Luận án Nghiên cứu hệ thống ABS dẫn động khí nén

yển động của xe theo phƣơng dọc. Các mục 2.4.2 và 2.4.3 sau đây sẽ trình bày cơ sở để xác định lực phanh này. - 34 - 2.4.2. Động lực học bánh xe trong quá trình phanh Khi xe chuyển động, lốp bị biến dạng theo phƣơng hƣớng kính và phƣơng tiếp tuyến. Phản lực z F của đƣờng tác dụng lên lốp bị dịch chuyển một khoảng x so với tâm vết tiếp xúc giữa lốp và đƣờng nhƣ thể hiện trên Hình 2. 9 [58]. Hình 2. 9. Phân bố ứng suất và phản lực từ đường khi lốp lăn Lực cản lăn đƣợc xác định theo công thức: z r d F x F r   trong đó d r là bán kính động lực học của bánh xe. Nhƣ đã nêu ở phân trƣớc, trong quá trình phanh, lực cản lăn rất nhỏ so với lực phanh, và luận án đã giả thiết bỏ qua lực cản lăn của bánh xe. Khi đó phản lực z F của đƣờng lên lốp đƣợc đặt trên trục đối xứng của bánh xe, tại vết tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đƣờng (Hình 2. 10). Khi phanh, bánh xe chuyển dịch theo phƣơng dọc x, chuyển dịch theo phƣơng thẳng đứng  , chuyển động quay góc  chịu tác dụng của các lực và mô men nhƣ Hình 2. 10 [10], [57], [58]. Mặt đƣờng - 35 - Hình 2. 10. Lực và mô men tác dụng lên bánh xe khi phanh Trong đó:  x F là phản lực từ mặt đƣờng theo phƣơng dọc, do mô men phanh b M sinh ra;  kx F là lực tác dụng từ khung xe thông qua hệ thống treo theo phƣơng dọc;  A m x lực quán tính của khối lƣợng không đƣợc treo theo phƣơng dọc;  z F là phản lực thẳng đứng từ đƣờng lên bánh xe;  ky F là lực tác dụng từ khung xe thông qua hệ thống treo theo phƣơng thẳng đứng;  m là lực quán tính của khối lƣợng không đƣợc treo theo phƣơng thẳng đứng;  bx J  là mô men quán tính của bánh xe;  Chuyển động thẳng đứng  đƣợc bỏ qua do giả thiết bỏ qua hệ thống treo, chuyển động x là chuyển động theo thân xe và đƣợc xác định theo công thức (2.11). Cùng với chuyển động x, chuyển động  cần đƣợc xác định để làm cơ sở xác định độ trƣợt của bánh xe và phản lực dọc của mặt đƣờng tác dụng lên bánh xe. Với giả thiết bỏ qua lực cản lăn, phƣơng trình chuyển động quay của bánh xe khi phanh đƣợc xác định nhƣ sau [57], [58], [64]: bx b x d J M F r   (2.12) Trong đó:  b M là mô men phanh do cơ cấu phanh sinh ra;  bx J là mô men quán tính khối lƣợng quay của bánh xe; y x d - 36 -  d r là bán kính động lực học của bánh xe.  x F là lực phanh theo phƣơng dọc, đƣợc xác định theo công thức (2.1): Từ đó, nếu biết mô men phanh b M , phản lực dọc của mặt đƣờng tác dụng lên bánh xe x F (trong quá trình phanh chính là lực phanh) và các thông số mô men quán tính và bán kính của bánh xe, có thể xác định đƣợc giá trị gia tốc góc và vận tốc góc của bánh xe. 2.4.3. Sự phân bố lại trọng lƣợng khi phanh Trọng lƣợng phân bố lên cầu xe cần phải đƣợc xác định để có thể tính toán lực phanh tác dụng lên bánh xe. Trong quá trình phanh, trọng lƣợng của xe phân bố lên các cầu biến đổi theo gia tốc chậm dần x của xe, đƣợc xác định theo các công thức: Phân bố trên cầu trƣớc:  zf g m F gb xh L   (2.13) Phân bố trên cầu sau:  zr g m F ga xh L   (2.14) Trong đó: a: Khoảng cách từ trọng tâm xe đến tâm cầu trƣớc [m]; b: Khoảng cách từ trọng tâm xe đến tâm cầu sau [m]; g h : Khoảng cách từ trọng tâm của xe đến mặt đƣờng [m]; L : Chiều dài cơ sở của xe [m]. 