Содержание
Введение
Микропроцессорные системы управленияАМТС
Заключение
Список используемой литературы
Введение
К числу важнейших факторов,определяющих технический уровень современных автомобилей, относится степень ихоснащенности электронными устройствами. Поэтому разработка электронных системуправления агрегатами автомобилей является весьма актуальной задачей дляотечественного автомобилестроения.
В настоящее время накоплензначительный опыт применения электронной аппаратуры в автомобилях.Использование этого опыта является важным условием ускорения разработок новых,более совершенных электронных устройств для автомобилей.
Часть материала представляет собойпримеры конкретной реализации электронных систем управления.
Микропроцессорныесистемы управления
Электронные системы управления,создаваемые на базе дискретных элементов и интегральных микросхем, выполняющихкакую-либо определенную задачу управления, относятся к системам с жесткойлогикой, т. е. алгоритм их функционирования определяется схемотехникой системы.У микропроцессорных систем такое ограничение отсутствует, т. е. при одной и тойже структуре данные системы могут реализовывать различные алгоритмы управлениявследствие соответствующего изменения записи команд в элементах памяти системы.Благодаря этому микропроцессорные системы образуют особый класс электронныхсистем управления и обладают рядом уникальных возможностей с точки зренияреализации самых сложных задач управления.
В микропроцессорной системеобработка информации ведется в двоичном цифровом коде. Поэтому все многообразиепоступающих в систему сигналов должно быть сведено к единой двоичной кодовойструктуре, т. е. структуре вида «логический О» или «логическая 1». Сигналы,поступающие в систему управления, можно условно разделить на следующие группы:
сигналы от контактных или другихдатчиков, имеющие только два возможных состояния — открыт («логическая 1») изакрыт («логический О»);
сигналы от терминальногоустройства, т. е. от элементов системы, на которые воздействует водитель длякорректирования действия системы управления (например, датчик положения педалиуправления подачей топлива либо контроллер управления). К этой группе могутбыть отнесены и различные запросы на индикацию состояния тех или иных элементовсистемы управления;
информация о режимах работыагрегатов автомобиля (температура узлов, их нагрузочный режим, напряжениебортовой сети, частоты вращения валов двигателя и трансмиссии и др.).
Преобразование различных сигналов втребуемый их вид (цифровой код) для последующей обработки центральнымпроцессором (ЦПУ) выполняют предварительные устройства, к которым можно отнестианалого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи, преобразователичастоты в напряжение (ПЧН). АЦП применяют для преобразования непрерывноголинейного сигнала датчиков температуры, давления, напряжения в цифровой код, аЦАП — для обратного преобразования. Преобразование частот вращения валов в кодможет происходить как через промежуточный ПЧН с последующим преобразованиемнапряжения в код, гак и путем непосредственного преобразования частоты в код.Для контактных датчиков преобразования не требуется, так как их выходной сигналимеет уровень, соответствующий или состоянию «логического О», или «логической1». Сигналы терминального устройства уже, как правило, имеют необходимую дляобработки процессором структуру и поэтому дальнейшего преобразования нетребуют.
Все сигналы от внешних источников,преобразованные к единому виду, поступают на интерфейс ввода-вывода, которыйможет входить в состав микросхемы процессора или выполняться в виде отдельныхэлементов. Устройство ввода-вывода обеспечивает совместную работу ЦПУ и всехдругих устройств системы, являющихся по отношению к ЦПУ внешними.
Работа с внешними устройствамивыполняется либо по методу периодического опроса их состояния, либо посредствоморганизации системы прерываний от них. При работе микропроцессора с реализациейсистемы прерываний в нем осуществляется следующий порядок действий:
1) в момент, когда одно из внешнихустройств готово выдать или принять очередную информацию или оказатьвоздействие на функционирование системы управления, оно посылает в ЦПУ сигналготовности (запрос на прерывание);
2) получив сигнал готовности отвнешнего устройства, ЦПУ вначале заканчивает выполнение текущей команды, азатем приостанавливает выполнение действий, предусмотренных основнойпрограммой, и выдает сигнал готовности начать работу, связанную с возникшимпрерыванием (разрешение прерывания);
3) при наличии обоих указанныхсигналов готовности происходит обработка прерывания, т. е. выполнениеподпрограммы, предусмотренной запросом данного внешнего устройства;
4) если во время решения ЦПУтекущей задачи сигнал готовности прислали несколько внешних устройств, топервой будет принята для обработки или выдана информация внешнему устройству состаршим приоритетом. Уровень приоритетности внешних устройств задается либо припроектировании системы, либо закладывается в программу.
Далее обрабатывается информациявнешних устройств с очередностью, определяемой старшинством их приоритета.Число градаций старшинства приоритетов (так называемая глубина прерываний)зависит от типа микропроцессора. Она колеблется от 2 до 8 и более.
Для обеспечения работымикропроцессорной системы управления в реальном масштабе времени, т. е. свыдачей необходимых команд в определенные периоды времени, в ее состав вводяттаймер, который обычно выполняют в виде отдельной интегральной микросхемы.Получив управляющую команду (управляющее слово), таймер формирует определеннуюпоследовательность временных сигналов. К числу таких, например, относитсяделение тактовой частоты, формирование единичных импульсов (режимодновибратора), а также различных комбинаций импульсов. Сигналы от таймеранаряду с сигналами от других внешних устройств поступают в ЦПУ, где всоответствии с заложенными алгоритмами происходят все необходимыепреобразования и вычисления и выдается решение. Таким решением может быть,например, номер включаемой передачи, требование выключения сцепления, степеньоткрытия дроссельной заслонки.
