39141

Разработка адаптивной системы автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобилей

Дипломная

Логистика и транспорт

Постановка задач исследования Обзор электронных систем управления. Принципы построения адаптивных систем автоматического управления. Анализ разработок адаптивных систем автоматического управления двигателем постоянного тока в приводах вспомогательного электрооборудования автомобиля.

Русский

2013-10-01

11.82 MB

74 чел.

СОДЕРЖАНИЕ

Лист

Введение………………………………………………………………………                                                                                                             

Глава 1 Анализ адаптивных систем автоматического управления    электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобилей. Постановка задач исследования……………………………………………

  1.  Обзор электронных систем управления………………………………....
    1.  Принципы построения адаптивных систем автоматического

управления………………………………………………………………...

  1.  Анализ разработок адаптивных систем автоматического управления двигателем постоянного тока в приводах вспомогательного электрооборудования автомобиля……………………………………..
    1.  Цель и задачи исследования……………………………………………...

Глава 2 Исследование характеристик двигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов…………………………………...

2.1 Анализ характеристик ДПТ………………………………………………

2.2 Описание методики проведения имитационного эксперимента…….…

Глава 3 Разработка адаптивной системы автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобилей

3.1 Разработка алгоритма функционирования и выбор элементной базы    АСАУЭПВЭО автомобилей………………………………………………

3.2 Разработка структурной схемы и алгоритма управления адаптивной системы автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования…………………..…………..

3.3 Разработка функциональной схемы АСАУЭПВЭО автомобилей…...

3.4 Разработка принципиальной схемы АСАУЭПВЭО автомобилей….…..

3.5 Разработка программного обеспечения контроллера адаптивной системы автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобилей……………………………………..

3.6 Особенности функционирования АСАУЭПВЭО автомобилей в режиме  регулирования параметрами сигнала управления ДПТ…………….

3.7 Выводы по главе………………………………………………………..

Основные результаты и выводы…………………………………………..

Библиография………………………………………………………………...

Введение

На протяжении последних лет, в мировой практике автомобилестроения большое внимание уделяется развитию автомобильного транспорта, который бы отвечал все повышающимся требованиям экономичности и экологичности автомобилей, при одновременном улучшении его потребительских свойств, за счет применения дополнительных средств, улучшающих его пассивную безопасность и комфортабельность[1]. Стремление производителей автомобилей повысить комфортабельность, сводится к перекладыванию физических усилий водителя и пассажиров на электромеханические устройства. Улучшение свойств систем отвечающих за пассивную безопасность и комфортабельность требует значительного изменения конструкции и характеристик, как приводных механизмов, так и самих систем [2]. В большинстве этих систем, на протяжении многих лет, используется электрический привод, а на вновь создаваемых устройствах, применяются исключительно электромеханические привода [3].

Как известно, вспомогательное электрооборудование автомобилей работает в сложных, подчас в экстремальных условиях, при которых обеспечение максимальной работоспособности систем становится трудновыполнимой задачей, либо, невыполнимой вовсе. Поддержание правильной работы систем, возможно только путем совершенствования систем управления и защиты, в том числе применения принципов универсализации и взаимозаменяемости узлов, частей и механизмов систем, в случае их технического обслуживания и ремонта [4].

Развитие систем управления характеризуется постоянным увеличением числа входящих в систему компонентов; усложнением законов управления частотой вращения, в зависимости от момента сопротивления, на валу ротора двигателя. В настоящее время широкое применение получают электропривода вспомогательного электрооборудования автомобилей с двигателями постоянного тока, с независимым возбуждением от постоянных магнитов, и электронные системы управления, построенные на базе микропроцессоров и микроЭВМ [5]. В большинстве систем используется принцип программного управления, основным недостатком которого является низкая точность воспроизведения оптимальных режимов работы двигателей. Данный недостаток связан с технологическим разбросом характеристик двигателя в процессе изготовления, а также воздействием случайных внешних факторов в условиях эксплуатации.

Высокими показателями эффективности регулирования обладают адаптивные системы автоматического управления (АСАУ), в частности системы автоматической оптимизации, которые осуществляют непрерывный поиск по заданному параметру. Наиболее развитыми в группе систем автоматической оптимизации являются системы автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования (САУЭПВЭО) с широтно-импульсной амплитудно-частотной модуляцией (ШИАЧМ) управляющего сигнала, принцип функционирования которых основан на получении информации от объекта регулирования (ОР) в виде реакции на вводимые пробные поисковые воздействия. САУЭПВЭО свободны от указанного недостатка программируемых систем, так как они осуществляют поддержание на оптимальном уровне заданного параметра ОР в соответствии с его индивидуальными особенностями, состоянием и воздействием внешних факторов [6].

В применении к АСАУ двигателями постоянного тока (ДПТ), создание САУЭПВЭО, сдерживается несовершенством методического и технического обеспечения разработок. Недостаточно исследована возможность и эффективность использования САУЭПВЭО для оптимизации параметров ДПТ. Уровень аппаратурной реализации и функционального построения систем не доведен до уровня развития систем с программным управлением. Недостаточно исследованы вопросы улучшения качества работы систем с инерционным ОР, в частности уменьшение времени поиска оптимального режима ОР в САУЭПВЭО дискретного типа.

Важным показателем качества регулирования, по которому можно выносить суждение о возможности применения САУЭПВЭО на объекте регулирования, является время выхода ОР в зону оптимального режима работы. Из теории автоматического управления известно, что САУ с поиском оптимального значения имеют довольно большие значения величины времени поиска наивыгодного значения параметра оптимизации ОР. Это непосредственно связано с тем, что все эти системы используют поисковые алгоритмы. Для эффективного применения САУЭПВЭО с ДПТ с возбуждением от постоянных магнитов, необходимо исследовать возможность ускорения вывода системы в зону оптимального режима работы. В условиях непрерывных изменений внешних нагрузочных характеристик, улучшение пусковых характеристик, увеличение жесткости механических характеристик считается наиболее важной задачей. Возможность применения систем автоматического управления на автомобилях с различными значениями напряжения питания в бортовой сети, в различных системах вспомогательного электрооборудования автомобиля, с двигателями различной мощности, напряжением питания, назначения и характера нагрузки, обеспечивает высокую степень взаимозаменяемости и адаптации по назначению.

Поэтому в диссертации решается научно-техническая задача, призванная обеспечить высокую степень универсальности адаптивной системы автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобилей, высокую степень взаимозаменяемости элементов системы, повышение технико-эксплуатационных, защитных и потребительских свойств электромеханических систем вспомогательного электрооборудования, обеспечивающих комфортабельность, активную и пассивную безопасность автомобиля, за счет улучшения свойств системы управления, при условии неопределенности значений внутренних параметров объекта управления, таких как конструктивный параметр магнитной системы, сопротивление якорной цепи, индуктивность якорной цепи в момент инерции системы, внешних параметров питания системы, таких как напряжение в бортовой сети автомобиля, внешних возмущающих воздействий, таких как момент сопротивления и параметров импульсного сигнала управления, таких как скважность, амплитуда и частота импульсов питания, влияющих на выходные параметры объекта регулирования.

Цель настоящей работы заключается в разработке и исследовании универсальной адаптивной системы автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобиля с ускорением поиска оптимального режима работы двигателя и высокими показателями взаимозаменяемости элементов системы.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана новая методика проведения имитационного эксперимента, с учетом, как детерминированных, так и вероятностных частей расчетных математических моделей, отличная от известных использованием вероятностной части по каждому из факторов участвующих в модели и позволяющая учитывать как технологический разброс характеристик ДПТ, так и погрешности средств измерения.

2. Разработан универсальный метод адаптивно-корреляционного поиска установившихся значения при исследовании сложных динамических систем, позволяющий исследовать многоуровневые переходные процессы.

В работе использованы различные методы теоретических и экспериментальных исследований. Минимизация принципиальной схемы выполнялась с применением булевой алгебры и метода поразрядной обработки данных. Разработка прикладного программного обеспечения системы проводилась с использованием метода декомпозиции и компиляционного метода программного моделирования логических схем.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Повышены технико-эксплутационные свойства, потребительские и защитные свойства, улучшены комфортабельность систем вспомогательного электрооборудования автомобилей.

2. Определены граничные значения приращения показателей ДПТ, как объекта регулирования, в пределах которых целесообразно использовать управление скважностью, амплитудой и частотой по адаптивному алгоритму.

3. Разработаны и исследованы принципы двунаправленной адаптации по напряжению питания, в результате чего получены показатели взаимозаменяемости элементов систем.

4. Рекомендованы принципы построения адаптивной системы автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобилей с ускорением поиска оптимального режима работы ДПТ.

5. Разработана экстремальная система, обеспечивающая многомерную оптимизацию объекта управления с переменной скоростью, с двунаправленной адаптацией по напряжению питания и удовлетворяющая противоречивым требованиям безопасности и универсальности оборудования.

6. Разработано прикладное программное обеспечение системы, позволяющее осуществлять регулирование базового напряжения питания, амплитуды, скважности и частоты импульсов сигнала управления, в соответствии с алгоритмом программно-адаптивного регулирования частоты вращения и полезной мощности двигателя, а также тестировать узлы системы.

Адаптивную систему автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобилей с ускорением поиска оптимального режима работы двигателя можно рекомендовать для доводки перспективных образцов двигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, в частности, автоматизировать получение объективных значений оптимальных частот вращения роторов двигателей на различных режимах, а также использовать при диагностике серийных систем управления двигателями постоянного тока.

Глава 1 Анализ адаптивных систем автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования  автомобилей. Постановка задач исследования.

Появление в 40-х годах прошлого века первых электронных систем управления ДПТ открыло новый этап на пути развития электрических установок транспортных средств. Широкие возможности электронных систем, высокая точность и быстродействие, возможность создания адаптивных систем позволяют перевести управление на новый, качественно более высокий уровень [7,8].

1.1 Обзор электронных систем управления

Анализируя структурные схемы электронных систем управления (ЭСУ), можно выделить общие и специфические функциональные блоки, используемые как в аналоговых, так в цифровых и микропроцессорных системах управления ДПТ в приводах группы вспомогательного электрооборудования автомобилей (рисунок 1.1). В состав ЭСУ обязательно входят датчики, формирующий каскад, блок управления, силовой каскад. Независимо от способа управления ЭСУ должны получать однозначную информацию о состоянии ДПТ как ОР. Эта функция полностью возложена на датчики. Они являются чувствительными элементами бортовой электроники автомобиля. Преобразование и обработку информации от датчиков, либо с блока управления осуществляет формирующий каскад. На него часто возлагают функции регулирования параметров сигнала управления, регулирование напряжения питания и сопротивления цепи якоря, в случае аналоговых систем; регулирование скважности импульсов, их амплитуды и частоты сигнала управления, в случае цифровых и микропроцессорных систем. Силовой каскад усиливает сигналы формирующего каскада и управляет током в цепи якоря. В более сложных системах управления

Рисунок 1.1 – Структурные схемы электронных систем управления ДПТ с возбуждением от постоянных магнитов: а – аналоговая система управления ДПТ (ДТ – датчик тока, ПР – переключатель режимов, ФК – формирующий каскад, СК – силовой каскад); б – микропроцессорная система управления ДПТ (ДЧВ, ДЛП, ДМ, ДТ – датчики частоты вращения, линейного перемещения, мощности, тока, ПР – переключатель режимов, Ин – интерфейсы)

применяется более широкий набор датчиков. Существует несколько вариантов построения подобных систем [9].

Работа системы управления ДПТ характеризуется рядом важных параметров, определяющих ее эффективность. К ним относят:

- способ изменения сигнала управления;

- максимальные допустимые значения управляющего сигнала;

- скорость поиска оптимального значения параметра оптимизации и время выхода на статический режим работы;

- глубокая, дублирующая защита электродвигателя и всей системы от сбоев;

- максимальная полезная мощность, развиваемая двигателем.

Как известно, способ изменения сигнала управления оказывает существенное влияние на мощность двигателя, частоту вращения ротора и жесткость механической характеристики. Рациональное управление ДПТ привода происходит в том случае, когда частота вращения оптимальна на данном режиме работы системы.

Применимость системы управления связана с допустимыми значениями управляющего сигнала и скоростью поиска оптимального значения параметра оптимизации, а также со временем выхода на статический режим работы [8, 10]. Надежность системы связана с возможностью дублирования каналов получения информации, а также с наличием защит двигателя в его экстремальных режимах работы. Эффективность работы системы связана с величиной полезной мощности отдаваемой двигателем и рекуперацией энергии.

Анализ систем с импульсным управлением ДПТ позволяет сделать вывод о возможности управления двигателем в более широком диапазоне частот вращения. Существуют несколько видов импульсной модуляции управляющего сигнала, среди которых широтно-импульсная модуляция, частотная модуляция и амплитудная модуляция. Первый тип модуляции, как правило, исключает второй тип, но не исключает третьего, применяющегося как коррекция амплитуды. Системы с частотной модуляцией применяются редко, поскольку в граничных областях частот наблюдается резкое снижение жесткости механической характеристики. Однако в случае некоторых режимов работы ДПТ с независимым возбуждением от постоянных магнитов частотная модуляция управляющего сигнала является необходимой. Наиболее широко применяемым типом изменения параметров сигнала управления является широтно-импульсная модуляция [11, 12]. Однако, в случае больших моментов сопротивления на валу двигателя применение только широтно-импульсной модуляции невозможно, для поддержания оптимальной частоты вращения ротора ДПТ, необходимо использовать также амплитудную модуляцию, что позволит расширить диапазон допустимых моментов сопротивления (примерно на 30%) для двигателей с неизменными внутренними электрическими параметрами [12].

Анализ механических характеристик ДПТ с возбуждением от постоянных магнитов позволяет сделать вывод о возможности устойчивого управления двигателем с сохранением допустимой жесткости характеристик при частотах управляющего сигнала от 400 Гц до 1300 Гц. Важным параметром импульсного сигнала управления является скважность импульсов, которая может изменяться от 0,3 до 0,98 при выходе из режима запуска для перехода в зону оптимальных частот вращения [11, 12, 13].

Наиболее радикальным средством повышения скоростных показателей систем управления с минимальным временем выхода в зону оптимальных частот вращения является разбиение переходных режимов работы двигателя, таких как пуск, реверс и торможение на несколько этапов, с отказом от использования импульсного сигнала управления в период промежуточных этапов, между троганием, с начальным разгоном двигателя до пусковой частоты вращения и входом двигателя в оптимальный режим по частоте вращения. Однако, в этом случае, исходя из условий допустимого тока в цепи якоря двигателя и желания сохранить или даже уменьшить потребление энергии, необходимо нормирование времени сохранения скважности сигнала управления равной 0,98 не более половины постоянной времени переходного процесса, с учетом значения суммарного момента инерции системы. Оптимизация времени переходных процессов должна осуществляться в соответствии с законом регулирования частоты вращения.

Для применения системы управления на автомобиле необходимо учитывать сложность условий работы. Обеспечение дополнительных каналов получения информации при необходимости самотестирования системы, а также при выходе основных каналов из строя, сводится к применению дополнительной группы датчиков. Оптимизация алгоритмов защиты двигателя и самостоятельной коррекции системы управления должна осуществляться в соответствии с современными требованиями безопасности автомобильного оборудования, в частности, повышения безопасности и исключения случаев травматизма водителя и пассажиров.

Анализ систем управления ДПТ позволяет сделать вывод о необходимости повышения полезной мощности приводов и снижению необоснованных потерь энергии. Основным методом снижения потерь является возвращение неиспользованной энергии и представляет собой внедрение схем рекуперации энергии, которые позволяют возвратить до 35% энергии и снизить пульсации напряжения в цепи якоря.

Таким образом, для обеспечения эффективной работы системы управления ДПТ с возбуждением от постоянных магнитов в приводах вспомогательного электрооборудования автомобилей необходимо оптимизировать не только параметры сигнала управления, но и скорость выхода системы из переходных режимов. Оптимизацию параметров целесообразно производить совместно с регулированием параметров сигнала управления в блоке управления и формирующих каскадов. Достижение оптимальных режимов управления возможно при различных аппаратурных вариантах построения систем управления.

По способу изменения параметров сигнала управления двигателем разделяют на аналоговые и цифровые автоматы управления ДПТ [6, 8, 10]. В свою очередь последние делятся на:

- системы управления с цифровыми автоматами управления ДПТ непрерывного действия;

- системы управления с программным управлением ДПТ;

- системы управления с адаптивным управлением ДПТ.

Созданию систем управления с электронными автоматами управления ДПТ, основанных на аналоговом принципе получения и обработки информации, способствовали, прежде всего, их невысокая стоимость и простота построения. К недостаткам этих систем следует отнести: температурный дрейф характеристик, дрейф характеристик от флуктуаций напряжения питания, невозможность формирования резких изломов характеристик, необходимость точной настройки и сложность массового производства.

Преимуществом систем дискретного действия, по сравнению с аналоговыми, является меньшая подверженность влиянию изменения внешних условий (температуры, напряжения питания), а также возможность получения управляющих характеристик любой сложности без значительных аппаратурных затрат, именно по этим причинам цифровые системы управления получили наибольшее развитие [13, 14, 15].

Системы управления с программными автоматами управления ДПТ по сложности реализации разделяю на три группы: системы управления с «жесткой» логикой, программируемые системы, системы управления на базе микропроцессоров и микроЭВМ.

Порядок работы систем с «жесткой» логикой задается алгоритмом, реализуемым при помощи соединенных в определенной последовательности цифровых микросхем (аппаратный принцип). Основной недостаток таких систем состоит в трудности получения сложных управляющих характеристик при малых аппаратурных затратах.

Значительно большими возможностями обладают системы, имеющие в своем составе постоянное запоминающее устройство (программируемые системы). Вычислительный модуль подобных систем представляет собой совокупность аппаратно соединенных функциональных устройств (счетчиков, регистров, триггеров и т.д.), а данные по характеристикам, воспроизводимым системой, записаны в постоянное запоминающее устройство. Преимущество данных систем перед системами с «жесткой» логикой состоит в возможности получения более сложных характеристик управления ДПТ и унификации для различных двигателей. Программируемые системы явились промежуточным шагом к системам управления ДПТ на базе микропроцессоров и микроЭВМ.

Первые системы, в которых в качестве вычислительного блока использован микропроцессор, были разработаны фирмами: Robert Bosh GmbH, Siemens AG, Webasto-Karosseric-System GmbH, Valeo Vision SA, K.K. Tokai-Rika-Denki-Seisakusho.

