Датчики автомобільних електронних систем

Сучасний автомобіль складається з чотирьох основних агрегатів: двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ), кузова, шасі і ходової частини. Ці агрегати складаються з різних функціональних систем, які забезпечують виконання головної функції автомобіля — перевезення вантажів і пасажирів. Для того щоб перевезення були безпечними, а для пасажирів і комфортними, щоб агрегати, вузли, блоки, системи працювали безвідмовно, на автомобілі широко використовуються електротехнічні пристрої та засоби електрон співай автоматики.

> В останні роки технічна оснащеність автомобілів електронної бортовий автоматикою значно зростає.

Зовсім недавно мікропроцесорні системи запалювання, електронні системи керування гідравлічними гальмами, системи впорскування бензину, бортова сам oil і а гностика вважалися останніми досягненнями в області автомобільного апараті та приладобудування. Тепер їх відносять до класичних систем і встановлюють майже на кожен серійний автомобіль.

В наші дні на знову розробляються моделі автомобілів додатково починають встановлювати абсолютно нетрадиційні бортові автоматичні системи, до яких відносяться: інформаційна система водія з мікропроцесорним забезпеченням; супутникова навігаційно-пошукова система; радарні та ультразвукові системи захисту автомобіля від зіткнень і викрадення; системи підвищення безпеки і комфорту людей в салоні; система круїз-контролю; система «електронна картка»; мультиплексна електропроводка.

Паралельно проводяться пошуки більш ефективних комп’ютерних технологій обробки інформації в бортових електронних системах. Розроблені і вже знаходять застосування так звані лінгвістичні функціональні перетворювачі, які працюють з нечіткими підмножинами лінгвістичних змінних, виражених окремими словами або цілими реченнями на природному (англійською) або штучному (комп’ютерному) мовою. При деякому ускладненні логічних та арифметичних операцій в мікро ЕОМ це дозволяє підвищити точність і швидкість (швидкість) обробки сигналів. Як наслідок, значно ускладнився інтерфейс, і виникла необхідність у веденні CAN – протоколу мультиплексну систему.

На базі електронних систем автоматичного управління двигуном (ЭСАУ-Д) і гальмами (ЭСАУ-Т) розроблена і вже застосовується гироскопическая система VDC для підвищення курсової стійкості автомобіля на дорозі в складних умовах руху. Система VDC працює за принципом запрограмованого під позаштатні умови руху спільного впливу на крутний момент ДВС (за допомогою системи ASR) і на антиблокувальну систему гальм ABS, чим виключається бічне відведення (знесення) автомобіля при поворотах на великій швидкості або на слизькій дорозі. Водієві в такому випадку відводиться роль активного спостерігача, контролюючого н коригуючого поведінку автомобіля.

Інтенсивно ведуться наукові дослідження можливості застосування електромагнітних клапанів з електронним управлінням в газорозподільному механізмі (ГРМ) поршневого ДВЗ. Ідею замінити класичні механічні клапани електромагнітними ще в 50-х роках XX ст. запропонував професор Московського автомобільно-дорожнього інституту (МАДІ), доктор технічних наук Володимир Митрофанович Архангельський. Що це дає поршневому ДВС, добре відомо теоретично [24]. Але практична реалізація ідеї виявилася виключно трудомісткою завданням, над вирішенням якої працюють фахівці багатьох зарубіжних фірм і вітчизняні розробники. Теоретичні та експериментальні дослідження вже завершені. Тепер йдуть розробки конструкторських варіантів виконання ГРМ з електромагнітними клапанами.

Поряд з удосконаленням автомобільних бензинових ДВЗ все більш активізуються роботи по створенню екологічно чистих силових установок для електромобілів. Вважають, що гідною заміною міському автомобілю може стати гібридний електромобіль, електронні системи управління яких також відносяться до сучасних новацій в області автомобілебудування.

В сучасних умовах глобальним вимогою до новітніх автомобільним електричних і електронних систем є неухильне виконання міжнародних стандартів OBD-II (США) і EOBD-II (EU), які продовжують вдосконалюватися.

