article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
2(98)/2014
Sebastian Brol1, Agnieszka Szegda2, Rafał Eliasz3, Rafał Czok4
UKŁAD REGULACJI POŁOŻENIA PRZEPUSTNICY Z AKTUATOREM
ELEKTRYCZNYM
1. Wstęp
W artykule przedstawiono koncepcję projektu, prototypu oraz właściwości
uniwersalnego sterownika do regulacji położenia przepustnicy. Założeniem projektu
było wykonanie sterownika służącego do sterowania typowymi układami z elektrycznie
sterowanym położeniem przepustnicy oraz położeniem przepustnicy w układach z
dodatkowym aktuatorem elektrycznym, który przesuwa linkę w pancerzu zmieniając w
ten sposób położenie przepustnicy. Założenia te wynikały z potrzeb Katedry Pojazdów
Drogowych i Rolniczych [8, 9] dotyczących badań naukowych i dydaktycznych, na
obiektach gdzie wymagane było ustalenie przepustnicy w żądanym położeniu.
Projekt realizowany był z doktorantami Katedry oraz ze studentami z koła naukowego
Klakson w ramach projektu Kreatywny Inżynier. Studenci studiowali na kierunku
Mechatronika.
Założeniami projektu, obok wymienionej wcześniej uniwersalności, były także:
prostota konstrukcji, sterowanie z użyciem mikrokontrolera, łatwość programowania,
minimalna liczba elementów elektronicznych. Dodatkowo uwzględniono różne źródła
sygnału wejściowego niosącego informację o żądanym uchyleniu przepustnicy. Jako
aktuator przyjęto silnik prądu stałego, szczotkowy z magnesami trwałymi.
Zadaniami postawionym przed zespołem było przygotowanie prototypu na płytce
stykowej, oprogramowanie mikrokontrolera, dobór regulatora (implementacja algorytmu
wybranego regulatora), jego strojenie, wykonanie obwodu drukowanego, montaż w
obudowie, wyprowadzenie przewodów zasilania i sygnałowych, badanie właściwości
układu regulacji na wybranym obiekcie regulacji, wykonanie układu do testowania,
badania charakterystyk regulacyjnych, wyciągnięcie wniosków, ustalenie dalszych
działań.
2. Obiekt badań
Obiektem badań (rys. 1) jest przepustnica sterowana elektrycznie wraz z
regulatorem położenia (rys. 2). W korpusie układu sterowania przepustnicy znajduje się,
poza czujnikiem położenia przepustnicy i kołami zębatymi także szczotkowy silnik
elektryczny prądu stałego z magnesami trwałymi oraz sprężyna. Napęd elektryczny jest
wykorzystywany do otwierania lub zamykania przepustnicy (w zależności od
zastosowanego sterowania), sprężyna służy do normalnego zamykania lub zamykania
awaryjnego [5, 7].
dr inż., Politechnika Opolska, Wydział Mechaniczny,
inż., Politechnika Opolska, Wydział Mechaniczny,
3
inż., Politechnika Opolska, Wydział Mechaniczny,
4
mgr inż., Politechnika Opolska, Wydział Mechaniczny
1
2
35
3
2
1
Rys. 1. Elektrycznie sterowana przepustnica [8]. 1 - Napęd przepustnicy. 2 - Czujnik
rezystancyjny położenia przepustnicy. 3 – Przepustnica
Układ regulacji składał się z regulatora i sterownika PWM. Algorytm regulatora
został zaimplementowany na mikroprocesor AT-MEGA 328.
Rys. 2. Schemat układu regulacji. WZ – wartość zadana, WZS/WRS – wyjście
sygnału wartości zadanej/regulowanej do układu pomiarowego, E – uchyb, OR – obiekt
regulacji, PWM – sterownik PWM.
W tym konkretnym przypadku wykorzystano układ rozwojowy Arduino NANO [1],
który przedstawiono na rysunku 3 wraz z układem prototypowym. Jest on wyposażony
w złącze stykowe męskie pasujące do rozstawu otworów w płytce prototypowej
stykowej. Na takiej płytce wykonano i testowano prototyp układu regulacji położenia
przepustnicy.
