1) Tổng quan về hệ thống kiểm soát lực kéo và điều chỉnh tải của động cơ.
Traction control system (TCS) : Hệ thống kiểm soát lực kéo (Hệ thống chống
trượt quay ).
Trong quá trình tăng tốc của xe, động cơ tạo ra một mômen xoắn lớn truyền
xuống bánh xe ,nếu lực bán giữa bánh xe và mặt đường nhỏ hơn lực kéo mà động
cơ sinh ra thì bánh xe mất khả năng truyền lực, bánh xe chủ động trượt quay và
làm xe mất ổn định, xe tăng tốc kém…
Trong trường hợp này người lái xe rất khó có thể điều khiển chiếc xe và có thể
dẫn tới tai nạn không mong muốn , do đó cần thiết có một hệ thống có khả năng
điều chỉnh và kiểm soát lực bám đường giúp lái xe điều khiển xe dễ dàng trong quá
trình tăng tốc và khi mặt đường trơn trượt. Điều này sẽ khiến việc tăng tốc ổn
định, đồng thời tránh những sự cố khi thao tác tăng giảm ga thiếu chính xác của
người lái gây nên va chạm, nhất là những đoạn đường giao thông phức tạp.
Hệ thống kiểm soát lực bám đường cho xe ôtô có tác dụng giảm momen
truyền từ động cơ tới các bánh xe chủ động nhằm làm giảm momen từ các bánh xe
lên mặt đường chống lại sự trượt quay của bánh xe. Bằng việc tác động trực tiếp
vào động cơ để giảm mômen của động cơ một cách nhanh chóng nhất nhưng vẫn
đảm bảo được khả năng động lực học của ôtô.
Hệ thống kiểm soát lực kéo được nghiên cứu và phát triển trong những thập
niên 80, 90 , với sự kết hợp của thủy lực và cơ khí và cùng với sự bùng nổ của
công nghệ trong những năm qua hệ thống TCS đã hoàn thiện và điều khiển chính
xác và hiệu quả.


1.1) Hệ thống kiểm soát lực kéo sơ khai.

Đây là ý tưởng của hai nhà sáng chế người Mỹ là Michael H. Quinn và Paul
H. Quinn .
Mô tả hoạt động : Hệ thống kiểm soát lực bám của bánh xe và mặt đường
bằng cách sử dụng bột đá cẩm thạch được nằm trong một thùng chứa hình phễu đặt


Trong hình 1thể hiện sơ đồ khối điều khiển hệ thống , với việc lấy tín hiệu từ
cảm biến bánh xe sau đó đưa tín hiệu vào bộ xử lý trung tâm . Tại đây các tín hiệu
gửi từ cảm biến được xử lý và được so sánh với giá trị trượt tới hạn của xe. Nhờ đó
mà bộ điều khiển trung tâm có thể biết được mức độ trượt của xe và đưa ra lệnh
điều khiển đóng mở các van cấp và xả để điều chỉnh lượng nhiên liệu đi vào động
cơ một cách hợp lý nhất để xe có thể tăng tốc mà không xảy ra hiện tượng trượt
quay.


Hình 1: Sơ đồ khối điều khiển hệ thống .


Hình 2 : Thể hiện đặc tính điều khiển của hệ thống.

1.3) Hệ thống kiểm soát lực kéo thông minh.
Hầu hết các loại xe ôtô ngày nay đều được trang bị hệ thống phun xăng điện
tử, hoặc phun dầu điện tử, nên việc điều chỉnh, tác động vào động cơ trong quá
trình xảy ra hiện tượng trượt quay của bánh xe là dễ dàng hơn rất nhiều .
Các tín hiệu cảm biến vận tốc , gia tốc từ các bánh xe được gửi về bộ xử lý
trung tâm (ECU) vài trăm lần trong mỗi giây. ECU sẽ phân tích , xử lý các tín hiệu
nhận so sánh với dữ liệu sẵn có , nếu như ECU phát hiện xe đang bị trượt quay thì
ngay lập tức nó sẽ điều khiển thời gian phun nhiên liệu để giảm công suất của động
cơ , qua đó làm giảm lực kéo tại các bánh xe chủ động .
Ngoài ra đối với các động cơ xăng, ngoài việc tác động vào lượng phun nhiên
liệu để giảm công suất người ta còn điều khiển ngắt đánh lửa 1 hoặc 2 máy của
động cơ , làm công suất của động cơ giảm một cách nhanh chóng khi xe bị trượt
quay.