> Крім специфіки виконуваних функцій новітні системи автомобільної бортової автоматики кардинально відрізняються від класичних, чисто електронних систем широкою різноманітністю принципів дії вхідних у них складових підсистем. У залежності від розв’язуваної задачі в нову систему в якості основних компонентів можуть входити не тільки електричні та електронні вузли і блоки, і механічні, гідравлічні, светооптические, ультразвукові та будь-які інші пристрої, що мають неэлектрическую природу функціонування. Їх роль у реалізації заданої функції управління головна, хоча всі інформаційні процеси в системі реалізуються на рівні електронних блоків управління (ЕБУ), а в новітніх системах — в бортових мікропроцесорах. Такі великі складові комплекси управління не можуть відноситися ні до механічним, ні електричним, ні до електронних, ні до будь-яким іншим «чистим» за принципом дії систем. У цьому зв’язку новітні системи автомобільної бортової автоматики, що встановлюються на концептуальні автомобілі, отримали повое назва — автотронные системи.

Автотронная система, керуючи неелектричними процесами через неэлектрическую периферію на виході, сама управляється від сигналів, що мають неэлектрическую природу, які формуються неелектричної вхідний периферією.

> Наприклад, автотропная система VDC (управління курсовою стійкістю руху автомобіля), функціональні взаємозв’язки якої з водієм і дорогий показано на рис. 1.1, використовує в якості вхідної інформації швидкість руху, кути нахилу кузова, різниця частот обертання коліс, кут повороту керма, атмосферні умови, а в деяких варіантах — тиск в шинах і стан дорожнього покриття.

Опис умовних позначень, прийнятих на рис 1.1.

1. Географічні умови: звивистість дороги, спуски, підйоми, повороти, перехрестя доріг, переїзди.

2. Дорожні умови: тип дорожнього покриття (гравій, бетон, асфальт); асфальт сухий, мокрий, зледенілий; освітлення дороги; щільність транспортного потоку.

3. Кліматичні умови: атмосферні – температура, вологість, тиск, температура асфальту.

4. Техногенні умови: зчеплення коліс з дорогою але станом протекторів шин; швидкість обертання коліс; швидкість рискання; бічне відведення автомобіля, бічне відведення коліс, бічне прискорення.

A. Блок датчиків кута повороту керма; кута повороту кузова автомобіля навколо вертикальної осі (гіроскоп); бічного прискорення.

B. УВР — керуючі реакції водія, що є відгуком суб’єктивного мислення на дорожні умови руху; проявляються індивідуально в залежності від фізичного і психічного стану людини.

C. Блок датчиків температури, тиску, вологості в атмосфері, температури асфальту (по тиску в шинах).

D. Блок колісних датчиків (ДК) ABS і обчислюваних в ЕБУ системи VDC неелектричних вхідних параметрів .

E. Центральний бічній комп’ютера (мікропроцесор (МП), в який інтегровані всі логічні та обчислювальні функції чотирьох автоматичних систем управління VDC, ADS, ASR, ABS. Містить оперативну (ОЗП) і постійну (ПЗУ) пам’ять, а також вхідні аналого-цифрові (АЦП) і вихідні цифроаналоговые (ЦАП) перетворювачі.

F. Блок кінцевих перетворювачів електричних сигналів в неелектричні впливу:

а) ДІС/ВП — драйвери інформаційної системи водія (ДІС) і візуальний перетворювач (ВП) електричного сигналу в оптичне зображення;

б) ЕДД/КД — електродвигун (ЕДД) і клапан (КД) затухання активної підвіски (системи ADS);

в) ЭДН/НД — електродвигун (ЭДН) і нагнітач (НД) високого тиску в системі VDC;

г) ЭДТ/ГК — електродвигун (ЭДТ) і гідроклапани (ЦК) системи ABS;

д) ШЭД/ІН — кроковий електродвигун (ШЭД) і дросельна заслінка (ІН) системи ASR.

G. Блок водійських органів управління: ВІ — візуальні індикатори (стрілочні, електронні, дисплей тощо); РК — рульове колесо; ПТ — педаль гальма; ПГ — педаль акселератора (газу).

Все це неелектричні прояви умов руху автомобіля, які з допомогою вхідних перетворювачів неелектричних переробляються в неелектричні інформаційні сигнали: швидкість руху — в кругову частоту обертання коліс; кути вертикального способу — механічні переміщення інерційних елементів в гироскопическом пристрої; кут повороту керма — рух (поворот) светомодулирующего (колирующего) диска; тиск в шинах — прогин пружної мембрани і т. д.

