Mô phỏng hệ thống truyền động điện trên ô tô điện sử dụng hệ thống lái bốn bánh xe

LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 53
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRÊN Ô TÔ ĐIỆN 
SỬ DỤNG HỆ THỐNG LÁI BỐN BÁNH XE
SIMULATION OF ELECTRIC DRIVER SYSTEM FOR ELECTRIC 
CAR WITH FOUR WHEEL STEERING
Nguyễn Ngọc Tuấn1, Hồ Hữu Hùng2, Nguyễn Thành Công
3, Nguyễn Đình Cương4
Email: nguyenngoctuan66@gmail.com
1Công ty cổ phần Ô tô Trường Hải
2Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật công nghiệp
3Trường Đại học Giao thông Vận tải
4Trường Đại học Sao Đỏ
Ngày nhận bài: 02/11/2017 
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 24/12/2017 
Ngày chấp nhận đăng: 28/12/2017
Tóm tắt
Với nhiều ưu điểm nổi bật như khả năng điều khiển tốt, thân thiện với môi trường, ô tô điện đang là xu 
hướng phát triển trên toàn thế giới. Bài báo này trình bày nghiên cứu mô hình mô phỏng động lực học 
của ô tô điện với bốn động cơ điện độc lập tại bốn bánh xe bằng công cụ Matlab-Simulink, đánh giá hiệu 
quả điều khiển trong hai trường hợp ô tô chuyển làn và quay vòng với bán kính không đổi.
Từ khóa: Ô tô điện; động cơ điện tại bốn bánh xe; 4WS.
Abstract
With many outstanding features such as good control, environmentally friendly, electric cars are trending 
development in the world. This paper presents a study of the dynamics simulation model of electric cars 
with four independent electric motors in four wheels by tool Simulink of Matlab, evaluating the control 
effect in two cases of automobile change lanes and turn around.
Keywords: Electric car; 4-in wheels-motor; 4WS. 
1. ĐẶT VẤN ĐẾ
Đặc tính vận tốc lý tưởng của ô tô có dạng hypecbol 
như trên hình 1a. Khi xe chuyển động, nếu lực cản 
tăng thì vận tốc xe sẽ giảm dần, nếu lực cản giảm 
thì xe tăng dần vận tốc. Phạm vi thay đổi vận tốc 
của xe càng cao càng tốt và khả năng khắc phục 
lực cản của xe khi hoạt động càng rộng càng tốt. Để 
đáp ứng được điều kiện làm việc này, công suất của 
động cơ phải được giữ không đổi trên toàn bộ dải 
vận tốc.
Động cơ điện có đặc tính mômen và đặc tính công 
suất như hình 1b, phù hợp với điều kiện chuyển 
động của xe. Động cơ điện có phạm vi thay đổi 
mômen lớn, có thể hoạt động ở vận tốc rất thấp 
và phạm vi điều chỉnh vận tốc lớn nên sử dụng 
ô tô sẽ cho khả năng khắc phục tốt các điều kiện 
cản khác nhau, phù hợp với các trạng thái làm việc 
của ô tô.
Do động cơ điện có tính chất dễ điều khiển tốc 
độ nên đặc tính lực kéo gần giống với đặc tính 
lý tưởng của xe như hình 1c (tham khảo nghiên 
cứu tại [1]).
Hình 1. a) Đặc tính làm việc của ô tô; b) Đặc tính 
ngoài động cơ điện; c) Đặc tính kéo của ô tô điện
54
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017
Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu mô phỏng 
động lực học ô tô điện loại nhỏ, sử dụng bốn động 
cơ dẫn động trực tiếp bốn bánh xe; đánh giá khả 
năng điều khiển hướng chuyển động thông qua 
việc thay đổi dòng điện cấp cho các động cơ điện 
tại các bánh xe. 
