Mô hình hóa mô phỏng điều khiển chuyển động ô tô điện (1).doc

DỊCH VỤ VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI TRỌN GÓI ZALO / TEL: 0909.232.620
BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------
NGÔ MINH NGỌC
MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN
CHUYỂN ĐỘNG Ô TÔ ĐIỆN
Chuyên ngành: Tự động hóa
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. TẠ CAO MINH
HÀ NỘI-2010

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp cao học với đề tài: “Mô
hình hóa, mô phỏng, điều khiển chuyển động ô tô điện” do em tự
thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS. Tạ Cao Minh. Các
số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong
danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào
khác. Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 26 tháng 10 năm 2010
Sinh viên thực hiện
Ngô Minh Ngọc

MỤC LỤC
MỤC LỤC ........................................................................................................................ i
DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................ iii
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU...................................................................................... vi
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................................... vii
LỜI NÓI ĐẦU................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XE ĐIỆN....................................................... 3
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển xe điện ........................................................ 3
1.2. Xu hướng phát triển của xe điện trên thế giới................................................ 5
1.3. Các ưu điểm của xe điện ................................................................................ 6
1.3.1. Đáp ứng mô men nhanh của động cơ................................................ 6
1.3.2. Khả năng lắp ráp động cơ ở nhiều nơi khác nhau............................ 6
1.3.3. Mô men động cơ dễ kiểm soát ........................................................... 7
1.4. Phân loại xe điện ............................................................................................ 7
1.5. Cấu hình xe điện một động cơ phát động....................................................... 9
1.6. Nguyên tắc truyền lực và sinh moment của ô tô.......................................... 10
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÂY DỰNG MÔ
HÌNH XE ĐIỆN. ........................................................................................................... 14
2.1. Giới thiệu chung........................................................................................... 14
2.2. Động lực học theo chiều dọc của bánh xe và mặt đường ............................ 14
2.2.1. Lực cản khí động học ...................................................................... 15
2.2.2. Lực ma sát trượt.............................................................................. 16
2.2.3. Lực ma sát lăn ................................................................................. 19
2.3. Mô hình xe điện theo chiều dọc ................................................................... 20
2.4. Mô hình ma sát bên của bánh xe và mặt đường........................................... 22
2.4.1. Giới thiệu chung.............................................................................. 22
2.4.2. Mô hình xe đạp ( Bicycle Model) .................................................... 24
CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG XE ĐIỆN.... 28
3.1. Giới thiệu chung........................................................................................... 28
3.2. Điều khiển chuyển động theo chiều dọc ...................................................... 28
3.2.1 Điều khiển chống trượt bằng phương pháp mô hình mẫu MFC
(Model Following Control)................................................................................... 29
3.2.2 Điều khiển tối ưu tỷ số trượt ( Optimal Skid-Ratio Control ) ......... 32
3.2.3 Điều khiển chuyển động bằng phương pháp ước lượng moment cực
đại (Maximum Effective Torque Estimation - METE).......................................... 39
CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG XE
ĐIỆN BẰNG MATLAB/SIMULINK........................................................................... 41
4.1. Mô hình xe điện trong Simulink .................................................................. 41
4.1.1. Khối tính toán tỷ số trượt (Slip Ratio)............................................. 42

4.1.2. Khối tính toán lực cản khí động học (Faero) .................................... 42
4.1.3. Khối tính toán lực ma sát lăn (Fr) .................................................. 43
4.1.4. Khối tạo đường congquan hệ µ-λ.................................................... 44
4.2. Xây dựng mô hình động cơ điện.................................................................. 44
4.3. Kết quả mô phỏng mô hình động cơ, ô tô điện bằng Matlab/Simulink....... 45
4.4. Mô phỏng phương pháp điều khiển chuyển động theo mô hình mẫu (MFC)..
...................................................................................................................... 48
4.5. Mô phỏng phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt ( Optimal Skid-Ratio
Control) ..................................................................................................................... 51
4.5.1. Khối EV Model và Motor Model..................................................... 52
4.5.2. Khối xác định hệ số K của bộ điều khiển PI. .................................. 52
4.5.3. Khối tạo bộ điều khiển tối ưu tỷ số trượt. ....................................... 53
4.5.4. Kết quả mô phỏng. .......................................................................... 54
4.6. Mô phỏng phương pháp ước lượng moment cực đại (METE) .................... 57
4.6.1. Khối EV Model và Motor Model..................................................... 57
4.6.2. Khối ước lượng đạo hàm bậc 1 của V............................................. 57
4.6.3. Khối tính toán moment ước lượng cực đại Tmax............................ 58
4.6.4. Kết quả mô phỏng: .......................................................................... 59
CHƯƠNG 5: ƯỚC LƯỢNG ĐIỀU KIỆN MẶT ĐƯỜNG DÙNG LÝ THUYẾT
ĐIỀU KHIỂN MỜ......................................................................................................... 62
5.1. Đặt vấn đề..................................................................................................... 62
5.2. Cơ sở lý thuyết điều khiển mờ. .................................................................... 62
5.2.1. Định nghĩa tập mờ........................................................................... 62
5.2.2. Các khái niệm cơ bản trong logic mờ ............................................. 62
5.2.3. Biến ngôn ngữ. ................................................................................ 63
5.2.4. Các phép toán trên tập mờ.............................................................. 64
5.2.5. Luật hợp thành ................................................................................ 66
5.2.6. Giải mờ............................................................................................ 67
5.2.7. Bộ điều khiển mờ............................................................................. 67
5.3. Áp dụng lý thuyết điều khiển mờ cho bộ ước lượng điều kiện mặt đường. 69
5.4. Mô phỏng phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt dùng bộ điều khiển
mờ. ......................................................................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 78

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Một số mẫu xe điện giai đoạn 1890 – 1930.
Hình 1.2: Một số mẫu xe điện giai đoạn 1930-1990.
Hình 1.3: Một số mẫu xe điện hiện đại.
Hình 1.4: Cấu hình 1 động cơ phát động.
Hình 1.7: Các bộ phận của cấu hình xe điện một động cơ phát động.
Hình 1.8: Bộ vi sai của xe.
Hình 1.9: Nguyên lý hoạt động của bộ vi sai khi xe chạy thẳng (Chiều dài
của mũi tên biểu thị cho độ lớn của lực cản, mômen xoắn và tốc độ quay).
Hình 1.10: Nguyên lý hoạt động của bộ vi sai khi xe đi vòng (Chiều dài của
mũi tên biểu thị cho độ lớn của lực cản, mômen xoắn và tốc độ quay).
Hình 2.1: Các lực tác dụng lên xe.
Hình 2.2: Quan hệ µ – λ trên các điều kiện mặt đường khác nhau.
Hình 2.3: Quan hệ µ – λ theo công thức thực nghiệm.
Hình 2.4: Mô hình xe quy về một bánh.
Hình 2.5: Mô hình của xe theo chiều dọc.
Hình 2.6: Mô hình 4 bánh của xe.
Hình 2.7: Mô hình 2 bánh của xe.
Hình 2.8: Góc trượt của bánh trước.
Hình 3.1: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển chống trượt theo mô hình mẫu(MFC).
Hình 3.2: Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt.
Hình 3.3: Tỷ số trượt tối ưu trên đường cong quan hệ µ-λ.
Hình 3.4:Mô hình xe quy về một bánh.
Hình 3.5: Hệ số góc a.
Hình 3.5: Đường cong quan hệ µ-λ với các điều kiện mặt đường khác nhau.
Hình 3.6: Giới hạn để phân loại các loại mặt đường khác nhau.

Hình 3.7: Sơ đồ khối phương pháp ước lượng moment cực đại (METE).
Hình 4.1: Mô hình xe điện trong Matlab/Simulink
Hình 4.2: Khối tính toán tỷ số trượt.
Hình 4.3: Khối tính toán lực cản khí động học.
Hình 4.4: Khối tính toán lực ma sát lăn.
Hình 4.5: Sơ đồ khối mô phỏng động cơ một chiều
Hình 4.7: Vận tốc bánh xe và vận tốc xe
Hình 4.8: Đáp ứng hệ số ma sát và tỷ số trượt
Hình 4.9: Đáp ứng lực cản khí động học
Hình 4.10: Đáp ứng moment đầu trục động cơ và moment cản tổng.
Hình 4.11: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển theo mô hình mẫu (MFC)
Hình 4.12: Vận tốc bánh xe khi có và không có bộ điều khiển MFC.
Hình 4.13: Đáp ứng của dòng điện đặt Icom và dòng phản hồi Ifeedback
Hình 4.14: Đáp ứng tỷ số trượt lamda.
Hình 4.15: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt trong
Matlab/Simulink.
Hình 4.16: Khối tạo optimal lamda
Hình 4.17: Khối tính toán hệ số K
Hình 4.18: Bộ điều khiển tối ưu tỷ số trượt
Hình 4.20: Vận tốc góc bánh xe và thân xe
Hình 4.21: Tỷ số trượt thực tế so với tỷ số trượt tối ưu
Hình 4.22: Sự thay đổi của hệ số khuếch đại K của bộ điều khiển.
Hình 4.23: Sơ đồ khối phương pháp ước lượng moment cực đại (METE)
Hình 4.24: Khối ước lượng đạo hàm bậc 1 của vận tốc V.
Hình 4.25: Khối uớc luợng moment cực đại Tmax
Hình 4.26: Đáp ứng vận tốc của xe và bánh xe
Hình 4.27: Tỷ số trượt λ.
Hình 4.28: Moment đặt vào động cơ phát động
Hình 5.1: Các dạng hàm thuộc.

Hình 5.2: Miền các giá trị ngôn ngữ.
Hình 5.3: Bộ điều khiển mờ cơ bản.
Hình 5.5: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt dùng bộ điều
khiển mờ.
Hình 5.6: Bộ ước lượng tỷ số trượt tối ưu dùng lý bộ điều khiển mờ.
Hình 5.7: Bộ điều khiển mờ EV FUZZY CONTROLLER.
Hình 5.8: Biến đầu vào λ
Hình 5.9: Biến đầu vào µ.
Hình 5.10: Biến đầu ra Asphalt, gravel, water.
Hình 5.11: Luật điều khiển mờ.
Hình 5.12: Hình ảnh luật điều khiển mờ.
Hình 5.13: Hình ảnh thể hiện quan hệ vào/ra mờ.
Hình 5.14: Vận tốc của xe và bánh xe.
Hình 5.15: Tỷ số trượt tối ưu và tỷ số trượt thực tế.

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 1.1. Ưu nhược điểm của các cấu hình xe điện.
Bảng 2.1. Giá trị tham số k của một số loại mặt đường.
Bảng 4.1 Bảng tham số µ = f(λ).
Bảng 4.2. Các thông số của động cơ điện một chiều.

