Мікропроцесорні системи керування автотранспортного засобу та їх структура
мікропроцесорні системи керування АТЗ та їх структура
1. Призначення та класифікація систем керування
Автомобільні системи керування призначені для реалізації оптимізуючого алгоритму по керуванню агрегатами та вузлами автотранспортного засобу (АТЗ) в автоматичному режимі.
Процес оптимізації виконується на основі аналізу інформаційних параметрів, що змінюються під час експлуатації АТЗ, та здійснюється за одним або декількома оптимізуючими критеріями за допомогою програмно - апаратних засобів.
Системи керування можна класифікувати за трьома основними ознаками: за призначенням або об'єктом керування; за гнучкістю реалізації оптимізуючого алгоритму; за способом реалізації системи, що визначає рівень її влаштування (рис. 1). Розглянемо об'єкти АТЗ, для керування якими використовуються мікропроцесорні (МП) системи керування, та визначимо інформаційні параметри і критерії оптимізації.
В сучасних автомобілях використовується кондиціонер, який керується за допомогою мікропроцесорної системи. Параметрами, що сприймаються системою як інформаційні, є температура та вологість повітря в салоні автомобіля. Критерієм оптимізації режимів функціонування кондиціонера є підтримка постійного значення цих параметрів на рівні, сприятливому для організму людини. Додатково ця система відслідковує рівень напруги бортової мережі, який свідчить про стан акумуляторної батареї та системи електропостачання в цілому. Якщо електричне навантаження за рахунок підключення кондиціонера стає надлишковим (заважає роботі основних агрегатів та систем ДВЗ), система керування вимикає кондиціонер та повідомляє про це водія.
Протиугонна система (імобілайзер) є складовою частиною МП системи керування ДВЗ. Система функціонує так. Ключ запалювання являє собою мініатюрний приймально-передаючий пристрій з пасивним джерелом живлення (транспондер), в якому зберігається код дозволу. Такий же код є в пам'яті МП системи керування ДВЗ. Під час запуску двигуна система ідентифікує коди. Якщо порівняння кодів виявляє несанкціонований доступ, імобілайзер вимикає живлення основних підсистем ДВЗ (системи запалювання, системи паливопостачання) в середовищі електронного блоку керування (ЕБК), до складу якого входить МП. У сучасних системах імобілайзера передбачено зміну кодів дозволу після кожного вмикання замка запалювання.
Система зчеплення має задовольняти таким вимогам. По-перше, забезпечувати максимальну швидкість вмикання зчеплення незалежно від частоти обертання колінчастого валу. По-друге, виконувати монотонне підвищення моменту, що передається зчепленням під час підвищення частоти обертання двигуна. При цьому на режимі неробочого ходу система має повністю від'єднати зчеплення, а після підвищення частоти до заданого значення навпаки, забезпечити блокування зчеплення, щоб виключити його пробуксовку. По-третє, передбачити можливість зміни характеру залежності моменту, що передається зчепленням, від частоти обертання колінчастого валу, якщо втручається водій. По-четверте, забезпечувати малу тривалість (менше за 1,5 с) блокування зчеплення після находження команди на її виконання. Швидкість вмикання зчеплення після вмикання передач має визначатися режимом руху автомобіля та навантаженням двигуна.
Таким чином у системі зчеплення як інформаційні розглядаються параметри: частота обертання колінчастого валу, команди водія, швидкість руху автомобіля, навантаження двигуна. Вихідною функцією, що підлягає оптимізації, є величина моменту, який передається зчепленням.
Для системи керування коробкою передач також використовуються перелічені інформаційні параметри, але функція перетворення полягає в оптимізації швидкісної передачі, а саме у забезпеченні системою певного співвідношення, в залежності від режимів руху автомобіля. До того ж система має виключати помилкове втручання водія у ручному режимі керування.
Антиблокувальна система (АБС) призначена для забезпечення оптимального процесу гальмування автомобіля. Оптимізації підлягає гальмівний момент колеса, що утворюється гальмівною системою. В якості інформаційних параметрів використовується кутова швидкість обертання колеса та реальна швидкість руху автомобіля. Критерієм оцінки ефективності гальмування є коефіцієнт зчеплення колеса з поверхнею дороги.
