Klasično upravljanje u automobilima podrazumeva mehaničku vezu između volana i točkova. Ta veza ima zadatak da obrtno kretanje osovine volana preko zupčanika pretvori u translatorno kretanje potrebno za zakretanje točkova. Danas je većina automobila opremljena hidrauličnim servo sistemima, koji imaju zadatak da pomognu upravljanja. Glavni deo tog sistema je hidraulična pumpa, koja se pokreće uz pomoć motora automobila. Zbog toga što hidraulična pumpa u većini slučajeva radi neprestano, ona troši snagu glavnog motora. To dodatno opterećenje motora podiže potrošnju goriva.
Zato je naša ideja bila da ponudimo model sistema električnog upravljanja. Ovaj sistem sasvim eliminiše mehaničku vezu između volana, servo pumpe i zupčanika, zamenjujući je električno kontrolisanim sistemom. Ovaj sistem ne koristi snagu motora pa samim tim smanjuje potrošnju goriva. Takođe smanjuje buku i vibracije jer nema mehaničkog zakretanja osovine volana. Ostaje pitanje napajanja. Tu moze poslužiti tehnologija koja se već koristi kod hibridnih i elektro automobila, a zove se regenerativno kočenje. Kod automobila sa regenerativnim kočenjem, elektromotor je zadužen za usporavanje vozila. Tada se on ponaša kao generator koji na točkovima prikuplja rotacionu kinetičku energiju i skladišti je u baterije.
Iz razloga što na raspolaganju nismo imali vozilo na kome bi testirali naš sistem, odlučili smo se za izradu funkcionalnog modela.
Analiza problema
Analizirajući dosadašnja ostvarena rešenja, uočili smo da sistem mora da poseduje sledeće elemente:
- Senzor zakrenutosti volana
- Senzor zakrenutosti točkova
- Aktuator za zakretanje točkova
- Kontroler
- Napajanje
Zbog prirode problema kojim se bavimo, a cije je eliminisanje mehaničke veze, bilo je potrebno nekako meriti zakrenutost volana. U tradicionalnoj izvedbi upravljanja tu fukciju je obavljalo vratilo koje je povezivalo volan i zupčastu letvu, a kasnije volan i hidrauličnu pumpu. Ideja je da se na vratilo volana montira senzor koji bi merio zakrenutost volana. Kao moguća rešenja nameću se enkoderi i potenciometri.
Prednosti potenciometra su njegove dimenzije i najvažnije to što pamti poziciju. To se odnosi na činjenicu da vrednost koju senzor daje ostaje nepromenjena nakon restartovanja sistema. Mane se ogledaju u nepreciznom radu, uzrokovanom pojavom šuma, kratkom veku trajanja, čiji uzrok možemo pronaći u načinu rada samog potenciometra, osetljivoj konstrukciji i nemogućnosti kupovine adekvatnog potenciometra u slobodnoj prodaji.
Postoje dve vrste enkodera: inkrementalni enkoder i apsolutni enkoder. Detekcija zakrenutosti kod obe vrste ostvaruje se optičkim parom predajnika i prijemnika, i zbog toga ne dolazi do mehaničkog kontakta između vratila senzora i kućišta senzora. To utiče na produženje veka trajanja, očuvanje preciznost bez obzira na dužinu upotrebe. Takođe izlazni signali enkodera prilagođeni su ulazima digitalnih logičkih kola, što olakšava njihovu implementaciju. Način na koji mere zakrenutost se razlikuje u zavisnosti od tipa enkodera. Inkrementalni enkoder poseduje dva optička para predajnik-prijemnik, između kojih se nalazi kodni disk. Prvi par je zadužen za brojanje inkremenata, dok je položaj drugog para u odnosu na prvi takav da on daje podatak o smeru obrtanja vratila, što je prikazano na slici 1.
Slika 1. Dvokanalni optički inkrementalni enkoder.
Mana inkrementalnog enkodera je u tome što ne pamti poziciju, što bi dalje zakomplikovalo njegovu implementaciju. Primenom apsolutnog enkodera bi problem pamćenja pozicije bio rešen, jer apsolutni enkoder radi na drugačijem principu. Način rada apsolutnog enkodera se zasniva na upotrebi većeg broja optoparova i drugačijem rasporedu otvora na kodnom disku. Broj parova direktno određuje rezoluciju enkodera. Jedinu manu apsolutnog enkodera donekle predstavlja njegova velika cena.