2.4.4. Mô hình mô phỏng chuyển động của xe Khi mô phỏng chuyển động thẳng của ô tô trong quá trình phanh trên đƣờng bằng, phẳng, luận án áp dụng phƣơng trình chuyển động của ô tô. Từ phƣơng trình (2.11) xác định đƣợc vận tốc dọc của ô tô nhƣ sau: 0 0 t bf br x F F v dt v m    (2.15) Trong đó vo là vận tốc ban đầu (trƣớc khi phanh) của ô tô. - 37 - Trong quá trình phanh, trọng lƣợng của xe phân bố lên các cầu biến đổi theo gia tốc chậm dần x của ô tô. Trọng lƣợng phân bố lên cầu trƣớc zf F và cầu sau zrF đƣợc xác định lần lƣợt theo phƣơng trình (2.13) và (2.14) là cơ sở để xác định các lực bf F và brF . 2.4.5. Mô hình mô phỏng bánh xe Khi mô phỏng chuyển động quay của bánh xe, luận án sử dụng phƣơng trình chuyển động quay của bánh xe khi phanh (2.12). Gia tốc góc của bánh xe đƣợc xác định từ công thức (2.12): b x d bx M F r J    (2.16) Từ đó, vận tốc góc của bánh xe đƣợc xác định theo công thức : 0 0 t b x bx bx M F r J      (2.17) Các thông số x v xác định theo công thức (2.15) và  xác định theo công thức (2.17) là cơ sở để xác định độ trƣợt của bánh xe theo phƣơng trình (2.5). 2.5. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén Hệ thống phanh chính trên xe ô tô sử dụng hệ thống phanh khí nén có ABS thƣờng gồm các bộ phận chính: Máy nén khí, các bình chứa khí nén, van phân phối, van xả nhanh ở dòng phanh cầu trƣớc, van gia tốc ở dòng phanh cầu sau, van chấp hành ABS cho từng bầu phanh, các bầu phanh, các đƣờng ống dẫn khí nén và cơ cấu phanh ở mỗi bánh xe. Sơ đồ hệ thống phanh khí nén có ABS trên xe ô tô thông thƣờng nhƣ trên Hình 2. 11 [20]. - 38 - Hình 2. 11. Sơ đồ hệ thống phanh khí nén trên ô tô Mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén trên xe ô tô tải đƣợc xây dựng trong môi trƣờng Matlab – Simulink. Các bộ phận thuộc ABS (van chấp hành ABS, cảm biến, bộ điều khiển) đƣợc xây dựng mô hình mô phỏng trong môi trƣờng Matlab – Simulink và Matlab –State-Flow, sau đó nhúng vào mô hình mô phỏng hệ thống phanh để tạo mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén có ABS. Mô hình mô phỏng các bộ phận này đƣợc trình bày ở mục 3.4. Mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén trên xe ô tô tải sử dụng các giả thiết:  Lực đạp phanh của ngƣời lái đủ để van phân phối mở hoàn toàn tại thời điểm bắt đầu mô phỏng;  Áp suất khí nén trong các bình chứa không thay đổi trong quá trình phanh, có giá trị bằng nhau và bằng 0,8 MPa; 2.5.1. Cơ sở tính toán áp suất và lƣu lƣợng khí nén trong hệ thống phanh Phƣơng trình trạng thái của khí lý tƣởng ở trạng thái đẳng nhiệt: pV nRT (2.18) Cảm biến và vành răng Van phân phối Van ABS Van ABS Van ABS Van ABS Trống phanh Các bình chứa khí nén ECU Van xả nhanh Van gia tốc Bầu phanh Bầu phanh Cảm biến và vành răng - 39 - Trong đó:  p là áp suất chất khí [N/m2];  V là thể