00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. projektowanie ukŁadÓw mechatroniki samochodowej 397 krzysztof...

31

Upload: hoangngoc

Post on 28-Feb-2019

222 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika
Page 2: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

SŁAWOMIR WIAK (redakcja)

Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT

Page 3: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

Recenzenci: Prof. Janusz Turowski Politechnika Łódzka Prof. Ewa Napieralska Juszczak University Lille Nord de France, LSEE, UA, Francja Autorzy rozdziałów: Prof. Piotr Ostalczyk (rozdz. 1, 2) Prof. Edward Jezierski (rozdz. 3) Dr hab. inż. Zbigniew Gmyrek (rozdz. 4) Dr hab. inż. Ryszard Szczerbanowski, prof. PŁ (rozdz. 5) Dr inż. Grzegorz Tosik (rozdz. 6) Prof. Zbigniew Lisik (rozdz. 6) Dr hab. inż. Jacek Gołębiowski, prof. PŁ (rozdz. 7) Dr hab. inż. Krzysztof Pacholski, prof. PŁ (rozdz. 8, 9) Prof. Krzysztof Gniotek (rozdz. 10) Dr hab. inż. Iwona Frydrych, prof. PŁ (rozdz. 10) Dr hab. Inż Ryszard Korycki, prof. PŁ (rozdz. 11) Dr inż. Grażyna Sobiczewska (rozdz. 12) Dr hab. Maria Dems, prof. PŁ (rozdz. 13, 15) Prof. Sławomir Wiak (rozdz. 13, 14, 15, 16, 17) Dr inż. Wojciech Rosiak (rozdz. 13, 15) Dr inż. Paweł Drzymała (rozdz. 14, 16, 17) Dr inż. Henryk Welfle (rozdz. 14, 16, 17) Dr inż. Ryszard Lasota (rozdz. 18) Dr inż. Marek Jan Glaba (rozdz. 19) Monografia przygotowana w ramach projektu "Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń - zintegrowany rozwój Politechniki Łódzkiej - zarządzanie Uczelnią, nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolności do zatrudniania, także osób niepełnosprawnych", współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach europejskiego Funduszu Społecznego - Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki "Priorytet IV, poddziałanie 4.1.1. Wzmocnienie potencjału dydakty-cznego uczelni". Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych, w tym również nie może być umieszczany ani rozpowszechniany w postaci cyfrowej zarówno w Internecie, jak i w sieciach lokalnych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich. ISBN 978-83-60434-85-7 © Copyright by EXIT, Politechnika Łódzka Łódź 2010

Page 4: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

397

Krzysztof Pacholski

9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej

Pojęcie mechatronika (ang. Mechatronics) zaistniało w słownictwie technicznym w 1969 r. w Japonii i opisuje synergię kombinacyjną mecha-niki, sterownia elektronicznego i specyficznego myślenia systemowego w tracie projektowania urządzeń i procesów produkcyjnych. Typowym przykładem urządzenia mechatronicznego jest współczesny samochód, którego funkcjonowanie uzależnione jest współdziałania sterowników mi-krokomputerowych z mikromechanicznymi i elektronicznymi sensorami oraz z pneumatycznymi, hydraulicznymi i mechanicznymi aktuatorami.

Wszystkie istotne dla funkcjonowania współczesnego samochodu podzespoły sterowane i regulowane są elektronicznie. Trudno sobie wyobrazić, aby silnik napędowy wraz z osprzętem, automatyczną skrzynią biegów, aktywne zawieszenie, układ kierowniczy oraz układ hamulcowy, układy ABS, ASR i ESP, czy oświetlenie współczesnego samochodu funk-cjonowały bez udziału mikrokontrolerów. Odpowiednio oprogramowane mikrokontrolery zwiększają również komfort i bezpieczeństwo jazdy oraz przyczyniają się do ochrony środowiska naturalnego zmniejszając tok-syczność spalin emitowanych przez silnik spalinowy samochodu.

Projektowanie samochodowych układów mechatronicznych wymaga od inżyniera wiedzy nie tylko z zakresu elektroniki i mechaniki. Konstruktor powinien również dysponować wiedzą z teorii regulacji i sterownia oraz powinien umieć określić algorytm funkcjonowania projektowanego układu z uwzględnieniem specyfiki działania zastosowanego w tym układzie mikrokontrolera. Ograniczone ramy tego rozdziału nie pozwalają na szczegółowe przedstawienie tak szerokiego obszaru wiedzy. Dlatego w pierwszym podrozdziale wyjaśniono pojęcia z mikroelektroniki niezbędne do zrozumienia specyfiki obróbki sygnałów wyjściowych mikromechanicznych i mikroelektronicznych czujników pomiarowych monitorujących funkcjonowanie podzespołów samochodu. Następne dwa podrozdziały dotyczą kolejno: systemu przetwarzania danych w samochodzie, z uwzględnieniem warstwy fizycznej magistrali CAN i LIN, oraz współpracy sterowników mikroprocesorowych z sensorami

Page 5: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

398

i aktuatorami. W ostatnim podrozdziale opisano ogólne zasady projektowa-nia podzespołów i układów mechatroniki samochodowej.

9.1. Układy scalone specjalnego przeznaczenia (ASIC)

Funkcjonowanie podzespołów współczesnego samochodu monito-rowane jest w czasie rzeczywistym za pośrednictwem specjalizowanych torów pomiarowych na wejściu, których występują sensory wielkości elektrycznych i nieelektrycznych. Sygnały wyjściowe sensorów zanim dotrą do sterownika nadzorującego pracę głównych podzespołów samochodu muszą być zamienione na postać cyfrową. Główny sterownik pojazdu nad-zoruje nie tylko silnik napędowy. Sterownik ten musi również analizować i przetwarzać dane otrzymywane od sterowników układów ABS, AS i ESP oraz od sterowników systemów bezpieczeństwa i komfortu pasażerów pojazdu. Ze względu na ograniczone możliwości obliczeniowe głównego sterownika funkcje wstępnej obróbki sygnałów wejściowych sensorów realizują układy scalone specjalnego przeznaczenia ASIC (ang. Applica-tiom Specific Integrated Circuits). Funkcje te są następujące:

• wzmocnienie DC i AC oraz prostowanie połączone z synchronizacja fazową,

• wyznaczanie wartości granicznych przy zmiennych progach komparacji,

• filtrowanie częstotliwościowe minimalizujące wpływ zakłóceń zewnętrznych na sygnały pomiarowe,

• konwersja analogowo-cyfrowa AC i cyfrowo-analogowa CA,

• automatyczna linearyzacja charakterystyk wyjściowych oraz korekcja błędów przetwarzania.