Analizom problema merenja zakrenutosti točka došli smo do zaključka da je jednostavnije meriti promenu položaja zupčaste letve ili zakrenutost vratila motora zaduženog za pomeranje zupčaste letve. Ovo je moguće iz razloga što su motor, zupčasta letva i točkovi deo istog mehaničkog lanca. Za merenje promene položaja zupčaste letve može poslužiti linijski inkrementalni enkoder, cija je glavna mana to što ne pamti poziciju. On radi na istom principu kao i obrtni inkrementalni enkoder samo što umesto diska ima letvu (Slika 2.).
Slika 2. Linijski inkrementalni enkoder.
Za merenje zakrenutosti motora mogu poslužiti oba tipa enkodera. Mislimo da bi najbolji izbor i pored veće cene bio apsolutni enkoder jer je u stanju da pamti poziciju, što nam je od velike vaznosti.
Kod izbora aktuatora u startu smo odbacili pneumatske i hidraulicke motore zbog nepostojanja sistema za proizvodnju i distribuciju fluida pod pritiskom, i dodatnog opterećivanja motora automobila. Ograničili smo se na jednosmerne elektromotore jer u kolima već postoji izvor napajanja prilagođen njima. Kriterijum za odabir motora je nominalna snaga motora, koja mora biti veća od maksimalne snage potrebne za zakretanje točkova vozila u stanju mirovanja. Upravo tada je otpor zakretanju najveći. Mi nismo bili u stanju da izmerimo silu potrebnu za zakretanje tockova ali mislimo da servo motor ne zadovoljava ovaj kriterijum. Motori koji dolaze u obzir su DC i koračni motori. Pošto se danas teži smanjenju mase i potrošnje vozila, dimenzije motora se moraju uzeti u obzir. Naš izbor je DC motor zbog jednostavnosi upravljanja, niže cene i manjih dimenzija. DC motor spada u rotacione električne mašine kod kojih se vrši pretvaranje električne u mehaničku energiju rotacionog kretanja. Pripada dvopobudnom sistemu, jer ima dva namotaja, statorski i rotorski, (Slika 3). Prednosti ove vrste motora su relativno niska cena, visoka pouzdanost i jednostavna kontrola brzine obrtanja. Mane su mu kratak vek trajanja pri konstantnom radu, i potreba za održavanjem, što uključuje čišćenje ili zamenu komutatora i zamenu četkica i opruga.
Slika 3. DC motor kompanije Maxon.
Izbor kontrolera smo suzili na digitalne kontrolere, tačnije na mikrokontrolere i PLK (Programabilni Logički Kontroler) iz razloga što nam je rad sa digitalnim kontrolerima bliži i lakši. A pošto se danas u auto industiji uglavnom koriste digitalni kontroleri i regulatori i mi smo se opredelili za takvo rešenje. Prednosti PLK su jednostavno programiranje iz razloga što postoje integrisane funkcije za upravljanje motorom i komunikaciju sa senzorima, podržani multitasking i sigurni su u radu. Međutim njihova velika cena i praksa proizvođača automobila da za sisteme slične ovima (ABS, ESP, servo) razvijaju hardver, isključuje PLK kao povoljan izbor. Mala cena, dostupnost kao i naše poznavanje rada sa njima su glavne prednosti mikrokontrolera. Njihova mana bi bila nepouzdanost pri radu na ovako odgovornom zadatku.
Napajanje u kolima ne predstavlja problem zbog postojanja instalacije jednosmernog napona (12V). Ukoliko bi našem sistemu bilo potrebno više struje nego što standardni generator u automobilu može da proizvede, mogla bi da se koristi gore navedena tehnologija regenerativnog kočenja.
