К вопросу проектирования автоматических трансмиссий в части привода, систем управления и первичных измерителей

Марти А.Н., д.т.н., профессор, НИИ «Систем управления и привода» / Занозин С.Г., ООО УК «Русские автобусы»

Управление трансмиссией в автоматическом или полуавтоматическом режиме предполагает оснащение силового агрегата сервисными приводами. Это механизм переключения передач в КПП, малоинерционный привод топливной аппаратуры, мощный и малоинерционный привод сцепления. Помимо силовой части необходимы устройства получения информации о динамике работы двигателя и система управления.

Для выполнения данной задачи предлагается следующее решение. Механическая мышца является пропорциональным пневматическим двигателем, имеющим недостижимо малую для других типов приводов стоимость. Это легко управляемый привод, способный с высокой частотой и точностью отрабатывать команды управления.

Благодаря высокой мощности механических мышц появляется возможность реализации непосредственного воздействия на элемент управления и исключения промежуточных звеньев, редукторов или рычагов.

Привод управления топливной аппаратурой показан на рис. 1.

Рисунок 1. Привод управления топливной аппаратурой.


Механическая мышца непосредственно воздействует на регулирующий элемент топливной аппаратуры. Конструкция приводов настолько проста, что не нуждается в пояснении.

Управление механической мышцей осуществляется посредством регулятора давления M008 — R00 CAMOZZI, установленного непосредственно под педалью газа. Передача управляющего усилия с педали газа на регулятор давления показана на рис. 2. Характеристики регулятора M008 — R00 CAMOZZI известны.

Рисунок 2. Установка регулятора давления под педалью газа.


Привод выжимного подшипника также выполнен непосредственным. При этом исключены все тяжело нагруженные пары трения, вилка выжимного подшипника и вся гидравлика. Механическая мышца в силу ее пропорциональности и высокой развиваемой мощности позволяет полностью отказаться как от гидропривода, так и от промежуточной кинематики. Прямой привод выжимного подшипника показан на рис. 3.

Рисунок 3. Прямой привод выжимного подшипника.


Привод содержит две механические мышцы, установленные по обеим сторонам коробки передач и нажимную планку, непосредственно воздействующую на выжимной подшипник.

Управление механическими мышцами осуществляется посредством регулятора давления С1104 — R00 CAMOZZI, установленного непосредственно под педалью сцепления (Рис. 4).

Рисунок 4. Установка регулятора давления под педалью газа.


Предусмотрена возможность подачи сжатого воздуха в мышцы от пропорционального электроклапана, реализованного на базе регулятора С1104 — R00 CAMOZZI. Эта опция реализуется при автоматическом управлении трансмиссией, но позволяет в любой момент водителю взять управление на себя.

Привод коробки передач выполнен в виде включенных встречно-параллельно механических мышц, каждая пара которых позиционирует вилку соответствующего синхронизатора в трех положениях: нейтраль, низшая передача пары, высшая передача пары (Рис. 5).

Рисунок 5. Установка привода коробки передач.


Система управления циклом переключения передач и синхронизацией работы всех трех приводов выполнена на базе микропроцессорной техники и может реализовывать до 10 различных алгоритмов управления трансмиссией (Рис. 6).

Рисунок 6. Система управления циклом переключения передач и синхронизацией работы приводов сцепления, газа и КПП.


Принципиально новым элементом системы управления является аппаратное получение и обработка в реальном времени информации о энергетических параметрах работы силового агрегата и о движении автомобиля.

Впервые в мировой автомобильной практике используется нейросетевой алгоритм распознавания в реальном времени динамических характеристик работы двигателя для организации движения автомобиля и первый в мире аппаратный нейрон, обрабатывающий в реальном времени информацию о динамике работы автомобильного двигателя.

В качестве первичного измерительного прибора системы управления используется автомобильный генератор трехфазного переменного электрического тока со встроенным трехфазным выпрямителем (Рис. 7).

Рисунок 7. Генератор переменного тока.


Использование автомобильного генератора в качестве первичного измерительного прибора для систем управления силовым агрегатом совершенно неожиданно даже для производителей этих генераторов. Между тем автомобильный генератор представляет собой синхронную электрическую машину.

Известно, что частота переменного напряжения, генерируемого синхронной электрической машиной, прямо пропорциональна частоте вращения ротора, причем погрешность рассогласования между частотой вращения вала синхронной электрической машины и частотой генерируемого напряжения практически равна нулю. [А.П. П Прудников, Ю.А. Брычков, О.И. Маричев. «Электротехника». Учебное пособие для вузов. Москва. Наука. 1997 г. 560 с.] Также известно, что производная тока в электрической цепи электромеханической системы равна скорости изменения ускорения в механической ветви системы. [Сигалов Л.Н. «Теория построения и разработка способов и средств защиты от перегрузки горных машин с протяженным рабочим органом». Дисс. Д.т.н.1993 г.]

