Глазунов Д.В. управление техническими системами автомобиля

Рис. 1.6. Преобразователь с широтно-импульсной модуляцией: а – схема; б – диаграммы сигналов в контрольных точках.

Регуляторы напряжения с широтно-импульсной модуляцией

Применение регуляторов дискретного действия с постоянной частотой переключений позволяет устранить ряд негативных свойств двухпозиционных регуляторов непрерывного действия.

Можно синтезировать несколько вариантов таких регуляторов. На рис. 1.7 представлена одна из возможных САР напряжения с использованием преобразователя напряжение – временной интервал (преобразователя сигнала с ШИМ).

Система содержит генератор Gс обмоткой возбуждения LG, выпрямитель UZ, датчик регулятора Д, как правило, выполненный в виде делителя напряжения, формирователь опорного напряжения ФОН, выполняющий функции задающего устройства, устройство сравнения УСр1, преобразователь напряжение – время ПНВ и усилитель мощности УМ. ПНВ, в свою очередь, состоит из генератора тактовых импульсов ГТИ, генератора линейного напряжения ГЛН, устройства сравнения УСр2 и триггера Т. Для питания электронной части системы используется стабилизатор напряжения СН второй ступени стабилизации. Он же используется для формирования заданного (опорного) напряжения Uz.

Рис. 1.7. Функциональная схема системы регулирования напряжения дискретного действия с преобразователем напряжение – временной интервал (с ШИМ преобразователем)

Работает система регулирования следующим образом. На устройство сравнения УСр1 подается напряжение с ФОН и датчика Д. Разность напряжений Uxи Uzс выхода УСр1, равная U, поступает на устройство сравнения УСр2 преобразователя ПНВ. Генератор тактовых импульсов ГТИ дискретизирует процесс регулирования. Время, равное

21

периоду следования импульсов с ГТИ, определяет цикл преобразования напряжения в длительность импульса (временной интервал). Импульсы с ГТИ синхронизируют работу генератора линейного напряжения ГЛН. В УСр2 напряжение с ГЛН сравнивается с напряжением U. При совпадении значений сравниваемых напряжений на выходе устройства сравнения УСр2 вырабатывается сигнал, который сбрасывает триггерТв лог. «О». Предварительно триггер импульсом с ГТИ устанавливается в лог. «1». Импульсы с выхода триггера поступают на усилитель мощности УМ и далее на обмотку возбуждения. ПНВ осуществляет преобразование U(АМ)E→ UТ(ШИМ)Е сфункцией преобразованияτИ=f( U), где τИ – длительность (ширина) электрического импульса на выходе триггера.

Тиристорные регуляторы напряжения

По способу управления тиристором тиристорные регуляторы напряжения можно разделить на регуляторы с управлением угла включения тиристора (системы с естественной коммутацией) и регуляторы с управлением относительной длительностью включения тиристора (системы с искусственной коммутацией).

На рис. 1.8 приведена принципиальная схема тиристорного регулятора напряжения с естественной коммутацией. В регуляторе напряжения функции регулирующего органа выполняет тиристор VS. В анодную цепь тиристора включена обмотка возбуждения ОВ генератора. Обмотка возбуждения шунтируется диодом VD4. Чтобы обеспечить естественную коммутацию, тиристор подключен к генератору через однофазный двухполупериодный выпрямитель, образованный двумя диодами выпрямителя генератора и двумя вспомогательными диодами VD5, VD6. Для обеспечения возбуждения генератора к обмотке возбуждения подводится напряжение аккумуляторных батарей через резисторы R6 иR7. Для улучшения условий коммутации тиристора применен конденсатор С1.

22

Рис. 1.8. Принципиальная схема тиристорного регулятора напряжения

Датчик, задающее устройство и устройство сравнения регулятора напряжения состоят из делителя напряжения R1...R3, стабилитронов VD1, VD2 и резистора R4. Усилитель постоянного напряжения на транзисторе VT1 с нагрузкой R4 выполняет функции устройства управления. Дроссель L1 выполняет функции фильтра.

При включении выключателя зажигания S1 на вход регулятора поступает напряжение аккумуляторной батареи. Поскольку напряжение аккумуляторной батареи меньше напряжения срабатывания стабилитрона, то транзистор VT1 находится на границе состояния отсечки. По цепи L1, R4, VD3, R5 протекает ток, создающий падение напряжения на сопротивлении R5, достаточное для переключения тиристора VS.

Через фильтр Z, сопротивления R6 и R7, диоды VD5, VD6 и обмотку возбуждения ОВ подается анодное напряжение к тиристору, и тиристор переключается в состояние насыщения. Таким образом, обеспечивается возбуждение генератора. Затем обмотка возбуждения практически питается от однофазного мостового выпрямителя.