Realizacija projekta
Sistem se sastoji od upravljačkog i izvršnog dela. Upravljački deo čini mikrokontroler, koji ima funkciju upravljanja motorom u zavisnosti od referentne i ostvarene vrednosti zakrenutosti motora preko izvršnog dela u zatvorenoj povratnoj sprezi. Referentnu i ostvarenu vrednost zakrenutosti motora merimo odgovarajućim senzorima. Izvršni deo predstavlja drajver za pobudu motora. Pobuda je PWM (Pulse Width Modulation) tipa. Drajver je u konfiguraciji H mosta, koji obezbeđuje okretanje vratila motora u oba smera. Pored ovoga izvršni deo obezbeđuje limit struje motora.
Slika 4. Blok šema makete.
Senzori. Za senzor koji meri zakrenutost volana odnosno daje referentnu vrednost, odlučili smo se za potenciometar. Razlog za to je što su dostupni i pamte poziciju (pri isključenju i ponovnom uključenju uređaja vrednost koju senzor daje ostaje nepromenjena). Takođe implementacija potenciometra i rad sa njima su krajnje jednostavni. U obzir smo uzeli i inkrementalni ili apsolutni enkoder koji bi se takođe mogli upotrebi kao senzor zakrenutosti, ali nam oni nisu bili dostupni. Moramo naglasiti da je velika mana potenciometra, bar modela koji smo mi koristili, krha konstrukcija. Lako moze da dođe do loma, što nije slučaj sa enkoderima te bi oni bili bolji izbir u realnoj izvedbi elekto volana.
Pošto je u oba slučaja naš izbor potenciometar, a radi lakše obrade dobijenih podataka, odlučili smo se za potenciometre istih karakteristika. Radi se o poteciometru sa sledećim karakteristikama:
- Linearni
- Nazivna otpornost 10K
- Opseg zakretanja 150 stepeni
Povezali smo ih tako što smo srednji izlaz doveli na analogno digitalni ulaz mikrokontrolera, a preostala dva izlaza spojili na masu, odnosno napon napajanja. Time smo dobili naponski razdelnik koji na srednjem izlazu daje vrednost napona od nule do napona napajanja. Zbog linearnosti promene otpornosti, ugao zakretanja i vrednost napona na izlazu potenciometra su srazmerni (Slika 5.)
Slika 5. Izgled potenciometra.
Pošto se radi o analognim signalima, potrebno je njihovo prevođenje u digitalni oblik. Analogno digitalna konverzija je generisanje digitalnog kodovanog broja koji odgovara analognom ulaznom signalu, što se vidi na slici 6. Prednost pretvaranja analognog signala u digitalni oblik je nepostojanje šuma koji se javlja u svakom sistemu, a koji može da izazove gubitak i izobličenje signala. Mana je to što je rezolucija digitalnog signala ograničena što nije slučaj kada se radi o alanognom signalu. U našem projektu smo se odlučili za digitalni signal jer je smo regulaciju položaja vratila motora ostvarili softverski, pa nam je rad sa ovom vrstom signala bio lakši. Treba napomenuti da se pri konverziji signala mogu javiti greške. Neke od njih su greška ofseta, greška dinamičkog opsega i pojačanja kod A/D konvertora, greška kvantizacije.
Slika 6. Analogno-digitalna konverzija.
Motor. Jedini kriterijum pri izboru DC motora je bila njegova dostupnost. Odlučili smo se za motor firme „Maxon“ deklarisane snage 60W sa ugrađenim reduktorom 1:16, (Slika 3). Njegove osnovne karakteristike su:
- Struja neopterećenog motora 300 mA
- Struja startovanja 60.5 A
- Maksimalna kontinualna struja 4 A
- Otpornost namotaja 0.198 Ω
- Maksimalna brzina obrtanja 12000 min-1
- Brzinska konstanta 685 min-1/ V-1
- Mehanička vremenska konstanta 3.42 ms
- Momentna konstanta 13.9 mNmA
Motor je preko zupčastog kaiša i para remenica različitog prečnika, čime smo obezbedili dodatnu redukciju, povezan sa vratilom senzora zaduženog za merenje zakrenutosti motora. Pobuda motora je PWM tipa. PWM ili impulsno širinska modulacija je vrsta upravljanja koja predstavlja način da se od digitalnog signala napravi signal analogne vrednosti. Korišćenjem brojača sa visokom rezolucijom, odnos impuls/pauza se moduliše da odgovara specificiranom nivou analognog signala. Regulacija položaja vratila motora je proporcionalnog tipa. P regulacija je diskretna jer je ostvarena softverski koristeći mikrokontroler.
