Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ электроприводов и центробежных насосов в системах управления и безопасности автомобиля. постановка задач исследования 10
1.1. Обзор центробежных насосов в системах управления и безопасности автомобиля 10
1.2. Принципы построения центробежных гидравлических машин, электрогидравлическая аналогия 13
1.3. Способы регулирования производительности ЦН в системах управления и безопасности автомобиля 18
1.4. Особенности работы ЦНкак объектов управления 25
L5. Обзор электроприводов ЦН в системах управления и безопасности автомобиля 27
1.6. Анализ практических разработок регулируемых ЭП в системах управления и безопасности автомобиля 33
1.8. Цель и задачи исследования 37
Глава 2. Моделирование центробежных насосов, приводных двигателей и исследование возможности ускорения выхода на оптимальный рабочий режим центробежных насосов 39
2.1. Моделирование центробежных насосов в системах управления и безопасности автомобиля 39
2.2. Разработка математической модели двигателя в статическом режиме работы 55
2.3. Исследование динамических свойств ДПТ как объекта регулирования 66
2.4. Исследование возможности ускорения процесса поиска оптимального режима ЦН 71
2.5. Выводы по главе 77
Глава 3. Разработка электропривода центробежного насоса струйной очистки стекол и фаравтомобиля 79
3.1. Разработка методики проектирования ЭП ЦН 79
3.2. Разработка алгоритма функционирования и выбор элементной базы электропривода центробежного насоса струйной очистки
стекол и фар автомобиля 83
3.3. Разработка структурной схемы и алгоритма управления электропривода центробежного насоса струйной очистки стекол и фар автомобиля 88
3.4. Разработка функциональной схемы ЭП ЦН струйной очистки стекол и фар автомобиля 97
3.5. Разработка принципиальной схемы ЭП ЦН струйной очистки стекол и фар автомобиля 102
3.6. Разработка программного обеспечения контроллера ЭП ЦН струйной очистки стекол и фар автомобиля 104
3.7. Выводы по главе 112
Глава 4. Экспериментальные исследования электропривода центробежного насоса струйной очистки стекол и фар автомобиля 114
4.1. Объект исследования и его лабораторные испытания 114
4.2. Испытательный стенд для экспериментального исследования работы электропривода центробежного насоса стекол и фар автомобиля 120
4.3. Программа и методика экспериментальных исследований 123
4.4. Микропроцессорный эмулятор сигналов с датчиков 126
4.5. Экспериментальное исследование статических режимов работы ДПТ сЭП ЦН струйной очистки стекол и фар автомобиля 130
4.6. Экспериментальные исследования динамических свойств ЭП струйной очистки стекол и фар автомобиля при работе на ДПТ 135
4.7. Выводы по главе 140
Основные результаты и выводы 142
Список литературы 144
Приложения 155
- Особенности работы ЦНкак объектов управления
- Исследование возможности ускорения процесса поиска оптимального режима ЦН
- Разработка программного обеспечения контроллера ЭП ЦН струйной очистки стекол и фар автомобиля
- Испытательный стенд для экспериментального исследования работы электропривода центробежного насоса стекол и фар автомобиля
Введение к работе
Технологические разработки, повышающие функциональность, мощность, и одновременно сокращающие потребление топлива, вредные выбросы, а также снижающие стоимость продукта и необходимость технического обслуживания, привели к увеличению использования электродвигателей в автомобилестроении. Электроника, встроенная непосредственно в двигатель, стала причиной новой тенденции, получившей название «мехатроника», которая повышает функциональность и точность операций [1].
Все чаще в автомобилях появляются такие системы управления и безопасности, как гидроусилитель рулевого управления, автоматические коробки передач антиблокировочная система тормозов (ABS), жидкостные подогреватели двигателя и салона автомобиля, электронасосы для масла и воды, в состав которых входят центробежные насосы [3]. При этом внедрение центробежных насосов в системы безопасности и комфортабельности, а также использование новых опций автомобиля и постепенное внедрение более дорогих технических решений, по мнению экспертов, обуславливают применение электроприводов (ЭП) центробежных насосов (ЦН) в системах управления и безопасности автомобиля [2].