Когда напряжение генератора достигает напряжения срабатывания стабилитрона, транзистор VT1 переключается в состояние насыщения. При этом напряжение на цепочке VD3, R5 резко уменьшается и распределяется неравномерно. Большая часть напряжения приходится на диод, а меньшая часть – на сопротивление R5. Напряжение на сопротивлении R5 очень мало. Следовательно, напряжение на управляющем электроде тиристора практически равно нулю. При напряжении на выходе однофазного двухполупериодного выпрямителя, близком к нулю, тиристор переключается в состояние отсечки.

Регулирующие органы тиристорных регуляторов могут быть выполнены по различным схемам управляемых выпрямителей, в том числе как однофазные и трехфазные.

Тиристорные регуляторы напряжения создают более сложные условия возбуждения генератора и требуют увеличения числа витков обмотки возбуждения генератора, так как напряжение электроснабжения обмотки возбуждения ниже выпрямленного напряжения генератора. В автотракторном электроснабжении тиристорные регуляторы напряжения применяются редко.

1.4. РЕГУЛЯТОРЫ СИЛЫ ТОКА В АВТОМОБИЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ

23

В элементах и устройствах систем управления автомобильными агрегатами часто возникает необходимость автоматического регулирования силы тока в цепи нагрузки по заданному закону в зависимости от тех или иных управляющих сигналов. Частным случаем такого регулирования является поддержание постоянства заданной силы тока в цепи при возможных изменениях напряжения питания, сопротивления нагрузки, температуры окружающей среды и других возмущающих воздействиях.

Наиболее просто решается задача регулирования силы тока в цепях малой мощности, где регулирующие органы работают с небольшой рассеиваемой мощностью. Значительно сложнее обеспечить нормальную работу системы регулирования при токах нагрузки, превышающих 1...2 А, особенно, если необходимо иметь значительный диапазон регулирования силы тока.

Ниже рассматриваются электронные системы регулирования, которые могут использоваться для автоматического регулирования силы тока в цепях с мощностью нагрузки от единицы до десятков ватт.

Аналоговые системы непрерывного регулирования силы тока

В некоторых системах управления автомобильными агрегатами для автоматического регулирования давления жидкостей или расхода топлива, подаваемого в двигатель, используют клапаны или золотники с электромагнитным приводом. При использовании электромагнитных клапанов для обеспечения стабильности регулировочной характеристики необходимо сохранять постоянство заданной силы тока в обмотке электромагнита независимо от изменения напряжения в бортовой сети автомобиля и температуры окружающей среды, влияющей на сопротивление обмотки электромагнита.

24

Рис. 1.9. Схема непрерывной системы регулирования силы тока

Как правило, в указанных системах управления используют сравнительно маломощные электромагниты с максимальной силой тока нагрузки, не превышающей 1 А (при номинальном напряжении бортовой сети 12 В). Для управления такими электромагнитами можно использовать систему автоматической стабилизации силы тока непрерывного регулирования. При таком режиме практически отсутствуют пульсации силы тока в цепи нагрузки, но в регулирующем органе (выходном транзисторе) рассеивается значительная мощность

Р= (ЕП – I НR Н) IН

где – напряжение питания; IН– сила заданного тока нагрузки; R Н– сопротивление нагрузки (обмотки электромагнита).

На рис. 1.9 приведена схема непрерывной системы регулирования силы тока, обеспечивающей поддержание заданной силы тока в обмотке электромагнита, предназначенного для регулирования давления жидкости в напорной магистрали гидромеханической передачи. По принципу действия такой регулятор напоминает компенсационный стабилизатор напряжения. Датчиком тока в системе регулирования является резистор R6, через который проходит ток нагрузки IН, электромагнита. В качестве устройства управления используется транзистор VT1, а регулирование силы тока нагрузки осуществляется с помощью регулирующего транзистора VT2, работающего в активном режиме.

Применение стабилитрона VD1 в качестве задающего устройства обеспечивает постоянство напряжения Uб1, подводимого к базе транзистора VT1, независимо от напряжения ЕПбортовой сети. Напряжение Uэ1, подводимое к эмиттеру транзистора VT1, определяется падением напряжения на резисторе R6 припрохождении через него тока IН. Сила токаIб1,проходящего через базу транзистора VT1, определяется разно-

25

стью напряжений Uб1 –U э1. Чем больше эта разность, тем выше сила тока Iб1 следствием чего является увеличение силы тока Iк1 коллектора транзистора VT1, а также силы тока базы Uб2и коллектора UK2транзистора VT2, определяющего величину тока нагрузки.

Параметры схемы рассчитывают таким образом, чтобы при прохождении через резистор R6 тока электромагнита заданной силы падение напряжения в резисторе обеспечивало такую разность Uб1 –U эl, которая необходима для получения тока UK2= IН.При отклонении силы тока в обмотке электромагнита от заданного значения IZH(например, в сторону увеличения) возрастает падение напряжения в резисторе R6 и, следовательно, уменьшается разность Uб1 –U эl. Это приводит к снижению силы тока Iб1 и восстановлению прежней силы тока IН в обмотке электромагнита. В случае уменьшения силы тока IНнаоборот, происходит увеличение разности Uб1 – U э1, что обусловливает восстановление силы тока IН. Сила тока в обмотке электромагнита не зависит ни от сопротивления его обмотки, ни от напряжения источника питания, так как режим работы транзисторов VT1 и VT2 определяется исключительно отклонением напряжения на резисторе R6 от заданного значения, которое зависит только от силы тока IН.

