Каскадная структура системы управления

В критической ситуации, когда автомобиль начинает срываться в движение боковым юзом, ширина полосы скольжения между передними и задними колесами больше ширины автомобиля. Это позволяет выбрать каскадную структуру системы управления, в которой внутренний контур управления с обратной связью управляет пробуксовкой колес, а внешний — движением автомобиля. Такая структура системы управления показана на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Каскадная структура системы управления: 1 — датчик скорости колеса, 2 — датчик давления в тормозной системе, 3 — датчик угла поворота руля, 4 — датчик скорости рыскания, 5 — датчик бокового ускорения, 6 — модулятор давления в тормозной системе, 7 — система управления двигателем. 8 — наблюдатель значений неизмеряемых переменных, 9 — контроллер динамики автомобиля, 10 — контроллер.

скольжения

Во внешнем контуре управления с обратной связью происходит коррекция номинальных значений скольжения колес под требуемое для нештатных условий движение. При этом контроллер скольжения получает сигналы управления от контроллера динамики автомобиля в виде разностных величин между номинальными и фактическими параметрами движения, а также от датчиков автомобиля. Во внутреннем контуре формируются сигналы управления для исполнительных механизмов, с помощью которых корректируется боковой увод колес до номинальных значений скольжения. Наблюдатель используется для того, чтобы оценить фактическое значение угла бокового увода автомобиля и других неизмеряемых величин, таких как силы воздействия на колеса по нормали. Алгоритм управления запрограммирован, и, когда система VDC активирована, контроллер скольжения реализует выборку данных из памяти, сравнивает их с текущими значениями, вырабатывает корректирующие сигналы и передает их на исполнительные устройства.

Основные компоненты системы VDC

Основные компоненты системы VDC и их расположение на автомобиле приведены на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Основные компоненты системы VDC и их расположение на автомобиле: I — электронный блок управления, 2 — гидравлический блок, 3 — нагнетательный насос, 4 — генератор давления с датчиком давления, 5 — датчик скорости колеса, б — датчик скорости рыскания,.

• 7 — датчик бокового ускорения, 8 — датчик угла поворота руля,
• 9 — датчик давления в шинах

К основным измерительным компонентам системы VDC относятся датчик скорости рыскания, акселерометр бокового ускорения, датчик угла поворота рулевого колеса, датчики скорости колес, акселерометр боковых ускорений и датчик давления в шинах. В системе VDC используются также электронный блок управления, гидравлический блок, нагнетательные насосы и блок автоматического управления дроссельной заслонкой.

В качестве датчика скорости колес в системе VDC, как и в системе ABS, используются индуктивные датчики. Принцип работы этих датчиков рассмотрен в п. 3.3.

Абсолютная частота вращения при поворотах относительно вертикальной оси автомобиля измеряется с помощью колебательных гирометров. Значения отклонения от вертикальной оси автомобиля поступают в систему контроля динамики автомобиля для стабилизации заноса.

Принцип действия гирометра базируется на свойствах механических гироскопов. Основным элементом гироскопа является ротор, закрепленный так, что ось его вращения может поворачиваться. Если на гироскоп не действуют внешние возмущения, то ось собственного вращения ротора сохраняет постоянное направление в пространстве. Если же на него действует момент внешней силы, стремящийся повернуть ось собственного вращения, то она начинает вращаться не вокруг направления момента, а вокруг оси, перпендикулярной ему. Это явление называется прецессией.

Конструкция колебательного гирометра на базе пьезоэлектрического преобразования приведена на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Конструкция колебательного гирометра:

1. 2, 3, 4 — пары пьезоэлектрических элементов, 5 — соединительные штыри: 6 — колеблющийся цилиндр; 7 — опорный диск

Принцип действия колебательного гирометра поясняется схемой на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Принцип действия колебательного гирометра:

• 1, 2, 3, 4- пары пьезоэлектрических элементов; 8 — цепь управления с фиксированной фазой; 9 — полосовой фильтр; 10 — эталонная фаза;
• 11 разделитель фаз; U — выходной сигнал; F — частота вращения;