В этих системах также использовался принцип программного управления, в качестве недостатков которого следует отметить:

- низкую эффективность, обусловленную необходимостью одновременного учета большого числа параметров со сложными функциональными связями;

- высокую стоимость системы, связанную с большим количеством точных датчиков, удовлетворяющих требованиям эксплуатации на автомобиле;

- низкую точность воспроизведения оптимальных параметров, связанную с технологическим разбросом характеристик двигателей и воздействием случайных факторов эксплутационного характера, трудно или совсем не поддающихся прогнозированию при составлении программы регулирования.

Параллельно появляются системы программного регулирования, имеющие обратные связи (смешанные системы) [16…19]. В большинстве случаев разработчики пытаются использовать параметры обратной связи, косвенно характеризующие параметры оптимизации (системы контроля частоты вращения, системы контроля момента на валу двигателя, системы контроля тока в цепи якоря по изменению сопротивления и т.д.). Такие системы обладают более высокой точностью управления ДПТ. При этом они имеют относительно невысокую сложность аппаратурного построения. С другой стороны, с увеличением числа управляемых параметров усложняется выбор законов оптимального управления [20].

Большую эффективность регулирования обеспечивают системы управления с адаптивным управлением ДПТ, которые свободны от указанных недостатков программируемых систем автоматического управления. В адаптивных системах осуществляется непрерывный поиск оптимума по заданному параметру. Отличительной особенностью систем автоматической оптимизации является самоизменяющийся закон регулирования. Это дает возможность применять системы такого рода для автоматического обеспечения оптимальных значений интересующих показателей двигателя.

1.2 Принципы построения адаптивных систем автоматического управления

В специальной литературе существуют различные классификации адаптивных систем автоматического управления. Предложенная А.А.Батовриным и А.А.Фельдбаумом классификация систем по способу осуществления адаптации является наиболее полной [21, 26]. По ней все адаптивные системы управления делятся на четыре основных типа: системы жесткой адаптации, самонастраивающиеся системы, комбинированные системы и самообучающиеся системы.

Самонастраивающиеся системы подразделяются на два класса: системы адаптивного автоматического регулирования и системы автоматического поиска. В свою очередь класс систем автоматического поиска разделяется на группы: системы автоматической оптимизации; системы поиска области оптимальных значений; системы поиска логических соотношений.

Системы оптимального регулирования (СОР) принадлежат к группе систем автоматической оптимизации. СОР используют различные параметры оптимизации, с линейными и нелинейными законами изменения заданных параметров, чаще всего нелинейными, с ярко выраженным экстремальным характером [22].

Характерными для СОР являются, как правило, неизвестные, обычно относительно медленные трансформации рабочих характеристик. Поэтому СОР с самого начала развивались как класс систем автоматического поиска, в которых недостаток априорной информации восполняется за счет текущей информации, получаемой в виде реакции объекта регулирования на искусственно вводимые поисковые пробные воздействия. К СОР часто относят и системы, в которых оптимальный показатель не измеряется непосредственно, а вычисляется на основе измерения некоторой совокупности выходных величин объекта [22].

В работах [22...25] встречается несколько классификаций адаптивных систем автоматического управления с оптимизацией по значениям заданного параметра. Основным параметром в классификации систем является их деление на подгруппы по способам поиска оптимума. Однако наиболее перспективными системами являются только те из них, которые используют заданный параметр, который имеет экстремальную характеристику, с явно выраженной точкой оптимума и исключают внешнее ограничение поиска заданным значением. Наиболее полно, с точки зрения простоты построения реальных систем управления, системы с экстремальными характеристиками по заданным параметрам представлены М.Н. Фесенко и В.В.Ермаковым [23].

Системы оптимального регулирования с заданным параметром, имеющим экстремальную характеристику, разделяются на адаптивные системы автоматического управления:

- с непосредственным использованием сигнала по чувствительности (измерением производной по времени);

- с управлением по градиенту;

- с непрерывным модулирующим воздействием (синхронным детектированием);

- шагового типа (импульсные системы);

- с запоминанием оптимума [23].

Адаптивные системы можно оценить по их чувствительности, помехоустойчивости и качеству регулирования. К показателям качества относят зону поиска (амплитуда колебаний на выходе объекта регулирования), потерю на поиск выхода системы (усредненное значение отклонений на выходе, вызываемое управляющим воздействием) и время поиска (критерий быстродействия систем).

Анализ перечисленных систем оптимального регулирования показал следующее.

АСАУ с непосредственным использованием сигнала по чувствительности (с измерением производной по времени) (рисунок 1.2) содержит: объект регулирования 1, датчик выходной величины 2, дифференциатор 3, задатчик порога чувствительности 4, устройство сравнения 5, устройство вычисления величины управляющего воздействия 6, исполнительное устройство 7.

Метод автоматической оптимизации, основанный на непосредственном измерении чувствительности объекта регулирования, может применяться, если поисковое воздействие является простой функцией, изменяющейся во времени с постоянной скоростью, знак которой подвержен изменению.

Рисунок 1.2 - Структурная схема АСАУ с непосредственным использованием сигнала по чувствительности

Рисунок 1.3 - Структурная схема АСАУ с управлением по градиенту

Поскольку при переходе системы через оптимум знак производной сигнала выхода по времени  изменяется на противоположный, то для отыскания оптимума и удержания системы вблизи него необходимо реверсировать исполнительное устройство 7, когда  станет величиной отрицательной и превысит порог чувствительности γ, т.е. выполнится условие  ≤ - γ. В системах данного типа величина предела зоны стабилизации, задаваемая задатчиком порога чувствительности 4, выбирается больше величины изменения входного управляющего сигнала, которое может быть вызвано наличием помех в выходном сигнале [23].

Схемы АСАУ этого типа просты в исполнении и обладают высокой надежностью. Основная трудность, возникающая при использовании подобных АСАУ, состоит в том, что сигнал на входе устройства получают дифференцированием сигнала на выходе. При этом система будет обладать низкой помехозащищенностью, так как возрастает влияние высокочастотных помех. В этом случае получаются сравнительно большие по величине зоны стабилизации, т.е. данная система будет иметь низкую чувствительность.

Структурная схема АСАУ с управлением по градиенту (рисунок 1.3) содержит: объект регулирования 1 , датчик выходной величины 2, датчик входной величины 3, дифференциаторы 4 и 5, делитель 6, усилитель 7, исполнительное устройство 8. В АСАУ с управлением по градиенту используется свойство оптимальной гладкой характеристики, что производная сигнала отклонения на выходе системы по входу  равна нулю, если значение входного сигнала OP х = . Характеристика объекта регулирования имеет параболическую форму Q = -кх2, и СОР, при отсутствии возмущений, описывается линейными уравнениями, так как  =-кх2 логическое устройство определения направления движения к оптимуму в подобных регуляторах не применяется в силу линейности последнего [23].

Схемы АСАУ такого типа обладают рядом недостатков, которые делают ее малопригодной. Так, в случае, если →0, то и →0, а задача отыскания оптимума становится неопределенной. Система теряет работоспособность на стационарных статических характеристиках при отсутствии дрейфа. Кроме того, реальные объекты обладают инерцией, поэтому для получения с делителя 6 сигнала  необходимы не одновременно замеренные производные  и , а сдвинутые по времени с учетом задержки сигнала в объекте регулирования. Подобное устройство аппаратно реализовать достаточно сложно.

АСАУ с непрерывным модулирующим воздействием (синхронным детектированием (рисунок 1.4) содержит: объект регулирования 1 , датчик выходной величины 2, полосовой фильтр 5, перемножитель сигналов 4, генератор поискового сигнала 5, фильтр низких частот 6, задатчик порога чувствительности 7, устройство сравнения 8, устройство вычисления величины входного воздействия 9, сумматор 10, исполнительное устройство 11. В АСАУ с непрерывным модулирующим воздействием используется свойство статической характеристики изменять фазу колебаний выходного сигнала ОР относительно фазы входных колебаний объекта на 180° при переходе выходного сигнала через оптимум. Систем воздействует на ОР пробным сигналом

х = x0(t)+∆х = x0(t) + asinωt,                                                                (1.1) 

где: a - постоянный коэффициент;

ω - угловая частота поискового сигнала.

Полосовой фильтр 3 выделяет переменную составляющую отклика, которая описывается выражением

Q = bsin(ωt+Ω),                                                                           (1.2)

где Ω - фазовый сдвиг отклика по отношению к поисковому сигналу.

На выходе перемножителя сигналов 4 генерируется сигнал вида

q = ∆Q∙∆x = [cos(-Ω)-cos(2ωt + Ω)].                                              (1.3)

Фильтр низких частот 6 выделяет постоянную составляющую сигнала cos(-Ω), знак которой зависит от знака фазового сдвига Ω. Величина постоянной составляющей сравнивается в устройстве 8 с величиной порога чувствительности - γ, и в случае, когда cos(-Ω) ≤ - γ, устройство сравнения 8 реверсирует направление поиска.

Достоинством АСАУ с непрерывным модулирующим сигналом является более жесткое отслеживание оптимума, чем у систем с непосредственным использованием сигнала по чувствительности, так как управляющий сигнал получается без дифференцирования по времени, а в этом случае уменьшается влияние высокочастотных помех. Недостатком системы является трудность выбора частоты поискового сигнала в условиях значительного динамического диапазона изменения выходной величины и большого дрейфа характеристики Q = f(x). Кроме того, применимость системы определяется полосой частот допустимых помех [23].

АСАУ шагового типа управляется сигналом, пропорциональным скорости изменения выхода, который получается путем сравнения отдельных значений выходного сигнала, взятых через последовательные равные промежутки времени  , называемые шагами.

Структурная схема АСАУ шагового типа (рисунок 1.5) включает в себя следующие элементы: объект регулирования 1, датчик выходной величины 2, интегратор 3, элемент памяти 4, устройства сравнения 5 и 6, задатчик порога чувствительности 7, устройство вычисления величины управляющего воздействия 8, генератор шаговых импульсов 9, исполнительное устройство 10.

Регулируемая величина Q, выделенная датчиком выходной величины 2, поступает на интегратор 3. Величина сигнала на его выходе Qi определяется выражением

                                                                                    (1.4)

где ti-1; ti - соответственно предыдущий и текущий моменты опроса ОР датчиком выходной величины.

Генератор шаговых импульсов 9 через промежутки времени Тш подключает выход интегратора к входам элемента памяти 4 и элемента сравнения 5. На выходе последнего формируется сигнал, равный разности усредненных значений выходной величины за предыдущий и последующие шаги. Значение предыдущего шага Qi-1 запоминается, и при выполнении условия Qi-Qi-1≤-γ  на выходе устройства сравнения 7 появляется команда реверса направления поиска [23].

Достоинством АСАУ шагового типа является высокая помехозащищенность. К недостаткам системы следует отнести низкую чувствительность, трудность выбора величины Тш в условиях большого динамического диапазона изменения регулируемой величины и сильного дрейфа характеристики Q = f (x).

Наиболее подробно рассмотрим АСАУ с запоминанием оптимума, отличающуюся от вышеописанных систем способом образования выходного управляющего сигнала. В ранее рассмотренных системах этот сигнал непосредственно связан с величиной, пропорциональной чувствительности управляемого объекта. Система с запоминанием оптимума работает в режиме непрерывного поиска индикаторного оптимального значения выхода, который используется для образования индикаторного сигнала отклонения выхода. Индикаторный оптимальный сигнал Qопт выделяется в системе элементом памяти.

Структурная схема АСАУ с запоминанием оптимума (рисунок 1.6) включает в себя: объект регулирования 1, датчик выходной величины 2, элемент памяти 3, сравнивающие устройства 4 и 5, задатчик порога чувствительности 6, устройство вычисления величины управляющего воздействия 7, исполнительный механизм 8. Алгоритм работы системы поясняется эпюрами сигналов (рисунок 1.7).

Система функционирует следующим образом. Входной сигнал (поз. г), начиная с некоторого значения (точка А'), изменяется с постоянной скоростью. В соответствии с характеристикой ОР (поз. а) начинает изменяться выход системы (поз. б). При этом индикаторный оптимальный сигнал Qonm равен текущему значению Qi выхода. После прохождения оптимума значение выхода уменьшается (участок С1D1), а максимальное значение выхода (точка C1) запоминается в устройстве 3 и используется в качестве оптимального сигнала. После прохождения оптимума наблюдается разность между текущим и оптимальным значением выхода. Как только разность достигнет критического значения Qi-Qonm = -ΔQ≤-γ (поз. в), устройство сравнения 5 вырабатывает команды на реверс направления входного воздействия и стирание оптимального значения в запоминающем устройстве 3. В соответствии с командой реверса входной сигнал (поз. г) уменьшается с постоянной скоростью, а выходной сигнал (поз. б) возрастает до тех пор, пока не достигнет максимума (точка Сг). Далее все процессы повторяются. Так осуществляется выход системы на режим и удержание ее вблизи оптимума [23].

В АСАУ с запоминанием оптимума можно также применять пропорциональное управление скоростью входа. В этом случае индикаторный сигнал отклонения выхода используется для определения величины скорости изменения управляемого входа. Определение момента реверса может быть основано на использовании интеграла от сигнала отклонения выхода способом, описанным при анализе (рисунки 1.6 и 1.7).

Достоинством АСАУ с запоминанием оптимума является высокая помехозащищенность и работоспособность системы при любой кривизне, не равной нулю, характеристики ОР. Для объектов регулирования с сильным уровнем помех АСАУ с запоминанием оптимума является более надежной, чем адаптивные системы других типов.

В связи с вышеизложенным, системы с запоминанием оптимума, являются более предпочтительными, при создании системы оптимизации параметров ДПТ в приводах вспомогательного электрооборудования автомобилей. Важнейшей характеристикой, определяющей возможность применения АСАУ для оптимизации параметров инерционного объекта регулирования является время выхода ОР на оптимальный режим. В связи с использованием поискового алгоритма, все системы адаптивного регулирования имеют довольно высокие значения данного параметра [23]. Для создания эффективно работающего автомата оптимизации параметров ДПТ необходимо исследовать возможность ускорения вывода системы (автомат оптимизации и объект регулирования) в зону оптимального режима.

1.3 Анализ разработок адаптивных систем автоматического управления двигателем постоянного тока в приводах вспомогательного электрооборудования автомобилей

Успехи в области общей теории автоматического управления способствовали решению конкретных задач автоматического регулирования двигателей постоянного тока. Первые попытки разработки электронных адаптивных систем автоматического управления ДПТ приходятся на конец 40-х, начало 50-х годов. В это время появляются работы DraperC.S., LiY.T., ShullJ.R., SerdengectiS. [27] в которых излагаются принципы построения АСАУ, дается сравнительная оценка систем, анализируется их поведение при наличии помех, выводятся аналитические зависимости для расчета основных параметров систем оптимизации. Одновременно в СССР В.В.Казакевич исследовал несколько вариантов решения задачи автоматической оптимизации [28,29]. Им был сделан теоретический анализ переходных процессов и выведен критерий устойчивости процессов оптимизации.

Первая практическая реализация АСАУ электродвигателей постоянного тока была осуществлена лабораторией авиационной автоматики массачусетского технологического института по заказу фирмы General Motors [30,31]. На кабриолете фирмы GM "Omega" опробывался электрический привод крыши автомобиля с адаптивной системой автоматического управления с запоминанием экстремума (рисунок 1.8). В качестве выходной регулируемой величины была выбрана полезная мощность, развиваемая электродвигателем, для обеспечения максимальной работоспособности системы, в случае ее включения на движущемся автомобиле. Изменение мощности производилось СОР с помощью изменения тока цепи якоря, при этом число оборотов вала двигателя поддерживалось постоянным.

Входными датчиками системы служили датчик тока цепи якоря двигателя с возбуждением от постоянных магнитов и датчик угловой скорости магнитоэлектрического типа. Сигнал с датчика угловой скорости поступал на формирователь сигнала 3 и интегратор 4. Пульсирующее напряжение с выхода датчика тока подавалось через фильтр низкой частоты 5 на вход перемножителя 6 вместе с сигналом с интегратора. С перемножителя сигналов 6 сигнал поступает на элемент памяти 6 и на сравнитель 8. Разница между сигналами сравнивалась с максимально допустимым значением обратного отклонения величины полезной мощности, задаваемой задатчиком 10, на сравнителе 9 и подается на входы формирователя выходного управляющего сигнала 11. Элемент памяти был выполнен на диоде и конденсаторе с малым током утечки. Величина зоны стабилизации задавалась изменением потенциала на катоде триода. После прохождения оптимума формирователь 11 выдавал командный импульс реверса на формирователь сигнала задатчика 13 и элемент переключения 12.

Рисунок 1.8 – Структурная схема АСАУ для электродвигателя привода крыши «GM Omega»

Командный импульс вызывал переключение триггерной схемы формирователя 11, и поляризованное реле изменяло значение сопротивления добавочных резисторов в задатчике 13. В результате этого амплитудный сигнал управления менял знак направления своего изменения. Одновременно командный импульс зажигал тиратрон элемента переключения. Отпирание тиратрона вызывало переключение реле, контакты которого, замыкаясь, разряжали конденсаторы элемента памяти и фильтра низкой частоты. Разряд этих конденсаторов необходим для того, чтобы восстановить величину индикаторного сигнала на элементе памяти до его начального уровня. В этом случае процесс поиска оптимума можно было начать сначала.

Экспериментальные исследования системы включали в себя рассмотрение: статических характеристик ДПТ, динамических характеристик ДПТ, помех высокой частоты, помех низкой частоты. Статические характеристики двигателя использовались для представления основных соотношений между входными и выходными величинами ОР, а также при проектировании задатчика управляемого входа.

Для определения динамических свойств электродвигателя с помощью частотных характеристик проводилось изменение амплитуды управляющего сигнала напряжения в цепи якоря электродвигателя. Результаты исследований показали, что система может быть описана системой из двух дифференциальных уравнений первого порядка с постоянной времени 0,26 с. Постоянная времени входной линейной части была определена с помощью анализа переходных процессов при постоянных значениях момента инерции системы и частоты вращения ротора ДПТ. Скачкообразным возмущением служило изменение сопротивление в цепи якоря. Полученные данные показывают, что система управления сопротивлением имеет характеристики, близкие к характеристикам звена первого порядка с постоянной времени до 0,12 с.