Для работы ЦПУ постоянно требуютсядополнительные сведения, различные константы, а также необходимо временноехранение промежуточной информации. Эти данные ЦПУ получает от запоминающихустройств (ЗУ) системы. Для приема, хранения и выдачи всевозможныхпромежуточных данных, а также сведений о текущем состоянии элементов, т. е.всей той информации, которая изменяется в процессе работы микропроцессорнойсистемы управления, используется оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
Для хранения информации, которая неизменяется при работе микропроцессора, а также записи алгоритмафункционирования системы применяются постоянные запоминающие устройства (ПЗУ)различного типа. Наиболее низкую стоимость имеют ПЗУ (ROM),программа в которые записывается при их изготовлении. Такие устройстваприменяются при массовом изготовлении микропроцессорных систем.
В программируемые запоминающиеустройства ППЗУ (PROM) записьпрограммы может быть осуществлена и после их изготовления на заводе. Поэтомуданные устройства целесообразно применять при изготовлении относительнонебольших серий микропроцессорных систем управления, особенно если в процессеих выпуска может возникнуть необходимость корректирования алгоритма управления.
В репрограммируемые запоминающиеустройства РПЗУ (EPROM) программаможет быть записана несколько раз. Однако эти устройства имеют более высокуюстоимость, чем ПЗУ и ППЗУ. Поэтому РПЗУ в основном целесообразно применятьтолько на стадии отладочных работ по микропроцессорным системам.
Для связи между выходамимикропроцессора и исполнительными устройствами системы управления используютсяусилители сигналов или коммутационные элементы (силовые цепи).
Микропроцессорные системыотличаются большим разнообразием с точки зрения примененных типов устройств иих характеристик. Так, разрядность слова, т. е. число одновременнообрабатываемых разрядов, составляет 4 — 16 бит, тактовая частота — от одного донескольких мегагерц, число уровней прерывания 2 — 8, объем ОЗУ — от 128 байт донескольких килобайт, объем ПЗУ и ППЗУ — несколько килобайт. Например, объем ПЗУсистемы управления двигателем и трансмиссией «Тойота» составляет 7,5 кбайт,объем ППЗУ системы управления сцеплением «Фиат» — 2 кбайт. В качестве ЦПУ могутиспользоваться как специальные микропроцессоры (например, в системе «Тойота»),так и серийные.
Особо перспективным являетсяприменение в системах управления агрегатами автомобилей однокристальных ЭВМ. Всостав такой ЭВМ, выполненной в виде одной интегральной схемы, входятцентральный процессор, генератор тактовых импульсов, ОЗУ, интерфейсввода-вывода, таймер, контроллер прерываний, а также какое-либо из постоянных запоминающихустройств (ПЗУ, ППЗУ или РПЗУ с ультрафиолетовой системой стирания программы).Часто в составе одной серии однокристальных ЭВМ выпускают модификации сразличными вариантами ПЗУ. Основным преимуществом применения однокристальнойЭВМ является возможность значительного сокращения числа интегральных микросхем,образующих систему управления. Однокристальная ЭВМ в зависимости от структурымикропроцессорной системы управления может заменить 5 — 10 корпусовинтегральных микросхем, что помимо уменьшения размеров аппаратуры управленияобеспечивает и существенное повышение ее надежности в результате сокращениявнешних соединений между корпусами микросхем.
/>
Рисунок 1. Структурнаясхема микропроцессорной системы автоматического управления переключениемпередач (на базе комплекта микросхем серии КР580)
На рисунке 1, приведена структурнаясхема системы автоматического управления переключением передач, основанная наприменении микросхем, входящих в состав микропроцессорного комплекта серииКР580.На вход системы подаются сигналы от датчиков скорости автомобиля ичастоты вращения коленчатого вала двигателя, температуры двигателя, загрузкиавтомобиля и др., а также команды, поступающие от аппаратуры управления, накоторые воздействует водитель (например, датчик положения педали управленияподачей топлива, контроллер управления, запросы на индикацию состояния тех илииных устройств управления или показателей двигателя и коробки передач).
Перед поступлением в собственномикропроцессорную систему управления все эти сигналы обязательно преобразуютсяв числовой код с помощью соответствующих преобразователей (например,аналого-цифровых преобразователей, преобразователей частота — код и т. д.),входящих в состав блока ввода. Информация от блока ввода поступает в схемуинтерфейса. Причем в случае большого объема информации таких схем интерфейсаможет быть несколько.
ЦПУ рассматриваемой микропроцессорнойсистемы состоит из трех микросхем. Большая интегральная схема микропроцессоратипа КР580ИК80А обрабатывает всю информацию. Ее связь с шинами управления иданных осуществляется через системный контроллер — шинный формирователь, аформирование тактовых последовательностей импульсов, необходимых для работы БИСмикропроцессора, происходит с помощью генератора, стабилизированного кварцевымрезонатором. В зависимости от вырабатываемых ЦПУ сигнала на шине управления икода на шине адреса в работу с ним включается то или иное устройствомикропроцессорной системы. Например, когда ЦПУ выдает на шину адреса код,требуемый для активизации соответствующего канала интерфейса, а на шинууправления подает сигнал ввода, информация от данного канала интерфейса поступаетв ЦПУ для последующей обработки.
В случае необходимости аналогичнымобразом осуществляется подача команд на обмен информации между ЦПУ и другимиэлементами микропроцессорной системы. При этом для работы с запоминающимиустройствами ЦПУ выдает на адресную шину адрес ячейки памяти, а на шинууправления команду «чтение» или «запись».
Для функционирования системыавтоматического управления переключением передачи необходимо предусмотретьбыстрое изменение режимов работы системы в зависимости от некоторых факторов. Кчислу таких факторов можно, например, отнести отказы тех или иных датчиков,приводящие к созданию аварийной ситуации, наличие юза при торможенииавтомобиля, непредусмотренные изменения напряжения питания системы.
