Mô phỏng hệ thống truyền động điện trên ô tô điện sử dụng hệ thống lái bốn bánh xe

tải 4Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 02/11/2017 Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 24/12/2017 Ngày chấp nhận đăng: 28/12/2017 Tóm tắt Với nhiều ưu điểm nổi bật như khả năng điều khiển tốt, thân thiện với môi trường, ô tô điện đang là xu hướng phát triển trên toàn thế giới. Bài báo này trình bày nghiên cứu mô hình mô phỏng động lực học của ô tô điện với bốn động cơ điện độc lập tại bốn bánh xe bằng công cụ Matlab-Simulink, đánh giá hiệu quả điều khiển trong hai trường hợp ô tô chuyển làn và quay vòng với bán kính không đổi. Từ khóa: Ô tô điện; động cơ điện tại bốn bánh xe; 4WS. Abstract With many outstanding features such as good control, environmentally friendly, electric cars are trending development in the world. This paper presents a study of the dynamics simulation model of electric cars with four independent electric motors in four wheels by tool Simulink of Matlab, evaluating the control effect in two cases of automobile change lanes and turn around. Keywords: Electric car; 4-in wheels-motor; 4WS. 1. ĐẶT VẤN ĐẾ Đặc tính vận tốc lý tưởng của ô tô có dạng hypecbol như trên hình 1a. Khi xe chuyển động, nếu lực cản tăng thì vận tốc xe sẽ giảm dần, nếu lực cản giảm thì xe tăng dần vận tốc. Phạm vi thay đổi vận tốc của xe càng cao càng tốt và khả năng khắc phục lực cản của xe khi hoạt động càng rộng càng tốt. Để đáp ứng được điều kiện làm việc này, công suất của động cơ phải được giữ không đổi trên toàn bộ dải vận tốc. Động cơ điện có đặc tính mômen và đặc tính công suất như hình 1b, phù hợp với điều kiện chuyển động của xe. Động cơ điện có phạm vi thay đổi mômen lớn, có thể hoạt động ở vận tốc rất thấp và phạm vi điều chỉnh vận tốc lớn nên sử dụng ô tô sẽ cho khả năng khắc phục tốt các điều kiện cản khác nhau, phù hợp với các trạng thái làm việc của ô tô. Do động cơ điện có tính chất dễ điều khiển tốc độ nên đặc tính lực kéo gần giống với đặc tính lý tưởng của xe như hình 1c (tham khảo nghiên cứu tại [1]). Hình 1. a) Đặc tính làm việc của ô tô; b) Đặc tính ngoài động cơ điện; c) Đặc tính kéo của ô tô điện 54 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu mô phỏng động lực học ô tô điện loại nhỏ, sử dụng bốn động cơ dẫn động trực tiếp bốn bánh xe; đánh giá khả năng điều khiển hướng chuyển động thông qua việc thay đổi dòng điện cấp cho các động cơ điện tại các bánh xe. 2. CƠ SỞ NGHIÊN CỨU Bài báo kế thừa mô hình mô phỏng động lực học của tác giả Lê Ngọc Trung với hệ thống lái bốn bánh xe dẫn hướng [2] để xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động của xe bốn bánh chủ động với bốn động cơ điện đặt trong bánh xe như hình 2. Hệ phương trình vi phân mô tả các chuyển động của ô tô trong mặt phẳng đường như sau: cos cos cos cos sin sin sin sin cos cos cos cos (1) sin sin sin sin xfl fl xfr fr xrl rl xrr rr yfl fl yfr fr yrl rl yrr rr f yfl fl yfr fr yrl rl yrr rr xfl fl xfr fr xrl rl xrr rr j mx F F F F F F F F P P my F F F F F F F F N P d d d d d d d d d d d d d d d d = + + + − − − + + − − = + + + + + + − − + +   ( sin sin ) ( cos cos ) ( cos cos ) ( sin sin ) ( cos - cos ) ( cos cos ) 2 2 z xfl fl xfr fr yfl fl yfr fr yrl rl yrr rr yfl fl yfr fr xfl fl xfr fr xrl rl xrr rr si J F F a F F a F F b F F B BF F F F M ε d d d d d d d d d d d d = + + + − + + − − − − +∑  trong đó: m: khối lượng toàn bộ của xe; x : vận tốc xe theo phương dọc; y : vận tốc xe theo phương ngang; ε : gia tốc góc quay thân xe; , , ,xfl xfr xrl xrrF F F F : phản lực từ mặt đường lên các bánh xe theo phương x; , , ,yfl