При анализе осциллограмм тока было отмечено, что электродвигатель имел пульсирующую мощность, частота которой в два раза меньше частоты вращения ротора. В спектре сигнала кроме основной гармоники содержатся случайные помехи, которые можно разложить на гармоники с частотой 1-2 Гц. Поэтому одной из проблем создания АСАУ является создание сглаживающего фильтра для получения удовлетворительного управляющего сигнала.

Проводились также исследования системы с целью проверки ее устойчивости. Испытания включали изучение процессов в АСАУ при: изменении значения выхода от 30 до 100 % от оптимума, различных частотах вращения в пределах 900...2600 мин‾1. По результатам эксперимента было отмечено, что при малых значениях выхода имело место усиление амплитуды колебаний объекта регулирования, что, в конечном счете, приводило к заклиниванию механизмов, за счет резкого изменения площади сопротивления поверхности по сравнению с изменением скорости автомобиля при разгоне. Колебания были вызваны ложными реверсами системы. С помощью форсирования скорости входа удалось уменьшить количество ложных реверсов.

Проведенный количественный анализ показал, что автомат оптимизации обладал следующими характеристиками:

время выхода на оптимум           -1,78 с;

период поиска выхода                      -1,36 с;

потеря выхода от оптимального         - 0,13 %.

Анализируя данную работу, следует отметить высокий для своего времени уровень аппаратурной реализации предложенной системы, большой объем работ по исследованию макетного образца на двигателе, хорошую теоретическую проработку вопроса.

Первые попытки систематизации разрозненных исследований в области оптимальных систем приходятся на начало 60-х годов. К этому же периоду относится разработка современной теории систем оптимального управления. Среди основополагающих следует отметить труды А.А.Фельдбаума и А.А.Батоврина [32,33], в которых изложены различные формулировки проблемы оптимальности и возможные подходы к ее решению.

Разработанная им теория дуального управления определяет оптимальную систему на основе метода статистических решений. Особенно просто и наглядно задачи оптимальности излагаются в работе В.Г.Болтянского [34]. В работе Р.Беллмана [35] проблема оптимальности систем рассматривается на основе разработанного им метода динамического программирования, а в работе Л.С.Понтрягина [36] рассмотрение ведется на основе принципа максимума.

Одновременно происходит развитие отдельных теоретических направлений. В.В.Казакевич, А.А.Красовский и др. исследует класс задач оптимального регулирования [37...42].

Среди прикладных работ того времени, посвященных автоматической оптимизации параметров ДПТ в приводах вспомогательного электрооборудования автомобилей, следует отметить труды Dorf R.C., Farren М.С., Phillips C.L., в которых была показана эффективность использования амплитуды сигнала управления при амплитудной модуляции, в качестве управляющего воздействия, а также исследованы области нормальной работы ДПТ и ограничения, накладываемые на системы управления [43,44]. Оценка качества регулирования самонастраивающейся системы управления проведена [45] на основе анализа амплитуды колебании на входе и выходе объекта, а также временем поиска и потери поиска системы.

Продолжением этой работы явилась разработка самоадаптирующейся системы регулирования по критерию оценки работы, совершенной ДПТ [46]. Авторы работы исследовали АСАУ ДПТ привода стеклоочистителя с непосредственным использованием по чувствительности шагового типа.

Принцип действия АСАУ поясняется схемой на рисунке 1.9. С датчика угловой скорости 2, установленного до редуктора на валу ротора электродвигателя, сигнал подается на вход блока формирователя сигнала 3, с которого информация поступает на интегратор 4. С датчика тока, через фильтр низкой частоты 5, сигнал пропорциональный моменту на валу ротора поступает на перемножитель 6, где перемножается со значением угловой скорости, информация о которой поступает с интегратора 4. С перемножителя 6 информация поступает на интегратор 7. Время шага задает задатчик 13, открывая доступ интегратора 7 к элементу памяти 8. Разница между предыдущим шагом и последующим определяется сравнителем 9, и сравнивается с величиной максимально допустимого значения обратного отклонения расхождения работы на предыдущем и последующем шаге на сравнителе 10.

Рисунок 1.9 – Самоадаптирующаяся система регулирования ДПТ стеклоочистителя

Максимальное допустимое расхождение задается задатчиком 11. Формирователь 12 создает приращение управляемого сигнала в зависимости от разницы между показаниями на предыдущем и последующем шаге. С выхода формирователя 12 сигнал поступает на задатчик управляющего сигнала 14.

В работе показано, что минимальные флуктуации напряжений на входе блока интегратора с выхода перемножителя наступают не более, чем через 6 циклов работы. Потеря поиска выхода системы составляла не менее 1%.

В работе также представлена математическая модель системы управления. Характеристика 0Р описывается авторами полиномом второго порядка.

Проводя анализ работы, следует отметить, что АСАУ с использованием сигнала по чувствительности обладают низкой помехозащищенностью. Для их удовлетворительного функционирования необходимо обеспечивать большую зону стабилизации, и в результате такие системы обладают низкой чувствительностью. Кроме того, сбои в работе предложенной системы регулирования ДПТ будут происходить из-за случайных колебаний тока в цепи якоря и напряжения с датчика тока от цикла к циклу, например, в случае возникновения помех от системы зажигания.

Дальнейшую всестороннюю проработку теория оптимальных задач получила в трудах Л.А.Растригина, А.Д.Иоффе и других [47,48]. Здесь становится характерным практическое приложение методов современной теории автоматического управления. Прикладная ТАУ должна прежде всего учитывать закономерности и ограничения, проявляющиеся при создании реальных систем управления. Информационные ограничения связаны нетолько с объемом априорной и текущей информации, получаемой системой, но и с различными параметрами, возмущениями, шумами, областями неустойчивой работы ОР. Именно они определяют предельные возможности реальных систем автоматического управления.

В работе [49] проведен теоретический анализ адаптивной системы с запоминанием оптимума. Автор математически описал траекторию движения рабочей точки системы автоматической оптимизации работы топливного насоса с приводом от двигателя постоянного тока, при внешнем расположении относительно топливного бака, к экстремуму заданного оптимального параметра и траекторию движения системы на предельном цикле поиска. Статическая характеристика ОР описывалась параболой вида:

P = L∙ω2                                                                                                (1.5)

Регулирующим воздействием в системе являлась угловая скорость ротора электродвигателя ω, а выходной величиной - полезная мощность развиваемая двигателем Р. Автор сделал допущение, что система имеет два инерционных звена:

  •  входное (датчик угловой скорости);
  •  выходное (датчик мощности).

Структурная схема системы приведена на рисунке 1.10. В работе с помощью преобразований Лапласа была получена передаточная функция всей системы. На ее основе рассчитывалась траектория движения рабочей точки А (рисунок 1.11) к кривой предельного цикла fge. Обобщенное выражение траектории рабочей точки имеет вид:

U2 = -L[ω2 - 2(±k)∙Рω + 2k2 Р2 ] +

+{u2A +Lkг[А-2(±k)∙Р∙ωА +2(±k)2Р2]},                                  (1.6)

где:  k=;

U2 - выходной сигнал датчика температуры;

- коэффициент усиления входного звена;

ωА,U - начальные условия.

При движении рабочей точки вправо знак перед коэффициентом k в выражении (1.6) положительный, при движении влево - отрицательный. Анализируя работу, следует отметить трудность аппаратурной реализации такой системы.

С середины 70-х годов большое внимание уделяется вопросам теории оптимальных систем дискретного типа [50...54]. Это объясняется преимуществами импульсных и цифровых систем, которые кратко можно изложить так: отсутствие дрейфа, более высокая устойчивость к шумам и возмущениям, большая надежность, меньшие габариты и стоимость, удобства в программировании и большая гибкость по сравнению с аналоговыми регуляторами.

Среди разработок того времени следует отметить серию работ Weber М., Hessdoerfer R., Kostler W., Hoderer G., Lamm H. [55..60], в которых сформулированы требования как к самим системам, так и к командному параметру управления рабочими процессами ДПТ (управляющему воздействию). В работах [59,60] описывается цифровая система управления двигателем электростеклоподъемника с автоматической адаптацией по критерию коэффициента полезного действия. Макетная система состоит из двух регуляторов: регулятора с программным управлением и регулятора с аппаратным управлением реверса. При таком архитектурном построении систему следует отнести к системам смешанного типа, т.е. к системам программного регулирования, имеющим обратные связи. В предложенной системе управление скважностью сигнала управления ДПТ сочетается с ограничением величины амплитуды базового напряжения питания, при возникновении чрезвычайных моментов сопротивления, вплоть до изменения его знака.

Авторами рассматриваются наиболее характерные случаи регулирования скважности импульсов при различных режимах работы ДПТ:

  •  на режиме холостого хода, момент сопротивления практически отсутствует; мощностные характеристики имеют явно выраженные экстремальные точки оптимума, при малых моментах инерции система имеет малую жесткость механической характеристики;
  •  на режимах более нагруженного состояния и малых частотах вращения вала ротора ДПТ при изменения частоты сигнала управления от 350Гц до 500Гц повышается жесткость механической характеристики, колебания частоты вращения при резком приращении момента сопротивления;
  •  на полных нагрузках системы и небольших частотах вращения зона оптимальных значений скважности сигнала управления смещается от 50% в сторону увеличения, наблюдаются меньшие колебания частоты вращения при изменении момента инерции и момента сопротивления.

Достоинством этой системы является повышение управляемости двигателя по частоте вращения ротора, за счет применения широтно- импульсной модуляции сигнала, повышение полезной мощности электродвигателя при различных моментах сопротивления, за счет более эффективной регулировки скважности. Однако она не лишена недостатков систем программного регулирования, отмеченных в разделе 1.1.

Среди разработок 80-х годов следует отметить работы Kumagoi Katsu- hide, Tanaka Kanichi, Obata Yousuke, Mizukami Noboru и Ito Shigeji [61,62,63], где синтезирована наиболее полная математическая модель ДПТ как объекта регулирования при управляющем воздействии в виде скважности импульсов управления, разработана методика синтеза элементов автомата оптимизации определения качества регулирования и приведена оценка эффективности использования АСАУЭПВЭО автомобилей в системах климат контроля автомобилей.

В работах Borrmann Hans Aehim, Wolfgang Werner и Voss Tomas [64,65] конца 90-х годов описывается адаптивная система автоматического управления двигателями приводов стеклоподъемника с запоминанием оптимума шагового типа. В качестве выходной регулируемой величины была выбрана максимальная мощность двигателя, измерение которой проводилось посредством контроля частоты вращения, с предвычислением конечных положений и ускорением функции поиска. При этом двигатель работал большую часть времени на стационарном режиме, момент на валу практически не изменялся. В основу системы был положен цифровой способ обработки информации. АСАУ ДПТ имела переменную скорость изменения входной   величины и переменную чувствительность γ. Величина шага системы, дискретность приращения скважности и пороги минимальных частот вращения ротора электродвигателя задавались оператором вручную.

Система оптимизации включала в себя блок управления, датчик частоты вращения, датчик тока цепи якоря, датчики конечных положений объекта регулирования, задатчик режима работы, систему оповещения об аварийной работе привода. Функциональная схема системы содержит следующие основные элементы (рисунок 1.12):

  •  входное устройство, обеспечивающее информацию об объекте регулирования в виде, необходимом для нормальной работы системы оптимизации;
  •  блок распределительных устройств, организующий работу элементов системы оптимизации в определенной последовательности;
  •  оптимизатор, производящий анализ положения рабочей точки системы относительно оптимума функции и вырабатывающий команды на выбор направления поиска и скорости движения к оптимуму, по экстремальной характеристике;
  •  блок вычисления скважности, определяющий величину регулирующего воздействия в каждый шаг работы системы на основании информации оптимизатора;
  •  объект регулирования, включающий в себя ДПТ с комплексом исполнительных устройств;
  •  блок поддержания реального режима времени, реализующий алгоритм работы системы в реальном масштабе времени;
  •  формировательный каскад, реализующий управляющее воздействие на объект регулирования в реальном режиме времени;
  •  силовой каскад, усиливающий управляющее воздействие на ОР;
  •  блок индикации, оперативно выдающий информацию о состоянии системы и объекта регулирования.

При движении систем к оптимуму на выходе "М" компаратора появляется сигнал логической единицы. Блок импульса реверса и задания дискретности определяет приращение скважности на шаге. Абсолютное значение скважности вычислялось в блоке оперативной памяти путем сложения величины скважности, записанной в счетчике оперативной памяти, с приращением скважности на шаге. В случае прохождения системой оптимума на выходе "О" компаратора появлялся единичный сигнал. Блок импульса реверса и задания дискретности выдавал команду на смену направления поиска. В результате счетчик блока оперативной памяти менял направление счета.

Экспериментальные исследования систем включали в себя рассмотрение: статических характеристик системы при различных режимах работы двигателя; качества регулирования системы при различных значениях шага поиска, чувствительности и скорости движения к экстремуму параметров предельных циклов.

Анализируя экспериментальные данные, полученные в работах [64,65] можно сделать следующие выводы:

  •  минимальное время переходного процесса достигается при выборе величины шага поиска системы Тш = 0,5ТМм- постоянная времени двигателя);
  •  большая скорость изменения входной величины при пропорциональном регулировании ухудшает устойчивость системы;
  •  АСАУ обеспечивает выигрыш по мощности по сравнению с серийными системами управления ДПТ; при более широком диапазоне частот вращения ротора электродвигателя;
  •  при постоянной частоте сигнала управления 800 Гц достигается высокая жесткость механической характеристики двигателя, однако присутствует возможность ее повышения для получения наибольшего выигрыша по мощности ДПТ.

Среди последних разработок следует отметить адаптивную систему управления двигателем постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов в системе стеклоочистителей [66]. Для определения оптимальной скважности в системе используется условие, что для достижения максимальной мощности электродвигателя, порог срабатывания оптимизатора по частоте вращения ротора должен достигать 80% от номинальной частоты вращения двигателя и должен достигаться не более чем за 1,8...2,8 с.

Проведенный обзор литературных источников, посвященных анализу адаптивных систем автоматического управления, свидетельствует, что теоретическое исследование класса задач адаптивного регулирования выполнено достаточно основательно. Это видно из огромного числа публикаций в мировой литературе. Однако количество практических приложений теории весьма ограничено, особенно в Российской Федерации. Состояние разработок адаптивных систем автоматического управления двигателями постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов в электроприводах вспомогательного электрооборудования автомобилей характеризуется поисковыми работами. Обзор литературы также показывает, что уровень аппаратурной реализации и функционального построения систем не доведен до уровня систем с программным управлением.

1.4. Цель и задачи исследования

Цель настоящей работы заключается в разработке и исследовании универсальной адаптивной системы автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобиля с ускорением поиска оптимального режима работы двигателя и высокими показателями взаимозаменяемости элементов системы. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

  1.  Провести анализ и установить параметры, определяющие эффективность работы АСАУ ЭПВЭО.
  2.  Провести анализ принципов построения АСАУ и практических разработок оптимальных систем автоматического управления.
  3.  Исследовать статические и динамические характеристики ДПТ как объекта регулирования.
  4.  Определить пути и способы ускорения процесса поиска оптимального режима работы объекта регулирования в системе оптимального управления.
  5.  Разработать принцип построения, функциональную схему и алгоритм работы адаптивной системы автоматического управления двигателем постоянного тока в электроприводах вспомогательного электрооборудования автомобилей с ускорением поиска оптимального режима работы ДПТ.
  6.  Разработать принципиальные электрические схемы адаптивной системы автоматического управления ДПТ.
  7.  Разработать программное обеспечение системы.

Глава 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ВОЗБУЖДЕНИЕМ ОТ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ

2.1 Анализ характеристик ДПТ

Для осуществления автоматической оптимизации в СОР необходимо, чтобы ОР обладал характеристикой с экстремальной точкой - оптимумом. Кроме наличия характеристики с оптимумом системе не требуется знания ни формы связи между входом и выходом, ни количественных данных об этой связи в ОР. Поэтому для разработки АСАУЭПВЭО необходимо исследовать характеристики двигателя и выделить те из них, которые обладают оптимумом.

Для проведения анализа работы ДПТ необходимо иметь характеристики определяющие зависимости его основных показателей от какого-либо одного из наиболее характерных параметров [67]. К числу таких параметров относят:

- частоту вращения ротора ДПТ п , мин ;

- момент на валу ротора М, Н*м;

- величину напряжения импульсов питания U, В;

- величину скважности импульсов питания Q; 

- величину частоты импульсов питания f , Гц;

- сопротивление цепи ротора R, Ом;

- индуктивность цепи ротора L, Гн;

- момент инерции ротора двигателя J, кг*м2;

- конструктивного параметра магнитной системы двигателя с.

С учетом этих параметров строят следующие статические характеристики двигателя:

- скоростные характеристики I=f(n); 

- механические характеристики M=f(n);

- регулировочные характеристики.

Скоростная характеристика представляет собой изменение тока в цепи ротора двигателя в зависимости от частоты вращения. Одновременно с кривой тока в цепи ротора на диаграмму скоростной характеристики наносится механическая характеристика, характеризующая  величину  момента на валу двигателя, характеристика полезной мощности, затраченной мощности и коэффициента полезного действия. В результате этого получается рабочая характеристика двигателя. На рисунках 2.1-2.2 представлены рабочие характеристики двигателей:

- привода стеклоподъемника ЭПС-4;

- привода люка крыши автомобиля DСМ-50Н1-ОЗТ.

Экспериментальные данные сняты на испытательных стендах фирм SEEQAM и «НПО НАТ» в Тольяттинском государственном университете.     

