Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ и тенденции развития современных тормозных систем 12
1.1. Совершенствование тормозных систем, управляемых электроникой 12
1.2. Тенденции развития автомобильных тормозных систем 24
ГЛАВА 2. Тормозная система автомобиля как объект автоматизации 29
2.1. Автоматизация автомобильной тормозной системы 29
2.2. Моделирование как метод исследования системы 35
2.3. Основные требования к электрогидравлической тормозной системе 37
2.4. Исследование взаимосвязей и процессов в электрогидравлической тормозной системе 42
2.5. Измерительные преобразователи в электрогидравлической тормозной системе 45
2.6. Организация взаимодействия микропроцессора системы управления с внешней средой 51
2.7. Особенности анализа нелинейных систем 55
ГЛАВА 3. Математическое моделирование электрогидравлической тормозной системы 58
3.1. Математическое моделирование тормозного механизма 58
3.2. Общие сведения о гидравлическом приводе в тормозной системе 59'
3.3. Математическая модель одиночной ветви гидравлической цепи 62
3.4. Особенности математического.моделирования гидравлической цепи 67
3.5. Математическая модель электромагнитного гидравлического клапана 68
3.5.1. Конструкция электромагнитного привода клапана 68
3.5.2. Расчет электромагнитного привода клапана 70
3.5.3. Выбор типа электромагнита и определение его основных размеров 80
3.5.4. Определение тяговой характеристики электромагнита 83
3.5.5. Особенности математического моделирования электромагнита 88
3.5.6. Закон управления электромагнитным клапаном 101
3.6. Электрический привод источника гидравлической энергии. ПО
3.7. Алгоритм управления электроприводом гидравлического насоса 122
ГЛАВА 4. Анализ и синтез системы управления электрогидравлической тормозной системой 127
4.1. Идентификация объекта управления 127
4.2. Выбор схемы системы автоматического управления 134
4.3. Алгоритм работы регулятора давления 141
4.4. Синтез алгоритма системы управления 148
4.5. Разработка принципиальной электрической схемы электрогидравлической тормозной системы 152
4.6. Управление двухпозиционными клапанами 161
4.7. Схемы используемых датчиков 163
4.8. Обмен данными в устройстве управления 164
4.9. Обеспечение отказоустойчивости 167
4.10.Протоколы передачи данных в режиме «жёсткого» реального времени 178
ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования электрогидравлической тормозной системы 182
5.1. Проведение экспериментальных исследований 182
5.2. Анализ экспериментальных данных. Оценка адекватности разработаннойматематическоймодели электрогидравлической тормозной системы 190
5.3. Рекомендации по практическому использованию результатов диссертации 192
Заключение 197
Список литературы 202
Приложение 214
- Исследование взаимосвязей и процессов в электрогидравлической тормозной системе
- Математическая модель электромагнитного гидравлического клапана
- Разработка принципиальной электрической схемы электрогидравлической тормозной системы
- Анализ экспериментальных данных. Оценка адекватности разработаннойматематическоймодели электрогидравлической тормозной системы
Введение к работе
Актуальность.
На дорогах России в 2005г. произошло более 223 тысяч дорожно-транспортных происшествий, в результате которых погибло около 34000 человек и пострадало около 275000 человек. Материальный ущерб, нанесенный такими авариями, составляет 2% российского ВВП, а это сотни миллиардов руб-лей, которых лишается российская экономика. В 2006 году постановлением Правительства Российской Федерации утверждена долгосрочная- целевая программа «Повышение безопасности дорожного движения в 2006-2012 годах». В качестве одной из целей программы является повышение уровня безопасности транспортных средств.