tích bình chứa [m3];  n là khối lƣợng mol phân tử [mol];  T là nhiệt độ của chất khí [K];  R là hằng số chất khí (theo hệ đo lƣờng quốc tế, R = 8314 [Jmol-1 K-1]). Phƣơng trình trạng thái này là cơ sở để xác định áp suất khí nén trong hệ thống khi biết lƣu lƣợng đến các dung tích trong hệ thống. Lƣu lƣợng của dòng khí là đại lƣợng quan trọng trong mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén. Do khí nén là môi chất có khả năng nén cao, nên lƣu lƣợng khối thƣờng đƣợc sử dụng để tính toán thay cho lƣu lƣợng thể tích. Lƣu lƣợng khối của dòng khí đƣợc xác định nhƣ sau [38]: w Q uA (2.19) Trong đó:  γ là trọng lƣợng riêng của chất khí, γ = ρg [N/m3];  ρ là khối lƣợng riêng của chất khí kg/m3];  g là gia tốc trọng trƣờng m/s2];  u là vận tốc chuyển động của khí nén [m/s];  A là tiết diện dòng chảy [m2]. Lƣu lƣợng khối của chất khí chảy qua một tiết lƣu có thể xác định theo công thức [38]:   w d a v g u p p p Q C K G T    (2.20) Trong đó:  Cv là hệ số tiết lƣu;  g K là hệ số chuyển đổi (theo hệ SI, 114, 5 g K  );  p là độ chênh lệch áp suất giữa điểm trƣớc và sau tiết lƣu;  G là trọng lƣợng riêng trung bình của chất khí (với không khí, G = 1);  d p là áp suất sau tiết lƣu [N/m2]; - 40 -  a p là áp suất khí trời ( a p = 10 5 N/m 2 );  Tu là nhiệt độ của khí nén. Khi có lƣu lƣợng khí nén đi vào và đi ra khỏi một dung tích, áp suất trong dung tích đó thay đổi và có thể đƣợc mô tả nhƣ sau [38]: w , w , 1 d in out n dp Q Q dt C     (2.21) Trong đó:  d p là áp suất khí nén trong dung tích N/m2];  n C là khí dung của chất khí – thể hiện tính chịu nén của chất khí;  w , w , , in out Q Q lần lƣợt là lƣu lƣợng khí nén đi vào và đi ra khỏi dung tích [m 3 /s]. Khí dung của chất khí ( n C ) đƣợc xác định theo hai trƣờng hợp. Trƣờng hợp áp suất khí nén thay đổi nhanh đƣợc tính theo công thức [38]: n gV C kR T  (2.22) Trƣờng hợp áp suất khí nén thay đổi chậm đƣợc tính theo công thức [38]: n gV C R T  (2.23) Trong đó: k là nhiệt trị riêng (với không khí, k = 1,4). Trong mục này, luận án sẽ trình bày phƣơng trình mô tả quan hệ của áp suất và lƣu lƣợng khí nén đi vào và đi ra khỏi các phần tử trong hệ thống phanh khí nén có ABS trên xe nghiên cứu. Các phƣơng trình này là cơ sở để xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống ABS khí nén. 2.5.2. Mô hình mô phỏng van phân phối Van phân phối khí nén bao gồm 2 khoang, dẫn động độc lập cho hai dòng dẫn động phanh cầu trƣớc và cầu sau. Sơ đồ van phân phối nhƣ Hình 2. 12. - 41 - Hình 2. 12. Sơ đồ van phân phối trong hệ thống phanh khí nén Hệ số tiết lƣu của van nạp khoang trên và van nạp khoang dƣới van phân phối phụ thuộc vào tiết diện thông qua khi mở van. Khi ngƣời lái đạp phanh, khí nén từ bình chứa thứ nhất (Rear axle reservoir) có áp suất 1Tank p đi qua van phân phối đến điều khiển van gia tốc ở dòng phanh cầu sau; khí nén từ bình chứa thứ hai (Front axle reservoir) có áp suất 2Tank p đi qua van phân phối đến các bầu phanh cầu trƣớc. Lƣu lƣợng khí nén đi qua khoang dƣới ra cầu trƣớc