W następnym kroku wykonano sterownik przepustnicy (rys. 4c), który umieszczono
w obudowie (rys. 4a). Zestaw rozwojowy Arduino NANO umieszczono w specjalnie
zaprojektowanej podstawce (rys. 4b). W porównaniu do prototypu zbudowanego na
płytce prototypowej stykowej sterownik wykonano wykorzystując obwód drukowany.
Rozszerzono też funkcjonalność sterownika w stosunku do prototypu. Może on pobierać
sygnał wartości zadanej z czujnika rezystancyjnego lub sygnału napięciowego w
zakresie od 0V do 5V. Przedstawiono to na schemacie ideowym, który pokazano na
rysunku 4c.
36
a)
c)
b)
Rys. 3. Układ rozwojowy Arduino NANO [1], widok od dołu (a) i od góry (b) oraz
prototypowy sterownik PWM (c)
a)
b)
c)
Rys. 4. Sterownik przepustnicy. Obudowa (a), obwód drukowany z podstawką dla
Arduino NANO (b), schemat ideowy (c)
3. Układ badawczy i metodyka badań
Do pomiaru odchylenia kątowego przepustnicy wykorzystano enkoder
inkrementalny Lika I41-H (rys. 5). Do połączenia go z wałem przepustnicy zastosowano
sprzęgło, co pozwoliło na odczyt wartości kątowej uchylenia przepustnicy ze znaną
37
(założono, że niższą, niż pozostałe czujniki) niepewnością pomiarową zależną od
parametrów enkodera [4].
Rys. 5. Układ kinematyczny silnika elektrycznego i przepustnicy z dołączonym
enkoderem. M – silnik, E – enkoder inkrementalny.
Na potrzeby badań wykonano układ wzajemnie powiązanych ze sobą mikrokontrolerów
[6] (rys. 6), których zadaniem było:
1) Regulacja położenia przepustnicy zgodnie z wartością zadaną. Mogła ona być
stała lub zmieniana dynamicznie. Dodatkowo możliwa była zmiana źródła
sygnału (UW, PED, POT).
2) Wyzwalanie pomiaru oraz dynamicznej zmiany wartości zadanej położenia
przepustnicy (tzw. wymuszenie skokowe) za pomocą sygnału TRG.
3) Pomiar wartości WZS, WRS, ES, wyzwalane TRG w testach dynamicznych lub
przyciskami SW1 i SW2 w testach statycznych
Rys. 6. Schemat układu regulacji, wyzwalania i pomiarowy. PED – pedał przyspieszenia,
POT – potencjometr, UW – układ wyzwalający, WZ – wartość zadana, WRS – wartość
regulowana, WZS/WRS – sygnał wartości zadanej/regulowanej, E – uchyb, ES – sygnał
enkodera, SW1/2 – rozpoczęcie/zakończenie pomiaru. 1, 3 – układy z wykorzystaniem
mikrokontrolera ARDUINO NANO, 2 – układ pomiarowy wykorzystujący
mikrokontroler STM32F1
38
W badaniach wykorzystano mikrokontroler wykorzystujący tzw. „toolchain” Arduino
z uwagi na prostotę programowania i na niskie koszty. Wykorzystano go do wykonania
układu regulacji (rys. 6 szczegół 1) oraz układu wyzwalającego (rys. 6 szczegół 3).
Prototypowy układ pomiarowy wykonano wykorzystując mikrokontroler STM32F4.
Jest to układ 32-bitowy wyprodukowany przez firmę ST Microelectronics (Rys. 7).
Mikrokontroler ten wybrano dla tego, że ma dedykowane wejścia dla enkodera oraz 8
kanałowy układ do pomiaru napięcia. Tu wykorzystano go do pomiarów napięcia z
czujników WZS i WRS. Służy on do przetwarzania danych które uzyskuje z czujników
WZS i WRS. Dane te są w postaci napięcia elektrycznego, gdzie poprzez RS – 232 są
przesyłane do komputera a następnie zamieniane na wartości binarne. Wartości binarne
następnie zostały przeliczone na wartości fizyczne.