Эффективность насосного агрегата в рабочем диапазоне в основном определяется способом регулирования и характеристиками системы. При этом требуется, чтобы в рабочей точке достигался максимальный КПД агрегата. Если изменяется, например, расход или давление, тогда необходимо скорректировать механическую характеристику насоса или характеристики системы в целом [15].
ЭП позволяет осуществлять регулирование скорости при заданной программе в функции времени или нагрузки, регулирование ускорения и замедления, перераспределение нагрузки, точную остановку или реверс, защиту от перегрузки, разноса, неправильного начального положения и т.п. Высокими показателями эффективности регулирования обладают ЭП с автоматами оптимиза-
ции (АО) режима работы двигателя постоянного тока (ДПТ), которые осуществляют непрерывный поиск по заданному параметру [26]. Важным показателем качества регулирования, по которому можно выносить суждение о возможности применения ЭП на объекте регулирования, является время выхода в зону рабочего режима [28].
Создание ЭП с АО для ДПТ сдерживается несовершенством технического обеспечения разработок. Недостаточно исследована возможность и эффективность использования ЭП для оптимизации параметров ДПТ. Уровень аппаратурной реализации и функционального построения ЭП с АО не доведен до уровня развития ЭП с программным управлением. Недостаточно исследованы вопросы улучшения качества работы систем с неинерционным ОР, в частности, уменьшение времени поиска оптимального режима ОР в ЭП дискретного типа
[5].
Возможность применения ЭП на автомобилях с различными значениями напряжения питания в бортовой сети, с двигателями различной мощности, напряжением питания, при различных параметрах гидравлических сетей систем управления и безопасности, с различными значениями вязкости рабочих жидкостей (РЖ), обеспечивает высокую степень взаимозаменяемости и адаптации по назначению [2].
Эти объективные причины, соответствующие общим направлениям технического прогресса, вызывают все более широкое использование автоматизированного регулируемого электропривода центробежных насосов в системах управления и безопасности автомобиля [1].
В диссертации решается актуальная научно-техническая задача, обеспечивающая непрерывную подачу рабочей жидкости к системам управления и безопасности автомобиля, уменьшение потребления электрической энергии электроприводов в автомобиле за счет увеличения КПД систем в целом, повышение технико-эксплуатационных и потребительских свойств систем управле-
пия и безопасности, а также комфортности автомобиля за счет улучшения свойств электропривода.
Таким образом, вышесказанное позволяет утверждать, что разработка и создание электропривода центробежного насоса систем управления и безопасности автомобиля, способного отвечать всем современным требованиям безопасности, экономичности и комфортабельности, технико-эксплуатационным и потребительским свойствам — актуально и необходимо.
Цель настоящей работы заключается в разработке и создании электропривода с ускоренным поиском оптимального рабочего режима центробежного насоса, обеспечивающего непрерывную подачу рабочей жидкости с максимальным КПД в системах управления и безопасности автомобиля.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Предложен способ управления ЭП ЦН, отличный от известных использованием функции скорости изменения входных параметров ЭП с ускоренным алгоритмом вывода на оптимальный режим работы центробежного насоса, позволяющий обеспечить непрерывную подачу рабочей жидкости в системах управления и безопасности автомобиля.
Предложена методика моделирования режимов работы центробежных насосов малой мощности, отличная от известных использованием электрогидравлической аналогии, позволяющая составлять гидравлическую схему замещения центробежного насоса, а также определять параметры через конструктивные данные ЦН.
Предложен принцип построения системы питания ДПТ, отличный от известных использованием двунаправленной адаптации к параметрам бортовой сети автомобиля и к параметрам питания ДПТ, позволяющий обеспечивать высокую универсальность применения ЭП с различными ДПТ и параметрами бортовой сети автомобиля.
4. Разработаны модели ДПТ, отличные от известных использованием ши-ротно-импульсной модуляции с частотной коррекцией сигнала управления, позволяющие количественно оценивать совместное влияние частот вращения, крутящего момента, величины базового напряжения питания двигателя, его конструктивных параметров, скважности импульсов сигнала управления, частоты импульсного сигнала управления на различных статических и динамических режимах работы ДПТ.