là Q1, đi qua khoang phía trên ra cầu sau là Q2. Áp dụng công thức (2.20), các lƣu lƣợng này đƣợc xác định nhƣ sau: 2 1 1 1 1 ( )( ) Tank a v g u p p p p Q C K GT    (2.24) 1 2 2 2 2 ( )( ) Tank a v g u p p p p Q C K GT    (2.25) Trong đó: 1 2 , , a p p p lần lƣợt là áp suất khí nén tại cửa ra khoang dƣới của van phân phối, áp suất tại cửa ra khoang trên của van phân phối, áp suất khí trời [N/m2]; 1 2 , v v C C lần lƣợt là hệ số tiết lƣu của khoang dƣới, khoang trên van phân phối. Giả thiết áp suất khí nén trong hai bình chứa bằng nhau và bằng áp suất khí nén trong bình cung cấp (Supply reservoir). 1 2 0, 8 (M Pa ) Tank Tank Tank p p p   (2.26) Cæng cÊp khÝ nÐn phÝa trªn Cæng cÊp khÝ nÐn phÝa d-íi Fbd.ibd Cöa x¶ Cæng cÊp khÝ nÐn ®iÒu khiÓn dßng phanh cÇu sau Cæng ph©n phèi khÝ nÐn cho dßng phanh cÇu tr-íc Piston ®iÒu khiÓn tïy ®éng Piston ®iÒu khiÓn PTank1 PTank2 P2 P1 Q2 Q1 - 42 - 2.5.3. Mô hình mô phỏng van xả nhanh ở dòng phanh cầu trƣớc Van xả nhanh trên dòng phanh cầu trƣớc có nhiệm vụ chia dòng khí nén đi từ van phân phối đến các bầu phanh ở cầu trƣớc trong quá trình phanh và xả nhanh khí nén trong các bầu phanh ở cầu trƣớc trong quá trình nhả phanh. Van xả nhanh là phần tử giúp nối chung hai đƣờng ống dẫn tới hai bầu phanh bên phải và bên trái của cầu trƣớc với đƣờng ống dẫn khí nén từ van phân phối. Trong quá trình phanh, van xả nhanh đóng cửa xả khí và phân chia khí nén đến các bầu phanh ở cầu trƣớc. Ký hiệu các lƣu lƣợng vào van  1Q và ra khỏi van đến các bầu phanh  11 12,Q Q , áp suất khí nén tại các đƣờng vào và ra của van  1 11 12, ,P P P nhƣ Hình 2. 13: Áp dụng phƣơng trình bảo toàn lƣu lƣợng có: 1 11 12 Q Q Q  (2.27) Áp dụng công thức (2.20) có thể xác định đƣợc các lƣu lƣợng khí nén đi ra khỏi van xả nhanh đến các bầu phanh nhƣ sau: 1 11 11 11 ( )( ) a g v u p p p p Q K C GT    (2.28) 1 12 12 12 ( )( ) a g v u p p p p Q K C GT    (2.29) Áp dụng công thức (2.21), biến thiên áp suất khí nén 1 p tại cửa vào van nhƣ sau: 1 1 11 12 1 ( ) n dp Q Q Q dt C    (2.30) Trong đó hệ số Cn đƣợc xác định theo công thức (2.22) với V là thể tích đƣờng ống dẫn khí nén [m3]. Q11 Q12 Q1 P12 P11 P1 Hình 2. 13. Sơ đồ nút chia khí nén đến các bầu phanh - 43 - 2.5.4. Mô hình mô phỏng van gia tốc trên dòng phanh cầu sau Sơ đồ của van gia tốc đƣợc thể hiện nhƣ trên Hình 2. 14. Khi đạp phanh, khí nén đi từ van phân phối đến điều khiển mở van gia tốc. Khí nén trong bình chứa 1Tank p đi qua van gia tốc đến các bầu phanh phía sau. Khí nén đến bầu phanh phía sau bên trái có lƣu lƣợng 21 Q , áp suất 21 p . Khí nén đến bầu phanh phía sau bên phải có lƣu lƣợng 22 Q , áp suất 22 p . Hình 2. 14. Sơ đồ van gia tốc trên dòng phanh cầu sau Áp dụng phƣơng trình (2.20), phƣơng trình xác định các đại lƣợng 21 Q và 22 Q khi van gia tốc mở hoàn toàn nhƣ sau:    1 21 1 21 21 Tank Tank g v u p p p p Q K C G T    (2.31)    1 22 1 22 22 Tank Tank g v u p p p p Q K C GT    (2.32) 2.5.5. Mô hình mô phỏng bầu phanh và cơ cấu phanh Phương trình mô tả bầu phanh Bầu phanh là nơi tiếp nhận khí nén và tạo áp suất cha p tác dụng lên màng bầu phanh và đẩy màng chuyển động. Sơ đồ mô tả bầu phanh nhƣ Hình 2. 