Tài liệu Thiết kế bộ điều khiển pid cho hệ thống chống bó cứng phanh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ THẮM THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Đà Nẵng, 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ THẮM THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số : 62.52.02.16 LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN LÊ HÒA ĐÀ NẴNG, 2020 ii THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH ABS Học viên: Nguyễn Thị Thắm Mã số: Khóa: 36 Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Luận văn này trình bày thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống chống bó cứng phanh ABS. Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) là một hệ thống an toàn ô tô cho phép các bánh xe duy trì sự tiếp xúc chủ động với mặt đường, ngăn chặn các bánh xe bị khóa và tránh trượt không kiểm soát. ABS giúp cải thiện khả năng kiểm soát xe và giảm khoảng cách dừng trên mặt đường khô và ướt ABS điều chỉnh áp suất phanh độc lập với lực đạp để đưa tốc độ của bánh xe về giới hạn trượt cho phép. ABS giúp cải thiện khả năng kiểm soát xe và giảm khoảng cách dừng trên mặt đường khô và ướt. Bộ Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Từ khóa - Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS), bộ điều khiển PID, vận tốc dừng ô tô, khoảng cách dừng ô tô, khả năng bẻ lái ô tô. PID CONTROLLER DESIGN FOR SYSTEMS ABS HARD BRAKE Abstract This thesis presents PID controller design for ABS anti-lock braking system. Anti-lock braking system (ABS) is an automotive safety system that allows the wheels to maintain active contact with the road, preventing the wheels from locking and avoiding uncontrolled gliding. ABS helps improve vehicle control and reduce stopping distance on wet and dry pavement. ABS adjusts brake pressure independently with pedal force to bring wheel speed to the slip limit. ABS helps improve vehicle control and reduce stopping distances on dry and wet roads. The PID controller will calculate the "error" value as the difference between the variable parameter measurement value and the desired set value. The controller will minimize the error by adjusting the input control value. Key word - Anti-lock braking system (ABS), PID controller, stopping speed, stopping distance, ability to steer cars. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i TÓM TẮT .................................................................................................................... ii MỤC LỤC .................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...........................................................................v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ..................................................................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... viii MỞ ĐẦU.........................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài...................................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu.............................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................2 5. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn .......................................................................2 6. Bố cục ...................................................................................................................2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH (ABS) ...............................................................................................................................4 1.1. Giới thiệu chung về hệ thống ABS...........................................................................4 1.1.1. Tổng quan .......................................................................................................4 1.1.2. Chức năng .......................................................................................................6 