Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết trình bày phương pháp xây dựng bộ điều khiển PID để điều khiển mô men của động cơ điện trợ lực. Kết quả nghiên cứu có thể làm cơ sở thiết kế chế tạo bộ điều khiển trung tâm cho hệ thống lái có trợ lực điện.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG TRÊN HỆ THỐNG LÁI CÓ TRỢ LỰC ĐIỆN Vũ Ngọc Tuấn1*, Vũ Quốc Bảo1 Tóm tắt: Hệ thống lái có trợ lực điện ngày xem trang bị tiêu chuẩn ô tô du lịch Để điều khiển động điện trợ lực theo tín hiệu đầu vào, điều khiển trung tâm thiết kế với quy luật điều khiển khác nhà sản suất phát triển dạng hộp đen không can thiệp Để hiểu sâu nguyên lý làm việc tiến tới tự thiết kế chế tạo điều khiển này, điều cần phải quan tâm nắm thuật tốn điều khiển Bài báo trình bày phương pháp xây dựng điều khiển PID để điều khiển mô men động điện trợ lực Kết nghiên cứu làm sở thiết kế chế tạo điều khiển trung tâm cho hệ thống lái có trợ lực điện Từ khóa: Trợ lực điện; điều khiển PID; hệ thống lái Pid controller design for electric motor used in electric power assisted steering system Abstract: The electronic power assisted steering system is increasingly being considered as a standard option on the passenger cars The control laws are integrated into ECU which is seem as non-interference black-box to control the electric power steering motor based on the input signals Firmly grasping this control algorithm will allow us to better understand the working principle as well as proceed to self-design of this controller This article presents the method of constructing a PID controller to control the electronic motor torque Research results may serve as the basis for the design and manufacture of ECU for electric power assisted steering systems Keywords: Electric power assisted; PID controller; Steering system Nhận ngày 10/5/2017; sửa xong 7/6/2017; chấp nhận đăng 23/6/2017 Received: May 10, 2017; revised: June 7, 2017; accepted: June 23, 2017 Đặt vấn đề Hệ thống lái ô tô đảm nhận hai chức chính: (i) giúp cho người lái điều khiển ô tô chuyển động theo quỹ đạo mong muốn; (ii) tạo cảm giác mặt đường cho người lái [1] Để đảm bảo hai chức nêu trên, ô tô trang bị nhiều loại hệ thống lái khác hệ thống lái khí, hệ thống lái khí có trợ lực thủy lực (HPAS) trợ lực điện (EPAS), hệ thống lái không trụ lái (SBW) Do lượng phát thải gần khơng, tiêu hao lượng thấp có khả tự chẩn đốn, hệ thống lái có trợ lực điện (EPAS) dần thay hệ thống lái có trợ lực thủy lực tơ Hệ thống cung cấp mô men trợ lực lái theo thời gian thực tùy thuộc vào điều kiện đường chuyển động tơ Điều giúp cho người lái có khả điều khiển xe nhẹ nhàng, xác theo quỹ đạo chuyển động mong muốn Hiện nay, có hai phương pháp để điều khiển động điện hệ thống lái có trợ lực điện Một là, sử dụng phương pháp điều khiển truyền thống Hai là, sử dụng phương pháp điều khiển đại dựa khơng gian trạng thái, kể đến nguyên lý điều khiển H∞ Phương pháp điều khiển H∞ giúp nâng cao độ ổn định hệ thống, có khả lọc nhiễu nhiên làm cho hệ thống điều khiển trở nên phức tạp đòi hỏi cao cấu hình phần cứng cho điều khiển Phương pháp điều khiển truyền thống sử dụng điều khiển PID có khả điều khiển xác động đồng thời hệ thống điều khiển có kết cấu đơn giản nhiều [2] Dựa phân tích đánh giá đây, báo trình bày phương pháp thiết kế điều khiển PID cho động sử dụng hệ thống lái có trợ lực điện ô tô Cấu trúc phần báo sau: Trong mục 2, cấu trúc mơ hình hệ thống lái có trợ lực điện C-EPAS mơ hình tốn học TS, Học viện Kỹ thuật quân *Tác giả E-mail: tuanvantri@gmail.com TẬP 11 SỐ 07 - 2017 85 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG xây dựng mô tả Trong mục 3, báo trình bày phương pháp xây dựng mơ hình điều khiển PID Trong mục kết tính tốn mơ đánh giá nhận xét Mơ hình khảo sát động lực học hệ thống lái C-EPAS 2.1 Mô hình hệ thống lái C-EPAS Cấu trúc C-EPS hình thành dựa trên: Trục vành tay lái, cảm biến tốc độ, cảm biến mô men, điều