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
EV: Electrical Vehicle.
DYC: Direct Yaw Control.
MFC: Model Following Control.
SRC: Optimal Slip-Ration Control.
METE: Maximum Effective Torque Estimation.

LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời gian gần đây, rất nhiều ứng dụng xe điện đã được phát triển
để giải quyết về năng lượng và ô nhiễm môi trường gây ra bởi việc sử dụng
những phương tiện giao thông sử dụng động cơ đốt trong đóng vai trò như
động cơ phát động. Những ưu điểm vượt trội của xe điện có thể kể đến như
hiệu suất cao và thân thiện với môi trường.
Trong khi trên thế giới, một số xe điện đã được nghiên cứu và phát triển
để đáp ứng đủ các yêu cầu trong thực tế cũng như bắt đầu đưa vào sản xuất
thương mại thì nên công nghiệp nước ta mới chỉ dừng lại ở khả năng lắp ráp và
sửa chữa những ô tô sử dụng động cơ đốt trong thông thường. Nắm bắt được
xu thế ngày càng sử dụng nhiều hơng những phương tiện thân thiện với môi
trường và tiết kiệm năng lượng, chính phủ ta đã có những quan tâm đến những
ứng dụng xe điện đầu tiên, đặt nền móng cho nền công nghiệp ô tô trong tương
lai. Triển vọng về sự phát triển của xe điện trong tương lai đã thôi thúc học viên
lựa chọn đề tài: “ Mô hình hóa, mô phỏng điều khiển chuyển động ô tô điện
” với mục đích nghiên cứu các mô hình mô tả chuyển động của ô tô điện và đề
xuất các thuật toán điều khiển để nâng cao độ bám đường trong khi xe chạy.
Đề tài được thực hiện gồm 4 chương:
Chương 1: Giới thiệu chung về xe điện.
Chương 2: Nghiên cứu hệ thống động lực học và xây dựng mô hình ô tô điện.
Chương 3: Các phương pháp điều khiển chuyển động ô tô điện.
Chương 4: Mô hình hóa, mô phỏng, điều khiển chuyển động bằng Matlab/Simulink.
Chương 5: Ước lượng điều kiện mặt đường dùng lý thuyết điều khiển mờ.
Do thời gian thực hiện đề tài hạn hẹp cũng như hạn chế về kiến thức và điều kiện thực
nghiệm, luận văn chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Vì thế, học viên kính
mong nhận được những lời nhận xét, đánh giá và góp ý của các thầy cô giáo và các bạn
để bản luận văn này được hoàn thiện hơn. Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến
Thầy giáo – PGS.TS. Tạ Cao Minh đã hết lòng giúp đỡ và chỉ bảo tận tình cho học viên
trong thời gian thực hiện luận văn này. Nếu không có sự hướng dẫn vô tư, nhiệt tình của
Thầy thì chắc chắn học viên không thể hoàn thành tốt luận văn được.
1

Học viên cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy giáo, Cô giáo của
Viện Đào Tạo Sau Đại Học đã tạo điều kiện hết sức thuận lợi để học viên có
thể hoàn thành luận văn đúng thời hạn.
Hà Nội, ngày 26 tháng 10 năm 2010
Sinh viên thực hiện
Ngô Minh Ngọc
2

Chương 1: Giới thiệu chung về xe điện
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XE ĐIỆN.
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển xe điện
Xe điện là xe sử dụng 1 động cơ điện để dẫn động thay vì 1 động cơ đốt
trong. Xe điện được biết đến như là 1 xe không gây ô nhiễm (Zero Emission
Vehicle). Trong những năm gần đây, xe điện được chú ý nhiều khi mà vấn đề
môi trường ngày càng được quan tâm. Tuy nhiên, làm sao để kéo dài thời
gian hoạt động hay quãng đường di chuyển của nó là 1 bài toán khó.
Chiếc xe điện đầu tiên được chế tạo vào năm 1881 do kỹ sư người Pháp Gustave
Trouve. Nó chỉ đạt tốc độ 15 km/h và trong phạm vi 16 km. Năm 1864, cuộc đua từ Paris
đến Rouen đã làm thay đổi tất cả: quãng đường dài 1135 km được chạy trong thời gian
48 giờ 53 phút với tốc độ trung bình 23.3 km/h. Công chúng bắt đầu quan tâm tới xe
không ngựa kéo hoặc là ô tô theo cách gọi hiện nay. Pháp và Anh là 2 nước đầu tiên
đưa xe điện vào trong hệ thống giao thông vào cuối thể kỷ 19, còn Bỉ là nước đầu tiên
chế tạo được chiếc xe đua chạy điện mang tên “La Jamais Contente” vào năm 1899
được thiết kế bởi Cammelle Jénatzy có thể đạt đến vận tốc 50km/h.
(a) La Jamais Contente (1899) (b) Detroit (1918)
Hình 1.1. Một số mẫu xe điện giai đoạn 1890 - 1930
Giai đoạn đầu thế kỷ 20 đánh dấu sự lép vế hoàn toàn của xe điện so với xe
chạy xăng do mấy nguyên nhân:
¾ Việc tìm ra dầu thô ở Texas làm giảm giá dầu trên thế giới
3

¾ Do yêu cầu của việc phát triển kinh tế, xe phải chạy được quãng đường dài hơn
¾ Charles Kettering đã phát minh ra bộ chế khởi động cho xe chạy xăng
¾ Henry Ford đã phát minh ra các động cơ đốt trong có giá thành hạ
Năm 1928, mỗi chiếc xe điện có giá khoảng 1750 USD trong khi mỗi chiếc xe
chạy xăng chỉ có giá khoảng 650 USD. Đến năm 1935, xe điện gần như biến
mất vì sự phát triển quá mạnh mẽ của các xe sử dụng xăng.
(a) S-V CitiCar (1973) (b) Elcar (1974)
Hình 1.2. Một số mẫu xe điện giai đoạn 1930-1990
Giai đoạn từ năm 1990 đến nay, xe điện đã có những bước tiến rõ rệt trên nhiều mặt.
Năm 1990, chiếc Ford Ecostar đã đạt được vận tốc khoảng 110km/h và có khả năng
tăng tốc từ 0 đến 80km/h chỉ trong 12 giây. Hãng General Motors cũng đưa ra loại xe
ô tô điện EV1 có thể đạt đến tốc độ khoảng 128km/h và có thể tăng tốc từ 0
lên 80km/h trong 10 giây. Vấn đề năng lượng cho xe điện cũng được cải tiến
đáng kể từ khi loại pin nhẹ Lithium – Ion được chế tạo thành công.
Cho đến nay ngành công nghiệp ôtô điện đã có những bước phát triển rõ rệt
có thể thấy như tốc độ tối đa và khả năng tăng tốc của xe được cải thiện
đáng kể.Vấn đề về năng lượng cho xe không còn quá vất vả nhờ việc sử
dụng pin nhẹ Lithium - Ion. Tính thời trang cũng được các nhà thiết kế xe lưu
tâm với nhiều mẫu mã sang trọng và bắt mắt.
4

a) Nissan leaf 2009 b) Chevrolet Volt 2001
c) Think City
Hình 1.3. Một số
d) Tesla Roadster
mẫu xe điện hiện đại
1.2. Xu hướng phát triển của xe điện trên thế giới
Gần đây, các nghiên cứu và ứng dụng của xe điện đã đạt được nhiều thành
công rực rỡ do sự phát triển của kỹ thuật điều khiển động cơ và công nghệ tích
lũy năng lượng như pin Lithium-Ion và siêu tụ điện. Ngoài ra, các nhà khoa học
đã tìm ra được phương pháp xạc điện không dây với công suốt lớn, giúp cho
quá trình nạp năng lượng cho xe điện trở nên dễ dàng và nhanh chóng hơn.
Trên thế giới hiện nay thì việc dùng siêu tụ thay cho các bộ ac quy đã trở nên
phổ biến và siêu tụ đóng một vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng
cho xe điện trong tương lai. Siêu tụ có những ưu điểm nổi trội như sau: tuổi thọ
hoạt động dài, mật độ dòng điện lớn và thân thiện với môi trường. Xe điện chạy
bằng siêu tụ có thể hoạt động hơn 20 phút sau khi được xạc với chỉ 30 giây.
5

Các bộ nạp năng lượng không dây dựa vào hiện tượng cổng hưởng từ cũng
là một công nghệ cực kỳ quan trọng và cần thiết để làm tăng hiệu quả của xe
điện. Trong phòng thí nghiệm, công nghệ này cho phép truyền dòng năng
lượng xấp xỉ 50W trong khoảng cách 50cm với hiệu suất 95% .
Tổng kết lại, chúng ta cần đạt được sự phát triển của xe điện trong tương lai ứng dụng
3 công nghệ sau: Động cơ điện, siêu tụ, bộ nạp năng lượng không dây. Các công
nghệ này giúp chúng ta loại trừ các loại acquy Li-ion và các trạm xạc điện lớn.
1.3. Các ưu điểm của xe điện
Xe điện sử dụng động cơ điện vì vậy nó có tất cả các ưu điểm của động
cơ điện. Cụ thể là:
1.3.1. Đáp ứng mô men nhanh của động cơ
Đáp ứng mô men của động cơ điện nhanh hơn 100 lần so với động cơ đốt trong. Ô tô
không cần năng lượng nếu nó di chuyển theo phương ngang. Tổn thất năng lượng nhiều
nhất là do ma sát giữa bánh xe và mặt đường. Bằng cách áp dụng phương pháp điều
khiển bám để giảm mô men động cơ chống lại hiện tượng trượt bánh.
Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng các đặc tính cơ khí có thể bị biến đổi khi sử
dụng các phương pháp điều khiển điện. Những lý do của sự biến đổi này vẫn chưa
được giải thích rõ ràng. Sử dụng UOT March II, chúng ta có thể đạt được kết quả
tương tự như các loại ô tô hiện nay với độ rộng của bánh bằng một nửa và hiệu quả
nhiên liệu gấp đôi. Điều thuận lợi nhất của xe điện chính là điều khiển chuyển động.
1.3.2. Khả năng lắp ráp động cơ ở nhiều nơi khác nhau
Một động cơ của xe điện có thể được chia thành 4 phần và được lắp đặt vào hệ thống
bánh xe mà không làm tăng thêm chi chí. Thêm nữa, xe điện cung cấp một thuận lợi vô
cùng lớn trong việc điều khiển chuyển động với hiệu suất cao, ví dụ như là Direct Yaw
Control (DYC). Động cơ có thế sinh ra mô men âm và dương liên tục. Nó khác hoàn toàn
so với các phương pháp điều khiển chuyển động bằng cơ khí thông thường như kiểu
4WD hoặc 4WS (điều khiển sự phân bố của lực sử dụng truyền động vi sai).
6