«По данным исследования, проведенного Европейским союзом, наиболее эффективными для значительного повышения уровня безопасности дорожного движения были признаны активные системы безопасности автомобилей. Постоянно растущее число этих систем позволит к 2010 году вполовину сократить количество людей, погибших в автокатастрофах на дорогах Европы. Это стало приоритетной целью европейской Комиссии по вопросам дорожной политики. В настоящее время действуют 114 правил ЕЭК ООН по комплексной безопасности и экологии автотранспорта. Они содержат требования ко многим системам автомобилей, в том числе к тормозной системе, шинам, ремням безопасности, подголовникам, зеркалам, светотехнике. Создание эффективных тормозных систем, управляемых электроникой, позволяет значительно повысить безопасность движения. По экспертным оценкам обязательность установки антиблокировочных тормозных систем и подушек безопасности на автотранспортные средства обеспечивает снижение тяжести последствий и экономического ущерба от ДТП на 20 процентов. Среди современных тормозных систем специалисты особо выделяют электронную систему стабилизации ESP. Она распознает характерные для заноса автомобиля движения, и в случае необходимости, уменьшает мощность двигателя, а также притормаживает отдельные колеса, стабилизируя, таким образом, движение автомобиля. Эта функция крайне важна, поскольку, согласно исследованию центрального объединения немецких страховых компаний (GDV), именно заносы автомобиля становятся причиной 25% всех дорожно-транспортных происшествий, в результате которых пострадали люди и 60% аварий имели смертельный исход. Многие исследования также подтвердили эффективность ESPI Так, например, компания Toyota, проанализировала около одного миллиона дорожно-транспортных происшествий с человеческими жертвами и пришла к выводу, что серийная установка ESP вполовину уменьшит число серьезных аварий» [120].
Анализ мирового опыта в использовании электронных тормозных систем показал, что создание тормозной системы, позволяющей обеспечить минимальный тормозной путь, управляемость при экстренном торможении на любых типах покрытий, является актуальным. Преимуществом таких систем является более высокая скорость срабатывания и обеспечение управляемости автомобиля в экстренных ситуациях на любых типах покрытия. В настоящее время имеются два направления развития.тормозных систем, управляемых электроникой: электромеханические и электрогидравлические. Основным недостатком электромеханических систем является отсутствие системы резервирования на случай отказа электроники или повреждения источника питания. Повышение надёжности этой системы достигается применением дублирующих элементов, что не лучшим образом сказывается на массогабаритных показателях и стоимости. Напротив, в электрогидравлической системе, в случае отказа электроники, восстанавливается прямая гидравлическая связь между педалью тормоза и тормозными механизмами, что позволяет сохранить работоспособность тормозной системы. Поэтому в настоящее время электрогидравлические системы являются наиболее предпочтительными.
Таким образом, сказанное позволяет утверждать, что исследование и разработка электрогидравлической тормозной системы для легкового автомобиля, управляемой электроникой, и обеспечивающей улучшенные характеристики эффективности, безопасности и комфортности процесса торможения — актуально и необходимо.
Цель работы.
Цель диссертационной работы состоит в повышении эффективности, безопасности и комфортности работы электрогидравлической тормозной, системы легкового автомобиля путём совершенствования её структуры, элементной базы, электрической схемы и алгоритма управления.
Для достижения заданной цели решены следующие задачи.
1. Выполнен анализ технических характеристик и обоснование требований, предъявляемых к узлам и элементам электрогидравлической тормозной системы.
2. Проведено исследование внешних и внутренних взаимосвязей в электрогидравлической тормозной системе.
3. Разработана структурная схема электрогидравлической тормозной системы с улучшенными технико-эксплуатационными показателями:
4. Создана и исследована компьютерная модель электрогидравлической тормозной системы.
5. Разработан алгоритм управления электрогидравлической тормозной системой.
6. Разработан алгоритм поиска неисправностей и переключения режимов работы в случае отказа одногоили нескольких компонентов системы.
7. Разработан алгоритм адаптивного управления электрогидравлической тормозной системой с минимальным временем срабатывания.
8. Разработана принципиальная электрическая схема электрогидравлической тормозной системы.
9. Проведены экспериментальные исследования с целью подтверждения адекватности используемой математической модели и справедливости аналитических результатов.
Ю.Разработаны рекомендации к практическому созданию электрогидравлической тормозной системы и дальнейшему использованию результатов диссертации.
Методика проведения исследования.