Отримані таким чином неелектричні інформаційні сигнали за допомогою вхідних датчиків (рис. 1.1, поз. А, З, D) перетворюються в електричні сигнали: поворот кодує диска на кермі — цифровий електричний код; кругова частота обертання коліс — в послідовність електричних імпульсів з мінливою частотою прямування; переміщення інерційних елементів гіроскопа, пружної мембрани датчика тиску — в аналогові електричні сигнали, які далі за допомогою аналогово-цифрових перетворювачів (АЦП) переробляються в цифрові електричні сигнали, придатні для подачі на вхід мікропроцесора МП.

Мікропроцесор — це центральний орган управління (мозок) автотронной системи. Його головна функція полягає в перетворенні електричних інформаційних сигналів про умови руху автомобіля, отриманих від вхідних периферії, в електричні сигнали управління, які несуть інформацію про інтенсивності та послідовності неелектричних впливів на неелектричні органи управління. Така інформація формується в мікропроцесорі у вигляді кодових послідовностей електричних імпульсів, які для безпосереднього управління неелектричними органами непридатні.

Для узгодження енергетичних рівнів без порушення інформаційного змісту на виході мікропроцесора реалізується зворотне перетворення інформаційних сигналів з цифрової в аналогову форму. Цю функцію виконують цифроаналоговые перетворювачі (Цапи), які одночасно є підсилювачами потужності аналогових електричних сигналів.

Щоб виконати кероване неелектричне вплив на неелектричні органи управління, слідом за ЦАПами встановлюються кінцеві перетворювачі електричних сигналів в механічні або будь-які інші неелектричні впливу. Прикінцеві перетворювачі (блок F на рис. 1.1) є вихідними виконавчими пристроями автотронной системи, але не є її інформаційним закінченням. На відміну від електронної системи автотронная система включає в свій склад і неелектричні об’єкти управління, які є кінцевими споживачами інформації. Стосовно до розглянутої системи управління стійкістю руху автомобіля, кінцевими споживачами інформації є: система подачі палива у двигун 4, гальмівна система 2 автомобіля і інформаційна система водія з візуальними індикаторами (ВІ) і оптичним (зоровим) каналом управління (ОКУ). Ці три системи являють собою вихідну виконавчу периферію автотронной системи, яка (периферія) під автоматичним управлінням мікропроцесора, при вкрай обмеженому (за допомогою корекції положення керма) участі водія, забезпечує найбільш оптимальний режим руху автомобіля у складних дорожніх умовах або в аварійній ситуації (більш докладно система VDC описана в главі 8).

> Інший приклад — автотронное управління насос-форсунками, які використовуються у системах упорскування бензину під великим тиском безпосередньо в камеру згоряння для реалізації внутрішнього сумішоутворення. Починаючи з 2000 року такі форсунки стали встановлюватися в двигунах експериментальних легкових автомобілів фірми TOYOTA (Японія).

Насос-форсунка (рис. 1.2), будучи гидромеханическим пристроєм, що приводиться в дію від кулачка 10 розподільного вала ДВЗ, а управляється від електронної системи S автотронного управління уприскуванням (ЭСАУ-В) за допомогою швидкодіючого електрогідравлічного клапана 2.

Насос-форсунка є яскравим прикладом складового компонента автотронной системи. Вхідними неелектричними сигналами тут служать: частота обертання і кутове положення розподільного вала; абсолютний тиск (розрідження) у впускному колекторі; температура двигуна і положення водійських педалі газу. Ці неелектричні величини з допомогою відповідних датчиків і АЦП перетворюються в числоимульсную послідовність електричних сигналів і подаються на вхід мікропроцесора ЭСАУ-Ст. В мікропроцесорі шляхом математичної обробки вхідних сигналів відбувається формування послідовності керуючих імпульсів для електрогідравлічного клапана насос-форсунки.

