Thiết kế bộ điều khiển hệ thống lái Steer-by-wire

Thứ hai - 20/08/2018 00:16
Thiết kế bộ điều khiển hệ thống lái Steer-by-wire
THIẾT KẾ BỘ ĐIỂU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI STEER-BY-WIRE
CONTROLLER DESIGN OF STEER-BY-WIRE SYSTEM
Trần Văn Lợi1 , Nguyễn Văn Bình2 , Nguyễn Văn Bang3,  Đỗ Văn Dũng4,
 1Bộ môn Cơ khí, Trường Đại học Giao thông Vận tải- Cơ sở II
2Bộ môn Điện điện tử, Trường Đại học Giao thông Vận tải-Cơ sở II
3Bộ môn Cơ khí ô tô, Trường Đại học Giao thông Vận tải
4Khoa cơ khí động lực, Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
1Email: tvloi@utc2.edu.vn
2Email: nvbinh@utc2.edu.vn
3Email: bangnv54@gmail.com
4 Email: dodzung@yahoo.com

 
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. Kết quả nghiên cứu là cơ sở chế tạo mô hình bán thực nghiệm hệ thống lái SBW.
Từ khóa: Bộ điều khiển hệ thống lái, bộ điều khiển PID, lái điện, mô hình Steer-By-Wire.
 ABSTRACT: In order to design a high quality controller for Steer-By-Wire system (SBW), accurate dynamic models of the SBW as well as the vehicle are built properlly. The paper focuses on the modeling of SBW system for designing the controller for the SBW system. Through investigation and simulation, the SBW- Controller is validated. As a consequence, a test bench of the SBW-system is built and evaluated.
Keywords: Steer-By-Wire control, PID controller, Electric Steering, Steer-By-Wire model.
 
 
  1. ĐẶT VẤN ĐỀ
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 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
 

Hình 1. 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.
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].
  1. PHÂN TÍCH MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI SBW
    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. Phần dưới bao gồm động cơ, cơ cấu lái, dẫn động tích hợp và quán tính bánh xe.  Khi quay vành lái một góc θs , 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 (Hình 2).

Hình 2. Mô hình vành lái
 Xét cơ hệ được quy dẫn bên phải, khi tác động một lực lên vành tay lái có mô men quán tính Js, 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 tác động sinh ra lưc, lực này được 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, T­d, T1­ là mô men đánh lái và mô men sinh ra bởi động cơ bố trí trên vành lái, θd, θ1  là góc đặt đầu vào và đầu ra hệ thống.

Phương trình trên biểu diễn cơ cấu tác động một chiều từ vành tay tới khối động cơ. Mô men động cơ có chức năng tái tạo cảm giác lái. Từ mô hình ta lập được phương trình động học thứ hai như sau:
    1. Mô hình khảo sát động học bộ phận chấp hành hệ thống lái SBW
Khi xem xét trục nối nối mô hình theo quan điểm như hình Hình 3, trong đó trục nối mô tơ và cơ cấu chấp hành biến dạng ta phân tích hệ thống thành mô hình ba bậc tự do. Động cơ điện DC nhiệm vụ chính cung cấp mô men τM . Động cơ  điện DC này có mô men  quán tính J0  được nối với thanh lái thông qua cơ cấu lái trục răng, thanh răng. Xem trục nối này biến dạng với hệ số đàn hồi C0  và dịch chuyển với hệ số giảm chấn K0 . Cơ cấu lái có tỷ số truyền i1= 1rp .

Hình 3. Mô hình phần chấp hành hệ thống SBW
Từ sơ đồ hóa hệ thống lái SBW ta có thể biểu diễn thông qua cơ hệ dao động như Hình 4. 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 thông qua kết nối cơ khí với tỉ số truyền i2. Bánh xe có mô men quán tính Jbx, biến dạng với hệ số đàn hồi C2, dịch chuyển với hệ số giảm chấn K2. [2]

Hình 4. Sơ đồ hóa bộ phận chấp hành hệ thống SBW
Để khảo sát ảnh  hưởng trạng thái cản chuyển 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:

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. Thay mô men cản chuyển động M