Статьи по теме "Электрика и электроника"

Электромеханический стояночный тормоз

Электромеханический стояночный тормоз (Electromechanical Parking BrakeEPB) является современной конструкций стояночной тормозной системы, в которой используется электромеханический привод тормозных механизмов.

Электромеханический стояночный тормоз выполняет следующиефункции:

  • удержание автомобиля на месте при стоянке;
  • аварийное торможение при движении автомобиля;
  • удержание автомобиля при трогании на подъеме.

Система EPB устанавливается на задние колеса автомобиля. Электромеханический стояночный тормоз имеет следующее общее устройство:

В системе используются штатные тормозные механизмы, конструктивные изменения внесены в рабочие цилиндры.

Тормозной привод устанавливается на суппорте тормозного механизма. Тормозной привод преобразует электрическую энергию бортовой сети в поступательное движение тормозных колодок. Для выполнения возложенных функций привод включает следующие конструктивные элементы:

  • электродвигатель;
  • ременная передача;
  • планетарный редуктор;
  • винтовой привод.

Все элементы находятся в одном корпусе. Вращательное движение электродвигателя через ременную передачу передается на планетарный редуктор. Применение планетарного редуктора обусловлено снижением уровня шума, массы привода, а также существенной экономией пространства. Редуктор осуществляет перемещение винтового привода, который в свою очередь обеспечивает поступательное движение поршня тормозного механизма.

Электронная система управлениястояночным тормозом объединяет:

  • входные датчики;
  • блок управления;
  • исполнительные механизмы.

К входным датчикам относятся кнопка включения тормоза, датчик уклона, датчик педали сцепления. Кнопка включениярасполагается на центральной консоли автомобиля. Датчик уклона интегрирован в блок управления. Датчик педали сцепления расположен на приводе сцепления и фиксирует два параметра – положение и скорость отпускания педали сцепления.

Блок управления преобразует сигналы датчиков в управляющие воздействия на исполнительные устройства. В своей работе блок управления взаимодействует с системой управления двигателем исистемой курсовой устойчивости ESP.

В роли исполнительного механизма системы управления выступает электродвигатель привода.

Принцип работы электромеханического стояночного тормоза

Работа электромеханического стояночного тормоза носит циклический характер: включение – выключение.

Включение стояночного тормоза производится нажатием кнопки на центральной консоли. При этом активируется электродвигатель, который посредством редуктора и винтового привода производит притягивание тормозных колодок к тормозному диску. Тормозной диск жестко фиксируется.

Выключение электромеханического стояночного тормозапроизводится автоматически при трогании автомобиля с места. Предусмотрено выключение тормоза вручную при нажатой педали тормоза. При выключении стояночного тормоза блок управления анализирует следующие параметры:

  • величину уклона;
  • положение педали газа (от блока управления двигателем);
  • положение и скорость отпускания педали сцепления.

Это позволяет производить своевременное выключение стояночного тормоза, в том числе выключение с временной задержкой, предотвращающее откатывание автомобиля при трогании на подъеме.

Система впрыска

На современных автомобилях используются различные системы впрыска топлива. Система впрыска (другое наименование - инжекторная система, от injection – впрыск) как следует из названия, обеспечивает впрыск топлива.

Система впрыска используется как на бензиновых, так и дизельных двигателях. Вместе с тем, конструкции и работа систем впрыска бензиновых и дизельных двигателей существенным образом различаются.

В бензиновых двигателях с помощью впрыска образуется однородная топливно-воздушная смесь, которая принудительно воспламеняется от искры. В дизельных двигателях впрыск топлива производится под высоким давлением, порция топлива смешивается со сжатым (горячим) воздухом и почти мгновенно воспламеняется. Давление впрыска определяет величину порции впрыскиваемого топлива и соответственно мощность двигателя. Поэтому, чем больше давление, тем выше мощность двигателя.

Система впрыска топлива является составной частью топливной системы автомобиля. Основным рабочим органом любой системы впрыска является форсунка (инжектор).

Системы впрыска бензиновых двигателей

В зависимости от способа образования топливно-воздушной смеси различают следующие системы впрыска бензиновых двигателей:

Системы центрального и распределенного впрыска являются системами предварительного впрыска, т.е. впрыск в них производится не доходя до камеры сгорания - во впускном коллекторе.

Центральный впрыск (моновпрыск) осуществляется одной форсункой, устанавливаемой во впускном коллекторе. По сути это карбюратор с форсункой. В настоящее время системы центрального впрыска не производятся, но все еще встречаются на легковых автомобилях. Преимуществами данной системы являются простота и надежность, а недостатками - повышенный расход топлива, низкие экологические показатели.