Для того чтобы микропроцессорнаясистема оперативно реагировала на указанные отклонения от нормальной работы, вней используется система прерываний, реализуемая с помощью контроллерапрерываний. К каждому входу или к части входов контроллера прерыванийподводятся сигналы от внешних устройств. При появлении на каком-либо из входовконтроллера сигнала с уровнем, соответствующим состоянию «логической 1», онпосылает по линии запроса в ЦПУ запрос на прерывание его работы по основнойпрограмме. В зависимости от того, на какой из входов контроллера поступаетсигнал с уровнем, соответствующим «логической 1», контроллер подготавливаетинформацию ЦПУ о том, на какую из подпрограмм ему следует перейти. Если сигналыс уровнем, соответствующим «логической 1», будут поданы одновременно нанесколько входов контроллера, то он подготавливает для ЦПУ информацию опереходе на подпрограмму, предусмотренную сигналом внешнего устройства с самымстаршим приоритетом.
При поступлении запроса отконтроллера на прерывание ЦПУ сначала заканчивает выполнение текущей команды, азатем выдает на управляющую шину сигнал разрешения прерывания, т. е. готовностьперехода от основной программы к подпрограмме. После этого контроллеринформирует ЦПУ, на какую из подпрограмм ему следует перейти. По окончаниивыполнения этой подпрограммы ЦПУ либо по сигналу контроллера прерыванияпереходит на новую подпрограмму, запрос на которую поступил к контроллеру отследующего по старшинству приоритета внешнего устройства, либо при отсутствиитаких запросов возвращается к выполнению основной программы.
Выполнение ЦПУ подпрограмм впорядке, определяемом старшинством приоритета внешних устройств, обеспечиваетпервоочередную реализацию в системе управления переключением передач такихуправляющих воздействий, которые являются наиболее важными для автомобиля. Вчастности, старшим приоритетом, как правило, обладают внешние устройства,сигнализирующие о неполадках в системе управления, могущих создать дляавтомобиля аварийную ситуацию.
Микросхема контроллера прерыванийКР580ВН59 имеет восемь входов для подключения к внешним устройствам. К одномуили нескольким из этих входов могут быть подключены выходы таймера. Если приэтом к входам таймера подвести сигналы от датчиков скорости и частоты вращения,то такое схемное решение позволит исключить из состава системы управлениячастотно-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, поскольку выполняемыеими задачи могут быть решены совместным действием таймера и ЦПУ.
Таймер может быть также использовандля создания программ микропроцессорных систем управления, устойчивых к сбоямпод воздействием внешних помех. В этом случае таймер используется дляпериодического контроля состояния элементов микропроцессорных системуправления, которое зависит от того, правильно ли функционирует система или вней имеют место сбои.
После того, как ЦПУ заканчиваетобработку соответствующего объема информации, он выдает управляющую команду,которая далее через канал вывода интерфейса поступает к блоку усилителейпитания электромагнитов исполнительных устройств, а также к блоку индикациирежимов. В результате обеспечивается требуемый порядок срабатыванияисполнительных устройств и получение индикации режимов их работы.
Если для управления переключениемпередач применить однокристальную ЭВМ, то по своим функциональным возможностям онабудет эквивалентна микросхеме, очерченной на рисунке 1 штрих-пунктирной линией.В этом случае микропроцессорная система существенно упрощается. По техническимвозможностям она практически не уступает системам, создаваемым с использованиемнескольких микросхем, входящих в микропроцессорный комплект. В частности, еслиобъем памяти однокристальной ЭВМ окажется недостаточным, то его можноувеличить, подключив ЭВМ к внешним устройствам.
Однокристальная ЭВМ содержит сотнитысяч элементов, и технология ее изготовления значительно сложнее по сравнениюс изготовлением микросхем, входящих в микропроцессорный комплект. Вследствиеэтого стоимость однокристальной ЭВМ достаточно высока. Поэтому вопрос оцелесообразности создания микропроцессорных систем управления на базеоднокристальной ЭВМ следует решать с учетом конкретных областей применения тойили иной системы управления.
По сравнению с электроннымисистемами управления микропроцессорные системы имеют следующие преимущества:
с их помощью возможна реализацияалгоритма управления любой сложности. При этом может быть учтено большоеколичество внешних параметров (помимо традиционно принимаемых во вниманиечастот вращения вала двигателя, выходного вала трансмиссии и нагрузкидвигателя) таких, например, как производные этих параметров по времени,температурный режим двигателя, температура масла, полная масса автомобиля и т.д. Возникающие при этом трудности связаны лишь с необходимостью введениядополнительных датчиков и преобразователей;
при необходимости обеспечиваетсякорректирование алгоритма управления как при развитии системы, так и в рамкахсуществующей системы с учетом, например, таких факторов, как изменениехарактеристик агрегатов вследствие их изнашивания. Следовательно, возможносоздание адаптивных систем управления, которые способны изменять своихарактеристики в процессе эксплуатации автомобиля с целью обеспечения егонаилучших показателей. Для достижения такого эффекта не требуется измененияаппаратурной части системы;
вследствие реализации широкихвозможностей микропроцессорных систем возможно создание комплексной системыуправления агрегатами автомобиля (например, двигателем, сцеплением, коробкойпередач);
система управления на баземикропроцессорного комплекта или однокристальной ЭВМ требует минимального объеманастройки и регулировок, поскольку они необходимы только для такихвспомогательных элементов системы, как ПЧН, ЦАП и АЦП.
