Определение параметров вращения коленчатого вала ДВС ВАЗ 1118.
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
Определение параметров вращения коленчатого вала ДВС ВАЗ 1118.
к.т.н., проф. Ермаков В.В., к.т.н. Андросов И.А.
Тольяттинский государственный университет, ОАО «АвтоВАЗ»
Рассмотрим работу КСР на примере распознавания режима принудительного хода ДВС
ВАЗ 1118. В данном режиме происходит торможение двигателем при включенных сцеплении
и передаче, ЭБУ может кратковременно прекратить подачу импульсов на форсунки. Такой
режим наступает, когда выполняются следующие условия:
− температура охлаждающей жидкости выше 20°C ;
− частота вращения коленчатого вала выше 1800 об
мин
− скорость автомобиля более 20 км ;
ч
− дроссельная заслонка закрыта;
− массовый расход воздуха более 43 г .
сек
Возобновление импульсов впрыска топлива произойдет при наличии любого из
следующих условий:
− частота вращения коленчатого вала ниже 1600 об ,
мин
− скорость автомобиля меньше 20 км ;
ч
− дроссельная заслонка открыта на 2% или более;
− массовый расход воздуха больше 43 г ;
сек
− выключено сцепление, что определяется по быстрому падению оборотов.
При этом монитор события n с максимальным уровнем доверительной вероятности
должен использовать следующие датчики:
− тахометр (устройство определения параметров вращения коленчатого вала ДВС);
− датчик скорости;
− датчик расхода воздуха;
− датчик положения коленчатого вала;
− термодатчик охлаждающей жидкости;
− датчик положения дроссельной заслонки.
При определении этого режима КСР передает вектор управления на ЭБУ ДВС (Bosch 7.9х),
после чего происходит отработка алгоритма управления режима принудительного хода.
Для точного определения данного режима особо ответственные измерения относятся к
частоте вращения коленчатого вала. Точность тахометра не позволяет определять параметры
режима с достаточным быстродействием. Поэтому целесообразнее с точки зрения
быстродействия и точности применять устройство определения параметров вращения
коленчатого вала ДВС ВАЗ 1118. С помощью этого устройства может быть получено значение
скорости, частота вращения, плавность хода и сигнал для определения положения коленчатого
вала. Устройство работает на принципе вращающегося трансформатора рис. 2 и состоит из
ротора с обмоткой и статора с обмотками L1 и L2 соответственно. Обмотки статора образуют с
di
обмотками ротора трансформатор. ЭДС самоиндукции U e = − L .
dt
66Отличие от вращающегося трансформатора состоит в наличии на статоре двух
сдвинутых относительно друг друга на 90° обмоток (Рис 2.а).
Схема замещения показана на рис 3. Система уравнений для данной схемы с
соответствующими токами I11, I22, I33 и I44.
di11 di11 di11 di33 di22 di44 di33
(R1 + R2 ) ⋅ i11 + L1 dt + L2 dt + 2M12 dt + M 23 ⋅ dt − dt + M 24 ⋅ dt − dt = Ue − U1
di22 di33 di
R3 (i22 − i33 ) + L3 ⋅ − + M 23 11 = U1
dt dt dt (1)
R (i − i ) + R ⋅ i + R ⋅ (i − i ) + L ⋅ di33 − di22 + M di11 + L di33 + L ⋅ di33 − di44 + M di11 = 0
3 33 22 56 33 4 33 44 3
dt dt
23
dt
56
dt
4
dt dt
24
dt
R (i − i ) + L ⋅ di44 − di33 = −U
4 44 33 4 2
dt dt
С учетом того, что между сопротивлениями и индуктивностями катушек существует
следующая зависимость: R1 = R2 = R12 , R3 = R4 = R34 , L1 = L2 = L12 ,
L3 = L4 = L34 , а соответственно M 23 = M 24 = M 234 , тогда система (1) примет вид:
67 di11 di44 di22
2 R12i11 + (2 L12 + 2 M 12 ) ⋅ dt + M 234 ⋅ dt − dt = U e − U1
di22 di33 di
R34 (i22 − i33 ) + L34 ⋅ − + M 234 11 = U1
dt dt dt (2)
R (−i + 2i − i ) + L ⋅ − di22 + 2 di33 − di44 + 2 M di11 + R i + L di33 = 0
34 22 33 44 34
dt dt dt
234
dt
546 33 56
dt
R (−i + i ) + L ⋅ − di33 + di44 = −U
34 33 44 34
dt dt
2
Для дальнейших расчетов удобно представить систему дифференциальных уравнений
в комплексной форме.