Układy ASIC, w zależności od stopnis integracji, przeznaczenia i właściwości, instalowane są bezpośrednio na wyjściu czujnika, w sterow-niku głównym lub w obu tych miejscach. Wpływ stopnia integracji sensorów na strukturę toru pomiarowego wyjaśnia rys. 9.1.

Współczesne pojazdy samochodowe zarówno osobowe, jak i cięża-rowe wyposażone są w tory pomiarowe z sensorami wykonanymi w II i III skali integracji. Oznacza to, że analogowe sygnały wyjściowe sensorów muszą być przekształcone do postaci modulowanych sygnałów impulsowych i lub sygnałów cyfrowych uformowanych zgodnie z protoko-łami magistrali komunikacyjnych występujących w samochodach.

Page 6: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

399

SE

SA

I sto

pień

inte

grac

jidużą

wrażl

iwość

na z

akłó

ceni

aA

/DS

God

biór

wie

lokr

otny

konw

encj

onal

nyS

Ese

nsor

anal

ogow

y ka

nał

trans

mis

yjny

dużą

wrażl

iwość

na z

akłó

ceni

aS

AA

/DS

G

anal

ogow

y ka

nał

trans

mis

yjny

II st

opień

inte

grac

ji

cyfro

wy

kanał

trans

mis

yjny

SE

SA

A/D

SE

SA

A/D

MC

III s

topi

eń in

tegr

acji

SG

mał

a w

rażl

iwość

na z

akłó

ceni

ado

stęp

ność

dla

siec

i

SG

mał

a w

rażl

iwość

na z

akłó

ceni

ado

stęp

ność

dla

siec

i

cyfro

wy

kanał

trans

mis

yjny

Rys. 9.1. Wpływ stopnia integracji sensora na strukturę i właściwości kanału

transmisji informacji pomiarowej (SE – sensor/zestaw sensorów, SA – obróbka analogowa sygnału, A/D przetwornik analogowo-cyfrowy, MC – mikkrokontroler,

SG – sterownik główny)

Page 7: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

400

Taki proces zmiany postaci sygnałów informacyjnych zwany jest kondycjonowaniem tych sygnałów. Do kondycjonowania sygnałów wyjściowych oraz do korekcji błędów i linearyzacji charakterystyk przetwarzania sensorów przeznaczone są produkowane obecnie monolityczne układy scalone ASIC. Do tej grupy należy układ scalony typu CC 40O produkowany przez firmę BOSCH (rys. 9.2). Układ ten przeznaczony jest do obróbki sygnałów wyjściowych indukcyjnych oraz pojemnościowych sensorów mikromechanicznych. W układzie tym sygnały wyjściowe sensora indukcyjnego oraz termistorowego czujnika temperatury (NTC) zamieniane są na długość okresu sygnałów impulsowych. Sygnały te wczytywane są do dwuwymiarowej tablicy „Look up” zapisanej w pamięci danych korekcyjnych sterownika, podczas jednorazowego procesu kalibracji układu ASIC. Działanie korekcyjne polega na odczycie odpowiednich danych z pamięci i w razie potrzeby na interpolacji liniowej tych danych. Całkowity czas pomiaru oraz obliczeń nie przekracza 0.5 ms. Wykorzystanie układu typu CC 400 pozwala na uproszczenie konstrukcji sensorów indukcyjnych z krótkozwartym ruchomym pierścieniem przewodzącym rezygnując z linearyzacji statycznej charakterystyki przetwarzania przez odpowiednie ukształtowanie konturu blaszanego rdzenia. Sensor taki wyznacza położenie nastawnika dawki oleju napędowego w rozdzielaczowych pompach wtryskowych silników o zapłonie samoczynnym.

Oprócz układu typu CC 400 firma Bosch produkuje szereg układów ASIC dedykowanych jedynie do obróbki sygnałów wyjściowych sensorów pomiarowych różnego typu. Do najbardziej popularnych należ następujące układy:

• CC 212 przeznaczony jest do montażu w sterowniku mikroprocesorowym i przystosowany, podobnie jak układ typu CC 400, do współpracy z różnicowymi sensorem i ze zwiernym pierścieniem przeznaczonych do określania położenia nastawnika dawki paliwa pomp rozdzielaczowych zasilających silniki ZS. Układ ten rozpoznaje zwarcie i uszkodzenie przewodów łączących czujnik z układem. Ponadto odcina piki zakłócające analogowe sygnały wyjściowe czujnika. Na wyjściu układu CC 212 występuje sygnał cyfrowy zgodny z protokołem komunikacyjnym magistrali CAN C (High-Speed CAN),

• CC 195 jest układem współpracującym z piezoelektrycznym sensorem spalania stukowego zamontowanym bezpośrednio na bloku cylindrów silnika. W trakcie spalania stukowego na wyjściu sensora występuje sygnał impulsowy o częstotliwości należącej do przedziału wartości 5...15kHz. Działanie układu CC 195 ogranicza się do filtracji i prostowania jednopołówkowego tego sygnału, który następnie jednoprzewodowo przesyłany jest do sterownika silnika pojazdu,

Page 8: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

401

Rys. 9.2. Układ ASIC typu CC 400 (BOSCH) przeznaczony do kondycjonowania sygnału wyjściowego i korekcji błędów przetwarzania sensorów indukcyjnych.

• CC 340 jest sterowanym cyfrowo pomiarowym wzmacniaczem różnicowym wykonanym w technologii CMOS i przystosowanym do wzmacniania napięciowego sygnału wyjściowego sensorów wyposazonych w rezystancyjny mostek pomiarowy np. sensorów ciśnienia z mostkie tensometrycznym Odpowiednikiem tego układu

Page 9: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

402

jest wzmacniacz pomiarowy z autozerowaniem typu AD8230 produkowany przez firmę Analog Devices.

Samochodowe układy scalone ASIC produkowane są również przez inne światowe firmy elektroniczne Do najbardziej znanych należą MAXIM–Dallas Semiconductor, ATMEL Analog Devices oraz MICROCHIP. W bogatej ofercie tych firm występują również układy ASIC przeznaczone do obsługi różnego rodzaju aktuatorów samochodowych.