15: PTank1 KhÝ nÐn tõ b×nh chøa KhÝ nÐn ®iÒu khiÓn tõ van ph©n phèi Pcrv KhÝ nÐn ®Õn bÇu phanh sau bªn tr¸i KhÝ nÐn ®Õn bÇu phanh sau bªn ph¶i Q21 Q22 P21 P22 Cöa x¶ Piston ®iÒu khiÓn - 44 - Hình 2. 15. Sơ đồ mô tả bầu phanh Hệ thống có bốn bầu phanh tƣơng ứng với bốn bánh xe, phƣơng trình mô tả các bầu phanh này đều tƣơng tự nhau. Khi có lƣu lƣợng khí nén cha Q [m 3/s] đi vào bầu phanh, áp suất khí nén cha p trong bầu phanh tăng lên. Áp dụng phƣơng trình (2.21) với lƣu ý thể tích bầu phanh thay đổi do màng bầu phanh dịch chuyển có đƣợc phƣơng trình xác định biến thiên áp suất nhƣ sau [8]:   ( ) Cha Cha Cha o dP p FkRT dy Q dt g yF V kRT dt    (2.33) Trong đó:  F: Diện tích màng piston trong bầu phanh [m2];  y: Dịch chuyển của màng bầu phanh và cần đẩy [m];  V0: Thể tích ban đầu của bầu phanh [m 3 ]. Màng bầu phanh và cần đẩy chuyển động do chịu tác dụng của các lực sau đây:  Lực do khí nén sinh ra: C ha p F  Lực của lò xo hồi vị: lx lxF yC  Lực cản do ma sát trong bầu phanh: m s F  Phản lực từ cơ cấu phanh: ccpF C y  Trong đó: C là độ cứng tƣơng đƣơng của hệ guốc phanh và trống phanh, y là biến dạng của hệ guốc phanh và trống phanh. §-êng cÊp khÝ nÐn Mµng piston trong bÇu phanh CÇn ®Èy Lß xo håi vÞ Pcha.F Fccp Flx - 45 - 0 y yi y   với y0 là khe hở ban đầu giữa guốc phanh và trống phanh, i là tỉ số truyền chuyển động từ đầu cần đẩy của bầu phanh đến guốc phanh. Phƣơng trình chuyển động của màng bầu phanh và cần đẩy nhƣ sau:: 2 2 ( ) Cha o lx d y dy m p F yi y C yC b dt dt      (2.34) Trong đó: m là khối lƣợng quy đổi về cần đẩy của hệ màng bầu phanh, cần đẩy và các chi tiết liên quan gắn với nó. Phương trình mô tả cơ cấu phanh Mô men phanh tại các bánh xe đƣợc xác định theo công thức sau:   ' 0 M yi y C r  (2.35) Trong đó: 'C là hệ số mô men của cơ cấu phanh [N/m]; r: Bán kính của trống phanh [m]. Hệ thống phanh đƣợc xây dựng có tính chất đối xứng nên mô hình mô phỏng các bầu phanh và cơ cấu phanh còn lại đƣợc thực hiện tƣơng tự. 2.6. Kết luận chƣơng 2 Điều khiển quá trình phanh để duy trì độ trƣợt trong khoảng nhất định sẽ giúp duy trì giá trị hệ số bám dọc và hệ số bám ngang cao, nhờ đó nâng cao tính ổn định hƣớng chuyển động và hiệu quả phanh của ô tô. Tuy nhiên, độ trƣợt của bánh xe khi phanh là đại lƣợng rất khó xác định chính xác nên khó thực hiện điều khiển hệ thống căn cứ theo độ trƣợt của bánh xe. Trong khi đó, gia tốc góc của bánh xe thể hiện xu hƣớng bó cứng của bánh xe khi phanh. Hơn nữa, gia tốc góc có thể xác định dễ dàng thông qua cảm biến đo vận tốc góc bánh xe. Do đó luận án chọn phƣơng pháp điều khiển ABS theo gia tốc góc bánh xe. Việc xác định khả năng đáp ứng tần số điều khiển của đối tƣợng điều khiển là cần thiết và có ý nghĩa quan trọng đối với việc đề xuất thuật toán và các thông số điều khiển khác. Việc xác định ngƣỡng điều khiển là quá trình phức tạp. Để giảm thời gian và