SAVREMENI STEER STEE R BY WIRE WIRE SISTEMI UPRAVLJANJA
Zijah Jelkić Sažetak: Dodatne buduće funkcije za automobile kao što su poboljšana kontrola dinamike vozila, poboljšani komfor , povećana sigurnost i kompaktnost su dostignuti modernim električnim upravljačkim sistemima. Na osnovu dodatnih uslova nove funkcije sistema upravljanja se postižu raznim električnim komponentama za mjerenje, obradu signala i kontrolu aktuatora. Međutim, pouzdanost tih komponenti moraju ispunjavati standarde današnjih upravljačkih produkata. Kako bi se dostigli ti zahtjevi za komponente (kao što su senzori, BUS sistemi, elektronske kontrolne jedinice, aktuatori) sistem mora biti postojan na grješke i/ili otkaze. Osim sigurnosti i dostupnosti ovakvih sistema rezervni električni sist emi moraju moraju biti oprav opravdani dani kako sa ekonomskog aspekta tako i potražnje. S tim ciljem u ovom radu opisani su nekoliko električnih steer -by-wire -by-wire s istema sa s a rezervnim rezervnim sis temima, kao i njihovi pred nosti i nedostaci. Pored prikaza raznih mogućih steer -by-wire -by-wire sistema prikazan je i jedan primjer kontrole steer-by-wire steer-by-wire sist ema i njegova njegova izvedba izvedba kako bi se implementirale implementirale funkcije funkcije upravljanja i poboljšala upravljivost vozila. U radu je opisan i implement acija raznih upravljačkih funkcija korištenjem metode dizajniranja kontrolnog sistema.
Ključne riječi: Drive-by-wire, steer-by-wire, upravljački sistem, aktivno upravljanje, varijabilni prenosni odnos upravljačkog sistema 1.
UVOD
Korištenje elektronskih kontrolnih sistema nije nigdje zastupljenije nego kao u savremenim vozilima. Tokom zadnje dvije dekade, razvoj elektronike je revolucionirao mnogo područja automobilizma, naručito u oblastima kontrole procesa sagorijevanja motora su s i sistema aktivne sigurnosti vozila kao što je sistem s istem za z a kočenje (ABS (ABS)) i elektronska elektronska kontrola stabilnosti vozila vozila (ESC). (ESC). Prednosti korišt korištenja enja elektronske kontrole su jasne: poboljšane performanse, sigurnost, i pouzdanost sa smanjenjem troškova proizvodnje i rada. Međutim , tek nedavno je elektronska revolucija našla put do sistema upravljanj upravljanja a vozila ozil a u obliku oblik u elektronske elekt ronske kontrolisane kontroli sane varijabil varijabilne ne pomoć i potpuno elektronska podrška. Drive-by-wire
tehnologija
u
automobilskoj
industriji
predstavlja
upotrebu
elektronskih i elektromehaničkih sistema koji bi oponašali funkcije vozila koji inače rade mehaničke veze. Ova tehnologija zamjenjuje tradicionalni mehanički sistem kontrole sa elektronskim sistemom kontrole koristeći elektromehaničke aktuatore i sisteme koji oponašaju odnos čovjek -mašina kao što su pedala za gas i osjećaj upravljanja. Komponente kao upravljački mehanizam, srednje vratilo, pumpe, crijeva, pojasevi, hladnjaci i vakuum servo i glavni cilindar su izbačeni iz vozila. Ovakvi sistemi su slični fly-by-wire sist emima koji su dosta rasprostranjeni rasprostranjeni u avio avio industriji. Elektronsko praćenje ubrizganog goriva kod dizel i otto motora su u velikoj primjeni. Elektronska kontrola položaja leptir ventila je također u širokoj primjeni kod otto motora. Potpuno elektronske
sisteme kočenja i upravljanja još nisu u širokoj upotrebi u vozilima. Razlog tome su najprije sigurnosne posljedice kočionog sistema i sistema upravljanja bez suviš ne mehaničke rezerve u slučaju otkazivanja drive-by-wire sistema. Međutim, tehnički je moguće izvesti više rezervnih elektronskih sistema (kao u slučaju fly -by-wire sistema korištenog u putničkim i vojnim avionima), dodatan trošak i održavanje takvih sistema je učinilo da su ovakvi sistemi nekompetativni za komercijalnu upotrebu u ovom trenutku. Hibridna vozila koriste sisteme regenerativnog kočenja, ali je hidraulični sistem i dalje ostao. Porast prodaje hibridnih i električnih vozila ć e najvjerovatnije biti ključni faktor koji ć e omogućiti upotrebu drive-by-wire sistema, naručito zbog izvora električne struje visoke snage potrebni za nove električne aktuatore. Throttle-by-wire – Ovaj sistem omogućava ubrzanje vozila bez korištenja mehaničkih kablova koji povezuju pedalu gasa sa leptir ventilom. Ovaj sistem kotroliše električne motore tako što pomoću senzora prati položaj pedale gasa i šalje komande na aktuator koji je vezan za leptir ventil motora. Brake-by-wire – Korištenjem potpunog brake-by-wire sistema eliminiše potrebu za hidraulikom
korištenjem motora koji upravljaju upravljaju kočionim kliještima klij eštima i tako vrši vrši kočenje. k očenje.
Zijah Jelkić
Shift-by-wire – Pravac kretanja vozila (naprijed, nazad) se bira pomoću aktuatora koji se nalaze unutar transmisije vozila, preko elektronskih signala baziranih na vozačevoj želji. Park-by-wire – Parkirna kočnica u tradicionalnoj transmisiji je mehanički vezana za mjenjač i zaključa
transmisiju kada je odabran Parking opcija. Bitno je naglasiti da se ovo razlikuje od ručne parkirne kočnice. Park-by-wire sistem koristi elektronsko upravljanje aktuatorima kako bi se aktivirao elektromotor koji se nalazi na kočioni kliještima i tako parkirao vozilo. Steer-by-wire – Ovaj sistem upravljanja ć e omogućiti upravljanje vozila korištenjem manje mehaničkih dijelova/veza između upravljačkog volana i upravljačkih točkova. Upravljanje upravljačkim točkovima je ostvaren ostvareno o preko elektromotora koji se pokreć u preko elektronske kontrolne jedinice koja prati zakretanje upravljačkog volana. Ovakav sistem se trenutno koris ti u električnim viljuškarima i nekim traktorima. Prvo produkcijsko vozilo koji koristi ovaj sistem upravljanja je Infiniti Q50. Primjena na putničkim vozilima ja ograničena pouzdanošću sistema mada je bilo nekoliko demonstracija ovog ovog sistema u konceptnim vozilima kao što su ThyssenKrupp Presta Steering's Mercedes -Benz Unimog, General Motors' Hy-wire i Sequel, Saab Prometheus i Mazda Ryuga.
2.
SADAŠNJI SISTEMI UPRAVLJANJA
Kako sistem upravljanja skupa sa kočionim sistemom spadaju među najzahtjevnijim sistemima vozila što se tiče tič e sigurnosti, sigurnosti, prilikom prilik om uvođenja uvođenja novog novog sistema sis tema na tržište tržiš te sigurnost je preduslov preduslov.. Upoređivanjem konvencionalnih sistema sa novim sistemima upravljanja sa sigurnosnog aspekta, vidljivo je da sa svakom novom generacijom sistema upr avljanja uvode se nove upravljačke funkcije, čije konstrukcije konstrukc ije i sistemi moraju biti dovoljne dovoljne sigurnosti.
2.1. MEHANIČKI
UPRAVLJAČKI SISTEM
Konvencionalni upravljački sistemi su bazirani na mehaničkom upravljanju koji se može pojaviti u dvije varijante. Komponente upravljačkog mehanizma sa zupčastom letvom (slika 1.) i kulisnog upravljačkog sistema, koji se koristi za veće sile upravljanja, su čisto mehaničke: upravljački volan, upravljačko vratilo, zupčanik, zupčasta letva, kulisni mehanizam, spone. Doda tne komponente su razni univerzalni spojevi i zaptivači.
Slika 1.
Mehanički upravljački mehanizam
Sa upravljačkim mehanizmima gubitak upravljačke kontrole se smatra značajnim efektom bitan za sigurnost. Ovo može biti uzrokovano sa mehaničkim sistemom upravljanja pri lomu ili blokiranju mehanizma uzrokovane konstruktivnom greškom, greškom u materijalu ili greškom tokom t okom proizvodnje. proizvodnje. 2
Savremeni steer by wire sistem i upravljanja
U praksi ovakvi vidovi kvarova su isključeni, zbog toga što su mehanički dijelovi konstruisani sa dovoljno velikim stepenom sigurnosti kako bi bili dovoljno sigurni, te grješke u proizvodnji mogu biti zanemarljivo male zbog velikog iskustva u proizvodnji mehaničkih sistema upravljanja i visokim standardima kvaliteta i proizvodnje.