2. CƠ SỞ NGHIÊN CỨU
Bài báo kế thừa mô hình mô phỏng động lực học 
của tác giả Lê Ngọc Trung với hệ thống lái bốn 
bánh xe dẫn hướng [2] để xây dựng mô hình mô 
phỏng chuyển động của xe bốn bánh chủ động với 
bốn động cơ điện đặt trong bánh xe như hình 2.
Hệ phương trình vi phân mô tả các chuyển động 
của ô tô trong mặt phẳng đường như sau:
cos cos cos cos
sin sin sin sin
cos cos cos cos (1)
sin sin sin sin
xfl fl xfr fr xrl rl xrr rr
yfl fl yfr fr yrl rl yrr rr f
yfl fl yfr fr yrl rl yrr rr
xfl fl xfr fr xrl rl xrr rr j
mx F F F F
F F F F P P
my F F F F
F F F F N P
d d d d
d d d d
d d d d
d d d d
= + + + −
− − + + − −
= + + + +
+ + − − + +


( sin sin ) ( cos cos )
( cos cos ) ( sin sin )
( cos - cos ) ( cos cos )
2 2
z xfl fl xfr fr yfl fl yfr fr
yrl rl yrr rr yfl fl yfr fr
xfl fl xfr fr xrl rl xrr rr si
J F F a F F a
F F b F F
B BF F F F M
ε d d d d
d d d d
d d d d
= + + + −
+ + − −
− − +∑

trong đó: m: khối lượng toàn bộ của xe; x : vận 
tốc xe theo phương dọc; y : vận tốc xe theo 
phương ngang; ε : gia tốc góc quay thân xe; 
, , ,xfl xfr xrl xrrF F F F : phản lực từ mặt đường lên các 
bánh xe theo phương x; , , ,yfl yfr yrl yrrF F F F : phản 
lực từ mặt đường lên các bánh xe theo phương y;
, , ,fl fr rl rrd d d d : góc quay của các bánh xe trước 
trái, trước phải, sau trái và sau phải; ,P Nw ,P Nw : lực 
cản không khí và thành phần lực quán tính theo 
phương trục y.
Hình 2. Các lực tác dụng lên xe khi quay vòng
Sự tương tác giữa lốp xe đàn hồi và mặt đường 
thông qua quan hệ giữa hệ số bám φ (gồm hệ 
số bám dọc φx, hệ số bám ngang φy) và độ trượt 
s (gồm độ trượt dọc sx, độ trượt ngang sy), phụ 
thuộc vào từng loại đường và góc lệch bên bánh 
xe α [3]. Mô phỏng mô hình lốp theo mối tương 
quan như sơ đồ hình 3.
Các giá trị Fx(sx,α,Fz) và Fy(sy,α,Fz) được xác định 
từ thực nghiệm.
Mô hình mô phỏng cho phép xác định được các 
giá trị vận tốc xe theo phương dọc x , vận tốc xe 
theo phương ngang y , vận tốc góc quay thân xe 
ε , vận tốc góc của các bánh xe, độ trượt của các 
bánh xe, các thành phần lực ngang và lực dọc tại 
bánh xe.
Hình 3. Sơ đồ mô tả lực tương tác 
của bánh xe đàn hồi
Vận tốc xe được xác định theo công thức (2):
2 2
xeV x y= +  (2)
Xây dựng thêm mô hình mô phỏng hệ thống lái 
bốn bánh xe dẫn hướng (4WS) được khảo sát 
như hình 4, hình 5 [4]. Khi xe chuyển động ở vận 
tốc cao thì các bánh xe cầu sau quay cùng chiều 
bánh xe cầu trước để đảm bảo quay vòng ổn 
định, ở vận tốc thấp thì các bánh xe cầu sau quay 
ngược chiều các bánh xe cầu trước nhằm tăng 
khả năng quay vòng ngoặt của xe.