1.2. Cấu tạo ......................................................................................................................8 1.2.1. Tín hiệu đầu vào (cảm biến) ...........................................................................9 1.2.2. Bộ điều khiển điện tử trung tâm ECU ...........................................................10 1.2.3. Cơ cấu chấp hành ..........................................................................................15 1.3. Nguyễn lý hoạt động hệ thống phanh ABS ............................................................16 1.4. Điều khiển hệ thống ABS .......................................................................................18 1.5. Kết luận...................................................................................................................22 CHƢƠNG 2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG ABS ..................23 2.1. Mô hình hệ thống phanh 1/4 xe ..............................................................................23 2.1.1. Động lực học của xe và bánh xe ...................................................................23 2.1.2. Quan hệ giữa hệ số ma sát và hệ số trượt. ....................................................24 2.2. Bộ điều khiển PID ..................................................................................................26 2.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển PID...........................................................................26 2.2.2. Đặc điểm của các khâu P, I và D ..................................................................28 2.3. Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống ABS ......................................................32 iv 2.4. Kết luận...................................................................................................................33 CHƢƠNG 3. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ...................34 3.1. Mô phỏng hệ thống ABS vòng hở (chưa có điều khiển) ........................................34 3.1.1. Sơ đồ mô phỏng ............................................................................................34 3.1.2. Kết quả mô phỏng ........................................................................................35 3.2. Mô phỏng hệ thống ABS vòng kín (có điều khiển) ...............................................37 3.2.1. Bộ điều khiển tỷ lệ (P) ..................................................................................37 3.2.2. Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân (PI) ...............................................................41 3.2.3. Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân - vi phân (PID).............................................44 3.2.4. So sánh kết quả mô phỏng hệ thống phanh ABS có điều khiển PID và không có điều khiển.......................................................................................................48 3.5. Kết luận...................................................................................................................50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................51 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên đầy đủ ABS Anti-lock Braking System Hệ thống chống bó cứng phanh ASR Anti-Slip Regulation Hệ thống chống trượt quay bánh xe BA Brake Assist Hệ thống hỗ trợ phanh EBD Eletronic Brakeforce Distribution Bộ phân phối lực phanh điện tử ECU Electronic Control Unit Bộ điều khiển điện tử VSC Vehicle Stability Control Hệ thống điều khiển ổn định thân xe PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ ESP Electronic Stability Program Chương trình kiểm soát ổn định động học SBC Sensoelectric Braking Control Hệ thống phanh thủy lực điện tử EHB Electrohydraulic brake Hệ thống phanh thủy lực điện tử BBW Brake – By – Wirre Hệ thống phanh điện Ý nghĩa vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU KÝ HIỆU ĐƠN VỊ GIẢI THÍCH λ Độ trượt dọc của bánh xe µ Hệ số ma sát Quãng đường phanh S m Tb Nm Momen phanh v m/s Vận tốc ô tô ω rad/s Vận tốc góc bánh xe ω0 rad/s Vận tốc góc trước khi phanh v0 m/s Vận tốc ô tô trước khi phanh g m/s2 Gia tốc chậm dần ô tô m Kg Khối lượng ô tô Mz Nm Momen quanh trục z L m Chiều dài cơ sở ô tô J kg.m2 K N/m G N Trọng lượng ô tô R m Bán kính bánh xe Momen quán tính bánh xe Hằng số độ cứng của má phanh W N.s2 Hệ số cản không khí N.s2/m2 ρ Kg/ m3 Khối lượng riêng của dầu phanh vii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1. Các trạng thái giảm tốc của cảm biến giảm tốc. 10 2.1. Tham số của mô hình theo phương trình (3.8) đối với các loại mặt đường khác nhau 25 2.2. Tham số của mô hình theo phương trình (2.9) đối với các loại mặt đường khác nhau 26 2.3. Các tham số của mô hình (2.10) 26 3.1. Tham số mô phỏng. 34 3.2. Khoảng cách dừng xe. 49 3.3. Vận tốc bánh xe. 50 3.4. Vận tốc của xe. 50 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1. Quá trình phát triển hệ thống phanh ABS. 5 1.2. Quỹ đạo xe khi phanh có ABS và không có ABS 8 1.3. Cấu tạo ABS 8 1.4. Vị trí và cấu tạo cảm biến giảm tốc 9 1.5. Hoạt động của ABS khi phanh bình thường 11 1.6. Hoạt động của ABS ở chế độ giảm áp 12 1.7. Hoạt động của ABS ở chế độ giữ áp 13 1.8. Hoạt động của ABS ở chế độ tăng áp 14 1.9. Sơ đồ hệ thống phanh ABS trên ô tô 15 1.10. Dạng xung của cảm biến tốc độ bánh xe 16 1.11. Xe có ABS và không có ABS. 17 1.12. Sơ đồ nguyên lý hệ thống phanh ABS 18 1.13. Vùng hệ số trượt có lực phanh lớn 19 1.14. Cảm biến gia tốc dọc thân xe 20 2.1. Động lực học 1/4 xe 23 2.2. Quan hệ μ(λ) theo mô hình của Pacejka. 25 2.3. Cấu trúc bộ điều khiển PID. 27 2.4. Cấu trúc bộ điều khiển PI 28 2.5. Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki và Kd là hằng số) 29 2.6. Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với 3 giá trị Ki (Kpvà Kd không đổi) 30 2.7. Đồ thị PV theo thời gian, với 3 giá trị Kd (Kp and Ki không đổi) 31 2.8. Cấu trúc của hệ thống điều khiển ABS 32 2.9. Cơ cấu chấp hành của hệ thống ABS 32 3.1. Hệ thống ABS chưa có điều khiển 34 3.2. Vận tốc bánh và vận tốc xe khi chưa điều khiển. 35 3.3. Khoảng cách dừng xe khi chưa có điều khiển. 35 3.4. Sự biến thiên của hệ số trượt theo thời gian. 36 3.5. Mo mem phanh 37 3.6. Điều khiển phản hồi kiểu (P). 37 3.7. Hệ thống ABS có điều khiển (P) 38 ix Số hiệu hình Tên hình Trang 3.8. Vận tốc dài và vận tốc dài quy đổi của bánh xe 38 3.9. Sự biến thiên của hệ số trượt theo thời gian (P) 39 3.10. Sự biến thiên của mo mem phanh (P). 40 3.11. Khoảng cách dừng xe khi có điều khiển (P). 40 3.12. Điều khiển phản hồi kiểu (PI) 41 3.13. Hệ thống ABS khi có điều khiển (PI). 41 3.14. Vận tốc dài và vận tốc dài quy đổi của bánh xe (PI) 42 3.15. Sự biến thiên của hệ số trượt theo thời gian (PI). 43 3.16. Sự biến thiên của mô mem phanh (PI). 43 3.17. Khoảng cách dừng xe khi có điều khiển (PI). 44 3.18. Điều khiển phản hồi kiểu (PID) 45 3.19. Hệ thống ABS điều khiển (PID) 45 3.20. Vận tốc dài và vận tốc dài quy đổi của bánh xe (PID) 46 3.21. Khoảng cách dừng xe khi có điều khiển (PID) 47 3.22. Sự biến thiên của hệ số trượt theo thời gian (PID) 47 3.23. Sự biến thiên của mo mem phanh (PID) 48 3.24. Khoảng cách dừng hệ thống phanh có điều khiển PID và không điều khiển. 