ điều khiển. Những kết quả nghiên cứu là cơ sở chế tạo mô hình bán thực nghiệm hệ thống lái SBW. Abstract: In order to design a high quality controller for Steer-By-Wire system, accurate dynamic models of the SBW as well as the vehicle are built properly. The paper focuses on the modeling of SBW system for designing the controller of the SBW system. Through investigation and simulation, the SBWController is validated. As a consequence, a test bench of the SBW-system is built and evaluated with selected results being provided. Ký hiệu Ký Đơn vị Ý nghĩa hiệu
K0
0.225 N.m/rad/s
VCM-2016
Hệ số giảm chấn của trục nối cơ cấu
C0
4120 N.m/rad
J0
4.8.10-4 Kg.m2
i1
0.01
i2 m
0.2 2 kg
K1 C1 Jbx
450 N.m/s 206000 N.m 1.8 kg.m2
K2
400 N.m/rad/s
C2
12000 N.m/rad
lái Độ cứng xoắn trục nối động cơ chấp hành và cơ cấu lái Khối lượng quán tính trục nối Tỷ số truyền bộ thứ nhất Tỷ số truyền thứ hai Khối lượng thước lái Hệ số giảm chấn Độ cứng thước lái Mô men quán tính bánh xe Hệ số giảm chấn bánh xe Độ cứng lốp
Chữ viết tắt SBW Steer-By-Wire PID Propotional Integral Derivative ECU Electronic Control Unit 1. Phần mở đầu Trên hệ thống SBW (Hình 1), liên kết giữa bộ phận chủ động và bộ phận chấp hành được thay thế bằng bộ phận điều khiển, các cảm biến và mô tơ điều khiển quay vòng. Chức năng của bộ điều khiển trên hệ thống SBW
Hội nghị toàn quốc lần thứ 8 về Cơ Điện tử - VCM-2016 bao gồm: điều khiển đáp ứng giữa tín hiệu vành lái và bộ phận chấp hành, thay đổi tỷ số truyền, phản hồi tác động từ mặt đường tạo cảm giác lái cho người lái, tính năng dự phòng đảm bảo an toàn và tự chẩn đoán. Trong các phần trên điều khiển đáp ứng giữa vành lái và bộ phận chấp hành đóng vai trò liên kết chính. Chất lượng việc điều khiển đáp ứng ảnh hưởng trực tiếp đến quỹ đạo chuyển động của xe. Khi xe chuyển động trên đường, lốp tiếp xúc với các điều kiện mặt đường khác nhau, mặt khác người lái điều khiển vành lái với tốc độ và vị trí với các giá trị khác nhau dẫn đến tình trạng đáp ứng cũng thay đổi. Nói cách khác, chế độ làm việc của bộ điều khiển cần đáp ứng các chế độ linh hoạt của hệ thống lái [1]. Trên cơ sở xây dựng mô hình, bài báo đi đến thiết kế các bộ điều khiển đảm bảo hệ thống lái làm việc ổn định dưới các điều kiện làm việc khác nhau. Đây là cơ sở để xây dựng mô hình thực nghiệm nhằm hiện thực hóa các ý tưởng thiết kế.
Phần dưới bao gồm động cơ, cơ cấu lái, dẫn động tích hợp và quán tính bánh xe. Khi quay vành lái một góc , lực tác động lên vành lái sinh ra mô men được truyền động tới động cơ, khối động cơ chứa cảm biến góc, cảm biến sẽ xác định và tính chính xác độ lớn góc quay đưa vào bộ điều khiển. Xét cơ hệ được quy dẫn bên phải, khi tác động một lực lên vành tay lái có mô men quán tính J s, mô men tạo ra lực xoắn, tác động lên cơ hệ chứa lực ma sát có hệ số ma sát Ks, độ cứng Cs, môn men truyền dẫn vào hộp giảm tốc động cơ có tỉ số truyền được kiểm soát bằng cảm biến góc quay, đưa ra tín hiệu dạng xung cấp cho ECU.