9.2. System przetwarzania danych w samochodzie

Współczesny samochód niezależnie od przeznaczenia to zespól wzajemnie zależnych podzespołów nadzorowanych przez autonomiczne sterowniki mikroprocesorowy. Sterownik każdego podzespołu pojazdu wraz z jednostką centralną pojazdu CPU (Central Processing Unit – centralny procesor) dokonuje operacji matematycznych i działań logicznych na sygnałach wyjściowych sensorów monitorujących pracę danego podzespołu i na podstawie tych sygnałów tworzy informację cyfrową przekazywana do CPU i w zależności od przeznaczenia podzespołu sterownik również wytwarza sygnały sterujące dla odpowiednich członów wykonawczych. Budowę sterownika wyjaśnia rys. 9.3.

W przypadku sterownika silnika na wejściach analogowych występują sygnały napięciowe pochodzące od sondy lambda, czujników ciśnienia, itp.) o zakresie wartości od 0 do 5V. Do wejść cyfrowych doprowadzone są impulsowe sygnały wyjściowe czujników prędkości obrotowej wału korbowego i wałka rozrządu, których wartość zmienia się od 0V do poziomu napięcia na zaciskach akumulatora. Obie grupy sygnałów wejściowych doprowadzone są do pasywnych układów zabezpieczających RC eliminujących zakłócenia. Dodatkowo impulsowe sygnały wejściowe poddawane są kondycjonowaniu i filtrowaniu tak, aby niezależnie od poziomu i charakteru sygnałów zakłócających do mikro-kontrolera sterownika docierał sygnał o wartości należącej do przedziału od 0 do 5V. Przed obróbką sygnały analogowe zamieniane są na postać cyfrową za pomocą wielokanałowego przetwornika analogowo-cyfrowego.

Ze względu na ograniczona szybkość działania jednostki centralnej mikrokontrolera część operacji matematycznych i logicznych niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania podzespołu realizowana jest w procesorze centralnym CPU samochodu komunikującym się ze sterownikiem podzespołu za pośrednictwem magistrali systemowej CAN do której sterownik ten jest przypisany.

Page 10: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

403

Rys. 9.3. Przepływ informacji w sterowniku

Sterownik podsystemu (podzespołu) jest węzłem tej magistrali i dlatego w jego strukturze występują, odpowiedzialne za współpracę z magistralą dwa bloki: kontroler oraz transceiver (nadajnik i odbiornik) CAN. Kontroler dane binarne przeznaczone do transmisji przekształca w strumień bitów komunikacyjnych ( w tzw. ramki) i za pośrednictwem linii TxD kieruje te dane do transceivera. Zadaniem transceivera jest wzmocnienie sygnałów do poziomu przewidzianego do transmisji różnicowej za pośrednictwem linii CAN_L i CAN_H. Przeznaczone dla sterownika podsystemu komunikaty transceiver przekazuje za pomocą linii RxD do kontrolera CAN.

Page 11: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

404

CA

N m

ultim

edió

w

CPU

złaczediagnostyczne CAN

diagnostyki CANukładu napędowego

CAN sensorów

CANzestawu

wskaźników

CANkomfortu jazdy

LIN

CPU

złaczediagnostyczne CAN

diagnostyki CANukładu napędowego

CAN sensorów

CANzestawu

wskaźników

CANkomfortu jazdy

LIN

MOST

CAN regulacjiodległości

pomiędzy pojazdami

Bluetooth

Podzespoły samochodu pogrupowane są w podsystemy według przeznaczenia oraz realizowanych funkcji. Przekazywanie informacji w każdym z podsystemów realizowane jest za pośrednictwem magistrali komunikacyjnej o odpowiednio dobranej szybkości transmisji informacji cyfrowych. Topologię sieci komunikacyjnych w samochodzie nowej generacji przedstawiono na rys. 9.4 i 9.5.

Rys. 9.4. Topologia sieci samochodów klasy kompaktowej

Rys. 9.5. Topologia sieci samochodów wyższej klasy

Page 12: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

405

Rys. 9.4 przedstawiono topologię sieci samochodów kompakto-wych, zaś rys. 9.5 uwidacznia topologię sieci samochodów wyższej klasy. Sieci z rys. 9.4 i 9.5 charakteryzują się jedną brama główną zainstalowaną w ECU pojazdu W topologiach tych sieci wyodrębniono magistrale charakteryzujące się zróżnicowaną szybkością transmisji. Sterowana zdarzeniami magistrala High-Speed CAN układu napędowego, o szybkości transmisji 500kbit/s, należy do klasy C i obsługuje:

• sterowanie silnikiem,

• sterowanie automatyczna skrzynią biegów,

• układem przeciwposlizgowym ABS,

• regulację dynamiki jazdy (np. ESP),

• aktywną regulacją zawieszenia,

• układy wspomagające jazdę (np. aktywna regulacja prędkości).

Szybkość transmisji tej magistrali uwarunkowana jest koniecznością nadzoru praca wymienionych układów w czasie rzeczywistym.

Podzespoły wyposażenia wewnętrznego nadwozia samochodu lub wyposażenia dodatkowego samochodów klasy średniej stosuje się multipleksowane systemy transmisji, które charakteryzują się mniejszą szybkością transmisji danych w porównaniu z systemami czasu rzeczywistego, w których informacje przesyłane są za pomocą magistrali CAN klasy C (high-speed CAN). W systemach multipleksowanych stosowana jest Low-Speed CAN o szybkości transmisji 125kbit/s lub jednoprzewodowa magistrala CAN (single wire CAN) o szybkości transmisji rzędu 33kbit/s. Wymienione magistrale nadzorują pracą:

• wskaźników tablicy rozdzielczej samochodu oraz oświetleniem,

• centralnym zamkiem i autoalarmem,

• klimatyzacją wnetrza nadwozia,

• ustawieniem siedzeń przednich i lusterek,

• modułami zainslowanymi w drzwiach pojazdu oraz napędem wycieraczek szyb.

Magistrala CAN do transmisji informacji binarnej wykorzystuje dwa stany dominujący i recesywny reprezentujący logiczne „0” i dominujący reprezentujący logiczne „1”. Informacje przekazywane za pośrednictwem magistrali CAN kodowane są w systemie NRZ (Non-Return to Zero), w który pomiędzy dwoma stanami p takiej samej wartości logicznej nie ma przymusowego powrotu do stanu zerowego.

Page 13: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

406

CAN _ H

CAN _ L

Ω120 Ω120

Węzeł 1 Węzeł Nmax 30

Magistrale Low-Speed CAN o raz High-Speed CAN wykorzystują różne poziomy napięcia do transmisji stanu recesywnego oraz stanu dominującego (rys. 9.6).