В даному випадку на виході ЦАП мікропроцесора не застосовується, але керуючі імпульси посилюються в підсилювачі потужності і подаються на обмотку електромагніта гідроклапана 2. Гідроклапан являє собою вихідну виконавче пристрій автотронной системи. Однак об’єктом управління є не гидрокланан, а точно я відміряв по масі і розподілена за часом струмінь 21 розпорошеного бензину, що надходить в об’єм циліндра через дисковий запірний клапан 17 форсунки. Управління струменем дозволяє отримати так званий пошарове впорскування бензину, суть якого складається в строго дозованої подачі палива окремими порціями і в строго певний час. При цьому за один цикл уприскування бензин подається не суцільної однорідної струменем, як у звичайній форсунки з електронним управлінням, а кількома частинами, кожна з яких утворює «свій» коефіцієнт надлишку повітря р. В обсязі циліндра утворюється пошарова структура ТВ-суміші з різною концентрацією компонентів. Перевага прямого пошарового впорскування бензину полягає в тому, що в перший момент займання в зоні центрального електрода 19 свічки запалювання 18 має місце стехіометрична (нормальна) ТВ-суміш з коефіцієнтом (3=1), яка легко займається. Далі процес горіння бензину при значному надлишку кисню (р = 2,0) підтримується за рахунок «відкритого вогню», що утворився в перший момент займання. Такий процес згоряння ТВ-суміші дозволяє отримати значну економію бензину (до 35%), знизити викид в атмосферу чадного газу СО і вуглеводнів СН, а також збільшити питому потужність двигуна.

1 — фрагмент блоку циліндрів у зоні камери згоряння; 2 — магнітоелектричних гідроклапан у зливному каналі; 3 — головна бензомагистраль; 4 — подає бензомагистраль; 5 — зливний канал (зворотна бензомагистраль); 6 — корпус насос-форсунки; 7 — поворотна пружина плунжера; 8 — опорна тарілочка пружини плунжера; 9 — штовхач плунжера; 10 — кулачок розподільного вала; 11— запірний кільце опорної тарілочки; 12 — поршень плунжерного насоса; 13 — робоча порожнину насос-форсунки; 14 — гідромеханічна форсунка закритого типу високого тиску (100-150 бар);

15 — перепускний канал з порожнини плунжерного насоса в порожнину форсунки; 16 — поворотна пружина запірного клапана форсунки; 17 — дисковий запірний клапан форсунки; 18 — свічка запалювання (СЗ); 19 — центральний електрод СЗ; 20 — бічний електрод; 21 — конус (струмінь) розпорошеного бензину; L — хід плунжера.

> З наведених прикладів очевидно, що автотронная система є сукупністю різних за принципом дії пристроїв, об’єднаних в єдиний комплекс з метою виконання необхідної специфічної функції управління, регулювання або поточного контролю на борту автомобіля. Сучасні підходи автомобілебудівників до комплексного вирішення завдань автоматичного контролю, управління і регулювання призводять до того, що переважна більшість новітніх автомобільних систем бортової автоматики є автотронными, вхідними впливами для яких є неелектричні прояви режиму роботи, умов руху, дорожніх ситуацій і інших факторів, а вихідними споживачами інформації (об’єктами управління) — неелектричні вузли, блоки, пристрої, газоподібні і рідинні середовища, що мають місце на автомобілі, і сам водій. Це принципові відмінності автотронных систем від суто електронних і електричних.

> Говорячи про тенденції та перспективи розвитку автомобільних бортових пристроїв, слід зазначити, що традиційно найбільш інтенсивно вдосконалюються вузли, агрегати і схеми класичного електрообладнання. Вже скоро в бортову мережу автомобіля буде впроваджено друге робоче напруга 42 вольта. Це пов’язано з необхідністю підвищення напруги електроживлення для новітніх енергоємних споживачів, таких як силові електромагнітні гідроклапани, електромагнітні соленоїди силових виконавчих пристроїв, потужні електродвигуни, силові електронні комутатори, мультиплексна електропроводка і т. п. Ясно, що при підвищенні напруги електроживлення відповідно зменшуються струми в ланцюгах споживачів, що призводить до більш надійною та економічною їх роботі. Але відразу переводити всі електроспоживачі на нове напруга, як це було зроблено при переході з 6 на 12 вольт, в даний час нераціонально. Причина тому — випуск 12-вольтів споживачів великими серіями, технологічна оснащеність виробництва і, головне, все що експлуатуються в даний час автомобілі обладнані 12-вольтовьши споживачами (електролампи, електродвигуни, електронне і микрокомпьютерное оснащення, аудіо-, радіо-, відеоапаратура, бортова самодіагностика тощо).