khiển trung tâm (ECU), mô tơ trợ lực, li hợp điện từ, hộp giảm tốc Li hợp điện từ đóng hệ thống làm việc mở khi hệ thống xuất lỗi Hệ thống nhận tín hiệu đầu vào vận tốc ô tô từ cảm biến hệ thống phanh ABS, tín hiệu mơ men chiều quay vành tay lái Bộ điều khiển ECU tính tốn điều khiển mơ men trợ lực, thông qua hộp giảm tốc cung cấp mô men lái để trợ giúp người lái điều khiển xe (Hình 1) Hình Mơ hình hệ thống lái có trợ lực điện với động điện bố trí trục vành tay lái C-EPAS [2] 2.2 Mơ hình tốn học mơ tả động lực học hệ thống lái C-EPAS Sau phân tích động lực học hệ thống lái có trợ lực điện C-EAPS, mơ hình tốn học xây dựng cho cụm hệ thống sau: Mơ hình trục vành tay lái, răng: (1) đó: Ts, Td, Tc mơ men trục tay lái, mô men vành tay lái mơ cảm biến; θs góc quay vành tay lái thực tế (2) đó: Mr khối lượng rotuyn lái; Br hệ số cản đàn hồi rotuyn; xr dịch chuyển ngang răng; Rs Ra điện trở cảm biến mô tơ trợ lực; FTR lực cản quay vòng quy dẫn lên Mơ hình cảm biến mơ men: (3) đó: Ks độ cứng xoắn trục tay lái Mơ hình mơ tơ điện trợ lực điều khiển PID Theo [3], mơ hình tốn học cho mô tơ điện trợ lực xây dựng sau: 86 TẬP 11 SỐ 07 - 2017 (4) (5) (6) (7) KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG đó: Ta, Tm mơ men mơ tơ trợ lực, mô men mô tơ điện; ɵm thơng số đầu góc đánh vòng tay lái thực tế, góc quay mơ tơ; U, L, R, ia điện áp, điện cảm, điện trở, cường độ dòng điện tức thời; Bm cản đàn hồi mô tơ; Ka, Kb hệ số mômen hệ số chống sức điện động cảm ứng (Electromotive force-EMF) mô tơ điện; G tỷ số truyền Để xây dựng điều khiển PID, ta coi hệ thống có người lái ảo, ta xây dựng mơ hình điều khiển thơng qua mơ hình tốn học sau đây: (8) đó: ia* giá trị dòng điện định mức; Kp, Ki, Kd hệ số điều khiển PID [4] Bộ điều khiển PID thực so sánh giá trị dòng điện yêu cầu với giá trị dòng điện thực tế mơ tơ trợ lực, từ thực quy tắc điều khiển bám để đưa giá trị ngưỡng điện áp đưa vào điều khiển động (8) Sơ đồ nguyên lý hệ thống có điều khiển PID với phản hồi kín thể sơ đồ cấu trúc nguyên lý điều khiển hệ thống lái có trợ lực điện C-EPAS thể Hình Xuất phát từ mơ hình vật lý (Hình 1) sơ đồ hệ thống có điều khiển (Hình 2), mơ hình mơ để khảo sát động lực học hệ thống lái có trợ lực điện xây dựng nhờ cơng cụ Simulink Hình Ngun lý điều khiển PID Khảo sát động lực học hệ thống lái có trợ lực điện Trên sở mơ hình tốn, mơ hình mơ C-EPS xây dựng Matlab/Simulink Chương trình giả lập điều kiện đường khác tác động lên xe mô phỏng, giả lập rung động va đập, cảm giác mặt đường với tốc độ khác Quy luật thay đổi góc quay vành tay lái giả định làm điều kiện đầu vào cho tốn mơ quy luật hình sin (Hình 3.a) Lưới đặc tính điều khiển động điện xây dựng theo dải tốc độ hoạt động ô tô cường độ dòng điện đầu để điều khiển động điện trợ lực lái (Hình 3.b) Để đơn giản cho trình tình tốn, lưới đặc tính điều khiển xây dựng dạng tuyến tính Mơ men vành tay lái Td cảm biến mô men đo ghi nhận thành giá trị Tc Mô men Tc vận tốc chuyển động tơ hai tín hiệu đầu vào cho ma trận lưới đặc tính điều khiển nhằm xác định dòng điện cần thiết để điều khiển động điện trợ lực lái i*a b) a) Hình Quy luật thay đổi góc lái lưới đặc tính điều khiển động [5,6] TẬP 11 SỐ 07 - 2017 87 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG 4.1 Khảo sát đáp ứng hệ thống trợ lực lái C-EPAS Với đầu vào giả lập trên, tiến hành khảo sát đáp ứng động lực học hệ thống lái có trợ lực điện C-EPAS theo số giá trị vận tốc chuyển động ô tô Kết mô cho thấy, xe chuyển động tốc độ thấp mô men tác dụng người lái nhỏ mô men mô tơ trợ lực lớn, làm cho người lái điều khiển nhẹ nhàng, linh hoạt Khi xe chuyển động tốc độ cao, mơ men người lái tăng mơ men trợ lực giảm làm hệ thống lái nặng để đảm bảo ổn định, an tồn Vì vậy, hệ thống lái có trợ lực điện giải vấn đề đảm bảo điều khiển nhẹ nhàng linh hoạt, làm cho người lái có cảm giác mặt đường tốt (Hình 4) b) a) Hình Quy luật thay đổi mô men tác động mô men trợ lực lái 4.2 