Методика проведения исследования зависимостей и выявления, внешних и внутренних взаимосвязей в электрогидравлической тормозной системе, базировалась на использовании методов теории построения мехатронных систем, теории автоматического управления, теории имитационного моделирования,, теории-электропривода, теории гидропривода, а также методов расчёта и исследования электрических и электронных аппаратов с микропроцессорным управлением, силовых и полупроводниковых преобразователей. Исследование; моделирование и решение теоретических задач, а также анализ результатов проведённого натурного эксперимента потребовало применение ЭВМ, как для прямых расчётов1 и моделирования; так и для обработки статистической информации. В частности, значительная часть расчётов, в том числе и имитационное моделирование с целью исследования динамических характеристик узлов электрогидравлической тормозной системы, проводилась в программе MATLAB 6.0. Анализ распределения электромагнитной индукции в магнитном контуре электромагнитного привода клапана производился с помощью метода конечных элементов программном пакете ANSYS-Emag. Также для прямых расчётов и обработки статистической информации, полученной при выполнении экспериментальных исследований, использовалась программа Microsoft Excel 2002, а для моделирования отдельных элементов системы использовался язык программирования Visual Basic for Application (VBA), входящих в состав программного пакета Microsoft Office ХР.
Научная новизна.
1. Разработана компьютерная модель электрогидравлической тормозной. системы с улучшенными технико-эксплуатационными характеристиками.
2. Установлены определяющие внешние и внутренние взаимосвязи в электрогидравлической тормозной системе.
3. Разработан адаптивный алгоритм регулирования давления в» тормозном механизме, позволяющий, компенсировать зону нечувствительности характеристики электромагнитного клапана.
4. Разработаны алгоритмы г управления и, поиска неисправностей электрогидравлической тормозной системы.
5. Разработан алгоритм динамической коррекции угла опережения коммутации бесконтактного двигателя постоянного тока (БДПТ) привода ис-точника гидравлической энергии.
6. Разработана принципиальная электрическая, схема электрогидравлической тормозной системы.
7. Даны рекомендации по практическому использованию1 результатов диссертации.
Достоверность результатов.
Достоверность результатов диссертационной работы определяется путём сопоставления результатов математического моделирования с данными, полученными при проведении натурного эксперимента, а также расчётными и экспериментальными данными- других исследователей1. Адекватность разработанной модели подтверждается отдельными фрагментами расчётов, уже апробированных в практике машиностроения. В частности, электромагнитного привода клапана [31, 47, 71, 82, 85, 87, 88 ,90], привода колёсного тормозного механизма [31, 32, 34], электропривода источника гидравлической энергии [46; 70, 80, 81], информационно-управляющей среды [46, 52, 70, 78, 81, 86, 89]. Хорошее совпадение данных компьютерного моделирования работы исследуемой электро гидравлической тормозной системы с данными экспериментов свидетельствует о достоверности и обоснованности полученных результатов.
Основные положения, выносимые на защиту.
На защиту выносится следующее.
1. Компьютерная модель электрогидравлической тормозной системы, с улучшенными технико-эксплуатационными показателями.
2. Установленные взаимосвязи между формой якоря электромагнитного клапана с пропорциональным приводом и качеством регулирования давления в тормозном механизме.
3. Результаты компьютерного моделирования процесса управления электромагнитным клапаном с пропорциональным приводом.
4. Алгоритм адаптивного регулирования давления в тормозном механизме, обеспечивающий максимальную скорость срабатывания.
5. Результаты имитационного моделирования работы электрогидравлической тормозной системы.
6. Алгоритм поиска неисправностей и переключения режимов работы системы в случае отказа одного или нескольких компонентов.
7. Принципиальная электрическая схема электрогидравлической тормозной системы.
Реализация результатов работы.
Разработанные принципы построения и анализа электрогидравлической тормозной системы, а также установленные в работе взаимосвязи с системами активной безопасности и комфорта, приняты-для использования в разработках перспективных тормозных систем Федеральным государственным унитарным предприятием «Научно-исследовательский и экспериментальный институт автомобильной электроники и электрооборудования» (ФГУП «НИИАЭ») и Государственным научным центром Российской Федерации Федеральным государственным унитарным предприятием ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ».