1.3.3. Mô men động cơ dễ kiểm soát
Mô men động cơ có thể được kiểm soát dễ dàng từ dòng điện của động cơ.
Ngược lại, các động cơ đốt trong tỏ ra phi tuyển một cách đáng kể; và vì vậy,
việc mô tả mô hình động cơ là rất khó khăn. Đối với xe điện, chúng ta có thể
ước lượng lực truyển từ bánh xe xuống mặt đường bằng bộ quan sát lực. Nó
giúp ta ước lượng được điều kiện mặt đường một cách hiệu quả. Bên cạnh
đó, các sensor được cài đặt trong xe làm tăng sự an toàn cho người lái.
1.4. Phân loại xe điện
Xe điện có rất nhiều cấu hình, mỗi cấu hình có đặc điểm cấu tạo riêng. Có
thể phân loại các cấu hình xe điện theo hai quan điểm:
• Theo nguồn năng lượng sử dụng có: xe điện hoàn toàn (Pure EV), xe
điện – xăng (Hybrid EV), xe chạy pin nhiên liệu (Fuel-cell EV), xe điện
chạy bằng siêu tụ (Super-capacitor EV), …
• Theo số động cơ phát động được sử dụng có: cấu hình 1 động cơ, 2 động cơ, 4
động cơ.
Các cấu hình 1, 2 và 4 động cơ được mô tả trong các hình (1.4) đến (1.6)
Hình 1.4. Cấu hình 1 động cơ phát động.
7

Hình 1.5. Cấu hình 2 động cơ phát động.
Hình 1.6. Cấu hình 4 động cơ phát động
8

Hiện nay, những mẫu xe điện phổ biến trên thị trường thường dùng cấu hình một động
cơ điện phát động và sử dụng nguồn điện một chiều từ ắc qui. Cấu hình này rất đơn giản
và dễ chế tạo nhưng không phát huy được hết ưu điểm của xe điện. Khả năng sinh mô
men nhanh và chính xác của động cơ điện không được tận dụng tối đa; khả năng tái
sinh năng lượng bị hạn chế; không tiết kiệm được không gian cho xe. Ngoài ra, việc có
thêm bộ truyền động cơ khí nặng nề làm tăng trọng lượng của xe, qua đó, tăng công
suất của động cơ. Cấu hình này sẽ dần dần được thay thế bởi cấu hình xe điện 2 bánh
và 4 bánh phát động trong tương lai. Ở các cấu hình như vậy, động cơ truyền động trực
tiếp cho bánh xe. Các động cơ được điều khiển độc lập, hoạt động của chúng được điều
phối qua một máy tính trung tâm, bảo đảm tính ổn định và an toàn trong chuyển động
của xe. Bên cạnh đó, việc tích hợp các động cơ đến từng bánh xe sẽ loại bỏ cấu hình bộ
truyền cơ khí, giảm bớt trọng lượng của xe, qua đó, giảm bớt công suất động cơ, giảm
bớt giá thành cho xe. Bảng 1.1 so sánh ưu nhược điểm của các cấu hình.
Bảng 1.1. Ưu nhược điểm của các cấu hình xe điện
Một động cơ Hai động cơ Bốn động cơ
Điều khiển phát động Đơn giản Khá phức tạp Phức tạp
Điều khiển chuyển động Đơn giản Khá phức tạp Phức tạp
Độ ổn định chuyển động Kém Tốt Rất tốt
Kết cấu cơ khí Phức tạp, cồng kềnh Đơn giản Rất đơn giản
Khả năng nâng cao chất Rất kém Tốt Rất tốt
lượng chuyển động bằng
điều khiển động cơ
1.5. Cấu hình xe điện một động cơ phát động.
Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp cao học, học viên sử dụng mô hình xe điện một
động cơ phát động, điều khiển hướng bằng bánh trước và dẫn động bằng bánh
sau. Đối với mô hình kiểu này, công suất từ động cơ điện được truyền qua hộp
số, làm quay trục các đăng. Trục các đăng lại được ghép nối với bộ vi sai, và
bộ vi sai được nối với các bánh dẫn động phía sau bằng các kết cấu cơ khí.
9

Hình 1.7.Các bộ phận của cấu hình xe điện một động cơ phát động
1.6. Nguyên tắc truyền lực và sinh moment của ô tô.
Trước khi đi vào nghiên cứu mô hình ô tô và các phương pháp điều khiển chuyển
động, ta đi tìm hiểu những nguyên lý cơ bản nhất của hệ thống truyền động của ô tô.
Như chúng ta đã biết lực phát động của ô tô điện được sinh ra bởi một động cơ điện.
Để đưa được lực dẫn động từ động cơ phát động xuống các bánh dẫn động cần
phải qua một bộ phận cuối cùng gọi là bộ vi sai, chúng thường được lắp cùng với
truyền lực cuối gọi là cầu xe. Bộ vi sai có nhiệm vụ là tiếp tục tăng mômen từ hộp số
và phân phối các lực dẫn động đến các bán trục bên trái và bên phải. Ngoài ra bộ vi
sai còn tạo ra sự chênh lệch tốc độ quay giữa các bánh xe bên trái và bên phải và
giúp cho xe chuyển động êm hơn khi đi vào đường vòng.
10

Hình 1.8. Bộ vi sai của xe.
Bộ vi sai có các nhiệm vụ sau
+ Truyền mô men của động cơ tới các bánh xe.
+ Đóng vai trò là cơ cấu giảm tốc cuối cùng trước khi mô men xoắn
truyền tới các bánh xe.
+ Truyền mô men tới bánh xe trong khi cho phép chúng quay với tốc
độ khác nhau.
Nguyên lý hoạt động của bộ vi sai hai quá trình chạy thẳng và rẽ lái:
+ Khi xe chạy thẳng: do lực cản tác động như nhau lên cả hai bánh xe dẫn
động bên trái và bên phải nên các bánh răng vành chậu, bánh răng vi sai và
bánh răng bán trục ăn khớp với nhau thành một khối liền để truyền lực dẫn
động đến các bánh xe. Các bánh xe dẫn động quay với tốc độ như nhau,
mômen xoắn của các bánh răng bán trục bên trái và bên phải như nhau.
11

Hình 1.9. Nguyên lý hoạt động của bộ vi sai khi xe chạy thẳng. (Chiều dài của
mũi tên biểu thị cho độ lớn của lực cản, mômen xoắn và tốc độ quay)
+ Khi xe đi vào đường vòng: do lực cản tác động lên hai bánh dẫn
động khác nhau, chẳng hạn như lực cản tác động lên lốp A lớn hơn tác động
lên lốp B khiến cho tốc độ quay của lốp A nhỏ hơn tốc độ quay của lốp B. Hay
nói khác đi, bên trong bộ vi sai, bánh răng bán trục A quay chậm và bánh
răng vi sai phải quay sao cho bánh răng bán trục B phía ngoài quay nhanh
hơn. Đó chính là cách mà bộ vi sai giúp cho xe chạy êm qua đường vòng.
Hình 1.10. Nguyên lý hoạt động của bộ vi sai khi xe đi vòng. (Chiều dài của
mũi tên biểu thị cho độ lớn của lực cản, mômen xoắn và tốc độ quay)
Như vậy là khi mà bộ vi sai hoạt động nó phân phối mômen khác nhau vào các bánh
xe bên trái và bên phải. Trong khi điều này có ưu điểm là làm cho xe chạy được êm
12

qua các đoạn đường vòng thì ngược lại nó lại có nhược điểm là làm giảm lực
dẫn động đến cả 2 bánh xe khi mà lực dẫn động lên một bánh xe bị giảm.
13

Chương 2: Nghiên cứu hệ thống động lực học và xây dựng mô hình xe điện
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC HỌC VÀ
XÂY DỰNG MÔ HÌNH XE ĐIỆN.
2.1. Giới thiệu chung
Chuyển động của xe có thể được phân tích thành 3 chiều: chuyển động bên, chuyển
động theo chiều dọc và chuyển động theo phương thẳng đứng. Vì vậy, để đảm bảo
chất lượng của xe ta phải điều khiển chuyển động của xe theo cả 3 chiều. Nhiệm vụ
của thể của việc điều khiển chuyển động theo từng chiều như sau:
- Điều khiển chuyển động theo chiều dọc có nhiệm vụ đảm bảo cho xe
bám mặt đường trong khi xe chạy.
- Điều khiển chuyển động bên của xe nói tới việc điều khiển hệ thống lái.
Nhiệm vụ quan trọng nhất của hệ thống điều khiển bên đó là giữ cho xe
đi đúng hướng mà người điều khiển yêu cầu. Đồng thời, điều khiển
chuyển động bên còn áp dụng vào việc điều khiển mô men lắc của xe,
đảm bảo xe chạy ổn định trong quá trình rẽ
- Điều khiền chuyển động theo phương thẳng đứng chính là điều khiển
hệ thống treo.
Để thiết kế được bộ điều khiển, trước hết ta phải xây dựng được mô hình
của xe theo từng chiều chuyển động.
2.2. Động lực học theo chiều dọc của bánh xe và mặt đường
Chuyển động của xe trên mặt đất có được là nhờ lực ma sát của mặt đường tác
động lên bánh xe. Vì vậy, mô hình ma sát bánh xe là rất cần thiết để mô tả động học
của xe, phục vụ công tác mô phỏng, phân tích và điều khiển chuyển động của xe.
Việc phân tích lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường sẽ giúp chúng ta hiểu sâu hơn
về đặc điểm động học của xe, qua đó cải thiện được chất lượng điều khiển của xe.
Nhiệm vụ chính của mô hình ma sát bánh xe/mặt đường là xác định được mối quan
hệ giữa lực ma sát và độ trượt theo chiều dọc, chiều ngang cũng như góc lái.
Ta xét trường hợp xe chuyển động trên một đoạn đường dốc như hình vẽ dưới đây.
14

Hình 2.1. Các lực tác dụng lên xe.
Theo định luật II Newton ta có:
mx = Fdf + Fdr − Faero − Frf − Frr − Mg sin(α) (2.1)
&&
Trong đó:
- F
df là lực ma sát trượt ở bánh trước.
- Fdr là lực ma sát trượt ở bánh sau.
- Faero là lực cản khí động học.
- Frf là lực ma sát lăn ở bánh trước.
- Frr là lực ma sát lăn ở bánh sau.
- M là trọng lượng của xe.
- g là gia tốc của trọng lực.
- α là góc tạo bởi độ dốc và phương ngang (góc α được xác định theo
chiều dương của kim đồng hồ khi xe chuyển động theo chiều x về
phía trái và được xác định theo chiều ngược chiều dương của kim
đồng hồ khi xe chuyển động theo chiều x về phía phải) .
2.2.1. Lực cản khí động học
Trong lúc xe chạy trên đường thì lực cản không khí tác động lên phụ thuộc
vào tốc độ của xe. Khi vận tốc của xe càng lớn thì lực cản của không khí
càng tăng và ngược lại. Mối quan hệ giữa lực cản không khí và vận tốc của
xe được tính xấp xỉ theo công thức:
15

