BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VÕ DUY THÀNH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ
BỘ QUAN SÁT HỆ SỐ TRƯỢT
VÀ ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ TUYỆT ĐỐI
CHO ĐIỀU KHIỂN LỰC KÉO CỦA Ô TÔ ĐIỆN

Ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 9520216

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – 2019


Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Tạ Cao Minh

Phản biện 1: GS. TS. Lê Hùng Lân
Phản biện 2: PGS. TS. Hồ Hữu Hải
Phản biện 3: PGS. TS. Nguyễn Thanh Tiên

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp
Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Nam, tác giả lựa chọn đề tài có tên gọi: "Nghiên cứu thiết kế bộ quan
sát hệ số trượt và ước lượng tốc độ tuyệt đối cho điều khiển lực kéo
của ô tô điện".
Luận án tập trung nghiên cứu về các lĩnh vực sau của xe ô tô điện.
-

-

Nghiên cứu thiết kế các bộ quan sát và ước lượng trạng thái
của xe ô tô điện. Cụ thể, luận án tập trung giải quyết vấn đề
ước lượng hệ số trượt của xe ô tô, một trong những trạng thái
tiên quyết đảm bảo vận hành an toàn và tin cậy của xe cũng
như người lái và hành khách.
Điều khiển chuyển động xe ô tô điện bằng cách thiết kế các
bộ điều khiển chống trượt và điều khiển lực kéo. Các thuật
1


toán điều khiển sử dụng kết quả của các nghiên cứu về ước
lượng hệ số trượt.
Cấu trúc của luận án
-

-

-

-

Chương 1 tổng quan về đối tượng nghiên cứu, phạm vi và các

men trên cơ sở ước lượng hệ số trượt
Đề xuất bộ điều khiển lực kéo trên cơ sở giới hạn mô men
truyền cực đại.

2


CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Đối tượng và nội dung nghiên cứu
Khi vấn đề về sử dụng năng lượng hóa thạch cùng các ảnh hưởng
của biến đổi khí hậu đang diễn ra trên toàn cầu thì xe ô tô chạy bằng
năng lượng thuần điện (gọi tắt là ô tô điện) trở thành một giải pháp tất
yếu cho một môi trường xanh và sạch. Ô tô điện trong luận án được
giới hạn là loại phương tiện giao thông chở người, dưới 9 chỗ, có bốn
bánh xe gắn với một thân độc lập, được truyền động bởi động cơ điện
và cấp nguồn từ hệ thống ắc quy.
Điều khiển ô tô điện, về cơ bản, có thể được chia làm năm nhóm
chính gồm: (1) điều khiển động cơ truyền động, (2) Điều khiển chuyển
động của xe ô tô, (3) quản lý tối ưu các nguồn năng lượng, (4) điều
khiển tự lái và (5) ước lượng tham số xe ô tô điện. Luận án tập trung
nghiên cứu về các lĩnh vực sau của xe ô tô điện.
•

•

Đối với nghiên cứu về ước lượng, hệ số trượt 𝜆 được lựa chọn làm
đối tượng nghiên cứu. Căn cứ theo phương trình tính hệ số trượt,
luận án sẽ ước lượng hệ số trượt theo hai hướng:
- Ước lượng trực tiếp 𝜆 thông qua mô hình, cụ thể là mô hình

- Yêu cầu về tính khả thi. Các thuật toán ước lượng phải đảm
bảo đơn giản để có thể triển khai thời gian thực trên các nền
tảng xử lý số.
Yêu cầu đối với bộ điều khiển lực kéo
Yêu cầu về tính ổn định: tính ổn định của bộ điều khiển cần phải
được khảo sát và chứng minh.
Yêu cầu về tính khả thi: thuật toán điều khiển cần đủ đơn giản để
triển khai thời gian thực trên các bộ điều khiển số như vi điều
khiển, DSP.