Upravljački deo. Upravljački deo predstavlja mikrokontroler koji povezuje sve ulazno/izlazne uređaje (senzore, drajver, napajanje). Radi se o mikrokontroleru AVR ATmega 8, koji ima sledeće karakteristike:
- RISC arhitektura, visoke preformanse i mala potrošnja
- 8KB programske fleš memorije
- 512 B EEPROM memorije
- Dva 8 – bitna tajmera/brojača
- 16 – bitni tajmer/brojač
- Tri PWM izlazna kanala
- Osmokanalni ADC ulaz
- Bitsko orijentisana dvosmerna serijska komunikacija (USART)
- Interni RC oscilator
- 23 ulazno/izlaznih pinova
- Napon napajanja od 4.5 do 5.5 V
Softverski smo realizovali takozvani idealni PI algoritam, (Slika 8.). Prednosti idealnog u odnosu na realni regulator su kraće vreme računanja i jednostavnija prenosna funkcija.
Slika 7. Šema PI regulatora.
Izlaz iz ovakvog regulatora dat je jednačinom U(t) = Kp*e(t)+Ki*e(t), gde e predstavlja razliku između referentne i ostvarene vrednosti odnosno grešku, a Kp i Ki koeficijente proporcionalnog odnosno integralnog dejstva. Proporcionalno dejstvo daje izlaz koji je proporcionalan grešci. Mana korišćenja samo P dejstva je pojava greške u ustaljenom stanju. To znači da sistem nikada neće dostići referentnu vrednost. Takođe preveliko P dejsvo može dovesti do nestabilnosti sistema, oscilovanja ostvarene oko referentne vrednosti. Da bi rešili pojavu greške u ustaljenom stanju uvodimo integralno dejstvo. Ono se sastoji od sumiranja prethodnih grešaka, koje traje sve dok se ne dostigne zadata vrednost.
Slika 8. Odziv P, I i PI regulatora na step pobudu.
Da bi se sprečilo upravljanje pri malim vrednostima greške, koje se mogu javiti zbog nepreciznosti senzora ili greške analogno-digitalne konverzije, greška mora biti veća od neke unapred određene vrednosti. Ta vrednost u obrnutoj proporciji određuje preciznost uređaja. Time svesno pravimo grešku u ustaljenom stanju. Vrednosti proporcionalnog i integralnog dejstva, radi mogućnosti njegovog podešavanja u toku rada sistema, se zadaju potenciometrom. Na osnovu greške i vrednosti koeficijenta dobijamo izlaz iz regulatora, koji direktno određuje faktor ispune PWM signala, što možete videti na Slici 10.
Slika 9. PWM signali sa različitim faktorima ispune: a) faktor ispune 10, b) faktor ispune 50, c) faktor ispune 90.
Za generisanje PWM signala smo iskoristili jedan od modova rada tajmera mikrokontrolera, phase and frequency correct PWM mode, koji obezbeđuje visoku rezoluciju signala. Frekvencija izlaznog signala se računa po sledećoj formuli:
Gde N predstavlja faktor deljenja koji je u našem slučaju 1. Fclk je frekvencija na kojoj radi mikrokontroler. Jasno je da se odabirom vrednosti TOP određuje željena frekvencija PWM signala, (Slika 10). Vrednosti TOP promeljive se dodeljuje njenim upisom u registar ICR1. S obzirom da je za motor za koji smo se odlučili preporučena radna frekvencija od 20KHz do 30KHz, TOP smo postavili na 340, čime smo dobili frekvenciju od 24KHz. Ujedno tih 340 predstavlja rezoluciju PWM-a, što znači 169 različitih brzina obrtanja motora u oba smera.
Slika 10. Generisanje PWM signala.