F =
1
ρC A (V
x
+ V
win d
)2
(2.2)
aero
2 d F
Trong đó:
- ρ là mật độ không khí – thường được chọn bằng 1,225kgm-3
- Cd là hệ số cản gió – thường được chọn bằng 0,3; tuy nhiên với
những xe được thiết kế tốt Cd có thể giảm tới 0,19 [13].
- AF là diện tích mặt trước của xe. Với khối lượng hành khách từ 800
– 2000 (kg) thì AF được tính theo công thức:
Af =1.6 + 0.00056(m − 765) (2.3)
- Vx =
&
là vận tốc theo chiều dọc của xe.
x
- Vwind là vận tốc của gió (m/s).
2.2.2. Lực ma sát trượt.
Lực ma sát trượt Fxf và Fxr sinh ra do mặt đất tác động lên bánh xe. Lực ma
sát trượt phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Phản lực tác dụng lên mỗi bánh
- Hệ số ma sát trượt giữa bánh xe và mặt đường.
- Tỷ số trượt.
Lực ma sát trượt được tính theo công thức:
Fdf = µ. Nxf (2.4)
Fdr = µ. Nxr (2.5)
Trong đó:
• µ là hệ số ma sát trượt.
• Nxf và Nxr là phản lực tác dụng lên bánh trước và bánh sau.
Lực ma sát trượt có thể coi là lực đóng vai trò phát động chuyển động của xe. Trên
thực tế, µ không cố định mà phụ thuộc vào điều kiện mặt đường, chất lượng và loại
lốp xe. Điều này làm cho lực ma sát không đủ lớn trên những điều kiện mặt đường
nhất định. Lúc này nếu vẫn duy trì tốc độ như cũ, xe sẽ gặp phải những vấn đề
nghiêm trọng, làm xe bị mất lái, lao theo quỹ đạo không mong muốn.
Quan hệ giữa hệ số ma sát trượt và tỷ số trượt:
16

Trên thực tế, khi xe tăng tốc, do quán tính của bánh xe nhỏ hơn nhiều so với
quán tính của thân xe cho nên nếu lực ma sát không đủ, bánh xe sẽ có gia
tốc lớn hơn gia tốc của thân xe, làm cho vận tốc của bánh xe Vω tăng nhanh
trong khi vận tốc dài V của xe tăng chậm hơn. Khi đó, bánh xe gọi là bị trượt
trên mặt đường. Điều tương tự cũng xảy ra khi xe giảm tốc.
Để đánh giá mức độ trượt, người ta đưa ra khái niệm hệ số trượt xác định bởi:
λ=
V
ω
−V
(2.6)
V
ω
Với: Vω = r ω ;effw reff là bán kính bánh xe, ωw là vận tốc góc.
Hệ số λ càng lớn thì hiện tượng trượt của bánh xe xảy ra càng mạnh. Điều này
gây ra những hiện tượng nguy hiểm như xe bị mất lái, xe bị lắc khi rẽ,… Ngược
lại, độ lớn của λ thường được giữ càng nhỏ càng tốt. Khi λ = 0 thì sự trượt không
xảy ra, bánh xe bám hoàn toàn với mặt đường, nhưng điều này rất khó thực
hiện. Vì vậy thông thường, giá trị của λ được giữ đủ nhỏ ví dụ trong khoảng 0,1
được coi là điểm làm việc tối ưu trên điều kiện mặt đường nhựa khô [7].
Tuy nhiên, mối quan hệ giữa hệ số trượt λ và hệ số ma sát trượt µ biến thiên
rất lớn theo điều kiện mặt đường như hình dưới đây.
17

Hình 2.2. Quan hệ µ – λ trên các điều kiện mặt đường khác nhau
Bằng thực nghiệm, người ta đã xây dựng được đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của
hệ số ma sát trượt vào điều kiện mặt đường và hệ số trượt λ như hình dưới đây.
Quan hệ µ-λ như hình dưới đây được xây dựng từ thực nghiệm theo công thức xấp xỉ:
µ= −1,05k(e−45λ
− e−0,45λ
) (2.7)
µ= 1,1k(e35λ
− e0,35λ
) (2.8)
Trong đó, phương trình (2.7) và (2.8) lần lượt tương ứng với trường hợp xe tăng
tốc và giảm tốc, k là hệ số bám đặc trưng cho điều kiện mặt đường, các hệ số k
tương ứng với các điều kiện mặt đường khác nhau được cho trong bảng 2.1:
Bảng 2.1. Giá trị tham số k của một số loại mặt đường
k Điều kiện mặt đường
1Đường nhựa
0,7Đường sỏi
0,5Đường ướt
0,2Đường băng tuyết
Các đường cong quan hệ µ-λ tương ứng với các điều kiện mặt đường khác nhau đều có
2 đoạn tuyến tính tăng và giảm, chỉ khác nhau về độ nghiêng. Các nghiên cứu chỉ ra
18

rằng, vùng điều khiển chuyển động tối ưu là vùng có λ nhỏ tương ứng với
vùng tuyến tính tăng (λ = 0,02 ÷ 0,15) trong đặc tính µ-λ
Hình 2.3. Quan hệ µ – λ theo công thức thực nghiệm.
Hình trên cũng cho thấy, khi xe chạy trên đường nhựa, hệ số ma sát trượt µ,
và do đó, lực ma sát trượt lớn, làm cho bánh xe bám tốt vào mặt đường. Tuy
nhiên, ở đường băng, hệ số ma sát nhỏ hơn nhiều. Nếu ta vẫn giữ gia tốc
như cũ, nghĩa là mô men lớn trong khi lực ma sát nhỏ thì bánh xe sẽ có gia
tốc lớn trong khi xe có gia tốc nhỏ. Điều này làm cho hệ số trượt λ tăng vượt
ra ngoài khoảng an toàn, gây ra sự trượt cho bánh xe.
Trên đoạn đặc tính giảm, nếu λ tăng thì hệ số ma sát hay lực ma sát Fd càng nhỏ.
Tương tự như trên mômen nếu vẫn được giữ không đổi sẽ làm tăng giá trị λ
và cứ như vậy Fd lại càng nhỏ hơn nữa. Đến khi λ =1, thì bánh xe bị trượt
hoàn toàn trên mặt đường, điều này gây mất an toàn cho xe.
2.2.3. Lực ma sát lăn
Khi bánh xe lăn trên mặt đường thì cả bánh xe và mặt đường là hai đối tượng bị biến
dạng. Tuy nhiên mặt đường cứng hơn và sự biến dạng đó có thể bỏ qua. Nhưng bánh
xe làm bằng cao su và sự biến dạng đó phải được tính tới. Các biến dạng này gây ra
19

một lực cản tác động lên chuyển động quay của xe đó là lực ma sát lăn. Lực
ma sát lăn được tính theo công thức:
Frf = f . Nrf (2.9)
Frr = f . Nrr (2.10)
Trong đó:
- f là hệ số ma sát lăn.
- Nrf và Nrr là phản lực mặt đường đặt lên bánh trước và bánh sau. Hệ số
ma sát lăn f phụ thuộc vào điều kiện mặt đường, chất liệu làm lốp xe và
thường được chọn bằng 0,02 đến 0,04. Tuy nhiên với lốp xe được chế tạo
đặc biệt dành cho xe điện, f có thể được giảm xuống còn 0,015[13].
2.3. Mô hình xe điện theo chiều dọc
Để xây dựng mô hình động học của xe ta thường dùng mô hình xe quy về
một bánh đơn giản như hình vẽ sau.
Hình 2.4. Mô hình xe quy về một bánh[8]
Trong đó:
- Jω là mô men quán tính của bánh xe quy đổi về trục bánh xe
- Vw là vận tốc dài của bánh xe; V là vận tốc dài của xe.
- ω là vận tốc góc của bánh xe
- Tm là moment tác động lên trục bánh xe
- r là bán kính bánh xe.
- Fd là lực ma sát trượt, Fr là lực ma sát lăn.
20

- M là khối lượng của xe.
- V là vận tốc dài của xe.
- λ là tỷ số trượt.
- µ là hệ số ma sát trượt.
- N là phản lực của mặt đường tác dụng lên bánh xe tại điểm tiếp xúc.
Ta có các phương trình mô tả chuyển động của xe và bánh xe theo
chiều dọc + Phương trình động học của bánh xe:
Jwω&= Tm − r(Fd + Fr )
+ Phương trình động học của khung xe:
M.V
&
= Fd − Faero
+ Phương trình quan hệ vận tốc bánh xe:
Vw = rω
+ Lực lái tác động lên bánh xe:
Fd (λ) = µN
Chuyển các phương trình trên sang miền ảnh Laplace ta có:
Jw .ω.s = T – r.(Fd + Fr)
M.V.s = Fd –Faero
Vw = r.ω
Fd(λ) = µ.N
Suy ra:
như sau:
(2.11)
(2.12)
(2.13)
(2.14)
(2.15)
(2.16)
(2.17)
(2.18)
T − r.( F + F )
ω= m d r
V=
F
d
− F
aero
M .s
Vw = r.ω
Fd(λ) = µ.N
Mặt khác ta có:
Fr = f.N
(2.19)
(2.20)
(2.21)
(2.22)
(2.23)
21

F =
1
ρC A (V +V )2
aero
2 d F xwin d
(2.24)
Từ các công thức trên ta xây dựng được mô hình của xe theo chiều dọc bằng
các khối trong Matlab như sau:
Hình 2.5. Mô hình của xe theo chiều dọc.
2.4. Mô hình ma sát bên của bánh xe và mặt đường
2.4.1. Giới thiệu chung.
Mô hình động lực học bên của xe đã được nghiên cứu từ những năm 1950.
Người ta thấy rằng, với giả thiết điều kiện ma sát giữa bánh xe và mặt đường là
biết trước và tải trọng của xe là không đổi, lực bên tác động lên bánh xe ban đầu
sẽ tăng lên với góc lái nhỏ và sau đó sẽ bão hòa. Ở mọi góc lái nhỏ thì lực bên
sẽ tỷ lệ thuận với góc lái và tỷ lệ không đổi này được gọi là hệ số cứng góc. Nói
chung, lực tác động vào bánh xe tăng tỷ lệ hệ số ma sát bánh xe/mặt đường ở
một giá trị hệ số cứng góc cho trước ( trừ trường hợp góc lái rất nhỏ ).
Trong hai thập kỷ lại đây, một số mô hình ma sát bên giữa bánh xe và mặt đường đã
được đề xuất để luận giải sự độc lập giữa ma sát bên mặt đường/bánh xe và ma sát
theo chiều dọc mặt đường/bánh xe. Các mô hình này làm đơn giản hóa rất nhiều cho
22

vấn đề thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống lái của xe. Mô hình thông dụng
nhất đó là mô hình 4 bánh của xe như hình vẽ:
Hình 2.6. Mô hình 4 bánh của xe[14].
Điểm trọng tâm CG được chọn để biểu diễn tâm trọng lực của thân xe. Vận tốc của
tâm xe là v, A và B là kí hiệu ví trí bánh trước và bánh sau. Góc dẫn hướng ψ là góc
giới hạn bởi đường dẫn ( Guideline ) và trục dọc của xe ( trục AB ). Góc trượt β là
góc tính từ trục dọc của thân xe tới hướng của vận tốc xe. δf là góc lái của bánh
trước, δr là góc lái của bánh sau. Tỷ lệ lắc được biểu diễn bởi γ. ff và fr là lực tác
động lên bánh trước và bánh sau, cái mà vuông góc với hướng chuyển động của
bánh xe. fw là lực của gió tác động lên điểm trọng tâm khí động học của thân xe. Iw
là khoảng cách giữa CG và trọng tâm khí động học của thân xe. Ifs và Irs biểu diễn
khoảng cách từ sensor của bánh trước và bánh sau tới điểm trọng tâm CG. yf và yr
biểu diễn khoảng cách từ bánh trước và bánh sau tới đường dẫn.
23