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы доложены на пяти международных и российских научно-технических конференциях, в их числе: Международная конференция «THE 5TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON ELECTROMECHANICS, ELECTROTECHNOLOGY AND ELECROMATERIAL SCIENCE (ICEEE-2003)» в 2003 г., Всероссийская научно-техническая конференции «Современные тенденции развития автомобиле-строения в России» в 2003 г., Международная конференция-«THE 6 INTERNATIONAL CONFERENCE ON UNCONVENTIONAL ELECTROMECHANICAL AND ELECTRICAL SYSTEMS (UEES, 04) в 2004 г., Международная конференция «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития (АЭП-2004)» В 2004 г., а также II Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» в 2007г.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 15 работ, среди которых 5 статей, 10 тезисов и докладов в трудах научных конференций, в том числе и международных.
Структура и объём диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 192 страницах, включающих 64 рисунка и 4 таблицы, списка литературы из 121 наименования, а также приложения на 2 страницах, включающего справки об использовании результатов диссертационной работы на предприятиях.
Исследование взаимосвязей и процессов в электрогидравлической тормозной системе
Предыдущая глава была посвящена анализу тенденций развития современных тормозных систем, в которой было выявлено направление технического и технологического совершенствования, в результате которой-показано, что элек-трогидравлическая концепция тормозной системы имеет лучшие характеристики по эффективности, безопасности и комфорту, по сравнению с традиционной гидравлической тормозной системой. «Развитие автоматизации управления на автомобиле, совершенствование- подсистем и звеньев автомобиля, внедрение новых информационных и электронных технологий, гибких компьютеризированных систем являются- отличительной особенностью современного автомобиля. В настоящее время автомобиль основывается на использовании как механических, так и электронных информационных технологий. Поэтому решение задач анализа и синтеза автомобиля в целом, составляющих его элементах должно основываться на мехатронике: науке, которая рассматривает основные принципы рационального сочетания этих составляющих практически всех современных сложных объектов и систем. Математическое моделирование является одним из самых мощных средств исследования и оптимизации различных физических объектов; в том числе автотранспортных средств» [13]. Таким образом математическая модель должна обеспечить: количественную оценку технико-эксплуатационных показателей;
текущее состояние ЭГТС с заданными параметрами в.определенных условиях движения автомобиля;
выявление внешних и внутренних взаимосвязей между устройствами ЭГТС; - установление требований к электродвигателю привода гидронасоса;
установление требований к исполнительным электромагнитным клапанам;
рационализацию параметров и характеристик узлов и агрегатов ЭГТС, для обеспечения наилучших технико-эксплуатационных показателей автомобиля
учет всех параметров системы и характеристик электропривода, конструктивных элементов ЭГТС.
На рис.2.4 представлена блок-схема математической модели ЭГТС, согласно которой она представляет собой совокупность нескольких подмоделей: подмодель тормозного механизма; подмодель электронной педали тормоза; подмодель источника гидравлической энергии (ИГЭ); подмодель электропривода гидравлического насоса; подмодель электрогидравлического модулятора давления; подмодель блока управления.
Более подробно основные из вышеперечисленных моделей будут рассмотрены далее. А в данной главе наибольшее внимание будет уделено установлению взаимосвязей между конструктивными и информационными параметрами подмодели электронной педали тормоза, датчиков давления и блока управления, а также способы передачи данных между перечисленными устройствами. В блок-схеме модели ЭГТС исходные данные и нагрузочные режимы определяют, как тип самого автомобиля, так и его динамику при торможении. При этом выходные данные модели также служат дополнительными входными данными. Например, скоростные режимы автомобиля, также как и его масса определяют энергию, запасаемую автомобилем, и которую необходимо будет превратить в тепло при торможении; масса, габаритные размеры и аэродинамическая составляющая определяют степень перераспределения массы автомобиля при торможении. Также при моделировании важно определить качество и состояние дорожного покрытия, качество тормозных накладок, тип и износ резины, погодные условия и пр., как можно ближе к истинным значениям для определения исходных данных для математического моделирования. Опираясь на основы построения мехатронных систем, можно сказать, что электрогидравлическая тормозная система, - это конструктивный модуль, осуществляющий преобразование входного электрического сигнала в механическое перемещение-выходного звена и выдачу информационных сигналов, соответствующих перемещению, скорости, давлению выходного звена.