В диссертации использованы различные методы теоретических и экспериментальных исследований. Анализ и моделирование центробежных насосов производился при помощи методики электрогидравлической аналогии. Анализ ДПТ, как объекта регулирования проводился с помощью статистических методов и численных методов математического анализа, данных эксперимента. Экспериментальные данные были получены методом, имитационного и активного эксперимента. Выбор варианта системы осуществлялся методом экспертных оценок.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается корректным применением положений теоретических основ электротехники, электрических машин и электропривода, апробированных методов компьютерного моделирования электротехнических комплексов и современных средств визуального контроля и записи электрических величин.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что предложен, обоснован и экспериментально реализован электропривод центробежного насоса с ускоренным поиском рабочего режима ДПТ и высокими показателями энергосбережения в системах управления и безопасности автомобиля, сущность которого состоит в использовании функции скорости изменения входных параметров электропривода и позволяющего исключить помпаж центробежного насоса и обеспечить непрерывную подачу РЖ в системах управления и безопасности автомобиля.
Предложенные принципы построения электроприводов центробежных насосов в системах управления и безопасности автомобиля используются при разработке современных автомобильных электронасосов семейства ВАЗ в ООО ПКФ «Современные технологии разработки автоматизированных управляющих систем». Результаты диссертационной работы в качестве учебного пособия используются в учебном процессе на кафедре «Электрооборудование автомобилей» Тольяттинского государственного университета.
Основные положения и результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены специалистами кафедры «Электрооборудование автомобилей» Тольяттинского государственного университета, а также на 2 Всероссийских и Международных научно-технических и научно-практических конференциях.
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы - (138 наименований) и приложений. Работа содержит 164 страниц, в том числе 154 страниц машинописного текста, 3 таблицы и 47 рисунков.
Особенности работы ЦНкак объектов управления
К основным особенностям ЦН в системах управления и безопасности автомобиля, с точки зрения условий работы ЭП, относятся:
зависимость момента нагрузки и мощности на валу от скорости
вращения;
кратковременный режим работы;
присутствие разгонов и торможений;
ограниченный диапазон регулирования скорости вращения;
присутствие перегрузок. Указанные особенности совсем не характерны для большинства ЦН; поскольку обычно не требуется реверсирование, торможение или глубокое регулирование, в этих механизмах отсутствуют перегрузки и разгоны, а режим работы продолжительный.
Одну из основных особенностей ЦН как нагрузочных машин для ЭП составляет зависимость статического момента сопротивления на валу турбомеханизма от скорости его вращения. Эту зависимость М(с) = /(и) обычно называют механической характеристикой.
На характер рассматриваемой зависимости существенным образом влияет вид характеристики сети, на которую работает турбомеханизм, а именно, соотношение между статической и динамической составляющими требуемого напора Я:
В системах управления и безопасности автомобиля характеристики сети постоянно изменяются, даже в течение короткого промежутка времени. Это вызвано изменением динамической вязкости РЖ которая зависит от температуры, наличием фильтров и других активных и реактивных сопротивлений, которые серьезно влияют на характер рассматриваемой зависимости напора и расхода РЖ.
Характеристики пропорциональности, представляющие собой квадратичные параболы, показывают, как изменяются расход и напор при регулировании скорости вращения и работе на сеть с постоянными параметрами.
В технической литературе по электроприводу турбомашины обычно называют механизмами с вентиляторным характером нагрузки. Это определение не вполне правильно распространять на все турбомеханизмы, так как, если для вентиляторов характерна квадратичная зависимость момента от скорости, то для других турбомеханизмов, работающих на сопротиводавление, эта зависимость, оказывается более сложной. Поэтому под вентиляторной характеристикой нагрузки применительно ко всем турбомеханизмам следует понимать некоторую характеристику, особенностью которой является существенное снижение момента сопротивления по мере уменьшения скорости вращения.