[V]

5

3.5

1.4

0CAN _ H

CAN _ L

recesywny recesywnydominujący

Low-Speed CAN

t

[V]

5

3.5

1.5

0

CAN _ H

CAN _ L

recesywny recesywnydominujący

High-Speed CAN

2.5

Rys. 9.6. Poziomy napięcia magistrali CAN

Do magistrali CAN dołączyć można co najmniej 30 węzłów, a końce przewodów magistrali muszą być zwarte terminalami (opornikami) o rezystancji 120 Ω tłumiącymi odbicia sygnału na tych końcach (rys. 9.7). Terminale rezystancyjne bardzo często montowane są w sterownikach. Długość przewodów magistrali uzależniona jest od szybkości transmisji:

• 1 Mbit/s do 40m,

• 500 kbit/s do100m,

• 250 kbit/s do 250m.

• 125 kbit/s do 500m,

• 40 kbit/s do 1000m.

Rys. 9.7. Struktura systemu transmisji magistrali CAN

Obecnie w wielu producentów stosuje do sterownia wymienionych podzespołów pojazdów, zamiast magistrali CAN klasy B, magistralą LIN

Page 14: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

407

CANzestawu

wskaźników

3

5

7

9

1

2

4

6

8

1a

2a

4a

CA

N k

omfo

rtu

R

L

(Local Interconnect Network). Sieć LIN przeznaczona jest do obsługi urządzeń nie wymagających dużej szybkości wymiany informacji i nie przekraczającej 20kbit/s i jest ograniczona wpływem zakłóceń elektrycznych. W odróżnieniu od magistrali CAN klasy B magistrala LIN ma strukturę typu master-slave, w której sterownik nadrzędny (master) komunikuje się z czujnikami i elementami wykonawczymi (slave) jednoprzewodowo. Przewody transmisyjne magistrali mają średnice nie przekraczającą 0.35 mm2 i oznaczone są kolorem fioletowym z naniesionym paskiem identyfikacyjnym w innym kolorze. W odróżnieniu od przewodów sieci LIN przewody magistrali CAN mają kolor pomarańczowy z odpowiednimi oznaczeniami paskowymi.

Systemy multimedialne nadzorowane są w samochodach klasy średniej za pośrednictwem magistrali Low-Speed CAN. W samochodach wyższej klasy, w których systemy multimedialne wykorzystują transmisję bezpośrednią o szybkości transmisji powyżej 10Mbit/s wykorzystuje się magistralę światłowodową MOST (ang. Multimedia-Oriented System Transport). Warstwą fizyczną tej magistrali jest światłowód i sieć ta ma strukturę pierścieniową z trwale przypisanymi adresami sterowników obsługiwanych urządzeń (rys. 9.5).

W celu wyjaśnienia sposobu przekazu informacji za pośrednictwem magistrali CAN przeanalizujmy działanie kierunkowskazów samochodu ciągnącego przyczepę (rys. 9.8).

Rys. 9.8. Transmisja danych po włączeniu kierunkowskazu (1, 2, 4 – lampy lewych kierunkowskazów przedniego oraz lewa tylnia lampa przyczepy,

1a, 2a, 4a – lampy prawych kierunkowskazów przedniego i tylnego oraz prawa tylnia lampa przyczepy, 3 – streownik sieci pokładowej, 5 – sterownik świateł

sygnalizacyjnych przyczepy, 6 – zestaw wskaźników, 7 – brama (gateway), 8 – kierownica wraz z zestawem dźwigni, 9 – sterownik kierownicy)

Page 15: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

408

3

2

1

CA

N k

omfo

rtu

R

L

M

4

Kierunkowskazy uruchomić można za pomocą dźwigni umieszczonej z lewej strony kolumny kierownicy. Położenia tej dźwigni do sterownika 9 kierownicy przekazywane są za pośrednictwem sygnału dyskretnego kodowanego rezystancją lub wartością prądu. Sterownik kierownicy odczytuje okresowo ten sygnał i po wykryciu jednego z dwóch skrajnych położeń dźwigni przekazuje odpowiednią informację do sterownika sieci pokładowej 3, za pośrednictwem magistrali CAN komfortu. Sterownik sieci, odpowiednio do stanu technicznego żarówek kierunkowskazów, określa częstotliwość „migania” tych żarówek. Kierunkowskazy migają z normalną częstotliwością, gdy obwody zasilające żarówki są sprawne. W przypadku wykrycia przez sterownik sieci pokładowej przerwy w obwodzie jednej żarówki sterownik ten zwiększa częstotliwość migania żarówek pozostałych. Lampy kierunkowskazów lewych (1 i 2) lub prawych (1a i 2a) dołączone są bezpośrednio do sterownika sieci pokładowej 3 za pomocą linii dyskretnych. Po uruchomieniu odpowiednich kierunkowskazów sterownik sieci 3 wysyła do magistrali CAN komfortu informacje o tym fakcie. Informacja taka dedykowana jest do bramy 6 w celu uruchomienia lampki sygnalizującej działanie odpowiedniego kierunkowskazu w zestawie wskaźników deski rozdzielczej.

W pojazdach przystosowanych do holowania przyczep (tzn. wyposażonych w hak holowniczy) sygnał informujący o konieczności włączenia odpowiedniego kierunkowskazu przekazywany jest również do sterownika 5 świateł sygnalizacyjnych przyczepy (4 i 4a).

Bardzo często sterownik sieci pokładowej pełni rolę bramy łączącej dwa typu magistrali. Taki sposób wykorzystania sterownika sieci ilustruje przykład przedstawiony na rys. 9.9 uwidaczniający przepływ danych w obu sieciach w przypadku uruchomienia wycieraczek przedniej szyby z wybraną przez kierowcę pojazdu prędkością.

Rys. 9.9. Transmisja danych w sieci pokładowej po włączeniu wycieraczek szyby przedniej lub tylniej (1 - kierownica wraz z zestawem dźwigni,

2 – sterownik kierownicy, 3 – sterownik sieci pokładowej, 4 - silnik napędowy odpowiedniej wycieraczki.

Page 16: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

409

Informacja o położeniu przełącznika wycieraczek przekazywana jest do sterownika kierownicy 2 podobnie, jak informacja o położeniu dźwigni uruchamiającej kierunkowskazy, kodowanym sygnałem dyskretnym. Sterownik 2 informację o włączeniu wybranej przez kierowcę wycieraczki kieruje na magistralę CAN komfortu i informacja ta dociera do sterownika 3 sieci pokładowej. Sterownik ten uruchamia silnik napędowy odpowiedniej wycieraczki za pośrednictwem magistrali LIN.