Система керування підвіскою забезпечує оптимальне функціонування (реакцію) її елементів при різних режимах руху та навантаженнях автомобіля в залежності від якості дорожнього полотна. Об'єктами керування системи є пружні елементи (ресори) та демпфіруючі пристрої (амортизатори). У перших можна регулювати жорсткість та рівень установки, у других - рівень дисипативної сили, що поглинається амортизатором. Системою вирішуються такі завдання:
зменшення амплітуди коливань кузова при русі автомобіля (мінімізація вібрацій);
усунення осідання кузова при прискореннях;
підтримка постійного рівня кузова відносно поверхні дороги (стабілізація положення).
Для виконання цих завдань використовується інформаційні сигнали від датчиків швидкості руху; положення керма; гальмування (прискорення); положення селектора коробки передач; положення дросельної заслінки; положення кузова відносно осі колеса.
Круіз-системи дозволяють оптимізувати в автоматичному режимі швидкість руху автомобіля за різними критеріями:
мінімізація експлуатаційних витрат (витрати палива, зношення покришок коліс);
мінімізація часу руху до пункту призначення;
комбіновані критерії типу вартість - ефективність.
Об'єктом керування в цих системах є педаль акселератора або безпосередньо дросельна заслінка чи паливні форсунки. Для здійснення визначеного алгоритму керування швидкістю руху автомобіля система повинна сприймати інформаційні сигнали від датчиків: частоти обертання колінчастого валу; фази та тривалості упорскування палива; положення селектора коробки передач; положення дросельної заслінки; швидкості руху автомобіля.
Найбільша увага приділяється питанням, пов'язаним з розробкою систем керування ДВЗ, які у загальному випадку являють собою комбіновані системи керування запалюванням, подачею палива, газорозподілом, впуском повітря, рециркуляцією вихлопних газів, ступеню тиску у робочих об'ємах. Як критерії оптимізації вихідних параметрів двигуна обираються: мінімізація токсичності відпрацьованих газів та витрат палива при забезпеченні максимальної потужності на валу двигуна в залежності від умов та режимів експлуатації. Для вирішення цих завдань необхідно оптимізувати структурні параметри кожної робочої системи ДВЗ.
Система запалювання забезпечує якість спалаху паливної суміші та ефективність перетворення хімічної енергії палива у теплову енергію спалаху. У цій системі з боку керування оптимізації підлягають два параметра - енергія іскрового розряду та момент запалювання.
Система паливоподачі відповідає за якість паливної суміші і в результаті визначає якість її згорання. Параметрами, що оптимізуються за допомогою МП системи, є тривалість та момент упорскування палива в циліндри, що в свою чергу визначає співвідношення повітря/паливо робочої суміші. До того ж система має забезпечувати необхідну температуру складових робочої суміші - повітря та палива.
Система газорозподілу керує впускними та випускними клапанами циліндрів та визначає ефективність перетворення теплової енергії спалаху робочої суміші в механічну енергію двигуна. Як параметри керування (що оптимізуються) розглядаються тривалість та фаза випуску вихлопних газів циліндра. Додатково система може оптимізувати кількість необхідних робочих циліндрів з метою економії палива та поліпшувати пуск двигуна, забезпечуючи зниження енерговитрат за рахунок зміни алгоритму спрацьовування клапанів.
Система впуску повітря (турбонаддування, інтеркулер) впливає на якість утворення робочої суміші, забезпечуючи надлишковий тиск повітря на окремих режимах роботи двигуна. Оптимізації підлягає алгоритм та інтенсивність подачі повітря.
Система рециркуляції газів впливає на якість згорання робочої суміші, а саме на токсичність газів, що відпрацьовуються двигуном. Керування системою полягає у поверненні частки газів з випускної труби у впускну. На визначених режимах роботи двигуна така рециркуляція дозволяє значно знизити концентрацію шкідливих речовин у відпрацьованих газах. Природно, що в цій системі критерієм оптимізації є мінімізація шкідливих викидів двигуна.
