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

LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC<br /> <br /> <br /> MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRÊN Ô TÔ ĐIỆN<br /> SỬ DỤNG HỆ THỐNG LÁI BỐN BÁNH XE<br /> SIMULATION OF ELECTRIC DRIVER SYSTEM FOR ELECTRIC<br /> CAR WITH FOUR WHEEL STEERING<br /> Nguyễn Ngọc Tuấn1, Hồ Hữu Hùng2, Nguyễn Thành Công3, Nguyễn Đình Cương4<br /> Email: nguyenngoctuan66@gmail.com<br /> 1<br /> Công ty cổ phần Ô tô Trường Hải<br /> 2<br /> Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật công nghiệp<br /> 3<br /> Trường Đại học Giao thông Vận tải<br /> 4<br /> Trường Đại học Sao Đỏ<br /> Ngày nhận bài: 02/11/2017<br /> Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 24/12/2017<br /> Ngày chấp nhận đăng: 28/12/2017<br /> Tóm tắt<br /> Với nhiều ưu điểm nổi bật như khả năng điều khiển tốt, thân thiện với môi trường, ô tô điện đang là xu<br /> hướng phát triển trên toàn thế giới. Bài báo này trình bày nghiên cứu mô hình mô phỏng động lực học<br /> của ô tô điện với bốn động cơ điện độc lập tại bốn bánh xe bằng công cụ Matlab-Simulink, đánh giá hiệu<br /> quả điều khiển trong hai trường hợp ô tô chuyển làn và quay vòng với bán kính không đổi.<br /> Từ khóa: Ô tô điện; động cơ điện tại bốn bánh xe; 4WS.<br /> Abstract<br /> With many outstanding features such as good control, environmentally friendly, electric cars are trending<br /> development in the world. This paper presents a study of the dynamics simulation model of electric cars<br /> with four independent electric motors in four wheels by tool Simulink of Matlab, evaluating the control<br /> effect in two cases of automobile change lanes and turn around.<br /> Keywords: Electric car; 4-in wheels-motor; 4WS.<br /> <br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐẾ Do động cơ điện có tính chất dễ điều khiển tốc<br /> độ nên đặc tính lực kéo gần giống với đặc tính<br /> Đặc tính vận tốc lý tưởng của ô tô có dạng hypecbol<br /> lý tưởng của xe như hình 1c (tham khảo nghiên<br /> như trên hình 1a. Khi xe chuyển động, nếu lực cản cứu tại [1]).<br /> tăng thì vận tốc xe sẽ giảm dần, nếu lực cản giảm<br /> thì xe tăng dần vận tốc. Phạm vi thay đổi vận tốc<br /> của xe càng cao càng tốt và khả năng khắc phục<br /> lực cản của xe khi hoạt động càng rộng càng tốt. Để<br /> đáp ứng được điều kiện làm việc này, công suất của<br /> động cơ phải được giữ không đổi trên toàn bộ dải<br /> vận tốc.<br /> <br /> Động cơ điện có đặc tính mômen và đặc tính công<br /> suất như hình 1b, phù hợp với điều kiện chuyển<br /> động của xe. Động cơ điện có phạm vi thay đổi<br /> mômen lớn, có thể hoạt động ở vận tốc rất thấp<br /> và phạm vi điều chỉnh vận tốc lớn nên sử dụng<br /> ô tô sẽ cho khả năng khắc phục tốt các điều kiện<br /> cản khác nhau, phù hợp với các trạng thái làm việc Hình 1. a) Đặc tính làm việc của ô tô; b) Đặc tính<br /> của ô tô. ngoài động cơ điện; c) Đặc tính kéo của ô tô điện<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 53<br />  NGHIÊN CỨU KHOA HỌC<br /> <br /> Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu mô phỏng số bám dọc φx, hệ số bám ngang φy) và độ trượt<br /> động lực học ô tô điện loại nhỏ, sử dụng bốn động s (gồm độ trượt dọc sx, độ trượt ngang sy), phụ<br /> cơ dẫn động trực tiếp bốn bánh xe; đánh giá khả thuộc vào từng loại đường và góc lệch bên bánh<br /> năng điều khiển hướng chuyển động thông qua xe α [3]. Mô phỏng mô hình lốp theo mối tương<br /> việc thay đổi dòng điện cấp cho các động cơ điện quan như sơ đồ hình 3.