Для осуществления работоспособности, ЭГТС оснащается датчиками состояния (положение педали тормоза, угловой скорости колеса и т.п.) и информационными датчиками (датчики давления, датчики износа тормозных колодок и т.п.). При этом возможно использование датчиков связанных как с контроллером исполнительного модуля, так и с центральным управляющим модулем электрогидравлической тормозной системы. Применяемые датчики могут быть трех типов: аналоговые импульсные и цифровые. Подобное конструктивное решение позволяет улучшить условия эксплуатации и ремонтопригодность узлов системы, за счёт унификации узлов и деталей, обеспечить автономность каждого модуля, а также получить конструкцию, наиболее полно отвечающую конкретной задаче без избыточных функций. Однако, для обеспечения безопасности, особенно такого узла как тормозная система автомобиля, необходимо предусмотреть все возможные варианты резервирования, включая применение избыточности конструкции и дублирование особо важных функций.
Математическая модель электромагнитного гидравлического клапана
Система из двух клапанов, впускного и выпускного, а также датчика давления, представляет собой электрогидравлический модулятор давления. Схема электрогидравлического модулятора представлена на рис.3.3. Данное устройство, под управлением микропроцессора, позволяет регулировать величину давления в одном тормозном механизме. Впускной клапан с электромагнитным приводом, конструктивно, состоит из корпуса 1, в котором находятся впускной 12 и выпускной 2 каналы, и запорно-регулирующего элемента 16, создающего гидравлическую связь между впускным и выпускным каналами. Седло клапана1 7 имеет продольное центральное отверстие 13 с пошаговым изменением диаметра для уменьшения потерь давления, для подвода жидкости к запорно-регулирующему элементу. Верхний край седла клапана 7 имеет коническую форму, формируя опорную поверхность запорного элемента. Подвижный запорный элемент 10, подпираемый пружиной 15, перемещается вдоль оси герметизирующей разделительной трубки 17, опирающийся в закрытом положении на седло, обеспечивающее центровку клапана. В элементе 10 присутствует продольная канавка 14, необходимая для обеспечения гидравлической связи между областями 11 и 19. Данное конструктивное решение позволяет уменьшить воздействие на элемент 10 со стороны гидропривода. Обмотка электромагнита 4 расположена на трубке 17. При подаче напряжения к выводам катушки, возникающая электромагнитная сила, под противодействием пружины 15, перемещает якорь клапана 10, обеспечивая прямую гидравлическую связь между входом 12 и выходом 2 клапана. Находящаяся под высоким давлением жидкость на входе 12, проходит через отверстие 13 в область 11, а затем к выходу 2. Также -рабочая жидкость через продольную канавку якоря 14 и зазор между якорем и трубкой 17, поступает в область 19. Таким образом, жидкость воздействует на оба конца якоря, тем самым, уравновешивая его. При отключении питания электромагнитной катушки, якорь, под действием пружины 15, перемещается к опорной поверхности седла 7, прерывая гидравлическую связь между каналами 2 и 12. Представленная конструкционная схема выпускного клапана с электромагнитным приводом,, который является пропорциональным, гидравлически уравновешенным, распределителем нормально открытого типа также является примерной и имеет лишь несколько отличий от конструкции впускного клапана (рис.3.3). Во-первых, разделительная трубка 25 выполнена сплошной и жёстко соединена с втулкой 24. Давление на входе 21 клапана равно текущему давлению в колёсном тормозном механизме. При открытии-клапана, жидкость из колёсного тормозного механизма поступает в область перекрытия через вход 21. Выход клапана 34 связан с бачком гидросистемы. Так как на выходе давление равно атмосферному, можно сделать вывод о том, что на якорь клапана действует только одна сила давления рабочей жидкости. Во-вторых, под действием возникающей тяговой силы, действующей на якорь 26 через элемент 30, ось 31, выполненная из немагнитного материала и имеющая на другом конце шариковый клапан 32, перемещается внутри втулки 27 в сторону перекрытия- канала 33, преодолевая.противодействие пружины 35. Сферический, элемент 30, находящийся между якорем 26 и осью 31, предназначен для центровки оси 31.