Система керування ступенем стиску в циліндрах дозволяє значно підвищити ефективну потужність двигуна шляхом зміни об'єму камери згорання за рахунок керування положенням головки циліндрів відносно корпуса двигуна. В даному випадку оптимізується безпосередньо потужність двигуна, яка необхідна на визначених експлуатаційних режимах. Як наслідок, така оптимізація приводить до економії палива.
Система утилізації випаровувань бензину поліпшує екологічні та паливо-економічні показники ДВЗ. Випаровування палива, що надходять з паливного баку, абсорбуються у вугільному фільтрі. За командами з ЕБК, фільтр відчиняється і паливо всмоктується у впускний колектор як додаткове для збагачення паливної суміші на потужнісних режимах. За основний інформаційний сигнал у таких системах приймається сигнал датчика кисню.
Для керування переліченими системами ДВЗ потрібна інформація про стан двигуна, якість палива та експлуатаційні умови руху автомобіля. До таких інформаційних параметрів слід віднести: швидкість обертання та положення колінчастого валу; навантаження двигуна; температурний стан двигуна, палива та повітря; швидкість руху автомобіля; зовнішній атмосферний тиск та тиск в робочих об'ємах двигуна.
Щодо гнучкості керування, розрізняють системи, які мають жорсткий алгоритм функціонування (розімкнуті системи) та замкнуті системи, алгоритм функціонування яких визначається (корегується) на підставі аналізу вихідного параметра об'єкта керування. У розімкнутих системах в якості інформаційних використовується тільки структурні параметри об'єкта керування. На підставі структурних параметрів формується оптимальний сигнал керування об'єктом. У замкнутих системах за інформаційний додатково обирається вихідний параметр об'єкта керування, що підлягає оптимізації. Гнучкі системи є більш переважними, оскільки дозволяють уникнути похибки керування яка виникає від непередбачених збуджуючих факторів.
Як приклад розглянемо систему керування ДВЗ з датчиком детонації. Наявність детонаційного процесу є вихідним параметром при оцінці ефективності функціонування ДВЗ. Якщо детонація виникає, сигнал вихідного датчика (датчика детонації) втручається в алгоритм формування сигналу, який забезпечує оптимальний кут випередження запалювання на основі первинних (структурних) інформаційних сигналів. Система керування в цьому випадку зменшує кут випередження та усуває детонацію. Причинами виникнення детонації можуть бути непередбачені пошкодження систем подачі палива, запалювання, газорозподілу, циліндра поршневої групи та неякісне паливо. Аналогічно функціонує система керування ДВЗ з датчиком кисню. В цьому разі за вихідний параметр ДВЗ обирається хімічний склад відпрацьованих газів. Слід додати, що деякі системи керування залежно від функціонального призначення можуть бути виконані тільки як замкнуті. Наприклад в круіз-системах підтримки постійної швидкості руху автомобіля за вихідний параметр та параметр керування сприймається швидкість руху автомобіля, а як збуджуючі фактори розглядаються зміна профілю дорожнього полотна, аеродинамічний опір повітря та інші дестабілізуючі фактори.
За способом реалізації та рівнем влаштування розрізняють системи керування, що складаються тільки з механічних пристроїв, та електричні системи керування. У свою чергу електричні системи можуть складатися тільки з електромеханічних пристроїв та кінцевих вимикачів (електромеханічні системи), а можуть мати електронний блок керування (ЕБК) в якому виконується перетворювання сигналів інформаційних датчиків у сигнал керування виконавчим пристроєм (електронні системи). Основним атрибутом МП систем керування, який визначає їх перевагу перед іншими електронними системами, є наявність електронного постійно запам'ятовуючого пристрою (ПЗП) та можливість оперування інформаційними сигналами у цифровому вигляді.
