Mehatronika Automobilski mehatroniki procesi koenje pogonski sistemi tolerancija

Mehatronika Automobilski mehatronički procesi – kočenje, pogonski sistemi, tolerancija na kvarove 1

Sadržaj predavanja 1) 2) 3) 4) Kočioni sistem Pogonski sistem vozila Dijagnostika kvarova Sistem tolerantan na kvarove 2

Kočioni sistem n n n Standardni kočioni sistem - hidraulički sistem sa dve nezavisne hidrauličke konture. Zbog pojave novih funkcija kao što su ABS i ESP dizajn sistema kočenja postaje složeniji. Da bi se povećala (unapredila) funkcionalnost, uštedeo prostor i smanjili troškovi proizvodnje (montaže), povećala bezbednost, razvijena su dva sistema kočenja “preko žice” (pomoću električnih kablova): n n Elektrohidrauličke kočnice (EHB - Electro Hidraulic Brake), Elektromehaničke kočnice (EMB - Electro Mechanic Brake). 3

Kočioni sistem Konvencionalni hidraulički kočioni sistem n Mehanička veza između papučice kočnice i glavnog hidrauličkog cilindra je paralelna sa pneumatskim aktuatorom (booster). n Ako pneumatski aktuator otkaže, mehanička veza prenosi silu sa papučice, koju pritiska vozač. n Hidraulički cilindar deluje na dve nezavisne, paralelne hidrauličke konture. n Ovo znači da je sistem kočenja tolarantan na kvarove s’obzirom na kvarove jednog od dve hidrauličke konture. 4

Kočioni sistem Konvencionalni hidraulički kočioni sistem n Kvarovi u elektronici sistema upravljanja kočenjem, kao što je ABS, dovodi hidrauličke aktuatore (npr. magnetne ventile) u siguran (bezopasan) status tako da hidrauličke kočnice nabijaju pritisak direktno iz glavnog hidrauličkog cilindra. n ABS funkcije su realizovane sa preklapajućim ventilima, koji imaju tri pozicije za smanjenje, držanje ili povećanje pritiska tečnosti i stoga omogućuju samo diskretnu aktuaciju momenta kočenja, sa jakim oscilacijama. 5

Kočioni sistem Elektrohidrauličke kočnice n Prve elektrohidrauličke kočnice - 2001. godine ugrađene u Mercedes SL i E klase. 6

Kočioni sistem Elektrohidrauličke kočnice n Mehanička papučica ima senzore za poziciju i hidraulički pritisak. n Njihovi signali se prenose do odvojenih hidrauličkih petlji pritiska sa proporcionalnim magnetnim ventilima, manipulišući tokom hidrauličnog fluida iz 160 barske pumpe sistema prema kočnicama na točkovima. točak 7

Kočioni sistem Elektrohidrauličke kočnice n n n Ako elektronika zakaže, odvajanje papučice od kočnica točkova se blokira. Sledi da hidraulični back-up omogućuje veću bezbednost od konvencionalnih hidrauličkih kočnica. Rezultati kočenja dobijeni sa navedenim regulatorom prikazani su na slici: 8

Kočioni sistem Sinteza regulatora elektrohidrauličnog kočenja n Rezultati sa Golf 4 (Halfmann and Holzmann, 2003). n Vozilo ima 6 stepena slobode n Slaganje simulacionog modela sa merenim podacima prikazano je na slikama 9

Kočioni sistem Sinteza regulatora elektrohidrauličnog kočenja n n n Na slikama su prikazani dijagrami rezultata sa različitim vrednostima uz usporenje vozila a=-5 m/s 2. Za μ=1 (homogena raspodela koeficijenta trenja) sistem stabilan i ima dobro ponašanje. Za male i velike vrednosti μ sistem postaje nestabilan (različite vrednosti sila gume na točkovima). 10

Kočioni sistem Sinteza regulatora elektrohidrauličnog kočenja n Eksperimentalni rezultati 11

Kočioni sistem Sinteza regulatora elektrohidrauličnog kočenja n Svi prethodni rezultati su dobijeni sa kočenjem gde ABS nije bio aktivan. n Da bi se poboljšala kočiona svojstva vozila dodaje se ABS sistem, elektronički stabilizirajući sistem (ESP) ili aktivni pogon prednje osovine (AFS). n Za stabilizaciju vozila na neravnom kolovozu zahteva se feedback regulator sa AFS sistemom. 12

Kočioni sistem Elektromehaničke kočnice n Prototip elektromehaničkih kočnica razvila je kompanija Continental Teves. 13

Kočioni sistem Elektromehaničke kočnice n Ne sadrži hidrauličke elemente. n Papučica poseduje senzore i njihovi signali se šalju do centralnog računara za upravljanje kočenjem i regulatora za kočenje pojedinačnih točkova, gde oba deluju preko elemenata energetske elektronike na elektromotore, npr. disk pločice. točak 14

Kočioni sistem Elektromehaničke kočnice n Budući da nema mehaničkih ili hidrauličkih veza, sledi da nije moguć hidraulički sigurnosni sistem. n Kompletna elektrčna putanja mora biti tolerantna na kvarove 15