2.2. HIDRAULIČNI
SERVO SISTEM UPRAVLJANJA
Hidraulični servo sistem upravljanja (slika 2.) je do danas najkorišteniji sistem upravljanja. Zasniva se na komponente mehaničkog sistema upravljanja, sa dodatkom hidrauličkog sistema, obično se sastoji od hidraulične pumpe, hidrauličnih vodova, rezervoara za ulje. Osnovna funkcija ovog servo sistema je hidraulička podrška upravljačkog obrtnog momenta, tako da je vozačev napor za upravljanje smanjen. Tako da u slučaju otkaza sistema, gubitak snage sistema predstavlja novi sigurnosni aspekt u poređenju sa čisto mehaničkim upravljanjem. Uzrok tome može biti gubitak hidraulične tečnosti ili otkazivanjem hidraulične pumpe.
Slika 2.
Hidraulični servo sistem upravljanja
U s lučaju otkaza funkcija upravljanja vozila je i dalje izvodljiva i vozač se može adaptirati novim uslovima vož nje povećanjem napora upravljanja kako bi nadoknadio gubitak pomoći. ECE R79 regulativom propisan je maks imalni potreban napor upravljanja prilikom otkaz a sis tema.
2.3. ELEKTRO-HIDRAULIČKI
SERVO SISTEM UPRAVLJANJA
Elektro-hidraulični sistem upravljanja se zasniva na mehanizam zupčaste letve sa hidrauličkim servom s tim da je h idraulična pumpa pogonjena od strane elektromotora, čime je zamijenjena pumpa
pogonjena od strane motora sa unutrašnjim sagorijevanjem. Dodatne komponente u odnosu na hidraulički servo sistem su: elektromotor, elektronska kontrolna jedinica i kao opcija senzor za praćenje brzine zajretanja upravljača. Sklop za snabdijevanje pritiska se sastoji od elektro motora i elektronike kao i hidrauličke pupe i rezervoara za ulje.
Odvajanjem hidraulične pumpe od motora vozila dozvoljava slobodu odabira mjesta instalac ije pumpe u vozilu i značajnom doprinosu za proizvodnju potpuno funkcionalnog i provjerenog osovinskog modula od strane proizvođača upravljačkog sistema. Elektronski upravljačk i sistem rezultuje u smanjenju potrošnje energije i do 75% zavisno od
opterećenja i načina upravljanja. Također je moguće omogućiti podešavanje veličine podrške upravljanja u zavisnosti od brzine okretanja upravljača i drugih parametara. 3
Zijah Jelkić
Slika 3.
Elektrohidraulički servo sistem upravljanja
Sa sigurnosnog aspekta hidraulični s ervo sistem upravljanja i elektrohiraulički servo sistem upravljanja imaju iste posljedice prilikom otkaza sistema: otkaz novih dodatnih komponenti samo utiču na veličinu podrške upravljanja, dok je mehanički sistem i dalje u funkciji. Izostavljanjem remen kaiša sa hidrauličke pumpe povećava pouzdanost sistema.
2.4. ELEKTRIČNI SERVO SISTEM UPRAVLJANJA
Elektr ični servo sistem upravljanja (slika 4.) kombinira mehanički sistem upravljanja sa elektronski upravljanim elektro motorom što omogućava suhi sistem bez korištenja hidrauličke tećnosti . Hidraulični sistem, koji je do sada obezbi jeđivao pomoć pri upravljanju, je zamijenjen elektr ičnim sistemom. Senzor momenta mjeri obrtni moment na upravljaču i elektronska kontrolna jedinica kalkuliše potrebni servo obrtni moment. Servo obrtni moment biva doveden sa elektro motora tako da se postigne zahtijevana kriva obrtnog momenta na upravljačkom sistemu.
Zavisno od potrebne sile upravljanja elektro motor povezan preko pužnog prenosnika na upravljačko vratilo ili z upčanik i za visoke sile direktno na zupčastu letvu preko kulisnog mehanizma. Na slici 4. prikazan je slučaj kada je elektro motor povezan sa zupčanikom na upravljačkom vratilu, što je namijenjeno za vozila srednje klase. Komponente koje uključuje ovakav sistem u odnosu na mehanički sistem su: elektro motor, elektronska kontrolna jedinica, izvor električne energije, senzor momenta na upravljaču i CAN bu s-a prema ostalim sistemima. Elektr ični servo sistem upravljanja nudi veće prednosti u odnosu na hidraulički servo sistem upravljanja. Pored 80% manje potrošnje energije, izostatak hidraulične tečnosti povećava ekološku prihvatljivost ovog sistema. Elektr ični servo sistem upravljanja se dostavlja do proizvođača vozila kao kompletan sistem spreman za ugradnju. Adaptacija servo podrške za određene tipove vozila kao i modifikacije upravljanja zavisnu od raznih parametara je vrlo lahka i brzo izvodiva.
4
Savremeni steer by wire sistem i upravljanja
Slika 4. Elekt ronski
s ervo sist em upravljanja
Sa sigurnosnog aspekta, kao i kod drugih servo sistema prilikom otkazivanja neke od elektronske komponente, veličina podrške može biti smanjenja. Slučajno samo aktiviranje upravljačkog sistema kao i previsoka snaga podrške se smatra kao nove potencijalne sigurnosne propuste, koji moraju biti izbjegnuti odgovarajućim kontra mjerama.
2.5. BUDUĆI
SISTEMI UPRAVLJANJA
Glavna osobina budućih sistema upravljanja je nedostatak direktne mehaničke veze upravljačkog volana i upravljačkih točkova. U ovakvom steer -by-wire upravljačkom sistemu (slika 5.) funkciju koju obavlja upravljačko vratilo mora biti reproduktovana u oba smjera. U smjeru prema točkovima ugao zakretanja zadan od strane vozača na upravljaču se mjeri pomoću senzora za ugao i proslijeđen odgovarajućim prenosnim odnosom na točkove. U povratnom pravcu, od točkova prema upravljaču, upravljački moment koji se pojavljuje na točkovima se mjeri pomoću senzora za obrtni moment koji se odgovarajuće ublažuje, vraća prema vozaču kao kontra moment na upravljačkom volanu.
Slika 5. Principijelna
ilustracija steer-by-wire sistema
Modul upravljačkog volana i modul upravljačkog mehanizma su implementirani sa familijarnim komponentama od mehaničkog i električnog upravljačkog sistema, kao što su: Upravljački volan, reduktor, elektro motori, zupčasta letva. Kako u sistemima upravljanja sa mehaničkim vezama u slučaju grješke u elektronici dolazi samo do smanjenja snage podrške upravljanja, dok odgovarajuće mjere opreza se moraju uzeti u obzir kod steer-by-wire sistema jer u slučaju otkaza elektronike upravljačka kontrola je upitna. 5
Zijah Jelkić
3.
STEER BY WI RE SIS TEM
3.1. OSNOVNA STRUKTURA STEER-BY-WIRE SIS TEMA
Slika 6. prikazuje primjer jednog osnovnog steer-by-wire sistema. Sastoji se od senzora zakretanja
upravljačkog volana 1, reaktivnog elektro motora, 2, upravljačkog aktuatora 3, senzora ugla zakretanja upravljačkog točka 4, elektronske kontrolne jedinice 5 , i nekoliko konvencionalnih senzora za praćenje brzine vozila, bočnog ubrzanja, i ugla zakretanja vozila. Steer-by-wire je pogodan za aktivno upravljanje jer je moguće upravljački aktuator i rekativni elektro motor neovisno jedan od drugog kontrolisati.
Slika 6. Osnovna
s truktura Steer-by-wire sist ema
Upravljački aktuator je sastavljen od mehanizma kombiniranog od zavojnog i zupčastog prenosnika i elektro motora u koncentričnom raporedu sa zupčastom letvom za upravljanje. Postoje i drugi tipovi sistema sa zupčastom letvom i elektro motorom sa reduktorom. Međutim aktuator sa mehanizmom kombiniranog od zavojnog i zupčastog prenosnika je precizniji i ima brži odziv uz manji otpor trenja i većom krutosti sistema. Aktuator reaktivnog obrtnog momenta se sastoji od upravljačkog vratila i elektro motora sa
reduktorom. Aktuator bi trebao biti što manje mase i da je što manje zapremine, kako bi se omogućilo lakše dizajniranje unutrašnjosti. Osnovna kontrola Steer-by-wire sistema je prikazana na slici 7. Referentni ugao zakretanja prednjeg točka δ* = K δ(v) δh se određuje na osnovu ugla zakretanja upravljača δhi brzine vozila v. Prenosni odnos u reduktoru Kδ(v) se definiše relativno prema brzini vozila bez obzira na mehaničke elemente. Slično se se i određuje referenti reaktivni obrtni moment Τξ na osnovu brzine vozila i ugla zakretanja upravljača δh.