ЭВ — эталонная величина

При измерении используется ускорение Кориолиса, сопутствующее колебательному движению. Два диаметрально расположенных друг к другу пьезокерамических элемента (1-Г) генерируют радиальные колебания в металлическом цилиндре посредством обратного пьезоэффекта, который заключается в изменении механического напряжения или геометрических размеров пьезоэлемента под воздействием электрического поля. Вторая пара пьезоэлектрических элементов (2−2') стабилизирует амплитуду колебаний с фазовым сдвигом. Колебания соответствуют вращению с частотой 61 _с некоторым периферийным смещением. Сигналы, пропорциональные частоте вращения, возникают в местах, свободных от силового воздействия, что контролируется третьей парой пьезоэлектрических элементов (3−3'). Сигналы с этих элементов возвращаются к эталонной величине четвертой парой (4—4') по замкнутой цепи. После отделения синхронной фазы в разделителе фаз на его выходе формируется сигнал, пропорциональный частоте вращения.

Датчик скорости рыскания также относится к классу вибрирующих гироскопов. Основным элементом датчика является металлический цилиндр, оправа которого колеблется в эллиптических формах. Сигнал гироскопа возникает под воздействием ускорения Кориолиса, которое является следствием вращения цилиндра относительно своей оси и его вибраций, пропорциональных вращательной скорости автомобиля вокруг вертикальной оси и относительно оси цилиндра. Для надежной работы системы VDC важно, чтобы выходной сигнал датчика рыскания был достаточно устойчивым, поэтому на выходе датчика устанавливается интегрирующее устройство, исключающее случайные возмущения выходного сигнала.

Датчик боковых ускорений вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный смещению центра масс, которое пропорционально боковому сносу автомобиля. Эти датчики работают на основе эффекта Холла. Принцип действия пояснен на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Датчик боковых ускорений: 1 — преобразователь Холла, 2 — постоянный магнит, 3 — пружина, 4 — демпфирующая пластина, U" - напряжение питания.

Под воздействием бокового ускорения а постоянный магнит, который играет роль инерционной массы, перемещается пропорционально измеряемому ускорению, преодолевая противодействие пружины. В результате изменяется магнитный поток Ф, проходящий через преобразователь Холла, генерируя соответствующее напряжение Холла U_ebUI на выходе датчика. Измеряемый диапазон ускорений равен 1 g. В качестве успокоителя колебаний пружины используется демпфирующая пластина, в которой наводятся вихревые токи /, тормозящие колебания.

В датчике угла поворота рулевого колеса используется оптико-электронный преобразователь, выполненный с применением светодиодов, фототранзисторов и кодирующего диска.

Принцип работы оптико-электронного преобразователя проиллюстрирован на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Принцип работы оптико-электронного преобразователя:

I — светодиод, 2 — фототранзистор, 3 — кодирующий диск с прорезью

Кодирующий диск освещается светодиодами с одной стороны, а с другой располагаются фотоприемники в виде фототранзисторов.

На рис. 5.7 показана схема датчика положения рулевого колеса.

Датчик содержит кодирующий диск с прорезями, жестко связанный с рулем, и три неподвижных оптоэлектронных пары. Кодирующий диск может иметь до 6000 позиций на оборот. Сектора часто располагают на двух радиусах, смещая их на половину длины отверстия, что в четыре раза увеличивает разрешающую способность. Для размещения маркера используется третья дорожка.

Рис. 5.7. Схема датчика положения рулевого колеса:

/ - диск; 2 — прорези: 3 — нейтральная прорезь: 4. 5 — фотопрерыватели определения направления поворота, 6 — фотопрерыватель определения центрального положения рулевого колеса

При повороте руля диск вращается между светодиодами и фототранзисторами. В результате на фототранзисторах вырабатываются последовательности электрических импульсов, по которым электронный блок управления определяет угол и скорость поворота. Два фотопрерывателя необходимы для определения направления поворота. Третий прерыватель фиксирует центральное положение рулевого колеса.

Датчик давления в тормозной системе используется для контроля тормозного момента. Поскольку при температуре ниже — 20 °C текучесть тормозной жидкости существенно уменьшается, то это приводит к замедлению скорости жидкостных потоков в тормозной системе, что недопустимо при применении системы VDC, т.к. генерирование тормозного момента в холодной гидросистеме значительно замедляется. В таких случаях применяется нагнетатель высокого давления приводом от электродвигателя в каждом тормозном контуре по сигналу от датчика давления. Датчик давления установлен в тормозном контуре передних колес и измеряет давление в тормозной системе, которое образуется посредством педали тормоза. Чувствительным элементом датчика является кремниевая диафрагма. Так как в гидросистеме тормозного контура давление может достигать значений порядка 30 МПа, то датчик выполняется с высокой прочностью.

