mehatronika motora sus i motornih vozila 2. deo...

Izvođenje nastave

PREDAVANJA: Dr Boris Stojić, docent [email protected]

Mehatronika MSUS i vozila Osnovne informacije o predmetu

Mehatronika motora SUS i motornih vozila2. deo: Mehatronika motornih vozila

Osnovne informacije o predmetu

Dr Boris Stojić, 2018

PREDAVANJA: Dr Boris Stojić, docent [email protected]ŽBE: Dr Aleksandar Poznić, asistent

Literatura

• Slajdovi i skripta sa predavanja i vežbi• Dodatni materijali (nezvanični)

• Predstavlja spoj:

MAŠINSTVA

ELEKTROTEHNIKE/ELEKTRONIKE

INFORMACIONIH TEHNOLOGIJA

Mehatronika MSUS i vozila Uvodna razmatranja

Mehatronika kao disciplina


INFORMACIONIH TEHNOLOGIJA

•Obuhvata i automatiku, telekomunikacije...

• “Elektromehaničko inženjerstvo”

• Sa tačke gledišta mašinskog inženjera: “dopunjeno mašinstvo”

•Uloga automatskog upravljanja: optimizacija eksploatacionih parametara (bezbednost, ekonomičnost/emisija, komfor…)

•Upotreba elektronike i računarskog upravljanja: za optimalnu realizaciju SAU i njihovog što efikasnijeg rada u što širem području radnih parametara

•Automatsko upravljanje – opštiji pojam od mehatronike (mehatronika podrazumeva


Elektronika i automatika u motornim vozilima: uloga, zahtevi, stanje, trendovi


•Automatsko upravljanje – opštiji pojam od mehatronike (mehatronika podrazumeva elektronski računar kao upravljačku jedinicu)

• Softverska realizacija upravljačkih funkcija – znatno širi spektar dejstva i veći stepen fleksibilnosti

• Zahtevi: pouzdanost u otežanim uslovima rada (vibracije, udari, kontaminacije, ekstremne temperature…), brzina izvršavanja – u realnom vremenu i brže, kompaktnost, umrežavanje…

• Sadašnja vozila: 20 80 upravljačkih jedinica

•Aktuelni trend razvoja: integrisano upravljenje, jedna upravljačka jedinica za celo vozilo


Elektronika i automatika u motornim vozilima: uloga, zahtevi, stanje, trendovi


Bosch

Osnovni koncept mehatroničkih sistema


walkerproducts.comtune-tec.com

jimbutterworth.co.uk

Senzor:Aktuator:


Senzor:

• prikuplja podatke o relevantnoj fizičkoj veličini (brzina, ubrzanje, sila, pritisak, temperatura...)

• konvertuje tu fizičku veličinu u električni signal pogodan za obradu računarom

Upravljačka jedinica:

• mikrokontroler - računar

• vrši obradu ulaznih podataka na osnovu učitanog softvera i memorisanih vrednosti parametara

• šalje upravljačke signale aktuatoru za upravljanje procesima

Aktuator:

• elektromotor, solenoid...

• generiše sile /obrtne momente za pomeranje upravljanih elemenata

• Akvizicija merne veličine - nekog od parametara stanja vozila odnosno okoline(položaj, ugao, brzina, ubrzanje, ugaona brzina, ugaono ubrzanje, sila, obrtni moment, pritisak, temperatura...)

• Prema potrebi - kondicioniranje, digitalizacija mernog signala

•Obrada mernog signala u upravljačkoj jedinici


Osnovni koncept mehatroničkih sistema


•Generisanje upravljačkih signala za izvršni organ - aktuator (elektromotor, relej, elektronski upravljani hidraulični / pneumatski elementi...)

• Izvršenje komande od strane izvršnog organa uticaj na izlaznu veličinu od interesa

• Veći broj upravljačkih jedinica, senzora, aktuatora umrežavanje, komunikacija, protokoli


• Kočni sistem: upravljanje klizanjem točka (pogon i kočenje), stabilizacija vozila

• Transmisija: upravljanje spojnicom, menjačem, raspodelom momenata (poprečno/uzdužno)...

• Sistem upravljanja: prilagođavanje servo dejstva, upravljanje točkovima zadnje osovine, prilagođavanje prenosnog odnosa, upravljanje “preko žice”, autonomno upravljanje

• Sistem oslanjanja: prilagođavanje prigušenja/krutosti, regulacija nivoa, aktivni stabilizator,

Primeri mehatroničkih sistema u vozilu i njihovih funkcija


• Sistem oslanjanja: prilagođavanje prigušenja/krutosti, regulacija nivoa, aktivni stabilizator, aktivno oslanjanje...

• Sistemi bezbednosti: aktiviranje vazdušnih jastuka, zatezači pojaseva...

• Sistemi komfora: asistencija otvaranja / zatvaranja vrata, aktivna sedišta...

• Itd...