Для синтеза закона регулирования величины давления в колёсном тормозном механизме, исследуем с. помощью математического аппарата впускной и выпускной электромагнитные клапаны.
При расчёте конструктивных параметров впускного электромагнитного клапана, представляющего собой запорный гидравлический аппарат с пропорциональным управлением, воспользуемся следующими требованиями:
1. Расход жидкости-через впускной клапан, необходимый для качественного .управления и быстрого: срабатывания одного тормозного механизма, согласно данным параграфа 3.2: QmpeG = 4-Ю"5 м3/с;
2. Перепад давления между входом и выходом клапана в начале торможения: АР =pi-p2— 16 МПа, где pi = 16 МПа - давление в источнике гид-равлической.энергии,/?2 — давление в тормозном механизме (р2 =0 ).
Согласно исходным данным, сечение перекрываемого отверстия, в первом приближении, должно быть:
S = Q e6 =4І626-10"7 2, (3.19)
где ju = 0.5 - коэффициент расхода через клапан [36]; р = 1070 кг/м — плотность рабочей жидкости1.
Коэффициент расхода // изменяется нелинейно и существенно зависит от геометрии пропускного канала: Предположив, что при максимально открытом клапане поток имеет турбулентный характер (Re ReKp), а также учитывая поворот потока,в клапане на 180, принимаем /л = 0.5. Диаметр впускного канала
Разработка принципиальной электрической схемы электрогидравлической тормозной системы
Проведённый анализ системы автоматического управления позволяет составить структурную схему устройства управления электрогидравлической тормозной системой (рис.4.12).. Согласно этой схеме, основными вычислительными устройствами являются-основной микроконтроллер 10, группа датчиков 1-4 и преобразователей 6-8, а также выходной контур для управления исполнительными механизмами: В качестве основного 10 может выступать любой вы -155-сокопроизводительный микроконтроллер, на основе 32-битного микропроцессора, имеющий в своём составе встроенную оперативную и флэш-память, аналого-цифровые преобразователи и различные интерфейсы передачи данных. В оперативной и флэш-памяти хранятся записанные и скорректированные таблицы данных, полученные при адаптивном управлении. Для использования в настоящей диссертации был выбран микроконтроллер ADuC7028 компании Analog Devices, основанный на 32-битном микропроцессоре с RISC архитектурой ARM7TDMI. Для разгрузки основного микроконтроллера для более высокой скорости работы, функции регулятора давления предпочтительнее выполнять с помощью отдельного микроконтроллера, в роли которого может выступать аналогичный основному — ADuC7028. Причем разделение по функциям может быть следующим. Основной микроконтроллер выполняет расчёт требуемого давления, согласно положению педали тормоза, управление и диагностика работы изолирующих, балансировочных и температурно-компенсационных клапанов, выполнение функций АБС и системы поддержания курсовой устойчивости на основании сигналов с датчиков скорости колёс 2, датчика поворачивающего момента, датчиков продольного и поперечного ускорения, а также датчика угла поворота руля 4. Так как в некоторых режимах работы системы поддержания курсовой устойчивости необходимо изменение крутящего момента двигателя, основной микроконтроллер, посредством мультиплексной шины данных CAN 5, передаёт сигналы к системе управления двигателя. Микроконтроллер 15 выполняет функции регулятора давления по описанному выше адаптивному алгоритму управления на основании информации о величине-заданного давления, получаемой от основного микроконтроллера 10 и датчиков давления 1. Причём информация о текущих значениях давления в тормозных механизмах поступает напрямую от датчиков; исключая замедление работы при обработке и передаче данных основным микроконтроллером 10. Также микроконтроллер 15 управляет электроприводом гидронасоса 17 с помощью ШИМ драйвера 16, который переключает обмотки электродвигателя, на основании данных о положении ротора. Положение ротора определяется измерением ве -156-личины ЭДС наводимой в отключенных в данный момент времени обмотках. Управление впускными 21 и выпускными 22 электромагнитными клапанами с пропорциональным приводом осуществляется с помощью восьми драйверов 18 и 19, принцип действия и состав которых описан далее. Причём входным параметром драйвера является величина тока, передаваемая от микроконтроллера 15 с помощью последовательной передачи данных на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Обратная связь с микроконтроллером 