<br /> tại các bánh xe.<br /> Các giá trị Fx(sx,α,Fz) và Fy(sy,α,Fz) được xác định<br /> 2. CƠ SỞ NGHIÊN CỨU từ thực nghiệm.<br /> Bài báo kế thừa mô hình mô phỏng động lực học Mô hình mô phỏng cho phép xác định được các<br /> của tác giả Lê Ngọc Trung với hệ thống lái bốn giá trị vận tốc xe theo phương dọc x , vận tốc xe<br /> bánh xe dẫn hướng [2] để xây dựng mô hình mô theo phương ngang y , vận tốc góc quay thân xe<br /> phỏng chuyển động của xe bốn bánh chủ động với ε , vận tốc góc của các bánh xe, độ trượt của các<br /> bốn động cơ điện đặt trong bánh xe như hình 2. bánh xe, các thành phần lực ngang và lực dọc tại<br /> Hệ phương trình vi phân mô tả các chuyển động bánh xe.<br /> của ô tô trong mặt phẳng đường như sau:<br /> mx = Fxfl cos d fl + Fxfr cos d fr + Fxrl cos d rl + Fxrr cos d rr −<br /> − Fyfl sin d fl − Fyfr sin d fr + Fyrl sin d rl + Fyrr sin d rr − P − Pf<br /> my = Fyfl cos d fl + Fyfr cos d fr + Fyrl cos d rl + Fyrr cos d rr + (1)<br /> + Fxfl sin d fl + Fxfr sin d fr − Fxrl sin d rl − Fxrr sin d rr + N + Pj<br /> J zε = ( Fxfl sin d fl + Fxfr sin d fr )a + ( Fyfl cos d fl + Fyfr cos d fr )a −<br /> <br /> ( Fyrl cos d rl + Fyrr cos d rr )b + ( Fyfl sin d fl − Fyfr sin d fr ) −<br /> <br /> B B<br /> ( Fxfl cos d fl - Fxfr cos d fr ) − ( Fxrl cos d rl − Fxrr cos d rr ) + ∑ M si Hình 3. Sơ đồ mô tả lực tương tác<br /> 2 2<br /> của bánh xe đàn hồi<br /> trong đó: m: khối lượng toàn bộ của xe; x : vận<br /> Vận tốc xe được xác định theo công thức (2):<br /> tốc xe theo phương dọc; y : vận tốc xe theo<br /> phương ngang; ε : gia tốc góc quay thân xe; <br /> V<br /> =xe x 2 + y 2 (2)<br /> Fxfl , Fxfr , Fxrl , Fxrr : phản lực từ mặt đường lên các Xây dựng thêm mô hình mô phỏng hệ thống lái<br /> bánh xe theo phương x; Fyfl , Fyfr , Fyrl , Fyrr : phản bốn bánh xe dẫn hướng (4WS) được khảo sát<br /> lực từ mặt đường lên các bánh xe theo phương y; như hình 4, hình 5 [4]. Khi xe chuyển động ở vận<br /> d fl , d fr , d rl , d rr : góc quay của các bánh xe trước tốc cao thì các bánh xe cầu sau quay cùng chiều<br /> trái, trước phải, sau trái và sau phải; PP ww, ,NN : lực bánh xe cầu trước để đảm bảo quay vòng ổn<br /> cản không khí và thành phần lực quán tính theo<br /> định, ở vận tốc thấp thì các bánh xe cầu sau quay<br /> phương trục y.<br /> ngược chiều các bánh xe cầu trước nhằm tăng<br /> khả năng quay vòng ngoặt của xe.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Các lực tác dụng lên xe khi quay vòng<br /> <br /> Sự tương tác giữa lốp xe đàn hồi và mặt đường Hình 4. Hai bánh xe cầu trước và cầu sau<br /> thông qua quan hệ giữa hệ số bám φ (gồm hệ quay ngược chiều khi lái bốn bánh<br /> <br /> <br /> 54 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017<br />  LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC<br /> <br /> έ* và vận tốc góc quay thân xe thực tế έ) và mức<br /> biến thiên của sai lệch này ė(t):<br /> e(t ) = ε * −ε; e(t ) =e(t ) 2 − e(t )1 (6)<br /> <br /> Bộ điều khiển sẽ tính toán giá trị cường độ dòng<br /> điện hiệu chỉnh theo công thức:<br /> <br /> de(t )<br /> DI K P e(t ) + K D<br /> = + K I ∫ e(t ) (7)<br /> dt<br /> Các hệ số KP, KI, K­D, được chỉnh định trực tiếp<br /> thông qua công cụ mô phỏng hệ thống của Matlab<br /> -Simulink.