Fleksibilnost referentnog signala za prednji upravljački točak i reaktivni obrtni moment je jedna od prednosti steer-by-wire sistema.
6
Savremeni steer by wire sistem i upravljanja
Slika 7. Osnovni
kontrolni dijagram
3.2. PREDNOSTI I NEDOSTACI STEER BY WIRE SIS TEMA
Osnovni izgled sistema upravljanja se malo izmijenjao nakon uvođenja volana, dejstvo vozača na volan se prenosi preko vratila kroz neki vid zupčanog mehanizma kako bi se ostvarilo zakretanje
upravljačkih točkova. Jedan od značajnih trenutaka u historiji automobilizma se dogodio 1950. godine kada je uveden hidraulični servo upravljač. Od tada, hidraulični servo upravljač je postao standardna komponenta savremenog sistema za upravljanje. Korištenjem hidrauličkog pritiska dobivenog pumpom koju pogoni motor sus, dolazi do pojačavanja servo upravljača i dopunjava moment na volanu zadan od strane vozača tako da je napor potreba za upravljanje manji. Kako se teži povećanju komfor a, smanjenje napora za upravljanje ima značajnu ulogu u sigurnosti, npr. Dopušta vozaču da lakše zaobilazi prepreku u cilju izbjegavanja sudara. Uvođenje električnog servo upravljanja u vozilima eliminiše potrebu za upotrebu hidraulične pumpe. Električno servo upravljanje je mnogo efikasniji nego konvencionalno servo upravljanje, jer se električni servo motor koristi isključivo kada dođe do zakretanja upravljačkog vol ana, u odnosu kada hidraulička pumpa radi konstantno. Također je stepen potpomaganja vozača vrlo lahko podesiti u odnosu na tip vozila, brzine kretanja vozila, čak i preferencije vozača. Dodatna prednost je eliminacija opasnosti od ekološkog zagađenja koju predstavlja c urenje i odlaganje hidraulične servo tekućine. Sljedeći korak u evoluciji sistema za upravljanja jeste potpuno uklanjanje upravljačkog vratila i mehanizma, što predstavlja dramatično odstupanje od tradicionalne prakse u automobilskoj industriji. Zamjenom mehaničkog ili hidrauličnog sistema sa elektronskim sistemom je poznat pod nazivom by wire tehnologija. Ova ideje nije nova za pilote aviona, većina modernih aviona, kako komercijalnih tako i vojnih, oslanjaju se u potpunosti na fly-by-wire sistemu kontrole leta. By- wire tehnologija je omogućila dizajn aviona visokih performansi tako da posjeduju upravljivost kao što to nikad prije nije bilo moguće. Nekolicina sadašnjih produkcijskih vozila već koriste by -wire tehnologiju za upravljanje kočionim sistemom i opterećenjem motora preko papuč ice za gas. Neka vozila koriste konvencionalni upravljački sistem prednjih točkova i steer -by-wire sistem za upravljanje zadnjih točkova kako bi se poboljšale upravljivost pri malim brzinama i stabilnost pri visokim brzinama. Zamjenjivanjem u potpunosti konvencionalni upravljački sistem sa steer -by-wire sistemom ima
nekoliko prednosti. Nedostatak mehanizma za upravljanje uveliko olakšava dizajniranje unutrašnjosti vozila. Upravljački sklop se može ugrađivat i kao modularni sklop i vrlo je jednostavno postavljanje volana na lijevoj ili desnoj strani komandne table. Kako više nije potrebno vratilo za upravljački sistem , koje je vezano za upravljački volan, moguće je mnogo bolje iskoristiti prostor oko motora vozila. Čak je moguće kompletan upravljački mehanizam dizajnirati i instalirati kao modularni sklop. 7
Zijah Jelkić
Slika 8. Steer-by-wire
sistem upravljanja
Kako upravljački volan i upravljački točkovi nisu mehanički povezani, buka, vibracije, hrapavost sa ceste više nemaju direktne veze sa vozačevim šakama i rukama preko upravljačkog volana. Dodatno, u slučaju frontalnog sudara, manja je vjerojatnoća da će udar izazvati ulazak upravljačkog volana u sigurnosnu zonu vozača. Konačno, sa Steer -by-wir e tehnologijom, fiksni prenosi odnos upravljačkog mehanizma i napor upravljanja je sada moguće beskonačno mnogo prilagođavati s ciljem optimiziranja odziva i osjećaja upravljanja za vozač a. Međutim najveća prednost Steer-by-wire tehnologije za sigurnu vožnju i performanse je mogućnost aktivnog upravljanja, tj. mogućnost elektronskim putem povećati vozačev uticaj na upravljanje. Aktivno upravljanje nudi elektronsku podršku promjene ugla zakretanja s ciljem povećanja, uglavnom, komfora tokom vožnje. Ovakav sistem vrši korekcije upravljanja neovisno od vozača. Postoji nekoliko mogućih izvedbi aktivnog sistema upravljanja: Aktivno upravljanje prednjih točkova, aktivno upravljanje zadnjih točkova i aktivno upravljanje svih točkova. Cijena ovakvog sistema je često daleko veća od konvencionalnog sistema upravljanja. Dodatni troškovi su razlog zbog veće kompleksnosti sistema, troškova razvoja i rezervnih sistema potrebni da ovakav sistem učine sigurnim. Ovi sistemi padaju pod kategoriju kritični sigurnosni sistemi koji su preporučeni da se razvijaju po standardu kao ISO 26262 koji zahtijevaju opsežne promjene u procesu razvoja o odnosu na razvoj drugih tradicionalnih sustava. Ovakav sistem i njemu slični mogu biti „provaljeni“ i funkcije sistema mogu biti isključeni ili upravljanje drugim licem, preko žičane ili bežične veze. Steer-by-wire sistem također ima povećano vrijeme odziva u odnosu na mehaničke sistema. Mehanički sistem omogućava direktnu promjenu, dok kod steer -by-wire sistema mora obraditi podatke te kao takve slati na aktuator koji ć e izvršiti određenu naredbu. Kao dio potpuno integrisane kontrole dinamike vozila, prvi aktivni sistem za upravljanje za produkcijsko vozilo je predstavljeno u 2004. godine u BMW-ovoj seriji 5. Mada nije bio by-wire sistem, ovakav dodatak predstavlja mogućnost povećanja upravljanja koje bi bilo moguće ostvariti na vozilu sa potpunim steer-by-wire sistemom. Slično kao sistem elektronske stabilnosti vozila (ESC) koji je već
nekoliko godina u upotrebi, aktivno upravljanje je u mogućnosti da održava stabilnost vozila i upravljivost tako što posreduje umjesto vozača kada vozilo dospije na granicu upravljivosti, kao npr. pri nagloj promjeni smjera kretanja s ciljem izbjegavanja nezgode, ili kada uslovi vožnje zahtijevaju promjenu odziva upravljačkog sistema. Statički i empirijski podaci ukazuju da je došlo do značajnog pada broja nezgoda za vozila opremljenim sa ESC. Međutim, aktivno upravljanje i steer -by-wire tehnologije vodi kontrolu vozila jedan korak dalje. U sadašnjim ESC sistemima, računar analizira informacije dobivene od nekoliko senzora vozila i interveniše umjesto vozača kako bi spriječio potencijalnu katastrofalne manevre selektivnim kočenjem individualnih točkova ili smanjenjem snage motora. Kako su ovakvi tipovi sistema motivirani sa aspekta sigurnosti vo zila, njihov angažman ponekad prekida kontinuiran osjećaj 8
Savremeni steer by wire sistem i upravljanja
vožnje te tako limitira perfomanse vozila. Steer-by-wire uvodi mogućnost da u isto vrijeme iskorištava pogodnosti oba sistema, poboljšanja sigurnosti u vožnji i performansi upravljanja. Umjesto iznenadnog ometanja u upravljanju tokom vožnje, steer-by-wire sistem postepeno integrira
korekcije upravljanja u hitnim slučajevima manevrisanja kako bi se održala stabilnost vozila. Prednosti nadmašuju kontrolu stabilnosti, npr. veliko, teško vozilo se može napraviti tako da se ima osjećaj da se upravlja manjim i lakšim vozilom tokom normalne vožnje. Sposobnost da se aktivno upravlja upravljačkim točkovima dozvoljava umjetno podešavanje upravljačkih karakteristika vozila kako bi odgovarale vozačevim zahtjevima. Nadalje, u neki slučajevima je čak povoljnije korištenja aktivnog upravljanja nego kočenja diferencijalom kako bi se ostvario moment oko vertikalne ose vozila. Razlog tome je što upravljanje zahtjeva manju silu trenja između podloge i točka. Gledajuć i slučaj kada zadnji točkovi dostignu granicu prianjanja tokom prolaska vozila kroz krivinu, tkz. k lizanje zadnjih točkova, jedini način za kontrolu stabilnosti vozila su prednji točkovi. U ovakvom slučaju obično dolazi do okretanja vozila oko vertikalne ose i izlijetanje iz krivine ili ako je vozač kasnio sa reakcijom zakretanja upravljačkog volana, zadnji kraj će naglo početi njihati sa jedne na drugu stranu što je skoro pa ne moguće kontrolisati. Moment oko vertikalne ose vozila koji bi se suprotstavio momentu zakretanja, može se ostvariti tako što se dovodi moment kočenja na vanjski upravljački točak ili kontra upravljanjem prednjih točkova.