chi phí nghiên cứu, luận án tiến hành nghiên cứu thông qua các bƣớc: mô phỏng trên máy tính - 46 - để điều chỉnh thuật toán điều khiển và xác định sơ bộ ngƣỡng điều khiển; nghiên cứu thực nghiệm trên cơ sở kết quả nghiên cứu lý thuyết nhằm chính xác hóa các thông số cần xác định. Để có cơ sở thực hiện mô phỏng trên máy tính, luận án đã xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô, kết hợp với mô hình mô phỏng của hệ thống phanh và hệ thống ABS để có đƣợc đối tƣợng nghiên cứu hoàn chỉnh. Equation Chapter (Next) Section 1 - 47 - CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ABS DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN Khả năng đáp ứng tần số điều khiển của đối tƣợng điều khiển là đặc tính quan trọng, quyết định đến phƣơng pháp và thuật toán điều khiển. Do đó, để xây dựng đƣợc phƣơng pháp và thuật toán điều khiển hệ thống ABS, cần thiết phải nghiên cứu khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống phanh khí nén có ABS. Trên cơ sở phân tích khả năng đáp ứng tần số điều khiển và các đặc điểm của các phƣơng pháp điều khiển ABS, luận án đề xuất thuật toán điều khiển ABS trong hệ thống phanh khí nén trên xe nghiên cứu. Hoạt động của hệ thống ABS dựa trên thông tin về sự lăn trƣợt của các bánh xe, do đó cần nghiên cứu đặc tính của cảm biến đo vận tốc góc bánh xe và phƣơng pháp xác định gia tốc góc các bánh xe để làm thông số đầu vào cho bộ điều khiển điện tử. Để có thể thực hiện quá trình mô phỏng lý thuyết, luận án cần xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động của xe trên đƣờng thẳng kết hợp mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí nén có ABS. Phân tích kết quả mô phỏng để xác định ngƣỡng điều khiển theo gia tốc góc bánh xe. Quá trình mô phỏng thực nghiệm nhằm hiệu chỉnh bộ giá trị ngƣỡng điều khiển đƣợc trình bày trong Chƣơng 4. 3.1. Khả năng đáp ứng tần số điều khiển của hệ thống ABS Thực hiện nội dung nghiên cứu đã trình bày ở mục 2.3 với dãy xung điều khiển có tần số thay đổi lần lƣợt từ 0,5 Hz, 1 Hz, 10 Hz để điều khiển van chấp hành ABS hoạt động ở chế độ tăng áp và giảm áp luân phiên nhau với tỉ lệ thời gian tăng áp/giảm áp là 60/40 %. Sự biến thiên áp suất khí nén trong bầu phanh và trong bình chứa đƣợc đo ghi lại đầy đủ. Hình 3. 1 thể hiện đồ thị biến thiên áp suất trong bình chứa khí và trong bầu phanh khi van chấp hành ABS đƣợc điều khiển bởi dãy xung có tần số 0,5 Hz và 5 Hz. Quy luật biến thiên áp suất khi van chấp hành ABS đƣợc điều khiển bởi các dãy xung có tần số khác đƣợc đề cập trong Phụ lục 1. - 48 - Hình 3. 1. Quy luật biến thiên của áp suất khí nén trong bầu phanh khi điều khiển ở tần số 0,5 Hz (bên trái) và 5 Hz (bên phải) Thống kê lại giá trị áp suất khí nén trong bình chứa và giá trị áp suất cao nhất và thấp nhất trong bầu phanh phía sau theo tần số của xung điều khiển, luận án xây dựng đƣợc đồ thị nhƣ Hình 3. 2. Hình 3. 