W roku 2000 firmy BMW, Daimler-Chrysler, Motorla i Philips-Semiconductors utworzyły konsorcjum FlexRay, którego celem było opracowanie nowej samochodowej sieci informatycznej mającej zastąpić magistralę High-Speed CAN (CAN C). Magistrala ta dedykowana jest do elektronicznych układów sterownia i systemów komunikacyjnych (tzw. układów X-by-wire), które w przyszłości mają zastąpić połączenia mechaniczne. Przykładem takich układów mechanicznych są:

• połączenie koła kierowniczego z osia przednią (steer-by-wire),

• połączenie pedału hamulca z tarczami hamulcowymi (break-by-wire).

Bazą sieci FlexRay jest wielopoziomowa struktura gwiaździsta o zdolnosci transmisyjnej do 10 Mbit/s. Architektura taka spełniała będzie nastepujace wymagania:

• duża szybkość transmisji w czasie rzeczywistym dla układów napędowego i jezdnego,

• duża odporność na uszkodzenia w przypadku wykorzystania w układach bezpieczeństwa czynnego i biernego oraz w układach napędowym i jezdnym.

Przykładem samochodu, w którym zastosowano sieć FlexRay jest Mercedes klasy C, w którym zastosowano elektromechaniczny układ hamulcowy.

9.3. Skuteczne stosowanie sensorów i aktuatorów

Układy i systemy mechatroniki samochodowej komunikują się z otoczeniem za pośrednictwem sensorów i aktuatorów. Sposób dołączenia tych podzespołów do sterownika podsystemu uzależniony jest od ich zasady działania i umiejscowienia w samochodzie.

Dużą grupa sensorów samochodowych wyposażona jest w wyjścia stykowe dwustanowe. Do tej grupy zaliczyc można również różnego rodzaju przyciski i przełączniki oraz wyłączniki krańcowe. Popularność wyjść stykowych oraz mechanicznych przełączników podyktowana jest głównie ich niską ceną oraz łatwością stosowania. Natomiast wadą

Page 17: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

410

wszelkiego rodzaju styków mechanicznych przewodzących prąd jest niewielka trwałość spowodowana zużywaniem elementów mechanicznych oraz okładzin styków.

Wydawać by się mogło, że różnego rodzaju styki elektryczne mogą być dołączone bezpośrednio do odpowiednich linii portów sterownika mikroprocesorowego. Takie rozwiązanie może funkcjonować prawidłowo jedynie w warunkach laboratoryjnych, a nie w samochodzie. Zakłócenia radioelektroniczne generowane przez układ zapłonowy są przyczyną przepięć, które nawet w prawidłowo zaekranowanym sterowniku mogą spowodować uszkodzenie obwodów wejściowych portów mikrokontrolera. W związku z tym wejścia portów mikrokontrolera sterownika muszą być odpowiednio buforowane w celu zabezpieczenia przed ewentualnymi błędami przy dołączeniu wyjścia sensora lub zniszczeniem izolacji przewodów łączących sensor i sterownik.

Podstawowymi parametrami jakie należy brać pod uwagę przy pro-jektowaniu układu buforującego są: maksymalny prąd przewodzenia oraz dopuszczalne napięcie pracy elementu stykowego. Drugi z wymieniony parametrów ma szczególnie istotne znaczenie w przypadku, gdy styki za-silane są napięciem dużo wyższym od napięcia zasilającego mikrokontro-lera. Dwa sposoby dołączenia styków znajdujących się w pobliżu sterownika do jego wejścia dwustanowego przedstawia rys. 9.10.

Rys. 9.10. Sposoby dołączenia styków wyjściowych sensora: a) od strony napięcia zasilającego, b) od strony masy układu

S1

R1470

R233k

R310k

T1

R410k

+ UZ

VCC

WE1

VCC

GND

μC

a)

S1

R1470 R2

33k

R310k

T1

R410k

+ UZ

VCC

WE1

VCC

GND

μC

b)

Page 18: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

411

Układ z rys. 9.10a przeznaczony jest współpracy z wyjściem stykowym S1 dołączonym do napięcia zasilającego o wartości większej od napięcia zasilającego układu mikrokontrolera. Działanie tego układu polega na dołączeniu dodatniego napięcia do bazy tranzystora T1, gdy styk S1 jest zamknięty. Taki stan powoduje nasycenie tego tranzystora i wymuszenie na linii portu mikrokontrolera logicznego stanu „0”. Dzielnik R2, R3 włączony przed tranzystorem ogranicza prąd bazy oraz zmniejsza czułość układu zwiększając w ten sposób jego odporność na zakłócenia.

Po otwarciu styku S1 baza tranzystora T1 dołączona jest do masy układu, a sam tranzystor T1 jest zatkany. Skutkiem tego jest wysoki stan logiczny na wejściu portu mikrokontrolera wymuszony przez rezystor podciągający R4. Stosowanie takiego rezystora jest zalecane nawet przy wbudowanym w mikrokontroler rezystorze podciągającym, ponieważ równoległe połączenie rezystora zewnętrznego i wewnętrznego powoduje wzrost prądu kolektora tranzystora T1 zmniejszając czułość bufora co dodatnio wpływa na odporność układu na zakłócenia zewnętrzne.

Wszystkie elementy układu buforującego za wyjątkiem rezystora R1, powinny być zamontowane wewnątrz sterownika. Rezystor R1 należy zamontować w pobliżu stykowego wyjścia sensora w celu doprowadzenia linii o potencjale masy bufora.

Układ przedstawiony na rys. 9.10b działa podobnie, jak układ z rys. 9.10a. i przystosowany jest do współpracy z wyjściem stykowym dołączonym do masy. Elementy obu układów spełniają taką samą funkcję. Jedyna różnica polega na odwróceniu (negacji) wymuszanych stykiem S1 stanów logicznych na linii portu mikrokontrolera.

R310k

VCC

WE1

VCC

GND

μCUZ12V

R11k

R22.2k

D1S1

+

-22μC1

transoptor

Rys. 9.11. Separacja galwaniczna wyjściem stykowym sensora oraz wejściem linii

portu mikrokontrolera

Niejednokrotnie sensory z wyjściem stykowym są bardzo oddalone od sterownika, z którym współpracują. W tym przypadku jednym ze sposobów zminimalizowania wpływu zakłóceń zewnętrznych na pracę

Page 19: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

412

sterownika jest zastosowanie separacji galwanicznej pomiędzy obwodem styku oraz mikroprocesorem systemu. Przykład takiego układu przedstawia rys. 9.11.