yfr yrl yrrF F F F : phản lực từ mặt đường lên các bánh xe theo phương y; , , ,fl fr rl rrd d d d : góc quay của các bánh xe trước trái, trước phải, sau trái và sau phải; ,P Nw ,P Nw : lực cản không khí và thành phần lực quán tính theo phương trục y. Hình 2. Các lực tác dụng lên xe khi quay vòng Sự tương tác giữa lốp xe đàn hồi và mặt đường thông qua quan hệ giữa hệ số bám φ (gồm hệ số bám dọc φx, hệ số bám ngang φy) và độ trượt s (gồm độ trượt dọc sx, độ trượt ngang sy), phụ thuộc vào từng loại đường và góc lệch bên bánh xe α [3]. Mô phỏng mô hình lốp theo mối tương quan như sơ đồ hình 3. Các giá trị Fx(sx,α,Fz) và Fy(sy,α,Fz) được xác định từ thực nghiệm. Mô hình mô phỏng cho phép xác định được các giá trị vận tốc xe theo phương dọc x , vận tốc xe theo phương ngang y , vận tốc góc quay thân xe ε , vận tốc góc của các bánh xe, độ trượt của các bánh xe, các thành phần lực ngang và lực dọc tại bánh xe. Hình 3. Sơ đồ mô tả lực tương tác của bánh xe đàn hồi Vận tốc xe được xác định theo công thức (2): 2 2 xeV x y= +  (2) Xây dựng thêm mô hình mô phỏng hệ thống lái bốn bánh xe dẫn hướng (4WS) được khảo sát như hình 4, hình 5 [4]. Khi xe chuyển động ở vận tốc cao thì các bánh xe cầu sau quay cùng chiều bánh xe cầu trước để đảm bảo quay vòng ổn định, ở vận tốc thấp thì các bánh xe cầu sau quay ngược chiều các bánh xe cầu trước nhằm tăng khả năng quay vòng ngoặt của xe. Hình 4. Hai bánh xe cầu trước và cầu sau quay ngược chiều khi lái bốn bánh LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 55 Hình 5. Hai bánh xe cầu trước và cầu sau quay cùng chiều khi lái bốn bánh Điều kiện động học quay vòng giữa các góc quay bánh xe trước và sau theo lý thuyết Ackerman khi không kể tới sự đàn hồi của lốp được xác định theo công thức (3): cot cot cot cot cot cot fr fl fr fl rr rl B B L L d d d d d d − − = − ⋅ − (3) Công thức (3) này đúng cho hai trường hợp quay vòng nêu trên và là điều kiện động học đúng cho hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng, làm cơ sở tính toán cho bộ điều khiển hướng chuyển động của xe. Bán kính quỹ đạo khi quay vòng đúng được xác định theo công thức (4): 2 2 21 2( ) (cot cot )4 fl fr cR b c d d= + + + (4) Vận tốc góc quay thân xe mong muốn, tính theo điều kiện động học đúng như sau: * xe R v ε = (5) Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển chuyển động quay vòng như hình 5. Bài báo sử dụng điều khiển logic mờ (fuzzy logic) theo quy luật điều khiển PID nhằm hỗ trợ điều khiển chuyển động quay vòng cho xe. Bộ điều khiển thay đổi vận tốc động cơ điện bằng cách thay đổi cường độ dòng điện cấp vào động cơ nhằm mục đích hạn chế hiện tượng quay vòng thừa và quay vòng thiếu của xe. Bộ điều khiển sử dụng các tham số đầu vào là sai lệch e(έ ) (giữa vận tốc góc quay thân xe lý thuyết έ* và vận tốc góc quay thân xe thực tế έ) và mức biến thiên của sai lệch này ė(t): 2 1( ) * ; ( ) ( ) ( )e t e t e t e tε ε= − = −   (6) Bộ điều khiển sẽ tính toán giá trị cường độ dòng điện hiệu chỉnh theo công thức: ( )( ) ( )P D I de tI K e t K K e t dt D = + + ∫ (7) Các hệ số KP, KI, K D, được chỉnh định trực tiếp thông qua công cụ mô phỏng hệ thống của Matlab -Simulink. 