Для определения условий, при которых двигатель имеет оптимальные показатели работы, снимают регулировочные характеристики. К такого рода характеристикам относят характеристики по скважности импульсов сигнала управления, амплитуде импульсов сигнала управления и частоте импульсов сигнала управления. Регулировочные характеристики по скважности импульсов сигнала управления служат для определения наивыгодного значения скважности  при работе двигателя в тех или иных условиях. На рисунке 2.3 представлена регулировочная характеристика по скважности импульсов сигнала управления. Регулировочные характеристики по частоте импульсов сигнала управления служат для определения наивыгоднейших частот импульсов при поиске оптимальной частоты вращения ротора при максимуме полезной мощности. На рис. 2.4 представлена регулировочная характеристика по частоте импульсов сигнала управления. Регулировочные характеристики по амплитуде импульсов сигнала управления служат для определения величины напряжения питания для расширения зоны управления двигателем по частоте вращения. На рисунке 2.5 представлена регулировочная характеристика по амплитуде импульсов

Рисунок 2.1 – Рабочие, скоростные и механические характеристики двигателя ЭПС-4

Рисунок 2.2 – Рабочие, скоростные и механические характеристики двигателя DСМ-50Н1-ОЗТ

Рисунок 2.3 – Регулировочные характеристики двигателей по скважности сигнала управления

Рисунок 2.4 - Регулировочные характеристики двигателей по частоте сигнала управления

Рисунок 2.5 - Регулировочные характеристики двигателей по амплитуде сигнала управления

сигнала управления. При снятии характеристики замеряют полезную мощность двигателя и частоту вращения вала ротора. Оптимальную скважность считают такой, при которой мощность двигателя достигает своего максимума, амплитуду оптимальной считают тогда, когда невозможен переход на меньшую, с сохранением величины полезной мощности, а частоту можно считать оптимальной, если механическая характеристика двигателя сохраняет свою жесткость и ток не падает до нуля. Проводя анализ скоростных, механических и регулировочных характеристик ДПТ, следует отметить, что характеристика полезной мощности ярко выраженный экстремум. Характеристики затраченной мощности, момента на валу ротора и коэффициента полезного действия нельзя выбирать в качестве основного параметра оптимизации в СОР. Их характеристики не обладают экстремумом.

Кроме статических характеристик двигателя в практике используют большое число других характеристик, отражающих определенные статические свойства двигателя или отдельных его элементов.

Современные системы вспомогательного электрооборудования с электрическим приводом от двигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов являются комбинированными агрегатами, состоящими из множества элементов, которые, функционируя по отдельности, в то же время входят в сложное взаимодействие друг с другом, и в конечном счете, определяют работу двигателя. Многообразие взаимосвязей процессов в системах обуславливает некоторую сложность их аналитического описания, наряду с простотой описания процессов в самом двигателе. Во многом этим объясняется отсутствие аналитических зависимостей, с помощью которых можно было бы рассчитать значения параметров на любом выбранном режиме работы систем. Наибольшую сложность вызывает математическое описание процессов происходящих в двигателе при широтно-мпульсном амплитудном питании, с частотной коррекцией сигнала управления и рекуперацией энергии, при сохранении принципа универсализации аналитических выражений. Наиболее доступным и оперативным путем получения расчетной зависимости между входными и выходными параметрами ДПТ является построение математической модели двигателя с помощью регрессионного анализа.

2.2 Описание методики проведения имитационного эксперимента

Согласно функциональным схемам, в качестве выходного параметра двигателя чаще принимают частоту вращения вала.

Наиболее значимыми факторами, оказывающими доминирующее влияние на выходной параметр двигателя, считаются: момент на валу двигателя, амплитуда импульсов сигнала управления, скважность импульсов сигнала управления, частота импульсов сигнала управления, конструктивный параметр магнитной системы двигателя, сопротивление цепи ротора, индуктивность цепи ротора и момент инерции ротора. Поэтому математическую модель двигателя в статическом режиме работы следует искать в виде зависимости п = f(U,M,Q,c,f,L,R,J). Математическая модель двигателя в статическом режиме работы позволяет оценить:

- чувствительность регулируемого параметра в ответ на управляющие воздействия;

- области допустимой работы ДПТ;

- значения оптимальной скважности, амплитуды и частоты импульсов сигнала управления на различных режимах работы.

Синтез модели можно провести только на основе экспериментальных данных, однако, изменение значений некоторых факторов во всем исследуемом диапазоне физически невозможно, при сохранении значений других факторов. Естественным и единственным выходом в этой ситуации является использование имитационного эксперимента. Во избежание получения ошибочных результатов, при экспериментальной проверке модели на двигателях, необходимо вводить в модель кроме детерминированной части вероятностную часть, обуславливающую технологический разброс характеристик двигателя при изготовлении, разброс характеристик параметров витания и внешних воздействий, а также погрешность средств измерения и учитывать ее как неотъемлемую. Ввод вероятностной части влечет за собой появление дополнительных факторов, которые приводят к увеличению количества экспериментальных опытов. В результате чего увеличивается время проведения экспериментальных исследований. Исследования, проведенные в области имитационного экспериментирования, привели к созданию нового типа вероятностной части математической модели. Вероятностная часть совмещается с детерминированной, посредством внесения изменения в значение каждого фактора в процессе исследования. Блок-схема проведения имитационного эксперимента, с учетом как детерминированной, так и вероятностной части представлена на рисунке 2.6.

Аналитическое выражение физических процессов происходящих в двигателе постоянного тока при импульсном питании, с широтно- импульсной амплитудной модуляцией сигнала управления с частотной коррекцией представляет собой множество сложных эмпирических выражений, которые не всегда достаточно точно описывают состояние. Тем более эти выражения приводят к ошибке при описании установившегося режима, поскольку даже установившийся режим работы двигателя при данных условиях является набором сложных динамических процессов, происходящих в двигателе. В результате проводившихся исследований переходных процессов, был разработан новый метод поиска установившегося режима работы двигателя, который заключается в предварительном анализе наименьших переходных процессов, происходящих в двигателе, в результате которых происходит изменение схемы замещения двигателя. Последующее разнесение этих процессов по времени достигается за счет ограничения протекания наименьшего переходного процесса. Конечное выражение исследуемой функции по предыдущему наименьшему переходному процессу, является начальным условием для последующего наименьшего переходного процесса. Поиск установившегося режима работы двигателя в основном переходном процессе высшего уровня достигается в результате циклического последовательного проведения каждого наименьшего переходного процесса с необходимым количеством повторов, до появления такого режима работы двигателя, при котором среднее значение исследуемой функции за десять периодов не изменяется более чем на 5%. Блок-схема адаптационно-корреляционного поиска установившегося значения для определения детерминированной составляющей модели представлена на рисунке 2.7.

Рисунок 2.6 – Блок-схема проведения имитационного эксперимента, с учетом, как детерминированной, так и вероятностной составляющей корреляционно-регрессионной модели

Рисунок 2.7 – Блок-схема адаптационно-корреляционного поиска установившегося значения для определения детерминированной составляющей модели

Для увеличения степени универсализации предусмотрены расширенные диапазоны изменения факторов:

-  U -  от 8 до 48 В;

-  M – от 0,1 до 0,5 Н*м;

-  с – от 0,01 до 0,1;

- Qот 0,5 до 0,95;

- f – от 400 до 1200 Гц;

- L – от 0,001 до 0,009 Гн;

- R – от 0,4 до 5,8 Ом;

- Jот 0,00002 до 0,0025 кг*м2.

Глава 3 РАЗРАБОТКА АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ АВТОМОБИЛЕЙ

3.1 Разработка алгоритма функционирования и выбор элементной базы АСАУЭПВЭО автомобилей

Выбор типа адаптивной системы автоматического управления проводился на основе анализа способов функционирования СОР, характеристик ОР и реальных разработок АСАУ ДПТ. При этом учитывались как параметры системы (помехозащищенность, чувствительность, быстродействие, работоспособность при сильном дрейфе статической характеристики), так и сложность её аппаратурной реализации. Было установлено, что наиболее высокими показателями эффективности работы обладает адаптивная система автоматического управления с запоминанием оптимума.

Исследование возможности ускорения поиска оптимального режима СОР показало, что для уменьшения времени выхода системы на режим необходимо уменьшить величину начального отклонения выхода от оптимума. Для этого САУ с запоминанием оптимума дополнительно должна быть оснащена автоматом начального вывода системы в зону оптимального режима.

Анализ непрерывных и дискретных систем автоматического регулирования выявил преимущества последних, которые заключаются в: повышенной чувствительности, большей надежности, большей устойчивости к шумам и возмущениям, отсутствие дрейфа, меньших габаритах и массе, меньшей стоимости, возможности программирования режима работы. Одним из существенных преимуществ цифровых систем является их большая гибкость по сравнению с аналоговыми регуляторами. Программа цифровой системы может быть приспособлена к характеристикам объекта без каких-либо изменений в аппаратной части системы. Принимая во внимание изложенное, работу систем следует организовать на основе цифрового способа обработки информации.

На основании проведенных исследований можно кратко сформулировать алгоритм функционирования САУЭПВЭО с ускорением поиска оптимального режима, основные положения которого сводятся к следующему:

- система предназначена для регулирования работы двигателем постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов;

- в качестве ОР в системе может выступать широкий класс двигателей, у которых регулируемым параметром является частота вращения ротора;

- управляющим воздействием в системе является скважность и амплитуда импульсов питания, с частотной коррекцией;

- система работает по принципу грубо-точного (программно-адаптивного) регулирования;

- грубая установка скважности и амплитуды производится автоматом программного управления двигателем;

- точное регулирование осуществляется с помощью автомата оптимизации с запоминанием оптимума;

- в основу системы положен цифровой способ обработки информации;

- система имеет постоянную чувствительность;

- система работает с ограничением диапазона изменения скважности и амплитуды сигнала управления;

- система имеет постоянную скорость изменения управляющего воздействия;

- в режиме пуска ДПТ система обеспечивает поэтапное разделение способов питания двигателя;

- в режиме реверсирования ДПТ система обеспечивает поэтапное разделение способов питания двигателя в зависимости от характера нагрузки;

- в режиме торможения ДПТ система обеспечивает режим торможения двигателя противовключением сигнала управления;

- система имеет оптический датчик полезной мощности и обладает обратной связью по полезной мощности двигателя;

- вспомогательным входом системы является частота вращения ротора двигателя;

- система имеет ресурсы по наращиванию аналоговых, дискретных и импульсных вспомогательных и альтернативных датчиков защиты двигателя, повышения качества и работоспособности системы;

- прогнозирование переходных режимов двигателя (резкое изменение момента нагрузки на двигатель) осуществляется регистрацией скорости изменения момента на валу двигателя;

- система осуществляет двунаправленную адаптацию по напряжению питания от 8 до 48 В;

- система имеет цифровую индикацию текущего значения момента на валу электродвигателя, амплитуды и скважности импульсов управления, частоты вращения и вывод сигналов на регистрирующую аппаратуру через последовательный порт с асинхронной передачей данных, протоколы связи RS-232 и САN.

Для расширения возможностей исследования ДПТ с помощью АСАУЭПВЭО предусмотрена:

- ручная установка скважности, амплитуды и частоты сигнала управления;

- ручная установка диапазона оптимальных частот вращения двигателя;

- ручная установка и автоматическая коррекция информации о внутренних параметрах двигателя, таких как сопротивление цепи якоря, индуктивность цепи якоря, момент инерции системы и значение конструктивного параметра магнитной цепи;

- изменение чувствительности системы;

- задание различной скорости изменения управляющих воздействий;

- изменение дискретности приращения скважности и амплитуды импульсов на шаге;

- автоматическое тестирование узлов блока управления АСАУЭПВЭО.

Для реализации сформулированного алгоритма работы системы необходимо иметь современную элементную базу. При проектировании АСАУ возникла необходимость в применении микропроцессора.

В данном случае исходили из того, что:

- требуемое для реализации алгоритма число микросхем (МС) составляет более 50;

- требуется запоминание значительного объема данных и большого числа логических состояний;

- используется алгоритм совокупных измерений;

- обработка результатов измерений должна выполняться автоматически;

- необходимо выполнение математических вычислений (линеаризация зависимости скважности, амплитуды и частоты сигнала управления, умножение, деление многоразрядных чисел);

- требуется самоблокировка системы и автоматическое тестирование узлов;

- сложность алгоритма, его разветвленность требует высокой производительности вычислений.

Развитие средств микропроцессорной техники привело к тому, что применение  готовых микропроцессоров  и  однокристальных микро-ЭВМ стало экономически выгодным в сравнении с МС средней и большой степени интеграции или с проектированием специальных логических схем [112].

При использовании микропроцессора на него возлагается задача программного моделирования аппаратных средств. Основные принципы замены аппаратных средств программными можно изложить следующим образом:

- программы могут заменить аппаратные средства, если замена удовлетворяет требованиям по быстродействию и экономически выгодна;

- программы, заменяющие аппаратные средства, должны моделировать функции аппаратных средств (воспринимать, обрабатывать, хранить и выдавать цифровую информацию).

Выбор типа процессора и сопрягаемых периферийных БИС проводился на основе анализа универсальных микропроцессорных комплектов (МПК) от ведущих производителей микропроцессорных средств [126]. При этом обращалось внимание на быстродействие МПК, стоимость и доступность БИС. На основе анализа алгоритма функционирования системы было определено, что для реализации поставленной задачи требуются средства вычислительной техники высокого быстродействия. При разработке систем, содержащих микропроцессоры, наибольшие трудности связаны с созданием программного обеспечения (ПО), осуществляющего реализацию алгоритма функционирования системы. Поэтому при выборе МПК следует отдавать предпочтение комплектам, для которых имеются наработки в ПО, обеспечивающие эффективное выполнение различных стандартных процедур и вычисление элементарных функций. Кроме того, при выборе МПК приобретает особую важность вопрос наличия специальных средств отладки: программной и аппаратурной эмуляции однокристальной микро-ЭВМ, компиляции и отладки программного обеспечения.

Принимая во внимание вышеизложенное, в качестве базового был выбран МПК серии М16С62 фирмы Mitsubishi Electric Semiconductor Engineering corporation, выполненный по n-МДП и ТТЛШ технологии и характеризуемый архитектурным единством, которое обеспечивается автономностью и функциональной законченностью отдельных МС, их логической и электрической совместимостью, унификацией интерфейса и программируеммостью МС. Фиксированный набор команд, большой выбор периферийных МС, высокое быстродействие (20 МГц), многоуровневая гибкая система прерываний, доступность программного обеспечения и аппаратных средств, программируемая структура служебных регистров, наличие нескольких типов энергонезависимой памяти, высочайшая степень интеграции, низкая стоимость обеспечивает МПК М16С62 широкое применение в качестве информационного ядра систем управления реального времени.

Для построения системы, содержащей микропроцессор, необходимы устройства, обеспечивающие прием, выдачу и хранение информации. Хранение информации обеспечивают полупроводниковые запоминающие устройства. Функционально они разделяются на ОЗУ, РПЗУ и «Флэш-память». Для использованной однокристальной микро-ЭВМ М30625FGLGP, производимой фирмой Matsushita Electronic Ltd, в качестве ОЗУ системы используется встроенное оперативное запоминающее устройство, обладающее высоким быстродействием и достаточно большой информационной ёмкостью 20480 байт [112]. В качестве ПЗУ была использована внутренняя репрограммируемая память, емкостью 2048 байт, для служебного программного обеспечения, в которую запись информации и стирание проводится электрическим способом, а также дополнительная память на основе МС серии 573, емкостью 16384 байт, для хранения констант, запись в которую производится электрическим способом, а стирание ультрафиолетовым излучением [126]. В качестве памяти прикладного программного обеспечения используется внутренняя «флэш-память», емкостью 256 кбайт. Аналоговый ввод информации в систему можно осуществлять при помощи встроенного 10-ти канального 16-ти разрядного аналогово-цифрового преобразователя, а вывод - с помощью встроенного 2-х канального 16-ти разрядного цифро-аналогового преобразователя. Для усиления уровня аналоговых сигналов и их преобразования следует использовать операционные усилители и компараторы серий КР1401. С целью повышения степени помехозащищенности АСАУЭПВЭО автомобилей цепи питания блока управления и исполнительного устройства (силового каскада) не должны иметь гальванической связи. Информационную связь блока управления и силового каскада следует реализовать на быстродействующих оптопарах, например, АОД 101 [112].

3.2 Разработка структурной схемы и алгоритма управления адаптивной системы автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования

На основании сформулированного алгоритма функционирования АСАУЭПВЭО автомобилей с ускорением поиска оптимального режима работы ДПТ была разработана структурная схема системы (рисунок 3.1). Автомат оптимизации с запоминанием оптимума и объект регулирования (ДПТ) образуют основной контур системы. В дополнительный контур системы входит дискретно-непрерывный регулятор с жестким законом управления. В анализатор системы поступает вся доступная для контроля информация. В зависимости от состояния ОР анализатор выбирает закон регулирования R (R=1- оптимальное; R=0 – грубое программное управление).

Функционирование основного контура системы основано на шагоимпульсном принципе действия. Расчет основного контура можно производить методом фазовой плоскости [50]. Автомат оптимизации работает периодически, изменение выходной величины (скважности, амплитуды и частоты сигнала управления) производится один раз в течение шага Тшк. Величина выходного воздействия на шаге поддерживается постоянной, а изменяется лишь в начале следующего шага, за промежуток времени t «Тшк . В связи с этим в структурную схему основного контура системы можно включить звено, генерирующее на выходе единичный импульс на шаге, т.е. генерирующее сигнал в виде -функции.

Выходная часть автомата оптимизации может быть подробно условно представлена в виде генератора -функции и интегратора с переменным коэффициентом усиления  на каждом шаге (рис. 3.1).

Амплитуду -функции можно считать равной

                                                                                     (3.1)

Двигатель постоянного тока, как объект регулирования, можно представить состоящим из двух частей: динамической, с тремя параллельными ветвями по параметрам управления, с постоянной времени ,   статической состоящей из промежуточного звена, объединяющего три параметра управления, перехода к частоте вращения от параметров сигнала управления с зависимостью в виде полинома и со звеном с квадратичной зависимостью между входом по частоте вращения и выходом по полезной мощности. Элемент памяти (ЭП), устройство сравнения и релейный элемент образуют цепи обратной связи. Формирование сигнала на выходе релейного элемента можно описать выражением:

,                                                                 (3.2)

где  - величина порога чувствительности системы;

      P(n) - текущее значение полезной мощности от частоты вращения;

     - оптимальное значение полезной мощности от частоты вращения.

Передаточная  функция  динамической  части  основного  контура  системы (рис.3.1) имеет вид

.                                                                                              (3.3)

Для получения разностных уравнений, связывающих фазовые координаты, используем z-преобразование [50].

.                                        (3.4)

Так как на вход интегратора подается -функция, изображение которой:

,                                                                                                       (3.5)

то дискретные изображения управляющих воздействий будет иметь вид

                                                              (3.6)

                                                              (3.7)

                                                              (3.8)

где =.