Между тем, сегодня для получения информации о числе оборотов двигателя используют импульсный сигнал от распределителя системы зажигания или сигнал от многосекторного датчика положения вала двигателя. Эти первичные преобразователи требуют последующей обработки сигнала и выполнения вычислительных процедур.

Типовые преобразователи «частота-напряжение», построенные по параллельной схеме представляют собой набор из 2(n-1) компараторов и декодирующее устройство. В процессе преобразования входной сигнал сравнивается с 2(n-1) образцовыми мерами частоты. Совершенно очевидно, что требование обеспечить высокую разрешающую способность преобразования ведет к резкому увеличению затрат на ее аппаратную реализацию. [Б.И. Кудлак, В.А. Ситовенко, Ю.Н.Турчанинов. «Функциональный преобразователь на микросхемах цифро-аналогового преобразователя». «Приборы и техника эксперимента». 1998 г. №1. с. 104-115.]

Для снижения затрат и повышения быстродействия применяют последовательно-параллельное преобразование в виде двухступенного устройства, а сам процесс преобразования состоит из двух этапов. Первый этап — грубая оценка входной величины и формирование выходного кода старших разрядов. На втором этапе из выходного сигнала вычитают напряжение, отображающее результат грубого преобразования, затем полученный разностный сигнал усиливают и подают на m-разрядный параллельный преобразователь, формирующий значение младших разрядов выходного кода. [А.А. Солодимов, Ю.В. Полубабкин «Быстродействующий аналогово-цифровой преобразователь повышенной точности». «Приборы и техника эксперимента». 2000 г. №2. с. 106-109.]

Общим недостатком всех известных способов является сложность их аппаратной реализации и методологическая задержка на время счета параметров.

Становится понятно, что получить информацию о динамике работы силового агрегата в реальном времени можно только посредством многополюсной синхронной электрической машины, используемой в генераторном режиме. Типовым представителем такой машины на автомобильном транспорте является автомобильный генератор Г-250.

Известный генератор содержит статор, ротор, две крышки, вентилятор и шкив. Магнитопровод статора набран из отдельных изолированных стальных пластин. На внутренней стороне статора имеются восемнадцать выступов, на которых установлены катушки. Они разделены на три группы по шесть последовательно объединенных катушек, формирующих трехфазную обмотку, выводы которой соединены между собой по схеме «звезда». Выходы обмоток присоединены к блоку кремниевых диодов выпрямителя. При этом каждая фаза связана с двумя диодами разной полярности. На вал генератора напрессованы втулки, полюсные наконечники и изоляционные втулки контактных колец. На втулке между полюсными наконечниками расположена обмотка возбуждения. Концы обмотки присоединены к контактным кольцам, с которыми взаимодействуют щетки, находящиеся в щеткодержателе. Одна щетка соединена с корпусом генератора, а вторая щетка сообщена с плюсом аккумулятора посредством реле-регулятора. Полюсные наконечники ротора имеют шесть полюсов разной полярности (N и S), образующих двенадцатиполюсную магнитную систему. Известный генератор имеет четыре вывода: положительный — для соединения с аккумуляторной батареей и нагрузкой; управляющий — для питания обмотки возбуждения; контрольный — для соединения с лампой контроля фазного напряжения генератора; отрицательный — для соединения с массой автомобиля.

Для того, чтобы получить всю информацию о работе силового агрегата автомобиля и сформировать пропорциональный, аналоговый или дискретный сигнал управления в реальном времени необходим контрольный вывод генератора с простейшей электрической схемой.

В наиболее простом исполнении электрическая схема автомобильного генератора с информационный выходом содержит обмотку возбуждения 1 ротора, регулятор напряжения 2, трехфазную силовую обмотку статора 3, трехфазный выпрямитель 4, накопительные конденсаторы 5, токоограничивающие резисторы 6, балластный резистор 7, колебательный контур 8, усилитель 9, выпрямитель 10, сглаживающий конденсатор 11, измерительный резистор 12 (Рис. 8).

Рисунок 8. Формирование информационного выхода генератора Г-250.


Автомобильный генератор с информационным выходом работает следующим образом. При сообщении принудительного вращения ротору генератора и при подаче на обмотку возбуждения 1 постоянного напряжения магнитные линии, формируемые полюсными наконечниками ротора, начинают пересекать витки силовой обмотки 3 статора. В витках силовой обмотки 3 индуцируется ЭДС. Поскольку силовая обмотка 3 нагружена, как минимум, на аккумуляторную батарею, то в обмотке начинает протекать ток, а на выводах обмотки устанавливается некое значение действующего напряжения, величина которого задается посредством обратных связей в регуляторе напряжения 2. Напряжение с фазных выводов обмотки поступает на секции выпрямителя 4 и далее в электрическую сеть автомобиля.