1.3. Phương hướng thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu
Hình 1.18 mô tả các nội dung cụ thể cũng như phương hướng thực
hiện nghiên cứu.
Đối với nhiệm vụ ước lượng hệ số trượt, luận án tiến hành theo
hai hướng. Thứ nhất, luận án đề xuất bộ ước lượng và quan sát hệ số
trượt dựa trên mô hình động học của chính đối tượng ước lượng. Thứ
hai, xác định hệ số trượt được thực hiện thông qua việc ước lượng vận
tốc dài xe ô tô điện. Các kết quả ước lượng được kiểm chứng bằng mô
phỏng off-line trên máy tính, mô phỏng thực nghiệm trên mô hình
Hardware-in-the-loop (HIL) và bằng thực nghiệm trên xe ô tô điện iMiEV do Mitsubishi sản xuất.
Trên cơ sở hệ số trượt đã ước lượng, luận án đề xuất các thuật toán
điều khiển chống trượt và điều khiển lực kéo xe ô tô điện. Chất lượng
của các bộ điều khiển được kiểm chứng bằng mô phỏng off-line và mô
phỏng thực nghiệm HIL trên nền tảng card điều khiển dSPACE DS1103.

4


Hình 1.18. Phương hướng thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu



(2.3b)

với, 𝑎𝑥 và 𝑎𝑦 tương ứng là gia tốc dọc trục và ngang trục của xe, 𝑟 là
tốc độ quay quanh thân xe (yaw rate), 𝑣𝑥 và 𝑣𝑦 lần lượt là vận tốc dọc
và ngang trục của xe ô tô.
2.2.2. Mô hình động lực học xe ô tô
1. Mô hình các lực tác dụng lên xe
m𝑎𝑥 = (𝐹𝑥1 + 𝐹𝑥2 ) cos δ − (𝐹𝑦1 + 𝐹𝑦2 ) sin δ + 𝐹𝑥3
+ 𝐹𝑥4 − 𝐹𝑎𝑖𝑟
6

(2.4a)


𝑚𝑎𝑦 = (𝐹𝑥1 + 𝐹𝑥2 ) 𝑠𝑖𝑛 𝛿 + (𝐹𝑦1 + 𝐹𝑦2 ) 𝑐𝑜𝑠 𝛿
+𝐹𝑦3 + 𝐹𝑦4

(2.4b)

𝐽𝑧 𝑟̇ = 𝑙𝑓 (𝐹𝑥1 + 𝐹𝑥2 ) 𝑠𝑖𝑛 𝛿 + 𝑙𝑓 (𝐹𝑦1 + 𝐹𝑦2 ) 𝑐𝑜𝑠 𝛿
𝑏𝑓
− 𝑙𝑟 (𝐹𝑦3 + 𝐹𝑦4 ) − (𝐹𝑥1 − 𝐹𝑥2 ) 𝑐𝑜𝑠 𝛿
(2.4c)
2
𝑏𝑓
𝑏𝑟
+ (𝐹𝑦1 − 𝐹𝑦2 ) 𝑠𝑖𝑛 𝛿 − (𝐹𝑥3 − 𝐹𝑥4 )
2
2

𝑅𝑒𝑓𝑓 ω𝑖 − 𝑣𝑥
max(𝑅𝑒𝑓𝑓 ω𝑖 , 𝑣𝑥 )
7

(2.12)


Với 𝑅𝑒𝑓𝑓 là bán kính bánh xe, 𝜔𝑖 là tốc độ quay của bánh xe thứ 𝑖
-

Góc trượt ngang của các bánh xe được tính theo:
𝑣𝑦 + 𝑙𝑓 𝑟
𝛼1 = 𝛿 − arctan (
)
𝑏𝑓
𝑣𝑥 − 𝑟
2

(2.15a)

𝑣𝑦 + 𝑙𝑓 𝑟
𝛼2 = 𝛿 − arctan (
)
𝑏𝑓
𝑣𝑥 + 𝑟
2

(2.15b)

𝛼3 = − 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 (

truyền được tính theo công thức: 𝑇𝑡 = 𝐾𝑖 𝑇𝑒 với 𝑇𝑒 là mô men đầu ra
của động cơ. Phương trình cân bằng mô men tại trục của bộ truyền
được viết như sau:
𝐽𝑥