Текущее значение частоты вращения определяется зависимостью

.   (3.8)

Текущее значение полезной мощности определяется зависимостью

                                               (3.9)

В свою очередь полезная мощность описывается выражением

,                                                                  (3.10)

где - сигналы на выходе релейного элемента.

Реверс входа системы происходит, когда .

Управление осуществляется тремя параметрами питания двигателя, однако в отдельно взятый момент времени за период квантования, управление происходит по одному из контуров либо скважностью импульсов, либо амплитудой, либо частотой импульсного сигнала, с помощью коммутатора сигнала управления (КСУ).

Отсюда уравнение плоскости переключения основного контура системы определяется системой уравнений:

                                             (3.11)

Вывод адаптивной системы автоматического управления электроприводом вспомогательного электрооборудования автомобиля из зоны сверхкритических в зону докритических начальных отклонений выхода осуществляется дискретно-непрерывным регулятором с жестким законом управления.

Входными параметрами, определяющими скважность и амплитуду импульсного сигнала управления являются, текущие значения полезной мощности Р и момента на валу ротора М.

В основу функционирования регулятора положен программный принцип управления скважностью и амплитудой с интерполяцией  значений функции внутри интервалов.

Алгоритм определения значений скважности и амплитуды, задаваемый регулятором, отличен от известных. Ввиду того, что основной контур системы осуществляет точное регулирование скважности и амплитуды, то нет необходимости в задании сложной поверхности регулирования Q(Р;М) и U(Р;М) для программного регулятора. Для получения "гладкой" поверхности был предложен способ вычисления значений скважности и амплитуды сигнала управления, суть которого сводится к следующему.

При получении текущего значения полезной мощности Р и момента на валу ротора М определяются интервалы, в границах которых находятся данные значения. Номера интервалов определяются как

;                                                                            (3.12)                     

,

где:  , - минимальные значения входных параметров;

        ,  - длина интервалов.

По номеру интервалов и  определяются значения коэффициентов делителя (соответственно  и ). Величина текущих значений скважности

и амплитуды, от одного из входных параметров, вычисляется путем деления текущего значения входного параметра на коэффициент, соответствующий данному интервалу. Результирующие значения скважности и амплитуды сигнала определяется суммой текущих значений скважности и амплитуды от каждого из входных параметров. Так как коэффициенты, в границах интервалов постоянны, то изменение скважности и амплитуды на интервалах пропорционально изменению входных параметров. Используя данный способ, можно получать "гладкие" поверхности регулирования Q(Р;М) и U(Р;М) с минимальными затратами как программного обеспечения, так и объема используемой программируемой памяти системы.

По идентификационной модели обобщенного двигателя постоянного тока была составлена матрица значений коэффициентов делителей. Расчет коэффициентов проводился таким образом, чтобы при работе двигателя не возникало перерегулирования. В результате расчета было получено 32 коэффициента (16 по моменту и 16 по частоте вращения).

Анализатор системы, определяя состояние объекта регулирования, осуществляет выбор закона управления скважностью и амплитудой импульсного питания. Адаптивное регулирование скважности и амплитуды невозможно на быстроменяющихся режимах работы двигателя. Это условие вытекает непосредственно из принципа действия адаптивной системы. В данном случае управление скважностью и амплитудой необходимо передать программному регулятору.

Определение стационарных и неустановившихся режимов работы АСАУЭПВЭО автомобилей предлагается проводить по величинам приращений входных параметров за фиксированные интервалы времени. Известно, что при резком изменении момента сопротивления, почти сразу возникает скачек тока в цепи якоря, однако частота вращения и полезная мощность изменяется с задержкой, определяемой инерцией подвижных частей двигателя. В связи с этим фиксированный интервал времени, за который будет определяться приращение момента сопротивления, должен быть меньше, чем для определения приращения частоты вращения и полезной мощности.

Для анализатора выбор закона управления из следующих условий:

,

где: - интервал времени определения полезной мощности;

      - интервал времени определения момента на валу ротора;

      - предельное приращение полезной мощности на заданном интервале          времени;

       - предельное приращение момента на валу ротора на заданном интервале времени.

Кроме выбора закона управления скважностью и амплитудой импульсов питания анализатор должен осуществлять контроль состояния двигателя на присутствие перерегулирования и заклинивания конечного объекта регулирования. При возникновении перерегулирования необходимо увеличивать скважность и амплитуду пропорционально интенсивности перерегулирования с уменьшением частоты вращения и уменьшать при ее увеличении. При возникновении заклинивания конечного объекта регулирования, кроме паркового положения (датчик конечного положения ), необходимо осуществлять реверсирование двигателя на минимальное смещение конечного объекта регулирования (датчик линейного перемещения ), для освобождения от заклинивания, и обратное реверсирование двигателя на прямое движение объекта регулирования. При трех неудачных попытках освобождения от заклинивания анализатор должен заблокировать двигатель и выдать сообщение об ошибке.

Реализация двунаправленной адаптации системы по напряжению питания должна осуществляться в автоматическом режиме, по данным полученным и записанным в память. Прямая адаптация осуществляется по преобразованию напряжения в бортовой сети Uбс автомобиля со значениями от 8 до 48 В, в напряжение питания двигателя, при изменении напряжения в бортовой сети в любую сторону. Обратная адаптация осуществляется по требованию анализатора, для установки параметра амплитуды импульсного сигнала управления.

Получение реальных данных о сопротивлении цепи якоря электродвигателя, индуктивности цепи электродвигателя, моменте инерции системы, позволяет существенно сократить выражение для частоты вращения, от выражения математической модели в статическом режиме работы обобщенного двигателя постоянного тока, до выражения (3.42), за счет упрощения. Информация о значении сопротивления цепи якоря электродвигателя и значении остальных параметров получается при помощи косвенных измерений предварительной инициализации электромеханической системы и сверяется со значениями задаваемыми с клавиатуры.

Используя записанные алгоритмы управления, можно разработать функциональную схему, а также приступить к проектированию аппаратных и программных средств адаптивной системы автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобилей.

3.3 Разработка функциональной схемы АСАУЭПВЭО автомобилей

Ввиду того, что для реализации сформулированного алгоритма работы АСАУЭПВЭО автомобилей возникла необходимость применения микропроцессора, то процесс разработки включает два этапа:

-    конструирование аппаратных средств;

-  создание программного обеспечения структуры однокристальной микро-ЭВМ, прикладного программного обеспечения и программных средств диагностики системы.

Функциональная схема используемых аппаратных средств разработана на основе сформулированных требований к системе (рисунок 3.2). В ней указаны все основные элементы аппаратных средств системы и способы их взаимодействия. Функциональная схема включает в себя 32 узла:

1. Однокристальная микро-ЭВМ (ОмЭВМ), содержащая 16-разрядный микропроцессор с (фиксированной системой команд) - предназначена для обработки информации и управления системой в целом.

2. Силовой блок питания (СБП) - предназначен для осуществления двунаправленной адаптации по напряжению питания и формирования напряжения питания двигателя постоянного тока.

3. Усилительный каскад (УК) - предназначен для усиления сигнала питания двигателя, состоящего из нескольких параметров управляющего воздействия.

4.   Датчик тока (ДТ) - предназначен для получения информации о силе тока в цепи якоря электродвигателя и представляет собой набор низкоомных резисторов, одновременно ограничивающих максимальное значение силы тока.

5. Блок реверсирования двигателя (БРД) - применяется для осуществления реверсирования двигателя путем бесконтактного переключения полюсов питания.

6. Двигатель постоянного тока (ДПТ) - применяется для привода конечного объекта регулирования в режиме управления с постоянной частотой вращения и максимальной полезной мощностью.

7.  Датчик полезной мощности (ДПМ) - применяется для получения информации о моменте на валу электродвигателя, полезной мощности и частоты вращения в режиме адаптивного регулирования.

8. Конечный объект регулирования (КОР) - представляет собой конкретное механическое устройство из вспомогательного оборудования автомобиля.

9.   Контроллер прямой адаптации (КПА) - применяется для получения информации о величине напряжения питания в бортовой сети автомобиля и управления процессами адаптации параметров питания бортовой сети к параметрам питания двигателя.

10.  Контроллер обратной адаптации (КОА) - используется для управления процессами адаптации параметров питания двигателя к параметрам питания бортовой сети автомобиля и контролирует величину амплитуды импульсного сигнала управления двигателем.

11.  Контроллер частоты импульсов (КЧИ) - используется для формирования различных частот импульсного сигнала управления двигателем.

12.  Контроллер скважности импульсов (КСИ) - используется для контроля работы внутреннего широтно-импульсного модулятора.

13.  Формирователь сигнала с датчика тока (ФСДТ) - используется для преобразования сигнала, поступающего с датчика тока в приемлемый, для дальнейшей обработки, вид.

14. Датчик сопротивления якоря (ДСЯ) - используется для получения информации о значении сопротивления якорной цепи электродвигателя.

15. Датчик частоты вращения (ДЧВ) — предназначен для получения информации о частоте вращения ротора электродвигателя.

16. Датчик линейного перемещения (ДЛП) - необходим для получения информации о величине линейного перемещения конечного объекта регулирования (в случае использования в системе стеклоподъема и системе привода люка крыши нежестких звеньев).

17. Блок питания электроники (БПЭ) - необходим для питания электронных схем адаптивной системы автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобилей.

18.  Контроллер амплитуды импульсов (КАИ) - необходим для управления контроллерами прямой и обратной адаптации по напряжению питания, для получения требуемой амплитуды импульсного сигнала управления электродвигателем.

19.   Формирователь сигнала сопротивления якоря (ФССЯ) - необходим для преобразования сигнала поступающего с датчика сопротивления цепи якоря электродвигателя в приемлемый, для дальнейшей обработки, вид.

20.  Формирователь сигнала частоты вращения (ФСЧВ) - необходим для преобразования импульсного сигнала, поступающего с датчика частоты вращения электродвигателя в приемлемый, для дальнейшей обработки, вид.

21.   Датчик конечного положения (ДКП) - предназначен для получения информации о приходе конечного объекта регулирования в конечное, или «парковое» положение.

22. Формирователь сигнала полезной мощности (ФСПМ) – предназначен для преобразования сигналов поступающих с датчика полезной мощности, таких как момент на валу электродвигателя, частота вращения электродвигателя и полезная мощность электродвигателя.

23.  Формирователь сигнала конечного положения (ФСКП) - предназначен для преобразования дискретного сигнала, поступающего с датчика конечного положения в приемлемый, для дальнейшей обработки, вид.

24.  Формирователь сигнала линейного перемещения (ФСЛП) - применяется для преобразования импульсного сигнала, поступающего с датчика частоты линейного перемещения конечного объекта регулирования в приемлемый, для дальнейшей обработки, вид.

25. Контроллер дисплея и клавиатуры (КДиК) - применяется для организации совместной работы переферийных устройств ввода и вывода информации с однокристальной микро-ЭВМ.

26. Дисплей необходим для визуального контроля информации при тестировании системы при вводе исходных данных и программ, отображения корректируемых данных прикладного программного обеспечения и констант, вводимых при инициализации электромеханической системы, а также для представления текущих значений полезной мощности, частоты вращения, момента сопротивления на валу электродвигателя при работе системы в режиме регулирования частоты вращения.

27. Клавиатура необходима для задания режима работы системы, ввода исходных данных, констант и программ, коррекции параметров, прикладного программного обеспечения и системного сброса.

28. Последовательный порт передачи данных (RS-232) - необходим для подключения адаптивной системы автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования к персональному компьютеру типа IВМ РС с асинхронной передачей данных (протокол RS-232).

29. Последовательный порт передачи данных (САN) - необходим для подключения нескольких устройств к однопроводной линии управления электронными устройствами автомобиля с асинхронной передачей данных (протокол САN).

30. Переключатель режима работы (ПРР) - используется для включения

электродвигателя в прямом и обратном направлении вращения.

31. Репрограммируемое постоянное запоминающее устройство (РПЗУ) - используется для хранения констант, используемых прикладным программным обеспечением однокристальной микро-ЭВМ.

32. Дешифратор адреса (ДА) - предназначен для организации сигнала выбора кристалла (С8).

Система функционирует в соответствии с заданной программой, хранящейся во «флэш-памяти» однокристальной микро-ЭВМ, начиная с адреса, задаваемого разработчиком микропроцессорной системы. При этом входными параметрами являются частота вращения электродвигателя, момент сопротивления на валу электродвигателя, полезная мощность, развиваемая электродвигателем, сила тока в цепи якоря электродвигателя. Ограничивающим факторам является высокие моменты сопротивления приводящие к заклиниванию конечного объекта регулирования и резкие изменения моментов сопротивления, приводящие к перерегулированию. Выходными параметрами системы являются параметры питания электродвигателя постоянного тока. Блок управления АСАУЭПВЭО автомобилей имеет дополнительные выходы шины данных, шины адреса, шины управления, шины выбора кристаллов и шины наращивания датчиков, аналоговых, импульсных и дискретных.

Проводя анализ функциональной схемы блока управления АСАУЭПВЭО автомобилей, можно сказать, что он по существу представляет

собой специализированный контроллер, основное назначение которого оптимальное регулирование работы ДПТ и их диагностика, как объектов регулирования.

3.4 Разработка принципиальной схемы АСАУЭПВЭО автомобилей

На основании разработанной функциональной схемы АСАУЭПВЭО автомобилей и с учетом алгоритма функционирования была разработана принципиальная схема. Поскольку схема является довольно сложной, то описание ее ведется по модулям.

Модуль обвязки однокристальной микро-ЭВМ М30625FGLGP (DD12) контроллера АСАУЭПВЭО автомобилей (рисунок 3.3) включает в себя генератор тактовых импульсов на основе кварцевого резонатора Z, генератор

Рисунок 3.3 – Модуль обвзяки однокристальной микро-ЭВМ контроллера АСАУЭПВЭО автомобилей

частоты импульсов управления 716,8 кГц, на интегральном таймере КР006ВИ1 (DD13).

Период следования синхросигналов процессора ОмЭВМ определяется частотой кварцевого резонатора. Резонансная частота кварца равна  180 МГц, соответственно рабочая частота центрального процессора в 9 раз ниже (20 МГц). При установке кварца обеспечено минимальное сопротивление внешней цепи генератора.  Со стороны кварца Z внутренний генератор ОмЭВМ представляет собой индуктивный элемент, приводящий к снижению рабочей частоты колебаний. Для компенсации данного эффекта параллельно с кварцем со стороны входов Хin и Хоut установлены конденсаторы С78 и С79 малой емкости, равной емкости кварца. Параллельно кварцу установлен резистор R138, для стабилизации частоты, с сопротивлением 10МОм.

Последовательно кварцу установлен резистор R137, для исключения высокочастотных помех от кварца, с сопротивлением 1 кОм.

Сигнал сброса однокристальной микро-ЭВМ формируется совместно с подачей питания на электронный блок контроллера АСАУЭПВЭО автомобилей. Длительность сигнала сброса Reset составляет 0,3 с.

К однокристальной микро-ЭВМ подводятся однонаправленные и двунаправленные шины. К входам Р00-Р07 подходит двунаправленная шина данных. По шине данных, данные поступают на ОмЭВМ с блока запомиющих устройств и контроллера клавиатуры, а передаются от ОмЭВМ на контроллер дисплея. К входам Р20-Р27 и РЗ0-Р37 подходит однонаправленная шина адреса, с входов Р20-Р27 и РЗ0-РЗЗ на постоянные запоминающие устройства, а с входов Р34-Р37 на дешифратор адреса, для формирования шины СS. К входам Р40-Р43 подходит шина управления прямой адаптацией системы по напряжению питания. К входам Р50-Р57 подходит шина управления обратной адаптацией системы по напряжению питания и формирования амплитуды сигнала управления. К входам Р60 и Р61 подходят выходы формирователей сигналов с датчиков конечных положений объекта регулирования. К выходам Р64 и Р65 подходят входы блока реверсирования двигателя. К выходу Р97 подходит линия управления формирователем сигнала с датчика сопротивления якоря двигателя. К входам Р85-Р87 подходят выходы блока переключения режимов работы двигателя.

Контроллер частоты импульсов сигнала управления построен на основе

интегрального таймера КР1006ВИ1 (DА13) и внутреннего таймера ТА3, однокристальной микро-ЭВМ, работающего в режиме счетчика делителя, на переменный коэффициент деления, режим - 6АН. К входу таймера ТА3in подходит выход генератора импульсов DА13. С выхода таймера ТА3out частотный сигнал поступает на внутренний широтно-импульсный модулятор однокристальной микро-ЭВМ, организованный на внутреннем таймере ТА4, работающего в режиме - 5СН. К частотному входу широтно-импульсного модулятора ТА4iп подходит выход контроллера частоты импульсного сигнала ТАЗout. С выхода широтно-импульсного модулятора ТА4оut широтно- импулъсный сигнал управления, с частотной коррекцией поступает на усилительный каскад системы.

Выход формирователя сигнала с датчика полезной мощности подходит к входу ТА0in внутреннего таймера ТА0 работающего в режиме прямого стоп-счетчика совместно с таймером ТВ0, на вход которого заводится частотный выход формирователя сигнала с датчика полезной мощности, управляющие слова - 5АН для ТАО и 5ВН для ТВО. Остановка счета таймера ТА0 происходит в момент появления разностно-фазного сигнала с входом таймера ТВ0, т.е. в случае когда на входе ТВ0in есть импульс, а на входе TA0in такового импульса нет. Причем счет таймера ТВ0 продолжается до программной остановки. С выхода таймера ТА0out сигнал поступает на вход внутреннего контроллера прерываний INТ2, по которому производится переход основной программы на подпрограмму обработки прерывания. После чего осуществляется опрос датчиков: частоты вращения вход ТВ2in ОмЭВМ, линейного перемещения ТВЗin ОмЭВМ, тока в цепи якоря вход AN0 ОмЭВМ, напряжения в бортовой сети автомобиля, контроллера прямой адаптации, вход AN1 ОмЭВМ.

Вход  внутреннего  контроллера прерываний INТ1 используется для осуществления запроса на прерывание от контроллера клавиатуры на прием данных, при нажатии какой-либо клавиши клавиатуры в период приема данных. В случае других режимов работы это прерывание маскируется.

Вход внутреннего  контроллера прерываний INТ0 используется для осуществления запроса на прерывание от переключателя режимов работы при изменении режима работы. Причем, запрос на прерывание осуществляется при нажатии и при отпуске клавиш переключения режима работы. Первым действием в программе обработки прерывания является опрос состояния входов Р85-Р87 ОмЭВМ для определения дальнейшего пути программы.