Єдиної стратегії перекладу бортмережі автомобіля на більш високу напругу поки немає. Вважають, що деякий час на автомобілі буде дві напруги: 12 вольт — для класичного електрообладнання, і 42 вольта — для новітніх потужних споживачів. Такий підхід широко використовується па багатотонних вантажних автомобілях, де потужні електроспоживачі 24-вольт, а освітлення — від 12 вольт. Ще більш яскравий приклад — електромобілі. Тут головна тягова акумуляторна батарея, керуючий контролер і тяговий електродвигун розраховані па напругу 120…380 В і з’єднані між собою окремими ланцюгами. При цьому бортову мережу залишається 12-вольтової.

З наведених прикладів зрозуміло, що функціональне різноманіття бортових електричних пристроїв неминуче призводить до необхідності застосування на автомобілі декількох первинних джерел електроенергії з різними робочими напругами. При цьому не виключено, що буде використовуватися і змінну синусоїдальна напруга для спеціальних споживачів.

> Під нові напруги в першу чергу будуть модернізовані бортові електромашини. Вже в наші дні значно видозмінений електростартер. У ньому не застосовується послідовне збудження, яке замінено збудженням від постійних магнітів. Жорстка механічна характеристика електродвигуна +12В стартера узгоджується з пусковим моментом ДВЗ за допомогою планетарного редуктора (редуктора Джемса). Давно немає колекторних генераторів постійного струму, їх замінили багатофазні синусоїдальні генератори з напівпровідниковими випрямлячами і електронними регуляторами напруги. Але і такі генератори можуть значно змінитися при появі другого робочого напруги або якщо необхідність у високовольтному змінній напрузі стане реальною.

Також ведуться розробки по створенню універсальної електричної машини, так званого «стартер-генератора», яка зможе виконувати дві функції: запуск ДВС та подачу електроенергії в бортову мережу після запуску ДВЗ.

> Сучасна мікропроцесорна система запалювання з низькорівневим багатоканальним розподілом енергії по свічках [2] є найбільш досконалим рішенням проблеми примусового електроіскрового займання ТВ-суміші в циліндрах поршневих ДВЗ. Але і це не межа досягнень. Вже випробувані лазерні свічки запалювання, які працюють безпосередньо від електронної схеми управління без проміжного енергонакопичувачів. Це дозволить значно підвищити надійність і ККД системи запалювання, а також позбавити її від високочастотних електроіскрових перешкод на інші вузли і блоки бортовий електронної автоматики. Електронною схемою управління може стати магнітний модулятор стиснення, що працює на феромагнітних сердечниках насичення. Схема такого модулятора показана на рис. 1.3, основним елементом якої є високовольтний трансформатор з насыщающимися серцевиною.

Якщо магнітопровід трансформатора ввести в режим насичення, то його коефіцієнт трансформації різко падає і енергія з первинної обмотки у вторинну не трансформується.

Вихідний трансформатор має два ізольованих один від одного магнітопровода — М, М2, охоплених спільною первинною обмоткою W,. Кожен магнітопровід оснащений окремою обмоткою управління (WB’ і WB”) і окремої двопінової вторинною обмоткою (W2′ і W2″)

Коли за керуючої обмотки W,,’ протікає струм, достатній для насичення сердечника М,, а обмотка WB” знеструмлена, то висока напруга буде наводитися тільки у вторинній обмотці W2″. Якщо знеструмити керуючу обмотку WEJ’ і пропустити струм насичення по обмотці WB”, той насититься сердечник М і висока напруга буде трансформовано тільки в обмотку W2.

Система запалювання з трансформатором насичення володіє високою надійністю, малими габаритами і вагою.

На закінчення слід зазначити, що не всі відомі розробки бортових систем вийшли зі стадії експериментальних досліджень. Вони використовуються в основному на фірмових спортивних моделях і концептуальних автомобілів. Але, як і раніше, майже всі новації, випробувані на концепткарах, рано чи пізно починають застосовуватися на серійних автомобілях.

Такі тенденції розвитку автомобільної техніки і, зокрема, систем бортового електричного, електронного та автотронного обладнання.

Рис. 1.3. Магнітний модулятор системи запалювання

{jcomments on}

2