Slika 9.
Ostvarivanje momenta oko vertikalne ose vozila kočenjem diferencijala (lijevo) i aktivnim upravljanjem (desno)
Moment ostvaren diferencijalnim kočenjem se može izraziti kao: =
2
Dok se moment, ostvaren upravljanjem prednjih točkova, može približno izraziti: = 2
Za male uglove zakretanja. Uzimajući u obzir da je za većinu putničkih automobila širina trapa vozila, približno rastojanje,a ,od težišta vozila do prednje osovine tako da prethodne jednačine se mogu napisati kao: =
4 9
Zijah Jelkić
Boč na sila, Fy , na svakom točku je samo jedna četvrtina podužne sile, Fx, potrebna za ostvarivanje istog momenta oko vertikalne ose vozila, M. Ovo je jako korisno za uspostavljanje kontrole nad vozilom na površinama sa jako malim koeficijentom trenja kao što su snijeg i led na kojima se vrlo brzo dostigne granica prianjanja. Naravno, posto je i ograničenja kolika se sila može ostvariti upravljanjem. Na primjer, ako su prednji točkovi došli do granice prianjanja u krivini, daljnjim povećavanjem ugla zakretanja toč kova neće uzrokovati povećanje bočne sile. U ovakvim situacijama,
jedino diferencijalno kočenje na zadnjim točkovima može imati uticaja na dinamiku kretanja vozila. Idealni sistem za stabilnost vozila bi mogao birati između zakretanja upravljačkih točkova ili kočenjem, ili čak kombinacijom oba. Potencijalne prednosti aktivnog upravljanja s ciljem poboljšanja upravljivost vozila tokom normalne
vožnje, ne samo tokom hitnim slučajevima, su privukle pažnju kako od autoindustrije tako i istraživačkih institucija. Nekoliko ideja su bile testirane u prototipovima sa specijalno dizajniranim aktivnim upravljanjem. 1969. god. Kasselmann i Keranen osmislili su jedan sistem aktivnog upravljanja koji se bazira na povratne informacije od senzora koji prati ugao zakretanja vozila oko vertikalne ose. Napredniji model Ackermann-a kombinira aktivno upravljanje sa povratnom
informacijom ugla zakretanja kako bi razdvojio ugaono i podužno kretanje. Eksperimentalni rezultati su pokazali kako se efektivno poništava zakretanje vozila prilikom kočenja na površini sa različitim koeficijentima trenja. Huh i Kim su izmislili kontrolni sistem aktivnog upravljanja koji eliminiše razliku u upravljanju na klizavim i suhim površina. Kontrolni sistem je implementiran u simulator za vožnju korištenjem informacija o zakretanju oko podužne ose vozi la kako bi se odredila bočna sila između točkova i puta. Segawa je iskoristio informacije o bočnom ubrzanju i uglu zakretanja na eksperimentalnom steer-by-wire vozilu i demonstrirao kako aktivno upravljanje može pružiti bolju stabilnost vozila tokom vožnje nego diferencijalno kočenje. Jedan od nedostataka steer-by-wire sistema jeste da u slučaju otkaza elektronike dolazi do gubitka mogućnosti upravljanja vozila. Kako bi se izbjegli ovakvi otkazi potrebno je da sistem upravljanja ima dodatni rezervni sistem koji bi služio u takvim situacijama. U nastavku ć e biti objašnjeni neki vidovi rezervnih sis tema upravljanja.
3.3. REZERVNI SIS TEMI UPRAVLJANJA
Mehanički rezervni sistem – U slučaju otkaza elektronike. Upravljačko vratilo i upravljački aktuator se mogu povezati mehaničkim vezom putem mehaničkog kabla. Ovakva sistem je prikazan na slici 10. sastavljen od kabla 1, kotura i spojnice 2. Spojnica spaja upravljačko vratilo sa koturom tokom otkaza. Tako je omogućeno da se upravljačka sila od vozača prenosi preko kabla na upravljačke točkove. U slučaju da je u pitanju normalni aktuator reaktivnog momenta i elektronske kontrolne jedinice ( ECU – Elektronic Controle Unit) tokom otkaza upravljačkog sistema. Aktuator rektivnog obrtnog momenta se može koristiti kako bi potpomogao vozaču prilikom upr avljanja. Drugim riječima, vozač bi mogao upravljati vozilo konvencionalnim servo upravljačkim sistemom te bi vozač mogao biti informisan o otkazu upravljačkog aktuatora nekim signalom.
10
Savremeni steer by wire sistem i upravljanja
Slika 10.
Rezervni mehanički sistem
Električni rezervni sistem – Ovakav sistem je prikazan na slici 11. Sastoji se od dva elektro motora i elektronske upravljačke jedinice (ECU). Pretpostavljajuć i otkaz motora 1 ili kontrolne upravljačke jedinice 2. Steer-by-wire sistem može održati upravljanje koristeći rezervni elektro motor 4 ili rezervnu elektronsku kontrolnu jedinicu.
Slika 11.
Elektro motorni rezervni sistem
Mehanički i elektro motorni rezervni sistem – Kako bi se nosilo sa češćim otkazima, odnosno otkazima identičnih komponenti, potrebno je obezbijediti odgovarajući rezervni sistem. Takav sistem bi se sastojao od kombinacije mehaničkog rezervnog sistema i električnog sistema prikazan kao na slici 12.
Slika 12.
Mehanički i električni rezervni sistem
Sistemi sa više kombinacija i većim brojem komponenti nego što je to prikazano na slici 12. povećavaju cijenu, masu i zapreminu steer-by-wire sist ema.
3.4. USLOVE
KOJE
STEER-BY-WI RE-SIS TEM
MORA
ISP UNJAVATI
U
VIDU
OBALJVANJA
FUNKCIJE UPRAVLJANJA
Steer by wire sis tem mora ispunjavati nekoliko uslova sist ema upravljanja: 1)
Kontrola pravca kretanja i sinhronizacija točkova. Kontrola pravca kretanja je osnovni uslov za sistem upravljanja vozila, uključujući steer -by-wire sistem. Potrebno je da točkovi prate
vozačevu komandu na upravljačkom volanu i moguću intervenciju sistema za kontrolu vozila u 11
Zijah Jelkić
ovisnosti o dinamici vozila. Upravljački točkovi bi trebali biti sinhronizirani sa upravljačkim volanom u svakom trenutku, bez zakašnjenja.
2)
Podešavajući varijabilni osjećaj upravljanja. Upravljački osjećaj predstavlja informaciju o sili (ili momentu) na kontaktu točka i podloge i varira ovisno o uslovima na putu. Ova informacija o sili/momentu bi trebala biti prenešena na upravljački volan kako bi se ostvario moment na upravljaču koji vozač može osjetiti. Vozač vozila se oslanja na osjećaj kako bi pretpostavio silu na kontaktnoj površini točka i podloge kako bi održavao kontrolu vozila. Zbog toga je osjećaj upravljanja postao jedan od najvažnijih atributa vozila kako bi se održavala kontrola pravca i stabilnost. U vozilu sa steer-by-wire sistemom, potrebno je ostvariti ne samo sličan osjećaj upravljanja vozaču kao u konvencionalnom sistemu za upravljane sa mehaničkom vezom, nego i podešavajuća varijabilni umjetni osjećaj upravljanja.
