Luận án Thiết kế bộ điều khiển và khảo sát chuyển động của ô tô với hệ thống lái tích cực - Nguyễn Anh Tuấn

o của mô phỏng ở chế độ này được thể hiện ở bảng 3.2. Khi độ cứng của lốp trước nhỏ hơn độ cứng của lốp sau thì hệ số quay vòng Ks = 0.11 ứng với trường hợp quay vòng thiếu. Các kết quả mô phỏng như sau: Các giá trị lực ngang tác dụng lên bánh xe chủ động phía trước bên trái đạt giá trị Fy1= 2820 [N], bánh xe chủ động phía trước bên phải đạt giá trị Fy2 =2850 [N], bánh xe sau bên trái đạt Fy4 =3220[N], bánh xe sau bên phải đạt Fy3 =3250 [N] tương ứng với góc lệch bên của bánh trước là 0.3 rad và góc lệch bên của bánh sau là 0.07 rad. Kết quả mô phỏng được thể hiện từ hình 3.12 đến hình 3.19. Hình 3.12. Góc quay vành lái Hình 3.13. Các lực ngang tác dụng lên các lốp 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 t(s) ra d delta vl G ó c q u ay Thời gian [s] L ự c n g an g Thời gian Fy1 Fy2 Fy3 Fy2 Fy4 Fy2 64 Hình 3.14. Góc quay trục lái trước và sau mô tơ lái tích cực Hình 3.15. Góc quay hiệu chỉnh của mô tơ lái tích cực Hình 3.16. Góc quay trung bình bánh xe dẫn hướng Thời gian [s] Thời gian [s] G ó c q u ay m ô t ơ [ đ ộ ] G ó c q u ay Thời gian [s] G ó c q u ay t rụ c lá i [ đ ộ ] Góc quay bánh xe thực tế Góc quay bánh xe mong muốn 65 Hình 3.17. Gia tốc ngang tác dụng tại trọng tâm ô tô Hình 3.18. Quỹ đạo chuyển động của ô tô Hình 3.19. Tỷ số truyền ở tốc độ V= 40 km/h Thời gian [s] G ia t ố c [m /s 2 ] Q u ỹ đ ạo Quỹ đạo 66 Nhận xét: - Khi quay vành lái một góc 1.57 rad (90 độ) thì góc quay của trục lái phía trước mô tơ là 90 độ. Khi có sự điều chỉnh của mô tơ bước thì góc quay trục lái phía sau mô tơ đạt 180 độ (Hình 3.14) do góc quay điều chỉnh của mô tơ quay thêm một góc 90 độ (Hình 3.15) nên góc quay trung bình bánh xe dẫn hướng đạt 19 độ so với góc quay mong muốn là 20 độ (Hình 3.16). - Khi không có mô tơ điều chỉnh, giá trị gia tốc ngang đạt 3,96 [m/s2] so với giá trị mong muốn là 4.4 [m/s2]. Giá trị của gia tốc ly tâm khi có mô tơ điều chỉnh sẽ gần với giá trị của gia tốc ly tâm mong muốn (Hình 3.17). - Trong trường hợp quay vòng thiếu, đường kính quay vòng của ô tô khi không có sự can thiệp của hệ thống lái tích cực là 90 m, khi có hệ thống lái tích cực là 75 m, quỹ đạo theo lý thuyết mong muốn là 72 m. Như vậy, hệ thống lái tích cực sẽ điều chỉnh góc quay bánh xe dẫn hướng để quỹ đạo của ô tô tiến gần hơn với quỹ đạo mong muốn (Hình 3.18) tương ứng với tỷ số truyền của hệ thống lái là 14.5 (Hình 3.19). b. Khi độ cứng ngang lốp trước lớn hơn độ cứng ngang lốp sau Điều kiện đầu vào của mô phỏng ở chế độ này được thể hiện ở bảng 3.3. Khi độ cứng của lốp trước nhỏ hơn độ cứng của lốp sau thì hệ số quay vòng Ks = -0.09 ứng với trường hợp quay vòng thừa. Các kết quả mô phỏng được thể hiện từ hình 3.20 đến hình 3.26. Hình 3.20. Các lực ngang tác dụng lên các lốp L ự c n g an g Thời gian [s] 67 Hình 3.21. Góc quay