Основными недостаткамимикропроцессорных систем являются:
относительно высокая стоимостьсистемы вследствие необходимости ее комплектования рядом вспомогательныхэлементов, из числа которых наиболее дорогостоящими являются устройстваввода-вывода информации. Кроме того, значительная часть расходов по созданиюмикропроцессорных систем управления приходится на разработку их математическогообеспечения;
чувствительность к помехам, которыемогут вызывать сбои в работе системы. Это особенно важно для автомобильныхмикропроцессорных систем управления, поскольку работа агрегатов автомобилясопровождается значительными помехами в его бортовой сети, а также полевыми(электромагнитными) помехами. Для устранения этого недостатка в настоящее времябольшое внимание уделяется разработке помехоустойчивых алгоритмов, т. е. таких,которые способны восстанавливать свою работу после непредвиденных сбоев.
Непрерывное совершенствованиетехнологии производства электронных приборов, в том числе элементовмикропроцессорных систем управления, обусловливает снижение их стоимости исоздает благоприятные предпосылки для расширения их применения. Однакомикропроцессорные системы целесообразно использовать в первую очередь длясистем управления агрегатами автомобиля со сложными алгоритмами. К такимсистемам следует отнести антиблокировочные системы управления тормознымимеханизмами, системы управления гидромеханическими и автоматизированнымимеханическими передачами и, конечно, комплексные системы управления несколькимиагрегатами.
Одной из основных проблем созданиямикропроцессорных систем является разработка и реализация оптимальногоалгоритма управления. Многие различные микропроцессорные системы отличаютсяодна от другой в основном составом датчиков и видом алгоритма функционирования,который зависит от целевого назначения системы и сложности решаемых ею задач.
Рассмотрим микропроцессорнуюсистему, разработанную для легкового автомобиля «Фиат — Панда 30».Исполнительным механизмом системы (рисунок 2) является вакуумная сервокамера20, шток 21 которой через рычаг 22 воздействует на выжимной подшипник 4сцепления 5. Источником разрежения для вакуумной сервокамеры является впускнойколлектор 7 двигателя, соединенный через обратный клапан 13 с вакуумнымресивером 14.
/>
Рисунок 2. Схемаразмещения элементов микропроцессорной системы управления сцеплением:
1 — коробка передач; 2 — датчикчастоты вращения ведомого элемента сцепления; 3 — вал ведомого элементасцепления; 4 — выжимной подшипник; 5 — сцепление; 6 — датчик частоты вращенияколенчатого вала; 7 — впускной коллектор двигателя; 8 — датчик положениядроссельной заслонки; 9 — двигатель; 10 — выключатель рычага переключенияпередач; 11 — электронный блок управления; 12 — рычаг переключения передач; 13— обратный клапан; 14 — вакуумный ресивер; 15 — клапан соединения сервокамеры сресивером; 16 и 18 — электромагниты; 17 — клапан соединения сервокамеры сатмосферой; 19 — полость регулируемого давления сервокамеры; 20 — сервокамера;21 — шток сервокамеры; 22 — рычаг; 23 — ведомый вал коробки передач; 24 —датчик частоты вращения ведомого вала коробки передач
/>
Рисунок 3. Зависимость Mc= f(L)
При подключении к источнику питанияэлектромагнита 16 открывается управляемый им вакуумный клапан 15, в результатечего вакуумный ресивер соединяется с полостью 19 сервокамеры 20. Если же клапан15 закрыт, то связь между вакуумным ресивером и полостью 19 сервокамерыпрерывается. В случае подключения к источнику питания электромагнита 18открывается приводимый им воздушный клапан 17, что приводит к соединениюполости 19 сервокамеры с атмосферой. При закрытом клапане 17 эта связьпрерывается.
Таким образом, при открытии клапана15 увеличивается разрежение в полости 19 сервокамеры, а при открытии клапана 17,наоборот, уменьшается. Когда оба клапана закрыты, разрежение в полости 19остается неизменным.
/>
Рисунок 4. Структурнаясхема микропроцессорной системы управления сцеплением
В зависимости от разрежения вполости 19. сервокамеры меняется положение ее штока 21, и соответственнорегулируется момент Мс, передаваемый сцеплением. Из рассмотрениязависимости Мс от перемещения Lрычага привода сцепления (рисунке 3) следует, что момент Мсизменяется от нуля до значения Мстах при перемещениирычага на 13 мм (полный ход рычага составляет 46 мм). Это учитываетсяалгоритмом системы управления.
Работой клапанов 15 и 17 (рисунок 2)управляет микропроцессорный электронный блок 11 управления, которыйвырабатывает необходимые команды для включения и выключения электромагнитов 16и 18 в зависимости от сигналов, получаемых от датчиков частоты вращения 6, 2 и24 соответственно коленчатого вала, ведомого элемента сцепления, ведомого валакоробки передачи и датчика 8 положения дроссельной заслонки карбюратора.Команду на принудительное выключение сцепления в процессе переключения передачмикропроцессорное устройство вырабатывает при поступлении к нему сигнала отвыключателя 10, контакты которого замыкаются, когда водитель прикладываетусилие к рычагу переключения передач.
Обработка информации, получаемой отвсех элементов системы управления, выполняется центральным микропроцессором ЦПУтипа 8085 с тактовой частотой 2,2 МГц (рисунок 4). Он связан с программируемымпостоянным запоминающим устройством ППЗУ с объемом памяти 2 кбайт и оперативнымзапоминающим; устройством ОЗУ с объемом памяти 256 байт.
В ППЗУ записывается программаалгоритма, контакты, стандартные программы и т. д. ОЗУ используется для записирезультатов промежуточных вычислений, текущих значений измеренных величин идругих данных, требуемых для функционирования микропроцессорной системы.
Работа системы в реальном масштабевремени, требуемая для выдачи в определенное время команд управления иорганизации временных задержек, реализуется таймером. Связь между управляющимиэлементами системы и силовыми исполнительными устройствами (электромагнитамиклапанов) осуществляется через так называемые порты ввода-вывода и усилительныекаскады. ОЗУ, порты ввода-вывода и таймер выполнены в виде одной большойинтегральной схемы (БИС) типа 8156.