Система распределенного впрыска (многоточечная система впрыска) предполагает подачу топлива на каждый цилиндр отдельной форсункой. Образование топливно-воздушной смеси происходит во впускном коллекторе. Является самой распространенной системой впрыска бензиновых двигателей. Ее отличает умеренное потребление топлива, низкий уровень вредных выбросов, невысокие требования к качеству топлива.

Перспективной является система непосредственного впрыска. Впрыск топлива осуществляется непосредственно в камеру сгорания каждого цилиндра. Система позволяет создавать оптимальный состав топливно-воздушной смеси на всех режимах работы двигателя, повысить степень сжатия, тем самым обеспечивает полное сгорание смеси, экономию топлива, повышение мощности двигателя, снижение вредных выбросов. С другой стороны ее отличает сложность конструкции, высокие эксплуатационные требования (очень чувствительна к качеству топлива, особенно к содержанию в нем серы).

Системы впрыска бензиновых двигателей могут иметь механическое или электронное управление. Наиболее совершенным является электронное управление впрыском, обеспечивающее значительную экономию топлива и сокращение вредных выбросов.

Впрыск топлива в системе может осуществляться непрерывно или импульсно (дискретно). Перспективным с точки зрения экономичности является импульсный впрыск топлива, который используют все современные системы.

В двигателе система впрыска обычно объединена с системой зажигания и образует объединенную систему впрыска и зажигания (например, системы Motronic, Fenix). Согласованную работу систем обеспечивает система управления двигателем.

Системы впрыска дизельных двигателей

Впрыск топлива в дизельных двигателях может производиться двумя способами: в предварительную камеру или непосредственно в камеру сгорания.

Двигатели с впрыском в предварительную камеру отличает низкий уровень шума и плавность работы. Но в настоящее время предпочтение отдается системам непосредственного впрыска. Несмотря на повышенный уровень шума, такие системы имеют высокую топливную экономичность.

Определяющим конструктивным элементом системы впрыска дизельного двигателя является топливный насос высокого давления(ТНВД).

На легковые автомобили с дизельным двигателем устанавливаются различные конструкции систем впрыска:

  • система впрыска с рядным ТНВД;
  • система впрыска с распределительным ТНВД;
  • система впрыска насос-форсунками;
  • система впрыска Сommon Rail.

Прогрессивные системы впрыска - насос-форсунки и система Сommon Rail.

В системе впрыска насос-форсунками функции создания высокого давления и впрыска топлива объединены в одном устройстве – насос-форсунке. Насос-форсунка имеет постоянный (неотключаемый) привод от распределительного вала двигателя, поэтому подвержена интенсивному износу. Это качество насос-форсунки направляет предпочтения автопроизводителей в сторону системы Сommon Rail.

Работа системы впрыска Common Rail основана на подаче топлива к форсункам от общего аккумулятора высокого давления – топливной рампы (в переводе common rail - общая рампа). Другое название системы - аккумуляторная система впрыска. Для снижения уровня шума, улучшения самовоспламенения и снижения вредных выбросов в системе реализован многократный впрыск топлива - предварительный, основной и дополнительный.

Системы впрыска дизельных двигателей могут иметь механическое или электронное управление. В механических системах регулирование давления, объема и момента подачи топлива производится механическим способом. Электроника образуетсистему управления дизелем.

Телеметрия и Traction control для моно приводного автомобиля участвующего в соревнованиях по Drag Racing

Телеметрия и Traction control для моно приводного автомобиля участвующего в соревнованиях по Drag Racing.

Задача разработки телеметрии возникла спонтанно в начале сезона Drag Racing 2005 года в процессе доводки автомобиля 2108-РПД командой DTT Motorsport. Доводка автомобиля должна была базироваться на тестах с применением объективных средствах оценки динамических характеристик, технически можно было использовать прибор G-tech PRO SS, однако как показала практика при последовательных замерах его точность была неудовлетворительной, поэтому очевидным решением было разработать собственную телеметрию. Кроме того планировалось создание системы контролирующей пробуксовку ведущих колес. Система разрабатывалась и отлаживалась на протяжении октября 2005 года ударными темпами.