trục lái trước và sau mô tơ lái tích cực Hình 3.22. Góc quay hiệu chỉnh của mô tơ lái tích cực Hình 3.23. Góc quay bánh xe dẫn hướng Thời gian [s] G ó c q u ay [ đ ộ ] G ó c q u ay [ đ ộ ] Thời gian [s] G ó c q u ay [đ ộ ] Thời gian [s] Góc quay bánh xe thực tế Góc quay bánh xe mong muốn 68 Hình 3.24. Gia tốc ngang tác dụng tại trọng tâm ô tô Hình 3.25. Quỹ đạo chuyển động của ô tô Hình 3.26. Đồ thị tỷ số truyền ở tốc độ V= 40 km/h G ia t ố c [m /s 2 ] Thời gian [s] Q u ỹ đ ạo Quỹ đạo 69 Nhận xét: - Khi quay vành lái đi một góc 90 độ tương tự như trường hợp quay vòng thiếu thì góc quay của trục lái phía trước mô tơ là 90 độ. Khi có sự can thiệp của hệ thống lái tích cực thì mô tơ điều khiển quay ngược lại bằng cách trượt trên cơ cấu Harmonic nên góc quay trục lái phía sau mô tơ chỉ còn 61 độ (Hình 3.21). Góc quay điều chỉnh của mô tơ quay ngược lại chiều đánh lái của người điều khiển một góc 29 độ (Hình 3.22) nên góc quay bánh xe dẫn hướng thay đổi giảm xuống còn 7 độ so với góc quay mong muốn là 6.5 độ (Hình 3.23). - Đường kính quay vòng của ô tô (Hình 3.25) khi không có sự can thiệp của hệ thống lái tích cực là 56.3 [m], khi có hệ thống lái tích cực là 69.2 [m], quỹ đạo theo lý thuyết mong muốn là 72.1 [m]. Như vậy, hệ thống lái tích cực sẽ điều chỉnh góc quay bánh xe dẫn hướng để quỹ đạo của ô tô tiến gần hơn với quỹ đạo mong muốn tương ứng với tỷ số truyền 13.6 trong trường hợp quay vòng thừa (Hình 3.26). 3.2.2. Khảo sát chuyển động của ô tô khi chuyển động thẳng a. Khảo sát chuyển động của ô tô dưới tác dụng của gió ngang Tiến hành mô phỏng khảo sát chuyển động khi ô tô chịu tác dụng của lực gió ngang với giả thiết lực gió ngang đặt tại tâm thiết diện xe với các thông số đầu vào như bảng 3.3. Bảng 3.3. Các thông số đầu vào của chế độ mô phỏng chuyển động thẳng STT Tên thông số Giá trị 1 Góc đánh lái 0 độ 3 Tốc độ xe 80 km/h 4 Hệ số bám φ 0.8 5 Lực gió ngang 500 N Kết quả mô phỏng được thể hiện từ hình 3.27 đến hình 3.31. 70 Hình 3.27. Lực gió ngang Hình 3.28. Các lực ngang tác dụng lên các lốp Hình 3.29. Gia tốc ngang tác dụng tại trọng tâm ô tô 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 100 200 300 400 500 t(s) N Fy Thời gian [s] G ia t ố c [ m /s 2 ] ] Thời gian [s] L ự c n g an g [ ] L ự c n g an g [ N ] Thời gian 71 Hình 3.30. Quỹ đạo chuyển động của ô tô Hình 3.31. Đồ thị tỷ số truyền Nhận xét: - Khi không có điều khiển, giá trị của các lực ngang tác dụng lên lốp (Hình 3.28) như sau: bánh xe phía trước bên trái và sau trái đạt giá trị Fy1 = Fy4= 145 [N], bánh xe trước phải và sau bên phải đạt Fy3 = Fy2 = 105[N]. - Gia tốc ngang tại trọng tâm của ô tô (Hình 3.29) cũng đạt giá trị trung bình sau khi có hệ thống lái tích cực là 0.006 [m/s2], giảm 10 lần so với khi không có hệ thống lái tích cực là 0.06 [m/ s2] và tiệm cận với giá trị mong muốn là 0 [m/ s2]. - Quỹ đạo chuyển động của ô tô (Hình 3.30), cho thấy khi có