Microprocessor-controlled antiblocking system of motorcycle

Full Text

Современные мотоциклы наиболее часто комплектуются тормозными системами с гид- равлическим приводом. Указанное обстоятельство обусловлено высоким быстродействием и возможностью создания больших усилий. Серьезным недостатком указанной системы явля- ется совокупность требований, которые предъявляются к используемым материалам и точ- ности изготовления деталей. Также следует отметить, что для получения больших тормоз- ных усилий и обеспечения равномерности прижатия тормозных колодок требуется чрезмер- ное усложнение и удорожание конструкции. В связи с широким распространением гидравлических тормозных систем развитие по- лучили электронно-гидравлические системы безопасности, к которым относятся антиблоки- ровочная система, антипробуксовочная система, система курсовой устойчивости и другие. В связи с ростом количества мотоциклов, а также увеличением рабочего объема их двигателей, а следовательно, увеличением мощности и скорости возрастает количество до- рожно-транспортных происшествий с участием указанного транспортного средства. Боль- шинство из аварий с участием мотоциклов происходит из-за потери управляемости и курсо- вой устойчивости. Из-за несвоевременного начала процесса торможения, а также из-за бло- кировки колеса в процессе торможения возможна потеря контакта колеса с дорогой, что яв- ляется причиной возникновения указанных опасных ситуаций. Для повышения безопасности двухколесных транспортных средств и снижения ава- рийности Европейский парламент внес изменение к Глобальным техническим правилам № 3 (тормозные системы мотоциклов). Согласно внесенным изменениям, с 2016 года все мото- циклы с объемом двигателя 125 см3 и выше, выпускаемые в Европе или реализуемые там, должны будут комплектоваться системой АБС или комбинированной тормозной системой [1]. Совершенствование систем АБС мотоциклов на сегодняшний день является актуальной задачей. Для обеспечения надежного торможения и устойчивости транспортного средства необходима разработка механизма, который способен управлять тормозными моментами на колесах мотоцикла. В настоящее время, в связи с развитием микропроцессорной техники, наиболее целесообразным является создание цифровой системы управления торможением, способной принимать решения в зависимости от внешних факторов. Для реализации указанной системы необходима информация о величине боковых сил, а также о величине фактически развиваемого тормозного момента. Для получения мгновенных значений данных величин необходимо устройство, позволяющее измерять усилия, действу- ющие на оси колес мотоцикла, а также наклон мотоцикла относительно дорожного покры- тия. В связи с перечисленными выше критериями была разработана структурная схема си- стемы управления торможением. Указанная структурная схема представлена на рисунке 1. Рисунок 1. Структурная схема системы управления торможением Представленный блок определения момента растормаживания анализирует поступаю- щие данные о величине боковых сил, а также о величине фактически развиваемого тормоз- ного момента, нагрузках на оси колес, а также об углах наклона мотоцикла по продольной и поперечной осям. Растормаживание производится в том случае, если разность показаний аналоговых тензодатчиков, установленных на осях, и величина фактически развиваемого тормозного момента превышают критическое значение. Угол наклона мотоцикла принимает- ся во внимание для расчета интенсивности торможения. Угол наклона мотоцикла относительно дорожного полотна определяется с помощью цифрового трехосевого акселерометра-гироскопа. Данный прибор использует магнитное по- ле Земли в качестве основы для отсчета Указанный прибор позволяет измерять действующее ускорение по трем осям, а также скорость вращения вокруг каждой из осей. Угол наклона мотоцикла вычисляется с помощью комплиментарного фильтра или т.н. альфа-бета преобразования [2]. Суть данного способа вычисления угла лежит в суммировании показаний акселерометра по продольной оси и про- интегрированных показаний гироскопа по поперечной оси. При разгоне, торможении и ма- неврировании мотоцикла возможно возникновение динамической погрешности акселеро- метра. При проведении цифрового интегрирования возможно возникновение статической ошибки, которая накапливается с течением времени. При реализации альфа-бета преобразо- вания множители указанных выше слагаемых подбираются таким образом, чтобы найти оп- тимальное соотношение между статической и динамической ошибками. На рисунке 2 представлена схема размещения элементов тормозной системы. На дан- ном рисунке указано расположение датчиков тормозного усилия и боковых сил, а также тормозного механизма и управляющего соленоида [3]. В составе испытываемой тормозной системы используется тормозной механизм с ме- ханическим приводом. Эскиз дискового тормозного механизма представлен на рисунке 3. Дисковый тормозной механизм работает следующим образом. Воздействие, приложен- ное к приводному рычагу 7, вызывает вращение цилиндра 9, выполненного как одно целое со стержнем, имеющим четыре наклонных поверхности, расположенные равномерно по поверхности цилиндра 9, внутри тормозной скобы 8. При вращении цилиндра 9 наклонные по- верхности на цилиндре 9 воздействуют на четыре шарика 11, установленные между наклон- ными поверхностями на цилиндре скобы 10 и цилиндре 10, вызывают тем самым качение шариков 