article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów
Transkrypt
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