tác động của lực gió ngang 500 N thì ô tô sẽ bị lệch khỏi quỹ đạo chuyển động thẳng 1,4 m trên chiều Q u ỹ đ ạo [ m ] Quỹ đạo [m] 72 dài quãng đường là 100 m, khi đó mô tơ của hệ thống lái tích cực sẽ quay một góc điều chỉnh phù hợp để giữ quỹ đạo chuyển động thẳng của ô tô và lệch so với đường quỹ đạo chuyển động thẳng 0,8 m sau 100 giây, tỷ số truyền trong trường hợp này là 16,2 (Hình 3.31). b. Khảo sát chuyển động của ô tô khi chuyển động thẳng thay đổi tốc độ Thí nghiệm được tiến hành trong trường hợp chuyển động của ô tô khi không có sự tác động của lực gió ngang, vận tốc tăng dần đều từ V = 0 - 140 km/h, độ cứng lốp trước và lốp sau bằng nhau, người lái giữ vành lái ở vị trí ô tô chuyển động thẳng. [50] Hình 3.32. Đồ thị tỷ số truyền theo vận tốc Nhận xét: Đồ thị hình 3.32 cho thấy mối quan hệ phụ thuộc giữa vận tốc và tỷ số truyền theo tỷ lệ thuận. Lúc mới bắt đầu di chuyển và tốc độ thấp thì tỷ số truyền nhỏ, khi vận tốc ô tô tăng cao (lớn hơn 100 km/h) thì tỷ số truyền cũng tăng theo. Nếu tốc độ 100 km/h thì mô tơ AFS không tác động vào hệ thống lái vả tỷ số truyền lúc này là 17.5. 3.2.3. Khảo sát chuyển động của ô tô khi chuyển làn Tiến hành mô phỏng khảo sát chuyển động của ô tô khi chuyển làn với điều kiện đầu vào là góc quay vành lái góc quay vành lái dao động từ 50 độ đến -50 độ (Hình 3.31), tốc độ V=80 km/h, các kích thước của sa hình được mô phỏng theo tiêu chuẩn quốc tế (ISO 3888) [24] với cung đường tiêu chuẩn có chiều dài là 60 m bao gồm 2 làn đường, các giá trị a = 3.135 m và b = 3.850 m. Trên đoạn đường thí nghiệm có bố Vận tốc [km/h] 73 trí cọc mốc di động và kẻ vạch. Các kết quả mô phỏng được thể hiện từ hình 3.33 đến hình 3.40. Hình 3.33. Thí nghiệm chuyển làn theo tiêu chuẩn ISO 3888 [24] Hình 3.34. Đồ thị góc quay vành lái Hình 3.35. Đồ thị góc quay hiệu chỉnh của mô tơ Hình 3.36. Đồ thị góc quay bánh xe dẫn hướng Thời gian [s] G ó c q u ay [ đ ộ ] Thời gian [s] G ó c q u ay [ đ ộ ] Thời gian [s] G ó c q u ay [ đ ộ ] Có điều khiển Không điều khiển 74 Hình 3.37. Đồ thị các lực ngang tác dụng lên các lốp Hình 3.38. Đồ thị gia tốc ngang tác dụng tại trọng tâm ô tô Hình 3.39. Đồ thị quỹ đạo chuyển động của ô tô 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -300 -200 -100 0 100 200 300 s N Fy fl Fy Fr Fy rl Fy rr Q u ỹ đ ạo [ m ] L ự c n g an g [ N ] Thời gian [s] Thời gian [s] G ia t ố c [m /s 2 ] Quỹ đạo 75 Hình 3.40. Đồ thị tỷ số truyền Nhận xét: - Khi không có sự can thiệp của hệ thống lái tích cực, các lực ngang cực đại tác dụng lên lốp như sau: bánh xe phía trước bên trái và phải đạt giá trị Fy1 = Fy4 = 190 [N], bánh xe sau bên trái và bên phải đạt Fy2 = Fy3 =200 [N] được thể hiện trên Hình 3.37. - Đồ thị Hình 3.38 cho thấy gia tốc ngang tác dụng tại trọng tâm của ô tô cũng đạt giá trị trung bình sau khi có điều khiển là 0.25 [m/s2], khi không có điều khiển là 0.23 [m/ s2] và tiệm cận với giá trị