I11 (2R12 + 2 jωL12 + 2 jωM12 ) + I 22 (− jωM 234 ) + I 44 ( jωM 234 ) = U& e − U&1
I11 ( jωM 234 ) + I 22 ( R34 + jωL34 ) + I 33 (− R34 + jωL34 ) = U&1
(3)
I
11 ( 2 jω M 234 ) + I 22 ( − R 34 − jωL34 ) + I 33 ( 2 R34 + 2 jωL34 + R56 + jωL56 ) + I 44 ( − R34 − jωL34 ) = 0
I (− R − jωL ) + I ( R + jωL ) = −U&
33 34 34 44 34 34 2
Результаты расчетов и графики показаны на рис 7. Токи рассчитанные для вращения
коленчатого вала ДВС ВАЗ 1118 со скоростью 900,0 рад/с. Для других значений скорости
вращения коленчатого вала, расчет производится аналогичным образом.
Ротор устройства закрепляется на валу коленчатого вала автомобиля. Чтобы иметь
возможность передать первичное напряжение на ротор, не используя щеточный контакт, на
статоре и роторе устройства предусмотрены дополнительные обмотки, с помощью которых
первичное напряжение на роторную обмотку передается на трансформаторном принципе.
Дополнительная обмотка и рабочая обмотка на роторе соединены между собой
электрически, поэтому напряжение возбуждения, передаваемое со статора на ротор через
дополнительную обмотку, будет приложено и к рабочей обмотке ротора.
В зависимости от положения ротора в рабочих обмотках статора индуктируются
напряжения с изменяющейся в функции угла поворота ротора амплитудой. В обмотке
статора, через которую проходит полный поток возбуждения (α = 0º) напряжение U1
максимально. При повороте ротора на угол α = 90° напряжение U1 уменьшается до нуля.
Затем напряжение U1 вновь возрастает до максимума с другой фазой при α = 180° (рис. 4).
Таким образом, напряжение U1 имеет огибающую, изменяющуюся по закону косинуса.
Напряжение U2 второй рабочей обмотки сдвинуто относительно U1 на 90° и имеет при α = 0°
нулевое значение. Это напряжение достигает максимума при 90° и затем снова уменьшается
до нуля при α =180°. Следовательно напряжение U2 изменяет свою амплитуду по закону
синуса.
Выходные напряжения U1 и U2 в зависимости от входного напряжения Ue меняются
следующим образом:
U e = U S ⋅ sin(ωt ), U 1= U S ⋅ sin(ωt ) ⋅ cos(α ), U 2 = U S ⋅ sin(ωt ) ⋅ sin(α ). (4)
Сигнал преобразуется в дискретное число в кодовом преобразователе устройства. Это
цифровое значение подвергается дальнейшей обработке, чтобы получить добавочную
информацию.
В кодовом преобразователе над аналоговым сигналом выполняются три операции:
дискретизация, квантование и кодирование. Сигнал после операции дискретизации имеет
вид показанный на рис.8.
Во-первых, кодовый преобразователь выдает информацию об угловом положении
коленчатого вала. Во-вторых, одновременно, можно определить скорость вращения
коленчатого вала, если считать импульсы в течении определенного времени и затем
усреднить значение скорости. В-третьих, можно два младших разряда использовать для
определения позиции коленчатого вала и положения поршней.
68Генератор опорной частоты 1 (Рис. 6) через статорную обмотку подает на ротор
переменное напряжение при частоте 5кГц. Дискретное значение числа на реверсивном
счетчике 6 преобразуется цифро-аналоговым преобразователем 5. Выходные сигналы U1 и
U2 статора устройства умножаются на синус и косинус измеренного значения. Тогда
значение на реверсивном счетчике представляет собой угол φ. В результате получаются
напряжения (рис 4):
U F 1 = U S ⋅ sin(ϖ ⋅ t ) ⋅ cos(α ) ⋅ sin(ϕ ), U F 2 = U S ⋅ sin(ϖ ⋅ t ) ⋅ cos(α ) ⋅ cos(ϕ ). (5)
В усилителе 2 оба этих сигнала вычитаются друг из друга. Результат представляет
собой разность между углом φ и фактическим углом α.