H2. Mô hình vành lái Phương trình toán học một chiều với Td, T1 là mô men đánh lái và mô men sinh ra bởi động cơ bố trí trên vành lái, là góc đặt đầu và đầu ra hệ thống [2]. ̈ ( ) ( ̇ ̇ )( ) Phương trình chỉ biễu diễn cơ cấu tác động một chiều từ vành tay tới khối động cơ. Mô men động cơ sinh có chức năng tái tạo cảm giác lái. Từ mô hình ta lập được phương trình động học thứ hai như sau: ̈ ̇ ) ( ) ( ̇ ( )
H1. Hệ thống lái SBW 1-Vành lái; 2-Mô tơ tạo cảm giác;3-Cảm biến vận tốc; 4-Bộ phận điều khiển; 5-Cảm biến mômen và tốc độ trục lái;6-Mô tơ điều khiển quay vòng;7-Cơ cấu lái; 8-Thước lái; 9-bánh xe dẫn hướng. 2.
2.2. Mô hình khảo sát động học bộ phận chấp hành hệ thống lái SBW Khi xem xét mô hình với quan điểm trục nối mô tơ và cơ cấu chấp hành biến dạng ta phân tích hệ thống thành mô hình ba bậc tự do Hình 3. Động cơ điện DC nhiệm vụ chính cung cấp mô men . Động cơ điện DC này có mô men quán tính được nối với thanh lái thông qua cơ cấu lái trục răng, thanh răng.
Nội dung chính
2.1. Mô hình khảo sát động học vành lái Mô hình này cũng được chia thành hai thành phần. Phần trên là mô hình bao gồm mô men vành lái và mô men quán tính trục lái Jsw. 2
Hội nghị toàn quốc lần thứ 8 về Cơ Điện tử - VCM-2016 động bánh xe dẫn hướng đến chất lượng điều khiển (góc quay bánh xe) ta thiết lập hàm điều khiển hệ thống thông qua biến đổi hệ phương trình trên như sau:
Xem trục nối này biến với hệ số đàn hồi và dịch chuyển với hệ số giảm chấn . Cơ cấu lái có tỷ số truyền ⁄ .
1 x x * Tm Ko ( ) Co ( ) J0 i1 i1
x x 1 1 Ko ( ) Co ( ) . x i1 i1 i1 (4) m C1 ( x .i2 ) K1 ( x .i2 ) 1 C1 ( x .i2 ) K1 ( x .i2 ).i2 J bx { Trong phương trình trên mô men cản quay phụ thuộc vào tình trạng chuyển động của xe và tình trạng mặt đường thường được khảo sát thông qua mô hình thân xe.Hệ thống lái được bố trí trên thân xe do vậy trong quá trình chuyển động tác động từ thân xe ảnh hưởng đến chuyển động thước lái. Thành phần lực tác động lên thước lái ảnh hưởng bởi góc quay thân xe Fr được xác định thông qua khảo sát mô hình động lực học thân xe khi quay vòng [3]. Sử dụng mô hình một vết khảo sát sự thay đổi mô men cản chuyển động tại bánh xe dẫn hướng theo Hình 5.
H3. Sơ đồ hóa phần chấp hành hệ thống SBW Trong đó rp là khoảng cách tâm thanh lái đến điểm tiếp xúc với trục răng. Thanh lái có khối lượng m, có độ cứng C1, dịch chuyển với hệ số giảm chấn K1. Thanh lái nối với bánh xe qua thông qua kết nối cơ khí với tỉ số truyền hình học i2. Bánh xe có mô men quán tính J bx, biến dạng với hệ số đàn hồi C2, dịch chuyển với hệ số giảm chấn K2. Từ sơ đồ hóa hệ thống lái SBW ta có thể biểu diễn thông qua cơ hệ dao động như Hình 4.