mong muốn là 0.26 [m/s2]. - Đồ thị Hình 3.39 cho thấy quỹ đạo chuyển động của ô tô khi có sự can thiệp của hệ thống lái tích cực sẽ tiệm cận với quỹ đạo mong muốn. - Khi không có sự can thiệp của mô tơ bước thì độ lệch lớn nhất của quỹ đạo thực tế và mong muốn là 0,2 [m]. Khi có sự can thiệp của mô tơ thì độ lệch lớn nhất của quỹ đạo thực tế và mong muốn khi chuyển làn là 0,05 [m], tương ứng với tỷ số truyền là 16,3 (Hình 3.40) 3.3. Kết luận chương 3 - Trên cơ sở lý thuyết chương 2 tác giả đã nghiên cứu nguyên lý về điều khiển mờ dùng để thiết kế bộ điều khiển hệ thống lái AFS theo hướng Fuzzy logic. Các mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm Matlab R2016a và công cụ Simulink cho phép mô phỏng động lực học của ô tô với hệ thống lái tích cực AFS. - Đã tiến hành khảo sát quỹ đạo chuyển động của ô tô khi có hoặc không có điều khiển của hệ thống lái tích cực AFS. Đồng thời đã phân tích, đánh giá các kết quả mô phỏng bằng phần mềm trong các điều kiện quay vòng thiếu, quay vòng thừa, chuyển làn, chuyển động thẳng với tốc độ thay đổi và có tác động của gió ngang để thấy được vai trò điều khiển của mô tơ nhằm ổn định quỹ đạo chuyển động ô tô. Thời gian [s] T ỷ s ố t ru y ền 76 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1. Mục đích, nhiệm vụ và đối tượng thí nghiệm 4.1.1. Mục đích thí nghiệm Kiểm nghiệm tính đúng đắn của mô hình lý thuyết. Xác định các thông số đầu vào như tốc độ, góc quanh vành tay lái, tải trọng trên mô hình bán thực nghiệm. Thiết kế và chế tạo bộ điều khiển hệ thống lái tích cực. 4.1.2. Đối tượng thí nghiệm Đối tượng thí nghiệm được chọn là bệ thử hệ thống lái tích cực AFS có gắn mô tơ VGRS của ô tô Lexus LX 470. Các thông số đầu vào để khảo sát chuyển động hệ thống lái tích cực có gắn mô tơ VGRS được thể hiện trên bảng 4.1 Bảng 4.1. Các thông số của ô tô thí nghiệm Lexus LX 470 TT Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị 1 Mô men quán tính khối của vành lái Iswư 𝑘𝑔. 𝑚2 0.0344 2 Khối ượng của thước lái Mr kg 4 3 Hệ số cản của thước lái Br N.S/m 88.128 4 Lực cản ma sát ở thước lái CFr N 169 5 Mô men quán tính khối của bánh trái Ifw1 𝑘𝑔. 𝑚2 0.61463 6 Mô men quán tính khối của bánh xe bên phải Ifw2 𝑘𝑔. 𝑚2 0.61463 7 Lốp ô tô 7,25-13 8 Trọng lượng bản thân m Kg 3110 9 Trọng lượng cầu trước m1 Kg 2450 10 Kích thước tổng thể L mm 4890 x 2850 x 1850 11 Chiều rộng cở sở B mm 1570 12 Bán kính vành lái Rsw mm 200 13 Độ cứng treo trước Nm 92100 14 Độ cứng treo sau Nm 123160 77 4.1.3. Điều kiện thí nghiệm Để thí nghiệm và xử lý các số liệu xác định quỹ đạo chuyển động của ô tô khi sử dụng hệ thống lái tích cực AFS có gắn mô tơ VGRS trên mô hình bán thực nghiệm. Luận án đã sử dụng phần mềm chuyên dùng để thiết lập giao diện mô phỏng kết nối với mô hình thực tế với một số thông số được giả lập như vận tốc chuyển động, tình trạng mặt đường, tải trọng tác động lên bánh xe nhằm mô phỏng và thử nghiệm