Разработка и исследование мультиплексной системы управления электропакетом для автомобилей нового поколения

За последние 20 лет автомобильная электроника совершила качественный скачок вперед, который можно сравнить по значимости с переходом от рамного принципа построения легковых автомобилей к несущему кузову в первой половине XX века. Количество и качество электронных систем достигли такого уровня, что в автомобиле уже сложно найти узел, куда бы не подходили провода от систем управления и диагностики. В результате, современный автомобиль — это сплав новейших технологий в агрегатостроении и электронике, в котором превалирующую роль постепенно занимает электронная часть. В то время как механические узлы улучшаются по интенсивному пути развития (увеличиваются мощность, эффективность, надежность), электронные системы развиваются по экстенсивному принципу, занимая новые области применения.

На мировом рынке электронных компонентов, автоэлектроника является одним из самых динамично развивающихся секторов, в который выгодно вкладывать средства. Наблюдается устойчивый рост потребления автомобильной индустрией электронных компонентов различной степени интеграции. Причем этот рост слабо подвержен влиянию неблагоприятных экономических факторов. По исследованию экспертов, темп роста автомобильного сегмента полупроводников составляет 12.9 процентов в год с 1994 до 2002 и 12.1 процентов — с 1997 по 2002, а за этот период общий рынок полупроводников растет только 4.3 процентов (1994;2002) и 0.9 процентов (1997;2002) соответственно. Даже в некоторых подсегментах автомобильной электроники наблюдается более высокий рост: автомобильная промышленность стала за последнее время основным и самым крупным потребителем микроконтроллеров (МК). Примерно каждый выпускаемый в мире 3-й МК находит применение в устройствах автоэлектроники (34 процента в 2002 г., 31 процент в 2001 г.). Объем датчиков, потребляемых в автомобильной промышленности составлял 76 процентов в 2002 г. и средний ежегодный прирост составлял в порядке 57 процентов с 1997 до 2002 [1].

Основными причинами такого бурного развития автоэлектроники можно разделить на субъективные и объективные. К субъективным причинам относится распространение средства вычислительной техники в современном обществе. Объективными причинами являются возрастающие требования по безопасности, функциональности и надежности, к снижению массогабаритных показателей автомобильных систем. Применение электронных систем позволяет добиться значительного улучшения этих эксплуатационных свойств автомобиля, так что во многих странах автомобиль без электронных систем уже стал неконкурентоспособным.

Автомобильная электроника развивается в постоянном конфликте между возрастающей стоимостью и расширением потребительских качеств новых технических решений. Каждый новый продукт (отдельный компонент или готовое решение) должен обладать большей надежностью, производительностью и функциональностью по сравнению с предшественником. На Западе стало нормой, что значительная часть потраченной на новый автомобиль суммы уходит на повышение безопасности и надежности автомобиля и всех его узлов [2]. В связи с этим увеличение стоимости автомобиля для потребителя равнозначно увеличению его надежности и безопасности, и не свидетельствует о желании автомобильных компаний нажиться на покупателях. В свою очередь, производители хотят поддержать реноме марки, но, по возможности, свести к минимуму увеличение цены на свою продукцию. Это стимулирует постоянное совершенствование технологий производства компонентов, проектирование и внедрение новых интегральных решений, создание простых, дешевых и доступных средств разработки, позволяющих уменьшить сроки проектирования и стоимость новых систем.

Сегодня автомобильная электроника уже глубоко проникает в различные части системы управления и тем самым подтверждает свою важнейшую роль в современных автомобилях. Заменяя различные существующие в ранних автомобилях механические и гидравлические узлы и добавляя новые узлы контроля и диагностики, она делает сегодняшние автомобили более интеллектуальными, надежными, безопасными и комфортными. Внедрение автоэлектроники в систему управления двигателем и трансмиссией обеспечивает оптимальную работу двигателя за счет регулировки впрыска топлива, узла опережения зажигания, частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу. Электронные системы управления ходовыми оборудованиями, включая управление подвеской, колесами, тормазами, учлушает управляемость, курсовую устойчивость и комфортабельность автомобиля. Все более популярными становятся электронные системы для отображения информации. Визуальные индикаторы показывают цифровые значения множества разнообразных параметров: скорость движения, частота вращения коленчатого вала, количество топлива, время поездки, температура. Широко используются текстовые сообщения, отображение схематического характера (например, автомобиль в плане с указанием неисправного узла). Получили распространение синтезаторы речи, вырабатывающие речевые сообщения, например, об открытой двери, о необходимости пристегнуть ремни безопасности, превышения допустимой температуры охлаждающей жидкости. Пользуются популярностью развлекательные электронные системы: радиоприемники, телевизоры, магнитофоны.