<br /> <br /> 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG<br /> Hình 5. Hai bánh xe cầu trước và cầu sau<br /> 3.1. Kết quả mô phỏng khả năng động lực học<br /> quay cùng chiều khi lái bốn bánh<br /> của xe<br /> Điều kiện động học quay vòng giữa các góc quay<br /> Mô hình mô phỏng sử dụng bốn động cơ điện,<br /> bánh xe trước và sau theo lý thuyết Ackerman khi<br /> dẫn động trực tiếp bốn bánh xe. Ban đầu xe đứng<br /> không kể tới sự đàn hồi của lốp được xác định<br /> theo công thức (3): yên, thay đổi dòng điện cấp vào động cơ để khảo<br /> sát sự thay đổi vận tốc của xe.<br /> B B cot d fr − cot d fl<br /> cot d fr − cot d fl = − ⋅ (3)<br /> L L cot d rr − cot d rl Kết quả mô phỏng trên hình 6 cho thấy, khi cấp<br /> dòng điện 190 A, ứng với giá trị mômen lớn nhất<br /> Công thức (3) này đúng cho hai trường hợp quay<br /> động cơ sinh ra là 370 Nm, tỷ số truyền i0 = 1, thì<br /> vòng nêu trên và là điều kiện động học đúng cho<br /> vận tốc lớn nhất của xe là 20 m/s (72 km/h), đạt<br /> hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng, làm cơ sở<br /> được sau 20 s (đường II). Nếu i0 = 4 thì vận tốc<br /> tính toán cho bộ điều khiển hướng chuyển động<br /> lớn nhất là 31 m/s (112 km/h), đạt được sau 12 s<br /> của xe.<br /> (đường I).<br /> Bán kính quỹ đạo khi quay vòng đúng được xác<br /> V (m/s)<br /> định theo công thức (4): 28 (I)<br /> 2 (4)<br /> c<br /> R = (b + c2 ) 2 + 1 (cot d fl + cot d fr ) 2<br /> 4<br /> <br /> Vận tốc góc quay thân xe mong muốn, tính theo (II)<br /> điều kiện động học đúng như sau:<br /> vxe (5)<br /> ε* =<br /> R<br /> Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển chuyển động quay<br /> Th i gian (s)<br /> vòng như hình 5.<br /> <br /> Bài báo sử dụng điều khiển logic mờ (fuzzy logic) Hình 6. Vận tốc dài của xe<br /> theo quy luật điều khiển PID nhằm hỗ trợ điều<br /> 3.2. Kết quả mô phỏng điều khiển chuyển<br /> khiển chuyển động quay vòng cho xe. Bộ điều<br /> động quay vòng<br /> khiển thay đổi vận tốc động cơ điện bằng cách<br /> thay đổi cường độ dòng điện cấp vào động cơ Bài báo mô phỏng trạng thái chuyển động chuyển<br /> nhằm mục đích hạn chế hiện tượng quay vòng làn của xe tại vận tốc không đổi và bằng 60 km/h,<br /> thừa và quay vòng thiếu của xe. trên đường có hệ số bám cực đại là 0,7. Quy luật<br /> Bộ điều khiển sử dụng các tham số đầu vào là sai điều khiển vô lăng của người lái có dạng hình sin<br /> lệch e(έ ) (giữa vận tốc góc quay thân xe lý thuyết với biên độ 60 (ứng với góc lái 60 độ), chu kỳ 2<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 55<br />  NGHIÊN CỨU KHOA HỌC<br /> <br /> giây (ứng với thời gian chuyển làn là 2 giây) như thấy: khi xe chuyển làn với cùng một góc quay<br /> hình 7a. Xe sử dụng hệ truyền động bốn động cơ vành lái thì dịch chuyển ngang của xe khi có bộ<br /> điện dẫn động trực tiếp bốn bánh xe. điều khiển sẽ lớn hơn. Do đó, để đạt được cùng<br /> một mức độ chuyển làn thì người lái chỉ cần<br /> Khi xe chuyển động quay vòng thiếu, bộ điều<br /> đánh lái với góc quay nhỏ hơn khi có bộ điều<br /> khiển tác động thay đổi dòng điện tới các động<br /> khiển tác động.