Если параллельно переходу эмиттер – коллектор транзистора VT2 подключить, как это показано штриховой линией на рис. 1.9, резистор R7, то тепловой режим транзистора VT2 существенно улучшится, так как часть тока обмотки электромагнита будет проходить через этот резистор. Сопротивление резистора R7 должно быть выбрано таким, чтобы при максимально возможном напряжении питания сила проходящего через него тока была не больше заданного значения IZH. Работа транзистора VT2 в активном режиме обусловливает неблагоприятные энергетические показатели систем непрерывного регулирования силы тока. Снизить рассеиваемую мощность в регулирующем транзисторе можно, обеспечив ключевой режим его работы. Такой режим транзисторов используется в двухпозиционных системах регулирования.

Основу элементной базы современных электронных устройств с непрерывными амплитудно-модулированными сигналами составляет операционный усилитель (ОУ). На основе ОУ могут быть построены стабилизаторы тока с высокими техническими характеристиками. В таких стабилизаторах ОУ, охваченный отрицательной обратной связью по току, используется для поддержания тока в нагрузке, равного заданному значению тока IZ, определяемому опорным напряжением Uz. На рис. 1.10 представлены две схемы стабилизаторов тока, использующих ОУ.

В стабилизаторе, выполненном по схеме, приведенной на рис. 1.10, а,операционный усилитель DA1 поддерживает падение напряжения на

26

резисторе R1 равным опорному напряжению Uz. Если входной ток операционного усилителя DA1 много меньше тока Iz = Uz /R1, Iэ1 = I1, где Iэ1 – эмиттерный ток первого транзистора. Нагрузка стабилизатора включается в коллектор транзистора VT1 вместо резистора R2. Для того чтобы ток коллектора этого транзистора как можно меньше отличался от заданного тока эмиттера, необходимо использовать транзистор с большим коэффициентом усиления или применить полевой, либо составной транзистор. Падение напряжения на управляющем переходе транзистора VT1 в данном случае не вносит погрешности, поскольку действует в прямой цепи усилителя, охваченного цепью отрицательной обратной связи. Если требуется, чтобы нагрузка и источник опорного напряжения имели общий нулевой зажим, можно дополнить стабилизатор вторым ОУ, как это показано на рис. 1.10, а. Нагрузка теперь включается в коллектор транзистора обратной проводимости VT2, присоединенного к выходу ОУ DA2. Для повышения выходного сопротивления стабилизатора тока можно включать на выходе полевой транзистор.

В стабилизаторе, выполненном по схеме, приведенной на рис. 1.10, б,с помощью ОУ стабилизируется коллекторный ток транзистора VT1, а нагрузка включается в коллектор транзистора VT2. Поскольку на базы этих транзисторов подано одно и то же напряжение, то при равенстве эмиттерных сопротивлений (R1=R2) коллекторные токи транзисторов тоже будут равны. Так как транзистор VT1 включен в схему усилителя с общим эмиттером, инвертирующим сигнал, то для введения отрицательной обратной связи коллектор этого транзистора соединяется с неинвертирующим входом ОУ.

Рис. 1.10. Схемы стабилизаторов тока на основе операционных усилителей: а – с транзистором р– п– р; б – с транзистором п– р– п.

Системы двухпозиционного регулирования силы тока

27

Двухпозиционная система регулирования силы тока в обмотке электромагнита, входящего в состав устройства автоматического управления сцеплением автомобиля, приведена на рис. 1.11.

Устройство сравнения регулятора выполнено на операционном усилителе DA. В качестве задающего устройства используется стабилизатор напряжения СТ, поддерживающий постоянным напряжение UСТмежду положительным полюсом бортовой сети и шиной – UСТ.

Резистор Rzявляется элементом, изменяющим задающее воздействие, и при необходимости может обеспечить изменение требуемой силы тока. Напряжение, подаваемое на инвертирующий вход 4 операционного усилителя, зависит от того, открыт или закрыт транзистор VT1. Если этот транзистор открыт, то через резистор R1 протекает дополнительный ток, проходящий через резистор R9, и напряжение на входе 4 понижается до низкого уровня U1ОТК по сравнению с напряжением U1зак, подаваемым на вход 4 при закрытом транзисторе VT1. Сопротивление резистора R9 выбирают таким, чтобы разность напряжений U1зак− U1ОТК = U4была больше напряжения дифференциального сигнала, требуемого для перевода операционного усилителя из режима с низким уровнем выходного напряжения в режим с высоким уровнем выходного напряжения.