W układzie z rys. 9.11 zamknięty styk S1 doprowadza napięcie zasilające UZ do diody transoptora i powoduje nasycenie tranzystora tego transoptora. Wymusza to niski stan logiczny na wejściu portu mikrokontrolera. Po otwarciu Styku S1 na wejściu tym występuje wysoki stan logiczny wymuszany opornikiem podciągającym R3.

W opisywanym układzie opornik R1 pełni rolę obciążenia styku S1 i powinien być umieszczony w jego pobliżu, natomiast opornik R2 ogranicza prąd płynący przez diodę transoptora. Dioda D1 zabezpiecza transoptor przed uszkodzeniem, gdy w przewodach łączących styk i sterownik indukowane będzie napięcie zakłócające o dużej wartości szczytowej – rzędu 1V. Podobną rolę pełni kondensator elektrolityczny C1 łączący wejście linii portu z masą układu. Kondensator ten zapewnia filtrację przebiegów zmiennych. Działanie filtrujące tego kondensatora wynika z różnicy stałych czasowych ładowania kondensatora przez rezystor R3 oraz rozładowania tego kondensatora przez transoptor. Wadą dołączenia kondensatora C1 do wejścia linii portu jest znaczne opóźnienie reakcji układu na rozwarcie styku S1.

Ze względu na warunki pracy bardzo często zachodzi konieczność bezstykowej oceny położenia różnego rodzaju podzespołów mechanicz-nych. Do tego celu wykorzystywane są najczęściej indukcyjne pasywne sensory położenia, na wyjściu których występuje napięciowy unipolarny lub bipolarny szpilkowy sygnał impulsowy. W takim przypadku pomiędzy wyjściem sensora i linią portu mikrokontrolera, oprócz omawianego układu buforującego z tranzystorem, należy włączyć układ formujący zamieniający ciąg impulsów szpilkowych na ciąg unipolarnych impulsów prostokątnych o wartości szczytowej zgodnej z poziomem dopuszczalnym dla wejść mikrokontrolera zastosowanego w naszym sterowniku. W sytuacji, gdy sygnał wyjściowy sensora indukcyjnego narażony jest na działanie zakłóceń zewnętrznych sygnał ten, po unipolaryzacji i zamianie na ciąg impulsów prostokątnych, zamienić należy na sygnał prądowy 4.20 mA, który będzie dalej przesyłany do wejścia linii portu mikrokontrolera skrętką przewodów. Przykład układu zamieniającego sygnał prądowy 4.20 mA na sygnał napięciowy przedstawia rys. 9.12. W układzie tym zastosowano wzmacniacz różnicowy typu AD627 firmy Analog Devices, który firma ta zaprojektowała dla układów mechatroniki samochodowej.

Page 20: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

413

Rys. 9.12. Układ odbiornika pętli prądowej 4.20 mA

Ponieważ wyjściowy sygnał prądowy 4.20 mA jest niesymetryczny, to do zamiany tego sygnału na napięcie zastosowany jest bocznik pomiarowy o rezystancji 24.9 Ω. Prąd wyjściowy sensora wytwarza

Page 21: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

414

na boczniku tym napięcie różnicowe o wartościach granicznych 99.6 mV (dla 4 mA) i 498 mV (dla 20 mA). W układzie wzmacniacza typu AD627 nie ma opornika ustalającego jego wzmocnienie i dlatego wzmocnienie tego układu równe jest 5 i w związku z tym napięciowy sygnał wyjściowy wzmacniacza równy jest 2.49 V, przy prądzie wyjściowym sensora równym 20 mA. W trakcie projektowania układu należy pamiętać, aby wzmacniacz różnicowy zamontowany był na płytce sterownika w pobliżu wejść linii portów mikrokontrolera.

W technice samochodowej niejednokrotnie zachodzi konieczność przekazania napięciowego sygnału wyjściowego sensora oddalonego o kilka metrów do sterownika. Przykładem takich sensorów są sondy lambda. Jedna z tych sond umieszczona jest na początku kolektora układu wydechowego i ze względu na pełnioną funkcję nazywana jest sondą pilotującą, druga zaś monitorująca stan katalizatora znajduje się za jego wylotem (rys. 9.13).

Rys. 9.13. Rozmieszczenie sond lambda w układzie wylotowym silnika

Wyjściowe sygnały napięciowe tych sond mają przebieg sinusoidalny o okresie ok. 2s, którego wartość międzyszczytowa, w zależ-ności od składu mieszanki, zmienia się od 100 do 900 mV. Stare wyeksploatowane sondy wolniej reagują na skład mieszanki. Z tego względu ze wzrostem stopnia zużycia sondy zwiększa się czas reakcji na zmiany składu mieszanki, a okres przebiegu sygnału wyjściowego sondy może wydłużyć się nawet do 4s.

Wysoka temperatura układu wylotowego silnika nie pozwala na zamontowanie w jego pobliżu odpowiednich wzmacniaczy pomiarowych zwiększających wartość sygnału wyjściowego sond lambda do poziomu

Page 22: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

415

przy, którym sygnał ten nie będzie zniekształcany przez zakłócenia. W związku z tym jedynym sposobem eliminacji wpływu zakłóceń jest przesyłanie sygnału wyjściowego tych sond do sterownika za pomocą skrętki i zastosowanie na wejściach wzmacniacza filtru dolnoprzepusto-wego tłumiącego zakłócenia - rys. 9.14. Przedstawiony na tym rysunku układ filtru: oporniki R1 i R1a oraz kondensatory C2 i C2a tworzą mostek, którego sygnał wyjściowy dołączony jest do wejścia wzmacniacza różnicowego. Różnica wartości stałych czasowych R1C2 oraz R1aC2a jest przyczyną napięcia różnicowego wzmacnianego w układzie. W związku z tym wartości rezystancji oporników R1 i R1a oraz wartości pojemności kondensatorów muszą być zawsze odpowiednio równe.

Wpływ rozrzutu wartości elementów filtru minimalizuje kondensator o pojemności C1 włączony na wyjściu mostka.

Cechą charakterystyczną filtru przedstawionego na rys. 14 jest zróżnicowanie 3dB pasma różnicowego oraz sumacyjnego. Szerokość pasma różnicowego BWD wyznaczyć można za pomocą wyrażenia:

( )CC1R21

+⋅⋅=

πDBW (9.1)

gdzie: .