Пониженное давление в шинах повышает их износ, а также расход топлива и может привести к потере управления автомобилем. Повышенное давление в шинах ведет к вибрациям.

Система контроля давления воздуха в шинах позволяет следить за давлением в шинах и при его уменьшении ниже определенного уровня вырабатывать сигнал на световом индикаторе панели приборов автомобиля. Каждому колесу соответствует отдельный индикатор.

На рис. 5.8 приведена схема системы контроля давления в шинах.

Рис. 5.8. Расположение системы контроля давления в шинах: I — датчик давления, 2 — излучатель, 3 — суппорт, 4 — тормозной диск, 5 -задающий диск, б — датчик скорости, 7 — ось колеса, 8 — шина.

На ободе колеса установлен мембранный датчик давления, замыкающий контакты за счет перемещения мембраны при снижении давления в шине. Контакты коммутируют вторичную цепь для частотного излучателя, который размещен на узле крепления тормозных колодок (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Схема прохождения сигнала от датчика давления к индикатору: 1 — датчик давления, 2 — излучатель, 3 — электронный блок управления,.

4 —индикатор, 5 — датчик скорости, 6 — мембрана

При вращении колеса датчик давления постоянно проходит в непосредственной близости от излучателя, что позволяет принять сигнал с датчика. При появлении сигнала на приборном щитке загорается индикатор, соответствующий колесу со сниженным давлением в шине. Система измеряет давление с точностью до ± 0,5 кПа.

На рис. 5.10 показана система контроля давления в шинах, фирмы ParkMaster, в которой максимальная функциональность сочетается с легкостью эксплуатации.

Рис. 5.10. Система контроля давления воздуха в шинах ParkMaster

Четыре датчика, устанавливаемые в колеса, отслеживают не только давление внутри шины, но и температуру. Повышенная температура внутри шины может означать как недостаточность давления, так и неисправность тормозной системы; перегрев колодок, дисков и, соответственно, всего колеса.

Если показатели всех шин находятся в норме, то жидкокристаллический дисплей (рис. 5.11) не подает сигналов.

Рис. 5.11. Жидкокристаллический дисплей контроля шин с индикаторами давления, температуры и заряда батареи

Как только какой-то из параметров выходит за пределы максимально или минимально допустимого значения, сразу же раздается звуковой сигнал, на панели приборов загорается красная лампочка, а на дисплее обозначается проблемное колесо, и отражается изменение значения того или иного параметра. Информационный дисплей устанавливается на приборной панели в удобном для водителя месте.

Существуют также датчики давления в шинах, которые передают информацию бесконтактным способом о давлении, даже если автомобиль неподвижен. Они функционируют на принципе изменения емкости. В емкостных датчиках одна из обкладок конденсатора выполняется в виде диафрагмы. Диафрагма прогибается при изменении давления, меняя значение емкости и, соответственно, выходного электрического сигнала. В емкостных элементах используется ток в микроамперном диапазоне.

Для работы системы управления активной подвеской необходимы датчики высоты кузова. Расположение такого датчика на подвеске показано на рис. 5.12.

Рис. 5.12. Расположение датчика высоты кузова:

I — крепление датчика, 2 — поворотный рычаг, 3 — корпус датчика,

4 — ось поворота движка потенциометра, 5 — кузов, 6 — шасси

Датчики высоты кузова выполняются на основе потенциометров. Выходное напряжение датчика пропорционально высоте кузова по отношению к шасси.

Для определения изменения нагрузки на колеса в активной подвеске используются акселерометры (см. п. 2.4). Рабочий диапазон таких датчиков составляет ± 2 g, погрешность менее 5%, а диапазон частот до 10 Гц. В некоторых системах ABS используются акселерометры для определения предельных значений ускорения, при которых возможно проскальзывание колес. Их рабочий диапазон частот достигает 50 Гц.

Контрольные вопросы

• 1. Что входит в систему динамического управления автомобилем?
• 2. Для чего используются колебательные гирометры?
• 3. В чем заключается обратный пьезоэффект?
• 4. Как устроен датчик боковых ускорений?
• 5. Каким способом контролируется давление воздуха в шинах?