Рис. 1.11. Двухпозиционная система регулирования тока

К неинвертирующему входу 5 операционного усилителя подводится напряжение, которое определяется выражением

U5=(Uст – I нR16)R4/(R3+R4). (1.4)

Резистор R16 выполняет функции датчика тока. Если разность напряжений U5 –U 4превышает величину U4, то напряжение на выходе 10 усилителя имеет высокий уровень (8,5 В). При U5>U4напряжение на выходе усилителя имеет низкий уровень (1,5 В). В первый момент после

28

подключения схемы к источнику питания вследствие большой индуктивности обмотки электромагнита сила тока IН = 0 независимо от того, открыт или закрыт транзистор. Падение напряжения в резисторе R16 будет отсутствовать, благодаря чему напряжение U5окажется значительно выше напряжения U4. Следствие этого – появление на выходе 10 усилителя напряжения высокого уровня, что обеспечит открытие транзисторов VT2, VT3 и VT4 выходного усилителя с подключением обмотки электромагнита к источнику питания. Кроме того, откроется транзистор VT1, и на входе 4 усилителя установится напряжение U4ОТК низкого уровня.

При подключении обмотки электромагнита к источнику питания в ней постепенно увеличится сила тока, который, проходя через резистор R16, обусловит в нем падение напряжения U16= IНR16. Из этого выражения следует, что по мере увеличения силы тока IН происходит уменьшение напряжения U5, подводимого к неинвертирующему входу 5 усилителя. Когда вследствие увеличения силы тока IН до значения Iн.срб

(Iнmax) это напряжение уменьшится настолько, что разность U5− U1ОТК окажется меньше U4, напряжение на выходе 10 усилителя начнет сни-

жаться и одновременно будет постепенно закрываться транзистор VT1. Это вызовет повышение напряжения на входе 4 усилителя. Такое повышение напряжения U4, приведет к дальнейшему уменьшению разности U5 –U 4, вследствие чего усилитель начнет работать в режиме с низким уровнем выходного напряжения. Напряжение на выходе 4 при этом

равно U1зак.

Вследствие уменьшения до низкого уровня напряжения на входе усилителя выключаются транзисторы VT2, VT3 и VT4, в результате чего обмотка электромагнита отключается от источника питания (бортовой сети). Однако сила тока IНпри этом не падает до нуля, а постепенно уменьшается, поскольку данный ток поддерживается за счет ЭДС самоиндукции обмотки электромагнита и его цепь замыкается через диод VD.

По мере уменьшения силы тока IН возрастает напряжение U5. Ко-

гда U5при силе тока Iн. воз (Iн min) превысит напряжение U1зак, усилитель начнет работать в режиме с высоким уровнем выходного напряжения.

Вследствие открытия при этом транзистора VT1 и снижения напряжения на входе 4 усилителя до значения U1ОТК данный переход происходит лавинообразно и на выходе усилителя сразу же устанавливается напряжение высокого уровня. Далее процесс будет неоднократно повторяться, а сила тока в цепи электромагнита будет меняться от Iн min до Iнmax. Цепь транзистора VT1 образует положительную обратную связь, ускоряющую процесс переключения. В результате действия этой положительной обратной связи при любой комбинации напряжений на входах 4 и 5 усили-

29

теля на его выходе устанавливается либо минимальное (1,5 В), либо максимальное (8,5 В) напряжение. Тем самым гарантируется работа транзисторов VT2, VT3 и VT4 либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения. Как в том, так и в другом случае рассеиваемая мощность в данных транзисторах минимальна. Частота изменения силы тока Iнзависит от глубины указанной положительной обратной связи, которая определяется сопротивлением резистора R9.

При электромагнитной постоянной времени обмотки электромагнита, равной 100... 120 мс, изменением сопротивления резистора R9 обеспечивается регулирование частоты изменения силы тока Iн в пределах 10... 1000 Гц. Сила тока Iн не зависит ни от напряжения источника питания, ни от сопротивления обмотки электромагнита, поскольку входным сигналом для системы регулирования является только падение напряжения в резисторе R16, которое при постоянстве сопротивления данного резистора является функцией силы тока Iн. Поэтому данная схема обеспечивает высокую стабильность среднего значения тока Iн. ср в цепи нагрузки при значительных колебаниях таких возмущающих воздействий, как напряжение бортовой сети автомобиля и температура окружающей среды.

Наряду со стабилизацией тока в цепи нагрузки рассматриваемая схема позволяет обеспечить и изменение тока по заданному закону в зависимости от уровня управляющих сигналов, подводимых к входуАсхемы. Это может быть реализовано путем изменения сопротивления резистора Rzили подведением к входуАнапряжения от источника управляющего сигнала.

