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

Thứ hai - 20/08/2018 00:16

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
⁴Email: 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.

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].

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, T_d, 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 J_bx, 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 Mcq= K2*α +C2*α

vào phương trình (3) suy ra phương trình (4).
Phương trình trên viết dưới dạng sau:

Trong đó a, b, c, e, f là hệ số, u là hàm đặc trưng cho mô men động cơ sinh ra. a1 = -K0/J0; b1 = K0/(J0*i1); d1 = - C0/J0; e1 = C0/(J0*i1); a2 = K0/(m*i1); c2 = K1*i2/m; b2 = -K0/(m*i1^2) - K1/m; d2 = C0/(m*i1); e2 = -C0/(m*i1^2) - C1/m; f2 = C1*i2/m; b3 = K1*i2/Jb; c3 = -K1*i2^2/Jb; e3 = - C1*i2^2/Jb; d3 = C1*i2/Jb; Từ phương trình dịch chuyển góc quay bánh xe tiến hành lấy đạo hàm bậc 3 ta được:

Thay x

bằng phương trình chuyển dịch thanh lái, a4 = e3 + c2*b3; b4 = f2*b3; c4 = b3*a2; d4 = d2*b3; e4 = b3*b2 + d3; f4 = b3*e2; a5 = b4+ e4*c2; b5 = d4 + c4*a1 + e4*a2; c5 = e4*d2 + c4*d1; d5 = c4*e1 + e4*e2; e5 = f4 + e4*b2 + c4*b1; f5 = e4*f2; K=1; b=c4/Jb; rút gọn ta được phương trình sau:

Tiếp tục lấy đạo hàm bậc bốn phương trình trên ta được:

Thay và rút gọn phương trình ta được:

Từ hệ phương trình trên ta có thể khảo sát tính ổn định hệ thống lái SBW, thiết kế bộ điều khiển hệ thống, khảo sát đáp ứng hệ thống theo miền thời gian và tần số.

1. Khảo sát mô hình điều khiển bằng phần mềm Matlab Simulink

Mô hình hóa của hệ thống lái được kiểm chứng trên môi trường Matlab/ Simulink với các tham số được thể hiện trên bảng 1. Qua kết quả (Hình 5) cho thấy, đặc tính góc quay bánh xe biến thiên tương ứng với sự thay đổi của tham số đầu vào.
Bảng 1. Bảng thông số mô phỏng hệ thống lái

Tên bộ phận	Giá trị
Hệ số giảm chấn của trục nối cơ cấu lái K₀	0.225 N.m/rad/s
Độ cứng xoắn trục nối động cơ chấp hành và cơ cấu lái C₀	4120 N.m/rad
Khối lượng quán tính trục nối J₀	4.8*10^-4 Kg.m²
Tỷ số truyền bộ thứ nhất i₁	0.01
Tỷ số truyền thứ hai i₂	0.2
Khối lượng thước lái m	2 kg
Hệ số giảm chấn K₁	450 N.m/s
Độ cứng thước lái C₁	206000 N.m
Mô men quán tính bánh xe J_bx	1.8 kg.m²
Hệ số giảm chấn bánh xe K₂	400 N.m/rad/s
Độ cứng lốp C₂	28000 N.m/rad

Hình 5.Kết quả phân tích mô hình bằng matlab Simulink

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI SBW
1. Tuyến tính hóa mô hình

Mô hình hệ thống lái trên thường mô tả trong không gian trạng thái với nhiều biến không gian. Trong các biến không gian này tồn tại các trạng thái không quan sát được hoặc không điều khiển được. Các biến này chính là các bậc cao trong mô tả quan hệ vào ra của hệ thống theo hàm truyền.
Thực tế khi thiết kế bộ điều khiển, các biến bậc cao có thể dần loại bỏ bởi các kĩ thuật tuyến tính hóa giảm bậc. Kỹ thuật này được tích hợp trong Matlab và được ứng dụng để giảm bậc trong hệ thống được mô tả trong không gian trạng thái và vẫn giữ được hệ số khuếch đại một chiều của hệ gốc.
Khi ứng dụng kĩ thuật này, hệ thống bậc cao của hệ thống lái được xấp xỉ bằng một phương trình bậc hai, được thể hiện như sau:

1. Tính toán bộ điều khiển

Mô hình hệ thống lái có thể phân tích thành các thành phần bậc nhất với hai hằng số thời gian khác nhau:

trong đó, V_S là hệ số khuếch đại tĩnh. T₁ là hằng số thời gian của quá trình chậm, phụ thuộc vào biến thiên đặc tính điều khiển phần cảm của động cơ điện. T₂ là hằng số thời gian quá trình nhanh, phụ thuộc vào đặc tính biến đổi điện như thời gian ngừng đóng mở các van bán dẫn, chuyển đổi tương tự-số, thời gian xử lý thuật toán điều khiển [3].
Bộ điều khiển cho hệ thống có thể mô tả dưới dạng:

trong đó, V_C là hệ số khuếch đại điều khiển, T_C là thời gian đặt. Từ đó, dưới điều kiện đặc trưng về hằng số thời gian mô hình với hệ số quá trình nhanh đủ nhỏ hơn so với quá trình chậm, bộ điều khiển được thiết kế theo tiêu chuẩn tối ưu mô-đun như mục tiêu của việc tuyến tính hóa mô hình. Theo đó, hằng số thời gian đặt của bộ điều khiển cần bù được quá trình chậm do biến thiên đặc tính từ động cơ điện:

Hằng số khuếch đại của bộ điều khiển cần tính toán để đảm bảo dãi tần của hệ thống đủ lớn:

Với việc tính toán này, hệ thống sẽ được điều khiển quanh điểm làm việc với hệ số dập dao động tự nhiên được tiêu chuẩn hóa. Sử dụng matlab Simulink mô phỏng hệ thống.

Hình 6. Kết quả mô phỏng với 02 trạng thái cản khác nhau với bộ điều khiển PID
Trạng thái cản tại bánh xe dẫn hướng ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển. Khi tăng mô men cản, giữ nguyên các hệ số bộ điều khiển PID các hệ số Kp, Kd, Ki cố định thì độ trễ tăng theo (Hình 6). Với các tham số bộ điều khiển, chất lượng điều khiển của hệ thống được đảm bảo.

THỬ NGHIỆM BỘ ĐIỀU KHIỀN TRÊN MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI SBW-F1
1. Giới thiệu mô hình SBW-F1

Mô hình thí nghiệm hệ thống lái SBW-F1 được chế tạo tại phòng thí nghiệm thuộc trường Đại học giao thông Vận tải. Mô hình gồm 06 nhóm chính Hình 7.
Nhóm 1: Khung cơ khí: Chức năng chính là tạo các vị trí liên kết cầu xe với khung xe trong không gian của hệ thống lái trên xe sử dụng làm mô hình.
Nhóm 2: Kết cấu cơ khí hệ thống lái và cầu trước: Kết cấu cơ khí bao gồm hệ thống lái và cầu trước được sử dụng làm mô hình được lấy từ xe nguyên bản.
Nhóm 3: Bộ phận tạo tải: Khi ô tô chuyển động, tải trọng của ô tô tác dụng lên mặt đường thay đổi theo tình trạng đường và chuyển động của xe.