H4. Sơ đồ hóa bộ phận chấp hành hệ thống SBW
H1. Mô hình một vết khảo sát Thay đổi vận tốc góc thân xe so với hướng chuyển động thẳng của bánh xe (do tác động trên vành lái) được xác định thông qua biểu thức:
Từ cơ hệ trên ta thành lập phương trình mô tả hệ thống. x x J 0 . Tm Ko ( ) Co ( ) i1 i1
(t )
x x 1 m. x Ko ( ) Co ( ) . (3) i1 i1 i1 C1 ( x .i2 ) K1 ( x .i2 )
1 1 (C f Cr ). (t ) M .v(t ) .(l f .C f lr .Cr (t ) C f . f 5 M .v(t ) v (t )
Thay đổi vận tốc góc thân xe quanh trục thẳng đứng tại trọng tâm do tác động thành phần lực theo phương ngang lên thân xe được xác định qua biểu thức:
{ J bx . C1 ( x .i2 ) K1 ( x .i2 ) .i2 M cq
(t )
1 z(l 2f .C f lr2.Cr ) (t ) l f .C f . F (6) Iz
Góc biến dạng bánh xe dẫn hướng:
Để khảo sát ảnh hưởng trạng thái cản chuyển 3
Hội nghị toàn quốc lần thứ 8 về Cơ Điện tử - VCM-2016 muốn, tín hiệu điều khiển được điều chỉnh nhằm giảm sai số hệ thống. Các hệ điều khiển v (t ) phức tạp thường được cấu thành bởi nhiều thành phần như đo lường, chuyển đổi tương Từ lập luận trên ta xác thành phần lực theo tự-số (ADC), điều chế độ rộng xung (PWM) phương ngang F y được xác định thông qua và quan hệ điện từ trong động cơ điện. Để xác công thức: định được tham số bộ điều khiển một cách lf chính xác, hệ thống có thể chia thành hai Fy ( f (t )) C f . f (t ) C f f (t ) (t ) . (t ) (8) v ( l ) thành phần, bao gồm thành phần đáp ứng Thành phần lực này tạo ra mô men ổn định hướng nhanh và chậm. Các hệ số bộ điều khiển được xác định sao cho bù lại được tính đáp ứng chuyển động của xe Talign. Tùy thuộc vào góc đặt chậm và giữ được tối ưu mô đun hệ thống [4]. bánh xe (Tp khoảng cách ảnh hưởng bởi góc nghiêng dọc trụ đứng): Talign (t ) Tp .Fy (t ) (9) Thành phần lực tác động lên thước lái ảnh hưởng bởi mô men ổn định được xác định: H 6. Sơ đồ bộ điều khiển PID T (t ) Fract (t ) align Do tác động của các yếu tố như quán tính khối rp lượng, ma sát cho nên luôn có sai số giữa giá trị đặt vận tốc yêu cầu ở đầu vào và vận tốc đáp l Tp .C f f (t ) (t ) f . (t ) ứng. Khảo sát trạng thái làm việc của hệ thống v (l ) (10) khi thay đổi độ cứng lốp tương ứng với tình trạng rp đường khác nhau (đường nhựa phủ tuyết C2= Trong đó góc quay bánh xe dẫn hướng phụ 12000 N.m/rad, đường nhựa ướt C2 = 45000 thuộc vào góc đánh lái và tỷ số truyền hệ N.m/rad, đường nhựa khô C2 = 80000 N.m/rad) thống lái iht: [5], chọn các thông số cho bộ điều khiển PID Kp =10, KI =1.7, KD=0.15, mô men do động cơ điện f (t ) d (t ) / iht (11) sinh ra phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển và Như vậy trên hệ thống lái SBW mô men đánh cường độ dòng điện điều khiển (ảnh thông số cấu lái đo động cơ DC sinh ra để khắc phục các mô tạo động cơ xem như hằng số). men cản quay vòng tại bánh xe dẫn hướng. Mô
f (t ) f (t ) ( (t )
lf
. (t )) (7)
men cản quay vòng phụ thuộc vào nhiếu yếu tố như: Ma sát hệ thống, quán tính khối lượng cụm bánh xe và các chi tiết hệ thống lái, góc đặt bánh xe, vận tốc chuyển động, góc đánh lái, gia tốc đánh lái và tình trạng mặt đường. Mô men cản quay vòng có thể được thể hiện thông qua sự biến dạng của lốp ̇ . Mô men cản quay vòng tạo thành các trạng thái tải trọng trong hệ thống lái SBW.