Изменение напряжения на входеАсхемы и, следовательно, на входе 4 операционного усилителя обусловит переход усилителя от режима с низким уровнем выходного напряжения в режим с высоким его уровнем и обратно при других значениях напряжения U5на выходе 5 усилителя. Из формулы (1.4) следует, что напряжение U5 определяет ток в обмотке электромагнита, т.е. значения Iн min, Iнmaxи Iн. ср будут меняться в зависимости от величины Us.

Приведенную систему регулирования целесообразно использовать при силе тока нагрузки до 10 А.

1.5. РЕГУЛЯТОРЫ НА БАЗЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

Естественным совершенствованием регуляторов напряжения АиТ является использование в них для обработки информации и формирования закона управления кодовой модуляции. В этом случае в качестве устройства управления применяется контроллер на базе микропроцессора.

30

Сигналы датчиков очень разнообразны по выходной физической величине, модуляции, значениям и формам выходных величин. Кроме того, на них могут накладываться помехи. Датчики предназначаются для преобразования измеряемой величины в электрическую величину, как правило, электрическое напряжение. При использовании микропроцессорного контроллера необходимо все сигналы датчиков привести к единой, стандартной форме сигналов, используемых в применяемом микроконтроллере. Как правило, это импульсные кодовые последовательности с двухпозиционной (двоичной) амплитудной модуляцией напряжения с уровнями U вых−1 (логическая «1») и U вых0 (логический «0»). Например, для

интегральной микросхемы типа ТТЛ U вых−1 (лог. «1») составляет не ме-

нее 2,4 В, а U вых0 (лог. «О») не более 0,4 В. Для согласования выходных сигналов датчиков с входными сигналами микропроцессора используют разнообразные информационные преобразователи. Так как датчики устанавливаются на объекте управления и конструктивно могут объединяться с ним, то такие преобразователи в вычислительной технике называют устройствами сопряжения с объектом (УСО).

Первая задача, которую решает УСО, – согласование сигналов по форме. В технической литературе эти информационные преобразователи называются по-разному: фильтры, ограничители, формирователи, согласующие устройства, интерфейсные платы (карты) и т.д.

Второй задачей УСО является преобразование аналоговых сигналов в соответствующий код и кодовых сигналов на выходе микропроцессора в аналоговые сигналы. Здесь приходится решать проблему согласования различных кодов, поступающих с устройств измерения, с кодами, принятыми в данном микропроцессоре. Такие устройства называют аналого-кодовыми и кодово-аналоговыми преобразователями (АКП и КАП). Далее сигналы, полученные с КАП, необходимо согласовать со входными параметрами исполнительных устройств, которые могут устанавливаться на объекте управления.

В системах, использующих микропроцессоры, для устранения помех приходится применять оптроны, обеспечивающие гальваническую развязку сильноточных цепей.

На рис. 1.12 показаны формы входных и выходных сигналов устройств сопряжения с объектом УСО. Уровни выходных сигналов на схеме указаны условно.

31

Рис. 1.12. Формы входных и выходных сигналов устройств сопряжения с объектом:

а – перепад напряжений, превышающий номинальное значение; б – гармонический сигнал; в – сигнал, содержащий помехи; г – сигнал с пиковыми выбросами.

Выходные сигналы микроконтроллера в большинстве случаев не могут быть использованы для управления исполнительными устройствами, так как выходное напряжение в большинстве применяемых на АиТ микросхем не превышает 5 В, а номинальное напряжение исполнительных устройств на автомобиле равно 14 В. Поэтому на выходе микроконтроллера также используются УСО, которые в основном выполняют функции преобразования кодов и усиления управляющих сигналов. При необходимости применяют гальваническую развязку с помощью оптронов. Современные универсальные микроконтроллеры включают в себя входной коммутатор для аналоговых сигналов и преобразователь аналог– код, а на выходе – каскад с широтно-импульсной модуляцией сигнала управления.

В системах автоматического регулирования напряжения генераторных установок используется принцип регулирования по отклонению регулируемого параметра. На практике в большинстве случаев этого оказывается недостаточно. Так, для надежной работы аккумуляторной батареи требуется, чтобы с понижением температуры электролита напряжение, подаваемое на батарею от генератора, несколько повышалось, а с повышением температуры – уменьшалось. Для автоматизации процесса изменения уровня поддерживаемого напряжения применяется датчик, помещенный в электролит аккумуляторной батареи и включенный в схему регулятора напряжения. В традиционных регуляторах для этого может использоваться резистивный датчик, подключаемый параллельно входному делителю. Изменение сопротивления датчика приводит к изменению значения задающей величины Uz. Таким образом, основной контур регулирования дополняется контуром следящего регулирования. При изменении температуры наружного воздуха так-

32

же необходимо изменять номинальное напряжение генераторной установки. Для этого выполняются сезонные (летние и зимние) регулировки, которые усложняют эксплуатацию автомобилей.

Вцелях уменьшения пульсаций выходного напряжения и повышения его качества целесообразно ввести контуры управления по возмущающим величинам: току нагрузки и частоте вращения ротора генератора.