Модуль дешифратора адреса (рисунок 3.4) включает в себя дешифраторы DD16, DD17 и состоит из двух микросхем КР155ИД3 и схемы наращивания разрядов на инверторе DD49.1.

Рисунок 3.4 – Модуль дешифратора адреса

Входом модуля является шина адреса с выходов Р34-Р37 ОмЭВМ. Выходом модуля является шина СS (Chip select - выбор кристалла). Дешифраторы включены по схеме наращивания разрядов, поэтому на пять входных линий обеспечивают 32 выходных линии шины СS. Активный выходной уровенъ низкий на линии, соответствующей входному двоичному коду.

Дешифратор DD16 обеспечивает работу блока запоминающих устройств, состоящего из 16 конечных адресов. Дешифратор обеспечивает работу контроллера дисплея и контроллера клавиатуры.

Модуль репрограммируемых постоянных запоминающих устройств (рисунок 3.5) включает в себя постоянную память для хранения констант. В контроллере АСАУЭПВЭО автомобилей, в качестве РПЗУ использованы МС УФРПЗУ типа К573РФ2/РФ5, объемом 2Кбайта. На печатной плате запоминающих устройств расположены 16 панелей для установки МС ПЗУ DD18-DDЗЗ.

В МС памяти хранятся константы, рассчитанные для различных значений параметров обобщенного двигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов.

Модуль контроллера клавиатуры и клавиатура (рисунок 3.6) включает в себя шифраторы клавиш клавиатуры DD34-DD37, клавиши в виде переключателей S1-S24, схемы наращивания разрядов, схемы определения нажатой клавиши, схемы защиты от нажатия нескольких клавиш, генератора опроса частоты опроса клавиатуры, выходного регистра, схемы диагностики выхода из строя шифраторов.

В качестве шифраторов используются микросхемы типа КМ555ИВ1.

Схема наращивания разрядов построена на основе трех четырех-входных логических элементов И-НЕ DDЗ8.1, DD38.2 и DD39.1 и шифратора DD40. В качестве четырехвходовых логических элементов И-НЕ использованы МС К531ЛА16.

Рисунок 3.6 – Модуль контроллера клавиатуры и клавиатура

Схемой определения нажатой клавиши является соединение выхода GS шифратора DD40 с входом INТ1 ОмЭВМ.

Схемой защиты от нажатия нескольких клавиш является последовательное соединение выхода ЕО шифратора DD34, с входом ЕI шифратора DD35, выхода ЕО шифратора DD35, с входом ЕI шифратора DDЗ6, выхода ЕО шифратора DD36, с входом ЕI шифратора DD37. Данные соединения позволяют исключать ошибочные считывания нажатия нескольких клавиш клавиатуры, подключенных к различным шифраторам. Приоритетным шифратором является DD34, далее следуют DDЗ5, DDЗ6 и DD37. В случае нажатия нескольких клавиш подключенных к одному шифратору, системой воспринимается самая старшая клавиша по приоритету подключения к ходам шифратора.

Генератор частоты опроса клавиатуры построен на основе интегрального таймера КР1006ВИ1 (DА14), выход генератора подключается к входу тактовой частоты выходного буферного регистра DD41.

В качестве выходного регистра используется микросхема К555ИР23, имеющий три выходных состояния для подключения к шине данных.

Схема диагностики выхода из строя шифраторов включает в себя несколько двухвходовых элементов И DD42.1, DD42.2, DD42.3, DD43.1, DD43.2 и DD43.3, и восьмивходовой логический элемент ИЛИ DD44. К входам элементов И подключаются попарно выходы шифраторов GS, в случае появления сигнала о нажатии нескольких клавиш с выхода элемента ИЛИ производится запись логической единицы на седьмой вход выходного регистра. В этом случае ОмЭВМ не воспринимает эту информацию как нажатие клавиши и выдает информацию об ошибке.

Модуль контроллера дисплея (рисунок.3.7) включает в себя постоянное запоминающее устройство DD10, генератор тактовых импульсов, на основе интегрального таймера КР1006ВИ1 (DA12), счетчик состояний информационных входов дисплея DD11.1, дешифратор информационных входов дисплея DD14 и дешифратор знакомест дисплея DD13.

Постоянное запоминающее устройство предназначено для поразрядного хранения всех возможных состояний отображения информации с помощью 12-ти разрядного семисегментного дисплея. Шина данных подключается к первым восьми адресным линиям ПЗУ. Следующие три адресных линии подключаются к старшим выходам счетчика DD11.1. По шине данных передается в ПЗУ по первым четырем разрядам адрес знакоместа на дисплее, с которого будет отражаться символ, по следующим четырем разрядам передается код символа, отображаемого на дисплее в настоящий момент. По последним трем адресным линиям определяется, какой из сегментов составляющих отображаемый символ будет загораться в настоящий момент. Таким образом, в один момент времени дисплеем отображается только один сегмент, на одном из знакомест из слова отображаемого в настоящий момент. Частота изменения адресов ПЗУ по шине данных превышает 14400 Гц.

Частота выходного сигнала генератора составляет 230400 Гц, что позволяет обновлять состояние экрана с частотой 75 Гц. Это приводит к тому, что пользователь не замечает пульсаций в загорании сегментов дисплея. Генератор построен на основе интегрального таймера КР1006ВИ1. Счетчик DD11.1, построен на основе МС КР564ИЕ10.

Дешифратор информационных входов дисплея DD14 получает двоичный код того сегмента, который должен загораться в настоящий момент, и преобразует его в идентификационный код сегмента. Активный выходной уровень низкий. В качестве дешифратора используется МС К155ИД4.

Дешифратор знакомест дисплея DD13 получает двоичный код того знакоместа дисплея, на котором должен загораться в настоящий момент отображаемый символ, и преобразует его в идентификационный код знакоместа. Активный выходной уровень низкий. В качестве дешифратора используется МС К155ИДЗ.

Модуль дисплея и схемы управления отображением информации (рисунок 3.8) выполнен по схеме динамической индикации и содержит 12 семисегментных индикаторов НG1-НG12 вакуумных люминесцентных индикаторов и 20 ключей на транзисторах VТ41-VТ60.

Все индикаторы объединены в один ламповый триод. Ключи на транзисторах VТ42, VТ44, VТ46, VТ48, VТ50, VТ52, VТ54 и VТ56 обеспечивают включение определенного сегмента в индикаторах. Ключи на транзисторах VT41, VТ43, VТ45, VТ47, VТ49, VТ51, VТ53, VТ55, VТ57, VТ58, VТ59 и VТ60, обеспечивают включение определенного знакоместа в дисплее.

Модуль переключателя режимов (рисунок 3.9) включает в себя три переключателя режима работы системы, три схемы выделения переднего фронта импульса, три схемы выделения заднего фронта импульса и схему объединения сигналов для запроса на прерывание работы однокристальной микро-ЭВМ.

Переключатели режима работы S33-S35 системы включают в себя следующие режимы работы: прямое включение двигателя, торможение двигателя противовключением по прямому включению двигателя, обратное включение двигателя, торможение двигателя противовключением по обратному включению двигателя, программирование условий работы: ввод временных констант и ввод изменений в основную программу.

Запрос на прерывание по режиму прямое включение двигателя осуществляется по выделению переднего фронта импульса от нажатия переключателя S33, схемой выделения переднего фронта импульса, построенной на основе инвертора DD45.1, резистора R128 и конденсатора С71.

Запрос на прерывание по режиму, торможение двигателя противовключением по прямому включению двигателя осуществляется по выделению заднего фронта импульса при отжатии переключателя S33, схемой выделения заднего фронта импульса, построенной на основе инверторов DD45.2 и DD45.3, резистора R129 и конденсатора С72.

      

Рисунок 3.9 – Модуль переключателя режимов работы двигателя

Ошибочные включения режимов, обуславливаемые дребезгом контактов на переключателе S33 исключаются схемой защиты на конденсаторе С68. Информационная линия для переключателя S33 соединяется с входом Р85 ОмЭВМ.

Запрос на прерывание по режиму обратное включение двигателя осуществляется по выделению переднего фронта импульса от нажатия переключателя S34, схемой выделения переднего фронта импульса, построенной на основе инвертора DD45.4, резистора R130 и конденсатора С73.

Запрос на прерывание по режиму, торможение двигателя противовключением по обратному включению двигателя осуществляется по выделению заднего фронта импульса при отжатии переключателя S34 схемой выделения заднего фронта импульса, построенной на основе инверторов DD45.5 и DD45.6, резистора R131 и конденсатора С74.

Ошибочные включения режимов обуславливаемые дребезгом контактов на переключателе S34 исключается схемой защиты на конденсаторе С69. Информационная линия для переключателя S34 соединяется со входом P86 ОмЭВМ.

Запрос на прерывание по режиму программирование условий работы (ввод временных констант) осуществляется по выделению переднего фронта импульса от нажатия переключателя S35, схемой выделения переднего фронта импульса, построенной на основе инвертора DD46.1, резистора R132 и конденсатора С75.

Запрос на прерывание по режиму, программирование условий работы (ввод изменений в основную программу) осуществляется по выделению заднего фронта импульса при отжатии переключателя S35 схемой выделения заднего фронта импульса, построенной на основе инверторов DD46.2 и DD46.3, резистора R133 и конденсатора С76.

Ошибочные включения режимов обуславливаемые дребезгом контактов на переключателе S35 исключается схемой защиты на конденсаторе С70. Информационная линия для переключателя S35 соединяется со входом P87 ОмЭВМ.

Возврат из режима программирования условий работы осуществляется при повторном нажатии на клавишу S35.

Выходы от схем выделения фронтов импульсов от нажатия на клавиши S33-S35   объединяются   на   восьмивходовом   логическом   элементе   ИЛИ DD47. Приведение логического уровня запросов на прерывание ОмЭВМ осуществляется с помощью инвертора DD46.4. Сигнал запроса на прерывание поступает на вход INТ0 ОмЭВМ.

На восьмивходовой логический элемент ИЛИ DD47 подходят также выходы с формирователей сигналов конечных положений конечного объекта регулирования.

После получения запроса на прерывание INТ0 ОмЭВМ производит считывание сигналов с выходов Р85-Р87 и Р64-Р65, в зависимости от изменения сигналов на этих входах система переходит на соответствующий режим работы.

Модуль управления контроллеров прямой и обратной адаптации по напряжению питания (рисунок 3.10) включает в себя дешифратор линии выбора напряжения питания с оптической развязкой на восемь линий, оптическую развязку со схемой управления динамической стабилизацией прямого адаптированного напряжения, оптическую развязку со схемой управления конечной стабилизацией обратного адаптированного напряжения.

Дешифратор линии выбора напряжения питания DD15 представляет собой МС К155ИД4. К его входам подключается три старших разряда шины управления прямой адаптацией по напряжению питания. С его выходов, активный уровень низкий, при использовании оптической развязки на оптопарах НG40-НG47, происходит подключение одной из восьми линий управления силовыми транзисторами VТЗ-VТ9 в силовом блоке питания.

Оптическая развязка со схемой управления динамической стабилизацией прямого адаптированного напряжения построена на

Рисунок 3.10 – Модуль управления контроллера прямой и обратной адаптации по напряжению питания

оптопарах НG28-HG31. Оптопары осуществляют подключение резисторов R202-R205, к динамическому стабилизатору фильтру в силовом блоке питания, в зависимости от значения цифрового кода на линиях шины управления прямой адаптацией по напряжению питания.

Оптическая развязка со схемой управления конечной стабилизацией обратного адаптированного напряжения построена на оптопарах НG32-НG39. Оптопары осуществляют подключение резисторов R206-R213 к конечному стабилизатору в силовом блоке питания, в зависимости от значения цифрового кода на линиях шины управления обратной адаптацией по напряжению питания, для формирования амплитуды импульсов управления, в широтно-импульсном амплитудно-модулированном сигнале управления двигателем.

Модуль усилительного каскада и датчика тока с формирователем сигнала (рисунок 3.11) включает в себя управляемый коммутатор напряжения от силового блока питания через датчик тока.

Датчик тока представляет собой набор параллельно соединенных резисторов R115-R118 с сопротивлением 1,5Ом каждый, для обеспечения прямого сопротивления датчика тока 0,375Ом. Измерение тока в цепи якоря осуществляется при помощи косвенного измерения падения напряжения на датчике тока.

Формирователь сигнала с датчика тока в цепи якоря электродвигателя включает в себя делитель напряжения построенный на резисторах R119 и R120, усилитель напряжения на операционном усилителе DА11.1 МС К1401УД2. С выхода операционного усилителя напряжение заводится на код АN0 внутреннего аналого-цифрового преобразователя ОмЭВМ.

Управляемый коммутатор напряжения построен на транзисторах VТ39- VТ40. Сигнал управления поступает на оптическую развязку НG27 от выхода ТА4out внутреннего широтно-импульсного модулятора ОмЭВМ. С выхода усилительного каскада широтно-импульсный амплитудно-модулированный сигнал управления поступает на блок реверсирования двигателя.

Модуль блока реверсирования двигателя (рисунок 3.12) включает в себя четыре управляемых коммутатора напряжения с двумя схемами рекуперации энергии.

Коммутаторы напряжения прямого включения двигателя построены на транзисторах VТ31 и VТ32 для подключения положительного потенциала, и на транзисторах VТ33 и VТ34 для подключения отрицательного потенциала. Данные коммутаторы включаются одновременно, с управлением от ОмЭВМ с выхода Р61, через оптопары НG25 и НG26. Схемой рекуперации служит диод VD35, включенный обратно подаче напряжения питания.

Коммутаторы напряжения обратного включения двигателя построены на транзисторах VТ35 и VТ36 для подключения положительного потенциала, и на транзисторах VТ37 и VТ38 для подключения отрицательного потенциала. Данные коммутаторы включаются одновременно с управлением от ОмЭВМ с выхода Р61 через оптопары НG23 и НG24. Схемой рекуперации служит диод VD34, включенный обратно подаче напряжения питания.

Модуль формирователя сигнала напряжения бортовой сети, контроллера прямой адаптации, датчиков и формирователей сигналов конечных положений объекта регулирования, датчика и формирователя сигнала сопротивления якоря электродвигателя (рисунок 3.13) включает в себя несколько датчиков и несколько формирователей сигналов.

Формирователь сигнала напряжения бортовой сети, контроллера прямой адаптации по напряжению питания, состоит из делителя напряжения, построенный на резисторах R30 и R31, а также на основе усилителя DА6.1, построенного на операционном усилителе К1401УД2. С вывода операционного усилителя напряжение поступает на внутренний аналого-цифровой преобразователь ОмЭВМ вход AN1.

Датчики конечных положений конечного объекта регулирования представляют собой концевые выключатели (переключатели S36 и S37). Формирователи датчиков конечных положений представляют собой схемы выделения передних фронтов импульсов, построенные на инверторах DD48.1

      

Рисунок 3.13 – Модуль формирователя сигнала напряжения бортовой сети контроллера прямой адаптации, датчиков и формирователей сигналов конечных положений объекта регулирования, датчиков и формирователя сигнала сопротивления якоря электродвигателя

и DD48.2, сопротивлениях R225 и R226, конденсаторах С88 и С89.

Чтобы исключить ложное восприятие срабатывания датчика из-за дребезга контактов, используются конденсаторы С86 и С87.

С выходов инверторов сигналы выводятся на свободные входы логического элемента ИЛИ DD47 блока переключения режимов работы для обеспечения запроса на прерывание работы ОмЭВМ INТ0, при котором осуществляется опрос состояния входов ОмЭВМ Р85-Р87 и Р64-Р65. С выходов датчиков конечных положений выходной сигнал заводится на входы Р64-Р65 ОмЭВМ. При срабатывании датчика конечного положения объекта регулирования в прямом направлении включается режим работы системы: торможение двигателя противовключением сигнала управления до полной остановки двигателя. При срабатывании датчика конечного положения объекта регулирования в обратном направлении включается режим работы системы: торможение двигателя противовключением сигнала управления до полной остановки двигателя.

Датчик сопротивления якоря электродвигателя представляет собой набор параллельно включенных сопротивлений R35-R38, на которых замеряется падение напряжения, тем самым получается информация о силе тока в цепи якоря при подаче известного стабилизированного напряжения питания 5В. В результате чего вычисление сопротивления цепи якоря электродвигателя сводится к простым арифметическим действиям, которые осуществляет центральный процессор ОмЭВМ. Формирователь содержит делитель напряжения на резисторах R40 и R41, а также на основе усилителя DА5.1, построенного на операционном усилителе К1401УД2 и схему подключения двигателя к измерительному каскаду на транзисторах VТ29 и VТЗ0, управление осуществляется с выхода Р97 ОмЭВМ через оптопары HG48 и HG49.

Модуль формирователей сигналов с датчиков линейного перемещения и частоты вращения ротора электродвигателя (рисунок 3.14) включает в себя

схемы ограничения амплитуды импульсов, схемы предварительного усиления и схемы выявления точки перехода сигнала через нуль. Формирователь сигнала с датчика частоты вращения подключается к датчику частоты вращения магнитоэлектрического типа ДЧВ-10000МЗ-4 или ДЧВ-15000МЗ-4. В качестве резистора R14 используется группа уравнительных сопротивлений, имеющих различные температурные коэффициенты сопротивления для обеспечения постоянного значения нагрузки на датчик. Схема ограничения амплитуды состоит из двух взаимообратно включенных диодов VD1 и VD2, которые обеспечивают диапозон изменения выходного сигнала ±0,6В. Схема усилителя построена на основе операционного усилителя DА3.1 серии К1401УД2. Схема выявления точки перехода через нуль построена на основе применения интегрирующей цепи К18, С5 и логическом элементе ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ DD5.1, где осуществляется выделение разностного сигнала между исходным сигналом с усилителя и сигналом с задержкой на интегрирующей цепи.

Формирователь сигнала с датчика линейного перемещения подключается к датчику линейного перемещения магнитоэлектрического МСSD45N фирмы Matsushita Electronic Ltd. В качестве резистора R19 используется группа уравнительных сопротивлений, имеющих различные температурные коэффициенты сопротивления для обеспечения постоянного значения нагрузки на датчик. Схема ограничения амплитуды состоит из двух взаимообратно включенных диодов VD1 и VD2, которые обеспечивают диапазон изменения выходного сигнала ±0,6В. Схема усилителя построена на основе операционного усилителя DА4.1 серии К1401УД2. Схема выявления точки перехода через нуль построена на основе применения интегрирующей цепи R.23, С6 и логическом элементе ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ DD6.1, где осуществляется выделение разностного сигнала между исходным сигналом с усилителя и сигналом с задержкой на интегрирующей цепи.