Микропроцессоры могут обрабатыватьсигналы только в виде двоичного цифрового кода. В связи с этим сигналы отдатчиков частоты вращения пк коленчатого вала, частоты вращения псведомого вала сцепления и частоты вращения nпведомого вала. коробки передач, имеющие вид последовательности импульсов,вначале с помощью ПЧН преобразуются в аналоговый сигнал (напряжения постоянноготока соответственно UK,Uc, Ua),а затем с помощью АЦП преобразуются в двоичный код. Также с помощью АЦПосуществляется преобразование аналогового сигнала датчика положения дроссельнойзаслонки (потенциометра) в цифровой двоичный код. Работой АЦП и ППЗУ управляютключевые элементы, входящие в микросхему типа 8212.
Для исключения нечеткой работысистемы управления в режиме принудительного выключения сцепления, возможной при«дребезге» контактов выключателя ВС сцепления, используется устройство сэлементом задержки разрыва цепи ЭЗ.
/>
Рисунок 5. Зависимость углаα открытия дроссельной заслонки от частоты вращения пц
Основной задачей системы управленияявляется регулирование по заданному закону момента Мс в зависимостиот угла открытия дроссельной заслонки, частоты вращения коленчатого вала, егоускорения .(замедления) и включения в коробке передач той или иной передачи.
/>
Рисунок 6. Зависимости M=f(nК)и Mc=f(nK)для различных а при микропроцессорной системе управления сцеплением
В зависимости от угла открытиядроссельной заслонки микропроцессор рассчитывает «целевую» частоту вращения пц,которая тем выше, чем на больший угол а открыта дроссельная заслонка (рисунок 5).Система управления непрерывно сравнивает значение nЦс текущей частотой вращения nKiколенчатого вала и определяет знак разности nKi— nц.Если пц>пкi,то система управления уменьшает момент Мс для того, чтобы снизитьнагрузку на двигатель и увеличить частоту вращения пк. Наоборот, припц
Таким образом, в рассматриваемойсистеме управления параметром обратной связи для системы регулирования моментаМс является разность между истинной и целевой частотами вращения,причем последняя является функцией угла открытия дроссельной заслонки.
Особенность действия системыуправления заключается в том, что при постоянстве угла открытия дроссельнойзаслонки процесс разгона автомобиля в период до окончания пробуксовываниясцепления будет протекать при постоянстве частоты вращения коленчатого вала,которая окажется равной значению пц для данного угла открытиязаслонки. Величины моментов Мс в указанные периоды (рисунок 6, точкиА, В, С и D) будут равны крутящиммоментам двигателя М, развиваемым при данных значениях угла а и пц.
/>
Рисунок 7. Изменениепри разгоне автомобиля угла а, частот вращения пк, nци nс,момента Мс я силы тока I16и I18в обмотках электромагнитов управления воздушным и вакуумным клапанами примикропроцессорной системе управления
Момент Мс возрастает помере увеличения пк, т. е. в конечном итоге рассматриваемая системауправления обеспечивает получение именно такой зависимости Mс=f(nк),которая является оптимальной для автоматизации действия сцепления. Послеокончания пробуксовывания сцепления, определяемого системой управления путемсравнения сигналов от датчиков 2 и 6 (рисунок 2), поступает команда наблокировку сцепления при t=tбл(рисунок 7). Благодаря этому уменьшается износ узлов привода сцепления и, впервую очередь, его выжимного подшипника.
Ввиду неизбежного запаздывания всрабатывании исполнительных механизмов по отношению к изменению частотывращения коленчатого вала для получения качественного процесса регулированиямомента Мс необходимо исключить режимы работы двигателя безнагрузки, поскольку это приведет к чрезмерно высокому темпу изменения частотывращения его вала.
Для удовлетворения данноготребования в системе управления предусмотрено частичное включение сцепления,как только водитель откроет дроссельную заслонку на небольшой угол. Этодостигается путем принудительного кратковременного открытия клапана 17 (рисунок2) на 0,15 с несмотря на то, что в данный период nк
Для плавного изменения момента Мспри его регулировании, осуществляемом открытием и закрытием клапанов 15 и 17,должны быть исключены значительные колебания разрежения в полости 19сервокамеры 20. В рассматриваемой системе управления это достигается вследствиенепрерывно повторяющегося открытия и закрытия на короткие периоды данныхклапанов. При этом увеличение момента Мс реализуется за счет того,что общая продолжительность открытого состояния клапана 17 оказывается большеобщей продолжительности открытого состояния клапана 15. Если же необходимоуменьшить момент Мс, то это обеспечивается вследствие увеличенияобщей продолжительности открытого состояния клапана 15 (по сравнению с клапаном17). После того как значение Мс устанавливается на заданном уровне,оба клапана закрываются.
Если во время разгона автомобиляводитель постепенно увеличивает открытие дроссельной заслонки, то это приводитк повышению «ц, вследствие чего и частота вращения пк при разгонеавтомобиля также возрастает.
При этом для повышения момента Мссистема управления по мере повышения частоты вращения пк увеличиваетобщее время открытого состояния воздушного клапана 17, через который полость 19сервокамеры соединяется с атмосферой. Работа клапанов корректируется также взависимости от значения ускорений (замедлений) коленчатого вала и ведущего валакоробки передач. По мере увеличения пк возрастает продолжительностьимпульсов тока I18(рисунок 7), проходящего через обмотку электромагнита 18 (рисунок 2), иуменьшается продолжительность импульсов тока I16,проходящего через обмотку электромагнита 17. В результате относительнаяпродолжительность открытого состояния воздушного клапана возрастает, авакуумного клапана 15 — снижается, что и обеспечивает требуемое увеличение Мспри повышении пк.