Rys. 7. Mikrokontroler STM32F4 [2]
Celem badań jest wyznaczenie charakterystyk dynamicznych, metrologicznych i
statycznych układu regulacji. W tym celu należało wykonać badania [3,7,9,]:
W stanie ustalonym,
W stanie nieustalonym.
Plan badań przedstawia tabela 1, w której zawarto informacje dotyczące sposobów
wykonywanych badań.
Tabela 1. Plan badań
Badania w stanie
ustalonym
Uchylenie
przepustnicy
Mierzone wielkości
UPC
PC
E
Od 0O do 80O
co 10O
TAK
TAK
TAK
Obliczono lub
wyznaczono
Niepewność
pomiarową,
odchylenie
standardowe,
Skok do wartości od
Czas martwy, stała
0O do 80O
TAK TAK TAK
czasowa,
O
co 10
UPC – napięcie czujnika rezystancyjnego,
PC – kąt uchylenia przepustnicy mierzony za pomocą czujnika rezystancyjnego,
E – kąt uchylenia przepustnicy mierzony za pomocą enkodera.
Badania w stanie
nieustalonym
39
4. Wyniki Badań
4.1. Charakterystyki statyczne
W pierwszym etapie określono zależność między wartościami odchylenia
standardowego kąta uchylenia przepustnicy mierzonej czujnikiem rezystancyjnym a
wskazaniami enkodera, co pokazano na rysunku 8. Jak widać odchylenia standardowe
dla wszystkich badanych położeń przepustnicy wynosiły E=0. Założono zatem że
niepewność pomiarowa jest równa rozdzielczości enkodera i przyjmuje wartość
O
E=0,09 . Odchylenie standardowe sygnału z czujnika rezystancyjnego (po przeliczeniu
na stopnie kątowe) generalnie wacha się między PC=0,10O a PC=0,20O. Zaś
zaobserwowane wartości skrajne to odpowiednio PC=0,05O i PC=0,37O dla pomiaru w
pozycji minimalnego i maksymalnego uchylenia przepustnicy. Różnica wartości
brzegowych a wartości środkowych jest prawdopodobnie związana z szumem
powstającym na czujniku rezystancyjnym.
Odchylenie standardowe kąta
uchylenia przepustnicy mierzone
czujnikiem rezystancyjnym σPC i
enkderem E
0,40
0,35
enkoder
0,30
czujnik
rezystancyjny
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
0
20
40
60
80
Kąt uchylenia przepustnicy mierzony enkoderem
E
[o]
Rys. 8. Zależność odchylenia standardowego kąta uchylenia przepustnicy mierzonego
czujnikiem rezystancyjnym i za pomocą enkodera w wybranych położeniach
przepustnicy
W następnym kroku porównano ze sobą wartość kąta uchylenia przepustnicy
mierzonego enkoderem E do wartości napięcia UPC mierzonego za pomocą czujnika
rezystancyjnego (rys. 9). Stwierdzono, że zależność jest liniowa w zakresie napięć od 0
do 3,75V. Przy wyznaczaniu tej charakterystyki, na wykresie (rys. 9) do wyznaczania
tzw. „słupków błędu” wzięto wartość 3 Mimo to odchylenie było tak mała, że na
wykresie nie jest zauważalna. Wartość 3 dla wszystkich punktów nie przekraczała
równa 3 =0,05 V.
40
Napięcie z czujnika położenia
przepustnicy Upc, V
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
Upc = 0,0391 E + 0,6741
R² = 0,9996
0,5
0,0
0
20
40
60
80
Kąt uchylenia przepustnicy mierzony
enkoderem E, [o]
Rys. 9. charakterystyka statyczna układu regulacji
Zbadano zależność pomiędzy napięciem z czujnika położenia pedału przyspieszenia
UPP i kątem uchylenia przepustnicy. Stwierdzono, że w początkowej fazie uchylania
pedału przyspieszenia, przepustnica nie odchylała się, co pokazuje rysunek 10. Wartość
ta wyniosła około UPP 0,715 V, co odpowiadało około 17% uchylenia pedału.