2) Thiết kế cơ cấu điều chỉnh tải động cơ .
Thông số kỹ thuật của động cơ .



Động cơ xe cần thiết kế là động cơ diesel sử dụng bơm phân phối có van điện
từ cắt nhiên liệu . Khi động cơ hoạt động, van điện từ được cấp điện, lò xo nén lại
và van đi lên phía trên , kết quả là cửa hút được thông với thân của bơm, nhiên liệu
được cung cấp.

Khi ngắt khóa điện , không còn lực từ giữ van nên lò xo đẩy van xuống, cửa
hút bị đóng lại và do đó nhiên liệu không được cung cấp cho động cơ nữa.


Lợi dụng điểm này của bơm cao áp nên ta có thể điều khiển việc đóng mở van
điện từ để điều khiển việc cung cấp nhiên liệu vào động cơ để giảm công suất động
cơ xuống một cách nhanh chóng khi xảy ra hiện tượng trượt quay của xe .

Mạch điều khiển đóng mở van điện từ cắt nhiên liệu theo tần số của ĐH SPKT
Hưng Yên .
Tuy nhiên đối với phương pháp này còn nhiều hạn chế do việc ngắt điện cấp
vào van cắt nhiên liệu nên có thể dẫn tới hiện tượng chết máy khi xe đang lên dốc,
điều này rất nguy hiểm . Ngoài ra việc điều khiển van ngắt nhiên liệu cũng không
mang lại hiệu quả khi không thể xác định được việc giảm công suất như thế nào
khi xe xảy ra trượt quay trong mỗi điều kiện đường xá khác nhau.
Do đó việc thiết kế cơ cấu điều chỉnh chiều dài dây ga khả thi hơn và có thể
điều chỉnh dễ dàng hơn.


2.2 Thiết kế cơ cấu điều chỉnh chiều dài dây ga

1- Động cơ điện


T, T1, T2 lần lượt là mômen xoắn của trục vít, trục bánh răng chính và trục động
cơ.
Giả sử hiệu suất của bộ giảm tốc là 100% , khi đó
T1=u.T2 với u là tỉ số truyền của bộ giảm tốc.
Mặt khác mômen xoắn trên trục động cơ phụ thuộc vào công suất và tốc độ của
động cơ theo công thức :
T2= 9,55.106. P/nđc (N.mm) ( Thiết kế tính toán hệ dẫn động cơ khí tập
1)
P: Công suất của động cơ (KW)

nđc : tốc độ của động cơ (vòng/phút)

T2=9,55.Pđc/nđc (N.m)
với Pđc : công suất của động cơ (W)
Do đó ta lựa chọn động cơ điện 1 chiều có các thông số sau :
Đường kính
Điện áp hoạt động
Cường độ dòng điện tối đa
Tốc độ vòng quay
Tại 5v, 1A

8,5mm
3v-7v
1,9A.
30.000-60.000 rpm
40.000 rpm

Chọn chế độ làm việc của động cơ tại 5V, 1A phù hợp với việc điều khiển
bằng các vi mạch điện tử.


dùng cảm biến encoder ( gồm một bóng phát quang và 1 cảm biến quang
photocell ) để xác định số vòng quay của bánh răng bị động bộ giảm tốc, qua đó
có thể xác định và điều khiển được đoạn dịch chuyển của dây ga.
Nguyên lý hoạt động cơ bản của encoder: đó là một đĩa tròn xoay quay quanh
trục và một cảm biến encoder . Trên đĩa có các lỗ (rãnh) .Trên encoder một đầu có
một đèn led chiếu lên mặt đĩa , một đầu còn lại là mắt nhận tín hiệu quang . Khi đĩa
quay, chỗ không có lỗ thì đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗđèn led sẽ
chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩacảm biến quang sẽ đưa ra các tín
hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua ta được những xung tín hiệu .

Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của encoder .
Trên bánh răng bị động của bộ giảm tốc có 8 khoảng đều nhau , lợi dụng điểm
này ta sử cảm biến encoder để đếm xung khi bánh răng này quay, với mỗi một
vòng quay mắt đọc encoder sẽ cho ra 8 xung .


Với việc sử dụng thêm mắt đọc encoder thì việc điều khiển cho cơ cấu hoạt
động sẽ trở nên đơn giản và đạt được độ chính xác cao hơn .

2.6 Giá đỡ
Giá đỡ được thiết kế để lắp lên cần điều chỉnh nhiên liệu của bơm cao áp ,
trên giá đỡ lắp động cơ bánh răng và trục vít để cơ cấu có thể làm việc được, trục
vít được tịnh tiến trong bạc đỡ nằm trong giá đỡ .


3. Đề xuất thuật toán điều khiển hệ thống

Sự thay đổi hệ số bám dọc và ngang theo độ trượt bánh xe.
Ở đây với φx và φy là hệ số bám dọc và hệ số bám ngang của bánh xe khi
phanh. Do khi bánh xe bị trượt quay và khi bánh xe bị trượt lết do phanh đều mất

Cách tính này ngược lại khi xe phanh, vì khi phanh bánh xe cầu sau bị lết, vận
tốc nhỏ hơn bánh xe cầu trước.
Khi hệ số trượt vượt qua ngưỡng trên thì hệ thống sẽ điều khiển cơ cấu điều
chỉnh dây ga hoạt động, nhả dây ga làm cho lượng nhiên liệu đi vào động cơ giảm
xuống . Mômen do động cơ truyền tới bánh xe chủ động giảm xuống , vận tốc bánh
xe chủ động giảm và khi độ trượt nằm trong giới hạn cho phép thì hệ thống sẽ điều
chỉnh cơ cấu kéo dây ga về vị trí ban đầu.
Với các cảm biến đặt ở 4 bánh xe gửi về bộ xử lý trung tâm của hệ thống để
đưa về thông số vận tốc của các bánh nhờ đó ta tính ra được độ trượt của xe khi
đang hoạt động. Ngoài ra với cảm biến encoder gửi về để tính toán độ dài dịch
chuyển của dây ga .


Sơ đồ khối điều khiển hệ thống.
Đề xuất mạch điều khiển hệ thống :
Với việc sử dụng động cơ có công suất nhỏ và cần lấy nhiều các giá trị để xử
lý và tính toán nên em chọn vi xử lý Atmega32 làm bộ xử lý trung tâm .


Đặc điểm của VXL:
• Sử dụng kiến trúc RISC AVR.
• AVR kiến trúc RISC có chỉ tiêu chất lượng cao và tiêu thụ ít năng lượng.
• 118 lệnh mạnh, hầu hết được thực hiện trong 1 chu kỳ xung nhịp.
• 32 kbytes RAM flash lập trình được ngay trên hệ thống. điều này cho phép ta có
thể thay đổi chương trình điều khiển mà không cần lấy chip ra khỏi mạch.
• Giao diện nối tiếp SPI để lập trình ngay trên hệ thống.
• Chịu được 100.000 lần ghi/ xoá.
• Bộ nhớ EEPROM 512 byte.
• Bộ biến đổi ADC 8 kênh, 10 bit tăng độ phân giải khi xử lý các biến tương tự
• 32x8 thanh ghi làm việc đa năng.