49 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu sử dụng xe ô tô ngày càng nhiều. Người ta dùng ô tô với nhiều mục đích khác nhau, nhất là vận chuyển hành khách, hàng hóa, giao thông công cộng,..Nhu cầu cao dẫn đến mật độ ô tô lưu thông trên đường ngày càng nhiều nên tai nạn giao thông ngày càng cao. Do đó, để đảm bảo tính an toàn vấn đề tai nạn giao thông là một trong những hướng giải quyết cần thiết nhất, luôn được quan tâm của các nhà thiết kế và chế tạo ôtô. Hệ thống phanh là một trong những hệ thống quan trọng nhất trên xe, cùng với hệ thống lái, hệ thống phanh góp phần giữ an toàn cho người ngồi trên xe khi giảm tốc độ và dừng xe, đặc biệt là trong những tình huống nguy hiểm. Vì thế, hệ thống phanh được đặc biệt chú ý trong quá trình tính toán thiết kế xe ô tô. Phanh sử dụng ABS là một trong hai công nghệ bổ sung cho hệ thống phanh hữu dụng nhất của ngành công nghiệp ôtô thời gian gần đây. Hệ thống phanh chống bó cứng (ABS), viết tắt của Anti-lock Braking System, là một hệ thống giúp cho bánh xe của phương tiện luôn bám đường và quay trong quá trình phanh, hạn chế tối đa hiện tượng trượt lết trên mặt đường của bánh xe phanh nhờ nguyên lý nhấp nhả phanh liên tục. Khi phanh gấp xe ở tốc độ cao, khi xe quay vòng hoặc phanh khi xe đi trên đường trơn sẽ xảy ra hiện tượng trượt lết của bánh xe trên mặt đường do bánh xe bị bó cứng làm cho quãng đường phanh dài hơn và kèm theo đó là sự mất ổn định, người lái không thể điều khiển hướng của xe, thậm chí văng xe, đổ xe, lật xe. Điều này là rất nguy hiểm. Tuy nhiên, hệ thống phanh chống bó cứng khắc phục được điều trên. Một nghiên cứu tại Úc vào năm 2003 của Trung tâm nghiên cứu tai nạn thuộc Đại học Monash chỉ ra rằng ABS giúp giảm nguy cơ tai nạn 18% trên đường tốt và giảm đến 35% trên đường gồ ghề. Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng khi phanh trên đường cát, sỏi, đường nhiều tuyết với ABS thì quãng đường phanh không phải rút ngắn mà còn tăng thêm khoảng 22%. Điều này cũng không phải là có hại vì trên các loại đường này bánh xe phanh nhanh chóng bị bó cứng hơn mà ABS thì ngăn chặn điều đó để ưu tiên quyền kiểm soát xe. Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc và hỗ trợ rất lớn của kỹ thuật điện tử, của ngành điều khiển tự động và các phần mềm tính toán, lập trình cực mạnh đã cho phép nghiên cứu và đưa vào ứng dụng các phương pháp điều khiển mới trong ABS như điều khiển mờ, điều khiển thông minh, tối ưu hóa quá trình điều khiển ABS. 2 Vì những lý do trên nên đề tài “Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống chống bó cứng phanh” thực sự cần thiết. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích của luận văn là nghiên cứu cơ sở lý thuyết, đề xuất phương pháp và xây dựng chương trình dự báo phù hợp bộ điều khiển PID cho hệ thống chống bó phanh cứng trên xe ô tô. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống chống bó cứng phanh trên xe ô tô. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phanh và chống bó cứng cho các bánh xe ô tô. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết: - Nghiên cứu các tài liệu về bộ điều khiển PID. - Phân tích bản chất vật lý của các hiện tượng xảy ra trong quá trình phanh từ đó đánh giá tính hiệu quả và phạm vi ứng dụng của hệ thống phanh ABS giúp người đọc nắm được bản chất cơ bản của hệ thống phanh ABS. - Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình hoạt động của cơ cấu phanh ABS của ¼ xe. Nghiên cứu thực nghiệm: - Tất cả các công việc của đề tài được mô phỏng và kiểm chứng bằng phần mềm Matlab/simulink. 5. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển hệ thống ABS làm việc tối ưu, nhằm ngăn chặn lốp xe bị khóa trong quá trình phanh khẩn cấp, điều kiện đường trơn trượt hoặc trong lúc hoản loạn của tài xế. Bộ điều khiển PID cho hệ thống chống bó phanh cứng trên xe ô tô có thể làm giảm độ trượt khi phanh cũng như khoảng cách và thời gian phanh, cải thiện hiệu quả phanh trên bề mặt phức tạp. 6. Bố cục - Lý do chọn đề tài - Mục đích nghiên cứu - Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu - Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn Ngoài phần mở đầu và kết thúc, nội dung chính của luận văn được trình bày trong 3 chương với nội dung như sau: 3 Chương 1 trình bày tổng quan hệ thống phanh ABS, về cấu tạo như cảm biến, bộ điều khiển điện tử trung tâm, hệ thống thuỷ lực... nguyên lý hoạt động cũng như các phương pháp điều khiển ABS. Trong chương 2, tác giả đề cập đến việc xây dựng mô hình toán học của hệ thống phanh chống bó cứng. Chương này mô tả động lực học, hệ thống phanh thuỷ lực của ¼ xe. Phân tích quá trình điều khiển dựa trên phương pháp điều khiển chế độ trượt theo mô hình của Pacejka và các giả định cơ bản được thực hiện. Chương 3 mô phỏng và đánh giá kết quả được thực hiện trong MATLABSimulink về độ trượt, vận tốc bánh và khoảng cách dừng xe. Từ đó dẫn ra ưu điểm bộ điều khiển PID cho hệ thống chống bó cứng phanh ABS như là khoảng cách dừng xe ngắn hơn so với hệ thống phanh không sử dụng bộ điều khiển. 