3)
Podešavajuća veličina povratne informacije na upravljački volan. Upravljački volan bi se trebao vratiti automatski u početni položaj ili definisani ugao ako vozač vozila digne ruke sa upravljačkog volana. Veličina povratne informacije na upravljačkom volanu se može podesiti na osnovu brzine kretanja vozila.
4)
Varijabilni prenosni odnos upravljanja. Prenosni odnos upravljanja je upravljačkog volana i upravljačkih točkova. Obično je fiksiran na oko sistemima upravljanja. Varijabilni odnos pruža značajno poboljšanje dinamike vozila. Prenosni odnos može biti u funkciji brzine kretanja
odnos ugla zakretanja 16 na konvencionalnim
u upravljivosti vozila i vozila, ugla zakretanja
upravljačkog volana i drugih varijabli. Cilj Steer-by-wire kontrolne jedinice jeste implementacija navedenih funkcija upravljačkog sistema. Svi ovi zahtjevi za konvencionalne i napredne funkcije upravljačkog sistema moraju se konvertovati u probleme kontrolnog sistema sa specifičnim specifikacij ama kontrole. Nakon toga se kontrolne jedinice dizajniraju tako da ove probleme rješavaju. Rezultujući steer-by-wire sistem mora
zadovoljavati zatvoreni krug odanih i povratnih informacija kao što su sistem stabilnosti, zadovoljavajući učinak i robusnost. 4.
ARHITEKTURA I KONTROLNI SIS TEM STEER-BY-WI RE SI STEMA
Slika 13. prikazuje šematski dijagram steer -by-wire sistema. Steer-by-wire sistem uključuje upravljački mehanizam (kontrolisani dio) i upravljačke točkove (kontrolisani dio). Elektronska kontrolna jedinica ( steer-by-wire kotroler) konroliše mehanizam upravljačkog volana i upravljačke točkove vozila na koordiniran način. Steer -by-wire kontrolna jedinica efektivno povezuje upravljački volan i upravljačke točkove preko žičane veze pomoću kontrolnih si gnala.
12
Savremeni steer by wire sistem i upravljanja
Slika 13.
Šematski dijagram Steer -by-wire sistema
Kao što se sa slike 13. može vidjeti, konvencionalni hidraulični upravljački sistem je zamijenjen elektro motorom kao aktuatorom da upravlja upravljačkim točkovima. Točkovi su povezani na upravljački mehanizam preko sistema poluga. Senzor ugla postavljen na elektro motor ili upravljački mehanizam mjeri ugao zakretanja upravljačkih točkova. Steer -by-wire kontrolna jedinica dobiva signal o uglu zakretanja upravljačkih točkova i šalje kontrolni signal na istosmjerni (DC) elektromotor sa permanentnim magnetima i bez četkica preko upravljača motora. Primarni cilj za kontrolisanje mehanizma upravljanja točkova je da upravljački točkovi prate zadani ugao zakretanja točkova. Zadani signal ugla zakretanja dolazi od sklopa upravljačkog vola i mijenja se sa u zavisnosti da li je to vozačeva želja ili zbog dinamike vozila. Sistem koji se sastoji od mehanizma upravljanja točkova i njegove kotrolne jedinice se još naziva kontrolni podsistem točkova. Sklop upravljačkog volana se sastoji od upravljačkog vola postavljen na upravljačko vratilo, senzor ugla zakretanja upravljača postavljen na upravljačko vratilo kako bi registrovao ugao zakretanja, istosmjerni (DC) elektromotor kao i njegov upravljač, i setom zupčanika koji povezuju upravljačko vratilo i elektromotor.
Sistem koji se sastoji od sklopa upravljačkog volana i njegove kontrolne jedinice se još naziva kontrolni podsistem upravljačkog volana. Neophodno je da kontrolna jedinica steer-by-wire sistema uzima u obzir sve varijable vozila kako bi se implementirali u upravljački sistem radi poboljšanja dinamike vozila. Najbitniji signal je signal o brzini
vozila. Signal o brzini vozila je od velikog značaja za implementaciju vještačk og osjećaj upravljanja, varijabilnog prenosnog odnosa, povratne informacije na volanu, i druge potrebne funkcije. Na osnovu specifičnih zahtjeva steer-by-wire sistema , signal bočnog ubrzanja ugla zakretanja mogu služiti za
poboljšanja dinamike vozila. Postoji i nekoliko drugih arhitektura steer-by-wire sistema kao što su sistem upravljanja prednjeg točka
pomoću jednog aktuatora i mehaničkim rezervnim sistemom, dva neovisna prednja točka bez mehaničkog rezervnog sistema, i mogućnost upravljanja zadnjih točkova sa dva nezavisna točka. Također je moguće implementirati Force-Feedback upravljač ili neki drugi upravljač. U ovom radu će biti opisan rad arhitekture steer-by-wire sist ema prikazan na slic i 13.
13
Zijah Jelkić 4.1. MOMENT
NA UPRAVLJAČU I OSJEĆAJ UPRAVLJANJA
Osjećaj upravljanja daje informaciju o stanju kontaktne površine između pneumatika vozila i podloge. Zbog toga je osjećaj upravljanja od velikog značaja vozaču kako bi kontrolisano i sigurno upravljao vozilom. U konvencionalnim sistemima upravljanja sa mehaničkom vezom, vozač vozila direktno kontroliše putanju vozila zakretajuć i upravljački volan i direktno dobija osjećaj upravljanja preko mehaničkog mehanizma. U steer -by-wire sistemu bez mehaničke veze upravljačkog volana i upravljačkih točkova, potrebno je obezbijediti vještački osjećaj upravljanja na osnovu povratnih informacija.
Osjećaj upravljanja je određen sa reaktivnim momentom na upravljačkom volanu. Vozač vozila držeći upravljački volan može direk tno ostvariti reaktivni moment preko upravljačkog vratila u konvencionalnom upravljačkom sistemu. U steer-by-wire sistemu prikazanom na slici 13. , koristi se elektromotor koji će vještački generisati moment na upravljačkom volanu. Kako bi se obezbjedio što prirodniji i podesivi osjećaj upravljanja, moment na upravljačkom volanu bi trebao biti regulisan preko elektromotora.
U upravljačkoj kontroli baziranoj na korištenju elektromotora, aktuator u obliku elektro motora se koristi za postizanje sile ili obrtnog momenta na upravljaču koji bi obezbjedio otpor na volanu na osnovu datog signala. U skoro pa svim izvedbama, ruke vozača ne drže direktno ili indirektno osovinu elektromotora. Bilo kakav način držanja osovine se smatra kao vanjski poremećaj normalnog operativnog sistema. U steer-by-wire sistemu prikazan na slici 13 . osovina motora je u direktnoj vezi sa upravljačkim vratilom koje je vezano za upravljački volan tako da su ruke vozač a u indirektnom kontaktu sa osovinom elektromotora. Kao rezultat, ovakav sistem koji je baziran na elektromotor uvijek trpi uticaj
vanjskih poremećaja kada vozač zakreće upravljački volan. Zbog toga je ovo specijalna izvedba kontrolnog sistema. Slika 14. pokazujem jednostavni prikaz blok dijagrama kontrolnog prostora upravljačkog volana. Ulazni signali modela su moment motora τm i vanjski moment τ d., a izlazni signal je ugao zakretanja upravljačkog volana. Promjena vanjskog poremećajnog momenta τ d izaziva odziv rektivnog momenta
τc što je zapravo moment na upravljačkom volanu. Sa druge strane, veličina rektivnog momenta τc mijenja se sa momentom motora τ m. Ovako se može dobiti varijabilni moment na upravljaču kontrolisanjem momenta na motoru τ m.
Slika 14. Blok
dijagram kontrolnog prostora upravljačkog volana
Nadalje, moment motora τ m se može kontrolisati kontrolnim signalom motora um koji ga mijenja na osnovu informacija steer-by-wire sistema i vozila. Kao rezultat, moment na upravljaču τ c varira sa tim varijablama i tako se omogućava vozač u da osjeti te varijacije.