Проблемы упрощения эксплуатации и снижения затрат на обслуживание за счет усложнения устройств (а отсюда и повышение стоимости изделия) всегда имеют актуальное значение.

Вотечественном машиностроении постоянно старались удешевить продукцию. Затраты на эксплуатацию никогда не учитывались и централизованно не планировались, а расходы по эксплуатации перекладывались на потребителя.

За рубежом на первом месте стоят проблемы удобства эксплуатации и надежности автомобилей, что в конечном счете приводит к сокращению общих затрат на транспортные перевозки.

При унификации микроконтроллеров и расширении объема их производства рассмотренные выше задачи могут быть удовлетворительно решены с помощью микропроцессорных контроллеров. При использовании МП могут решаться и другие задачи, например, включение генератора только после разгона ротора до заданной частоты вращения. Такая система автоматического регулирования напряжения генераторной установки является многоконтурной. Генераторная установка

смикропроцессорным контроллером представлена на рис. 1.13.

Рис. 1.13. Генераторная установка с микропроцессорным контроллером

33

Объектом управления является электрогенератор G, переменное напряжение которого выпрямляется с помощью выпрямителя VD3... VD8.

Информация о состоянии объекта управления и параметрах внешней среды поступает на микроконтроллер, выполняющий функции устройства управления и обработки информации, от датчиков через устройство сопряжения с объектом УСО. Для управления генераторной установкой используются следующие параметры: напряжение генераторной установки UГ, ток нагрузкиIн, частота вращения ротора генератора np, температура наружного воздуха Tн.в и температура электролита Тэ. Для получения ряда параметров используются датчики температуры электролита Дт.э и температуры наружного воздуха Дт.н.в.

В качестве датчика тока нагрузки Дн можно использовать низкоомный стабильный резистор, включаемый в цепь полной нагрузки, либо участок электрической цепи. Падение напряжения на таком сопротивлении будет пропорционально току нагрузки. Заданное значение номинального напряжения при нормальных условиях вводится в память микроконтроллера при выпуске изделия на производстве. В качестве сигнала частоты вращения используется напряжение фазы генератора. Это напряжение поступает на контрольную лампу HL.

Для облегчения пуска ДВС осуществляется отключение тока возбуждения на низких частотах вращения ротора. Это разгружает двигатель в переходном режиме.

1.6. ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩАЯ СЕТЬ НА АВТОМОБИЛЕ

Увеличение производительности и снижение стоимости микропроцессоров привели к использованию централизованных систем управления, ядром которых является центральный процессор. На нем сосредоточиваются все операции по обработке информации и формированию команд управления для всех объектов, входящих в данную систему. Однако, как показала практика, этот путь оказался неоптимальным с точки зрения разработки математического обеспечения, простоты обслуживания и надежности.

В настоящее время все системы управления сложными техническими объектами строятся по одним и тем же принципам. Это многоуровневые, многопроцессорные системы автоматического управления с распределенными функциями, в которых микропроцессорные контроллеры и микропроцессорные устройства обработки информации включены в единую сеть. На современных автомобилях такие системы уже включают в себя десятки микропроцессоров. Как и в любой сложной

34

системе, здесь на первый план выходят вопросы согласования протоколов обмена (интерфейсов) информационными потоками между устройствами различного уровня.

В этом случае система управления генераторной установкой может выполнять функции локального регулятора на первом уровне единой многоуровневой автомобильной системы управления. На рис. 1.14 представлена трехуровневая информационно-управляющая сеть на автомобиле.

На первом уровне ведется управление локальными объектами, управляющими подсистемами которых могут быть различного рода регуляторы. На втором уровне микропроцессорная система управления МП осуществляет комплексное согласованное управление системами автомобиля. В такие системы входят силовой агрегат (ДВС), системы электроснабжения, трансмиссия, светотехническое оборудование, оборудование салона, системы безопасности и вспомогательное оборудование. На третьем уровне центральная микропроцессорная система управления является автоматизированной системой управления, замыкающейся через устройства сопряжения (УСЧ) с человеком. УСЧ являются индикаторами и органами управления, которые используются водителем при управлении автомобилем. К четвертому уровню управления, не показанному на рисунке, относятся системы, используемые водителем и обслуживающим персоналом в процессе эксплуатации автомобиля и его обслуживания.

35

Рис. 1.14. Трехуровневая информационно-управляющая сеть на автомобиле

Одним из основных объектов управления является ДВС (ОУ1). Его параметры определяются датчиками Д1...Дn. После согласования по всем параметрам в УСО сигналы поступают на микроконтроллер системы управления ДВС (МК СУ ДВС). Команды управления через УСО поступают на исполнительные устройства ИУ и регулирующие органы РО для воздействия на ДВС и его системы.