2. Структура та склад мікропроцесорних систем керування АТЗ
Автомобільні МП системи керування являють собою мехатронні системи, складовими яких є об'єкт керування, датчики вимірювальної інформації, виконавчі пристрої, електронний блок керування (рис.2.). Як об'єкти керування розглядаються механічні системи автомобіля: двигун, гальма, трансмісія, ходова частина та інші. Датчики утворюють вхідні електричні сигнали (структурні параметри), які характеризують миттєвий стан об'єкта керування. Вимірювальна інформація від датчиків надходить в ЕБК, в якому відбувається їх обробка та аналіз. ЕБК на підставі сигналів датчиків та інформації, що міститься у пам'яті МП, формує сигнали керування Y. Керування об'єктом здійснюється безпосередньо за допомогою виконавчих пристроїв (ВП), які перетворюють електричні сигнали керування на силові електричні, механічні та температурні впливи.
Датчики вимірювальної інформації можна класифікувати за різними ознаками: за призначенням або функцією перетворення; принципом дії чутливого елементу та способом реалізації (особливістю влаштування, видом сигналу, особливістю конструкції). Перш за все назва датчика визначає його застосування. Наприклад, датчик масової витрати повітря дозволяє вимірювати безпосередньо кількість повітря (призначення), термоанемометричний (принцип дії), мехатронний (особливість влаштування), стаціонарний (особливість конструкції), має вмонтований аналогово-цифровий перетворювач (вид сигналу).
Класифікація датчиків вимірювальної інформації, що використовуються в системах керування автомобілем, наведено на рис. Пояснимо деякі класифікаційні ознаки та наведемо приклади датчиків, що їм відповідають.
Як датчик безпосереднього перетворення можна розглядати датчик температури охолоджуючої рідини, який реалізовано на напівпровідниковому терморизесторі. Датчик температури в якому використовується термобіметалева пластинка як чутливий елемент, а потенціометр - як формувач електричного сигналу буде двоступеневим (непрямим) вимірювачем.
В датчиках мехатронного типу передбачається наявність чутливого і вимірювального елементів, а також пристрою вхідної обробки (перетворення) початкового електричного сигналу. Такі датчики, як правило, виготовляються за інтегральною технологією. Наприклад, датчик розрядження МП системи запалювання базується на кремнієвій пластинці, що виконує функцію пружного чутливого елементу, на якій інтегровано тензорезистивний вимірювальний міст, підсилювач напруги та аналогово-цифровий перетворювач. На виході такого датчика формується сигнал у вигляді двійкового коду, що відповідає рівню розрядження. До переваг мехатронних датчиків слід віднести високу компактність, перешкодостійкість, монолітність виробу та надійність. До того ж мехатронні датчики не вимагають застосування додаткових вхідних пристроїв в структурі ЕБК.
До імпульсних відносяться датчики циклічного типу, в яких сигнал сприймається тільки за моментом (кількістю імпульсів або частотою їх надходження без аналізу час-амплітудних параметрів імпульсного сигналу (синхронізуючі імпульси). Прикладом імпульсного датчика може бути індукційний датчик початку відліку або положення колінчастого валу.
Сигнали оцифрованих значень мають вигляд прямокутних імпульсів, які нормуються за часом та амплітудою (дискретні сигнали). Як приклад можна навести датчик швидкості руху автомобіля мехатронного типу, в якому застосовується цифрова мікросхема Холла. Вихідний сигнал прямокутної форми такого датчика має фіксовані амплітуду та шпаруватість імпульсів.
Структура ЕБК містить вхідні пристрої попередньої обробки сигналів, що надходять з датчиків (рис. 2). Для датчиків з аналоговими сигналами (ДА) вхідним пристроєм є аналогово-цифровий перетворювач (АЦП), на вході якого, як правило, передбачено схему узгодження у вигляді масштабуючого підсилювача або атенюатору. Слід відзначити, що в деяких системах рівень напруги живлення борта UАКБ сприймається як вимірювальна інформація аналогового вигляду.
Сигнали від імпульсних датчиків (ІД) та від датчиків оцифрованих значень (ЦД) надходять в пристрій вхідної обробки (ПВО). Імпульсні сигнали в цьому пристрої спочатку підлягають формуванню, а потім надходять в лічильник, який утворює відповідний двійковий код. Сигнали оцифрованих значень надходять безпосередньо на відповідні лічильники.