2. Quy luật biến thiên giá trị áp suất cao nhất và thấp nhất trong bầu phanh phía sau theo tần số của xung điều khiển Từ đồ thị thu đƣợc này, có thể nhận thấy, khi tần số điều khiển tăng dần và lớn hơn 1 Hz, giá trị áp suất cao nhất giảm dần, giá trị áp suất thấp nhất tăng dần, cụ thể nhƣ sau: Khi tần số điều khiển hệ thống tăng và giảm áp là 0,5 Hz và 1 Hz, áp suất khí nén trong bầu phanh đủ thời gian để tăng/giảm đến giá trị ổn định, giá trị lớn nhất đạt khoảng 0,72 MPa (khi áp suất bình chứa khoảng 0,79 MPa), giá trị nhỏ nhất xấp xỉ 0 MPa. Khi tăng tần số điều khiển hệ thống đến 2 Hz, giá trị áp suất cao nhất trong bầu phanh bắt đầu 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Tan so dieu khien [Hz] A p s u a t k h i n e n [ M P a ] Ap suat binh chua Ap suat bau phanh cao nhat Ap suat bau phanh thap nhat Áp suất bình chứa Áp suất bầu phanh Áp suất bình chứa Áp suất bầu phanh - 49 - giảm, chỉ còn đạt khoảng 0,69 MPa, giá trị áp suất khí nén thấp nhất trong bầu phanh bắt đầu tăng lên làm giảm độ chênh lệch giữa giá trị áp suất lớn nhất và giá trị áp suất nhỏ nhất. Khi tần số điều khiển hệ thống tăng đến 4 Hz, giá trị áp suất trong bầu phanh cao nhất chỉ còn đạt đƣợc 0,59 MPa và giá trị áp suất thấp nhất trong bầu phanh tăng đến 0,22 MPa. Độ chênh lệch áp suất cao nhất và thấp nhất trong bầu phanh trƣờng hợp này là 0,59 – 0,22 = 0,37 (MPa). Với tần số điều khiển hệ thống là 5 Hz, giá trị áp suất cao nhất trong bầu phanh chỉ còn khoảng 0,52 MPa, bằng 0,52/0,72 = 72% giá trị áp suất cao nhất khi tần số điều khiển thấp (0,5 Hz hoặc 1 Hz). Giá trị thấp nhất của áp suất khí nén trong bầu phanh tăng lên đến 0,28 MPa. Độ chênh lệch áp suất cao nhất và thấp nhất ứng với tần số này chỉ còn khoảng 0,24 MPa. Với giá trị áp suất trong bầu phanh nhƣ vậy, mô men phanh do cơ cấu phanh sinh ra chỉ biến thiên trong phạm vi hẹp. Từ đó có thể nhận định rằng, khi tần số điều khiển từ 5 Hz trở lên, giá trị cao nhất của áp suất trong bầu phanh không lớn, áp suất biến thiên trong phạm vi nhỏ làm giảm ý nghĩa của ABS. Từ đó, khi thiết kế bộ điều khiển ABS, không nhất thiết phải lấy mẫu tín hiệu từ các cảm biến đo vận tốc góc bánh xe với tần số quá cao và chƣơng trình điều khiển của bộ điều khiển cần thiết kế để phù hợp với khả năng đáp ứng của hệ thống. 3.2. Thuật toán điều khiển hệ thống ABS Qua phân tích tại mục 2.2, luận án chọn phƣơng pháp điều khiển ABS theo gia tốc góc bánh xe. Các tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển gồm: trạng thái công tắc đèn báo phanh (đƣợc sử dụng để xác định trạng thái phanh); vận tốc ban đầu của ô tô trƣớc khi phanh (nhằm xác định trạng thái kích hoạt ABS hay không) và gia tốc góc của các bánh xe (để điều khiển thay đổi áp suất trong bầu phanh trong quá trình phanh). Khi cấp nguồn điện, bộ điều khiển làm việc và liên tục theo dõi vận tốc góc, gia tốc góc của các bánh xe và ở trạng thái chờ. Khi ngƣời lái đạp phanh (có tín hiệu từ công tắc đèn báo phanh), bộ điều khiển lập tức chuyển sang chế độ hoạt động. Lúc này bộ điều khiển tính toán vận tốc dài của ô tô (v) và so sánh với giá trị đƣợc đặt trƣớc ( 0 v ). Nếu vận