Сердцем системы являлся однокристальный микроконтроллер C8051F023 производимый фирмой Silicon Laboratories. Микроконтроллер работает с тактовой частотой 14745600гц, что обеспечивает ему производительность около 14mips. (для сравнения ЭБУ Январь-7.2 - 2.66mips). Микроконтроллер имеет развитую систему периферии, что позволило реализовать практически всю обработку датчиков аппаратно с использованием модулей захвата. Поскольку микроконтроллер не имеет математического сопроцессора - 32-х разрядная целочисленная арифметика необходимая для решения задач расчета скорости и пробуксовки была реализована программно. Программирование микроконтроллера осуществляется внутрисхемно по интерфейсу JTAG.

К микроконтроллеру по протоколу I2C подключена энергонезависимая память 24C512 объемом 64к для оперативного сохранения результатов заездов и настроек системы.

Для связи микроконтроллера с ПК используется стандартный последовательный порт RS232 в асинхронном режиме 9600:8:N:1. согласование уровней RS232-TTL осуществляется посредством ИМС MAX232.

В качестве датчиков угловой скорости колес были применены решения аналогичные применяемым в современных системах АБС. Индуктивные датчики взяты от ГАЗ 3110 (передние) и ДПКВ ВАЗ-2112 (задние). Для ускорения процедуры разработки системы и обхода всех возможных "граблей" было принято решение позаимствовать входные каскады обработки сигналов с индуктивных датчиков из блока АБС фирмы BOSCH, с древнего автомобиля БМВ-5 где они были выполнены на специализированной ИМС разработанной BOSCH. Микросхема вместе с ее аналоговой обвязкой была переставлена в модуль управления и ее цифровые выходы были подключены непосредственно к микроконтроллеру.

Для участия в соревнованиях были спроектированы и изготовлены специальные стальные перфорированные тормозные диски толщиной 7мм. Применение подобных дисков позволяло одновременно решать множество задач:

1) Снижение общей массы автомобиля (экономия порядка 8кг).

2) Уменьшение момента инерции колес автомобиля.

3) Коэффициент трения колодок по стали как правило выше, чем по чугуну, что позволяло развивать больший тормозной момент.

4) Часть диска служит реперной областью для датчика угловой скорости.

Поскольку циклические торможения в DRAG Racing отсутствуют и нет ограничений на выбор фрикционных составов для колодок - теплоемкость диска и площадь рассеивания не имеют значения! Первое же испытание дисков показало их великолепную работоспособность, и возможность их дальнейшего практического использования.

Устройство управления имеет разъем для стыковки с собственной оригинальной проводкой, являющейся частью моторной проводки, куда подаются следующие сигналы:

- Напряжение питания из бортовой сети автомобиля (8-17v 0.2A)

- 4 входа с индуктивных датчиков угловой скорости колес.

- Вход "положение дросселя", аналоговый.

- Вход "обороты двигателя", дискретный.

- Вход "состояние сцепления", дискретный.

- Вход "Впрыск закиси азота - кнопка", дискретный.

- Выход "пропуск воспламенения", дискретный.

- Выход "разрешение закиси азота",дискретный.

В финальной версии системы 2005 года были реализованы следующие алгоритмы:

Определение и сохранение в лог файл в формате CVS параметров движущегося автомобиля:

- Время на пути 402м. дискретность 1мс. Путь автомобиля рассчитывался по числу оборотов ведомых колес. Время - внутренней подсистемой времени.

- Скорость на выходе 402м. Рассчитывалась как мгновенная угловая скорость ведомых колес в момент пересечения воображаемой линии финиша.

- Разгон до скорости 100 км/ч. дискретность 1мс.

- Обороты двигателя. Получаются путем заполнения интервала поворота двигателя на 180 градусов импульсами частоты 230400гц (период 4.34мкс) и деления константы 6912000 на полученное в результате такого заполнения количество импульсов, ошибка в определении оборотов при равноускоренном движении эксцентрикового вала составляет не более 0.17%.

- Положение дросселя. Считываются с среднего вывода ДПДЗ встроенным в микроконтроллер АЦП. Калибровки начальное положение и множитель для дросселя задаются в окне монитора, и могут быть оперативно подстроены при переносе системы на другой двигатель.

- Состояние входов (Кнопка "Закись" и сцепление).

- Максимальная скорость автомобиля достигнутая в заезде.

- Среднее время переключения передач (для каждой передачи) (анализ ускорения от передачи и состояния сцепления).

- Тормозной путь автомобиля. (м). (анализ пути от скорости по лог)

- Путь пройденный каждым колесом автомобиля.

- Угловая скорость каждого колеса автомобиля на каждом отрезке пути.