Однако детальный анализ работы турбомашин при различных величинах статической составляющей напора [12] показывает, что закономерность для напора от частоты вращения соблюдается лишь при Нст = О, а в остальных
случаях наблюдаются значительные отклонения от нее. На наш взгляд, представление механической характеристики турбомеханизма в виде степенной зависимости с к 2 не соответствует физической картине описываемых процессов. Кроме того, такое представление не дает преимуществ при анализе влияния отдельных параметров и практических расчетах, так как пользоваться при этом дробными степенями неудобно [36]. Приближенную, но достаточно точную аналитическую зависимость момента сопротивления на валу ЦН от скорости, соответствующую физическим принципам его работы, можно получить, используя характеристики турбомеханизмов Н = /(?) и Ртх = f(Q) в аппроксимированной форме.
Таково выражение для мощности на валу ЦН в рабочей зоне скорости вращения:
Исследование возможности ускорения процесса поиска оптимального режима ЦН
Время выхода на оптимальный режим равно времени, необходимому для прохождения 95% величины начального отклонения выхода, и зависит от величины начального отклонения выхода от экстремума и способа управления скоростью изменения входной величины. Принцип работы ЭП с аппаратами экстремальной оптимизации основан на поисковых алгоритмах и в связи с этим системы имеют достаточно большие значения времени выхода ЦН в зону оптимального режима. Проблеме уменьшения времени поиска оптимального режима, когда инертность объекта регулирования (ОР) существенна, и пренебречь ею нельзя, было посвящено довольно много работ. Проводя анализ алгоритмов, позволяющих ускоренно находить экстремум, довольно трудно выделить те из них, в соответствии с которыми можно реализовать систему способную работать на реальном инерционном ЦН. Исследования ЦН, как объекта регулирования показали, что он обладает достаточно высоким уровнем широкополосных помех, как на входе, так и на выходе.
Случайные шумы, имеют высокую спектральную плотность в возможном диапазоне частот поисковых сигналов ЭП. В этой ситуации использовать предложенные алгоритмы ускоренного вывода ЦН в зону оптимального режима практически невозможно.
Существует метод прогнозирования установившихся значений параметров ЦН на шаг вперед. Метод предназначен для ЭП с экстремальными аппаратами дискретного типа и позволяет по начальному участку переходного процесса в объекте, вызванного изменением входного сигнала на шаг АХ, оценить установившееся значение 0( х ) выходного сигнала объекта. На рис.22 представлена графическая иллюстрация метода предвычисления статической характеристики ОР.
После изменения входного сигнала на шаг АЛ значение выходного сигнала (если ОР безынерционный) приняло бы значение [l] = /(x[l]). Однако из-за наличия инерции в ОР начинается переходный процесс (кривая I).
Приращение выходного сигнала AQ[l] ОР на первом шаге:
Для определения значения d[\] за малый промежуток времени необходимо через время г замерить приращение выходного сигнала объекта AQ] (г) = AQU. Воспользовавшись уравнением (2.75) для момента времени т, f -L V
можно определить значение d[\] = AQU 1-е 7
После первого шага вход объекта смещается еще на АХ, т.е. Х[2] = ЛГ[і] + ДХ. В этом случае переходный процесс будет протекать по кривой
II. Снова через время г замеряется значение приращения AQ2{r) = AQ2t выходного сигнала ОР. Определить значение выходного сигнала d[2] объекта в установившемся режиме можно также, как это делалось при первом шаге, т.е.
После этого на сравнивающее устройство ЭП подается сигнал разности A?[l] = d[2]-rf[l]. В зависимости от знака AQ[\] сравнивающее устройство определяет направление следующего шага. Для п-шага d[n] = AQnr D(r), а &Q[n] = d[n]-d[n-l].
Использовать описанный метод и принцип построения ЭП ЦН также довольно затруднительно. Это связано с тем, что данный метод основан на предположении, что постоянная времени объекта не меняется при изменении режима работы ЦН. Однако как показывают исследования, постоянная времени ЦН изменяется, кроме того параметры гидравлической сети являются динамичными и в этом случае нецелесообразно использовать данный метод, так как даже при прогнозировании на шаг невозможно существенно сократить время выхода ЦН на оптимальный режим.