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG PHANH (ABS) 1.1. Giới thiệu chung về hệ thống ABS 1.1.1. Tổng quan Hệ thống chống bó cứng phanh - Antilock Brake System (ABS) được sử dụng lần đầu tiên trên các máy bay thương mại vào năm 1949, chống hiện tượng trượt ra khỏi đường băng khi máy bay hạ cánh. Tuy nhiên, kết cấu của ABS lúc đó còn cồng kềnh, hoạt động không tin cậy và không tác động đủ nhanh trong mọi tình huống. Trong quá trình phát triển, ABS đã được cải tiến từ loại cơ khí sang loại điện và hiện nay là loại điện tử. ABS là một hệ thống tự động sử dụng các nguyên tắc phanh ngưỡng và phanh nhịp, các kỹ thuật đã từng được thực hiện bởi các trình điều khiển trước khi ABS được phổ biến rộng rãi. Hệ thống phanh ABS trên các xe ô tô rất phức tạp và được điều khiển điện tử có lập trình. Kể từ những giữa năm 80, các nhà sản xuất đã đưa ra rất nhiều loại hệ thống phanh chống bó cứng bánh xe. Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã tiến hành nhằm đưa ra các phương pháp điều khiển cũng như cải tiến hệ thống phanh ABS. Vào thời kỳ đầu, các nghiên cứu nhằm hoàn thiện kết cấu hệ thống ABS. Để tránh hiện tượng các bánh xe bị hãm cứng trong quá trình phanh khi lái xe trên đường trơn, người lái xe đạp phanh bằng cách nhịp liên tục lên bàn đạp phanh để duy trì lực bám, ngăn không cho bánh xe bị trượt lết và đồng thời có thể điều khiển được hướng chuyển động của xe. Về cơ bản, chức năng của hệ thống phanh ABS cũng giống như vậy nhưng hiệu quả, độ chính xác và an toàn cao hơn. Vào thập niên 1960, nhờ kỹ thuật điện tử phát triển, các vi mạch điện tử (microchip) ra đời, giúp hệ thống ABS lần đầu tiên được lắp trên ôtô vào năm 1969. Sau đó, hệ thống ABS đã được nhiều công ty sản xuất ôtô nghiên cứu và đưa vào ứng dụng từ những năm 1970s. Công ty Toyota sử dụng lần đầu tiên cho các xe tại Nhật từ năm 1971, đây là hệ thống ABS 1 kênh điều khiển đồng thời hai bánh sau. Nhưng phải đến thập niên 1980s hệ thống này mới được phát triển mạnh nhờ hệ thống điều khiển kỹ thuật số, vi xử lý (digital microprocessors/microcontrollers) thay cho các hệ thống điều khiển tương tự (analog) đơn giản trước đó. Lúc đầu hệ thống ABS chỉ được lắp trên các xe du lịch cao cấp, đắt tiền, được trang bị theo yêu cầu và theo thị trường. Dần dần hệ thống này được đưa vào sử dụng rộng rãi hơn, đến nay ABS gần như đã trở thành tiêu chuẩn bắt buộc cho tất cả các loại xe tải, một số xe du lịch và cho phần lớn các loại xe hoạt động ở những vùng có đường băng, tuyết dễ trơn trượt. Hệ thống ABS không chỉ được thiết kế trên các hệ thống 5 phanh thủy lực, mà còn ứng dụng rộng rãi trên các hệ thống phanh khí nén của các xe tải và xe khách lớn. Nhằm nâng cao tính ổn định và tính an toàn của xe trong mọi chế độ hoạt động như khi xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột, khi đi vào đường vòng với tốc độ cao, khi phanh trong những trường hợp khẩn cấp,… hệ thống ABS còn được thiết kế kết hợp với nhiều hệ thống khác như Hình 1.1. Hình 1.1. Quá trình phát triển hệ thống phanh ABS. Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống kiểm soát lực kéo TRC-Traction control (hay ASR) làm giảm bớt công suất động cơ và phanh các bánh xe để chống hiện tượng các bánh xe bị trượt lăn tại chỗ khi xe khởi hành hay tăng tốc đột ngột, bỡi điều này làm tổn hao vô ích một phần công suất của động cơ và mất tính ổn định chuyển động của ôtô. Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống phân phối lực phanh bằng điện tử EBD (Electronic Brake force Distribution) nhằm phân phối áp suất dầu phanh đến các bánh xe phù hợp với các chế độ tải trọng và chế độ chạy của xe. Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp BAS (Brake Assist System) làm tăng thêm lực phanh ở các bánh xe để có quãng đường phanh là ngắn nhất trong trường hợp phanh khẩn cấp. Hệ thống ABS kết hợp với hệ thống ổn định ôtô bằng điện tử (ESP), không chỉ có tác dụng trong khi dừng xe, mà còn can thiệp vào cả quá trình tăng tốc và chuyển động quay vòng của ôtô, giúp nâng cao hiệu suất chuyển động của ôtô trong mọi trường hợp. ESP: Electronic Stability Program – Chương trình kiểm soát ổn định động học của ôtô. Chương trình là một phần của hệ thống VSC, được dùng để kiểm soát khả năng ổn định hướng của ôtô khi phanh, khi đi trên đường vòng hay chuyển động thẳng gặp ngoại lực ngẫu nhiên tác động. 6 SBC: Sensoelectric Braking Control – Hệ thống phanh thủy lực điện tử, được bố trí theo sự mở rộng kiểm soát nhờ các cảm biến và chương trình điều khiển thích hợp của ôtô con. EHB: Electrohydraulic brake – Hệ thống phanh thủy lực điện tử là một phân khúc của hệ thống phanh điện tử có sự hỗ trợ của hệ thống thủy lực. BBW: Brake – By – Wirre – Hệ thống phanh điện là một phân khúc của hệ thống phanh điện tử không có sự hỗ trợ của hệ thống thủy lực. Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc và hỗ trợ rất lớn của kỹ thuật điện tử, của ngành điều khiển tự động và các phần mềm tính toán, lập trình cực mạnh đã cho phép nghiên cứu và đưa vào ứng dụng các phương pháp điều khiển mới trong ABS như điều khiển mờ, điều khiển thông minh, tối ưu hóa quá trình điều khiển ABS. 1.1.2. Chức năng Hệ thống chống bó cứng phanh Antilock Brake System (ABS) là hệ thống chống trượt an toàn được sử dụng trên các phương tiện trong đường bộ, như ô tô, xe máy, xe tải và xe buýt. ABS hoạt động bằng cách ngăn chặn các bánh xe bị khóa trong khi phanh, do đó duy trì khả năng tiếp xúc chủ động với mặt đường. ABS là một hệ thống tự động sử dụng các nguyên tắc phanh ngưỡng và phanh nhịp, các kỹ thuật đã từng được thực hiện bởi những người lái xe khéo léo trước khi ABS được phổ biến rộng rãi. ABS hoạt động với tốc độ nhanh hơn nhiều và hiệu quả hơn hầu hết các quá trình điều khiển có thể quản lý. Mặc dù ABS thường cung cấp khả năng kiểm soát xe được cải thiện và giảm khoảng cách dừng trên bề mặt khô và một số bề mặt trơn trượt, trên bề mặt sỏi lỏng hoặc tuyết phủ, ABS có thể tăng đáng kể khoảng cách dừng xe, trong khi vẫn cải thiện khả năng kiểm soát được hướng lái. Các phiên bản hiện đại có thể không chỉ ngăn chặn khóa bánh xe khi phanh, mà còn có thể thay đổi độ lệch phanh trước và sau. Do đó nâng cao tính ổn định, khi bánh xe bị khóa sẽ làm giảm lực phanh nhỏ hơn giá trị cho phép, đồng thời không có khả năng để duy trì các lực tác động theo phương ngang do đó dẫn đến mất ổn định. Việc kiểm soát được lực ma sát cho phép kiểm soát được các lực tác động theo phương ngang, do đó kiểm soát bẻ lái được cải thiện và có thể tránh vật cản một cách chủ động. Trong quá trình phanh, do tác dụng lực quán tính của ô tô làm cho tải trọng tác dụng lên các bánh xe cầu trước và sau thay đổi liên tục. Tải trọng tác dụng lên cầu trước tăng lên, tải trọng tác dụng lên cầu sau giảm đi theo quan hệ tỷ lệ với sự tăng của giảm tốc phanh. Để đạt hiệu quả phanh cao nhất, yêu cầu lực phanh phát huy ở vùng tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường phải đạt được trị số bằng lực bám. Trị số của lực bám giữa bánh xe với mặt đường phụ thuộc vào tải trọng tác dụng lên bánh xe và hệ số 7 bám của bánh xe với mặt đường. Hệ thống phanh giữ vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn chuyển động của xe. Vì vậy, muốn tận dụng khả năng bám mặt đường trong quá trình phanh, lực phanh các bánh xe ở cầu trước và cầu sau cần phải được điều khiển liên