|
СХЕМЫ---->
СХЕМЫ АВТОЭЛЕКТРОНИКИ статьи № 1-50---->
СХЕМЫ АВТОЭЛЕКТРОНИКИ статьи № 51-100---->
СХЕМЫ АВТОЭЛЕКТРОНИКИ статьи № 101-150
Введение в автомобильную электронику.
Х. Сига, С. Мидзутани. 1989 г.
Глава 4. Управление ходовой частью.
4.4. Управление при скольжении автомобиля. ABS.
На скользких дорогах, например мокрых или покрытых льдом, при резком торможении шины легко блокируются. Если в этом случае происходит блокирование задних колес, то действие боковых сил приводит к боковому скольжению. При блокировании передних колес управление рулевым колесом становится невозможным. Устройство, которое обеспечивает безопасность движения и быструю остановку автомобиля при резком торможении, называют антиблокировочной системой. Увеличивая и уменьшая давление тормозной жидкости так, чтобы не было блокирования колес, она поддерживает оптимальное значение коэффициента сцепления шин с дорожным покрытием.
Известны 2 типа систем: с управлением четырьмя колесами (управление как задними, так и передними колесами) и с управлением двумя задними колесами. Управление двумя колесами, предотвращая блокирование задних колес, повышает безопасность движения и сокращает тормозной путь.
Управление четырьмя колесами позволяет, кроме того, предотвратить блокирование и передних колес, поэтому оно гарантирует соответствие траектории поворота рулевого колеса и при резком торможении позволяет избежать столкновения с препятствием*(Указанные достоинства антиблокировочных систем проявляются не во всех дорожных условиях. — Прим. ред.). Ниже рассматривается система управления четырьмя колесами.
Коэффициент сцепления колеса с дорогой зависит от состояния дороги, типа и состояния шин. На сухой дороге он больше, на влажной меньше.
Как показано на рис. 4.31,
до той области, где коэффициент продольного сцепления м (мю) становится максимальным, он увеличивается в зависимости от коэффициента продольного скольжения почти линейно, однако затем он, наоборот, несколько падает. Коэффициент бокового сцепления (характеризует силу сопротивления боковому скольжению) также зависит от коэффициента продольного скольжения; при коэффициенте, равном 100% (состояние блокирования колес), этот коэффициент равен нулю. Как можно понять из графика, обеспечить одновременно оптимальные значения коэффициентов продольного и бокового сцепления невозможно. Однако если управление производить таким образом, чтобы коэффициент продольного скольжения находился в области максимального коэффициента трения, то можно получить хотя и не максимальное, но оптимальное значение силы сопротивления боковому скольжению и обеспечить эффективное торможение.
Управление при скольжении производится таким образом, чтобы коэффициент продольного скольжения в случае резкого торможения был равен 15—20%. Вместе с тем осуществить управление на основе непосредственного вычисления коэффициента продольного скольжения не представляется возможным.
При непосредственном увеличении давления тормозной жидкости скорость вращения колес в той области, где коэффициент продольного сцепления не достигает максимального значения, будет быстро падать. Учитывая это обстоятельство, управление давлением осуществляется, исходя из некоторых предположений относительно окрестности максимального значения коэффициента сцепления, основанных на величине падения скорости и замедлении. Такое управление позволяет получить коэффициент продольного скольжения в пределах 15—20%, предотвратить блокирование колес при торможении и не утратить курсовую устойчивость движения автомобиля. При этом также обеспечивается остановка автомобиля с минимальным тормозным путем.
4.4.1. Структура антиблокировочной системы
На рис. 4.32 в качестве примера показана структура антиблокировочной системы управления четырьмя колесами.
Система содержит следующие основные устройства — ЭБУ, датчик угловой скорости колес и исполнительный механизм*( В отечественной литературе называется модулятором. — Прим. ред.).
Датчики угловой скорости колес устанавливаются по одному на правое и левое передние колеса. Один общий датчик угловой скорости правого и левого задних колес расположен в трансмиссии. Эти датчики вырабатывают сигналы скорости, на основании которых ЭБУ посылает сигнал на исполнительные механизмы для управления в соответствии со скоростью и состоянием дороги. Исполнительный механизм по сигналу ЭБУ регулирует давление тормозной жидкости в цилиндре каждого колеса.
4.4.2. Датчик угловой скорости колес
Датчик скорости передних колес состоит из чувствительного элемента, содержащего постоянный магнит и обмотку, и зубчатого колеса с 72 зубьями. Конструкция датчика показана на рис. 4.33.