<br /> cơ. Khi đó, mômen cấp xuống hai động cơ bên<br /> trái tăng lên, mômen hai động cơ bên phải giảm Với trường hợp quay vòng ở vận tốc thấp, bài<br /> xuống (hình 7e) làm thay đổi vận tốc của các báo trình bày kết quả mô phỏng khi quay vòng<br /> động cơ điện tương ứng hỗ trợ chuyển động với góc quay vành lái không đổi và bằng 180o,<br /> quay vòng của xe, giúp xe quay vòng theo quỹ ở vận tốc xe 30 km/h, trên đường có hệ số bám<br /> đạo đúng. Sau khi chuyển làn, góc quay thân cực đại là 0,7. Vận tốc góc quay thân xe lớn hơn<br /> xe bằng không cho thấy xe có thể trở về trạng (hình 8a); mômen của động cơ điện cấp cho<br /> thái chuyển động thẳng song song với hướng các bánh xe bên trái giảm, mômen của động cơ<br /> chuyển động ban đầu mà không cần sự điều điện cấp cho các bánh xe bên phải tăng (hình<br /> chỉnh từ người lái (hình 7c). Đồ thị hình 7d cho 8b) giúp giảm bán kính quay vòng của xe.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 8. Xe quay vòng với góc quay vô lăng không đổi 180o tại vận tốc 30 km/h<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 56 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017<br />  LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC<br /> <br /> Khi không sử dụng bộ điều khiển, xe chuyển động TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> trên các cung tròn khác nhau và ngày càng đi lệch<br /> quỹ đạo mong muốn. Khi bộ điều khiển làm việc, [1]. Phan Văn Hùng (2013). Nghiên cứu, thiết kế, tính<br /> bán kính quay vòng của xe giảm xuống, và xe toán hệ thống động lực hiện cho ô tô con. Luận<br /> chuyển động trên quỹ đạo tương ứng với bán<br /> văn thạc sĩ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.<br /> kính không đổi (hình 9).<br /> [2]. Lê Ngọc Trung (2008). Mô phỏng chuyển động<br /> của ô tô 4 bánh dẫn hướng. Luận văn thạc sĩ khoa<br /> học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.<br /> <br /> [3]. Nguyễn Khắc Trai (1997). Tính điều khiển và quỹ<br /> đạo chuyển động của ô tô. Nhà xuất bản Giao<br /> thông Vận tải.<br /> <br /> [4]. Reza N. Jazar (2008). Vehicle Dynamic: Theory<br /> and Application. Springer.<br /> <br /> [5]. Kiyotaka Kawashima, Toshiyuki Uchida, Yoichi<br /> Hori (2009). Rolling Stability Control Based on<br /> <br /> Hình 9. Quỹ đạo chuyển động khi góc quay Electronic Stability Program for In-wheel-motor<br /> <br /> vô lăng cố định góc 180o Electric Vehicle. World Electric Vehicle Journal<br /> Vol. 3, May 13-16.<br /> 4. KẾT LUẬN [6]. Rongrong Wang and Junmin Wang (2011).<br /> Bài báo đã khảo sát chuyển động quay vòng Stability Control of Electric Vehicles with Four<br /> của xe trong hai trường hợp chuyển làn và quay<br /> Independently Actuated Wheels. The 50th<br /> vòng, kết quả cho thấy khi có điều khiển của các<br /> động cơ điện thì quỹ đạo của ô tô về gần với IEEE Conference on Decision and Control and<br /> quay vòng đúng làm tăng khả năng ổn định và European Control Conference (CDC-ECC)<br /> tính cơ động của ô tô. Orlando, FL, USA, December 12-15.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 57<br />