𝑑𝜔
= 𝑇𝑡 − 𝑅𝑒𝑓𝑓 𝐹𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 − 𝑇𝑏
𝑑𝑡

(2.18)

= 𝐾𝑖 𝑇𝑒 − 𝑅𝑒𝑓𝑓 𝐹𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 − 𝑇𝑏
Với 𝐹𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = ∑4𝑖=1 𝐹𝑥𝑖 là tổng lực dọc trục trên các bánh xe đã quy đổi
về trục của bộ truyền. Động cơ truyền động được mô hình đơn giản
bằng một khâu trễ bậc nhất với hệ số khuếch đại 𝐾𝑚 và hằng số thời
gian 𝑇𝑚 .
2.4. Mô hình HIL của xe ô tô điện
Với hệ thống các mô hình và phương trình đã đề cập, hệ thống
HIL được xây dựng với cấu hình được mô tả trên Hình 2.12. Mô hình
HIL được biên dịch và chạy thời gian thực trên card điều khiển
dSPACE DS-1103 như thể hiện trên Hình 2.16.

Hình 2.12. Cấu hình hệ HIL xe ô tô điện
Hình 2.16. Hệ thống HIL
xe ô tô điện

2.5. Kết quả kiểm chứng mô hình
Mô hình HIL được kiểm chứng thông qua hai thử nghiệm mang
tính đại diện gồm đi thẳng và đánh lái theo chu kỳ. Các kết quả được
trình bày trên các Hình 2.17 và 2.18.


Hình 3.4. Các tín hiệu và
phương sai động

𝑅𝑖 = (𝜉 + 1)𝑖𝑅, 𝑖 = 2,3 … 𝑛 − 1

(3.13)

Trong đó, 𝜉 là hệ số cập nhật và được đề xuất trên cơ sở Hình 3.4 như
sau:
10


𝑥𝑘−𝑛 − 𝑥𝑘
|
𝜉 = tan 𝛼 = |
𝑇𝑠

(3.11)

Với 𝑇𝑠 là chu kỳ trích mẫu thực của cảm biến (khác với 𝑇𝑐 là chu kỳ
trích mẫu điều khiển, yêu cầu nhanh hơn 𝑛 lần so với 𝑇𝑠 ).
Để đánh giá chất lượng của bộ M-MKF, hai dạng tín hiệu tiêu biểu
là hình sin và hình tam giác được thử nghiệm mô phỏng. Các kết quả
mô phỏng kiểm chứng được trình bày trên các Hình 3.7 và 3.8. Trong
đó, tín hiệu gốc được so sánh với các tín hiệu trích mẫu chậm (có kèm
nhiễu) và tín hiệu sau bộ M-MKF. Ngoài ra, bộ M-MKF còn dược so
sánh với bộ Multirate Kalman Filter tiêu chuẩn đề thấy được sự cải
tiến. Kết quả được trình bày kỹ hơn trong luận án chi tiết.


𝜔 𝜔

(3.24)

Để đảm bảo phép ước lượng hội tụ, luận án đề xuất bộ quan sát hệ
số trượt:
𝑎𝑥
𝜔̇ 𝜔̇
𝜆̂̇ = −
− 𝜆̂ + + 𝑘(𝜆̂)(𝑎𝑥 − 𝜆̂𝑔)
𝑅𝑒𝑓𝑓 𝜔
𝜔 𝜔

(3.31)

Với 𝑘(𝜆̂) là hệ số khuếch đại bộ quan sát và cần đảm bảo điều kiện
sau:
𝑘(𝜆̂) >

𝜔̇ 1
𝜔𝑔

(3.34)

Khả năng của bộ quan sát được đánh giá trước hết thông qua thử
nghiệm mô phỏng với xe chạy trên mặt đường tốt và bất ngờ gặp đoạn
đường trơn (trong 5s). Các kết quả mô phỏng được trình bày trong
Hình 3.12.