Pregled upravljačkih sistema i upravljanih veličina u vozilima


Road and Off-Road Vehicle System Dynamics SAE


Senzori na vozilu

• Osnovni zadatak senzora: pretvaranje neke fizičke veličine u električni signal

• Električni signal:

• “Razumljiv” je upravljačkoj jedinici

• Sadrži potrebne informacije o posmatranoj fizičkoj veličini

• Osnovni princip rada senzora: u prisustvu neke fizičke veličine (sila, brzina, pritisakitd.) senzor generiše električni signal čije su karakteristike (amplituda, frekvencija...)


itd.) senzor generiše električni signal čije su karakteristike (amplituda, frekvencija...) proporcionalne karakteristikama te fizičke veličine; na osnovu karakteristikaelektričnog signala, upravljačka jedinica “tumači” informacije dobijene od senzora.

Detaljnije u nastavku kursa.


Bosch

Senzori na voziluRelevantne merne veličine – eksploatacioni parametri vozila:



• Posmatramo neki opšti primer elektronskiog sistema upravljanja

•Upravljačka jedinica dobija ulazne informacije od senzora, na osnovu kojih “donosi odluke” o potrebnim naredbama izvršnim organima

• Signal senzora može biti upućen direktno ka UJ, ili preko magistrale za slanje podataka (“bus” – detaljnije u nastavku kursa)

•Kako upravljačka jedinica “zna” šta joj senzor “kaže”? (tj. na kojim principima se vrši prenos informacija - komunikacija između komponenata sistema, “kojim jezikom govore”?)

Signali – osnovni pojmovi, osnovna klasifikacija


jezikom govore”?)

•U kontekstu mehatroničkog sistema i automatskog upravljanja:signal je nosilac informacije!

Ulazni signal: informacija na osnovu koje upravljačka jedinica “zna” šta se dešava “napolju” (ulazne veličine), i na osnovu predefinisanog programa “zaključuje” kakvu akciju treba preduzeti

Izlazni signal: informacija koju upravljački sistem prosleđuje izvršnom elementu – aktuatoru

Šta je signal?


• Koji parametri signala mogu da se koriste kao nosioci informacija?

• Posmatramo najjednostavniji primer: harmonijski signal (sinusoida)

• Šta su osnovni parametri signala?

•Amplituda (“0-to-peak”, “peak-to-peak”, RMS)

• Frekvencija = 1/Talasna dužina



electrical4u.com

dosits.org


•Veličina koja se meri može biti proporcionalna amplitudi ili frekvenciji signala:

•Npr. broj obrtaja može biti proporcionalan frekvenciji signala nosilac informacije je frekvencija.

•Npr. ubrzanje može biti proporcionalno amplitudi signala nosilac informacije je amplituda.

•Kada je nosilac informacije amplituda, od interesa može biti napon (naponski signali) ili jačina struje (strujni signali).



signali) ili jačina struje (strujni signali).

• Informativno: osim električnih, signali mogu biti i pneumatski, hidraulični, mehanički...

•Centralnu ulogu u mehatroničkom sistemu ima elektronski računar od interesa su električni signali



Ilustrativni primer: frekvencija signala proporcionalna je broju obrtaja.

t[s]


Brojčani podaci su ilustrativnog karaktera!

f1 = 1500 Hz

n1 = 300 o/min

f2 = 3000 Hz

n2 = 600 o/min

f3 = 4500 Hz

n3 = 900 o/min



Ilustrativni primer: amplituda signala proporcionalna je bočnom ubrzanju vozila.

1,5

2

2,5

3

3,5

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8US [V]

g

ay

Bočno ubrzanje

Signal senzora


0

0,5

1

1,5

0

0,1

0,2

0,3

0 5 10 15 20 25 30 t[s]

Brojčani podaci su ilustrativnog karaktera!



•Analogni signali: kontinualni po amplitudi, vremenska baza takođe kontinualna (signal definisan u svakom trenutku vremena)

•Digitalni signali: niz diskretnih vrednosti u diskretnim trenucima vremena, amplituda može imati samo predefinisane diskretne vrednosti

•Ulazni i izlazni signali digitalnog elektronskog računara mogu biti samo digitalni!

•Ukoliko senzor generiše analogni signal potrebna je A/D konverzija pre uvođenja signala u računar


• Pojam rezolucije: koliko diskretnih vrednosti je na raspolaganju za prikaz informacije?

•Osnovni nosilac informacije digitalnog signala je 1 bit

•Vrednost bita može biti “0” ili “1” (logička “0” ili “1”)

•Hardverska realizacija: svakoj logičkoj vrednosti odgovara određen nivo napona – npr. 2,5V=“0”, 5V=“1” i sl. (napon signal može da ima samo jednu od dve predefinisane vrednosti!)

• 1-bitni signal može da ima samo dve diskretne vrednosti (dva nivoa): uključeno/isključeno, visoko/nisko, toplo/hladno...