các chế độ chạy ô tô trong các điều kiện khác nhau. Các thông số đầu vào của mô hình thực nghiệm được lấy từ mô hình mô phỏng lý thuyết như vận tốc ô tô V, góc quay thân ô tô ψ, góc lệch thân ô tô β, góc lệch bên của bánh xe α, phản lực ngang Fyi từ mặt đường tác dụng lên bánh xe. Các thông số khác lấy từ các cảm biến được lắp trên mô hình gồm góc trục lái trước δSC và sau mô tơ điều khiển δSCC, cảm biến tải trọng Fzi, cảm biến góc quay bánh xe δi. Hình 4.1. Lưu đồ bộ điều khiển mô tơ lái tích cực Bắt đầu Kết thúc 78 4.2. Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống lái tích cực AFS Nghiên cứu thực nghiệm là phương pháp phổ biến được áp dụng để kiểm chứng lại cơ sở lý thuyết đã được xây dựng và thường được tiến hành trên sản phẩm thật hoặc trên mô hình bán thực nghiệm. NCS đã đưa ra phương án thiết kế mô hình hệ thống lái tích cực AFS bán thực nghiệm. Mô hình bán thực nghiệm là sự kết hợp của cụm hệ thống thực, máy tính và phần mềm chuyên dùng. 4.2.1. Kết cấu cơ khí hệ thống lái và cầu trước Chức năng chính là tạo các vị trí liên kết giữa cầu trước với khung ô tô như trong không gian của hệ thống lái trên ô tô. Khung mô hình được thiết kế, chế tạo có khả năng chịu được các lực tác động khi tạo tải, mô men cản chuyển động bánh xe với mặt đường (Hình 4.2). Hình 4.2. Khung mô hình thực nghiệm hệ thống lái Kết cấu cơ khí bao gồm hệ thống lái và cầu trước được lấy nguyên bản từ ô tô Lexus LX 470 để đảm bảo tính chính xác của các góc đặt bánh xe, hệ thống lái trong quá trình thử nghiệm (Hình 4.3). 79 Hình 4.3. Cụm cầu trước của xe Lexus LX 470 Mô tơ của hệ thống lái tích cực cũng được sử dụng đúng nguyên bản của hãng Lexus để đảm bảo tính đồng bộ và tính cậy cao trong các thực nghiệm khi chế tạo bộ điều khiển (Hình 4.4). Hình 4.4. Mô tơ một chiều ba pha không chổi than của hệ thống lái tích cực Mô hình thực nghiệm hệ thống lái tích cực bao gồm bộ khung với hệ thống lái tích cực lắp trên cụm cầu trước (Hình 4.5), phía dưới các bánh xe được lắp đặt các cảm biến tải trọng và kích thủy lực để thay đổi các chế độ tải khác nhau. 80 Hình 4.5. Mô hình hệ thống lái tích cực AFS 4.2.2. Bộ phận tạo tải Khi ô tô chuyển động, tải trọng của ô tô tác dụng lên mặt đường thay đổi theo tình trạng mặt đường và tốc độ chuyển động của ô tô. Chức năng chính của bộ phận tạo tải (Hình 4.6) là tạo ra lực cản tương ứng lên cầu trước của mô hình như khi ô tô chuyển động trên các loại đường khác nhau. Bộ phận đo tải trọng tác động lên bánh xe là cảm biến tải trọng Hình 4.6. Các bộ phận tạo tải cho mô hình AFS 1. Đĩa đo góc quay bánh xe dẫn hướng; 2. Cảm biến đo tải trọng tác động của bánh xe lên mặt đường; 3. Bộ phận tạo tải trọng tác động của bánh xe và mặt đường 81 4.2.3. Cụm đo góc quay bánh xe dẫn hướng Để xác định góc quay bánh xe dẫn hướng NCS sử dụng các cảm biến đo góc quay được bố trí như Hình 4.7 Hình 4.7. Cụm đo góc quay bánh xe dẫn hướng 1.Cảm