Модуль формирователя сигнала с датчика полезной мощности (рисунок 3.15) включает в себя схемы выделения сигналов последовательности импульсов с двух каналов датчика полезной мощности SР12FL5 фирмы Matsushita Electronic Ltd, схемы выделения задних фронтов импульсов, схему объединения сигналов, генератор тактовых импульсов и схему разделения информационных каналов.

Особенности работы формирователя сигнала с датчика полезной мощности поясняется осциллограммами представленными на рисунке 3.16.

С двух каналов оптического датчика выводятся сигналы о прохождении световым потоком сигнальных прорезей в информационных дисках, находящихся между торсионным валом, который закручивается при появлении момента сопротивления на валу электродвигателя. Схема выделения сигналов последовательности импульсов построена на основе двух усилительных каскадов DD1.1 и DD1.3 и двух повторителей напряжения DD1.2 и DD1,4 выполненных на основе операционных усилителей серии К1401УД2. Схемы выделения задних фронтов импульсов построены на основе логических элементов И-НЕ МС К155ЛАЗ, конденсаторов С1 и С2 и резисторов R9 и R10. Схема объединения сигналов построена на основе логического элемента ИЛИ DD2.1, МС К155ЛЛ1. Схема разделения информационных каналов построена на основе счетчиков К564ИЕ10, DDЗ, где по каналу 0 идет информация о моменте на валу ротора электродвигателя, а по каналу 1 идет информация о частоте  вращения ротора электродвигателя. Информация представляется в виде последовательности импульсов с различной длительностью. После разделения информационных каналов на выходной сигнал накладываются импульсы с частотой 1,5МГц от генератора, построенного на основе интегрального таймера К1006ВИ1, DА2. Наложение происходит на четырех полных функциональных логических элементах И-НЕ МС К155ЛАЗ, причем элементы DD4.1 и DD4.3 используются для наложения, а элементы DD4.2 и DD4.4 используются как инверторы.

Рисунок 3.15 – Модуль формирователя сигнала с датчика полезной мощности

Рисунок 3.16 – Осциллограммы, поясняющие работу формирователя сигнала с датчика полезной мощности

Модуль силового блока питания (рисунок 3.17) включает в себя входной динамический стабилизатор, фильтр, блок высокочастотного преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение с различным передаточным соотношением в блоке прямой адаптации по напряжению и динамического стабилизатора фильтра выходного напряжения, блок обратной адаптации на основе стабилизатора напряжения.

Входной динамический стабилизатор фильтр построен на основе транзистора VT1, конденсаторов С7, С8 и С9, стабилитрона VD7, резистора R45 и плавкого предохранителя FU1 на 50А. Динамический стабилизатор ограничивает входное напряжение на уровне 50В, и недопускает импульсы перенапряжения свыше этого значения. Конденсатор С8 предотвращает скачкообразное изменение напряжения питания. Сброс напряжения осуществляется транзистором VТ1, после пробоя стабилитрона VD7. Емкости конденсаторов С7 и С9 служат фильтрами.

Блок высокочастотного преобразователя постоянного напряжения в поcтоянное напряжение построен на основе высокочастотного преобразователя напряжения КР1156ЕУ5. Обратная связь по нагрузке построена на основе МС КР142ЕН19А с оптическим каналом на оптопаре АОТ170. Резистор R47 является токоограничивающим. Резистор R50, совместно с конденсатором С13 представляют собой демпфирующую цепь, для подавления выбросов напряжения на коллекторе силового транзистора VТ2. Диод VD8 и конденсатор С10 являются амплитудным детектором, который подключается при необходимости повышения выходного напряжения при подключении дополнительной нагрузки. Управлением по напряжению на нагрузке осуществляется МС КР142ЕН19А при измерении напряжения на резистивном деятеле, построенном на резисторах R53, R54   R55, резистор R52 является ограничителем тока через диод оптопары НG21. Амплитудные детекторы VD9 - С22, VD10 - С21, VD11- С20, VD12 - С19, VD13 - С18, VD14 - С17, VD15 - С16, VD16 - С15 предназначены для выработки постоянного напряжения различного значения, от 16В до 65В.

Выбор номинала выходного напряжения зависит от блока прямой адаптации по напряжению питания, который, проводя анализ значения напряжения в бортовой сети автомобиля осуществляет выбор линии выходных амплитудных детекторов при помощи ключей построенных на транзисторах VTЗ-VТ9.

После выбора линии подключения осуществляется динамическая стабилизация напряжения питания в линии на стабилизаторе, построенном на основе транзистора VТ11, конденсаторов С23, С24 и С26, стабилитрона VD17, резистора R64 и подстроечных резисторах, подключаемых последовательно резистору R64, в зависимости от значения четырехразрядного двоичного слова управляющего кода напряжения прямой адаптации. Конденсатор С24 предотвращает скачкообразное изменение напряжения питания. Сброс напряжения осуществляется транзистором VТ11 после пробоя стабилитрона VD17. Емкости конденсаторов С23 и С26 служат фильтрами.

Блок обратной адаптации построен на основе двухкаскадного стабилизатора напряжения параллельного типа с переменным напряжением стабилизации в зависимости от требуемого алгоритмом управления величиной амплитуды импульсов сигнала управления двигателем. Переменное напряжение стабилизации обеспечивается последовательным подключением резисторов к резистивному делителю, построенному на резисторах R65 и R66, значения которых отличаются друг от друга в  в зависимости от значения восьмиразрядного двоичного слова управляющего кода обратной адаптации по напряжению питания. Емкости конденсаторов С25 и С27 служат фильтрами. Стабилитрон VD17 подключается к стабилизированному напряжению, что позволяет расширять диапазоны выходных токов стабилизатора. Каскады усиления построены на транзисторах VT12 и VТ13.

Модуль блока питания электроники контроллера (рис.3.18) включает в себя входной динамический стабилизатор фильтр, блок высокочастотного

 

преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение. Данные блоки аналогичны описанным выше, с одним отличием, выходными номиналами напряжения для нагрузки являются +5В, +12В, 0 (земля), -5В, -12В, -27В.

Модуль блока динамической стабилизации блока питания электроники контроллера (рисунок 3.19) включает в себя пять динамических стабилизатора фильтра и четыре выходных стабилизатора напряжения.

Модуль оптической развязки и контроллер приема передачи интерфейсов RS-232 и САN (рисунок 3.20) включает в себя две оптических развязки и контроллер приема-передачи интерфейса САN.

Оптическая развязка для последовательного порта с протоколом RS-232 предназначена для защиты контроллера при подключении его к персональному компьютеру. Развязка построена на оптопарах НG13 и НG14 для передающего канала и оптопарах НG15 и НG16 для принимающего канала.

Контроллер приема-передачи интерфейса САN построен на оптопарах HG17 и НG 18 для старшего (прямого) канала приема-передачи информации НСАN и НG17 и НG18 для младшего (обратного) канала приема-передачи информации LСАN. Разделение на младший и старший каналы передачи информации позволяет передавать информацию на расстояния до 5000 м, при скорости передачи информации 10МБод. При сокращении расстояния это позволяет повысить скорость передачи до 100МБод. Контроллер может управляться по линии с САN протоколом, что позволит сократить затраты на жгуты проводов.

Таким образом, аппаратная часть АСАУЭПВЭО автомобилей, вьполненная на основе микропроцессорного комплекта М16С62, представляет собой законченную микросистему специального назначения с магистрально-модульной архитектурой открытого типа. Нагрузочная способность внутри-системной магистрали контроллера АСАУЭПВЭО

Рисунок 3.20 – Модуль оптической развязки и контроллер приема передачи интерфейсов RS-232 и CAN

автомобилей позволяет производить многоплатные расширения с целью увеличения его функциональных возможностей.

3.5 Разработка программного обеспечения контроллера адаптивной системы автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобилей

В контроллере АСАУЭПВЭО автомобилей аппаратные средства и программное  обеспечение  должны  существовать  в  форме  неделимого  программно-аппаратного комплекса. При проектировании системы задача оптимального распределения функций между аппаратными средствами и программным обеспечением решалась с помощью методологического приема, при котором весь цикл разработки рассматривался как последовательность трех фаз проектирования:

-    анализ задачи и разработка аппаратных средств системы;

-    разработка прикладного резидентного программного обеспечения;

- стыковка аппаратных средств с программным обеспечением АСАУЭПВЭО автомобилей и отладка контроллера.

Разработка прикладного программного обеспечения АСАУЭПВЭО автомобилей проводилась с использованием метода декомпозиции, при котором вся задача последовательно разделялась на меньшие функциональные секции, каждую из которых можно анализировать и отлаживать отдельно от других. При выполнении программы управление должно передаваться от одной функциональной секции к другой. Схема связи этих функциональных секций, каждая из которых реализует завершенную программную процедуру образует структурную схему программного обеспечения АСАУЭПВЭО автомобилей (рисунок 3.21).

Основа программного обеспечения ОмЭВМ это программа инициализации структуры SFR, далее следует программа инициализации

Рисунок 3.21 – Блок-схема программного обеспечения контроллера адаптивной системы автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобилей с ускорением вывода ДПТ в зону оптимального режима

структуры микроцессорной системы Init.Systет и прикладное программное обеспечение работы системы.

Разработка функциональных секций прикладной программы имеет итеративный характер, т.е. требует многократных проб, прежде чем алгоритм ее реализации примет завершенный вид. Работа по созданию функциональных секций прикладной программы АСАУЭПВЭО автомобилей проводилась в следующей последовательности:

-   определялось целевое назначение фрагмента прикладной программы;

-    определялись способы получения секцией прикладной программы входных данных (от датчиков через порты ввода, с клавиатуры, из памяти, из рабочих регистров процессора) и необходимость их предварительной обработки (маскирование, сдвиг и т.д.);

-    определялся способ преобразования входных данных в требуемые выходные (создание «тела» программы);

-    определялись способы выдачи из секции прикладной программы результата (в память, в порты вывода, в вызываемую подпрограмму) и необходимость их последующей обработки (изменение формата, масштабирование, маскирование);

-    проводился анализ результатов и корректировка полученного программного продукта;

-    проверялась работоспособность секции прикладной программы и определялись граничные условия, в пределах которых секция дает удовлетворительные результаты.

В целях облегчения программирования для каждой секции прикладной граммы составлялась блок-схема, на основе которой создавалась исходная программа секции. Исходные программы, написанные с использованием символических адресов и ссылок транслировались с помощью ассемблера «MIntel16C62» на ПЭВМ. В процессе трансляции ассемблер выдает листинг, на котором представлены исходная и объектная версии программы. С помощью абсолютной адресации в ассемблере задавались адреса местонахождения транслируемых программ. Оттранслированные и проверенные программы компоновались в два пакета программ: «ТЕСТ-МОНИТОР» и «ПАКЕТ ПРОГРАММ РЕГУЛИРОВАНИЯ СИГНАЛА УПРАВЛЕНИЯ ДПТ».

Пакет программ «ТЕСТ-МОНИТОР» контроллера АСАУЭПВЭО автомобилей представляет собой операционную систему, позволяющую пользователю контролировать ход отладки и выполнения программ, а именно контролировать центральный процессор, память, дисплей, порты ввода и вывода. Пакет делится на: функциональные программы, тестирующие программы, набор стандартных подпрограмм.

К функциональным программам «ТЕСТ-МОНИТОРа» относятся программы:

-   инициализации кристаллов контроллера АСАУЭПВЭО автомобилей;

-    программа-диспетчер CONTROLLER;

-    запуска с заданного адреса;

-  просмотра содержимого ячеек памяти с выполнением инкремента/декремента адреса;

-    записи байта D8 в ячейку памяти;

-    подсчета контрольной суммы области памяти;

-    пересылки программ из одной области памяти в другую.

В разработанный вариант монитора входят следующие тестирующие программы:

-    проверка дисплея;

-    тест АЦП;

-    тест ШИАМ (автоматический и с вводом байта с клавиатуры);

-    тест ОЗУ с индикацией адреса ячейки, давшей ошибку.

Стандартные подпрограммы монитора включают подпрограммы:

-    обслуживания дисплея;

-    стирания дисплея;

-    ввода кода;

-    задержки;

-    выдача кода ошибки;

-    ввода адреса с клавиатуры;

-    ввода двухадресного параметра с клавиатуры.

Пакет «ТЕСТ-МОНИТОР» обеспечивает выполнение задач, связанных с инициализацией контроллера АСАУЭПВЭО автомобилей, программного тестирования его периферийных устройств, загрузкой и выполнением программ пользователя. Кроме того, «ТЕСТ-МОНИТОР» выявляет ошибочные ситуации в действиях пользователя и системы с последующей индикацией ошибки, и осуществляет начальный запуск специализированных программ.

Ядром ПО блока управления АСАУЭПВЭО автомобилей является «Пакет программ регулирования сигнала управления ДПТ». Блок-схема пакета представлена на рисунок 3.22.

Пакет представляет собой комплекс управляющих программ, основным назначением которых является оптимальное регулирование работы ДПТ по максимуму полезной мощности. В состав пакета входят следующие программы.

Программа регулирования скважности амплитуды и частоты импульсов сигнала управления при пуске двигателя (START), обеспечивающая режим комбинированного пуска, с ускорением выхода двигателя на режим поиска.

Программа «Исходная точка» (АNВЕG) осуществляющая регулирование параметров сигнала управления в ручном (предустановка значений скважности амплитуды и частоты сигнала управления) или автоматическом режиме (по умолчанию). Программа работает в цикле до тех пор, пока это необходимо при проведении экспериментальных исследований. При выборе режима регулирования (программно-грубое или оптимальное)

Рисунок 3.22 – Алгоритм программы регулирования параметров сигнала управления ДПТ

Рисунок 3.22 - продолжение

программа АNВЕG передает управление на соответствующую программу регулирования параметров питания двигателя.

Программа  грубого  регулирования  параметров   сигнала  управления (HARD) осуществляет управление скважностью амплитудой и частотой по полезной мощности и моменту на валу электродвигателя. Программа построена на основе матрицы значений (16*16) полезная мощность - момент на валу двигателя с линейной интерполяцией внутри интервалов.

Программа выхода на оптимум (JUМР) обеспечивает ускоренный вывод системы в зону оптимального режима регулирования параметров сигнала управления (начальное форсирование скорости изменения скважности и амплитуды импульсов питания).

Программа RING осуществляет подготовку данных для программы оптимального регулирования АDАР, определяет величину шага поиска системы и производит зацикливание поиска на время равное шагу поиска.

Программа оптимального регулирования параметров сигнала управления DАР) обеспечивает поиск оптимальных значений скважности, амплитуды и частоты сигнала управления на данном режиме работы двигателя в соответствии с алгоритмом функционирования адаптивной системы автоматического управления с запоминанием оптимума. Кроме этого, программа осуществляет контроль предельных приращений входных параметров с целью прогнозирования переходных режимов двигателя и своевременной передачи управления программе грубого регулирования параметров управления.

Программы приоритетного действия REF) предназначены для обслуживания периферийных устройств ввода информации (формирователя сигнала тока в цепи якоря, формирователя сигнала линейного перемещения, формирователя сигнала сопротивления якоря и т.д.) и задания режима работы контроллера АСАУЭПВЭО автомобилей. При поступлении запроса на обслуживание прерывания прекращается выполнение текущей программы, а управление передается на соответствующую поступившему запросу программу приоритетного действия.

Кроме перечисленных программ в пакет входит множество подпрограмм, которые либо являются общими и вызываются перечисленными программами, либо работают в составе конкретной программы (другие не имеют к ним доступа).

Таким образом, строго специализированный набор программно-апапратных средств микропроцессорного блока управления АСАУЭПВЭО автомобилей обладает функциональной завершенностью и обеспечивает применение его в качестве информационного ядра системы управления ДПТ.

3.6 Особенности функционирования АСАУЭПВЭО автомобилей в режиме регулирования параметрами сигнала управления ДПТ

Адаптивное регулирование частоты вращения в системе основано на получении информации об изменении выходного воздействия (полезной мощности). Причем системе необходима информация о величине и знаке приращения выходного воздействия.

Измерение   полезной  мощности  ДПТ  производится  в  контроллере АСАУЭПВЭО автомобилей путем измерения разности фаз во вращении информационных дисков, датчика полезной мощности, методом дискретного счета. Запускающим и синхронизирующим импульсом в системе является импульс разности фаз между таймером ТА0 и ТВ0. На вход ТА0 приходят импульсы характеризующие полезную мощность и момент на валу двигателя, а на вход ТВ0 приходят синфазные импульсы характеризующие частоту вращения ротора электродвигателя. С приходом импульса на таймер ТВ0 в случае отсутствия импульса на входе ТА0 с выхода таймера ТА0 импульс окончания счета поступает на внутренний программируемый контроллер прерываний, сигнал INТ2, и выдает на центральный процессор ОмЭВМ сигнал прерывания и начальный адрес программы обслуживания 000ААFН. Процессор ОмЭВМ на время останавливает выполнение текущей программы и переходит на программу обслуживания INT2. При этом производится:

- считывание информации из таймера TA0 (программный измеритель мощности);

-  считывание информации из таймера ТВ2 (программный частотомер). Количество импульсов таймера пропорционально частоте вращения;

-   считывание значения тока в цепи якоря электродвигателя, канал АN0 аналого-цифрового преобразователя ОмЭВМ;

-  считывание значения напряжения в бортовой сети автомобиля, канал АN1 аналого-цифрового преобразователя ОмЭВМ;

- считывание информации о положении конечного объекта регулирования из таймера ТВ3 (программный измеритель линейного перемещения объекта регулирования).

После считывания информации с таймеров, значения в них обнуляются и они начинают работать автономно.

Если система движется к оптимуму, то текущее значение частоты вращения и полезной мощности заменяют предыдущие в ОЗУ. Если система движется от оптимума, то этого не происходит. Предыдущее значение частоты полезной мощности в этом случае используются как индикаторные оптимальные.