Pogonski sistem vozila - steering system n Od 1945. godine hidraulički pogonsko kretanje. n Povećanje brzine kretanja vozila sa elektronskim upravljanim by-pass ventilima. n EPS (električki pogonski sistem) od 1996. god. Hidraulički pogonski sistem (HPS) Elektornski pogonski sistem kretanja (EPS) 16

Pogonski sistem vozila n n n Kombinacija HPS + EPS pogonskih sistema za teretna (velika) vozila. AFS (Active Front Steering) uveden 2003. godine. AFS osigurava dodatne zakrete točkova (uglove) generisane pomoću DC motora i zupčanika. 17

Pogonski sistem vozila Adaptivno upravljanje aktuatorom n Sistem upravljanja zasnovan na parametarskoj adaptaciji 18

Pogonski sistem vozila Adaptivno upravljanje aktuatorom n Sistem parametarske adaptacije koristi identifikacione metode za parametarske modele procesa. n Najvažniji deo procesa identifikacije je estimacija parametara. n Estimacija parametara se pokazala kao dobra osnova za adaptivno upravljanje mehaničkim procesima, koji uključuju adaptaciju nelinearnih karakteristika, trenja i nepoznatih parametara, kao što su mase, krutost, prigušenje, itd n Navedeni adaptivni sistem upravljanja može se primeniti na elektromehaničke, hidrauličke i pneumatske aktuatore. 19

Pogonski sistem vozila Adaptivno upravljanje aktuatorom n Adaptivno upravljanje zasnovano na referentnom modelu (AFS upravljanje i Active Anti-roll bars). 20

Pogonski sistem vozila n n AFS generiše uglove napredovanja (steering angles) Sc(t) pomoću zupčanika i DC motora kao dodatak na vozačev ugao napredovanja S(t). Generisanje dodatnih pogonskih uglova (zakreta) pomoću zupčanika i DC motora bez četkica (BMW). 21

Dijagnostika kvara n n Ispravno funkcionisanje mehatroničkih sistema ne zavisi samo o procesu, već i o elektronskim i električkim senzorima, aktuatorima, kablovima, konektorima i elektronskim upravljačkim jedinicama (ECU). U tom slučaju su od izuzetne važnosti su: n automatizova nadzor, n detekcija i dijagnostika kvara. s’obzirom na zahteve za visokom pouzdanošću i sigurnošću. 22

Dijagnostika kvara n Proces zahvaćen kvarom. 23

Dijagnostika kvara n n Kvarovi indiciraju nedozvoljena odstupanja od normalnih stanja i mogu biti generisani iznutra ili spolja. Spoljni kvarovi su, npr. uzrokovani izvorom napajanja, kontaminacijom ili kolizijom. Unutrašnji kvarovi su, npr. izazvani habanjem, gubitkom podmazivanja, kvarovi senzora ili aktuatora. Klasične metode za detekciju kvarova su ograničena provera vrednosti (limit value checking) ili provera prihvatljivosti nekoliko mernih varijabli. 24

Sistem tolerantan na kvarove n n n Sistem tolerantan na kvarove – kompenzira kvarove da se ne bi reflekovali na ispravno funkcionisanje, odnosno rad sistema. Metode tolerancije na kvarove koriste redudansu - uz postojeće module dodaje jedan ili više modula koji su povezani, obično u paraleli. Ovi redudantni moduli su često identični 25

Sistem tolerantan na kvarove n n Takve redudantne šeme mogu se dizajnirati za hardver, softver, obradu informacija i mehaničke i električne komponente kao što su senzori, aktuatori, mikroračunari, sabirnice, izvori napajanja, itd. Postoje dva glavna pristupa za toleranciju na kvarove: n statička redudansa, n dinamička redudansa. 26

Sistem tolerantan na kvarove n Šeme tolerancije na kvarove za električne uređaje n n n (a) Statička redudansa: višestruko redudantni moduli sa glavnim biračem i maskom za kvarove, sa m-izlaza n-sistema (svi moduli su aktivni). (b) Dinamička redudansa: standby modul koji je kontinuirano aktivan, “hot standby”; (c) Dinamička redudansa: standby modul koji nije aktivan, “cold standby” 27

Sistem tolerantan na kvarove n n Postojei nekoliko koraka: FO (fail-operational): fail jedan kvar se toleriše, tj. komponenta ostaje operacionalna nakon jednog kvara. Ovo se zahteva ako ne postoji trenutno sigurno stanje nakon kvara komponente. FS (fail-safe): nakon jednog, ili nekoliko kvarova, komponente jednako poseduju sigurno stanje (pasivna sigurnost, bez spoljne energije) ili dolaze u sigurno stanje pomoću specijalnih akcija (aktivna sigurnost, sa spoljnom energijom). FSIL (fail-silent): nakon jednog, ili nekoliko kvarova, komponenta je, gledano spolja, mirna, tj. ostaje pasivna i nema uticaja na druge komponente u smislu remećenja njihovog rada. 28

Sistem tolerantan na kvarove n n Za toleranciju u mehatroničkim sistemima senzori, mikroračunari i aktuatori su od posebnog interesa za kvarove. Posebno su atraktivni senzori sa analitičkom redudansom zasnovani, pri čemu su samo delovi sa niskom pouzdanošću redudantni, kao u hidrauličkim avionskim ventilima sa kalemom (spool valves) ili potenciometrom za dovod goriva električkim putem. 29