Сигнали, які утворюються датчиками у вигляді двійкового коду (ДДК) надходять безпосередньо в МП або підлягають перетворенню з послідовного коду до паралельного за допомогою перетворювача коду (ПК).
Більшість датчиків вимірювальної інформації потребують електроживлення фіксованим значенням напруги. Ця напруга забезпечується стабілізованим джерелом живлення (ДЖ) (напруга живлення складає U = +5B). Вхідні пристрої та МП, що входять до складу ЕБК, теж споживають понижену напругу від стабілізованого ДЖ.
Електронна пам'ять ЕБК забезпечується трьома типами запам'ятовуючих пристроїв: програмованим постійно запам'ятовуючим пристроєм (ППЗП), оперативно запам'ятовуючим пристроєм (ОЗП), електрично-програмованим пристроєм (ЕПЗП).
ППЗП містить послідовність робочих команд, що утворюють алгоритми керування та калібрувальну інформацію. Калібрувальна інформація зберігається у вигляді характеристичних двомірних карток та залежить від маси автомобіля, типу та потужності ДВЗ, передаткового співвідношення трансмісії та інших конструктивних особливостей транспортного засобу. Інформація, що зберігається в ППЗП, не підлягає зміні в процесі експлуатації автомобіля та зберігається при відключенні живлення ЕБК.
ОЗП використовується для оперативного зберігання вимірювальних параметрів та термінової інформації з ППЗП, необхідної для розрахунків. Інформація знищується при відключенні живлення ЕБК.
ЕПЗП використовується для тимчасового зберігання кодів-паролей системи імобілайзера та корегуючих коефіцієнтів поновлення характеристичних карток під час адаптаційних процесів у системі керування. Інформація в ЕПЗП зберігається при відключенні живлення ЕБК, але підлягає поновленню в процесі експлуатації автомобіля.
Центральний процесор виконує арифметичні та логічні обчислення вимірювальних параметрів, що перебувають в ОЗП з метою вилучення необхідної калібрувальної інформації, яка зберігається в ППЗП або ЕПЗП.
З виходів МП отримані сигнали керування Y поступають на вихідні каскади (ВК), де підсилюються і узгоджуються з параметрами виконавчих пристроїв (ВП). Деякі інформаційні сигнали з виходів МП передаються безпосередньо на засоби індикації (СЕ, КВП) без попереднього підсилювання. До складу контрольно-вимірювальних приладів (КВП) входять штатні покажчики і сигналізатори, що містяться на панелі приладів та додаткові інформаційні пристрої, такі як економетр, маршрутний комп'ютер та інші.
В якості виконавчих пристроїв систем керування найчастіше застосовуються електромеханічні пристрої та агрегати, такі як електромагнітні приводи (форсунки, муфти вмикання, клапани), електромагнітні реле різного призначення, сервісні та крокові електродвигуни у складі регулюючих та дозуючих приводів. До виконавчих пристроїв слід додати нагріваючі елементи, електронні пристрої (комутатори струму) та комбіновані пристрої (модуль запалювання), що застосовуються в окремих системах керування. Слід зауважити, що потужні виконавчі пристрої управляються дистанційно за допомогою реле вмикання.
Наявність значної кількості елементів та застосування складних алгоритмів функціонування мехатронних систем керування потребує значної уваги при діагностиці стану системи в цілому, локалізації пошкодженого елементу, визначення місця та причини пошкодження. Для поліпшення процесу діагностування та зниження витрат на технічне обслуговування автомобілів в більшості МП систем керування передбачено вмонтовану систему самодіагностики (ССД). Під'єднання ССД до зовнішніх діагностичних приладів здійснюється за допомогою діагностичного рознімання (ДР), в якому передбачено два інформаційних канала - «line»(L) і «control»(K). По L-каналу інформація від системи надходить до зовнішнього монітору, а по К-каналу від зовнішньої клавіатури у середовище ЕБК.