- Коэффициенты пробуксовки ведущих колес автомобиля LF/LR, RF/RL, работа самоблокирующегося дифференциала автомобиля (LF/RF)

Управление впрыском закиси азота с возможностью блокировки подачи закиси в определенных режимах по оборотам, скорости автомобиля, положению дросселя.

 Управление моментом роторного двигателя путем вырезания отдельных импульсов зажигания  (контролируемая потеря момента) по программам Traction и Launch control.

Диагностика датчиков и включение аварийных алгоритмов при отказе одного или 2-х колесных датчиков в процессе гонки.

Структура программы управления посредством машины состояний реализует следующие конечные задачи.

Приоритет 0:

- Определение пробуксовки по левому борту автомобиля.

- Определение пробуксовки по правому борту автомобиля.

- Определение пробуксовки ведущих колес друг относительно друга (работа дифференциала повышенного трения).

- Определение оборотов двигателя.

- Определение скорости автомобиля.

- Определение состояния автомобиля (остановлен,или движется) и переходов между состояниями.

- Определение общей пробуксовки, как фактора управления потерями момента двигателя.

- Программа "Traction" (потери момента двигателя на основании пробуксовки ведущих колес)

- Расчет пути автомобиля и отсечка момента 402м.

- Определение положения дроссельной заслонки.

- Программа "Закись азота".

- Программа "Launch". (потери момента двигателя на 1 передаче при старте на основании оборотов двигателя).

- Задача сохранения параметров в энергонезависимой памяти.

Приоритет 1:

- Таймер 1мс - обеспечивает тайминг любых событий в системе с дискретностью 1 мс.

- Связь с компьютером.

- Определение угловой скорости и пути для каждого колеса автомобиля.

Теоретические аспекты работы системы.

Скорость автомобиля при равномерном прямолинейном движении может быть выражена функцией угловой скорости его ведомого колеса V=w * Rk  где w - угловая скорость колеса, Rk - радиус качения.

В свою очередь радиус качения может быть определен как Rk=Rst + F1(w) где Rst - статический радиус колеса, F(w) функция угловой скорости колеса, учитывающая изменение нагрузки на колесо при действии подъемных (прижимающих) сил на ведомую ось в процессе движения автомобиля а также функция центробежных сил в самом колесе. Rst - для каждого автомобиля с конкретным колесом константа, которая определяется типом и размерностью резины и статической нагрузкой на ведомую ось.

Таким образом для любого ведомого колеса V=w * const * F2(w) при этом значение F2(w) может быть легко получено прямыми измерениями зависимости Rst от статической нагрузки на ось, а центробежная составляющая  измерением веса покрышки.

Для ведущего колеса формула несколько сложнее поскольку она должна учитывать момент передаваемый на колесо, однако в данной версии системы используются упрощенные модели, поэтому значения скорости ведущего колеса вычисляются по тем же принципам, что и у ведомого, но с другими коэффициентами (на автомобиле колеса спереди и сзади разные).

Текущая включенная передача является функцией оборотов и скорости. GEAR=F(RPM/V).

Коэффициент пробуксовки - это отношение скоростей колес на разных осях Kt=Vf/Vr

Желаемые потери момента для Traction могут быть выражены как Nloss = F(time,Kt,V,THR,RPM,GEAR....) Настройки алгоритма позволяют определять допустимый порог пробуксовки колес, фактически алгоритм представляет собой ПИД регулятор где П И Д коэффициенты являются функциями оборотов, дросселя и передачи, а ошибка - разницей текущего и желаемого коэффициента пробуксовки.

Для Launch вместо потерь задается ограничение оборотов как функция времени RPMlim=F(time).

Испытания системы на автомобиле.

7 октября 2005 года система была смонтирована на автомобиль, первый же запуск показал, что при полном дросселе устройство может держать обороты двигателя на любом значении от 1000 rpm, при этом факел пламени от выхлопной трубы создаваемый несгоревшим топливом достигал 1 метра.

Программа испытаний на дороге:

12 октября - Киевское шоссе, пилотировал Дима 3x3. Тестирование пробных программ Traction, в программу тестов входила первоначальная тарировка системы с использованием GPS модуля и поверка результатов по километровым столбикам.

14 октября - Горьковское шоссе, пилотировал Дима 3x3. Тестирование пробных моделей Launch, поиск оптимального закона ограничения оборотов при старте на 1 передаче.