b) Hệ số trượt đo và ước lượng

𝐽 = 𝐸 [𝑥̃ 2 ] = 𝐸[(𝑘1 (𝑥 + 𝑣1 ) + 𝑘2 (𝑥 + 𝑣2 )
+𝑘3 (𝑥 + 𝑣3 ) − 𝑥)2 ]

(3.39)

(3.42)

Với 𝐸 [𝑥̃ ] và 𝐸 [𝑥̃ 2 ] lần lượt là kỳ vọng và phương sai của sai số phép
ước lượng. Giải các phương trình trên và phương trình đạo hàm riêng
của phương sai đối với các 𝑘𝑖 thì sẽ có được giá trị của các trọng số
này theo phương sai của từng phép đo 𝜎𝑖2 như sau:
𝑘1 =

𝜎22 𝜎32
𝜎12 𝜎22 + 𝜎22 𝜎32 + 𝜎12 𝜎32

(3.49)

𝑘2 =

𝜎12 𝜎32
𝜎12 𝜎22 + 𝜎22 𝜎32 + 𝜎12 𝜎32

(3.47)

𝑘3 =

𝜎12 𝜎22
𝜎12 𝜎22 + 𝜎22 𝜎32 + 𝜎12 𝜎32


(3.53)

Trong đó, 𝑒𝑥 và 𝑒𝑎 là các hằng số có giá trị nhỏ tương ứng với gia tốc
và vị trí chân ga để phân biệt các giai đoạn của vận tốc. 𝑝𝑎 và 𝑝𝑏 là vị
trí chân ga và chân phanh.
CHƯƠNG 4
ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG XE Ô TÔ ĐIỆN
4.1. Điều khiển giới hạn hệ số trượt
Dựa trên hệ số trượt đã
ước lượng được, thuật toán
điều khiển giới hạn hệ số trượt
được đề xuất với hoạt động
theo kiểu bù feedforward và
cấu hình hệ thống bù được
trình bày trong Hình 4.2. Hệ
Hình 4.2. Cấu hình hệ thống điều
thống điều khiển này cho phép
khiển giới hạn hệ số trượt
hạn chế hệ số trượt dưới giá trị
cho phép nhằm khống chế độ trượt của xe trong vùng an toàn.

Hình 4.3. Luật bù kiểu 1

Hình 4.5. Luật bù kiểu 2

Luật bù được mô tả trên Hình 4.3 và 4.5. Trong đó, Hình 4.3 trình
bày luật bù thứ nhất cho kết quả bị dao động tần số cao ở lượng đặt
14





Chất lượng của bộ điều khiển kiểu bù được mô phỏng kiểm chứng
và được trình bày trong các Hình 4.8 và 4.9. Trước hết, có thể thấy hệ
số trượt đã được giữ ổn định tại giá trị điều khiển (Hình 4.8) hay dao
động quanh giá trị cố định (Hình 4.9).
4.2. Điều khiển chống trượt trên cơ sở ước lượng mô men truyền
cực đại
Mô men truyền cực đại được sử dụng cho việc giới hạn mô men
đặt từ phía người lái để đảm bảo xe vận hành ổn định trên các điều
kiện mặt đường không tốt. Theo công trình khoa học ban đầu đã công
bố, mô men truyền cực đại được tính như sau:
𝐽𝑤
𝑇𝑚𝑎𝑥 = (
2 + 1) 𝑅𝑒𝑓𝑓 𝐹𝑑
α𝑚𝑅𝑒𝑓𝑓

(4.7)

Với 𝛼 là tỉ số giữa gia tốc xe và gia tốc bánh xe, 𝐹𝑑 là lực lái của xe ô
tô và được ước lượng theo công thức
𝐹𝑑 =

𝑇
𝑅𝑒𝑓𝑓

−

𝐽𝑤 ω̇
𝑅𝑒𝑓𝑓


Hình 4.10. Cấu trúc bộ điều khiển

Việc khảo sát và chứng minh tính ổn định của hệ thống điều khiển
đã được trình bày chi tiết trong quyển luận án.
Việc kiểm chứng hệ thống điều khiển được đánh giá trước hết qua
mô phỏng với việc lựa chọn các hệ số chỉnh định 𝜅 khác nhau. Việc
khảo sát sự ảnh hưởng của đáp ứng điều khiển khi thay đổi 𝜅 được đề
cập kỹ trong quyển luận án.
Các Hình 4.14 và 4.16 mô tả kết quả mô phỏng và so sánh các giá
trị khi thay đổi 𝜅 với phương pháp nguyên bản. Thử nghiệm cho thấy
với giá trị 𝜅 = 20 cho kết quả tốt nhất khi hệ số trượt được khống chế
ở mức không đổi.