Hình 7. Sơ đồ mô hình bộ phận chấp hành hệ thông SBW
(1. Cụm động cơ DC và hộp giảm tốc; 2. Cơ cấu lái; 3. Khung; 4. Cụm giảm chấn; 5. Bánh xe; 6. Kích đội bánh xe; 7. Càng chữ A trên; 8. Ngõng quay; 9. Càng chữ A dưới)
Nhóm 4: Hộp điều khiển hệ thống và phần cứng điện điều khiển: Hộp điều khiển hệ thống SBW được nghiên cứu chế tạo bố trí trên mô hình hệ thống. Hộp điều khiển chứa chương trình điều khiển đáp ứng vành lái và bộ phận chấp hành đồng thời phản hồi cảm giác lái lên vành lái [4].
Nhóm 5: Cụm đo góc quay bánh xe: Dịch chuyển bánh xe bên phải và bên trái ảnh hưởng trực tiếp bởi góc đặt bánh xe và thông số hình thang lái. Chức năng chính cụm góc quay bánh xe là theo dõi đáp ứng giữa chuyển động vành lái và góc quay bánh xe.
Nhóm 6: Thiết bị đo ghi các thông số thí nghiệm và chương trình hiển thị, lưu trữ số liệu: Thiết bị đo ghi bao gồm đầu đo (cảm biến vị trí Encorder Omron 500 xung/vòng, cảm biến tải trọng Keli 700 (Kg), cảm biến đo mô men ACS712 30A), mô hình trang bị cảm biến và thiết bị giao tiếp máy tính (hãng NI Instruments) theo chuẩn công nghiệp của các hãng có thương hiệu, có độ chính xác cao.

1. Kết quả thử nghiệm

Chương trình thí nghiệm quan sát độ trễ kết hợp với các chương trình đo mô men cản trong hệ thống. Vị trí góc quay bánh xe sẽ cho kết quả trực quan về khả năng đáp ứng hệ thống. Ở các vị trí trung hòa và vị trí góc đánh lái cực đại, khi thay đổi chiều đánh lái đột ngột, khả năng đáp ứng hệ thống nhanh, đảm bảo tính chất hoạt động cơ cấu lái dưới các điều kiện tải khác nhau (hình 8-10). Trong chương trình thí nghiệm, có thể thử nghiệm các thông số tính toán, kiểm nghiệm lại các hệ số trong phần mềm điều khiển. Trước khi tiến hành thí nghiệm cũng cần hiệu chỉnh và cài đặt các thông số ban đầu. Kết quả quan sát chế độ đáp ứng bộ điều khiển PID như sau:

Hình 8. Vị trí vành lái và trục lái bắt đầu thí nghiệm, Kp = 17, Ki = 0.8, K_d=0

Hình 9. Vị trí vành lái và trục lái với tải trọng lên nền đường bánh xe bên phải, trái bằng 3000 (N), thông số cài đặt Kp = 17, Ki = 0.8, K_p=0), vận tốc đánh lái ổn định, kết quả độ trễ lớn nhất 17 xung (11⁰).

Hình 10. Vị trí vành lái và trục lái với tải trọng lên nền đường bánh xe bên phải, trái bằng 3500 (N), thông số cài đặt Kp = 17, Ki = 0.8, K_p=0), kết quả độ trễ lớn nhất 30 xung (19⁰)
Bộ điều khiển PID thiết kế cho hệ thống lái SBW với thông số cài đặt Kp, Ki tương ứng với chế độ tải bánh xe 3000 (N) làm việc ổn định với độ trễ nhỏ (11⁰).
Giữ nguyên thông số cài đặt (Kp, Ki), giảm tải trọng tác dụng lên hệ thống, đáp ứng độ trễ giảm từ 11⁰ xuống 3⁰tương ứng với khoảng thay đổi tải trọng từ 3000N đến 0 (N).

KẾT LUẬN

Với việc mô hình hóa thành công cơ cấu lái đã hỗ trợ đắc lực trong việc thiết lập được một bộ điều khiển phù hợp, đáp ứng những điều kiện thực tế của hệ thống lái như nhiều bậc tự do, tải trọng thay đổi, cũng như sự biến đổi liên tục của mô men cản theo điều kiện mặt đường.
Mô hình bán thực nghiệm cũng thể hiện được hoạt động của cơ cấu lái. Khả năng đáp ứng tốt của hệ thống dưới các điều kiện hoạt động khác nhau thể hiện tính hiệu quả của mô hình, kết cấu cơ khí và hệ điều khiển số.
Bộ điều khiển thiết kế với thông số cài đặt cố định đáp ứng yêu cầu chuyển động tĩnh của mô hình. Khi áp dụng trên xe thật, dải tải trọng thay đổi cần có bộ điều khiển tốt hơn.
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] 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 48-54, số 10, 2014.
[4] 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, 2015.

Tác giả bài viết: TS. Trần Văn Lợi