Обмотка чувствительного элемента крепится на шарнире рулевого управления. Зубчатое колесо устанавливается на ступице и вращается синхронно с колесом автомобиля. При вращении зубчатого колеса воздушный зазор между ним и обмоткой чувствительного элемента изменяется, что приводит к изменению магнитного потока и появлению на обмотке переменного напряжения. Поскольку частота переменного напряжения пропорциональна скорости вращения зубчатого колеса, определить скорость вращения не представляет особого труда. Датчик угловой скорости колес, предназначенный для антиблокировочной системы, постоянно отслеживает изменяющуюся скорость автомобиля. Поэтому он должен иметь более высокие точность и быстродействие по сравнению с датчиком скорости, предназначенным для использования в системах управления для движения с постоянной скоростью и рулевого управления.
На рис. 4.34 показан выходной сигнал датчика.
Принцип работы датчика угловой скорости задних колес полностью аналогичен. Датчик устанавливается в отверстии в картере коробки передач (рис. 4.35).
Зубчатое колесо в отличие от датчика передних колёс имеет 60 зубьев. Оно вращается вместе с тросиком измерителя скорости. На выходе датчика появляется сигнал, пропорциональный средней скорости вращения левого и правого задних колес.
4.4.3. Исполнительный механизм
Исполнительный механизм представляет собой узел, регулирующий давление в тормозных цилиндрах колес по сигналам, поступающим от ЭБУ. Гидравлическая схема механизма показана на рис. 4.36.
В качестве источника энергии для исполнительного механизма этой системы используется система рулевого управления с усилителем. Исполнительный механизм функционально можно разделить на четыре узла:
1) редукционный узел для повышения и понижения давление в тормозных цилиндрах колес;
2) узел регулятора, регулирующий давление в системе рулевого управления в соответствии с давлением в главном тормозном цилиндре;
3) обводной узел, который в случае возникновения аномального давления в рулевом управлении приостанавливает управление от антиблокировочной системы, и тормозная система работает в обычном режиме;
4) электромагнитный узел, который по сигналам ЭБУ переключает гидравлические цепи.
Учитывая необходимость управления с особенно высокой точностью, в электромагнитный узел исполнительного механизма системы передних колес вводят два электромагнитных клапана — основной и вспомогательный. Управление давлением в цилиндрах передних колес осуществляется, как показано в табл. 4.1,
Таблица 4.1. Состояние клапанов при управлении давлением в системе передних колес
в соответствии с комбинацией их состояний. Исполнительный механизм задних колес содержит только основной электромагнит.
Управление давлением в цилиндрах этих колес осуществляется в соответствии с табл. 4.2.
4.4.4. Электронный блок управления
(1) Структура ЭБУ
Структура ЭБУ приведена на рис. 4.37.
Данная система выполнена в виде цифровой электронной схемы, основу которой составляет 8-разрядная микроЭВМ. Поскольку сигнал угловой скорости колес представляет собой переменное напряжение, его нельзя сразу подавать на микроЭВМ. В предлагаемой схеме
этот сигнал с помощью схемы формирования и выпрямления преобразуется в цифровой (импульсный) сигнал и поступает на вход прерывания микроЭВМ. Для предотвращения блокирования колес ЭБУ оценивает по сигналу скорости колес условия торможения и выдает сигнал на схему питания электромагнитов исполнительного механизма. Напряжение питания на электромагниты поступает через контакты основного реле. В связи с тем что для управления электромагнитами требуется большой ток, сигналы микроЭВМ, проходя через выходную схему обработки, усиливаются и поступают в схему питания электромагнитов.
(2) Закон управления
Управление в системе происходит таким образом, чтобы угловая скорость колес соответствовала коэффициенту продольного скольжения, при котором коэффициент сцепления был бы максимально возможным для каждого состояния дорожного покрытия. Это достигается тем, что при блокировании колес их линейная скорость резко падает по сравнению со скоростью кузова автомобиля. Характеристика управления при скольжении изображена на рис. 4.38.