tốc dài của ô tô nhỏ hơn  0v v , hệ thống phanh không kích hoạt chế độ có điều khiển của ABS mà chỉ hoạt động nhƣ trạng thái phanh bình thƣờng. Nếu vận tốc dài của ô tô lớn hơn  0v v , bộ điều khiển sẽ chạy chƣơng trình điều khiển ABS đã đƣợc lập trình sẵn. - 50 - Pha hoạt động mặc định đầu tiên của chu trình điều khiển là pha tăng áp. Khi đó áp suất khí nén trong bầu phanh tăng dần, mô men phanh tăng theo làm gia tốc góc của bánh xe giảm dần. Khi gia tốc góc giảm đến giá trị nhỏ hơn giá trị ngƣỡng  1 1   , ECU điều khiển chuyển sang trạng thái giữ nguyên áp suất trong bầu phanh. Nếu gia tốc góc của bánh xe chƣa giảm quá giá trị ngƣỡng  1 1   , ECU tiếp tục điều khiển hệ thống hoạt động ở trạng thái tăng áp suất trong bầu phanh. Áp suất trong bầu phanh duy trì ở mức cao khiến gia tốc góc bánh xe tiếp tục giảm, khi gia tốc góc giảm đến giá trị nhỏ hơn giá trị ngƣỡng  2 2   thì ECU điều khiển giảm áp suất trong bầu phanh. Nếu gia tốc góc của bánh xe chƣa giảm quá giá trị ngƣỡng  2 2   , ECU tiếp tục điều khiển hệ thống hoạt động ở trạng thái giữ nguyên áp suất trong bầu phanh. Khi ECU điều khiển chuyển sang trạng thái giảm áp, áp suất trong bầu phanh giảm, mô men phanh giảm theo làm gia tốc góc của bánh xe tăng dần. Khi gia tốc góc bánh xe tăng vƣợt quá giá trị ngƣỡng  3 3   thì ECU điều khiển chuyển sang pha giữ nguyên áp suất. Nếu quá trình giảm áp chƣa đủ để gia tốc góc bánh xe tăng vƣợt quá giá trị ngƣỡng  3 3   thì ECU tiếp tục điều khiển hệ thống hoạt động ở trạng thái giảm áp suất trong bầu phanh. Theo quán tính, gia tốc góc bánh xe tiếp tục tăng, và khi tăng vƣợt quá giá trị ngƣỡng  4 4   , ECU sẽ điều khiển chuyển sang pha tăng áp suất trong bầu phanh. Nếu quá trình giữ áp chƣa đủ để gia tốc góc bánh xe tăng vƣợt quá giá trị ngƣỡng  4 4   thì ECU tiếp tục điều khiển hệ thống hoạt động ở trạng thái giữ nguyên áp suất trong bầu phanh. Chu trình điều khiển đƣợc lặp lại nhƣ vậy cho đến khi vận tốc dài của ô tô giảm xuống thấp hơn mức đƣợc đặt trƣớc (v1) thì chuyển quá trình phanh sang kiểu phanh bình thƣờng (van chấp hành ABS liên tục ở trạng thái tăng áp) cho đến khi kết thúc quá trình phanh. Để hệ thống làm việc nhƣ đã mô tả, luận án đề xuất thuật toán điều khiển ABS nhƣ lƣu đồ trên Hình 3. 3: - 51 - Hình 3. 3. Lưu đồ thuật toán điều khiển ABS theo gia tốc góc bánh xe Dựa trên lƣu đồ thuật toán điều khiển này, luận án tiến hành lập chƣơng trình điều khiển và nạp vào bộ điều khiển điện tử để thực hiện các mô phỏng thực nghiệm nhằm hiệu chỉnh ngƣỡng điều khiển. - 52 - 3.3. Cảm biến và phƣơng pháp đo vận tốc góc bánh xe Xe nghiên cứu là xe tải sử dụng hệ thống phanh khí nén không có ABS. Do đó đề tài KC.03.05/11-15 cần phân tích đặc điểm kết cấu của xe nghiên cứu để chọn phƣơng án lắp đặt vành răng đo vận tốc góc bánh xe, tính chọn cảm biến và tính số răng của vành răng để đảm bảo hệ thống ABS làm việc ổn định. Đây là cơ sở để luận án nghiên cứu, đề xuất thuật toán điều khiển hệ thống và nghiên cứu xác định các ngƣỡng điều khiển. 3.