15 октября - Горьковское шоссе, пилотировал "Профессор". Тренировка. Лучший результат 13.5c(177) 5.5c(100)

15 октября - Киевское шоссе, пилотировал Дима 3x3. В режиме телеметрирования на мокрой дороге была проверенна различная резина из имеющихся (дождевая гудиер и сухая avs). По мокрому гудиер опережала "еку" в среднем на 1 секунду.

22 октября - параллельная дорожка в Тушино,пилотировал Профессор. Цель тестовых заездов - определение конкурентных характеристик свежесобранного двигателя ВАЗ-415 и настройка системы traction control на покрытие и резину.

Результаты 3-х последовательных заездов по параллельной дорожке c подбором коэффициентов для Traction (режим launch отключен):

13.5c(169) 5.3c(100)

13.2c(175) 5c(100)

13.1c(173) 4.9c(100)

Финальный заезд (машина легче на 65кг - это мой вес ;)) первый боевой выезд:

13.1c(177) 5.1c(100)

Система сработала четко - на старте Профессор пытался прогреть колеса, но она не дала ему это сделать провалив все попытки побуксовать. В результате оказалось, что продвинутой системе мы забыли сделать банальный выключатель. 😉

На этом работы по развитию системы 1-го поколения были остановлены. Однако правильные выводы из всех ошибок были 2005 года по конструкции драгстера все же были сделаны, что позволило в 2006 году ускорить более тяжелый кузов ВАЗ-2110 минимум на 1 секунду по отношению к 2005 году, а также дало неоценимый опыт который будет использован при разработке системы traction второго поколения.

Концепция системы DRAG-TCM второго поколения:

1) Полностью адаптивная без необходимости ручной подстройки. Все конечные настройки при смене резины должны быть введены автоматически.

2) Для определения реальной скорости автомобиля используются акселерометры, а не индуктивные датчики, что снижает себестоимость системы и упрощает ее реализацию.

3) Система реализована как дочерняя плата к эбу Январь-5-7 с микропрограммой J5LS, размещенная в корпусе ЭБУ с собственным процессором обработки информации.

4) Доводка системы планируется на 2007 год.

Фото элементов системы 2005 года.

Сердце системы - микроконтроллер на макетной плате.

Тормозной диск переднего колеса с реперной областью.

Датчик угловой скорости колеса.

Датчик состояния сцепления.

Пример графика - "Время - Обороты - скорость" полученный на тестовых заездах на полигоне в подмосковном городе Серпухове. Автомобиль 2110-РПД ВАЗ-415 , разгон до 100км.ч - 4.9c; время на пути 402м - 12.85c Диапазон оборотов двигателя - 7500-10000, средние потери времени на переключениях передач - 0.5c, скорость автомобиля на выходе - 185 км.ч

Программа для снятия логов.

 

Модернизация системы для управления длинной впускного тракта роторного двигателя РД-321 установленного на автомобиле ВАЗ-2110 в 2007 году.

Работы по модернизации системы были проведены в августе 2007 года для решения задачи управления длинной впускного тракта роторного двигателя. Изменение длинны обеспечивает шаговый двигатель с ременной передачей к движущемуся лафету, шарнирно связанному с дудками изготовленными из ПТФЭ с высокой точностью, обеспечивающую подвижность конструкции "труба в трубе".

Контроль текущего положения лафета в рабочей зоне движения (150мм) обеспечивает потенциометрический датчик линейных перемещений производства английской фирмы - PI Research PN: 01G-233036. Контроллер подает на датчик опорное напряжение 5v, положение считывается встроенным в микропроцессор АЦП. Дискретность определения положения в данной реализации составляет 0.58мм на шаг ацп.

Желаемое положение лафета задается в калибровках устройства как функция оборотов двигателя target=F(rpm). и может быть быстро изменено в мониторе системы.  Кроме того реализован тест позволяющий задавать и менять желаемое положение в ручную.

На основе разницы желаемого и текущего положения лафетов контроллер устанавливает на выходе дискретный сигнал "направление" и вырабатывает определенное количество импульсов "шаг" которые поступают на контроллер шагового двигателя, при этом для преодоления момента инерции покоя контроллер обеспечивает разгон шагового двигателя путем управления периодом импульса "шаг", и таким образом увеличивает момент на валу двигателя в момент начала движения конструкции.

Контроллер шагового двигателя обеспечивает полное управление двигателем по 2-м дискретным сигналам включая стабилизацию тока и формирование необходимых последовательностей управления, контроллер питается от источника тока с напряжением 28в.

Статьи по теме