Разность получается в виде:
U FD = U S ⋅ sin(ϖ ⋅ t ) ⋅ (sin(α ) ⋅ cos(ϕ ) − cos(α ) ⋅ sin(ϕ )), (6)
или после преобразования:
U FD = U S ⋅ sin(ϖ ⋅ t ) ⋅ sin(α − ϕ ). (7)
В фазочувствительном выпрямителе 3, который включен за вычитателем 2, этот
сигнал демодулируется, чтобы исключить несущую частоту. Образовавшийся на выходе
выпрямителя сигнал UF пропорционален sin(α − ϕ ) .
Это напряжение действует на одном из входов кодового преобразователя и на вход
интегратора 4. Последний интегрирует напряжение ошибки, которое поступает в
дальнейшем на вход генератора ГУН 7, управляемого напряжением.
Если между углами α и φ есть разница, то интегратор 4 образует на своем выходе
выпрямленное напряжение, с помощью которого ГУН 7 вырабатывает импульсы,
поступающие в реверсивный счетчик 6.
Элементы со 2-го по 7-й образуют замкнутый контур. На входе ГУН 7 сигнал в форме
напряжения постоянного тока существует до тех пор, пока разность между α и φ не сводится
к нулю, что означает α = φ.
При этом дискретный сигнал реверсивного счетчика соответствует аналоговому
значению угла.
Кодовый преобразователь на выходе имеет пропорциональное скорости напряжение
U1, а также информацию об оборотах генератора.
Эта схема реализована как интегрирующий контур, причем опорный генератор 1
подключен извне. При этом достигаемая ошибка сигнала данного устройства пренебрежимо
мала (< 0,05%).
При приведении опытных испытаний получено несколько реализаций зависимости
частоты вращения каленчатого вала ДВС ВАЗ 1118 от времени (рис 9). Для определения
вероятностных характеристик определим усреднение по времени, т.е.
1 T
X (t ) = lim ⋅ ∫ xi (t ) ⋅ dt (8)
T →∞ T
0
Усреднение по времени показано на рис.8, как видно в момент времени 12 с
происходит наибольший скачок частоты вращения коленчатого вала автомобиля в меньшую
сторону.
Дальнейшие измерения статистических характеристик требуют вычисления
математического ожидания mx , дисперсии D, а также с помощью блоков корреляции и
анализа спектра мощности необходимо произвести анализ. Данный случай является
классическим, когда существует математическая модель необходимого процесса и
необходимо определить являются ли экспериментальные данные аналогом данного процесса
и какие отклонения имеются.
В данном случае математическое ожидание и дисперсия процесса вычисляется по
формуле:
1 1 n
mx = x (t ) = ⋅ ∑ x(iTОП ) , D = σ 2 = ∑ x(nTОП ) , (9)
n n − 1 i=1
69где x(t) – зависимость частоты вращения генератора усредненная по времени;
TОП – время опроса дискретных значений.
Tизм
n – общее количество выборок за данный интервал времени измерений ( n = ).
TОП
Упрощенная структурная схема цифрового измерителя математического ожидания и
дисперсии, представлены на рис 10.
Режим работы прибора задается тактовым генератором (ТГ), который управляет
работой генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). Этот генератор входит в
состав времяимпульсного АЦП.
Управление схемой осуществляет генератор счетных импульсов (ГСИ). Напряжение
1
Uгси (импульсы, следующие с частотой f 0 = генератора счетных импульсов
T0
одновременно поступает на один из входов схемы И и делитель частоты (ДЧ). Коэффициент
kД
деления выбирается кратным десяти: k Д = 10 β , где β — целое число. Полученный в
результате интервал опроса Т ОП = k Д T0 = 10 β T0 .
Импульсы управления Vупр (опорные импульсы), поступающие с тактового генератора
с периодом повторения TОП командой Пуск запускают генератор линейного напряжения,
сигнал которого U Л (t ) сравнивается с исследуемым входным сигналом V (t ) в компараторе
К1. Одновременно с началом работы ГЛИН другой компаратор подает разрешающий сигнал
на вход триггера Т и на обоих входах схемы И появляются сигналы, в результате чего от
начала команды Пуск сигнал ГСИ попадает на счетчик (С). Процесс подсчета импульсов
прекратится, когда с компаратора К1 поступит сигнал, опрокидывающий триггер Т. Это
произойдет в момент сравнения напряжения U Л (t ) , вырабатываемого ГЛИН, с входным
напряжением U i . После окончания времени цикла TОП , с приходом следующего опорного
импульса U упр снова произойдет запуск ГЛИН и в счетчик будут записываться данные
следующего цикла и т.д.