Hình 4. Hai bánh xe cầu trước và cầu sau 
quay ngược chiều khi lái bốn bánh
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 55
Hình 5. Hai bánh xe cầu trước và cầu sau 
quay cùng chiều khi lái bốn bánh
Điều kiện động học quay vòng giữa các góc quay 
bánh xe trước và sau theo lý thuyết Ackerman khi 
không kể tới sự đàn hồi của lốp được xác định 
theo công thức (3):
cot cot
cot cot
cot cot
fr fl
fr fl
rr rl
B B
L L
d d
d d
d d
−
− = − ⋅
−
 (3)
Công thức (3) này đúng cho hai trường hợp quay 
vòng nêu trên và là điều kiện động học đúng cho 
hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng, làm cơ sở 
tính toán cho bộ điều khiển hướng chuyển động 
của xe.
Bán kính quỹ đạo khi quay vòng đúng được xác 
định theo công thức (4):
2
2 21
2( ) (cot cot )4 fl fr
cR b c d d= + + +
 (4)
Vận tốc góc quay thân xe mong muốn, tính theo 
điều kiện động học đúng như sau:
* xe
R
v
ε = (5)
Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển chuyển động quay 
vòng như hình 5.
Bài báo sử dụng điều khiển logic mờ (fuzzy logic) 
theo quy luật điều khiển PID nhằm hỗ trợ điều 
khiển chuyển động quay vòng cho xe. Bộ điều 
khiển thay đổi vận tốc động cơ điện bằng cách 
thay đổi cường độ dòng điện cấp vào động cơ 
nhằm mục đích hạn chế hiện tượng quay vòng 
thừa và quay vòng thiếu của xe. 
Bộ điều khiển sử dụng các tham số đầu vào là sai 
lệch e(έ ) (giữa vận tốc góc quay thân xe lý thuyết 
έ* và vận tốc góc quay thân xe thực tế έ) và mức 
biến thiên của sai lệch này ė(t):
2 1( ) * ; ( ) ( ) ( )e t e t e t e tε ε= − = −   (6)
Bộ điều khiển sẽ tính toán giá trị cường độ dòng 
điện hiệu chỉnh theo công thức:
( )( ) ( )P D I
de tI K e t K K e t
dt
D = + + ∫
(7)
Các hệ số KP, KI, K D, được chỉnh định trực tiếp 
thông qua công cụ mô phỏng hệ thống của Matlab 
-Simulink.
3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
3.1. Kết quả mô phỏng khả năng động lực học 
của xe
Mô hình mô phỏng sử dụng bốn động cơ điện, 
dẫn động trực tiếp bốn bánh xe. Ban đầu xe đứng 
yên, thay đổi dòng điện cấp vào động cơ để khảo 
sát sự thay đổi vận tốc của xe.
Kết quả mô phỏng trên hình 6 cho thấy, khi cấp 
dòng điện 190 A, ứng với giá trị mômen lớn nhất 
động cơ sinh ra là 370 Nm, tỷ số truyền i0 = 1, thì 
vận tốc lớn nhất của xe là 20 m/s (72 km/h), đạt 
được sau 20 s (đường II). Nếu i0 = 4 thì vận tốc 
lớn nhất là 31 m/s (112 km/h), đạt được sau 12 s 
(đường I).
Hình 6. Vận tốc dài của xe
3.2. Kết quả mô phỏng điều khiển chuyển 
động quay vòng
Bài báo mô phỏng trạng thái chuyển động chuyển 
làn của xe tại vận tốc không đổi và bằng 60 km/h, 
trên đường có hệ số bám cực đại là 0,7. Quy luật 
điều khiển vô lăng của người lái có dạng hình sin 
với biên độ 60 (ứng với góc lái 60 độ), chu kỳ 2 
(I) 
(II) 
28 
V (m/s) 
Th i gian (s) 
56
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017
giây (ứng với thời gian chuyển làn là 2 giây) như 
hình 7a. Xe sử dụng hệ truyền động bốn động cơ 
điện dẫn động trực tiếp bốn bánh xe.