Drajver DC motora. Nakon izbora motora preostalo je još da se odlučimo za način upravljanja motorom. Kod izbora drajvera moramo obratiti pažnju na snagu koju taj drajver treba da obezbedi. A pošto smo već zaključili da nam nije potrebna značajna snaga na motoru, u razmatranje izbora drajvera uzimamo integrisana kola sa H-mostom. Pošto je na našem tržištu najzastupljenije i najlakse je doći do njega, izabrali smo L298. L298 je integrisano kolo sa 2 H-mosta sa maksimalnom strujom na izlazu od 2A po mostu. Ova snaga na izlazu u potpunosti zadovoljava naše potrebe. Jednostavnost implementacije ove komponente je još jedana od prednosti, (Slika 12).
Slika 11. L298 Multiwatt 15 kućište.
S obzirom da ova komponenta sadrži dva H-mosta realizovana bipolarnim tranzistorima, zbog efekta „krađe struje“ odustajemo od paralelnog vezivanja mostova, iako to proizvođač ostavlja kao opciju. Koristićemo preporučenu šemu za upravljanje motorom u oba smera (Slika 13).
Slika 12. Šema za upravljanje motorom u oba smera.
Napravili smo samo malu izmenu: Ven signal koji služi za isključivanje motora po potrebi, vezali smo izlaz naponskog komparatora. Na ulaze ovog komparatora dovodimo napon sa senzorskih otpornika Rs i konstantan napon unapred podešen. Ovim smo dobili zaštitu od prevelike struje kroz motor. Iako maksimalna dozvoljena struja motora nije ni približno velika kao maksimalna struja na izlazu drajverskog kola, mogućnost upravljanja istom može biti od koristi u narednim primenama ovog uređaja.
Upravljanje motorom uz pomoć ovog kola vrši se izborom faktora ispune PWM signala i dovođenjem ovog signala do upravljačkih ulaza kola. Koristi se bipolarni PWM signal čije su osobine da pri 0% ispune imamo maksimalno obrtanje motora u jednu stranu, a pri 100% ispune maksimalno obrtanje u drugu stranu. Postoji opcija kočenja motora koja se izvodi dovođenjem logičke „1“ na oba ulaza. Zbog prirode našeg problema nama ova opcija neće trebati i mi je nećemo koristiti.
Slika 13. Završni izgled modela
Radi lakšeg testiranja, podešavanja parametara PI regulatora kao i prezentovanja rada uređaja odlučili smo se da postavimo dve skale sa kazaljkama na kojima se može pratiti rad uređaja. Jedna kazaljka je pričvršćena na vratilo potenciometra kojim zadajemo referentnu vrednost a druga na vratilo koje je spojeno sa potenciometrom kojim očitavamo ostvarenu vrednost. Skale su postavljene jedna iza druge sa tim što je prva skala providna radi lakšeg poređenja skretanja kazaljki. Teoretski bi trebalo da druga kazaljka prati prvu, međutim postoji konstantna razlika iz razloga jer je opseg zakretanja drugog potenciometra veći od opsega zakretanja prvog potenciometra. Pri malim vrednostima potencionalnog dejstva javlja se velika greška u ustaljenom stanju, koja se smanjuje kako se P dejstvo povećava. Ako je potencijalno dejstvo veliko dolazi do nestabilnosti sistema i oscilovanja ostvarene oko zadate vrednosti. Međutim greška je uvek prisutna i zato se uključuje i integralno dejstvo koje tu grešku neutrališe. Takođe se pri velikim vrednostima I dejstva javlja nestabilnost sistema. To znači da je potrebno odrediti dovoljno velike vrednosti P i I dejstva da bi sistem reagovao dovoljno brzo ali u isto vreme paziti da se sistem ne izvede iz stabilnog stanja.
Šemu drajvera i pločicu projektovanu u Eagle možete preuzeti ovde.
Napomena: Učestvovanjem u nagradnoj igri Automatika.rs zadržava pravo objavljivanja teksta i nakon završetka nagradne igre. Takođe ne snosimo troškove eventualno nastale štete zbog krivo objavljenih ili pogrešno napisanih tekstova. Za istinitost tekstova, vlasništvo nad autorskim pravima, na fotografije ili tekstove koji se koriste, a preuzeti su s drugih web stranica odgovara isključivo vlasnik teksta.