Šematski blok dijagram kontrolnog sistema zadužen za povratne in formacije je prikazan na slici 15. U ovom sistemu, vozačeva namjera za zakretanjem upravljača se smatra kao poremećajni moment, τ d, za zatvoreni podsistem kontrole upravljačkog volana. Kontrolni podsistem upravljačkih točkova proizvodi reaktivni moment, τc, s ciljem da poništi poremećajni moment, τ d,. Tako vozač držeći upravljač može osjetiti promjenu u reaktivnom momentu, τ c. . Aut omatskim podešavanjem parametara kontrolera zatvorenog sistema za povratnu informaciju na upravljaču kako bi se promijenio moment na motoru τ m , 14
Savremeni steer by wire sistem i upravljanja
reaktivni moment, τc , će se promijeniti. Informacije koje se dovode k ontrolnom sistemu uključuju i ugao zakretan ja upravljača, povratni moment sistema točkova i brzinu vozila. Tako sistem obezbjeđuje podešavajući osjećaj upravljanja generisanjem potrebnog reaktivnog momenta, τc , kao povratna informacija na vozačevu naredbu, ili poremećajnog momenta, τ d.
Slika 15. Kontrolni
sistem osnovan na elektro motor
Zbog toga, ostvarivanje osjećaja upravljanja se postiže korištenjem kontrolera povratne informacije za podsistem upravljačkog volana koji ima mnoštvo petlji što je prikazano na slici 15. Uslov ostvarivanja osjećaja upravljanja postaje zahtjev za dizajniranje kontrolera zatvorene petlje sa specijalno m kontrolnom strukturom. Kako bi se dizajnirao steer-by-wire sistema sa zahtijevanim ostvarenim osjećaja upravljanja, od velikog je značaja da se osjećaj upravljanja opiše kao karakteristika u kontrolnom sistemu upravljačkog volana. Upravljački moment τ c je torzioni napon generisan u
upravljačkom vratilu. Može se opisati kao: − =
Gdje je τd predstavlja ekvivalent poremećajnog momenta uzrokovan od vozača vozila, τ c predstavlja reaktivni moment na upravljačkom volanu, i τ l predstavlja efektivni moment na upravljačkom volanu. Upravljački moment τc se još može izraziti kao: − =
Gdje τm predstavlja obrtni moment motora i τ u predstavlja efektivni obrtni moment apliciran na opterećenje motora. Obrtni moment motora τ m se reguliše pomoću kontrolnog signala u(t) na slici 15. Prema tome, kontrolni izlazni signal može odrediti traženi moment na upravljačku τ c . Primjenom niza jednačina između τc i u(t), moguće je razviti kvantitativni opis osjećaja upravljanja osnovan na kontrolni signal u(t). Kao rezultat, zahtjevi za osjećaj upravljanja u steer -by-wire sistemu postaju uslov za izlazni signal kontrolera prikazan na slici 15. Ostvarivanjem zahtjeva za dizajniranje kotrolera upravljačkog volana održavaju stabilnost sistema kontrolera zatvorene petlje, potrebne performanse i robustnost u datom rasponu promjene parametara. U suštini, osjećaj upravljanja je određen reaktivnim momentom od točka uzimajući u obzir ugao zakretanja upravljača. Opisuje se uglavnom krivama momenta upravljanja i ugla zakretanja upravljača koji su ugl avnom u funkciji vremena. Slika 16. prikazuje jedan primjer obrtnog momenta na upravljaču steer -by-wire testnog vozila.
15
Zijah Jelkić
Slika 16.
Upravljački obrtni moment (SWT) u odnosu na ugao zakretanja upravljača (SWA)
4.2. PRAČENJE
UGLA ZAKRETANJA UPRAVLJAČKIH TOČKOVA
Upravljački točkovi steer -by-wire sistema upravljanja bi trebali pratiti vozaćeve komande upravljanja i održavati sinkronizaciju sa upravljačkim volanom. Ovo znači da bi ugao zakretanja upravljačkih točkova trebao pratiti ugao zakretanja upravljačkog volana. Zbog toka bi sistem upravljačkih točkova trebao imati brz odziv, odgovarajuće prigušenje, i minimalne greške prać enja. Na osnovu ovih uslova, implementirana je servo kontrolna struktura koja ć e pratiti povratne informacije o poziciji za kontrolni podsistem upravljačkih točkova. Kao rezultat, uslovi za prać enje ugla zakretanja za steer-by-wire podsistem kontrole upravljačkih točkova postaje problem za dizajniranje servo kontrolnog sistema upravljačkih točkova. Slika 17. prikazuje šemu blok di jagrama kontrolnog sistema upravljačkih točkova baziran na primjeni elektro motora. Servo kontrolni sistem upravljačkih točkova je razvijen kako bi se ostvarilo praćenje trenutnog ugla zakretanja upravljačkih točkova do željenog referentnog ugla zakretanja. Osnovna osobina servo kotrolnog sistema jeste da je kontrolisani izlazni signal prati referentni ulazni signal kroz odbacivanje vanjskih uticaja. Servo kontrolni sistem upravljačkih točkova se može dizajnirati tako da
može ostvariti dovoljnu stabilnost obrtnog momenta kako bi se eliminisali poremećaji i kako bi se zadovoljila zahtijevana tačnost praćenje ugla zakretanja upravljačkih točkova sa što manjim grješkama. U slici 17., signal o uglu zakretanja upravljačkih točkova θ r se šalje servo kontroleru kako bi se pratio referentni ugao zakretanja upravljačkih točkova θ r-ref . Algoritam servo kontrolera osigurava brz odziv za ugao zakretanja upravljačkih točkova θ r sa odgovarajućim prigušenjem i minimalnim grješkama u praćenju er . Referentni ugao zakretanja upravljačkih točkova θr-ref se dobija iz ugla zakretanja upravljačkog volana θs u kontrolnom podsistemu upravljačkog volana. Promjena ugla zakretanja upravljačkog volana θs kontroliše vozač tako što zakreče upravljač.
16
Savremeni steer by wire sistem i upravljanja
Slika 17.
Kontrolni sistem upravljačkih točkova
Uobičajeni vanjski poremećaji u servno kontrolnom sistemu upravljačkih točkova prikazan na slici 17. uključuju: moment poravnanja, poremećaji površine puta i naleti vjetra. Ovi vanjski poremećaju mogu uzrokovati grješke praćenja ugla zakretanja. Servo kontrolni sistem upravljačkih točkova obezbjeđuje servo krutost kako bi se prevazišli uticaji poremećaja tako da se statične i dinamičke grješke zadovoljavaju potrebne specifikacije. Specifikacija o dizajnu servo krutosti zahtjeva da j e grješka praćenja manja od potrebne grješke ugla na osnovu maksimalnog vanjskog poremećajnog momenta kontrolnog sistema upravljačkih točkova. Dinamika sistema upravljačkih točkova se mijena sa promjenom uslova na putu, opterećenja vozila, i druge vanjske uticaje. Povećanje kontrolnog sistema dinamike vozila se značajno mijenja sa promjenom nekih veličina kao što je brzina vozila. Ove promjene mo gu smanjiti performanse servo kontrolera upravljačkih točkova. Učinak praćenja se može održavati variranjem servo krutosti kako bi se kompenzirao efekt dinamike vozila. Da bi se ostvarila varijabilna servo krutost koristi se takva strategija kontrole sistema koja obezbjeđuje određeni porast vrijednosti sa zakašnjenjem u kontrolnom sistemu upravljačkih točkova. Povećanje vrijednosti na kontroleru se mijenja sa promjenom brzine vozila.
Jedna od prednosti korištenja servo kontrolne strukture je ta da podsistem upravljačkih točkova može raditi neovisno. Ulazni signal referentnog ugla zakretanja θ r-ref može biti povezan sa bilo kojim uređajem koji daje ulazni signal ugao. Tako se upravljački točkovi mogu upravljati koristeći komandne palice ili sličnih uređaja.
Slika 18.
Praćenje ugla zakretanja upravljačkih točkova 17
Zijah Jelkić
Slika 18. prikazuje rezultate praćenja ugla zakretanja točkova u steer -by-wire testnom vozilu. Vrijeme odziva i grješka praćenja zadovoljavaju zadane uslove. Slika 19. prikazuje rezultate sposobnost eliminacije poremećaja u steer -by-wire vozilu. Ove krive pokazuju prednost steer-by-wire sistema upravljanja pri sposobnosti eliminacije grješke u vidu obrtnog momenta. Naprimjer, potrebno je poremećajni moment od 105(ft -lbs) kako bi se upravljački točkovi zakrenuli za 1 (stepen) u steer -bywire sistemu. Kako bi se zakrenuli za isti ugao, potrebno je samo 30 (ft-lbs) vanjskog momenta kod konvencionalnih sis tema upravljanja.
Slika 18.