tục theo trọng lượng bám của các bánh xe tương ứng. Các kết quả nghiên cứu về động lực học của bánh xe ô tô chuyển động trên nền đường cứng cho thấy: ở chế độ chủ động, dưới tác dụng của mô men xoắn, lốp xe bị biến dạng làm xuất hiện hiện tượng trượt cục bộ tại vùng tiếp xúc của bánh xe với mặt đường. Kết quả là khi phanh, bánh xe bị phanh sẽ vừa lăn vừa trượt. Sự trượt tăng tỷ lệ với mô men phanh phát huy ở bánh xe. Biện pháp kết cấu nhằm điều khiển lực phanh các bánh xe cầu trước và cầu sau trong quá trình phanh trên các ô tô trước đây là sử dụng bộ tự động điều chỉnh lực phanh ở các bánh xe cầu sau theo các thông số tải trọng và áp suất. Hệ thống phanh được lắp bộ điều chỉnh này có khả năng hạn chế khả năng trượt lết của các bánh xe cầu sau khi phanh, tuy nhiên, tính năng này chỉ phát huy trong điều kiện chuyển động của xe trên một số loại đường nhất định. Trường hợp xe chuyển động trên các loại đường có hệ số bám thấp hiện tượng trượt lết của xe vẫn có thể xảy ra, đặc biệt khi phanh xe ở tốc độ cao. Trên các xe ô tô hiện đại, người ta sử dụng hệ thống phanh ABS, đây là hệ thống phanh điều khiển c h o phép tự động điều khiển áp suất trong dẫn động phanh ra các bánh xe, sao cho duy trì được độ trượt của bánh xe trong quá trình phanh nằm trong vùng độ trượt tối ưu. Nhờ tính năng điều khiển này, trong quá trình phanh, xe vừa có hiệu quả phanh cao vừa ổn định hướng và có tính năng điều khiển tốt. Xe có trang bị ABS tính năng điều khiển của xe tốt hơn so với xe không có trang bị ABS. Với hệ thống phanh ABS, áp suất trong dẫn động phanh được tự động điều chỉnh điều nhằm đạt được momen phanh tối ưu trên các bánh xe, nhờ đó ngay cả với người lái xe ít kinh nghiệm thao tác phanh cũng trở nên đơn giản hơn, tránh được hiện tượng trượt lết của xe khi phanh như Hình 1.2. 8 Hình 1.2. Quỹ đạo xe khi phanh có ABS và không có ABS 1.2. Cấu tạo Về cơ bản, hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) bao gồm 3 khối chính như Hình 1.3 - Tín hiệu đầu vào (cảm biến) bao gồm cảm biến tốc độ bánh xe, công tắc chân phanh. - Bộ điều khiển điện tử ECU (Electronic Control Unit), đồng thời là máy phát điện. - Cơ cấu chấp hành (đầu ra) bao gồm các van điện từ điều khiển dòng dầu phanh vào/ra xy lanh bánh xe, bơm dầu phanh, đèn báo phanh và giắc chuẩn đoán. Hình 1.3. Cấu tạo ABS 9 1.2.1. Tín hiệu đầu vào (cảm biến) Khối này làm nhiệm vụ chuyển giao các thông tin về trạng thái làm việc của hệ thống dưới dạng các tín hiệu điện, cụ thể là dạng xung, on-off,... Trong đó, bộ phận quan trọng nhất chính là các cảm biến tốc độ bánh xe. Nó sẽ giúp hộp điều khiển biết được tình trạng hoạt động của bánh xe đang ở tốc độ bao nhiêu (km/h), có đang bị bó cứng hay không (khi bó cứng tốc độ bằng 0). Tín hiệu từ công tắc chân phanh sẽ cho biết trạng thái hoạt động của bàn đạp phanh, khi xe đang thực hiện phanh thì đèn sẽ phát sáng ở phía sau xe để các phương tiện di chuyển xung quanh nhận biết. Việc sử dụng cảm biến giảm tốc cho phép ECU đo trực tiếp sự giảm tốc của bánh xe trong quá trình phanh. Vì vậy, nó biết rõ hơn trạng thái của mặt đường. Kết quả là mức độ chính xác khi phanh được cải thiện để tránh cho các bánh xe không bị bó cứng. Cảm biến giảm tốc bao gồm hai cặp đèn LED và phototransistor, một đĩa xẻ rãnh và một mạch biến đổi tín hiệu. Cảm biến giảm tốc nhận biết mức độ giảm tốc độ bánh xe và gửi các tín hiệu về ECU. ECU dùng những tín hiệu này để xác định chính xác tình trạng mặt đường và thực hiện các biện pháp điều khiển thích hợp như Hình 1.4. Đĩa cảm biến PhotoTransistor 1 Cảm biến giảm tốc ON Hình 1.4. Vị trí và cấu tạo cảm biến giảm tốc Khi mức độ giảm tốc của xe thay đổi, đĩa xẻ rãnh lắc theo chiều dọc của xe tương ứng với mức độ giảm tốc độ. Các rãnh trên đĩa cắt ánh sáng từ đèn LED đến phototransistor và làm phototransistor đóng, mở. Người ta sử dụng 2 cặp đèn LED và phototransistor để tạo ra 4 trạng thái giảm tốc như trình bày ở bảng 1.1.