При таком положении следует определить другие способы ускорения поиска оптимального режима ЦН. Рассмотрим вопросы управления скоростью изменения входного воздействия систем.
Существуют два основных способа управления скоростью изменения входного воздействия:
- управление с постоянной скоростью; - пропорциональное управление скоростью изменения входной величины.
Сравним время выхода на оптимальный режим ЭП с постоянной и с пропорциональной скоростями изменения входа. Для облегчения проведения сравнения используем понятие критического начального отклонения выхода. Последнее определяется как такое начальное отклонение, при котором время выхода на оптимальный режим систем с постоянной скоростью равно времени выхода систем с пропорциональной скоростью изменения входа.
Используя выражения, полученные ДраЙпером и Ли для времени выхода систем с постоянной и пропорциональной скоростью изменения входа, запишем выражение для критического начального отклонения выхода.
Разработка программного обеспечения контроллера ЭП ЦН струйной очистки стекол и фар автомобиля
В контроллере ЭП ЦН струйной очистки стекол и фар автомобиля аппаратные средства и программное обеспечение должны существовать в форме неделимого программно-аппаратного комплекса. При проектировании ЭП задача оптимального распределения функций между аппаратными средствами и программным обеспечением решалась с помощью методологического приема, при котором весь цикл разработки рассматривался как последовательность трех фаз проектирования:
- анализ задачи и разработка аппаратных средств ЭП;
- разработка прикладного резидентного программного обеспечения;
- стыковка аппаратных средств с программным обеспечением ЭП ЦН струйной очистки стекол и фар автомобиля и отладка контроллера.
Разработка прикладного программного обеспечения, согласно методики разработки ЭП ЦН, проводилась с использованием метода декомпозиции, при котором вся задача последовательно разделялась на меньшие функциональные секции, каждую из которых можно анализировать и отлаживать отдельно от других. При выполнении программы управление должно передаваться от одной функциональной секции к другой. Алгоритм работы программы ЭП представлен на рис.29.
Основа программного обеспечения ОмЭВМ это программа инициализации микропроцессорной системы и прикладное программное обеспечения работы ЭП.
Разработка функциональных секций прикладной программы имеет итеративный характер, т.е. требует многократных проб, прежде чем алгоритм ее реализации примет завершенный вид. Работа по созданию функциональных секций прикладной программы ЭП проводилась в следующей последовательности:
- определялось целевое назначение фрагмента прикладной про граммы;
- определялись способы получения секцией прикладной программы входных данных (от датчиков через порты ввода, с клавиатуры, из памяти, из рабочих регистров процессора) и необходимость их предварительной обработки (маскирование, сдвиг и т.д.);
- определялся способ преобразования входных данных в требуемые выходные (создание «тела» программы);
- определялись способы выдачи из секции прикладной программы результата (в память, в порты вывода, в вызываемую подпрограмму) и необходимость их последующей обработки (изменение формата, масштабирование, маскирование);
- проводился анализ результатов и корректировка полученного программного продукта;
- проверялась работоспособность секции прикладной программы и определялись граничные условия, в пределах которых секция дает удовлетворительные результаты.
В целях облегчения программирования для каждой секции прикладной программы составлялась блок-схема, на основе которой создавалась исходная программа секции. Исходные программы, написанные с использованием символических адресов и ссылок транслировались с помощью ассемблера «Mplab IDE 6.62» на ПЭВМ. В процессе трансляции ассемблер выдает листинг, на котором представлены исходная и объектная версии программы. С помощью абсолютной адресации в ассемблере задавались адреса местонахождения транслируемых программ.
Алгоритм основной программы ЭП представлен на рис.30.
Основная программа включает в себя анализ работы двигателя, анализ работы ЭП, программы аварийной остановки, отображения информации и получения исходных данных (анализ работы энкодера рис.31.).