Kąt uchylenia przepustnicy
mierzony enkoderem E, [o]
0,40
80
70
0,20
60
0,00
0,71
50
0,72
40
30
20
E
10
= 24,665UPC - 17,385
R² = 0,9998
0
0
1
2
3
Napięcie z czujnika położenia pedału
przyspieszenia Upp, V
4
Rys. 10. Charakterystyka statyczna układu regulacji z wyszczególnieniem nieciągłości
UPP w początkowym zakresie zmiany napięcia
41
Wynika to z celowego zmniejszenia czułości pedału przyspieszenia, aby
wyeliminować gwałtowne zmiany przyspieszenia wywołane przypadkowym lub
niezamierzonym dotknięciem stopą pedału przyspieszenia.
4.2. Charakterystyki dynamiczne
Charakterystyka dynamiczna układu regulacji przepustnicy ma na celu ocenę
przebiegu otwierania i zamykania przepustnicy. Uzyskano informacje o wartościach
stałej czasowej i czasie martwym w obu tych fazach ruchu, co pokazano na rysunku 11a
i 11b. Stwierdzono, że czas martwy jest około dwukrotnie mniejszy podczas zamykania
niż otwierania. Podobną prawidłowość zaobserwowano dla stałej czasowej. Wynika to z
sumarycznego oddziaływania sprężyny powrotnej i nieciągłości przedstawionej na
rysunku 9.
b)
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0,14
0,12
stała czasowa
0,2
0,11
0,12
0,12
0,06
0,04
0,05
50
75
0,14
10
30
stała czasowa
czas martwy
0,1
czas martwy
Czas t, s
Czas t, s
a)
Kąt uchylenia przepustnicy
0,08
0,06
0,04
0,02
0
0,09
0,1
0,03
0,08
0,05
0,02
0,02
0,03
10
30
50
Kąt uchylenia przepustnicy ,
[O]
75
[O]
Rys. 11. Stała czasowa i czas martwy podczas otwierania (a) i zamykania (b)
przepustnicy
5. Wnioski
W wyniku przeprowadzonych badań i analiz można wyciągnąć następujące wnioski:
1. Sterownik sterujący typowym aktuatorem układu ETC ze sprężyną zwrotną
charakteryzuje się dłuższym czasem otwierania przepustnicy niż zamykaniem
2. Przyczyną tego jest wspólne oddziaływanie sprężyny zwrotnej i strojenia
regulatora PID.
3. Ekonomicznie korzystne jest wykorzystywanie tego rodzaju sterowników do
ustalania położenia przepustnicy, gdzie ruch powrotny wymuszany jest przez
sprężynę powrotną. Sterownik energii dodatkowej może składać się wówczas
tylko z tranzystora, diody zabezpieczającej i dodatkowych elementów R i C.
4. Regulator ma korzystne charakterystyki statyczne. Niepewność ustalenia
przepustnicy nie przekracza ± 0,09° (stopnia kątowego).
5. Istnieje możliwość zwiększenia dynamiki podczas otwierania dla badanego
obiektu regulacji o około 50 % poprzez zmianę parametrów regulatora PID.
6. Do regulacji badanego obiektu można także zastosować układ kaskadowy
regulatorów jak to pokazano na rysunku 12. Jednak wymagany będzie tzw.
mostek H i dodatkowe czujniki do realizacji sprzężenia zwrotnego od natężenia
przepływu prądu i prędkości kątowej. Podniesie to koszty konstrukcji, ale (ze
względu na sztywne połączenie silnika z wałem przepustnicy) zapewni aktualne
otwieranie i zamykanie przepustnicy.
42
7.