В результате поступления впроцессор информации от датчиков частоты вращения ведущего и ведомого валовкоробки передач система управления определяет, какая из передач включена вкаждый момент времени. Благодаря этому можно реализовать различный темпвключения сцепления после окончания процесса переключения передач в зависимостиот порядка их переключения. Данная особенность системы управления позволяетпосле перехода с высших на низшие передачи уменьшить темп включения сцепления,что обеспечивает плавность движения автомобиля в процессе переключения передач.
Результаты испытаний рассмотреннойсистемы управления показали возможность применения микропроцессорных систем дляавтоматизации управления сцеплением.
Микропроцессорные системыуправления в последнее время все чаще используют для управления ГМП автобусов,грузовых и легковых автомобилей. Система управления фирмы «Аллисон» с условнымобозначением АТЕС предназначена для управления трех- пятиступенчатыми ГМП,оборудованными блоком электромагнитных клапанов (ЭМ ГМП). С помощью этихклапанов осуществляется управление исполнительными устройствами (фрикционами)ГМП. Система АТЕС (рисунок 8) является многофункциональной системой управления.В зависимости от сигналов, поступающих от датчика скорости ДС, контролирующегоскорость автомобиля, и датчика нагрузки ДН двигателя, микропроцессор всоответствии с заложенной в него программой и с учетом положения контроллерауправления KУ вырабатывает командына переключение передач и блокировку гидротрансформатора. Эти сигналы усиливаютсясиловыми элементами системы управления и далее поступают к электромагнитампривода соответствующих гидравлических клапанов. Исполнительными устройствамиГМП являются фрикционы, включением и выключением которых управляют указанныегидравлические клапаны.
/>
Рисунок 8. Структурнаясхема микропроцессорной системы управления ГМП грузовых автомобилей
Кроме выработки сигналов напереключение передач система управления осуществляет ряд функций защитыпередачи от аварийных режимов, а также используется для диагностированиясостояния узлов ГМП по сигналам датчиков температуры масла ДТ и давления всистеме ДР.
ГМП является сложным идорогостоящим агрегатом, поэтому своевременная сигнализация о возможных еенеисправностях позволяет существенно повысить эксплуатационную надежность ГМП.Система может быть применена для управления трансмиссиями различного типаблагодаря тому, что корректировка алгоритма управления применительно кразличным типам трансмиссий требует лишь изменения программы, записываемой вППЗУ, т. е. сама система не претерпевает никаких конструктивных изменений.
/>
Рисунок 9. Структурнаясхема микропроцессорной системы управления ГМП
Использование микропроцессорнойсистемы управления ГМП обеспечивает переключение передач при скоростях движенияавтомобиля, отличающихся не более чем на 1 % от их оптимальных значений. Приприменении гидравлической системы управления допуск скоростей, соответствующихпереключению передач, составляет 5 — 10%.
Сравнительные испытания ГМП сгидравлической и микропроцессорной системами управления показали, чтоприменение последней позволяет экономить до 7 — 8 % топлива.
Система управления АТЕС выполняетследующие защитные функции:
предотвращает возможность включенияпередачи заднего хода при скорости движения выше установленного предела;
запрещает переключений передач вслучае пробуксовывания или блокировки колес автомобиля при торможении,благодаря чему исключается ошибочное действие системы управления;
предотвращает чрезмерное увеличениечастоты вращения коленчатого вала при спуске с горы с включенным замедлителем.
/>
Рисунок 10. Электронныйблок микропроцессорной системы управления ГМП и электромагнитные клапаны
Кроме того, система управления,-будучи связанной с встроенными устройствами диагностирования, не толькосигнализирует водителю о наличии каких-либо неисправностей или отклонениипоказателей ГМП от нормы (перегрев масла или недопустимое изменение давления вгидросистеме), но и записывает в памяти эти данные для последующего анализапричин появления неисправностей.
Микропроцессорная системауправления для четырехступенчатой планетарной ГМП типа 4НР22 [39] предназначенадля применения в легковых автомобилях (БВМ) большого класса. Структурная схемаее представлена на рисунке 9, а электронный блок на рисунке 10.
Режим автоматического переключенияпередач реализуется при установке контроллера управления KУв положение D. При этом взависимости от положения избирателя программ, заранее устанавливаемоговодителем в то или иное положение, обеспечивается переключение передач попрограмме е, соответствующей наилучшей топливной экономичности или по программеs, позволяющей реализовать наивысшиединамические показатели автомобиля.
При переключении передач попрограмме s четвертая передача невключается. Данный режим переключения используют при эксплуатации автомобиля вгорных условиях или при движении с прицепом.
Установка избирателя программ вположение ру (ручное управление) обеспечивает отключение автоматики, чтопозволяет водителю с помощью контроллера управления принудительно включать первую— третью передачи переднего хода, а также передачу заднего хода (рисунок 9,положение R). Положение Рконтроллера используется для механического соединения ведущего вала 1МП скартером для обеспечения затормаживания неподвижного автомобиля во время стоянок.