PB2 ( ngắt ngoài INT2) của vi xử lý để đếm số xung và qua đó có thể tính ra được
đoạn dịch chuyển của dây ga.
Chân điều khiển động cơ giống như một công tắc đóng ngắt cho động cơ, và
để đảo chiều quay của động cơ tương ứng với quá trình nhả ga hay thu dây ga về .
Động cơ được nối với một mạch cầu tranzito để có thể đảo chiều quay, mạch cầu
này được điều khiển qua 4 chân L1, L2,R1,R2 tương ứng với các chân PC0, PC1,
PC2, PC3 của vi xử lý. Muốn động cơ quay theo chiều thuận ta cấp điện vào các
chân L1 và R2 của mạch cầu , còn muốn động cơ quay ngược lại chỉ cần cấp điện
cho hai chân L2 và R1.
Nguyên lý làm việc của hệ thống :
Dựa vào các tín hiệu từ các cảm biến gửi về, Atmega 32 sẽ xử lý các tín hiệu
đó, tính toán , so sánh với giá trị ngưỡng trượt .Nếu xảy ra hiện tượng trượt quay
của bánh xe, vi xử lý sẽ đồng thời cấp điện vào hai chân PC0 và PC3, động cơ
được cấp điện làm quay bánh răng bị động , cùng lúc này mắt đọc cảm biến
encoder phát ra tín hiệu gửi về vi xử lý. Qua việc đếm xung mà encoder gửi về thì
vi xử lý sẽ tính ra độ dịch chuyển của dây ga ( cứ 8 xung bánh răng bị động quay
được 1 vòng và dây ga dịch chuyển 0,5mm) . Khi dây ga dịch chuyển được một
đoạn 1mm thì vi xử lý sẽ ngắt điện chân điều khiển động cơ, cơ cấu ngừng hoạt
động. Và vi xử lý lại tiếp tục tính toán độ trượt và so sánh với ngưỡng điều khiển
nếu như độ trượt nhỏ hơn giá trị cho phép thì lúc này vi xử lý sẽ mở hai chân PC1,
PC2 để điều khiển cơ cấu kéo dây ga về vị trí ban đầu.
Với những thông số trên em đưa ra khoảng dịch chuyển của dây ga trong quá
trình làm việc là 12mm và được chia ra thành 6 khoảng bằng nhau, mỗi khoảng
điều khiển tương ứng với 2mm và 32 xung của cảm biến encoder. Khi xảy ra hiện
tượng trượt quay , bộ xử lý sẽ điều khiển động cơ và làm dây ga giãn ra đồng thời


cảm biến encoder cũng gửi tín hiệu về bộ xử lý và khi vi xử lý đếm đủ 32 xung thì
sẽ ngừng cấp điện cho động cơ. Với việc điều khiển như vậy thì dây ga sẽ được
nhả ra mỗi lần 2mm cho tới khi bánh xe không còn trượt quay nữa , lúc này bộ xử

-

đầu dây ga gắn vào khớp cầu trên trục vít của cơ cấu,
Khởi động động cơ, chỉnh lại độ căng dây ga để đưa động cơ về quá trình

-

không tải,
Sau khi động cơ nổ ổn định, từ từ nhấn bàn đạp ga xem sự thay đổi tải của

-

động cơ trước và sau khi lắp cơ cấu lên,
Giữ nguyên vị trí bàn đạp ga, sau đó điều khiển cơ cấu để nhả dây ga 2mm,

-

nhả 6 lần và cách đều nhau.
Điều khiển cơ cấu kéo dây ga về vị trí ban đầu.

Kết quả : Với những thử nghiệm ban đầu cho kết quả khả quan về khả năng
làm việc của cơ cấu , cơ cấu đáp ứng khá nhanh trong quá trình làm việc. Do
điều kiện thử nghiệm còn hạn chế nên chưa thể đưa ra được các thông số về sự
thay đổi về tốc độ và công suất của động cơ và tần số đáp ứng của hệ thống.
Nhưng đây cũng là tiền đề để nghiên cứu và phát triển để hoàn thiện hệ thống
điều chỉnh công suất của động cơ trong quá trình trượt quay của bánh xe .