Nie jest korzystnym stosowanie układu regulatorów jak w punkcie 6 wraz z
aktuatorami linkowymi. Przy zamykaniu zostanie tylko zmniejszone napięcie
linki, jednak zamknięcie przepustnicy będzie realizowane tylko przez siłę
sprężyny powrotnej pomniejszoną o siłę tarcia linki o pancerz.
Rys. 12. Układ kaskadowy regulatorów
Literatura
[1]
Mikrokontroler
ARDUINO,
{Dostępny
–
20.02.2014:
http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardNano#.UwulbcEwC1s},
[2]
Mikrokontroler
STM32F4,
{Dostępny
–
20.02.2014:
http://www.st.com/web/en/catalog/mmc/FM141/SC1169/SS1577},
[3]
Orzełowski S.: Eksperymentalne badania samochodów i ich zespołów, Warszawa
1995 WNT.
[4]
Ocioszyński J.: Elektrotechnika i elektronika pojazdów samochodowych, WSiP,
W-wa,1996,
[5]
Herner A, Riehl H.J.: Elektrotechnika i elektronika w pojazdach
samochodowych, WKiŁ, Warszawawa, 2003,
[6]
Olszewski M.: Mechatronika, REA, Warszawa, 2001,
[7]
Konopiński M.: Elektronika w technice motoryzacyjnej, WKiŁ, Warszawa,
[8]
Augustynowicz A., Malewicz K.: Instrukcja do ćwiczenia „Układy
elektronicznego sterowania przepustnicą”, Politechnika Opolska, 2007
[9]
Mamala J., Siłka W.: THROTTLE RANGE AND SPEED MOTION
PROGRAMMING IN SI ENGINE, Journal of KONES Internal Combustion
Engines 2002 No. 1‐2 ISSN 1231 ‐ 4005
Streszczenie
W pracy przedstawiono koncepcję, założenia konstrukcyjne układu oraz budowę
urządzenia służącego do regulacji położenia przepustnicy z aktuatorem elektrycznym.
Jest to specyficzne urządzenie przeznaczone do sterowania przepustnicami systemów
ETC (ale bez używania ich własnych sterowników) lub do automatyzacji sterowania
silnikami ZI z przepustnicą sterowaną mechanicznie z wykorzystaniem dodatkowego
aktuatora elektrycznego. Przewiduje się zastosowanie tego urządzenia w tuningu
niektórych silników wyposażonych w ETC oraz do testów i badań, w których wymagane
jest ustalenie położenia konwencjonalnej przepustnicy za pomocą sygnału elektrycznego
(napięciowego lub prądowego). W artykule zaprezentowano schemat urządzenia i
główny algorytm sterowania. Omówiono tryby pracy oraz zastosowane rozwiązania
podnoszące jego uniwersalność. Dodatkowo porównano charakterystyki pracy układu
podczas pracy w stanie ustalonym i podczas przestawiania przepustnicy oraz porównano
43
je z typowymi ruchami przepustnicy wywoływanymi przez kierowcę. Przedstawiono
spostrzeżenia oraz wnioski i potencjalne aplikacje.
Słowa kluczowe: przepustnica, regulator, enkoder, czujnik rezystancyjny.
THROTTLE POSITION CONTROL SYSTEM WITH ELECTRIC ACTUATOR
Abstract
The paper presents the concept, the design intent and construction of a device for
adjusting the position of the throttle using of an electric actuator . It is a unique device
designed to control ETC systems (but without using their own drivers ), or to automate
the control of SI engines throttle mechanically controlled using an additional electric
actuator . Provides for the use of this device in tuning some engines fitted with ETC and
to tests and trials , which is required to determine the position of a conventional throttle
by means of an electrical signal ( voltage or current ) . The paper presents the design of
the device and the main control algorithm. Modes are discussed and applied technology
to enhance its versatility . Additionally, compared to the performance characteristics of
the system to steady-state operation and when moving the throttle and compared with
common movements of the throttle caused by the driver. Presented findings and
conclusions and potential applications .
Keywords: Throttle, enkoder, regulator, electric actuator
44