2.4.2. Mô hình xe đạp ( Bicycle Model)
Năm 1956, Segel đã đưa ra mô hình của xe có 3 bậc tự do để miêu tả chuyển
động bên của xe, bao gồm vặn và lắc. Nếu bỏ qua chuyển động lắc thì ta sẽ
có một mô hình đơn giản hơn gọi là mô hình xe đạp ( Bicycle Model ). Như
vậy, mô hình xe đạp là mô hình có 2 bậc tự do. Hai bậc tự do ở đây là góc
trượt của xe (β) và độ lắc γ. Mô hình 4 bánh của xe được quy đổi về mô hình
2 bánh, với giả thiết rằng góc rẽ của 2 bánh trước là bằng nhau, và của 2
bánh sau cũng bằng nhau, bỏ qua bề ngang của xe và giả thiết rằng tốc độ
của xe là không đổi. Ta mô tả mô hình 2 bánh của xe như trên hình vẽ sau:
Hình 2.7. Mô hình 2 bánh của xe.
Trong đó, β là góc trượt của xe, γ là độ lắc, αf là góc trượt của bánh trước, αr
là góc trượt của bánh sau, δf là góc rẽ ở bánh trước, lf là khoảng cách từ tâm
xe tới bánh trước, lr là khoảng cách từ tâm xe tới bánh sau.
Áp dụng định luật II Newton, ta có phương trình động học theo trục y của xe:
may =Fyf +Fyr (2.25)
Trong đó, ay là gia tốc lực bên, Fyf là lực bên tác động vào bánh trước, Fyr là
lực bên tác động vào bánh sau.
&& γ (2.26)
a y =β+Vx
&
&& (2.27)
⇒ m(β+Vγ)=Fyf +Fyr
&
Phương trình mô men theo trục z:
Iz&&γ=lf Fyf -lr Fyr (2.28)
Trong đó, Iz là mô men quán tính của xe, lf là khoảng cách từ tâm xe tới trục
trước của xe, lr là khoảng cách từ tâm xe tới trục sau của xe. Xét riêng một
bánh như hình (2.8) ta có:
24

Góc trượt ở bánh trước:
αf =δ-θ vf (2.29)
Góc trượt ở bánh sau:
αr =-θvr (2.30)
Lực bên ở bánh trước:
Fyf =2Cαf (δ-θvf ) (2.31)
Hình 2.8. Góc trượt của bánh trước.
Lực bên ở bánh sau:
Fyr =2Cαr (-θvr ) (2.32)
Trong đó, Cαf và Cαr là hệ số cứng ở bánh trước và sau, δ là góc quay của
bánh trước, θvf và θvr là góc của vector vận tốc của bánh trước và bánh sau
so với phương dọc trục của xe.
Mặt khác ta có:
V +l γ
tan(θ vf )= y f
&
Vx
(2.33)
&
tan(θvr)=
V
y
-l
r
γ
Vx
25

&
Với việc xấp xỉ góc nhỏ và Vy =β , ta được:
&
=
β+lf γ&
θ
vf
Vx
(2.34)
& γ
β-lr
θ =
&
vr
Vx
Thay phương trình (3.39) vào (3.36) và (3.37), rồi sau đó lần lượt thay Fyf và
Fyr vào phương trình (3.32) và (3.33) ta được phương trình động lực học theo
trục y và phương trình mô men theo trục z.
&
γ&
&
γ&
&& δ- β+lf -β-lr
m(β+Vx γ)=2Cαf
+2C
αr
&
Vx Vx
&
γ&
&
γ&
δ- β+lf - β-lr
Iz γ=2lf Cαf -2lr
Cαr
&&
Vx Vx
Từ phương trình (3.36) và (3.37), ta lập không gian trạng thái:
dx
=Ax+Bu
dt
y=Cx+Du
Trong đó:
- Đầu vào:
u=δ
- Đầu ra:
& T
y= a
y γ
- Các trạng thái:
& γ&
T
x= β β γ
- Các ma trận A, B, C, D như sau:
(2.35)
(2.36)
(2.37)
(2.38)
(2.39)
(2.40)
26

0 1
2Cαf +2Cαr
0 -
mVx
A=
0
0
0 -
2l
f
C
αf
-2l
r
C
αr
IzVx
0
2C αf
m
B= 0
2lf Cαf
I
z
0 0
-Vx -
2l
f
C
αf
-2l
r
C
0 αr
mVx
0 1
2 2 C
αr
0 -
2l
fCαf +2lr
IzVx
(2.37)
(2.38)
2Cαf +2Cαr 2lf Cαf -2lrCαr
C= 0
- mV 0 - mV
x x
0 0 0 1
2Cαf
D= m
0
(2.39)
(2.40)
27

Chương 3: Các phương pháp điều khiển chuyển động xe điện
CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
CHUYỂN ĐỘNG XE ĐIỆN
3.1. Giới thiệu chung
Lĩnh vực điều khiển chuyển động được thực hiện với 3 nhánh sau:
- Điều khiển chuyển động bám mặt đường (Traction Control). Nhánh nghiên cứu
này tập trung vào điều khiển chống trượt (Anti-Skid Control) và điều khiển tối ưu
tỉ số trượt (Optimal Skid-Ratio Control). Phương pháp cơ bản ban đầu được sử
dụng là điều khiển chống trượt tựa theo mô hình mẫu (Model Following Control-
MFC). Sau đó, những phương pháp tiên tiến hơn được sử dụng cho phép điều
khiển chuyển động của xe dựa trên ước lượng điều kiện mặt đường và có thể
xác định được độ trượt của xe mà không cần đo vận tốc dài (vận tốc khung xe).
- Điều khiển ổn định động học thân xe trên cơ sở quan sát các biến trạng
thái và quan sát nhiễu. Đó là các phương pháp tiên tiến sử dụng các khâu
quan sát mờ, bền vững để điều khiển những mômen lắc, vặn (Yaw, Pitch,
Roll) ảnh hưởng đến ổn định thân xe khi chuyển động.
- Điều khiển hệ thống lái. Các hệ thống lái, trợ lái sử dụng động cơ điện (Electric
Power Steering – EPS) được nghiên cứu nhằm đem lại cảm giác lái chân thực,
nâng cao chất lượng và độ an toàn cho xe điện.
Trong khuôn khổ đồ án này, học viên tập trung vào việc nghiên cứu các
phương pháp điều khiển chuyển động theo chiều dọc mà cụ thể là điều khiển
chống trượt cho xe điện.
3.2. Điều khiển chuyển động theo chiều dọc
Điều khiển chuyển động theo chiều dọc chính là điều khiển bám mặt đường. Nhiệm vụ
của điều khiển bám mặt đường là loại bỏ hiện tượng bánh xe trượt trên mặt đường trọng
khi xe chạy. Có nhiều phương pháp nghiên cứu được đề xuất nhưng 3 phương pháp tối
ưu nhất được sử dụng đó là điều khiển chống trượt bằng phương pháp mô hình mẫu
MFC (Model Following Control), điều khiển tối ưu tỷ số trượt (Optimal
28

Skid-Ratio Control), điều khiển bằng phương pháp ước lượng moment cực
đại(Maximum Effective Torque Estimator)
3.2.1 Điều khiển chống trượt bằng phương pháp mô hình mẫu MFC (Model
Following Control)
Trong quá trình xe chạy, lực ma sát lăn và lực cản khí động học là rất nhỏ và
so với lực ma sát trượt. Vì vậy ta có thể bỏ qua. Khi đó, ta có các phương
trình mô tả chuyển động của xe và bánh xe theo chiều dọc như sau:
+ Phương trình động học của bánh xe:
Jwω&= Tm − r.Fd
M.
&
= V Fd
Vw = rω
+ Lực lái tác động lên bánh xe
Fd (λ) = µN
Chuyển các phương trình trên sang miền ảnh Laplace ta có:
Jw.ω.s = T – r.Fd
M.V.s = Fd
Vw = r.ω
Fd(λ) = µ.N
Từ phương trình (3.5) ta có:
T = Jw .ω.s + r.Fd
Mặt khác:
(3.1)
(3.2)
(3.3)
(3.4)
(3.5)
(3.6)
(3.7)
(3.8)
(3.9)
λ=Vw −V (3.10)
Vw
Ö V = Vw (1 − λ) (3.11)
Thay phương trình (3.7) vào phương trình (3.11) ta được
V = r.ω (1 – λ) (3.12)
29

Thay phương trình (3.12) vào phương trình (3.6) :
Fd = M.s. r.ω (1 – λ)
Thay phương trình (3.13) vào phương trình (3.9):
T = Jw.ω.s + r2
.M.s.ω (1 – λ)
Ö T = ω.s.( Jw + r2
.M.(1 – λ))
Do đó:
ω 1
G(s) =
T =
(Jw + r2
.M .(1 − λ)).s
Công thức (3.15) chính là mô hình hàm truyền đạt của xe theo chiều dọc.
(3.13)
(3.14)
(3.15)
Ta xem mô hình của xe theo chiều dọc là một hệ thống quán tính với moment
quán tính tương đương:
J = Jw + r2
.M.(1 – λ) (3.16)
Khi đó, mô hình hàm truyền đạt của xe chính là mô hình khâu quán tính bậc nhất:
G(s) =
1
(3.17)
J .s
Nhận xét: Khi xe bị trượt hay hệ số λ tăng, mômen J giảm đi hay nói cách khác
xe dường như nhẹ hơn. Vì vậy, hiện tượng trượt có thể được coi như hiện tượng
mômen quán tính của xe bị giảm.
Trong trường hợp lý tưởng xe không bị trượt, khi đó λ = 0. Như vậy, moment
quán tính tương đương trong trường hợp xe không bị trượt là:
Jmodel = Jw + r2
.M (3.18)
Ta có mô hình mẫu:
Gmodel (s) =
1
(3.19)
J
model.
s
Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển theo mô hình mẫu như sau:
30