К функциональным программам «анализа работы ЭП» относятся программы:
- инициализации кристаллов контроллера ЭП;
- запуска с заданного адреса;
- просмотра содержимого ячеек памяти с выполнением инкремента/декремента адреса;
Испытательный стенд для экспериментального исследования работы электропривода центробежного насоса стекол и фар автомобиля
Экспериментальные исследования работы макетного образца ЭП ЦН струйной очистки стекол и фар автомобиля проводились на Волжском автомобильном заводе на стенде фирмы SEEQAM, структурная схема стенда представлена на рис.40.
В состав стенда для испытаний входили:
двигатель электронасоса МЭ268;
электромагнитный тормоз-компенсатор;
пульт управления;
датчики угла поворота и частоты вращения тормозного диска;
крепления, подшипниковые опоры и соединительные муфты;
панели приборов, независимый интерфейс и контроллер стенда;
персональный компьютер со специализированным программным обеспечением;
контроллер ЭП с комплексом датчиков.
На диагностическом испытательном стенде двигатель, посредством предохранительной муфты, соединяется с валом ротора электромагнитного тормоза-компенсатора, представляющего собой специальную тормозную машину, где металлический диск, вращающийся в магнитном поле специализированных катушек подтормаживается с обратным воздействием на тормоз-компенсатор, который поворачивается на определенный угол в зависимости от момента на валу электродвигателя. Измерение крутящего момента двигателя проводилось с помощью датчика углового перемещения тормоза-компенсатора.
Для измерения частоты вращения вала привода в стенде предусмотрен оптический датчик частоты вращения, установленный непосредственно с тормозным диском, в котором по всей окружности выполнены отверстия.
Частота вращения измеряется при помощи внутреннего электронного частотомера стенда.
Стенд для испытаний двигателя укомплектован измерительной аппаратурой в соответствии с требованиями ГОСТа 14858 «Микроэлектродвигатели постоянного тока. Методы стендовых испытаний» [138]. В состав стенда входят приборы, позволяющие контролировать параметры двигателя, а именно: частоту вращения ротора, момент на валу двигателя, напряжение питания, коэффициент полезного действия, ток в цепи якоря, сопротивление цепи якоря, мощность затрачиваемую двигателем, полезную мощность двигателя, температуру воздуха, температуру двигателя.
При проведении испытаний контроллер ЭП устанавливался на пульте управления. Запись процессов регулирования сигнала управления проводилась с помощью компьютера IBM PC, через последовательный порт, соединенный с контроллером стенда.
После установки контроллера ЭП, датчиков и формирователей вся система была настроена и подготовлена к проведению экспериментальных исследований совместно с ДПТ.
Экспериментальные исследования проводились по программе, содержащей:
- определение значений показателей качества регулирования системы в лабораторных условиях;
- испытания ДПТ (определение рабочих и регулировочных характеристик) с целью получения контрольных данных;
- исследование процесса регулирования работы двигателя с помощью контроллера ЭП ЦН струйной очистки стекол и фар автомобиля, на статических режимах работы ДПТ, с целью определения значений показателей качества регулирования в статическом режиме работы ДПТ, начального отклонения выхода от оптимума и сравнительной оценки эффективности регулирования параметров сигнала управления;
- исследование динамических свойств ЭП ЦН струйной очистки стекол и фар автомобиля с целью определения времени выхода на оптимальный режим регулирования работы двигателя при различных значениях скорости приращения скважности, частоты и амплитуды импульсов сигнала управления, и предельных приращений входных параметров, при которых необходимо осуществлять передачу управления на программу грубого регулирования работы двигателя в случае перехода двигателя на неустановившийся режим работы.
С помощью генератора синусоидального напряжения устанавливается произвольное фиксированное значение частоты в диапазоне 25.-150 Гц (1500...9000 мин"1). После чего запускается система и переводится в режим регулирования параметров сигнала управления. Контроль частоты производится с помощью частотомера. Контроль параметров сигнала управления осуществляется с помощью осциллографа.
Частота генератора медленно понижалась, до тех пор, пока не происходил реверс системы. В этот момент проводилось фиксирование частоты/,. Затем частота генератора также плавно повышалась, а затем опять снижалась до получения реверса. В одной серии опыты повторялись несколько раз, при этом фиксировались значения частоты в момент реверса /р1 и максимума частоты fml.