H 7. Chương trình matlab mô phỏng hệ thống lái SBW với bộ điều khiển PID
2.3. Bộ điều khiển PID cho hệ thống lái SBW Bộ điều khiển PID thể hiện tính hiệu quả và được sử dụng rộng rãi trong các hệ điều khiển công nghiệp. Trên cơ sở xác định sai số giữa giá trị đo lường phản hồi và giá trị đặt mong
H 8. Kết quả mô phỏng với 03 tình trạng mặt đường với bộ điều khiển PID 4
Hội nghị toàn quốc lần thứ 8 về Cơ Điện tử - VCM-2016 Kết quả trên cho thấy nếu bộ điều khiển PID với các tham số Kp, KI, KD cố định, độ trễ đáp ứng hệ thống thay đổi theo tình trạng cản. Để giải quyết vấn đề trên cần phát triển bộ điều khiển khác phù hợp với đặc tính cản thay đổi tác dụng lên hệ thống lái SBW. 2.4. Thiết kế bộ điều khiển Fuzzy-PID cho hệ thống lái SBW Quá trình thí nghiệm cho thấy trạng thái cản hệ thống thay đổi và sai số hệ thống là hai thông số đầu vào thay đổi. Có thể xem đây là hai biến đầu vào cho quá trình điều khiển đáp ứng hệ thống lái. Bộ điều khiển PID có ba tham số Kp, Ki, Kd được cài đặt giá trị ban đầu ứng với thạng thái mô men cản cực đại khi xe bắt đầu dịch chuyển. Tham số này được dịch chuyển trong khoảng thay đổi [Kpmin, Kimax ], [Kimin , Kimax], [Kdmin, Kdmax] tương ứng với trạng thái của mô men cản và độ trễ hệ thống. Quy đổi trạng thái này về dạng không chính tắc.
(
H 9. Bộ điều khiển Fuzzy Trong đó: sai số giữa góc quay bánh xe dẫn hướng và góc quay tác động trên vành lái được xác định bằng cảm biến vị trí encoder 400 (xung) có giá trị thực tế đo được trên mô hình thí nghiệm hệ thống lái SBW 01 có sai số từ 0518 (xung) [6], trạng thái cản đo thông qua cảm biến dòng điện 30A có giá trị đo từ 0-5 (volt).
)
H 10. Chương trình matlab mô phỏng hệ thống lái SBW với bộ điều khiển PID-Fuzzy
Trong đó các giá trị Kp, Ki, Kd được hiệu chỉnh theo công thức sau: ( ) ( ) ( ) ( ) Thử nghiệm bộ điều khiển PID – Fuzzy với một biến đầu vào là sai số giữa tín hiệu đánh lái và góc quay đáp ứng cơ cấu lái, tín hiệu đầu ra là thông số hiệu chỉnh cho tham số PID . Đầu vào bộ mờ thử nghiệm với hàm thuộc ứng với 7 biến ngôn ngữ: E1 = {sai lệch mức 1, sai lệch mức 2, sai lệch mức 3, sai lệch mức 4, sai lệch mức 5, sai lệch mức 6, sai lệch mức 7} E2 = {trạng thái cản 1, trạng thái cản 2, trạng thái cản 3, trạng thái cản 4, trạng thái cản 5, trạng thái cản 6, trạng thái cản 7}
H 11. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển hệ thống SBW sử dụng
H 12. Đáp ứng hệ thống khi C2 = 12000 N.m/rad 5
Hội nghị toàn quốc lần thứ 8 về Cơ Điện tử - VCM-2016
Tài liệu tham khảo [1] Trần Văn Lợi, Nguyễn Văn Bang, Thí nghiệm điều khiển hệ thống lái không trục lái qua phần mềm Labview, Tạp chí cơ khí Việt Nam, 2013. [2] Trần Văn Lợi, Trần Văn Như, Nguyễn Văn Bang, Mô phỏng chuyển làn của ô tô sử dụng hệ thống lái Steer By Wire, Kỷ yếu hội thảo câu lạc bộ khoa học kỹ thuật các trường kỹ thuật lần thứ 48, Lần thứ 48, 2016. [3] Xin Li, Xue Ping Controller Design for Electric Power Steering System Using T-S Fuzzy Model Approach School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, International Journal of Automation and Computing, May 2009. [4] Nguyễn Văn Bình, Khảo sát các chế độ làm việc đặc biệt của máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống turbine gió, Tạp chí Điều khiển và Tự động hóa, trang 48- 4, số , 2014. [5] Hai Wang, Huifang Kong, Zhihong Man, Do Manh Tuan, Zhenwei Cao, and Weixiang Shen, Sliding Mode Control for Steer-by-Wire Systems with AC Motors in Road Vehicles, IEEE, 2013. [6] Phân tích tạo cảm giác lái trên mô hình Steer-By-Wire, Khoa học giáo dục kỹ thuật Đại học sư phạm kỹ thuật Tp HCM, .