Hình 3.1. Sơ đồ khối phương pháp điều khiển chống trượt theo mô hình mẫu(MFC)
Trong mô hình của xe theo chiều dọc ta xem moment của trục động cơ Tm là
biến vào điều khiển, vận tốc góc ω của bánh xe là biến ra cần điều khiển. Ta thay
đổi tốc độ động cơ cũng như điều khiển chống trượt bằng cách thay đổi độ lớn
của moment Tm. Mặt khác, moment đầu trục động cơ Tm lại phụ thuộc tuyến tính
vào dòng điện chảy trong đông cơ. Vì vậy, để điều chỉnh moment Tm, ta thực
hiện việc điều khiển dòng điện I của động cơ phát động. Giá trị đặt của dòng điện
I chảy trong động cơ chính là dòng điện Icom tỷ lệ với góc của Pedal (chân ga).
Khi không xảy ra hiện tượng trượt thì J = Jmodel , do đó sai lệch giữa vận tốc góc
của mô hình thực so với vận tốc góc của mô hình mẫu bằng 0 và bộ điều khiển MFC
không sinh ta tín hiệu phản hổi Ifeedback. Nếu bánh xe bị trượt thì vận tốc góc ω thực
tế của bánh xe tăng đột ngột trong khi vận tốc góc của mô hình mẫu ωmodel không
tăng. Vì vậy, tạo ra sai lệch tốc độ và qua hệ số MFC gain sẽ sinh ra dòng điện phàn
hổi Ifeedback. Dòng điện Ifeedback có tác dụng làm giảm giá trị đặt của dòng điện Icom
và do đó làm giảm moment lái Tm, giúp xe bám mặt đường trở lại.
31

3.2.2 Điều khiển tối ưu tỷ số trượt ( Optimal Skid-Ratio Control )
Phương pháp điều khiển chuyển động theo mô hình mẫu (MFC) đã mang lại
hiệu quả khá tốt trong việc cải thiện độ bám mặt đường. Tuy nhiên, nếu
chúng ta muốn độ chính xác cao hơn trong việc giới hạn tỷ số trượt trong
phạm vi cho phép thì ta cần các phương pháp điều khiển tốt hơn. Một trong
những phương pháp hiệu quả nhất hiện nay là phương pháp điều khiển tối
ưu tỷ số trượt ( Optimal Skid-Ratio Control ) trên cơ sở ước lượng điều kiện
mặt đường. Sơ đồ khối của phương pháp được thể hiện bởi hình vẽ sau:
Icom I MOTOR Tm VEHICLE Vw
V
Islip SLIP RATIO
CONTROLLER
λopt
ROAD CONDITION
ESTIMATOR
Hình 3.2. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt
Ứng với mỗi loại đường khác nhau thì giá trị của tỷ số trượt tối ưu chính là
điểm mà tại đó hệ số ma sát trượt đạt giá trị lớn nhất µmax (hình vẽ). Giá trị tỷ
số trượt tối ưu thường nằm trong khoảng từ 0,05 đến 0,2[15].
32

Hình 5.1. Tỷ số trượt tối ưu trên đường cong quan hệ µ-λ[15]
Tỷ số trượt tối ưu λopt được quyết định bởi bộ ước lượng điều kiện mặt đường ( Road
Condition Estimator ).Tỷ số trượt tối ưu λopt chính là giá trị đặt cho bộ điều khiển tỷ số
trượt (Slip ratio Controller). Tỷ số trượt thực tế được tính toán thông qua việc xác định
vận tốc V của xe và vận tốc Vw của bánh xe. Tỷ số trượt được tính theo công thức:
λ=
V
ω
−V
(3.20)
V
ω
Tỷ số trượt thực tế cũng được phản hồi về bộ điều khiển tỷ số trượt. Đầu vào
của bộ điều khiển tối ưu tỷ số trượt chính là sai lệch giữa tỷ số trượt thực λ và tỷ
số trượt tối ưu λopt. Bộ điều khiển tối ưu tỷ số trượt có nhiệm vụ triệt tiêu sai lệch
này, tức là chống lại hiện tượng trượt của xe. Đầu ra của bộ điều khiển này là giá
trị dòng điện Islip để bù vào hoặc giảm bớt giá trị dòng điện đặt Icom (tỷ lệ với góc
lái của vô lăng). Lúc này, ta được dòng điện I chính là dòng điện tối ưu đặt vào
động cơ để động cơ đạt được moment quay phù hợp chống lại hiện tượng trượt.
3.2.2.1. Mô hình của xe.
Chúng ta giả thiết rằng moment của động cơ cũng như lực ma sát tác dụng lên hai
bánh là bằng nhau, và lực ma sát lăn cùng với lực cản khí động học là đủ nhỏ (có
thể bỏ qua được). Khi đó, ta có mô hình của xe qui về một bánh như hình vẽ sau:
33

Hình 3.3.Mô hình xe quy về một bánh[8].
Các phương trình mô tả xe và bánh xe được mô tả bằng các công thức sau:
(F − F ) 1 =V
m d M ws w
1
=V
(3.21)
F
d
Ms
Trong đó:
- Fm: Lực do động cơ sinh ra.
- Fd: Lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường.
- Mw , Vw : Trọng lượng và vận tốc bánh xe
- M, V: Trọng lượng và vận tốc của xe
Như ta đã biết, lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường được tính theo công thức:
Fd = Nµ(λ) (3.22)
Với: N = P = M.g là phản lực mặt đường tác dụng lên bánh xe. Phản lực N
chính bằng trọng lực P của xe.
Mặt khác: Hệ số trượt λ được tính công thức:
λ=
V
ω
−V
(3.23)
V
ω
Đạo hàm 2 vế của phương trình trên và thay ký hiệu đạo hàm bằng số gia ∆ ta có:
∆λ=
∂λ
∆V +
∂λ
∆Vw
∂λ ∂Vw (3.24)
1
∆V+ V0
= − ∆V
V
w0 V2 w0 w
34

Trong đó: Vw0 và V0 là vận tốc bánh xe và vận tốc của xe tại điểm làm việc.
Hệ số ma sát được tính theo công thức xấp xỉ:
∆µ= a∆λ (3.25)
Với a là hệ số góc của tiếp tuyến với đường cong µ-λ tại điểm làm việc.
Hình 3.4. Hệ số góc a[8].
Từ hệ phương trình (3.21) suy ra:
1
∆V
w
= (∆F
m
− ∆F
d
)
M w.s
1
∆V = ∆F
d M .s
Thay hệ phương trình (3.25) vào phương trình (3.24) ta có:
∆λ= −
1
.∆F
1
+
V
0 .(∆F −∆F)
1
.s
V d M.s V2
m d M
w0 w0 w
Mặt khác: ∆Fd = ∆µ(λ).N = a.∆λ.N
Thay (3.27) vào (3.26) ta có:
∆λ= −
1
.
1
.a.∆λ.N +
V
0 .(∆F − a.∆λ.N)
1
.s
V M.s V2 m M
w0 w0 w
Ö ∆λ(1+
1
.
1
.a.N +
V
0 . 1 .a.N) =
V0
.
1
.∆F
V M.s V2 M .s V2 M .s m
w 0 w 0 w w 0 w
(3.25)
(3.26)
(3.27)
(3.28)
(3.29)
(3.30)
35

V 2
.M.M.s + V .M .a.N + V .M .a.N
=
V 1
.∆F
Ö ∆λ. w0 w w0 w 0 0
.
Vw
2
0 .M .M w .s V 2
w0 M w.s m
Ö
∆λ
=
V0.M
(3.31)
∆F
m
N.a.(V
w0
M
w
+V .M)+V2
.M .M .s
0 w0 w
Từ đó ta tính ra được hàm truyền đạt biểu diễn quan hệ giữa sự thay đổi của
moment động cơ và sự thay đổi của hệ số trượt như sau:
S(s) = ∆λ=1. M.(1− λ) .
1
1
∆F N.a Mw + M (1− λ) + τ.s
m s
Trong đó, hằng số thời gian τs được tính theo công thức:
τ
s =
1
.
M.Mw .Vw0
N .a Mw + M (1− λ)
Đặt :
K
s
=
1
. M.(1 − λ)
N.a Mw + M (1 − λ)
Ta có hàm truyền đạt của đối tượng lúc này trở thành:
S(s) =
Ks
1+ τ .s
s
(3.32)
(3.33)
(3.34)
(3.35)
Trong các thí nghiệm đã được kiểm chứng thì giá trị của τ nằm trong khoảng 150
đến 200 [ms] khi a = 1 và vận tốc của xe là vào khoảng 10[km/h]. Ta chọn:λs = 0,2.
3.2.2.2. Thiết kế bộ điều khiển tối ưu tỷ số trượt.
Chúng ta sử dụng bộ điều khiển kiểu PI cho bộ điều khiển chống trượt. Bộ
điều khiển kiểu PI có mô hình hàm truyền đạt là:
C (s ) = K .(1+
1
) (3.36)
τ.s
Trong đó:
• τ :Hệ số tích phân.
• K: Hệ số khuếch đại. K tỷ lệ với vận tốc của xe.
Ta xác định K và τ theo phương pháp là phương pháp module tối ưu.
Theo phương pháp module tối ưu ta có:
36

K =
1
2.K.τ
s s
(3.37)
τ =τs = 0,2.
Nhận xét: Trong quá trình xe chạy thì tỷ số trượt λ thay đổi làm cho hệ số Ks
cũng thay đổi theo, dẫn tới hệ số K của bộ điều khiển cũng thay đổi. Bộ điều
khiển tìm được chính là một bộ điều khiển tối ưu thích nghi.
3.2.2.3. Ước lượng điều kiện mặt đường.
Sau khi đã thiết kế được bộ điều khiển tối ưu tỷ số trượt thì vấn đề còn lại là phải
làm sao có được tỷ số trượt tối ưu λopt để làm giá trị đặt cho bộ điều khiển đó. Bộ
ước lượng điều kiện mặt đường giúp ta làm được điều này. Như ta đã phân tích
ở trên, mối quan hệ giữa tỷ số trượt λ và hệ số ma sát trượt µ được thể hiện bởi
đường cong µ- λ. Tuy nhiên, với các điều kiện mặt đường khác nhau thì ta có
các đường cong cũng khác nhau. Vì vậy, việc ước lượng điều kiện mặt đường là
rất quan trọng để có được giá trị tỷ số trượt tối ưu λopt.
Hình 3.5. Đường cong quan hệ µ-λ với các điều kiện mặt đường khác nhau.
Để biết được điều kiện mặt đường, ta đi ước lượng hệ số ma sát trượt µ. Giá trị của
hệ số ma sát trượt và tỷ số trượt tại mỗi thời điểm đều có thể tính được. Nếu ta đo
được trực tiếp vận tốc của xe thì hệ số ma sát trượt µ được tính theo công thức:
µ=M dV (3.38)
N dt
37