Hình 4.14. Tốc độ của xe và bánh xe

17

Hình 4.16. Hệ số trượt


CHƯƠNG 5
XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
5.1. Xây dựng hệ thống thực nghiệm
5.1.1. Hệ thống thu thập và xử lý dữ liệu
Hệ thống thu thập dữ liệu có nhiệm vụ đo các tín hiệu từ hệ cảm
biến chuyển động, kết nối với mạng CAN trên xe ô tô thử nghiệm là
xe ô tô điện i-MiEV do Mitsubishi sản xuất. Từ đó, áp dụng các thuật
toán để ước lượng hệ số trượt và vận tốc dài theo yêu cầu đề ra. Hệ
thống phần cứng gồm một mạch Vi điều khiển dòng dsPIC30F và một

Hình 5.6. Hệ thống điều khiển và
mô phỏng kiểu Signal HIL

5.2. Kết quả thực nghiệm
5.2.1. Nâng cao tốc độ trích mẫu cảm biến với M-MKF
Bộ M-MKF được thử nghiệm trên hai loại cảm biến gồm (1) đo
tốc độ quay của bánh xe có độ phân giải 36 xung/vòng và hoạt động ở
tốc độ 10Hz, và (2) cảm biến GPS hoạt động ở tần số 10Hz. Với bộ
M-MKF, cả hai cảm biến này được nâng tốc độ trích mẫu lên 500Hz.
19


Hình 6.5 và 6.6 trình bày chất lượng của bộ M-MKF trong việc nâng
cao tốc độ làm việc của các cảm biến này.

Hình 5.11. M-MKF với encoder
bánh xe

Hình 5.12. M-MKF với GPS

5.2.2. Ước lượng hệ số trượt không dùng thông tin vận tốc
Cấu hình hệ thống
ước lượng hệ số trượt
được trình bày trên
Hình 6.7. Tốc độ cập
nhật hệ số trượt được
đặt ra là 500Hz. Vì vậy,
Hình 5.13. Cấu hình hệ thống thực nghiệm
tốc độ bánh xe đo thông
ước lượng hệ số trượt

Hình 5.16b. Hệ số trượt

21


5.2.4. Điều khiển giới hạn hệ số trượt

b) Vận tốc xe và bánh xe

b) Vận tốc xe và bánh xe

c) Hệ số trượt đo và ước lượng

c) Hệ số trượt đo và ước lượng

Hình 5.18. Kết quả với bộ bù kiểu 1

Hình 5.19. Kết quả với bộ bù kiểu 2

Điều khiển giới hạn hệ số trượt được thử nghiệm trên hệ thống mô
phỏng thời gian thực kiểu Signal HIL với nền tảng dSPACE DS-1103.
Kết quả thử nghiệm được trình bày trên các Hình 6.12 và 6.13 với hai
bộ bù khác nhau. Nhìn chung, tốc độ bánh xe và hệ số trượt trong cả
hai bộ bù đều được giữ ổn định. Hệ số trượt ước lượng bám rất sát với
hệ số trượt đo thực tế trong mô hình.
5.2.5. Điều khiển giới hạn mô men truyền cực đại
Kết quả thử nghiệm phương pháp điều khiển giới hạn mô men
truyền cực đại được trình bày trên các hình từ Hình 6.14 tới Hình 6.17.
Các hệ số chỉnh định 𝜅 cũng được thử nghiệm với ba giá trị như trong
phần mô phỏng gồm 𝜅 = 2,78; 20 và 50. Các kết quả điều khiển cũng


23