biến đo độ dịch chuyển bánh xe dẫn hướng; 2. Cảm biến đo độ dịch chuyển trục lái trước mô tơ AFS; 3. Cảm biến đo độ dịch chuyển trục lái sau mô tơ AFS 4.2.4. Cảm biến đo góc quay Luận án dùng 3 cảm biến đo góc quay Omron E6F-CWZ5G thuộc loại encoder tương đối với 360 xung trong một vòng quay (Hình 4.8), để đo góc xoay vành lái, góc xoay trục lái sau mô tơ và góc xoay bánh xe với đường kính trục: 10mm, đường kính thân: 60mm, điện áp hoạt động: 12...24V DC. Hình 4.8. Cảm biến đo góc quay 4.2.5. Máy tính kết nối NCS sử dụng Máy Trạm Dell Precision T5500 để chạy mô phỏng và kết nối với mô hình. Máy Trạm Dell Precision T5500 là dòng máy trạm hiệu năng cao, được trang bị 2 CPU chuyên dùng trong tính toán mô phỏng. Thông số kỹ thuật của máy tính: Vi xử lý: Dual Intel Xeon X5550 Quad-Core 2.66GHz RAM: 24GB SDRAM DDR3 82 HDD: 500GB 7200RPM Graphics: NVIDIA Quadro NVS 295 256MB PCI Express Dual DisplayPort OS: Windows 7 Professional USB Ports: 2.0 Ports (6) 4.2.6. Cấu trúc điều khiển động cơ một chiều không chổi than (BLDCM) a. Giới thiệu chung về mô tơ một chiều không chổi than Hiện nay có hai kiểu mô tơ điện một chiều: loại có chổi than và không có chổi than. Loại mô tơ có hệ thống cổ góp - chổi than có nhược điểm là vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môi trường rung chấn, dễ cháy nổ. Để tránh những nhược điểm trên mô tơ một chiều không chổi than (BLDCM) được sử dụng nhiều hơn trong các bộ phận đòi hỏi sự chuẩn xác và an toàn cao. Đây thực chất là mô tơ một chiều có hệ thống đảo chiều dòng điện bán dẫn. Loại máy này đang rất được quan tâm trong việc ứng dụng thay thế cho các hệ điều chỉnh tốc độ. BLDCM có ba cuộn dây stator và một rotor là nam châm vĩnh cửu. Dòng điện cảm ứng rotor có thể được bỏ qua do điện trở suất cao của cả nam châm và lõi thép không gỉ. Mô tơ được cung cấp từ nguồn điện áp một chiều ba pha theo phương pháp điều chế xung thay đổi tần số theo thời gian (PWM) (Hình 4.9) Hình 4.9. Mô hình mô tơ BLDC Stato (1) của mô tơ không tiếp xúc được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện. Trong các rãnh của stato đặt cuộn ứng (2) giống như trong rãnh của phần ứng thông thường. Phần cảm của mô tơ thường là nam châm vĩnh cửu (3). Để đơn giản có thể mô hình hóa bộ phận đổi chiều điện tử bằng giá đỡ chổi than (4) và chổi than (5) đặt trên roto. Bộ phận đổi chiều quay cùng pha với roto và đóng ngắt các bối dây của cuộn ứng trên stato 83 sao cho dòng điện chạy trong cuộn ứng đối diện với từng cực từ của phần cảm roto luôn có chiều không đổi. Khi đó các quan hệ điện từ của mô tơ một chiều không chổi than giống như mô tơ thông thường và được biểu diễn bằng các phương trình cân bằng điện áp, các biểu thức tính suất điện động, dòng điện và mô men quay của mô tơ một chiều thông thường (Hình 4.10) Trong mô tơ một chiều không chổi than, cuộn dây phần ứng đứng yên nên bộ phận đổi chiều được thay thế bằng bộ đổi chiều điện tử, được điều khiển bởi bộ cảm biến vị trí đặt trên trục của mô tơ. Nhờ vậy, bộ đổi chiều điện tử có thể đảm bảo sự thay đổi dòng điện trong cuộn ứng khi roto quay tương tự như vành góp chổi than. Hình 4.10. Sơ đồ cấu tạo mô tơ một chiều không chổi than b. Mô hình toán học Mô hình điều khiển điện áp theo thời gian cho 3 pha 𝑉𝑎, 𝑉𝑏, 𝑉𝑐 .                   