Còn trong trường hợp không đo được vận tốc của xe thì hệ số ma sát trượt µ
được tính theo công thức sau:
µ=
1
− M w
dV
(3.39)
F
m
w
N dt
Chúng ta có thể sử dụng cả hai phương pháp này để ước lượng hệ số ma sát trượt µ.
Tỷ số trượt hiện thời của xe được tính theo công thức:
λ=
V
ω
−V
(3.40)
V
ω
Đầu vào của bộ ước lượng điều kiện mặt đường chính là hệ số ma sát trượt
µ và tỷ số trượt λ, còn đầu ra là tỷ số trượt tối ưu. Giả sử ta đã biết được đặc
tính của đường cong µ-λ của các loại đường nhựa (Asphalt), cát sỏi (Gravel)
và nước (Water). Tỷ số trượt tối ưu λopt được tính theo công thức:
λ
µ.λ + µ .λ + µ .λ
= A
optA G optG W optW
(3.41)
opt µ + µ + µ
A G W
Trong đó:
• µA, µG,µW là giá trị thể hiện sự phụ thuộc của điểm (µ,λ) với các loại
đường nhựa (Asphalt), đường cát sỏi (Gravel) và đường có nước (Water).
• λoptA, λoptG,λoptW là tỷ số trượt tối ưu tương ứng với các loại mặt đường trên. Bằng
thực nghiệm ta xác định được: λoptDA = 0,09; λoptG = 0,14; λoptW = 0,21[15]
38

Hình 3.6. Giới hạn để phân loại các loại mặt đường khác nhau[15].
3.2.3 Điều khiển chuyển động bằng phương pháp ước lượng moment cực đại
(Maximum Effective Torque Estimation - METE)
Nếu coi lực ma sát lăn và lực cản khí động học là vô cùng nhỏ và có thể bỏ
qua được thì ta có các phương trình mô tả động học của xe và bánh xe là:
+ Phương trình động học của bánh xe:
Jwω= Tm − rFd (3.42)
&
M.V
&
= Fd (3.43)
Vw = rω (3.44)
+ Lực lái tác động lên bánh xe
Fd (λ) = µN (3.45)
Từ các phương trình trên ta rút ra được công thức tính vận tốc thân xe từ vận
tốc bánh xe như sau:
. rT − J V
&
V = w w (3.46)
r 2
M
Phương trình trên chỉ ra rằng, khi ta giữ cho moment Tm sinh ra trên trục động cơ ở
một giá trị cố định thì gia tốc bánh xe càng tăng, gia tốc thân xe càng giảm. Khi hiện
tượng trượt xảy ra thì gia tốc bánh xe lớn hơn so với gia tốc thân xe và độ sai lệch
giữa gia tốc bánh xe so với gia tốc thân xe càng tăng lên. Khi không xảy ra hiện
tượng trượt thì độ sai lệch này gần như bằng 0. Vì vậy, điều kiện để không xảy ra
hiện tượng trượt đó là gia tốc bánh xe gần như bằng gia tốc thân xe.
Từ phương trình (3.46) ta có công thức ước lượng vận tốc thân xe từ vận tốc
bánh xe như sau:
&
& rT − J V
(3.47)
w w
V
ˆ
=
r 2
M
39

Giả sử mối quan hệ giữa gia tốc bánh xe và gia tốc thân xe được biểu diễn
bởi công thức:
& &
(3.48)
V =αVw
Khi đó, ta có thể ước lượng được moment cần sinh ra trên trục động cơ theo
công thức sau:
T =
J
w
max α.
r
ˆ (3.49)
+ r. M V
&
Giá trị Tmax này chính là giá trị ước lượng được sau khi ta tính được vận tốc thân xe
ước lượng. Tuy nhiên, trong quá trình lái thì người lái thông qua chân ga cũng tạo ra
một lệnh đặt moment lên trục động cơ. Moment này được gọi là T*
. Moment đặt và
moment ước lượng là có sự sai khác với nhau. Khi xe chạy trên đường bình thường
và không xảy ra hiện tượng trượt thì Tmax nhỏ hơn T*
và ta sử dụng T *
làm tín hiệu
vào cho mô hình điều khiển xe. Khi xảy ra hiện tượng trượt thì Tmax sẽ lớn hơn so
với T*
. Khi đó, giá trị ước lượng Tmax được dùng để làm tín hiệu vào. Ta có mô hình
của phương pháp ước lượng moment cực đại như sau:
Hình 3.7. Sơ đồ khối phương pháp ước lượng moment cực đại (METE).
40

Chương 4: Mô hình hóa, mô phỏng điều khiển chuyển động xe
điện bằng Matlab/Simulink
CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN
CHUYỂN ĐỘNG XE ĐIỆN BẰNG MATLAB/SIMULINK
4.1. Mô hình xe điện trong Simulink
Như đã phân tích ở chương II, các phương trình mô tả các lực tác dụng lên
xe và vận tốc của xe điện là:
ω=
T
m
− r.( F
d
+ F
r
)
Jw.s
V =
F
d
− F
aero
M .s
Vw = r.ω
Fd(λ) = µ.N
Fr = f.N
Faero =
1
2 ρCd AF (Vx + Vwin d )2
Từ các công thức trên ta xây dựng được mô hình của xe điện trong môi trường
Simulink như sau:
Hình 4.1. Mô hình xe điện trong Matlab/Simulink
41

Trong mô hình trên, các khối tính toán tỷ số trượt (Slip Ratio), lực cản khí
động học (Faero) và lực ma sát lăn được xây dựng bằng các khối Subsystem,
đường cong quan hệ µ-λ được thể hiện bằng bảng giá trị lookup Table.
4.1.1. Khối tính toán tỷ số trượt (Slip Ratio)
Theo công thức (2.6) ta có:
V − V
λ= ω
Vì vậy, khối tính toán tỷ số trượt có 2 đầu vào đó là tốc độ bánh xe Vω và tốc độ thực
của xe V. Tín hiệu đầu ra chính là tỷ số trượt λ. Ta sử dụng một bộ tính toán trong
Simulink để diễn tả công thức trên. Sơ đồ khối tính toán tỷ số trượt trong Simulink:
Hình 4.2. Khối tính toán tỷ số trượt.
4.1.2. Khối tính toán lực cản khí động học (Faero )
Như đã phân tích ở chương 2, lực cản khí động học được tính theo công thức (2.2):
Faero =
1
2 ρC d AF (Vx + Vwin d)2
Trong đó:
- ρ là mật độ không khí – thường được chọn bằng 1,225kgm-3
- Cd là hệ số cản gió – thường được chọn bằng 0,3; tuy nhiên với
những xe được thiết kế tốt Cd có thể giảm tới 0,19.
- AF là diện tích mặt trước của xe. Với khối lượng hành khách từ 800
– 2000 (kg) thì AF được tính theo công thức:
Af = 1.6 + 0.00056(M − 765)
- Vx = x& là vận tốc theo chiều dọc của xe.
42

- Vwind là vận tốc của gió (m/s).
Trong trường hợp xe chạy nhanh thì vận tốc của xe lớn hơn nhiều so với
vận tốc của gió, ta có thể bỏ qua vận tốc của gió. Lúc này, lực cản khí động
học được xấp xỉ theo công thức sau:
Faero = Kv.V2
Với:
K =
1
.ρ.Cd.A
F
v 2
Ö Kv = 0,234.
Để xây dựng khối tính toán lực cản khí động học ta sử dụng khối Subsystem có
1 đầu vào là vận tốc V của xe, đầu ra chính là lực cản khí động học Faero. Sơ đồ
khối khối tính toán lực cản khí động học trong môi trường Simulink như sau:
Hình 4.3. Khối tính toán lực cản khí động học.
4.1.3. Khối tính toán lực ma sát lăn (Fr)
Lực ma sát lăn được tính theo công thức:
Fr = f . Nr
Trong đó:
• f là hệ số ma sát lăn. Hệ số ma sát lăn f phụ thuộc vào điều kiện mặt
đường, chất liệu làm lốp xe và thường được chọn bằng 0,02 đến
0,04. Tuy nhiên với lốp xe được chế tạo đặc biệt dành cho xe điện, f
có thể được giảm xuống còn 0,015.
• Nr là phản lực của mặt đường tác dụng lên bánh xe.
Nr = Mw.g
Với Mw là khối lượng bánh xe.
Khối tính toán lực ma sát lăn được xây dựng trong môi trường Simulink như sau:
43

Hình 4.4. Khối tính toán lực ma sát lăn.
4.1.4. Khối tạo đường congquan hệ µ-λ.
Trên thực tế, đường cong quan hệ µ-λ tùy thuộc từng loại đường và xác định
bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, trong môi trường Matlab/Simulink ta xây dựng
đường đặc tính này bằng bảng Lookup Table với các giá trị cho trước như sau:
Bảng 4.1 Bảng tham số µ = f(λ)
Tỷ số trượt(λ) Hệ số ma sát
0 0
0,025 0,25
0,05 0.38
0,075 0,44
0,1 0,45
0,125 0,44
0,15 0,42
0,2 0,38
0,3 0,35
0,4 0,32
1,0 0,28
4.2. Xây dựng mô hình động cơ điện.
Với đề tài “Mô hình hóa, mô phỏng điều khiển chuyển động ô tô điện” thì trọng tâm là
các phương pháp điều khiển chuyển động của ô tô, vì vậy để cho đơn giản quá trình
mô phỏng, học viên lựa chọn động cơ điện sử dụng cho xe điện là loại động cơ một
44

chiều. Động cơ điện một chiều có mô hình chính là một khâu quán tính bậc
nhất với phương trình.
1
I =
Tmt .s +1
.I
com
Trong đó:
- I: Dòng điện chảy trong phần ứng động cơ.
- Icom: Dòng điện đặt vào động cơ.
- Tmt: Hằng số thời gian trễ.
Mặt khác, công suất đầu trục động cơ được tính theo công thức:
Tm = K.Φ.I
Từ các phương trình trên ta xây dựng được mô hình động cơ điện một chiều
trong môi trường Matlab/Simulink như sau:
Hình 4.5. Sơ đồ khối mô phỏng động cơ một chiều
Để thực hiện chương trình mô phỏng ta lựa chọn động cơ điện có các
thông số được cho như trong bảng 4.2[7]:
Bảng 4.2. Các thông số của động cơ điện một chiều.
Tham số Giá trị
Điện trở phần ứng 250 [mΩ]
Điện cảm phần ứng 4 [mH]
Hằng số động cơ 38.2
Từ thông danh định 0.04 [Wb]
Điện áp định mức 220[V]
Dòng điện định mức 400[A]
Công suất định mức 32[kW]
4.3. Kết quả mô phỏng mô hình động cơ, ô tô điện bằng Matlab/Simulink
Ta có sơ đồ khối ghép nối động cơ và mô hình ô tô điện trong phần mềm
Matlab/Simulink như sau:
45