Подсчитанное значение среднего отражается на дисплее цифрового отсчетного
устройства (ЦОУ).
При определении дисперсии Dx* = σ x*2 необходимо произвести центрирование
среднего значения x& (t ) = x(t ) − m*x , а затем возвести в квадрат полученную величину.
Упрощенная структурная схема цифрового измерителя дисперсии представлена на рис 10. С
помощью центрирующего устройства (ЦУ) из исследуемого сигнала выделяется его
переменная составляющая u& (t ) , которая поступает на двухтактный выпрямитель (В).
Выпрямленный сигнал u& (t ) преобразуется компаратором (К) во временной интервал ∆t
путем сравнения с линейно изменяющимся напряжением u Л (t ) = k1t , которое
вырабатывается ГЛИН; в результате этого преобразования имеет место уравнение:
2
∆ti = k 2 u& (t ) (10)
где k1,k2— соответствующие коэффициенты преобразования.
Напряжение ГЛИН u Л (t ) также управляет частотой генератора счетных импульсов (ГСИ),
1
которая приобретает зависимость вида f 0 = = k3u Л (t ) здесь k3 — коэффициент
T0
преобразования ГСИ. Счетные импульсы через триггер (T) поступают на вход схемы
совпадения И, на другой вход которой подается импульс длительности ∆ti . На вход счетчика
70импульсов (СЧ) за интервал длительности очередного импульса ∆ti , с ГСИ через схему И
пройдет некоторое число импульсов:
∆ti ∆ti 2
qi = ∫ f dt = ∫ k tdt = k ∆t = k
0
0
0
4 4 0 u& (t ) , (11)
i
где k4=k1k3; k0=k4k2=k1k2k3.
Следовательно за время измерения Т ИЗМ = nТ ОП , в счетчике будет зарегистрировано
число
n n
N = ∑ q i = k0 ∑ u& (t ) i = nk0 Dx .
2
(12)
i =1 i =1
Разделив число N импульсов на nk0 , получим значение оценки дисперсии сигнала:
N
Dx* = σ x*2 = . (13)
k0 n
Основными погрешностями измерения при определении m*x и Dx* являются
погрешности, связанные с конечностью времени усреднения Т ИЗМ . Цифровой измеритель
дисперсии случайного процесса также управляется импульсами тактового генератора.
Полученные результаты измерения отображаются на ЦОУ.
а б
Рис.2. Устройство определения параметров вращения коленчатого вала ВАЗ 1118
А - схематическое изображение, Б – эквивалентная схема.
Рис.3. Схема замещения устройства определения параметров вращения коленчатого вала ДВС ВАЗ 1118.
716
4
2
U1 (α ) 6 4 2 0 2 4 6
2
4
6
6
4
2
U 2 (α ) 6 4 2 0 2 4 6
2
4
6
Рис.4. Выходные напряжения устройства определения параметров вращения коленчатого вала.
Рис.5. Обработка сигнала устройства определения параметров вращения коленчатого вала ДВС ВАЗ 1118.
VC = VS ⋅ sin(ωt )
V1 = VS ⋅ sin(ωt ) ⋅ cos(α )
V2 = VS ⋅ sin(ωt ) ⋅ sin(α )
Рис.6. Блок схема кодового преобразователя устройства определения параметров вращения коленчатого вала
72а. б.
в. г.
Рис. 7. Результаты расчетов токов а - ток I11, б - ток I22, в - ток I33, г - ток I44.
Рис. 8. Дискретный сигнал устройства определения параметров вращения коленчатого вала ДВС ВАЗ 1118.
73а б
Рис. 9. Экспериментальные данные, полученных с помощью устройства определения параметров вращения
коленчатого вала ДВС ВАЗ 1118
а – четыре реализации зависимости; б – усреднение реализации зависимости по времени
Рис. 10 Блок схема цифрового измерителя дисперсии и математического ожидания устройства определения
параметров вращения коленчатого вала ДВС ВАЗ 1118
(I – математическое ожидание, II - дисперсия)
Литература:
1. В.И. Нифедов «Метрология и электро/радиоизмерения» - М.:Высшая школа, 2001.
2. Куликовский К.Л., Купер В.Я. «Методы и средства измерений» -
М.:ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ,1986.
3. Ютт В.Е., «Электрооборудование автомобилей» - М.:ТРПНСПОРТ,1995.
4. Сборник статей Тольяттинского государственного университета. «Устройство для
определения угловых колебаний колеса автомобиля».
74Вы также можете почитать