• 2-bitni signal može da ima ukupno 4 diskretne vrednosti:

00 01 10 11

• 3-bitni signal može da ima ukupno 8 diskretnih vrednosti:

000 001 010 011 100 101 110 111

Primer: analogni signal broja obrtaja koji može iznositi 0 do 6400 treba predstaviti


Primer: analogni signal broja obrtaja koji može iznositi 0 do 6400 treba predstaviti dgitalnim signalom sa 3 bita:

000 001 010 011 100 101 110 111

0-800 800-1600 1600-2400 2400-3200 3200-4000 4000-4800 4800-5600 5600-6400

Broj obrtaja:

Signal:



• Ilustracija konverzije analognog u digitalni signal:


Kickstarter.com

Vrednost karakterističnog parametra signala (amplituda ili frekvencija) na kraju se iskazuje kroz niz nula ili jedinica (binarni niz)



• Prenos informacije 4-bitnim signalom (primer):

UN = 1,5V

UV = 3,5V




Broj bita Broj diskretnih vrednosti signala

4 24 = 16

8 28 = 256

10 210 = 1024

12 212 = 4096


12 212 = 4096

16 216 = 65536

32 232 = 4.294.967.296

64 264 = 1.844671019

128 2128 = 3.402821038




Toralf Trautmann:Grundlagen der Fahrzeugmechatronik



•Merenje/ispitivanje karakteristika signala senzora: multimetar, osciloskop

•Neki primeri izgleda signala senzora:

brakeandfrontend.com


cecas.clemson.edu

tequipment.net

brakeandfrontend.com

mdpi.com


• Predstavljanje signala u vremenskom i frekventnom domenu

•Harmonijski, periodični, neperiodični...




• Izvorni signal senzora treba prilagoditi da bude “razumljiv” elektronskom računaru

•U zavisnosti od vrste signala potrebno kondicioniranje i /ili digitalizacija

• Kondicioniranje (priprema) signala: pojačanje, filtriranje...

• Elementi za kondicioniranje i digitalizaciju signala:

•u potpunosti u okviru upravljačke jedinice

delimično ili potpuno integrisani sa senzorom

Primena signala senzora


•delimično ili potpuno integrisani sa senzorom




Primer kondicioniranja i digitalizacije signala

J. Erjavec:Automotive Technology




Primer integrisanog kondicioniranja i A/D konverzije signala:senzor sa Holovim efektom – na izlazu se dobija digitalni signal

J. Erjavec: Automotive Technology

Izvršni organi - aktuatori


• Elektromagnetni ventili, elektromotori...

• Generišu sile i pomeranja


http://jaymarketingassociates.com


•Aktuatori konvertuju elektronski signal u mehaničko dejstvo (pomeranje elemenata, uključivanje/isključivanje releja, upravljanje hidrauličnim ventilima...)

• Signal upravljačke jedinice se aktuatoru prosleđuje posredstvom izlaznom elementa - drajvera:

• Izlazni element povezan sa masom ("-") - upravljanje nizom impulsa uključeno/isključeno ("PWM") – modulacija širine pulsa

• Izlazni element na "+" vodu - regulacija izlazne struje pomoću MOSFET

Upravljanje aktuatorima


• Izlazni element na "+" vodu - regulacija izlazne struje pomoću MOSFET tranzistora

•Modulacija širine pulsa - digitalni signal “glumi” analogni:

microe.com

forum.arduino.cc


Osnovna građa mikrokontrolera:

• Ulazni i izlazni blokovi (prilagođavanje forme podataka standardima za komunikaciju)

• Sprežni blok (Gateway) – za povezivanje na komunikacione vodove uređene komunikacionim protokolima

• Memorija: skladištenje programa i parametara (vrednosti: trenutne-radne, trajne, naučene tokom rada u petlji)

Upravljačke jedinice - kontroleri


trajne, naučene tokom rada u petlji)

• Mikroprocesor – centralni deo

• Oscilator

• Električni priključci – pinovi. ulazni i izlazni (uvođenje i izlaz signala iz i ka “spoljnom svetu”)


Osnovna građa mikrokontrolera – šematski prikaz





Podela prema nameni i pripadnosti grupi elemenata vozila:

• Pogonska grupa (PCM – Powertrain Control Module): motor, transmisija i pripadajući podsistemi

• Donji postroj (Chassis Control Module): kočnice, oslanjanje, upravljanje

• Karoserija (BCM – Body Control Module): signalizacija, brisači, klima...

• Telematika: komunikacija vozila sa okolinom: navigacija, audo signal, mobilna telefonija, naplata putarine...



telefonija, naplata putarine...


Prijem ulaznih signala od senzora

Obrada podataka

Generisanje izlaznih signala za aktuatore

http://auto.howstuffworks.com



http://ecumotor-cp147.webprestashop.com

Softver učitan u upravljačku jedinicu



cdn.instructables.com

Primer: softverski kod univerzalnog mikrokontrolera “Arduino”

Umrežavanje elemenata mehatroničkih sistema


“Embedded” (“uvezani”) sistemi – namenski proizvedeni za određeni proizvod/okruženje, u našem slučaju za vozilo


hot.ei.tum.de

• Komunikacija: od senzora ka UJ, od UJ ka aktuatoru, između različitih UJ

Koncept CAN-Bus komunikacione magistrale




mehatronika motora sus i motornih vozila 2. deo...

Documents