4.3. AKTIVNO
Poremećajni moment u donosu na ugao zakretanja
VRAĆANJE UPRAVLJAČKOG VOLANA
Upravljački volan se automatski vraća u centralni položaj uslijed dejstva momenta poravnanja. Moment poravnanja se smatra vanjskim poremećajem u kontrolnom sistemu upravljačkih točkova. Servo kontrolni sistem upravljačkih točkova eliminiše poravnjavajući moment tako da prečenje ugla zakretanja točkova bude zadovoljavajuće. Kao rezultat, samo centriranje upravljačkog volana se ne može osloniti direktno na poravnavajući moment u ovakvom steer -by-wire kontrolnom sistemu. Jedan od uslova za steer-by-wire sistem je da održava tendenciju samovrać anja upravljačkog volana u centar. U ovom sistemu, ovaj uslov se ostvaruje podsistemom za samo c entriranje upravljačkog volana sa podrškom sistema upravljačkih točkova i signala ugla zakretanja upravljačkih točkova. Brzina vraćanja zavisi od brzine vozila. Informacija o uglu zakretanja upravljačkih točkova i momenta se šalje na kontrolni sistem upravljačkog volana kao što je prikazano u slici 14. Kada se upravljački volan vrati u centar, upravljački točkovi prate upravljački volan i vraćaju se u centar. Zato što se samo centriranje upravljačkog volana može kontrolisati aktivno, naziva se još aktivno vraćanje upravljačkog volana, ili osobina aktivnog samo centriranja steer-by-wire sis tema.
Slika 19. i 20. prikazuju rezultate aktivnog vraćanja upravljačkog vola steer -by-wire testnog vozila. Brzina vraćanja upravljačkog volana raste sa brzinom kretanja vozila. Upravljački točak ć e održavati zadani ugao zakretanja dok je u parkirnim položaju što je prikazano na slici 20.
18
Savremeni steer by wire sistem i upravljanja
Slika 19.
Slika 20. 4.4. POVRATNI MOMENT
Test vraćanja upravljačkog volana
Test vraćanja upravljačkog volana parkiranom položaju
SISTEMA UPRAVLJAČKIH TOČKOVA
Poznato je da je informacija o sili (ili momentu) na kontaktnoj površini između pneumatika i podloge vrlo važna za steer -by-wire sistem. Potrebna je kako bi se obezbjedio osjećaj upravljanja i kako bi se oponašale realistične povratne informacije sa puta do vozača vozila. Isto tako je potrebno kako bi se pružila podrška z a sistem upravljačkog volana za impelentaciju aktivnom samo-centriranja upravljačkog volana. Kao servo kontrolni sistem, sistem upravljačkih točkova upravlja točkovima tako što eliminiše utjecaje vanjskih poremećaja uključujući i moment poravnavanja. Ti vanjski poremećaji sadrže informacije o sili i momentu na kontaktnoj površini između pneumatika i podloge . Zbog toga, svi eliminisani vanjski poremećaji s uzimaju u obzir u steer -by-wire kontrolni sistem. Korištenjem tehnike određivanja signala, informacija o sili i momentu između kontaktne površine između pneumatika i podloge se mogu odrediti. Te određene varijable su u grubo ekvivalentni silama upravljanja koje uzrokuju zakretanje vozila. To se može nazvati kao povratni moment sistema upravljačkih točkova ili moment napora sistema upravljačkih točkova. Prednost korištenja određenog signala momenta uključuje nižu cijenu jer nije potrebno dodavanje hardware-a, visoka kvaliteta signala, smanjenje šuma, kao i jednostavnija implementacija. Testiranjem vozila je dokazano da je vrij eme odziva korištenjem određenog signala manje nego direktnim mjerenjem korištenjem senzora postavljenih na polužni mehanizam sistema upravljačkih točkova. Slika 21. prikazuje šemu blok dijagrama određivanja signala povratnih informacija upravljačkih točkova. Ulaz u sistem uključuje ugao zakretanja upravljačkih točkova, kontrolni izlazni signal od kontrolera upravljačkih točkova, i povezani signali. Korišten je robustni algoritam za dobivanje 19
Zijah Jelkić
određenog signala momenta τr . Signal τr je proporcionalan stvarnom momentu na polužnom sistemu upravljačkih točkova i mijenja se u z avisnosti operativnih uslova sistema upravljačkih točkova.
Slika 21.
Određivanje momenta sistema upravljačkih točkova
Slika 22. prikazuje rezultate testa određivanja momenta u odnosu na ugao zakretanja upravljačkih točkova u steer -by-wire testnog vozila. Određ eni moment se dobija u sljedeća dva slučaja: upravljački
točkovi su odvojeni od podloge tako da je uticaj trenja između podloge i pneumatika izbačen (momentna kriva 1), i upravljački točkovi vozila su na podu i vozilo se testira u parkirnom stanju (momentna kriva 2). Može se primijetiti da su određeni momenti različiti u različitim slučajevima. Određeni moment ć e se mijenjati promjenom poravnjavajućeg momenta na različitim površinama, kao što su suha površina i površina prekrivena snijegom ili ledom.
Slika 22.
Promjena određenog momenta u odnosu na ugao zakretanja upravljačkih točkova
Slika 23. prikazuje drugi test za signal napora sistema upravljačkih točkova τ r . Dobijen je kontrolni signal upravljačkih točkova uc, proslijeđen prema kontrolnom podsistemu upravljačkog volana i modifikovan je u zavisnosti od brzine kretanja vozila v s kako bi se obezbjedio realistični povrat informacija sa puta ka vozaču. Prikazan je signal mjeren direktnom metodom, koji ima neko malo zakašnjenje.
20
Savremeni steer by wire sistem i upravljanja
Slika 23.
4.5. VARIJABILNI
Određeni moment u odnosu na izmjereni moment
PRENOSNI ODNOS UPRAVLJAČKOG SISTEMA
Prenosni odnos upravljačkog sistema je odnos između ugla zakretanja upravljačkog volana θs i ugla zakretanja upravljačkih točkova γ sr = θs/θr . Taj odnos je fiksiran kao konstantan u konvencionalnim hidrauličkim sistemima. Za neke sisteme sa varijabilnim odnosima, ono je funkcija ugla zakretanja upravljačkog volana. U Steer -by-wire kontrolnom sistemu, prenosni odnos upravljanja se može podešavati u vremenu korištenjem software -a u steer-by-wire kontroleru. Ovdje se uzima da je prenosni odnos upravljačkog sistema funkcija ugla zakretanja upravljačkog volana θ s i brzinu vozila vs . Varijabilni prenosni odnos upravljačkog sistema poboljšava upravljivost i dinamiku vozila. Slika 24. prikazuje blok koji opisuje varijabilni prenosni odnos upravljačkog sistema. On povezuje podsistem upravljačkog volana i podsistem upravljačkih točkova. Ulaz uključuje ugao zakretanja volana θs i brzinu vozila vs, a izlaz je referentni ugao θ r-ref . Drugim riječima, referentni ugao zakretanja se računa tako što se ugao zakretanja upravljačkog volana množi sa funkcijom varijabilnog prenosnog odnosa. Kako podsistem upravljačkih točkova može pratiti referentni ugao θ r-ref sa zadanim odzivom i grješkom, vozač može direktno kontrolisati ugao zakretanja upravljačkih točkova θ r sa varijabilnim prenosnim odnosom.
Slika 24.
Funkcija varijabilnog prenosnog odnosa
Slika 25. prikazuje rezultate testa promjene prenosnog odnosa upravljačkog sistema sa promjenom
brzine vozila. Mogu se koristi različite tehnike kako bi se implementirao varijabilni prenosni odnos sistema upravljanja.