11 по наклонным поверхностям цилиндра скобы 10 и цилиндра 9, приводя цилиндр скобы 10 и цилиндр 9 к продольному перемещению внутри тормозной скобы 8. При переме- щении цилиндр 9 воздействует на тормозную колодку 4 и прижимает ее к тормозному диску 2. Осевое перемещение цилиндра 9 вызывает реактивное движение тормозной скобы 8, кото- рая прижимает другую тормозную колодку 3 к тормозному диску 2 с другой стороны, затор- маживая тормозной диск 2. При осевом перемещении цилиндра 9 и тормозной скобы 8 про- исходит сжатие пружины 6, расположенной между приводным рычагом 7 и регулировочным винтом 1, вкрученным в тормозную скобу 8. Рисунок 2. Схема размещения элементов системы торможения Рисунок 3. Эскиз дискового тормозного механизма При снятии управляющего воздействия с органов управления тормозной системы уси- лие, приложенное к приводному рычагу 7, пропадает и пружина 6 воздействует на приводной рычаг 7 и регулировочный винт 1, закрученный в тормозную скобу 8, вызывая осевое перемещение тормозной скобы 8 и цилиндра 9, которые воздействуют на тормозные колодки 3 и 4, отводя их от тормозного диска 2, растормаживая тормозной диск 2 [4]. Фотография макетного образца тормозного механизма с соленоидом представлена на рисунке 4. Рисунок 4. Фотография макетного образца тормозного механизма с соленоидом Рисунок 5. Фотография макетного образца микропроцессорной системы управления торможением Для того чтобы приводить в действие тормозной механизм и растормаживать тормоз- ной диск, используется соленоид с втягивающимся сердечником. Для управления соленои- дом используется транзисторный «Н-мост». Катушка соленоида должна срабатывать с часто- той от 12 до 17 Гц. При такой частоте возникает проблема намагничивания катушки. Если прикладывать управляющее напряжение только в одном направлении, то катушка входит в состояние насыщения и через небольшое количество циклов втягивания-отпускания сердеч- ник останавливается в определенном положении, что делает систему торможения неработо- способной. Для того чтобы избавиться от данной проблемы, было принято решение подавать на катушку отрицательное напряжение для размагничивания в каждом цикле ее работы. Для подачи напряжения переменной полярности используется указанная выше мостовая схема. При работе мостовой схемы предусмотрены паузы между промежутками времени, в течение которых действуют напряжения положительной и отрицательной полярностей. Данная мера принята для того, чтобы ограничить силу тока, обусловленного индуктивностью катушки. Фотография макетного образца микропроцессорной системы управления торможением представлена на рисунке 5. На этапе синтеза системы управления торможением крайне важной является гибкость микропроцессорной системы. Для того чтобы макетный образец микропроцессорной систе- мы соответствовал данному критерию, выполняемые задачи разделены между тремя вось- миразрядными микроконтроллерами Atmega8 и Atmega16. Отдельно выделенный контроллер выполняет опрос регистров цифрового акселерометра, подключенного по интерфейсу I2C, а также выполняет определение угла наклона мотоцикла. Основной микроконтроллер выполняет аналого-цифровое преобразование показаний датчиков усилия и определяет мо- мент начала растормаживания, учитывая при этом значение угла наклона мотоцикла, вычис- ленное вспомогательным микроконтроллером. Отдельный микроконтроллер выделен для управления соленоидом тормозного механизма. Данный микроконтроллер может получать по последовательному интерфейсу параметры торможения и реализовывать любой закон управления соленоидом. В будущем возможно изготовление готового к промышленному производству оптими- зированного варианта микропроцессорной системы на основе одного микроконтроллера. В настоящее время проводятся работы по оптимизации алгоритма управления соленоидом. К настоящему времени проведены натурные испытания представленной в данной ста- тье системы на специализированном лабораторном стенде. Указанные испытания проводились следующим образом: заднее колесо мотоцикла раскручивалось с помощью вала, кон- тактирующего с поверхностью колеса и приводимого в движение с помощью электроприво- да. При достижении определенной скорости вращения колеса начинался процесс торможе- ния и растормаживания. Данный процесс инициировался алгоритмом самой микропроцес- сорной системы, управляющей торможением. В ходе испытаний продемонстрирована высо- кая надежность, а также быстродействие системы. Проведены испытания системы при изме- нении значения частоты растормаживания в пределах от 5 до 25 Гц. Найдено оптимальное значение, которое находится в районе 17 Гц. Определены необходимые интервалы между периодами намагничивания и размагничивания соленоида для того, чтобы понизить проте- кающий через него ток до допустимой величины. Выводы По результатам проведенных испытаний можно сделать вывод о том, что разработанная система является работоспособной. Система обеспечивает торможение колеса мотоцикла в соответствии с заданными пока- зателями. В ходе экспериментальных исследований опытным путем определены оптимальные па- раметры системы.

About the authors

V. T. Vishnerevskiy

Belarusian-Russian University

Email: Vishnerevsky@mail.ru
+7 0222 31-14-44

M. L. Petrenko

Belarusian-Russian University

A. S. Melnikov

Belarusian-Russian University

Ph.D.

G. S. Lenevskiy

Belarusian-Russian University

Ph.D.

References

Supplementary files