Разработка цифровых систем управления для автомобиля Chevrolet Niva

Разработка цифровых систем управления для автомобиля Chevrolet Niva

Курсовая работа

Разработка цифровых систем управления для автомобиля Chevrolet Niva

1.       Цель курсовой работы

Улучшение характеристик транспортного средства до необходимого нам уровня. Создание цифровой системы управления и оптимизация характеристик машины.

2.       Исходные данные

Исходное транспортное средство:

Chevrolet Niva (2123) 1.7 2002-2009 г. выпуска

Изображение транспортного средства представлено на рис. 1:

Рис. 1 - автомобиль Chevrolet Niva

Характеристики представленного автомобиля показаны в таблице 1:

Таблица 1. Характеристики Chevrolet Niva

Рис. 2 - Моделируемая ситуация

Необходимо приехать из города N в населённый пункт M по зимнему и заснеженному участку дороги, длинной S=90км, в течении t=30 минут, а так же обеспечить управляемость машины на поворотах.

Необходимая максимальная скорость V= 85 / 0.5 =170 км/ч.

3.       Подбор двигателя

Необходимая максимальная скорость V=170км/ч в 1,2 раза больше максимально допустимой проектируемой скорости, необходимо подобрать новый двигатель к машине, соответствующий условию.

Так как мы выбрали зимние условия передвижения и заснеженную дорогу - коэффициент сцепления с дорогой будет варьироваться от 0,4 до 0,5. Выбираем среднее значение - k_т = 0,45 тогда сила трения будет равна:

                                 (1)

Из маркировки колёс для предоставленной машины (6.0Jх15- ЕТ 48) следует, что диаметр колёс равен 15 дюймам. Переведем полученную величину в необходимую нам размерность, учитывая что
1 дюйм = 0,0254 метра:

                                   (2)

Максимальная скорость колёс будет:

                                             (3)

Допустим что выбранный двигатель будет иметь частоту вращения, равную 3000 об/мин., тогда:

                                            (4)

Коэффициент редукции (характеризует интенсивность убывания одного значения в связи с изменением другого) равен:

 (5)

Зная коэффициент редукции, радиус колеса и силу трения, можно найти момент, который должен развивать двигатель:

      (6)

Найдём мощность двигателя:

           (7)

Так как 1 л. с. = 75 кгс·м/с что примерно равно 735,49 Вт, то:

                                                              (8)

Подходящий по найденным параметрам двигатель существует:

Вид двигателя АИР355M2/Д9 изображен на рис. 3:

Рис. 3 - Двигатель АИР355M2/Д9

Основные его характеристики представлены в табл. 2:

Таблица 2 - Основные характеристики двигателя АИР355M2/Д9

4.       Расчёт системы управления

Управление осуществляется изменением электродвижущей силы источника в якорной цепи e(t). Входными воздействиями считаем приведённый момент нагрузки на валу двигателя М(t) и эдс e(t). Выходными характеристиками считаем угол поворота ротора a(t), угловую скорость ротора w(t) и ток в якорной обмотке i(t). Тогда динамика системы описывается следующими дифференциальными уравнениями:

где L, R- индуктивность и активное сопротивление якорной цепи (T= L/R), приведенный момент инерции ротора, Сe, Cw - постоянные, зависящие от конструктивных параметров двигателя и величины потока возбуждения

Предположим момент нагрузки постоянным, тогда используя преобразование Лапласа, для малых отклонений от состоянии равновесия получаем:

Полагая, что J= J_pот + т_кR²/K_peд = 0,7 + 20. 0,19²/0,79 = 1,61

для выбранного двигателя, получаем:

Далее производим оценку быстродействия объекта управления по ЛАЧХ

Рассчитываем коэффициент К=; T=0,092 c

Создаем структурную схему объекта управления, изображенную на рис. 4:

Рис. 4 - Структурная схема ОУ

Рис. 5 - ЛАЧХ и ЛФЧХ объекта управления

5.       Выбор устройств, реализующих систему управления

Воспользуемся требованиями к точности системы для расчета числа разрядов n, при заданной точности 0,4%:

Для выполнения условия по четности системы необходимо не менее 8 разрядов в преобразователе.

Быстродействие аналого-цифрового преобразователя:

T_преобрt_k = 1/10∙3,48 = 0,03 c = 30 мс.

Время вычисления управляющего воздействия микроконтроллера не должно превышать 30 мс. Функции вычисления ошибки и функцию АЦП и ЦАП может выполнять микроконтроллер со встроенным АЦП и ЦАП.

Структурная схема в таком случае будет выглядеть как показано на рис. 6:

Рис. 6 - Структурная схема системы управления

Исходя их выявленных требований к числу разрядов и быстродействию АЦП, а так же принимая в расчёт готовность использовать встроенный в микроконтроллер АЦП предлагается в нашей системе использовать микроконтроллер STM8S105C6T6 в составе отладочной платы
STM8s-discovery, в которую встроен АЦП, имеющий разрядность 10 бит и быстродействие 1 мс.