Далее проводится вычисление величины чувствительности, шага, предельного приращения частоты, мощности и момента, предельного значения приращения скважности сигнала управления, амплитуды импульсов сигнала управления и частоты импульсов, а также знака приращения этих параметров сигнала управления. После выполнения всех операций проводится загрузка значений параметров сигнала питания по амплитуде в систему обратной адаптации, по частоте импульсов в таймер ТА3 в виде коэффициента делителя таймера, по скважности импульсов на внутренний широтно-импульсный модулятор ОмЭВМ построенный на таймере ТА4. Одновременно происходит выдача текущего значения частоты вращения и полезной мощности на дисплее контроллера АСАУЭПВЭО автомобилей. После этого следует команда остановки центрального процессора ОмЭВМ и он переходит в режим ожидания. Вывести процессор из этого режима может контроллер прерываний.

Если при работе двигателя на любом из режимов было обнаружено превышение допустимого момента на валу двигателя или изменение режима работы системы, то на входе программируемого контроллера прерываний появляется импульс запроса прерывания (старший приоритет от дна приоритетного кольца). В соответствии с этим контроллер прерываний дает запрос центральному процессору на обслуживание прерывания. Процессор прекращает выполнение текущей программы и переходит на программу обслуживания прерывания. После выполнения программы обслуживания запроса прерывания процессор возвращается на прерванную программу.

При поступлении запроса прерывания (управление режимом работы АСАУЭПВЭО автомобилей) процессору дается команда на обслуживание прерывания, в результате выполнения которой контроллер АСАУЭПВЭО выбирает режим грубого или точного регулирования.

Если в режиме адаптивного регулирования частоты вращения двигателя по максимуму полезной мощности приращение входных параметров превысило значение предельных приращений этих параметров, то АСАУЭПВЭО переходит с программы адаптивного на программу грубого регулирования.

Программа грубого регулирования будет осуществлять управление параметрами питания двигателя до тех пор, пока приращение входного параметра не войдет в границы заданного предельного приращения. Таким образом, достигается оптимальное сочетание законов регулирования параметров сигнала управления, а именно: грубое регулирование скважности, амплитуды и частоты импульсов питания при неустановившихся режимах работы двигателя и адаптивное регулирования этих параметров при квазистационарных и стационарных режимах работы.

3.7 Выводы по главе

1. Сформулирован алгоритм функционирования АСАУЭПВЭО автомобилей с ускорением поиска оптимального режима, основные положения которого сводятся к следующему:

- система работает по принципу грубо-точного (программно адаптивного регулирования;

- грубая установка параметров сигнала управления производится автоматом программного управления питанием двигателя;

- точное регулирование осуществляется с помощью автомата оптимизации с запоминанием оптимума;

-   в основу системы положен цифровой способ обработки информации с помощью микропроцессорного контроллера с аналоговыми и дискретными преобразователями на входе;

- вспомогательным входом системы является момент на валу двигателя;

- система имеет ограничительную обратную связь по максимальному моменту на валу двигателя;

- система имеет постоянную чувствительность  и постоянную скорость изменения скважности амплитуды и частоты импульсов питания,

2.  Выбрана элементная база контроллера АСАУЭПВЭО автомобилей. Аппаратные средства системы реализуются на базе микропроцессорного комплекта М16С62.

3. На основе алгоритма функционирования и сформулированных требований к системе разработана функциональная схема аппаратных средств микропроцессорного контроллера АСАУЭПВЭО автомобилей.

4. Разработана принципиальная схема контроллера АСАУЭПВЭО автомобилей. Аппаратная часть контроллера представляет собой законченную микропроцессорную систему специального назначения с магистрально-модульной архитектурой открытого типа.

5.  Разработано прикладное программное обеспечение контроллера АСАУЭПВЭО автомобилей, в состав которого входит два пакета программ:

- «ТЕСТ-МОНИТОР»;

- «SFR»;

- «Init System»

- «Пакет программ регулирования сигнала управления ДПТ»

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Обоснована целесообразность разработки адаптивной системы автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобилей с ускорением вывода ДПТ в зону оптимального режима.

2. Разработана методика совмещения детерминированных и вероятностных частей математических моделей, отличная от известных наличием вероятностной части по каждому из факторов на уровне ±5%, участвующих в модели, и позволяющая учитывать технологический разброс характеристик ±11%.

3.  Разработан универсальный метод адаптивно-корреляционного поиска установившихся значения при исследовании сложных динамических систем, позволяющий исследовать многоуровневые переходные процессы.

4. Исследовано влияние скорости изменения входного воздействия и величины начального отклонения выхода АСАУ на время выхода объекта регулирования в зону оптимального режима и установлена возможность ускорения поиска оптимального режима путем уменьшения начального отклонения выхода системы от оптимума на первом этапе (от 2% до 5% от зоны оптимального режима работы ДПТ), и использования системы оптимизации с постоянной скоростью изменения входного воздействия на втором этапе управления.

5. Разработаны принципы построения системы питания с двунаправленной адаптацией к параметрам бортовой сети автомобиля (от 8 до 48 В) и к параметрам питания ДПТ (от 12 до 60 В), позволяющие обеспечивать высокую степень взаимозаменяемости элементов систем.

6. Разработана принципиальная схема системы и прикладное программное обеспечение АСАУЭПВЭО автомобилей с ускорением поиска оптимального режима работы ДПТ.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Акимов С.В., Боровских Ю.И., Чижков Ю.П. Электрическое и электронное оборудование автомобилей. - М. Машиностроение, 1988.- 276 с.

2. Чижков Ю.П., Акимов С.В.Электрооборудование автомобилей. Учебник для ВУЗов.- М.: Издательство «За рулем», 1999.-384 с., ил.  

3. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. - М.: Транспорт, 2001,- 287 с., ил.

4. Теория, конструкция и расчет автотракторного электрооборудования: Учебник для техникумов/ JI.B. Копылова, В.И. Коротков, и др.; Под.ред. М.Н. Фесенко. - М.: Машиностроение, 1979. - 344 с.

5. Резник A.M. Электрооборудование автомобилей: Учебник для автотранспортных техникумов. - М.: Транспорт, 1990. - 256 с.

6. Зимин Е.Н., Яковлев В.И. Автоматическое управление электроприводами.

- М.: Высшая школа, 1989. - 384 с., ил.  

7. Андреев В.П., Сабинин Ю.А. Основы электропривода. - М.: Госэнергоиздат, 1963. — 722 с.

8. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. - 6-е изд., доп. и перераб. - М.: Энергоиздат, 1981. - 576 с., ил.

9. Како Н., Яманэ Я. Датчик и МикроЭВМ. – Л.: Энергоатомиздат, 1986. — 120 с.

  1.  Хрущев В.В. Электрические микромашины автоматических устройств. - Л.: Энергия, 1976. - 384 с., ил.
  2.  Батоврин А. А. Цифровые следящие системы судовой автоматики. - Л.: Судостроение, 1972. - 482 с., ил.
  3.  Сабинин Ю.А. Цифровые системы управления точными механизмами. — М.: Наука, 1987. - 202 с., ил.
  4.  Цыпкин Я.З. Теория импульсных систем. — М.: Физматгиз, 1968. - 724 с., ил.
  5.  Чечет Ю.С. Электрические микромашины автоматических устройств. - М.: Энергия, 1964. - 424 с., ил.
  6.  Завалишин Д.А., Певзнер О.Б., Фролов Б.В. Электрические машины малой мощности. - М.: Госэнергоиздат, 1973. - 432 с., ил.
  7.   Старовербов Б.А. Разработка и исследование статических дискретных систем электропривода постоянного тока с импульсными силовыми преобразователями: Дисс. канд. тех. наук Киеский политехнический институт, 1973. - 164 с., ил.
  8.  Кулесский Р.А., Шубенко В.А. Электроприводы постоянного тока с цифровым управлением . - М.:Энергия, 1973. — 208 с., ил.  
  9.  Николаев Ю.А., Петухов В.П., Чемоданов Б.К. Динамика цифровых следящих систем. — М.: Энергия, 1980. - 496 с., ил.
  10.   Иванов В.А., Чемоданов Б.К., Медведев B.C. Математические основы теории автоматического регулирования. - М.:Высшая школа, 1971. - 808 с., ил.
  11.  Автоматическая оптимизация управляемых систем./ Под. ред. Б.Н. Петрова — М.: Иностранная литература, 1960. - 240 с.  
  12.  Батоврин А.А. и др. Адаптивные системы автоматического управления электроприводами. – Л.: Энергия, 1967. - 256 с., ил.

22. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления. / ч.З. Оптимальные, многосвязные и адаптивные системы. — JI.: Энергия, 1970. - 328 с.

23. Ермаков В.В. Электронная система зажигания с управлением по экстремуму характеристики ДВС. Дисс. канд. тех. наук. М., МАМИ, 1989. -211 с., ил.

24.  Батоврин А.А. и др. Цифровые системы управления электроприводами. — Л.: Энергия, 1977. - 287 с., ил.

25. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем. - М.: Машиностроение, 1978. — 736 с.  

26. Фельдбаум А.А. Основы теории оптимальных автоматических систем. -

М.: Наука, 1966. - 628 с., ил.

27. Draper C.S., Li Y.T., Shull J.R., Serdengecti S., Principles of optimalizing control systems and an application to the Internal combustion engine. ASME, 1951.

28. Казакевич B.B. Теория идеальной модели экстремального регулятора.// Труды ЦИАМ. - № 165. - 1949.

29. Авторское свидетельство № 66335 (СССР). Экстремальный регулятор./Казакевич В.В.//Бюлл.из. - 1946. — 10.

30. Kim W.E., Bekkey G.A. Adaptive management system of an driving of a cover of the automobile GM «Omega». // SAE Automotive Engineering. - 1977. - Vol.84. - № 1. - pp.24 - 26.

31. Kim W.E., Bekkey G.A. Optimal engine control of a direct current in an I driving of a cover of the automobile.// SAE Automotive Engineering. - 1977. —  Vol.85. - № 4. - pp.14 - 16.

32. Фельдбаум А.А. Основы теории адаптивных систем управления. - М.: Наука, 1968. - 524 с., ил.

33. Батоврин А.А. Теория оптимальных систем автоматического управления.

- Л.: Энергия, 1969. - 382 с., ил.

34. Болтянский В.Г. Математические методы оптимального управления. - М.: Наука, 1966. - 307 с., ил.

35. Белман Р. Динамическое программирование./Под.ред. Н.Н.Воробева. - М.: Иностранная литература, 1960. - 400 с., ил.

36. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В. Математическая теория оптимальных процессов. - М.: Наука, 1969. — 391 с., ил.

37. Казакевич В.В. Системы экстремального регулирования и некоторые способы улучшения их устойчивости.// Автоматическое управление и вычислительная техника. - М.: Машгиз,1958. - с.66 - 96.

38. Казакевич В.В. Об экстремальном регулировании инерционных объектов. / / ДАН СССР. - 1960. - т. 133. - №4. - с.756-759.

39. Казакевич В.В. Об экстремальном регулировании. // Автоматическое управление и вычислительная техника. - М.: Машиностроение, 1964. - с.7-53.

40. Справочник по теории автоматического управления./ Под ред. А.А.Красовского - М.: Наука, 1987. - 712 с.

41. Красовский А.А. Принципы поиска и динамика непрерывных систем экстремального регулирования. // Автоматическое управление и вычислительная техника. - М.: Машиностроение, 1961. - с.5-49.

42. Красовский А.А. Оптимальные методы поиска в непрерывных и импульсных системах экстремального регулирования. // Труды ИФАК. Самонастраивающиеся системы. -М.: Наука, 1964. — с.79-92.

43. Dorf  R.C. and Farren М.С. Control by motor engines of a direct current. IEEE Press, New York, 1968.

44. Phillips C.L. Adaptive technique by motor engines of a direct current. John Wiley & Sons, New York,1972.

45. Rabiner L.R. and Rader C.M. Estimation of a regulator performance of a selftuning system. Prentice-Hall, Englewood Cliffs,N. J., 1975.

46. Helms H.D. Self-adapting management system of a wiper// Proc. National Electronics Conf. - Vol.10. -1974. - pp.758-766.

47. Растригин JI.A. Системы экстремального регулирования. - М.: Наука, 1974.-630 с., ил.

48. Иоффе А.Д., Тихомиров В.М. Теория экстремальных задач. - М.: Наука, 1974.-479 с.

49.  Самонастраивающиеся системы. / Под ред. В.П. Тихомирова - М.: Наука, 1978.-452 с., ил.

50.  Куо Б. Теория и проектирование цифровых систем управления: Пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1986. - 448 с., ил.

51. Пропой А.И. Элементы теории оптимальных дискретных процессов. — М: Наука, 1973. - 255 с., ил.

52. Болтянский В.Г. Оптимальное управление дискретными процессами. - М.: Наука, 1973.-446 с.

53. Salzer J.M. Digital systems of optimal control. IRE WESCON Convention Record, Part 4, 1978.

54. Tou J.T. Digital and Sampled-Data Control Systems. Mc.Graw-Hill, New York, 1977.

55. Weber M. Automatic Control Systems. 3rd  edition. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J, 1975.

56. Hessdoerfer R. Modern Control Theory. McCraw-Hill, New York, 1973.

57. Kostler W. Digital systems of automatic adapting. John Wiley & Sons, New York, 1975.

58. Hoderer G. Digital systems of control by tiny engines of a direct current, Addison Wesley, Reading, Mass,1972.

59. Lamm H, Weber M. Digital systems of control by drivings. // SAE Automotive Engineering. - 1978. - Vol.65. - № 1. - pp.36 - 38.

60. Weber M, Lamm H. Digital systems of control by drivings.// SAE Automotive Engineering. - 1978. - Vol.66. - № 5. - pp.25 - 26.

61. Kumagoi Katsuhide, Tanaka Kanichi. Mathematical modelling of processes of optimal control. // NASA Tehnical Report EG-4041-102-86, March 1986.

62. Obata Yousuke. Climatic check of the automobile.// IF AC Automatica.- Vol.9. -№1.- 1983.-pp.125-129

63. Mizukami Noboru, Ito Shigeji. Mathematical modelling of motor engines of a direct current in automobile electric drives. Proc.JACC, 1985, pp.271-277.

64. Borrmann Hans Aehim, Wolfgang Werner, Voss Tomas. Electric driving of hoisting of glasses of the automobile.// IEEE Trans on Automatic Control. - Vol.AC-17. - 1992. -pp.491- 497.

65. Borrmann Hans Aehim, Wolfgang Werner, Voss Tomas. Adaptive electric driving of hoisting of glasses of the automobile // IEEE Trans on Automatic Control. - Vol.AC-17. - 1992. - pp.564- 569.

66. Патент Германия №19924631.9. Адаптивная система управления двигателем постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов в системе стеклоочистителей автомобиля./ Robert Bosh GmbH. Stuttgart.// МПК7 H02K11/00, E05F 15/10. Заявлен 29.05.1999, опубл. 30.11.2000.


Рисунок 3.1 – Структурная схема АСАУЭПВЭО автомобилей

Рисунок 3.2 – Функциональная схема АСАУЭПВЭО автомобилей с ускорением поиска

оптимального режима работы  ДПТ

Рисунок 3.5 – Модуль репрограммируемых  постоянныхзапоминающих устройств

Рисунок 3.7 – Контроллер дисплея

Рисунок 3.8 –  Модуль дисплея и схемы управлением отображением информации

            Рисунок 3.11 –  Модуль усилительного каскада и датчика тока с формирователя сигнала

            Рисунок 3.12 –  Модуль блока реверсирования двигателя

            Рисунок 3.14 –  Модуль формирователей сигналов с датчиков линейного перемещения и частоты вращения ротора электродвигателя

            Рисунок 3.17 –  Модуль силового блока питания

            Рисунок 3.18 –  Модуль блока питания электроники контроллера

Рисунок 3.19 –  Модуль блока динамической стабилизации блока питания электроники контроллера


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

59643. Знай свій рід, своє слово, свою пісню: Сценарій для молодших школярів 37 KB
  Добрий день, наші юні друзі! Сьогодні ми зібралися з вами, щоб відсвяткувати Міжнародний день захисту дітей. В усьому світі діти завжди були і є радістю для дорослих. Вони про них піклуються, опікають, намагаються віддати все краще.
59645. Можна все на світі вибиpати, сину, вибpати не можна тільки Батьківщину 35 KB
  Але це пpо ту загальну Батьківщину: Батьківщину-кpаїну Батьківщину-наpод. Це пpо неї якийсь дотепник сказав: Моя Батьківщина там де мені добpе. За неї вмиpають її пpославляють пpацею оспівують в поезіях і піснях.
59646. На Великдень: Святкове дійство 46 KB
  Діти в кошику відкривають очі похитують голівками ніби від подиху вітерця ожили: ПАСКА: Чому в мене голова Ще в мене поклали: Яйця масло молоко Цукор і сметану Дріжджі борошно і сіль Ще й для запаху ваніль.
59647. Народні символи України 36.5 KB
  У канадців наприклад клен у росіян берізка а в нас калина верба і тополя. Не було хати біля якої б не пишалась червона калина. Бувало як зацвіте калина пишним цвітом дівчата ними коси прикрашають. Калина була потрібна і в численних обрядах.
59648. Оживає дух козацький: Театралізований вечір-конкурс 37 KB
  Отаман: За дніпровськими порогами за південними дорогами за степами за широкими Наші прадіди жили Мали Січ козацьку сильную Цінували волю вільную Україну свою рідну Як зіницю берегли. Отаман: Дякую тобі лицарю добрі були слова твої...
59649. Ой, завю вінки... Сценарій народного свята на Троїцю 51.5 KB
  На сцену у справжньому народному одязі виходить ведуча. ВЕДУЧА: Добридень люди добрі Вітаємо з святою Троїцею Саме сьогодні весна передала літу своє зелене вбрання. 1 ДІВЧИНА: Молодець Катруся А зараз понесімо радість усім людям нашого селаВедуча дає дітям крашанки та цукерки.
59650. Число ПИ «π» 807 KB
  «Число Пи - это математическая константа, через которую выражается отношение длины окружности к её диаметру. И это число приблизительно равно 3,14.». Одним из первых заметил и высчитал такую интересную зависимость между длиной окружности и её диаметром Архимед
59651. Під срібні переливи бандури: Сценарій літературно-мистецького вечора 39.5 KB
  Ведуча ІІ: Походження української кобзибандури сягає кінця ХУпочатку ХVІ ст. Ведуча І: Гей на татарських полях На козацьких шляхах То не вовкисі романці Квилять...