C2aC2C2aC2C R1a;R1R+⋅

=+=

Na szerokości częstotliwościowego pasma przetwarzania sumacyjnego BWCM nie ma wpływu kondensator C1 zwierający wejścia wzmacniacza dla sygnałów w.cz. W związku z tym szerokość pasma BWCM wyznaczyć można z zależności:

C2R1 ⋅⋅⋅=

π21

CMBW

(9.2)

Słuszność tej zależności wynika z faktu, ze szerokość sumacyjnego pasma przetwarzania określają impedancje dwóch równolegle połączonych obwodów R1C2 oraz R1aC2a.

Zadaniem sterowników stosowanych w samochodzie jest również wymuszanie określonych stanów aktuatorów elektropneumatycznych i elektrohydraulicznych. Przykładem takiego sterownika jest sterownik układu ABS/ASR, który w zależności od prędkości obrotowej kół pojazdu za pośrednictwem dwóch elektrohydraulicznych zaworów rozdzielających określa stany pracy układu hamulcowego. Cewki sterujące tych zaworów muszą być dołączone do dwustanowych wyjść mocy sterownika w sposób gwarantujący jego poprawną pracę. Dwa sposoby dołączenia cewek napędowych pneumatycznych i hydraulicznych zaworów rozdzielających do wyjścia portów mikrokontrolera sterownika ABS/ASR przedstawia

Page 23: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

416

rys. 9.15. W układach przedstawionych na tym rysunku zmiana położenia zaworu V1 następuje jedynie podczas przepływu prądu przez cewkę napędową. Po zanik tego prądu zawór powraca do stanu spoczynkowego.

Rys. 9.14. Sposób dołączenia sondy lambda do mikrokontrolera sterownika silnika

Page 24: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

417

Rys. 9.15. Sterowanie cewki napędowej rozdzielacza za pomocą tranzystora npn (a)

oraz tranzystora pnp (b)

Page 25: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

418

a)S1 S2

b)S1 S2

Zastosowanie tranzystorów w układach z rys. 9.15 wynika z konieczności zapewnienia odpowiedniej dla cewki napędowej zaworu wydajności prądowej. Typowa wartość prądu zadziałania cewki równa jest 1.5 A przy napięciu zasilania 12 V DC. Charakterystycznymi elementami obu układów są: dioda D1 i kondensator C1. Zadaniem diody D1 jest zabezpieczenie tranzystora T1 przed przepięciami występującymi w chwili zaniku cewce napędowej zaworu V1. Podobną rolę spełnia kondensator C1. Ponieważ impuls napięciowy, nawet w obecności diody D1, może pojawiać się na kolektorze tranzystora.

W przypadku stosowania elektrozaworów dwupołożeniowych (rys. 9.16) bistabilnych należy pamiętać, że do zmiany stanu pracy (położenia) tego zaworu wystarczy krótkotrwały impuls sygnału sterującego po zakończeniu, którego zawór zachowuje nowe stabilne położenie aż do chwili pojawienia się sygnału impulsowego działającego z drugiej strony na suwak zaworu.

W przypadku elektrozaworów sterowanych dwustronnie impulsami zamieniającymi położenie tego zaworu są impulsy prądowe iS1 oraz iS2 przepływające przez cewki napędowe S1 i S2.

Rys. 9.16. Położenia elektrozaworu bistabilnego 3/2: położenie spoczynkowe a) oraz położenie przepływu b) (S1, S2 – oznaczają cewki napędowe zaworu)

Szerokość czasowa ti impulsów prądowych iS1 oraz iS2 określona jest czasem zmiany położenia zaworu, zaś odstęp tp pomiędzy tym impulsami, w przypadku elektrozaworów hydraulicznych określony jest czasem ustabilizowania się przepływu w układzie hydraulicznym (rys. 9.17).

Opis wszystkich problemów dotyczących stosowania czujników i aktuatorów w układach mechatroniki samochodowej wykracza poza ramy niniejszego opracowania. Najskuteczniejszym sposobem rozwiązywania tych problemów jest projektowanie i wdrażanie w praktyce opracowanych układów. Niezbędny do tego celu zestaw literatury wymieniono na zakończenie tego rozdziału.

Page 26: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

419

1Si

2Si

it

pt

t

t

Rys. 9.17. Impulsy sterujące elektrozaworem z rys. 9.16

9.4. Ogólne zasady projektowania układów mechatroniki samochodowej

Prace projektowo-konstrukcyjne mechatronicznych podzespołów samochodu składają się z wielu etapów i jedynie w nielicznych charakterystycznych szczegółach różnią się od tego rodzaju prac, których efektem finalnym są inne wyroby mechatroniczne. W pracy Marka Gawrysiaka p.t.: ‘Mechatronika i projektowanie mechatroniczne. Wprowadzenie” (Białystok 1997r.) wyodrębniono następujące etapy tych prac (rys. 9.18):

1. określenie zadań i funkcji.

2. koncepcja podzespołu lub układu.

3. projektowanie.

4. opracowanie konstrukcji oraz oprogramowania.

5. badania prototypowe.

6. Produkcja. Cechą charakterystyczną projektowania podzespołów i układów

mechatronicznych jest traktowanie tego rodzaju urządzeń jako zintegrowany przestrzennie i funkcjonalnie zestaw podzespołów elektronicznych, elektromechanicznych i mechanicznych. Urządzenie od początku procesu projektowania musi być traktowane kompleksowo: to co łatwiej można rozwiązać za pomocą podzespołów mechanicznych

Page 27: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

420

projektowane i konstruowane jest metodami mechanicznymi. Pozostała część urządzenia, którą łatwiej zrealizować na bazie elementów elektrycznych i elektronicznych projektowana i konstruowana jest, jak sterowne mikroprocesorem urządzenia elektroniczne.

Postęp w produkcji podzespołów elektronicznych i mechanicznych pozwala na modułową konstrukcje urządzeń mechatroniki samochodowej, czyli tworzenie urządzenia przy wykorzystaniu gotowych bloków.

Jakość tradycyjnych konstrukcji mechanicznych określona była jakością podzespołów, co znacznie zwiększało cenę tych konstrukcji. Dopiero mikroelektronika pozwoliła na przełamanie tej bariery techniczno-ekonomicznej. Układy mikroelektroniczne typu ASIC pozwalają na linearyzację charakterystyk przetwarzania układów mechanicznych, co znacznie upraszcza konstrukcje mechaniczne i zmniejsza ich koszt wytwarzania.