15 осуществляется с помощью сигнала флага состояния силового преобразователя. Управление другими клапанами, четыре из которых являются нормально закрытыми 13, а два — нормально открытыми 14, осуществляется через ШИМ драйвер 12. Питание электронной схемы осуществляется с помощью трёх уровней напряжения: 3.3 В для микроконтроллеров, 5 В для драйверов и логических схем, а также 12 В для питания исполнительных устройств (электромагнитные клапаны, вентильный электродвигатель). Данные уровни напряжения будет обеспечивать фильтр и стабилизатор напряжения 20. В состав микроконтроллеров 10 и 15 входит собственный регулятор напряжения для питания микропроцессора ARM7TDMI. Для определения неисправностей в системе управления и исполнительных механизмах в схему необходимо включить дополнительный микроконтроллер 11, в функции которого будет входить поиск неисправностей и выбор режима работы системы в случае обнаружения неисправности, выполняя роль системы обеспечения безотказности работы. На его вход с помощью канала связи поступает информация о параметрах системы в текущий момент времени. Алгоритм управления- данного микроконтроллера будет заключаться в интеллектуальном анализе и сопоставлении текущих данных с эталонными данными, записанными в памяти микроконтроллера. Если информация не совпадает, либо диапазон изменения фиксируемых параметров лежит вне допустимых пределов, то формируется новая конфигурация системы управления. Более подробно данная схема будет описана далее. Рассмотрим возможность аппаратной реализации системы, автоматического регулирования давления в одном тормозном механизме. Как уже было выяснено ранее, система управления-состоит из регулятора, преобразователя сигнала малой мощности в силовой, для управления пропорциональными электромагнитными клапанами, а также аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей. В качестве регулятора выступает микроконтроллер ADuC7028, работающий по разработанному алгоритму, включая алгоритм адаптации. Преобразователем сигнала малой мощности в силовой, выступает драйвер управления индуктивными нагрузками. На сегодняшний день существует огромное количество различных драйверов. Для использования в качестве преобразователя для питания одной электромагнитной катушки в настоящей диссертации был выбран драйвер TPD1038F компании Toshiba (DD4). Он является так называемым High-Side драйвером, так как включен в цепь между источником питания и нагрузкой (рис.4.13). Данное устройство имеет встроенную защиту от перегрузок и перегрева, которые фиксируются логическим состоянием вывода DIAG (DD4.3). Сигналом для открытия транзистора является «высокий» уровень напряжения на входе DD4.4 (IN).
Анализ экспериментальных данных. Оценка адекватности разработаннойматематическоймодели электрогидравлической тормозной системы
Для оценки сходимости двух характеристик, одна из которых получена моделированием, а другая - с помощью натурного эксперимента воспользуемся статистическим методом сравнения [116, 117]. Данный метод позволяет, при помощи критерия Стьюдента (t-критерия) сравнить одни и те же результаты, полученные разными методами. Для её решения рассмотрим;разности А,- для каждой пары связанных замеров A/ = хи- JC2,-.. Если систематической ошибки нет, то отклонения в большую или меньшую сторону одного набора измерений относительно второго, должны быть примерно одинаковы и А;
Разность замеров А/ выступает здесь, как случайная величина. Єледова- . тельнОі имеющаяся совокупность разностей замеров должна иметь некоторое определённое среднее А(- и стандартное отклонение Яд. Нулевая гипотеза состоит в том, Дг= 0 (парные замеры не имеют различий). В результате расчётов, мы принимаем или отвергаем исходную нулевую гипотезу. При этом можно сделать два вида ошибок [118]:
1. отвергнуть верную гипотезу (ошибка первого рода);
2. принять неверную (ошибка второго рода).
Для; обозначения этих ошибок используются следующие обозначения: а - вероятность появления ошибки первого рода (вероятность того что, мы ошиблись); (3 - вероятность появления ошибки второго рода (вероятность того, что мы правы). Эти две логические категории связаны между собой соотношением 1-(3 — а, поэтому для оценки качества принятия решения достаточно знать одну из них. Для расчёта будет использоваться величина а, которую называют мощностью (надёжностью) критерия. При этом её значение принимается равным 0.05, что аналогично 95% надёжности критерия.