Заключение о наличии блокирования колес делается в результате анализа разницы скоростей колес и кузова. По скорости колес вычисляется, по существу, гипотетическая скорость кузова. Эталонная скорость управления (скорость, при которой начинается управление) устанавливается на (дельтаV1) меньше гипотетической скорости, а эталонная скорость быстрого снижения давления (скорость, при которой происходит скольжение) — на (дельтаV2) ниже гипотетической. В начале торможения давление в цилиндрах колес повышается в соответствии с усилием на тормозную педаль и скорость колес снижается. Если скорость колес оказывается меньше эталонной скорости управления, а замедление становится выше G1 то выдается сигнал на понижение тормозного давления и скольжение прекращается. В случае когда даже при наличии сигнала на понижение давления скорость колес продолжает падать и оказывается меньше эталонной скорости быстрого снижения давления, выдается сигнал на быстрое снижение давления. Скорость колес восстанавливается и приближается к скорости кузова, ускорение становится выше G2, давление медленно возрастает и, как только ускорение превысит G3, выдается сигнал на быстрое увеличение давления. Таким образом, управление давлением в тормозном приводе и предотвращение скольжения осуществляются в результате обработки сигналов о скорости колес и ускорении. Кроме того, управление зависит от состояния дороги. Например, на дороге с небольшим коэффициентом сцепления M (обледенелой и т.п.) уменьшение скорости колес при торможении происходит очень быстро, а восстановление скорости при уменьшении тормозного давления запаздывает. В этом случае запаздывают и управляющие воздействия. В связи с этим по снижению скорости колес определяется состояние дороги и вносится поправка к управлению давлением в тормозном приводе.
(3) Способ вычисления скорости колес
Наиболее ответственной операцией при управлении является вычисление скорости колес, причем точность и время вычислении имеют существенное значение. Известны два принципиально различных способа вычисления скорости колес — подсчет числа импульсов, поступивших за определенный отрезок времени, и вычисление периода времени поступления заданного числа импульсов. Первый способ будем называть частотным способом измерения, второй — способом измерения по периоду. Каждый способ имеет свои достоинства и недостатки, поэтому в процессе управления при скольжении вычисление производится комбинированным способом. Предварительно рассмотрим особенности обоих способов (рис. 4.39).
Как следует из рис. 4.39, в способе, основанном на подсчете числа импульсов n за определенный отрезок времени Tс, возникает ошибка, равная Te. Точность измерения, следовательно, зависит от скорости колес — при низкой скорости точность уменьшается. На высокой скорости период импульсов сокращается, Те уменьшается и по сравнению с Тс не оказывает на результат заметного влияния. Однако на низкой скорости Тe возрастает и начинает существенно влиять на точность измерений.
В противоположность этому в способе, основанном на вычислении периода времени поступления заданного числа импульсов, ошибка определяется только периодом тактовых импульсов, используемых для измерения временных интервалов. Поэтому и точность измерения ухудшается с повышением скорости. Если период тактовых импульсов достаточно мал по сравнению с периодом импульсов с датчика скорости, то проблема точности отсутствует. Кроме того, в связи с зависимостью времени вычисления от скорости управление усложняется и время реакции в некоторых ситуациях ухудшается.
Способ вычисления скорости, используемый в антиблокировочной системе, основан на измерении времени Т до поступления первого импульса после заданного отрезка времени Та и подсчете числа импульсов (рис. 4.40).
Хотя время вычисления в этом случае и зависит от скорости колес, разброс его в худшем случае не превышает одного периода и в среднем меньше, чем в способе измерения по периоду.
Ошибка, как и при измерении по периоду, определяется только периодом тактовых импульсов. Таким образом, способ измерения с усреднением объединяет достоинства описанных выше способов — ошибка почти так же мала, как в способе измерения по периоду, а точность неизменна. Кроме того, время вычисления скорости, как и в частотном способе, постоянно.
В качестве способов приема импульсов скорости колес в микроЭВМ можно использовать обработку по прерыванию или периодическое чтение данных с порта. Однако способ приема информации с порта непригоден для измерения временных интервалов (в частности, периода) в условиях, когда точность зависит от периода тактовых импульсов. Дело в том, что микроЭВМ не только осуществляет входную обработку, но и выполняет ряд других операций и просто не справится с возложенными на нее задачами. Вместе с тем при реализации обработки по прерыванию структура аппаратных и программных средств весьма проста.
При выполнении обработки по прерыванию точность определяется частотой тактового генератора микроЭВМ (в данной системе период тактовых импульсов составляет 1 мкс). Число входов прерывания и функционально им эквивалентных в микроЭВМ ограничено, поэтому при необходимости большого числа входов прерывания требуется введение специальных схем и усложнение программного обеспечения.
Невысокая точность вычисления скорости колес в процессе управления при скольжении влечет за собой блокирование колес и увеличение тормозного пути. Применение для вычисления скорости способа измерения с усреднением позволяет получить точность в пределах 1% при периоде тактовых импульсов 1 мкс.
|