Электронный блок выполняетследующие функции управления:
вырабатывает команды напереключение ступеней передачи и блокировку гидротрансформатора в зависимостиот скорости автомобиля и нагрузки двигателя путем подключения к источникуэлектропитания электромагнитов ЭМ ГМП привода гидравлических клапановуправления тормозами ГМП;
воздействует на электронную системузажигания двигателя для уменьшения крутящего момента двигателя, что позволяетснизить нагрузки в трансмиссии автомобиля и увеличить плавность процессапереключения в период переключения передач. Тем самым обеспечивается уменьшениеработы буксования фрикционных элементов системы управления ГМП;
осуществляет регулирование давленияв гидросистеме ГМП с учетом режима ее работы путем воздействия на электромагнитЭЛ1рД системы регулирования давления, что позволяет снизить потери вГМП, и благоприятно влияет на плавность процесса переключения передач:
корректирует режимы переключения взависимости от теплового режима двигателя благодаря подключению электронногоблока к датчику температуры ДТ;
обеспечивает режим переключенияпередач, соответствующий максимальному использованию мощности двигателя, приподаче сигнала от выключателя кикдаун 5К — Д;
защищает передачу от аварийныхрежимов в случае неправильных действий водителя или отказа элементов системыуправления. В частности, система защиты предотвращает возможность ошибочноговключения передачи заднего хода при движении автомобиля вперед со скоростьювыше заданной. Также исключается возможность переключения с третьей на вторую исо второй на первую передачу при скоростях движения, превышающих их заданныемаксимальные значения.
/>
Рисунок 11. Структурнаясхема микропроцессорной системы управления ГМП легковых автомобилей
В случае отключения системыуправления от источника питания осуществляется автоматическое включение третьейпередачи (с помощью подпружиненного гидравлического клапана).
Микропроцессорная система применяетсядля управления трехступенчатыми планетарными ГМП легковых автомобилей «Рено»мод. R9S,18i и «Фуэго».
В зависимости от положения рычагаконтроллера управления KУ(рисунок 11) сигналы от него через интерфейс поступают в микропроцессор МП, чтообеспечивает следующие режимы работы ГМП: автоматическое переключение всех трехпередач (положение D контроллера),автоматическое переключение первой и второй передач (положение 2),принудительное включение первой передачи (положение 1), передачи заднего хода(положение R), установка в нейтраль (положение N) и блокировка передачи(положение Р).
Переключением передач при установкеконтроллера в положения D,2 и 1 управляют два клапана с электромагнитным приводом (ЭМ1 и ЭМ2). Порядоквключения этих клапанов на различных передачах приведен ниже (знаком + отмеченоподключение электромагнитов их привода к источнику питания).
Положение контроллера
Передача D D D D 2 2 1 Первая Вторая (Вторая — третья) Третья Первая Вторая Первая
Включение
электромагнитов:
ЭМ1 ........
ЭМ2 ........
-
+
+
+
(+)
(-)
-
-
-
+
+
+
-
+
Примечание. Данные в скобкахсоответствуют режиму переключения передач.
При отключении электромагнитов отисточника питания в случае установки контроллера в положения 1, 2 и Dвключается третья передача, а установка контроллера в положения R, N и Робеспечивает включение соответственно передачи заднего хода, нейтрали и режимаблокировки передач. Структурная схема рассматриваемой микропроцессорной системыуправления представлена на рисунке 11. Основным элементом ее электронного блокаЭБ является микропроцессор типа 80А22, в состав которого входят собственномикропроцессор, счетчик, генератор, ОЗУ с памятью объемом 64 слова, ПЗУ спамятью объемом 2048 слов, 28 линий ввод-вывод, из которых две идут отвходящего в состав микропроцессора аналого-цифрового преобразователя и еще дверассчитаны на выходной ток до 7 мА. Допустимое напряжение питаниямикропроцессора 4,5 — 6,5 В, рабочий температурный диапазон от — 40 до 100 С,число команд — более 70. По существу, данный микропроцессор является микро ЭВМ.
Автоматическое переключение передачосуществляется в зависимости от двух параметров — скорости движения автомобиляи нагрузки двигателя. Требуемые для этой цели сигналы поступают в электронныйблок через усилитель-формирователь УФ от датчика скорости ДС автомобиляиндукторного типа и через фильтр — от датчика нагрузки ДН двигателя,выполненного в виде потенциометра, приводящегося от педали подачи топлива. Спомощью этого потенциометра реализуется и режим кикдаун, используемый дляобгонов.
Связь потенциометра с педальюуправления дроссельной заслонкой выполняется таким образом, что при полностьюотпущенной педали напряжение на его выходе не снижается до нуля. Наличие навыходе потенциометра напряжения не ниже определенного уровня являетсяиндикатором его исправности и используется в системе защиты ГМП отнеправильного срабатывания. С учетом сигналов, получаемых от датчиков скоростиавтомобиля и нагрузки двигателя, в соответствии с заданной программой микропроцессорвырабатывает команды управления клапанами ЭМ1 и ЭМ2, обеспечивающие требуемыепереключения передач. Для того чтобы произошло переключение со второй на третьюпередачу, необходимо отключить от источника питания оба клапана. Однако нельзягарантированно обеспечить строго одновременного выключения обоих клапанов, всвязи с чем возможен случай, когда клапан ЭМ1 выключится несколько раньшеклапана ЭМ2. В результате какое-то время при выключенном клапане ЭМ1 клапан ЭМ2окажется включенным. Это соответствует включению первой передачи, т. е. вместотого, чтобы произошло переключение со второй на третью передачу, будет иметьместо переход со второй на первую передачу.
Для предотвращения такойвозможности микропроцессорная система управления после выработки командыперехода со второй на третью передачу, задерживает на небольшой период временивыключение клапана ЭМ1, благодаря чему в период переключения возможна толькокомбинация в виде открытого клапана ЭМ1 и закрытого клапана ЭМ2 с последующимзакрытием обоих клапанов.
Помимо выработки команд напереключение передач микропроцессорная система управляет перекрытием включенияфрикционов и тормозов ГМП, обеспечивая необходимую плавность процессапереключения.