H 13. Đáp ứng hệ thống khi C2 = 45000 N.m/rad
H 14. Đáp ứng hệ thống khi C2 = 80000 N.m/rad Kết quả so sánh cho thấy khả năng đáp ứng của hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển Fuzzy PID cải thiện tình trạng ảnh hưởng thay đổi cản hệ thống lái, sai số giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu đáp ưng tương đối thấp từ 0,1-0,2 (rad). 3. Kết luận Hệ thống điều khiển SBW hỗ trợ đắc lực trong việc phát triển các công nghệ cho xe điện tự hành. Đây là một hệ thống phức tạp có bậc cao, tải trọng thay đổi, mô men cản luôn thay đổi liên quan đến điều kiện mặt đường. Hệ thống được mô hình hóa trên dựa trên các tham số thực tế mô tả chi tiết các tính chất động học. Trên cơ sở đó, bộ điều khiển PID kết hợp suy luận logic mờ được tiếp cận để nâng cao tính ổn định của hệ thống dưới điều kiện mặt đường thay đổi. Kết quả của công trình thể hiện được phương án tiếp cận, phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống lái. Hệ thống sẽ giúp phát triển hoàn thiện công nghệ xe điện, giúp nâng cao an toàn giao thông và cải thiện môi trường.
Trần Văn Lợi, Nhận bằng kỹ sư Cơ khí động lực trường Đại học sư phạm kỹ thuật Tp HCM năm 6. Tốt nghiệp thạc sĩ ngành Khai thác và bảo trì ô tô trường Đại học sư phạm kỹ thuật Tp HCM năm , hiện là nghiên cứu sinh năm 4 trường Đại học Giao thông Vận tải.Từ năm 6 đến nay công tác tại Bộ môn cơ khí ô tô Trường Đại học Giao thông Vận tải. Lĩnh vực tham gia giảng dạy và nghiên cứu chính: Các hệ thống cơ điện tử trên ô tô.
6
Hội nghị toàn quốc lần thứ 8 về Cơ Điện tử - VCM-2016 Nguyễn Văn Bình nhận bằng kỹ sư Điều khiển học kỹ thuật tại trường Đại học Giao thông Vận tải năm , bằng Thạc sĩ Kĩ thuật Điều khiển và hệ thống tự động tại trường Đại học Kỹ thuật Tổng hợp Sheffield, Vương Quốc Anh năm 7, và bằng Tiến sĩ Kỹ thuật Máy điện và Truyền động điện tại trường Đại học Kỹ thuật Tổng hợp Dresden, CHLB Đức năm . Anh tham gia công tác giảng dạy tại trường Đại học Giao thông Vận tải, Phân hiệu tại Thành phố Hồ Chí Minh từ năm . Hiện anh là giảng viên, trưởng Bộ môn Điện – Điện tử, trưởng nhóm nghiên cứu về điều khiển truyền động điện xe điện thông minh. Các hướng nghiên cứu chính bao gồm điều khiển máy phát điện năng lượng tái tạo, điều khiển truyền động điện thông minh, hệ thống giám sát, quan trắc công trình giao thông.
Nơi công tác hiện nay Bộ môn Cơ khí ô tô, Khoa Cơ khí, ĐH GTVT. Các hướng giảng dạy và nghiên cứu chính: Động lực học các hệ thống thủy lực, khí nén và hệ thống liên hợp, Điều khiển các hệ thống trên ô tô – máy kéo bằng dây dẫn, n định chuyển động của ô tô – máy kéo, Khai thác, bảo trì ô tô máy kéo, Hệ thống thủy lực khí nén, An toàn vận hành ô tô máy kéo, Động lực học ô tô máy kéo. Đỗ Văn Dũng, tốt nghiệp KS, ThS và Tiến sỹ ngành Cơ điện tử ô tô tại ĐH Quốc gia về Cơ khí Ô tô 1995, ThS Quản lý Giáo dục tại ĐH Sydney (Australia) năm . Tham gia giảng dạy tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM từ 1987, chủ nhiệm khoa Cơ khí Động lực (20002007), Phó Hiệu trưởng (20082013), Hiệu trưởng từ 2013. Lĩnh vực giảng dạy và nghiên cứu: Hệ thống điện và điện tử ô tô, Hệ thống điều khiển tự động trên động cơ đốt trong và ô tô, Nhiên liệu thay thế, Xe điện, xe lai.
gu ễn Văn Bang, nhận học vị tiến sĩ vào 18/07/1990 tại Cộng hòa Belarus, Liên xô cũ, Chuyên ngành Kỹ thuật ô tô - máy kéo, Ngành Cơ khí động lực.
7
Hội nghị toàn quốc lần thứ 8 về Cơ Điện tử - VCM-2016
8