Hình 4.6. Sơ đồ ghép nối động cơ và mô hình xe điện.
- Để mô phỏng mô hình ô tô điện cũng như các phương pháp điều khiển
chuyển động sau này ta sử dụng bộ tham số được khai báo trong file
Parameter.m như trong phần phụ lục 1 [PL1].
- Để vẽ các đường cong đáp ứng ta viết chương trình trong file
Figure_EV.m như trong phần phụ lục 2[PL2].
- Sau khi chạy chương trình mô phỏng ta thu được các đường cong đáp ứng như sau:
Hình 4.7. Vận tốc bánh xe và vận tốc xe
46

Chương 4: Mô hình hóa, mô phỏng điều khiển chuyển
động xe điện bằng Matlab/Simulink
Hình 4.8. Đáp ứng hệ số ma sát và tỷ số trượt
Hình 4.9. Đáp ứng lực cản khí động học
47

Hình 4.10. Đáp ứng moment đầu trục động cơ và moment cản tổng.
4.4. Mô phỏng phương pháp điều khiển chuyển động theo mô
hình mẫu (MFC)
Như ta phân tích ở chương III, mô hình của xe theo chiều dọc là một hệ
thống quán tính có hàm truyền đạt chính là một khâu quán tính bậc nhất:
G( s) =
1
J .s
Với : J = Jw +r2
.M.(1 – λ)
Trong trường hợp lý tưởng xe không bị trượt, khi đó λ = 0. Như vậy, moment
quán tính tương đương trong trường hợp xe không bị trượt là:
Jmodel = Jw +r2
.M
Ta có mô hình mẫu:
1
G
model
(s) =
Jmodel .s
48

Mô hình phương pháp điều khiển chuyển động theo mô hình mẫu MFC được
xây dựng trong Matlab/Simulink như sau:
Hình 4.11. Sơ đồ khối phương pháp điều khiển theo mô hình mẫu (MFC)
- Để thực hiện mô phỏng phương pháp điều khiển theo mô hình mẫu ta sử
dụng các thông số cho trong file Parameter.m [PL1].
Figure_MFC.m như trong phần phụ lục 3 [PL3].
49

Hình 4.12. Vận tốc bánh xe khi có và không có bộ điều khiển MFC.
Hình 4.13. Đáp ứng của dòng điện đặt Icom và dòng phản hồi Ifeedback
50

Hình 4.14. Đáp ứng tỷ số trượt lamda.
Nhận xét: Nhìn vào hình (4.12) ta thấy phương pháp điều khiển theo mô hình
mẫu đã phát huy tác dụng so với trường hợp không có điều khiển. Khi có sự sai
lệch về vận tốc góc thực tế so với vận tốc góc của mô hình mẫu thì lập tức sinh
ra dòng điện Islip (hình 4.14) và do đó làm giảm dòng điện đặt Icom. Nhờ đó mà
giảm được vận tốc bánh xe và giảm tỷ số trượt λ về mức cho phép. Tuy nhiên,
chất lượng của phương pháp điều khiển theo mô hình mẫu chưa cao do sự sai
lệch giữa vận tốc bánh xe và vận tốc của xe còn lớn.
4.5. Mô phỏng phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt (
Optimal Skid-Ratio Control)
Ta xây dựng sơ đồ khối của phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt trong phần mềm
Matlab/Simulink như sau:
51

Chương 4: Mô hình hóa, mô phỏng điều khiển
chuyển động xe điện bằng Matlab/Simulink
Hình 4.15. Sơ đồ khối phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt trong
Matlab/Simulink.
Trong sơ đồ trên ta đã sử dụng các khối chương trình con Subsystem như sau:
4.5.1. Khối EV Model và Motor Model.
- Sử dụng kết quả đã xây dựng ở mục 4.1 và 4.2
- Ngoài ra, để mô phỏng sự thay đổi của tỷ số trượt tối ưu ta sử dụng một giá trị
lamda_ref cộng với một bộ tạo xung. Sơ đồ khối cụ thể của khối này như sau:
Hình 4.16. Khối tạo optimal lamda
4.5.2. Khối xác định hệ số K của bộ điều khiển PI.
Hệ số K của bộ điều khiển tối ưu tỷ số trượt kiểu PI được xác định theo công thức:
K =
1
2.Ks .τs
Trong đó:
K s
=
1
. M.(1 −λ)
N .a Mw + M (1− λ)
52

Ta thực hiện cập nhập giá trị K của bộ điều khiển PI bằng khối
Adaptive K như sau:
Hình 4.17. Khối tính toán hệ số K
4.5.3. Khối tạo bộ điều khiển tối ưu tỷ số trượt.
Bộ điều khiển tối ưu tỷ số trượt kiểu PI có hàm truyền đạt:
C(s) = K.(1+
1
)
τ.s
Với :
K =
1
2.K .τ
s s
τ =τs = 0,2.
Sau khi tính được các hệ số K ta xây dựng các khối của bộ điều khiển như sau:
Hình 4.18. Bộ điều khiển tối ưu tỷ số trượt
53

4.5.4. Kết quả mô phỏng.
- Để thực hiện mô phỏng phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt ta sử
dụng các thông số cho trong file Parameter.m [PL1].
Figure_SRC.m như trong phần phụ lục 3[PL3].
Hình 4.20. Vận tốc góc bánh xe và thân xe
54

Hình 4.21. Tỷ số trượt thực tế so với tỷ số trượt tối ưu
Hình 4.22. Sự thay đổi của hệ số khuếch đại K của bộ điều khiển.
55

Nhận xét: Phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt đã mang lại hiệu quả rõ rệt trong
việc cải thiện độ bám đường cho ô tô. Nhìn vào hình (4.21) ta thấy, mỗi khi tỷ số trượt tối
ưu thay đổi thì tỷ số trượt thực tế cũng thay đổi theo và bám sát giá trị tỷ số trượt tối ưu.
Điều này có được là nhờ bộ điều khiển tối ưu tỷ số trượt liên tục cập nhập giá trị khuếch
đại K theo tỷ số trượt λ (hình 4.22). Bộ điều khiển tối ưu tỷ số trượt tìm được chính là bộ
điều khiển thích nghi. Tuy nhiên, bộ phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt có nhược
điểm là phải ước lượng được tỷ số trượt tối ưu trên các mặt đường khác nhau. Để làm
được điều này ta cần sử dụng bộ ước lượng tỷ số trượt tối ưu theo phương pháp điều
khiển mờ (được trình bày chi tiết trong chương 5).
56

4.6. Mô phỏng phương pháp ước lượng moment cực đại (METE)
Sơ đồ khối của phương pháp ước lượng moment cực đại được thể hiện trên hình 3.6.
Ta xây dựng các khối chức năng trong phần mềm Matlab/Simulink như sau:
Hình 4.23. Sơ đồ khối phương pháp ước lượng moment cực đại
(METE) Trong sơ đồ khối của phương pháp ước lượng moment cực đại
có các khối chương trình con Subsystem như sau:
4.6.1. Khối EV Model và Motor Model.
Sử dụng kết quả đã xây dựng ở mục 4.1 và 4.2
4.6.2. Khối ước lượng đạo hàm bậc 1 của V.
Theo công thức (3.47), ta có công thức ước lượng đạo hàm bậc 1 của vận
tốc thân xe là:
57

ˆ −
&
V& = rT
2
Jw
Vw
r M
Ta thực hiện biểu thức trên bằng khối Derivative_V trong Matlab/Simulink như sau:
Hình 4.24. Khối ước lượng đạo hàm bậc 1 của vận tốc V.
4.6.3. Khối tính toán moment ước lượng cực đại Tmax.
Moment ước lượng cực đại được tính theo công thức (3.49):
T
max
J w &ˆ
=
α.r
+ rM V
&
V
Trong đó : α= &
V
w
Ta thể hiện các biểu thức quan hệ nói trên trong Matlab/Simulink như sau:
58

Hình 4.25. Khối uớc luợng moment cực đại Tmax
Ngoài ra, trong sơ đồ khối của phương pháp METE ta còn sử dụng thêm khối Switch
trong thư viện của Simulink để lựa chọn tín hiệu moment phù hợp. Khối Switch này có
3 đầu vào lần lượt là: Moment đặt Tcom, tỷ số trượt λ và moment ước lượng
Tmax . Gọi λ*
là giá trị sao cho khi λ > λ*
thì xảy ra hiện tượng trượt. Khi đó, Tcom
> Tmax và để giảm hiện tượng trượt ta lấy Tmax làm giá trị đặt cho động cơ phát
động. Khi λ ≤ λ*
thì hiện tượng trượt không xảy ra và xe chạy bình thường, Lúc
này giá trị moment đặt Tcom (Tỷ lệ thuận với góc mở của chân ga) do người điều
khiển xe sinh ra sẽ được lấy làm giá trị đặt cho động cơ phát động.
4.6.4. Kết quả mô phỏng:
- Để thực hiện mô phỏng phương pháp điều khiển tối ước lượng moment
cực đại ta sử dụng các thông số cho trong file Parameter.m [PL1].
Figure_METE.m như trong phần phụ lục 4 [PL4].
59

Hình 4.26. Đáp ứng vận tốc của xe và bánh xe
Hình 4.27. Tỷ số trượt λ.
60

Hình 4.28. Moment đặt vào động cơ phát động
Nhận xét: Phương pháp ước lượng moment cực đại đã mang lại hiệu quả rõ rệt
trong việc cải thiện độ bám đường cho xe. Phương pháp này có ưu điểm là kết
quả của nó không phụ thuộc việc xe đang đi trên mặt đường nào. Vì vậy, trong
mọi loại đường, phương pháp này đều mang lại hiệu quả.
61

Mô hình hóa mô phỏng điều khiển chuyển động ô tô điện (1).doc

Mô hình hóa mô phỏng điều khiển chuyển động ô tô điện (1).doc

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Mô hình hóa mô phỏng điều khiển chuyển động ô tô điện (1).doc

Similar to Mô hình hóa mô phỏng điều khiển chuyển động ô tô điện (1).doc (20)

More from Dịch Vụ Viết Bài Trọn Gói ZALO 0917193864

More from Dịch Vụ Viết Bài Trọn Gói ZALO 0917193864 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Mô hình hóa mô phỏng điều khiển chuyển động ô tô điện (1).doc