Khi xe chuyển động quay vòng thiếu, bộ điều 
khiển tác động thay đổi dòng điện tới các động 
cơ. Khi đó, mômen cấp xuống hai động cơ bên 
trái tăng lên, mômen hai động cơ bên phải giảm 
xuống (hình 7e) làm thay đổi vận tốc của các 
động cơ điện tương ứng hỗ trợ chuyển động 
quay vòng của xe, giúp xe quay vòng theo quỹ 
đạo đúng. Sau khi chuyển làn, góc quay thân 
xe bằng không cho thấy xe có thể trở về trạng 
thái chuyển động thẳng song song với hướng 
chuyển động ban đầu mà không cần sự điều 
chỉnh từ người lái (hình 7c). Đồ thị hình 7d cho 
thấy: khi xe chuyển làn với cùng một góc quay 
vành lái thì dịch chuyển ngang của xe khi có bộ 
điều khiển sẽ lớn hơn. Do đó, để đạt được cùng 
một mức độ chuyển làn thì người lái chỉ cần 
đánh lái với góc quay nhỏ hơn khi có bộ điều 
khiển tác động.
Với trường hợp quay vòng ở vận tốc thấp, bài 
báo trình bày kết quả mô phỏng khi quay vòng 
với góc quay vành lái không đổi và bằng 180o, 
ở vận tốc xe 30 km/h, trên đường có hệ số bám 
cực đại là 0,7. Vận tốc góc quay thân xe lớn hơn 
(hình 8a); mômen của động cơ điện cấp cho 
các bánh xe bên trái giảm, mômen của động cơ 
điện cấp cho các bánh xe bên phải tăng (hình 
8b) giúp giảm bán kính quay vòng của xe.
Hình 8. Xe quay vòng với góc quay vô lăng không đổi 180o tại vận tốc 30 km/h
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 57
Khi không sử dụng bộ điều khiển, xe chuyển động 
trên các cung tròn khác nhau và ngày càng đi lệch 
quỹ đạo mong muốn. Khi bộ điều khiển làm việc, 
bán kính quay vòng của xe giảm xuống, và xe 
chuyển động trên quỹ đạo tương ứng với bán 
kính không đổi (hình 9).
Hình 9. Quỹ đạo chuyển động khi góc quay
vô lăng cố định góc 180o
4. KẾT LUẬN
Bài báo đã khảo sát chuyển động quay vòng 
của xe trong hai trường hợp chuyển làn và quay 
vòng, kết quả cho thấy khi có điều khiển của các 
động cơ điện thì quỹ đạo của ô tô về gần với 
quay vòng đúng làm tăng khả năng ổn định và 
tính cơ động của ô tô.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Phan Văn Hùng (2013). Nghiên cứu, thiết kế, tính 
toán hệ thống động lực hiện cho ô tô con. Luận 
văn thạc sĩ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
[2]. Lê Ngọc Trung (2008). Mô phỏng chuyển động 
của ô tô 4 bánh dẫn hướng. Luận văn thạc sĩ khoa 
học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
[3]. Nguyễn Khắc Trai (1997). Tính điều khiển và quỹ 
đạo chuyển động của ô tô. Nhà xuất bản Giao 
thông Vận tải.
[4]. Reza N. Jazar (2008). Vehicle Dynamic: Theory 
and Application. Springer.
[5]. Kiyotaka Kawashima, Toshiyuki Uchida, Yoichi 
Hori (2009). Rolling Stability Control Based on 
Electronic Stability Program for In-wheel-motor 
Electric Vehicle. World Electric Vehicle Journal 
Vol. 3, May 13-16.
[6]. Rongrong Wang and Junmin Wang (2011). 
Stability Control of Electric Vehicles with Four 
Independently Actuated Wheels. The 50th 
IEEE Conference on Decision and Control and 
European Control Conference (CDC-ECC) 
Orlando, FL, USA, December 12-15.