0 0 0 0 0 0 aa a b b b c c c tv t i tR v t R i t t Rv t i t t                                     (4.1) Các chỉ số a, b và c đại diện cho ba pha stator. 𝑣𝑎(t), 𝑣𝑏(t) và 𝑣𝑐(t) là các điện áp pha, 𝑖𝑎(t), 𝑖𝑏(t) và 𝑖𝑐(t) là các dòng điện pha và λ𝑎(t), λ𝑏(t) và λ𝑐(t) là các liên kết luồng. R là điện trở được giả định là bằng nhau trong tất cả các pha. Các luồng được chuyển 2π/3 giữa mỗi pha, θ (t) là vị trí của rotor, L là tự cảm của stator, M là độ tự cảm stator đến stator, λ𝑚là độ lớn của sóng tạo ra bởi các nam châm vĩnh cửu và n là số cực. Chúng ta giả sử một mối liên kết lý tưởng giữa góc điều khiển δ𝑠𝑢𝑝, bánh răng và vị trí của rotor là θ thì θ = nNδ𝑠𝑢𝑝. Thế nó vào phương trình (4.1) và nhận được: 84              sup sup sup sin 2 sin 3 2 sin 3 a a b b m c c nN t i tL M M t M L M i t nN M M Lt i t nN                                                               (4.2)                    sin 2 sin 3 2 sin 3 a a b b m c c t t i tL M M t M L M i t t M M Lt i t t                                                               (4.3) Mômen tạo ra được tính từ biểu thức (4.4):                sup sup sup 2 cos cos 3 2 cos 3 M m a b b T t N i t nN t i t nN t i t nN t                        (4.4)       0a b cv t v t v t   (4.5)       0a b ci t i t i t   (4.6) Chúng ta kết nối ba pha nên các điện áp và dòng điện pha phải tăng lên lớn hơn không. Ta thế (4.5), (4.6) vào phương trình (4.3) và có được:              sup sup sup sin ' 0 0 2 0 ' 0 sin 3 0 0 ' 2 sin 3 a a b b m c c nN t i tL t L i t nN Lt i t nN                                                           (4.7) Với L’=L+M Các công thức (4.4) và (4.7) phụ thuộc vào góc bù sup. Sự phụ thuộc này có thể được loại bỏ bằng cách chuyển từ stator sang khung rotor. Điều này cho phép kiểm soát 85 dễ dàng hơn đầu ra mô-men xoắn và hao hụt điện. Sự thay đổi cho các pha được gọi là chuyển đổi Park, được cho bởi phép nhân với ma trận P:     sup sup sup sup sup sup 2 2 cos cos cos 3 32 3 2 2 sin sin sin 3 3 H H H H H H G N G N G N P G N G N G N                                           (4.8) Sự chuyển đổi nghịch từ qd sang khung abc của tham chiếu được cho bằng cách nhân với:    sup sup sup sup sup sup cos sin 2 2 2 cos sin 3 3 3 2 2 cos sin 3 3 nN nN Q nN nN nN nN                                                  (4.9) Chúng ta áp dụng công thức của Park vào phương trình (4.1), (4.4) và (4.7). Các kết quả của các phương trình miêu tả động lực nội tại của PMSM trong khung qd có mối quan hệ là:                          ' ' ' sup ' ' sup ' * * q m d