Программой, заложенной вмикропроцессорную систему, предусмотрено выполнение следующих защитных функций:предотвращение непредусмотренного переключения со второй или третьей на первуюпередачу при отказе датчика скорости. Для решения этой задачи сигнал датчикаскорости автомобиля после его поступления в микропроцессор сравнивается спороговым сигналом, соответствующим скорости движения 3 км/ч. Если при движенииавтомобиля на второй или третьей передачах сигнал преобразователя оказался нижепорогового сигнала, то это свидетельствует о неисправности преобразователя, ипереключение на первую передачу запрещается. Одновременно выдается сигналнеисправности на контрольную лампу;
исключение неправильногофункционирования системы управления в случае отказа датчика нагрузки. Еслитакой отказ происходит и напряжение на выходе датчика снижается до нуля, вместозаданного минимального его значения при исправном датчике, то системауправления не принимает сигналов от датчика нагрузки и при этом включаетсятретья передача;
контроль прохождения вмикропроцессоре заданной программы. Для этой цели в конце выполнениямикропроцессором отдельных участков программы выдается короткий импульс,который запускает одновибратор. Сигнал, вырабатываемый одновибратором, болеепродолжительный, чем период выполнения участка программы между двумя соседнимиимпульсами. Благодаря этому при нормальном функционировании микропроцессора навыходе одновибратора все время поддерживается высокий уровень сигнала. Если жев работе микропроцессора происходят остановки или «зацикливание», то на выходеодновибратора появляется напряжение низкого уровня, что является сигналомнеисправности. Этот элемент защиты, имеющий обозначение «Контроль МП» (рисунок11) обеспечивает отключение усилителей Уэм питания электромагнитов клапанов;
проверка правильности прохождениякоманд через усилители уэм питанияэлектромагнитов клапанов сопоставлением сигналов на входах и выходахусилителей. При несоответствии этих сигналов микропроцессор вырабатываеткоманду на выключение усилителей. Блок защиты Б3пер предотвращаетошибочные переключения во время переходных процессов в системе.
Помимо выполнения защитных операциймикропроцессор все обнаруженные неисправности через усилитель диагностики Удотображает на индикаторе диагностики, сигнализируя о них водителю. Кроме того,код этих неисправностей записывается в память микропроцессора и сохраняется вней до тех пор, пока к микропроцессору подведено напряжение питания.
Микропроцессорные системыуправления ГМП, так же как и электронные системы управления с «жесткой»логикой, осуществляют переключение передач по одинаковому принципу, то есть взависимости от двух параметров — скорости автомобиля и нагрузки двигателя.Особенность применения микропроцессорных систем включается в том, что с ихпомощью наилучшим образом могут быть решены задачи регулирования давления вгидросистеме, диагностирования состояния узлов ГМП, вопросы защиты передачи отаварийных режимов, а также вспомогательные информационные задачи (с помощьюцифровых спидометров, тахометров и т. д.). Микропроцессорные системы могут бытьиспользованы и для регулирования темпа включения фрикционов ГМП с цельюобеспечения высокой плавности движения автомобиля во время переключенияпередач.
Заключение
В настоящее время непрерывновозрастает применение электронных устройств, начиная от легковых автомобилейособо малого класса и кончая большегрузными автомобилями и автобусами большойвместимости. При этом электронные устройства используют как для заменымеханических, гидравлических, пневматических и электромеханических системуправления, так и для создания принципиально новых систем автоматикиавтомобилей и автобусов.
В отличие от начальных периодовразвития автомобильной электроники для современного ее периода характерноналичие следующих четырех направлений:
создание электронных устройств, длязамены ими традиционных узлов автомобильного электрооборудования (регуляторынапряжения, управление световой и звуковой сигнализацией, регуляторы системотопления, кондиционирования, подогрева двигателя, тахометры, спидометры и т.д.);
применение электронных устройств (втом числе и с использованием ЭВМ) для непрерывного контроля и выдачи текущейинформации об эксплуатационных показателях автомобиля (например, текущий расходтоплива, целесообразность включения той или иной передачи, оптимальный режимдвижения и т. д.). К этой категории устройств, следует отнести и системыдиагностирования состояния агрегатов автомобиля;
разработка электронной аппаратурыуправления зажиганием, топливоподачей и системами, обеспечивающими снижениетоксичности отработавших газов двигателя;
создание электронных устройств длясистем управления агрегатами трансмиссии, тормозными системами и другими узламиавтомобиля (за исключением двигателя).
Применение электронной аппаратуры всистемах управления агрегатами автомобиля создало возможность получениякачественно новых их показателей, что в ряде случаев повлекло за собойцелесообразность изменения конструкции самих агрегатов. Поэтому современнаяавтомобильная электронная система управления фактически является комплексомсобственно электронной аппаратуры и управляемых ею исполнительных устройств.
Список используемой литературы
1. Автомобильныеэлектронныесистемы: Сб. статей/Под ред. Ю. М. Галкина. М.: Машиностроение, 1982. С. 27 —38.
2. Аналоговыеи цифровыеинтегральные микросхемы: Справочное пособие/ Под ред… С. В. Якубовского. М…Радио и связь, 1985. 432 с.
3. Гидромеханическая передачаавтобуса/В. В. Баранов, О. И. Гируцкий, М. Н. Дзядык и др. М,.: Транспорт,1977. 133 с.
4. Крайнык Л. В., Вильковский Е. К.,Дзядык М. Н. Электронные системы управления гидромеханическими передачамиавтомобилей. М.: НИИНавтопром, 1978. Ч. II.34 с.
5. Трехступенчатая гидромеханическаяпередача автобуса/В. В. Баранов, О. И; Гируцкий, М. Н. Дзядык и др. М.:Транспорт, 1980. 152 с.
6. Левенталь Л. Введение вмикропроцессоры: Программное обеспечение, аппаратные средства,программирование. М.: Энергоатомиздат, 1983. 464 с.
7. МикроЭВМ/Под ред. А. Дирксена. М.:Энергоатомиздат, 1982. 328 с.