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.1. Kết quả mô phỏng khả năng động lực học của xe Mô hình mô phỏng sử dụng bốn động cơ điện, dẫn động trực tiếp bốn bánh xe. Ban đầu xe đứng yên, thay đổi dòng điện cấp vào động cơ để khảo sát sự thay đổi vận tốc của xe. Kết quả mô phỏng trên hình 6 cho thấy, khi cấp dòng điện 190 A, ứng với giá trị mômen lớn nhất động cơ sinh ra là 370 Nm, tỷ số truyền i0 = 1, thì vận tốc lớn nhất của xe là 20 m/s (72 km/h), đạt được sau 20 s (đường II). Nếu i0 = 4 thì vận tốc lớn nhất là 31 m/s (112 km/h), đạt được sau 12 s (đường I). Hình 6. Vận tốc dài của xe 3.2. Kết quả mô phỏng điều khiển chuyển động quay vòng Bài báo mô phỏng trạng thái chuyển động chuyển làn của xe tại vận tốc không đổi và bằng 60 km/h, trên đường có hệ số bám cực đại là 0,7. Quy luật điều khiển vô lăng của người lái có dạng hình sin với biên độ 60 (ứng với góc lái 60 độ), chu kỳ 2 (I) (II) 28 V (m/s) Th i gian (s) 56 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 giây (ứng với thời gian chuyển làn là 2 giây) như hình 7a. Xe sử dụng hệ truyền động bốn động cơ điện dẫn động trực tiếp bốn bánh xe. Khi xe chuyển động quay vòng thiếu, bộ điều khiển tác động thay đổi dòng điện tới các động cơ. Khi đó, mômen cấp xuống hai động cơ bên trái tăng lên, mômen hai động cơ bên phải giảm xuống (hình 7e) làm thay đổi vận tốc của các động cơ điện tương ứng hỗ trợ chuyển động quay vòng của xe, giúp xe quay vòng theo quỹ đạo đúng. Sau khi chuyển làn, góc quay thân xe bằng không cho thấy xe có thể trở về trạng thái chuyển động thẳng song song với hướng chuyển động ban đầu mà không cần sự điều chỉnh từ người lái (hình 7c). Đồ thị hình 7d cho thấy: khi xe chuyển làn với cùng một góc quay vành lái thì dịch chuyển ngang của xe khi có bộ điều khiển sẽ lớn hơn. Do đó, để đạt được cùng một mức độ chuyển làn thì người lái chỉ cần đánh lái với góc quay nhỏ hơn khi có bộ điều khiển tác động. Với trường hợp quay vòng ở vận tốc thấp, bài báo trình bày kết quả mô phỏng khi quay vòng với góc quay vành lái không đổi và bằng 180o, ở vận tốc xe 30 km/h, trên đường có hệ số bám cực đại là 0,7. Vận tốc góc quay thân xe lớn hơn (hình 8a); mômen của động cơ điện cấp cho các bánh xe bên trái giảm, mômen của động cơ điện cấp cho các bánh xe bên phải tăng (hình 8b) giúp giảm bán kính quay vòng của xe. Hình 8. Xe quay vòng với góc quay vô lăng không đổi 180o tại vận tốc 30 km/h LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 57 Khi không sử dụng bộ điều khiển, xe chuyển động trên các cung tròn khác nhau và ngày càng đi lệch quỹ đạo mong muốn. Khi bộ điều khiển làm việc, bán kính quay vòng của xe giảm xuống, và xe chuyển động trên quỹ đạo tương ứng với bán kính không đổi (hình 9). Hình 9. Quỹ đạo chuyển động khi góc quay vô lăng cố định góc 180o 4. KẾT LUẬN Bài báo đã khảo sát chuyển động quay vòng của xe trong hai trường hợp chuyển làn và quay vòng, kết quả cho thấy khi có điều khiển của các động cơ điện thì quỹ đạo của ô tô về gần với quay vòng đúng làm tăng khả năng ổn định và tính cơ động của ô tô. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Phan Văn Hùng (2013). Nghiên cứu, thiết kế, tính toán hệ thống động lực hiện cho ô tô con. Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. [2]. Lê Ngọc Trung (2008). Mô phỏng chuyển động của ô tô 4 bánh dẫn hướng. Luận văn thạc sĩ khoa học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. [3]. Nguyễn Khắc Trai (1997). Tính điều khiển và quỹ đạo chuyển động của ô tô. Nhà xuất bản Giao thông Vận tải. [4]. Reza N. Jazar (2008). Vehicle Dynamic: Theory and Application. Springer. [5]. Kiyotaka Kawashima, Toshiyuki Uchida, Yoichi Hori (2009). Rolling Stability Control Based on Electronic Stability Program for In-wheel-motor Electric Vehicle. World Electric Vehicle Journal Vol. 3, May 13-16. [6]. Rongrong Wang and Junmin Wang (2011). Stability Control of Electric Vehicles with Four Independently Actuated Wheels. The 50th IEEE Conference on Decision and Control and European Control Conference (CDC-ECC) Orlando, FL, USA, December 12-15.