Funkcje i zadania urządzenia mechatronicznego określane muszą być globalnie, bez wnikania w szczegóły konstrukcyjne jego bloków składowych. Przeznaczonym do tego celu narzędziem jest opis funkcjonalny określający główne strumienie przepływu informacji w urządzeniu. Urządzenie mechatroniczne może być przy tym opisane przez zdolność transformowania materiału, energii lub informacji. Innym sposobem opisu urządzeń mechatronicznych jest określenie funkcji celu., czyli zdolności do tworzenia potrzebnych efektów fizycznych.

Ze względów praktycznych główną funkcję celu urządzenia podzielić można na podfunkcje (funkcje celu niższego poziomu – funkcje wtórne). W cytowanej wcześniej pracy M. Gawrysiak stwierdził, że do realizacji dowolnej funkcji podzespołu lub urządzenia musi być realizowana jedna lub więcej nastepujących funkcji wtórnych:

• funkcja energetyczna w celu zasilania w energię,

• funkcja sterownicza w celu sterownia stanem podzespołu lub urządzenia,

• funkcja interfejsowa za peniająca komunikacje z otoczeniem,

• funkcja zabezpieczeniowa w celu eliminacji wpływu zewnetrznych czynników zakłócających na pracę podzespołu lub układu,

• funkcja komunikacyjna zapewniająca współpracę z innymi susteamami,

• funkcja strukturalna określająca strukturę fizyczną (budowę mechaniczną) podzespołu lub urządzenia.

Page 28: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

421

Rys. 9.18. Algorytm prac projektowo-konstrukcyjnych urządzeń mechatronicznych

Page 29: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

422

Zdefiniowanie głównej funkcji celu oraz wszystkich funkcji wtórnych możemy określić strukturę modelu blokowego podzespołu lub urządzenia – rys. 9.19.

Rys. 9.19. Ogólny model funkcji podzespołów, urządzeń i systemów

mechatronicznych

Znajomość funkcji oraz podfunkcji celu pozwala na określenie stanów pracy projektowanego urządzenia. Urządzenia mechatroniczne najczęściej działają sekwencyjne. Zgodnie z normą IEC 1131-3 działanie takich układów, z uwzględnieniem stanów ich pracy, opisać można za pomocą schematów działania, diagramów drogowych oraz diagramów przejścia. Niezależnie od formy przedstawienia układu podzespołu lub urządzenia mechatronicznego, po wyodrębnieniu logicznych stanów jego pracy, w trakcie procesu projektowania należy:

• w poszczegółnych stanach pracy układu wyodrębnić czynności cząstkowe,

• sporządzić słowny opis poszczegółnych czynnosci,

• sformułować warunki funkcjonowania zabezpieczeń i sposób postępowania w sytuacjach awaryjnych,

• sprządzić spis podzespołów (modułów) składowych układu,

• ustalić konfigurację układu,

• opracować algorytm pracu układu,

• opracować fizykalny oraz matematyczny model układu,

• sprawdzić za pomoca symulacji komputrowej poprawność pracy układu,

• wykonać prototyp części elektronicznej układu,

Page 30: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

423

• testować działanie układu w krokowym trybie pracy (bez udziału procesu automatycznego), przy czym syganły wyjściowe sensorów wielkości nielektrycnych zastapić można żródłami napięcia lub żródłami prądu o wartościach zmieniających się w przedziałach zgodnych ze zmianami sygnałów wyjsciowych senorów,

• wprowdziać korekty w opracowanym projekcie oraz w układzie, których celem jest usunięcie wad wykrytych w trakcie testu pracy,

• przeprowadzić badania układu w rzeczywisych warunkach eksploatacyjnych (badania prototypowe).

W przypadku układów, w których stosować można układy scalone typy ASIC działania projektowe można ograniczyć do skonfigurowania układu zgodnie z informacjami zawartymi w odpowiednich notach aplikacyjnych lub kartach katalogowych udostępnionych przez producenta tych układów. Przykładami takich układów są produkowane przez firmę ATMEL: specjalizowany sterownik wycieraczek przedniej szyby samochodowych oznaczony symbolem U641B, interfejs sensorów obciążenia siedzeń pasażerów typu 6268B współpracujący ze sterownikiem poduszek powietrznych pojazdu oraz źródło prądu typu ATA6264 przeznaczone do zasilania elektrozapalników tych poduszek.

Page 31: 00 strony tyt - wiak.imsi.pl · 9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ 397 Krzysztof Pacholski 9. Projektowanie układów mechatroniki samochodowej Pojęcie mechatronika

9. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW MECHATRONIKI SAMOCHODOWEJ

424

9.5. Literatura

[1] Dębowski A.; Automatyka, podstawy teorii. WNT, Warszawa 2008. [2] Gawrysiak M.: Mechatronika i projektowanie mechatroniczne.

Wprowadzenie. Wydawnictwo Politechniki Białostockiej, Białystok, 1997.

[3] Hadam P.: Projektowanie systemów mikroprocesorowych. Wydawnictwo btc, Warszawa 2004.

[4] Hebda M. Eksploatacja samochodów. Prywatna Wyższa Szkoła Ochrony Środowiska w Radomiu. Radom 2005.

[5] Heimann B., Gerth W., Popp K.: Mechatronika. Komponenty, metody, przykłady. PWN, Warszawa 2001.

[6] Herner A., Riehl H. J. : Elektrotechnika i elektronika w pojazdach samochodowych. WKŁ, Warszawa 2007r.

[7] Informatory techniczne firmy Bosch: [8] Czujniki w pojazdach samochodowych. WKŁ, Warszawa 2002 [9] Mikroelektronika w pojazdach. WKŁ, Warszawa 2002. [10] Sieci wymiany danych w pojazdach samochodowych, WKŁ,

Warszawa 2008. [11] Kitchen Ch., Counts L.: Wzmacniacze operacyjne i pomiarowe.

Poradnik projektanta. Wydawnictwo btc, Warszawa 2009. [12] Przepiórkowski J.: Silniki elektryczne w praktyce elektronika.

Wydawnictwo btc, Warszawa 2006. [13] Podstawy mechatroniki. Red. Olszewski M. Wydawnictwo REA,

Warszawa 2006. [14] Rogers Chr.: Diesel. Autoporadnik. Wydawnictwo AUTO, Warszawa

1997. [15] Rokosch U.: Układy oczyszczania spalin i pokładowe systemy

diagnostyczne samochodów OBD. WKŁ. Warszawa 2007. [16] Rokosch U.: Poduszki gazowe i napinacze pasów. WKŁ. Warszawa

2003. [17] Turowski J.: Podstawy mechatroniki. Wydawnictwo Wyższej Szkoły

Humanistyczno-Ekonowmicznej w Łodzi, Łódź 2008.