Khảo sát độ nhạy khả điều khiển PID Theo công thức (8), điều khiển PID so sánh sai lệch hai giá trị dòng điện đặt i*a xác định thơng qua tra bảng lưới đặc tính dòng điện thực tế động ia Căn vào giá trị độ lệch này, điều khiển PID xác định giá trị điện áp điều khiển U đặt vào động Hình Quy luật thay đổi dòng điện đặt i*a dòng điện động điện trợ lực ia vận tốc ô tô V=40km/h với giá trị khác hệ số điều khiển PID Hình Quy luật thay đổi dòng điện đặt i*a dòng điện động điện trợ lực ia vận tốc ô tô V=40km/h với giá trị điện trở khác động điện điều khiển 88 TẬP 11 SỐ 07 - 2017 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG Trên Hình 5, nhận thấy thay đổi thơng số điều khiển tuyến tính PID, dòng điện điều khiển động có sai khác Khi hệ số KI tăng lên làm cho độ lệch so so với giá trị yêu cầu dòng điện điều khiển tăng theo Để khảo sát hiệu điều khiển, tác giả thay đổi số tham số kết cấu hệ thống Trên Hình thể quy luật thay đổi giá trị dòng điện điều khiển thay đổi giá trị điện trở mô tơ điện trợ lực Kết khảo sát cho thấy điều khiển hồn tồn đáp ứng yêu cầu sinh tín hiệu điều khiển động điện trợ lực cho loại động khác Như vậy, hệ thống ta thay đổi động điện khơng cần tác động hiệu chỉnh tới tham số điều khiển PID xây dựng Kết luận Dựa khảo sát điều khiển động điện trợ lực cho hệ thống lái có trợ lực điện, nhóm nghiên cứu xây dựng thuật tốn thiết kế điều khiển PID Các kết nghiên cứu cho thấy tính đắn phương pháp thuật toán điều khiển xây dựng Bộ điều khiển đưa dòng điện để điều khiển động theo chế độ hoạt động hệ thống lái Đồng thời, điều khiển có khả thích ứng với số thay đổi kết cấu hệ thống Tuy nhiên, phạm vi nghiên cứu nhóm tác giả dừng lại việc lựa chọn thông số điều khiển PID theo kinh nghiệm Vì vậy, cần phải xây dựng phương pháp để xác đinh giá trị tối ưu điều khiển hướng phát triển thời gian Đồng thời, cần thiết phải thiết kế ECU thực cách mã hóa hệ điều khiển xây dựng công cụ Simulink tích hợp vào chíp điều khiển để thử nghiệm đánh giá thực tế khả điều khiển PID tính thích ứng lưới đặc tính điều khiển lựa chọn Tài liệu tham khảo Rahman M.F (2012), “Electric power assited steering system for automobile”, Electrical Engineering, Electric Power Assisted Steering System for Automobiles, Zang H., Chen S (2011), “Electric Power Steering Simulation Analyze Based on Fuzzy PID Current Tracking Control”, Journal of Computational Information Systems, 7(1):119-126 Chatterjee M., Rajguru C., Wadkar A (2013), “Mathematical modelling of automotive electric power assist steering system”, Conference: Advances in Computing, Communications and Informatics (ICACCI), DOI: 10.1109/ICACCI.2013.6637382 Pang D.Y., Jang B.C., Lee S.C (2005), “Steering wheel torque control of electric power steering by PD-control”, ICCAS2005 June 2-5, KINTEX, Gyeonggi-Do, Korea, 2:1366-1370 Zhao J., Chen L., Jiang H., Niun L (2009), “Design and full-car tests of electric power steering system”, IFIP TC 12 International Conference on Computer and Computing Technologies in Agriculture, 1, DOI: 10.1109/IFCSTA.2009.146 Silvas E., Backx E., Hofman T., Voets H., Steinbuch M (2014), “Design of power steering systems for heavy-duty long-haul vehicles”, The 19th World Congress, The International Federation of Automatic Control, Cape Town, South Africa, 47(3): 3930-3935 TẬP 11 SỐ 07 - 2017 89 ... đồ hệ thống có điều khiển (Hình 2), mơ hình mơ để khảo sát động lực học hệ thống lái có trợ lực điện xây dựng nhờ cơng cụ Simulink Hình Ngun lý điều khiển PID Khảo sát động lực học hệ thống lái. .. điện trợ lực cho hệ thống lái có trợ lực điện, nhóm nghiên cứu xây dựng thuật toán thiết kế điều khiển PID Các kết nghiên cứu cho thấy tính đắn phương pháp thuật toán điều khiển xây dựng Bộ điều. .. hiệu điều khiển động điện trợ lực cho loại động khác Như vậy, hệ thống ta thay đổi động điện không cần tác động hiệu chỉnh tới tham số điều khiển PID xây dựng Kết luận Dựa khảo sát điều khiển động