Вторым объектом управления в данном примере является генераторная установка. По параметрам, получаемым от датчиков температуры электролита Дт.э, температуры наружного воздуха Дт.н.в, напряжения генератора Дн, микроконтроллер генераторной установки управляет параметрами аккумулятора и напряжением бортовой сети. В современных генераторных установках с помощью нагревателя ЕТ поддерживается температура электролита в определенных пределах. При необходимости включается устройство М, обеспечивающее механическое перемешивание электролита, что облегчает работу аккумулятора при пуске. Микроконтроллер системы управления генераторной установкой МК СУ ГУ может по программе осуществлять изменение тока заряда, учитывая текущие параметры аккумуляторной батареи. Такая система значительно облегчает эксплуатацию аккумулятора и продлевает срок его службы.

Стандартизация интерфейсов (протоколов обмена) каналов связи в управляющей подсистеме является самой важной задачей при проектировании информационно-управляющей сети. Выбор оптимального протокола для автотранспортной информационно-управляющей сети АТС – достаточно сложная и многоаспектная задача.

В настоящее время в различных отраслях техники уже сложились правила обмена (протоколы) информацией и командами между элементами и устройствами сети. При этом все они имеют свои достоинства и недостатки. В ряде отраслей они уже приняты как стандартные. Эта работа проводится и в автомобилестроении. В современных информационных системах каналы обмена информацией (порты) при использовании кодовых видов модуляции применяют микропрограммый принцип управления и встраиваются в микропроцессор. Применение готовых каналов затрудняет построение оптимальной системы управления.

Основными характеристиками канала связи являются:

–метод разделения каналов: временной или пространственный.

Внастоящее время широко используется временное разделение и уплотнение каналов. Так как в кодовых системах с временным разделением каналов применяются в качестве коммутатора каналов связи мульти-

36

плексоры и демультиплексоры, то в технической литературе появился не совсем корректный термин «мультиплексная система», который характеризует только способ разделения каналов;

–метод передачи данных: синхронный (по временным меткам) или асинхронный (по событиям);

–быстродействие (скорость передачи данных). В настоящее время используются четыре протокола:

А – для локальных вспомогательных систем управления (до 10 кбод); В – для диагностических систем (до 125 кбод); С – для систем, работающих в режиме реального времени (до 1 Мбод);

D – для систем, работающих в режиме реального времени с возможностью обеспечения мультимедийного режима (до 10 Мбод).

Как видно из рис. 1.14, на разных уровнях управления используются каналы с различными характеристиками.

1.7.ОБРАТИМЫЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ АВТОМОБИЛЕЙ

Электрические машины, такие как электрогенераторы и электродвигатели, являются обратимыми преобразователями, т.е. при определенных условиях электрогенератор может быть включен как двигатель и наоборот. Идея совместить электрогенератор и электродвигатель стартера возникла давно. Эта проблема решена в авиации. В настоящее время такая установка, получившая название интегрированный стартер- генератор-демпфер (ИСГД), разработана для автомобилей и используется в ряде зарубежных моделей. Преимущества такой генераторной установки возрастают с использованием конденсаторного пуска. Как и в обычных электрических машинах, принцип работы установки основан на законах электромагнитной индукции. В качестве ротора стартерагенератора (СГ) используется маховик, на котором уложены обмотки статора. Это позволило отказаться от ременного привода. Микропроцессорный контроллер устройства управления, исходя из режима работы ДВС и условий движения, сам определяет, в каком режиме (стартера или генератора) должна работать энергетическая установка.

Традиционный стартер раскручивает коленчатый вал двигателя максимум до 150 мин-1. Новая электрическая машина развивает частоту вращения коленчатого вала до 800 мин-1 всего за 0,2 с. Это значительно облегчает пуск двигателя, а следовательно, появляется возможность автоматического выключения и пуска двигателя на любой остановке, например, у светофора или в пробках. Экономия топлива в городском цикле может составить до 35%, одновременно уменьшаются и вредные выбросы в атмосферу.

37

Установленные на автомобиле конденсаторные накопители большой емкости облегчают пуск двигателя и могут на несколько секунд в режиме стартера добавить мощность основной силовой установке, обеспечивая необходимую приемистость при разгоне. Причем управление дополнительной механической мощностью осуществляется в автоматическом режиме микропроцессорным контроллером. Это значительно облегчает управление на переходных режимах. При торможении и движении под уклон микроконтроллер переводит СГ в режим генератора, производя подзаряд батареи.

Традиционная бортовая сеть автомобиля рассчитывается на один уровень напряжения 14 В, для грузовых автомобилей используют два уровня: 14 и 28 В. Современные генераторные установки, кроме стандартного напряжения 12 В, вырабатывают еще напряжение для питания кондиционера, 100 В для работы системы впрыска и запуска, а также 220 В переменного тока для подключения бытовых электроприборов.