Если tMm tmae, то наборы замеров не различаются с табличной вероятностью, и наоборот, если t3Mn tmaQ, то наборы замеров различаются с табличной вероятностью. Смысл подобной проверки сводится к решению вопроса - является ли существующая разница в парных замерах систематической ошибкой или носит незначительный случайный характер.
Рассмотрим характеристику, представленную на рис.5.3 при длительности импульса напряжения 6 мс. Внесём в математическую модель параметры реального клапана. На рис.5.36 приведены динамические характеристики, одна из которых получена методом моделирования, а другая путем проведения натурного эксперимента. Проведём анализ сходимости этих характеристик при помощи t-критерия Стьюдента, описанного выше.
Для статистического расчёта использовалась программа Microsoft Excel, поставляемая в программном пакете Microsoft Office ХР. Вычислим на основании полученных характеристик их парные разности и вычислим среднее разности А,.:
А, =0,003688323;
.& = 0,086610422; Число парных замеров - п =1001-, и после этого определяем эмпирический t-критерий: tMm = 1,34733591. Сравнив полученное значение t-критерия с табличными данными tmae = 1,962339411, можно сделать вывод о том, что эти две характеристики сходятся с вероятностью 95%.
Таким.образом, согласно проведённым исследованиям, можно сделать вывод об адекватности и достоверности разработанной математической модели электрогидравлического привода тормозного механизма.
Результаты настоящего исследования могут быть использованы как для создания новых тормозных систем с электроприводом (электромеханических или электрогидравлических), так и для совершенствования существующих. В частности, адаптивный алгоритм управления электромагнитными клапанами с пропорциональным приводом, может быть использован для регулирования давления в задних тормозных механизмах, и исключить из конструкции автомобиля гидромеханический регулятор давления, а использование пропорциональных электромагнитных клапанов с трёхступенчатой конструкцией якоря позволяет повысить плавность регулирования давления. Разработанная электрическая схема автоматического регулирования тока обмотки электромагнита, может быть также применена для управления электроприводом тормозного механизма в электромеханической тормозной системе и управления активной подвеской с использованием амортизаторов с магнито-реологической рабочей жидкостью, меняющей вязкость в зависимости от напряжённости магнитного поля, созданного электромагнитами. Алгоритм управления БДПТ с динамически изменяющимся углом- опережения коммутации может использоваться для управления электродвигателями привода топливного насоса, масляного насоса, насоса системы охлаждения и т.д. Также, рассмотренные в настоящей диссертации вопросы, являются основанием для дальнейшего исследования. В частности, это вопросы использования мультиплексной сети с протоколом- "жёсткого" реального времени для управления устройствами, напрямую связанные с активной безопасностью. Среди этих устройств - управляемая "по проводам" тормозная система (электрогидравлическая или электромеханическая), рулевое управление, активная подвеска, активный круиз-контроль, системы оповещения и предупреждения столкновения и т.д. Другим основным направлением для дальнейшего исследования является более детальное математическое описание всех компонентов и узлов электрогидравлической тормозной системы, исследование
-193 -дополнительных внешних и внутренних взаимосвязей, позволяющих учесть все виды возмущений и проанализировать любой режим работы и нештатные ситуации. Особенно остро стоит вопрос помехозащищённости, совместимости и отказоустойчивости компонентов системы. В настоящей диссертационной работе предложено использование модульной конструкции, с обменом данных между отдельными; модулями по высокоскоростной шине. Причём, для- тех устройств, к которым предъявляются самые высокие требования по отказоустойчивости, используется шина данных класса "DRWE-BY-WIRE" с протоколом FlexRay и скоростью передачи данных до 10"Мбит/с,.для менее критичных приложений класса С и протоколом передачи GAN 2".0В; Для повышения отказоустойчивости системы,в целом, необходимо; предусмотреть дублирование особо важных компонентов.
Похожие диссертации на Электрогидравлическая тормозная система для легкового автомобиля