q q d q q d M m q Li t n Li t N t Ri t v t Li t nLi t N t Ri t v t T t n i t               (4.10) Với: ' 3 2 m m  Việc chuyển đổi ở trên và tập hợp các phép tính cho phép tính toán các dòng i𝑞𝑑𝑒𝑠 mong muốn và các dòng i𝑞 điều khiển trực tiếp. Tuy nhiên trong hệ thống vật lý trên chỉ có dòng điện pha và điện áp. Đó là lý do tại sao trong bộ điều khiển thực tế chúng ta phải chuyển đổi trở lại từ khung tham chiếu qd đến khung tham chiếu abc và được thực hiện bằng cách sử dụng ma trận Q (4.9) (Hình 4.11). 86 Hình 4.11. Mô đun điều khiển đồng bộ không chổi quét nam châm vĩnh cửu c. Phương pháp điều khiển Mô tơ kiểu này sử dụng hệ thống điều khiển độ rộng xung PWM. Hoạt động của bộ biến đổi PWM ba pha có thể chia thành sáu giai đoạn theo các trạng thái của dòng điện trong các pha của mô tơ như hình. Dòng điện ba pha được điều khiển có dạng sóng hình chữ nhật và đồng bộ với tín hiệu phản hồi hình thang EMF để tạo ra momen không đổi (Hình 4.12). Hình 4.12. Đồ thị dòng pha và suất điện động phản hồi của mô tơ Nhiệm vụ đó được thực hiện bởi mạch điều khiển mô men tốc độ kết hợp với bộ cảm biến vị trí roto và bộ điều khiển trễ dòng (Hình 4.13) 87 Hình 4.13. Sơ đồ chức năng mạch điều khiển mô tơ BLDC Bảng 4.2. Thông số của mô tơ AFS N Số cặp cực mô tơ đồng bộ 3 pha 3 L’ Độ tự cảm của mô tơ đồng bộ 3 pha 42.73 μH R Điện trở của mô tơ đồng bộ 3 pha 83.67 mΩ λm Cường độ thông lượng 5,096 mWb 4.2.7. Chế tạo bộ điều khiển mô tơ của hệ thống lái tích cực a. Khái quát về bộ điều khiển lái tích cực Bộ điều khiển hệ thống lái tích cực (AFS) được nghiên cứu chế tạo bố trí trên mô hình hệ thống (Hình 4.14), có chức năng chính là điều khiển mô tơ của hệ thống lái tích cực. Nó bao gồm các bộ phận sau: Khối chuyển đổi điện áp, khối phân tích các cảm biến và tín hiệu điều khiển, khối điều khiển mô tơ nguồn điện và chương trình matlab tạo thành bộ điều khiển hệ thống lái tích cực AFS. Hình 4.14. Hộp điều khiển hệ thống lái tích cực AFS 88 1- Nguồn cung cấp cho vi xử lý; 2- Bộ phận chuyển đổi DC - DC cách ly, chống nhiễu; 3- Bộ vi xử lý đọc cảm biến (có tích hợp mạch giao tiếp với máy tính); 4- Bộ vi xử lý xử lý các giá trị và điều khiển mô tơ; 5- Mạch lọc tín hiệu đầu vào chống nhiễu; 6- Driver LoadCell; 7- Nguồn cung cấp cho mạch khiển mô tơ; 8- Mạch điều khiển mô tơ; 9- Tản nhiệt; 10- Mạch điều khiển chốt mô tơ. b. Khối chuyển đổi điện áp Khối chuyển đổi điện áp có ký hiệu DC-DC VB2405D-10W (12-24V) để tạo nguồn 5V cung cấp nguồn cho vi điều khiển. Với kiểu nguồn này sẽ tránh được tín hiệu điện nhiễu tác động vào hệ thống (Hình 4.15). Hình 4.15. Sơ đồ chuyển đổi điện áp 12~24DC c. Khối đọc giá trị các cảm biến Nhận tín hiệu từ bộ chuyển đổi tín hiệu điện từ cảm biến như vận tốc xe, giá trị của vận tốc góc lệch thân xe, gia tốc góc quay thân xe, hệ số bám mặt đường, tải trọng tác động sau đó tính toán và đưa ra giá trị lực tác động, đồng thời giao tiếp với vi