Новая генераторная установка имеет КПД до 80% во всем диапазоне частот вращения вала двигателя, что дополнительно экономит около 0,5 л топлива на 100 км пробега. Благодаря созданию ИСГД коротких импульсов тормозящего момента система служит демпфером крутильных колебаний коленчатого вала, что обеспечивает более плавную

ибесшумную работу двигателя без использования балансирных валов.

Внастоящее время осуществляется перевод бортовой сети автомобиля на повышенное напряжение питания. Повышение напряжения до 42 или 48 В облегчает работу ряда агрегатов автомобиля, снижает расход топлива и материалов. Интегрированный стартер-генератор позволяет решить эту проблему с наименьшими затратами.

1.8.ТЕПЛОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ АВТОМОБИЛЕЙ

Внастоящее время ведутся разработки по замене электрогенератора термоэлектрическим (топливным) элементом, получающим тепловую энергию от сжигания бензина или другого углеводородного продукта. Топливные элементы уже применялись в автомобиле, но низкий КПД и использование дорогих материалов в элементах не позволили им выдержать конкуренцию с электрогенераторами. Технический прогресс решил многие задачи, и топливные элементы могут полностью вытеснить из конструкции автомобиля электрогенератор. Электрогенератор АиТ при нагрузке отбирает у двигателя часть механической энергии и увеличивает расход бензина. КПД преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию, а затем в механическую в ДВС с последующим преобразованием механической энергии в электрическую в элек-

38

трогенераторе, значительно ниже, чем у топливного элемента, в котором химическая энергия топлива преобразуется в тепловую, а затем сразу в электрическую. Следовательно, для получения одной и той же электрической мощности в последнем случае будет израсходовано меньше топлива. При этом топливный элемент работает совершенно независимо от двигателя и способен обеспечивать потребителей электроэнергией как во время движения, так и на стоянке в течение продолжительного времени. Это значит, что в машине на стоянке можно использовать любое современное электрооборудование бытового, информационного, развлекательного и технического характера.

Управляющими воздействиями в такой термоэлектрической энергетической установке являются температура в камере сгорания и расход топлива. Система управления параметрами электроснабжения также будет отличаться от традиционных регуляторов.

1.9. ДИСТАНЦИОННАЯ КОМАНДНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕМ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Для управления электроснабжением потребителей в АТС используются командные системы управления. С помощью органов управления, размещенных на приборной панели или в других легкодоступных местах, коммутируются силовые цепи электрической сети. Увеличение числа потребителей и удаление их от источника электроэнергии обусловили необходимость оптимизации электросети и упрощения управления распределением электроэнергии. Эта задача решается путем использования систем дистанционного управления с единым каналом связи с уплотнением и разделением линий. Такие системы строятся с применением логических (цифровых) элементов. Для коммутации нескольких источников информации на один канал используются коммутаторы. Коммутаторы квантованных сигналов с использованием адресации каналов в виде двоичных кодов называются мультиплексорами. Обратная задача решается с помощью дешифраторов и демультиплексоров. Для преобразования цифровых кодов из одного вида в другой используются шифраторы.

Применение дистанционных командных систем управления для распределения электрической энергии в бортовой сети автомобиля позволяет сократить число силовых электрических линий, линий связи и упростить систему электроснабжения. Такие системы позволяют для передачи командной информации исключить медные провода и использовать оптоволоконные линии связи.

На рис. 1.15 приведена структурная схема дистанционной командной системы управления электроснабжением.

39

Рис. 1.15. Структурная схема дистанционной командной системы управления электроснабжением

В такой системе прокладывается одна силовая линия электроснабжения, соединяющая источник тока с монтажным блоком, размещенным в непосредственной близости от потребителей R1...

RN.Команды управления передаются по общему каналу связи. В монтажном блоке размещаются реле K1...KN, с помощью которых производится подключение потребителей к источнику. Органы управления SA1... SANс шифратором DD1 размещаются на панели управления.N двоичных сигналов, снимаемых с органов управления и представленных единичным кодом, преобразуются в шифраторе DD1 в n-разрядный двоичный код, где n = lgN. Этот код по nлиниям связи параллельного канала передается на дешифратор DD2. На приемной стороне по переданному адресу выбирается реле потребителя и производится включение. Так как по линии данных передается сигнал на включение (лог. «1»), то он может быть подключен постоянно к шине питания.

Число цифровых линий может быть уменьшено до одной линии при использовании последовательного канала связи. Для этого необходимо усложнить устройство управления канала связи.

Задача усложняется при одновременном включении потребителей. При большом числе потребителей и возможности их одновременного включения можно использовать канал связи с мультиплексором и демультиплексором и с одной линией энергоснабжения и одной магистралью управления.

В ряде частных случаев можно добиться определенного положительного эффекта при применении более простых последовательных каналов связи.

Принципиальная схема включения фар, указателей поворотов и аварийной сигнализации с дистанционным управлением приведена на рис. 1.16.

Напряжение от генераторной установки через выключатель SA1 (выключатель зажигания) подводится к общей силовой шине, которая

40