Напряжение, генерируемое в силовой обмотке 3, прикладывается к электрической цепи, состоящей из накопительных конденсаторов 5, токоограничивающих резисторов 6 и балластного резистора 7. В данной электрической цепи начинает протекать электрический ток.

Регулятор напряжения 2 стабилизирует напряжение на выходе генератора путем ограничения напряжения на обмотке возбуждения 1. При таком способе регулирования форма колебаний переменного напряжения (фазного или межфазного) имеет вид, показанный на рис. 3. По мере роста частоты вращения вала двигателя, форма колебаний переменного напряжения изменяется (Рис. 9).

Рисунок 9. Форма фазного напряжения при различных оборотах двигателя.


Известно, что резонансные явления в колебательном контуре при вынуждающих колебаниях прямоугольной формы характеризуются нестабильностью и размытостью пика резонансной кривой. [И.В. С Савельев. «Курс общей физики». М Москва. Наука.1973 г. 512 с.] В этой связи необходимо восстановить синусоидальную форму переменного напряжения, генерируемого синхронной электрической машиной.

Для этого используются накопительные конденсаторы 5. Токоограничивающие резисторы 6 ограничивают ток, протекающий в цепи: накопительные конденсаторы 5, балластный резистор 7.

В результате протекания тока по названной электрической цепи на балластном резисторе 7 формируется синусоидальное напряжение с частотой, прямо пропорциональной частоте вращения вала генератора. Данное напряжение является вынуждающей ЭДС для колебательного контура 8.

При совпадении частоты вынуждающей ЭДС с собственной частотой колебательного контура 8, в последнем возникает резкое увеличение амплитуды колебаний напряжения, и контур 8 входит в резонанс.

Токоограничивающие резисторы 6 и балластный резистор 7 способствуют разграничению энергетических процессов в генераторе и информационных процессов в колебательном контуре.

Амплитуда колебаний напряжения в колебательном контуре 8 усиливается усилителем 9 с высоким входным сопротивлением. Благодаря этому входные цепи усилителя 9 не оказывают влияния на резонансные процессы, протекающие в колебательном контуре 8, и поступают на выпрямитель 10. Выпрямитель 10 нагружен измерительным резистором 12 и с целью сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения может быть соединен с конденсатором 11.

Рассмотренная выше электрическая цепь образует собой информационный выход генератора, который содержит следующие каналы:

Первый канал. Частота переменного напряжения на накопительных конденсаторах 5.

Известно, что генератор соединен с коленчатым валом двигателя автомобиля посредством кинематической передачи, передаточное число которой известно. В этом случае мгновенное значение угловой скорости двигателя определяется на основании следующей зависимости:


Второй канал. Формирование в реальном времени информации о динамике движения автомобиля.

Очевидно, что прирост амплитуды колебаний в процессе возникновения резонанса на колебательном контуре или в процессе выхода колебательного контура из резонанса позволяет точно судить об интенсивности динамических процессов, протекающих при управлении силовым агрегатом автомобиля.

Физика процессов понятна специалисту. Математическое описание данных процессов достаточно объемно и, по мнению авторов, выходит за рамки материалов данной статьи.

Третиретий канал. Управление силовым агрегатом.

Возникновение резонанса на колебательном контуре абсолютно точно свидетельствует о вхождении силового агрегата автомобиля в тот режим, на который настроен данный колебательный контур. Рост постоянного напряжения на измерительном резисторе позволяет посредством порогового коммутатора (с дискретным или перестраиваемым порогом срабатывания) в реальном времени вырабатывать команду или последовательность команд для управления силовым агрегатом. Формируемый сигнал может использоваться, в том числе, для управления коробкой передач автомобиля. Если используется коммутатор с управляемым порогом срабатывания, то формируемый сигнал может использоваться для управления приводом топливной заслонки при реализации функции управления скоростью движения автомобиля или ее принудительного ограничения.

Физика процессов понятна специалисту. Алгоритмическое и математическое описание такого управления достаточно объемно и, по мнению авторов, выходит за рамки материалов данной статьи.

Четвертетвертетвертый канал. Наиболее важный канал. Он реализует известную взаимосвязь между третьей производной закона движения инерционной массы и производной тока в электромеханической системе. Используется для получения в реальном времени информации о динамике переходных процессов при управлении силовым агрегатом и тормозной системой автомобиля.

Таким образом, сегодня в России создана новая технология обработки информации на основе нейросетевых алгоритмов. Эта технология запатентована и должна послужить основой для прорыва Российской автомобильной отрасли в области высоких информационных технологий.