21
Zijah Jelkić
Slika 25. Varijabilni
prenosni odnos
4.6. STRUKTURA S TEER-BY-WI RE KONTROLNOG S ISTEMA
Slika 26. Prikazuje blok dijagram strukture steer-by-wire kontrolnog sistema. On uključuje podsistem
upravljačkog volana i podsistem upravljačkih točkova. Ova dva podsistema su povezana preko podsistemskog interface-a gdje čine kontrolni sistem steer-by-wire sistema. Podsistemski interface uključuje funkciju upravljanja varijabilnim prenosnim odnosom upravljačkog sistema, varijabilnim momentom napora sistema upravljačkih točkova, kao i varijabilnim referentnim uglom upravljačkog volana. Rezultujući steer-by-wire sistem može sadržavati potrebne upravljačke funkcije dizajniranjem podsistema i steer-by-wire kontrolnih sistema kako bi se ostvarili zahtjevi po pitanju performansi,
stabilnosti i izdržljivosti. Kao što se na slici 26. može vidjeti, kontrolni podsistem upravljačkih točkova se sastoji od više zatvorenih petlji za povratne signale o momentu, ugaone brzine zakretanja upravljača i ugla zakretanja upravljača. Potrebni reaktivni moment se ostvaruje ubacivanjem podešavajućih parametara i krive parametara za ove tri povratne petlje u kontroler upravljačkog volana. Signal određenog momenta napora sistema upravljačkih točkova, τ r , se koristi kako bi se ostvarila povratna petlja od povratnih signala momenta. Ugao zakretanja volan a, θs , i ugaona brzina zakretanja upravljačkog volana, ωs, se koriste za ostvarivanje povratne petlje povratnog signala o položaju i povratne petlje povratnog signala o ugaonoj brzini zakretanja. Kontrolni podsistem upravljačkog volana sa tri povratne petl je koristeći ova tri signala ostvaruje varijabilni moment upravljanja, aktivno vraćanje upravljačkog volana i prigušenje.
22
Savremeni steer by wire sistem i upravljanja
Slika 26. Blok
dijagram steer-by-wire kontrolnog sistema
Prema slici 26., kontrolni podsistem upravljačkog volana je povezan sa kontrolnim podsistemom upravljačkih točkova preko bloka za varijabilni prenosni odnos kako bi se dobio referentni ugao zakretanja upravljačkih točkova θr-ref . Kontrolni pods istem upravljačkih točkova je također povezan sa kontrolnim podsistemom upravljačkog volana preko bloka za moment napora sis tema upravljačkih točkova i bloka za varijabilni referentni ugao zakretanja upravljačkih točkova. Određeni moment napora sistema upravljačkih točkova se generiše pomoću kontronog podsistema upravljačkih točkova i si gnal se šalje kontronom podsistemu upravljačkog volana preko bloka za moment napora upravljačkih točkova. Referentni ugao zakretanja upravljačkog volana se dobija na osnovu ugla zakretanja upravljačkih točkova preko bloka za referentni ugao zakretanja upravljačkog volana. Feedback kontrolni sistem upravljačkih točkova se sastoji od unutrašnje povratne petlje ugaone brzine zakretanja i vanjske povratne petlje pozicije. Izlaz feedback kontrolnog podsistema upravljačkih točkova je ugao zakretanja upravljačkih točkova θr , a ulaz je referentni ugao zakretanja upravljačkog volana θr-ref . Dizajniran je kao servo kontrolni sistema kako bi ugao zakretanja upravljačkih točkova θr pratio referentni ulazni ugao θ r-ref sa minimalnim grješkama prać enja i brzim odzivom. Kako bi se održavala grješka praćenja u željenom minimalnom opsegu, koristi se takva strategija kontrole koja će kompenzirati promjenu diname vozila koja se javlja s a brzinom vozila. Prema kontrolnoj strukturi steer-by-wire sistema prikazanoj na slici 26., kada vozač drži ili zakreće upravljački volan, proizvodi se osjećaj upravljanja pogodan vozaču preko kontrolnog podsistema
upravljačkog volana. U isto vrijeme, referentni ugao zakretanja upravljačkog volana osnovan na varijabilni prenosni odnos se daje feedback kontrolni podsistem upravljačkih točkova. Upravljački točkovi će automatski pratiti upravljački volan sa minimalnim greš kama praćenja. Kada vozač pusti upravljački volan, ugao zakretanja upravljačkih točkova i moment se šalju kao referentni ulazni signal u kontrolni podsistem upravljačkog volana kako bi se mijenjala brzina vraćanja upravljača i njegova 23
Zijah Jelkić
pozicija. U ovom slučaju, upravljački volan će se vratiti u centar ili željeni ugao sa podešavajućim brzinama vraćanja. 5.
ZAKLJUČAK
U ovom radu su opisani najznačajniji x -by-wire sistemi koji se danas mogu ugraditi u putnička produkcijska vozila i njihovi uticaji na sigurnost i performanse vozila kao i njegovu dinamiku. Kako
tehnologija napreduje, ovakvi sistemi postaju neizbježni u budućim produkcijskim vozilima prije svega zob njihovih prednosti. Najveća prepreka ovakvih sistema je njihova sigurnost na otkaze sistema. Osim x-by-wire sistema, opisani su i razni tipovi električnih upravljačkih sistema, te sigurnost ovakvih sistema. Hidraulička pumpa elektro -hidrauličkog servo sistema se više ne pokreče preko remen kaiša od strane motora sa unutrašnjim sagorijevanjem. Kao bolji izbor se nudi elektro motor koji je bolji u smislu iskorištavanja energije i fleksibilnosti instalacije sistema. Električni servo sistem upravljanja prati ovaj trend i nudi dodatne prednosti kako hidraulički sistem više nije potre ban. U radu detaljno je opisan rad steer-by-wire sistem upravljanja. Prednosti steer-by-wire sistema u
odnosu na konvencionalni sistem upravljanja su jasne i kao takve su veliki motiv za uvođenje ovog sistema upravljanja u produkcijska vozila. Međutim zbog sigurnosnog nedostatka ovog sistema (za slučaj otkaza steer -by-wire sistema), ovaj sistem još nije došao u fazu serijske produkcije, odnosno ugradnje. Do sad samo nekolicina prototipova je imalo ovakav sistem upravljanja. Kako bi se povećala sigurnost sistema potrebno je ugraditi dodatni rezervni sistem koji ima funkciju održavanja funkcije upravljanja i nakon otkaza steer-by-wire sistema upravljanja. Opisani su razni rezervni sistemi, od čisto mehaničkog rezervnog sistema do elektro -mehaničkog rezervnog s istema. Veliki nedostatak uvođenja rezervnog sistema je znatno povećanje cijene sistema, kao i povećanje ukupne mase upravljačkog sistema i njegovo usložnjavanje. Osim navedenog, potrebno je uvesti i sigurnosne mjere za elektronske komponente u rezervnom sistemu upravljanja.
Napredne upravljačke funkcije, kao što su dinamičke intervencije vozila, izbjegavanje sudara, individualno upravljanje zakretanja točkova, automatsko bočno vođenje i na kraju autonomna vožnja bit će implementirane u vozila. Tako ć e steer-by-wire sistem postati apsolutno potreban za te buduće funkcije. Opisan je i metod kontrole jednog steer-by-wire sistema koji ć e ispunjavati zahtjeve sa aspekta upravljanja vozila. Razni uslovne funkcije upravljanja su preobražene u problem za dizajniranje kontrolnog sistema, i riješeni su korištenjem kontrolnog sistema novih kontrolnih struktura.
Rezultujući sistem pruža podešavajući osjećaj upravljanja sa realističnim povratnim signalima točka odnosno puta, aktivnim vraćanjem volanom sa podešavajućom brzinom vraćanja, brzo i precizno praćenje upravljačkih točkova na osnovu ulaznih signala od vozača, kao i varijabilni prenosni odnos upravljačkog sistema. Prelaz na potpuno električni upravljački sistem ć e biti postepen, zbog sigurnosnih razloga kao i za prilagođavanje vozača novom sistemu. Put ć e ići od elektroničnih servo upravljačkih sistema preko steer-by-wire sistema sa rezervnim sistemima pa sve do potpuno električnim steer -by-wire sistema.
LITERATURA
Tehnički listovi: 1.
Yuichi Onoda, Yutaka Onuma, Takeshi Goto i Tatsuo Sugitani (2008). Design Concept and Advantages of Steer-by-Wire System. SAE list 2008-01-0493
2.
Ryouhei Hayama, Masayasu Higashi, Sadahiro Kawahara i Shirou Nakano (2008). Fault Tolerant Architecture of Yaw Moment Management whit Steer-byWire, Active Braking and Driving-Torque Distribution Integrated Control. SAE list 2008-01-0110
3.
D. Iies-Klumpner, M. Risticevic, H. W. Hartkorn, G lahm, I. Serban i I. Boldea (2005). Electric Actuation Technologies for Automotive Systemes. SAE lis t 2005-01-1275
4.
Werner Harter, W olfgang Pfeiffer, Peter Dominke, Gerhard Ruck, Peter Blessing (2000). Future Electrical Steering Systems: Realizations whit Safety Requirements. SAE list 2000-010822 24
Savremeni steer by wire sistem i upravljanja
5.
Yixin Yao (2006). Vehicle Steer-by-Wire Sys tem Control. SAE list 2006-01-1175
Internet stranice:
6.
https://en.wikipedia.org/wiki/Drive_by_wire
25