Рис. 7 - Отладочная плата STM8s-discovery

Характеристики платы

·        USB программатор - отладчик ST - Link

·        Микроконтроллер STM8S105C6T6 (2 Кб ОЗУ, 32 Кб флэш-памяти +АЦП х10)

·        Внешний кварцевый резонатор на 16 МГц

·        Сенсорная кнопка (touch sensor)

·        Индикатор - светодиод

·        Разъемы со всеми свободными выводами микроконтроллера

·        Макетная область

Структурная схема микроконтроллера, включенного в состав этой платы, представлена на рис. 8:

Рис. 8 - Структурная схема STM8S105C6T6

ыбираем ЦАП:

Для нашего случая подходит цифро-аналоговый преобразователь фирмы analog device - AD5302BRMZ (AD), характеристики которого представлены в табл. 3:

Табл. 3 - характеристики AD5302BRMZ

6.       Конфигурирование системы управления

Программировать связь микроконтроллера с АЦП и ЦАП, а также код программы управления объектом, будем на языке СИ - самым распространённом языке программирования микроконтроллеров. В плату уже встроен программатор, используя прикладное программное обеспечение, например IAR, можно запрограммировать наш микроконтроллер на выполнение нужных нам функций.

Включаться система управления будет по нажатию сенсорной кнопки TS1 (реализуется в коде программы микроконтроллера). Контакт PD7 соединяем с управляющим каналом ЦАП, контакт PD6 - с каналом передачи данных на ЦАП. На ЦАП контакт Ext соединяем с контактом управления на управляемом объекте. Информационный канал с датчиков положения объекта управления соединяем с «ножкой» отладочной платы PB3, образуя тем самым обратную связь, показанную на рис. 6.

Полученная система соединения всех устройств, отвечающих за управление прибором, изображена на рис. 9:

Рис. 9 - Схема системы управления

На участке дороги из города N в населённый пункт M, который нам необходимо проехать, существует несколько поворотов. Их всех нам нужно пройти с максимально допустимой постоянной скоростью, и при этом не потерять управляемость. Силы и моменты, действующие на автомобиль при повороте, показаны на рис. 10:

Рис. 10 - внешние воздействия на автомобиль при повороте, задние колёса ведущие, передние - управляемые

При высокой скорости движения угол поворота машины будет не большой, следовательно, разницей между поворотом правого и левого колеса можно пренебречь, а суммарную силу боковых реакций обоих колёс R_y1 приложить в точке А середины первого моста под углом  к оси моста; продольную реакцию этих же колёс R_x1

под углом  к продольной оси автомобиля.

Уравнение динамического равновесия сил в таком случае выглядит:

Так как угол  небольшой - примем:

Разберём первое уравнение из системы уравнений, описанной выше.

Сумма продольных реакций будет равняться:

где f_ув - коэффициент сопротивления качению колёс с учётом их бокового увода.

Уравнение для определения продольной составляющей ускорения центра масс автомобиля:

Подставив это уравнение в первое уравнение нашей системы, и приняв во внимание, что , получаем:

где  - коэффициент суммарного дорожного сопротивления:

F_крив - дополнительная сила трения, появившаяся в результате криволинейности траектории движения машины:

Так как значения поперечных реакций R_y1 и R_y2 неизвестны, выразим их:

R_y1 = k_{ув. мост.1} ∙ д_{ув. мост.1}; R_y2 = k_{ув. мост.2} ∙ д_{ув. мост.2}

Значения увода мостов д_{ув. мост} так же не известны, выразим их через фазовые переменные процесса движения:

Решив эти уравнения совместно, получим:

Подставим значение R_y1 в формулу дополнительной силы трения:

В уравнении динамического равновесия сил (9) пренебрегаем влиянием R_x1 и M_с.п. так как при большой скорости угол поворота автомобиля небольшой.

После этих вычислений получается что система (9) выглядит:

Для удобства записи введём обозначения:

С учётом этих обозначений, система (10) принимает вид:

Преобразуем систему (11) в единственное уравнение движения по криволинейной траектории:

Запишем уравнение (12) в операторной форме:

p³y + Ap²y + Bpy = Cи + Dpи

где A=

Передаточная функция нашей системы:

где:

Если учесть что как правило Т1 >> T2 и , тогда:

Зависимость коэффициента преобразования и постоянной времени автомобиля от скорости движения изображена на рис. 11:

м/с

Рис. 11 - Зависимости K и Т1 от скорости автомобиля Niva Chevrolet

Скорость прохождения поворота в нашем случае равна 100 км/ч, следовательно так же она равна 27,7 м/с, тогда коэффициенты равняются:

К = 49; T₁ = 0,61

Следовательно ПФ приобретает вид:

Структурная схема системы управления с регулятором поворота угла на 45^○ изображена на рис. 12 и рис. 13:

Рис. 12 - Структурная схема системы управления

Рис. 13 - Переходной процесс системы управления

Заключение

двигатель управление конфигурирование

В процессе работы была разработана система управления по ошибке, состоящая из объекта управления, АЦП, ЦАП, и корректирующего устройства. Результатом стал график переходного процесса при повороте руля автомобиля на 45^○

Список литературы

1. «Вычисления в системах управления» - А.Е. Городецкий, В.В. Козлов, Ю.Н. Артемемко, И.Л. Тарасова, Санкт-Петербург, Издательство Политехнического университета, 2006 год.

2.       «Теория движения автомобиля» - Тарасик В. П., Санкт-Петербург «БХВ-Петербург», 2006 год.