В большинстве ранних и существующих автомобилях, система управления построена по следующему принципу: от нее прокладываются силовые и информационные провода к каждому из объектов управления. Во многих узлах, эти проводы приходилось проводить через весь автомобиль внутри кузова. По мере повышения функциональности автомобилей, с появлением многочисленных новых узлов контроля и диагностики, происходит значительное увеличение количества идущих проводов. По оценке экспертов, за последние 20 лет количество проводов и кабелей в автомобиле увеличивается более 2 раза и в настоящее время его общая масса достигла 50 кг [3]. Кроме того, также увеличивается количество контактных разъемов, разветвлений, предохранителей и т. п. Эта проблема более ярко проявляется в российских автомобилях, где степень вредрения автоэлектроники еще низка. В последствии, это приводит не только к существенным экономическим затратам на провода, но и порождает множество проблем, которые связаны с габаритными размерами, массой, гибкостью, проектированием, производством, монтажом.

Задача сокращения количества и длины прокладываемых проводов внутри автомобиля приводит к необходимости проектирования и реализации системы управления мультиплексного типа. Система управления такого построения делится на узлы, которые с одной стороны подсоединены к линии электропитания от аккумуляторной батареи, а с другой — к общей информационной линии, вместо жгутов проводов. Именно через эту общую информационную линию, названной шиной данных, узлы системы управления обменяются данными между собой. Все узлы имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому между любыми двумя узлами системы всегда возможен обмен данными. Однако в каждый момент времени только один узел разрешен передавать данные на шину, а остальные узлы имеют возможность «немедленно» (с учетом задержки распространения сигнала по физической среде) получить переданные данные. Чтобы получить возможность начать передавать данные, каждый узел должен убедится, что общая шина свободна для передачи. Это достигается тем, что каждый передавающий узел выставит флажок завершения в момент окончания своего сеанса передачи и остальные узлы опознают шину свободной, обнаруживая этот флажок. Узлам, в зависимости от степени важности своей функциональности, присваиваны различные уровни приоритета доступа. Узел с высшим уровнем приоритета получит высшее право передавать данные на свободную шину.

Помимо этого, при реализации мультиплексной системы управления необходимо учесть проблему скорости передачи данных по шине, которая разделена для всех узлов автомобилей. Каждый узел автомобиля, в зависимости от своих функциональных характеристик, требует определенную минимальную скорости обмена данными так, что скорость передачи данных шины должна достаточно высока, чтобы все узлы работали в режиме реального времени. Также возможна организация мультиплексной системы управления, которая содержит одновременно несколько информационных шин с различными скоростями передачи. Такое построение системы управления в настоящее время пользуется популярностью за счет того, что оно существенно снижает экономические затраты на аппаратные средства при реализации системы управления.

В итоге, подход мультиплексирования системы управления не только решает задачу снижения количества используемых проводов, но и дает множество преимуществ, связанных с надежностью, гибкостью, возможностью расширения и т. п. Узлы функционируют вне зависимости друг от друга, поэтому выход из строя одного узла не влияет на всю систему управления. Расширение системы осуществляется добавлением новых узлов к общей шине, не изменяя структуру системы в целом.

За последние годы российский автомобильный рынок становится одним из перспективных составляющих общего мирового автомобильного рынка. Наблюдается непрерывный рост потребления автомобилей год за годом. Однако наращивалось производство только зарубежных моделей, а вытеснение отечественных с российского автомобильного рынка приобрело катастрофические масштабы. По мнению экспертов, будет храниться такая тенденция снижения производства отечественных автомобилей в последующие годы. Это объясняется в первую очередь низкими эксплуатационных свойств отечественных автомобилей, которые не удовлетворяют сегодняшним возрастающим потребительским требованиям. Такая сложившая ситуция подталкивает российским производителям к задаче улучшения функциональных характеристих своих автомобилей, отвечающих стандартам мирового автомобильного рынка если они не хотят проиграть на одном из самых конкурентных рынок «автомобильном».

Актуальность.

Из всего вышесказанного необходимость провести исследования и развивать системы управления автомобилем мультиплексного типа в настоящее время является очевидной, притом что подобная задача даже более актуальна для российской автомобильной промышленности. В данной диссертации поставлена задача исследования и разработки мультиплексной системы управления электропакетом, который относится к категории салонного оборудования. Она должна обеспечить выполнение следующих функций: центральная блокировка электрозамков дверей, разблокировка электрозамка багажника, управление электростеклоподъемниками с режимом автоматического подъема/опускания стекла, управление движением и подогревом зеркал, подсветка клавиатур. Данная система управления электропакетом ориентирована на применение в существующих системах управления современных автомобилей, как импортных так и российских. Возможность расширения и модификации системы позволяет адаптироваться к различным существующим моделям российских автомобилей.

Цели диссертационной работы.

Основными целями настоящей диссертационной работы являются:

— Исследование концепции построения и разработка структуры мультиплексной системы управления;

— Анализ способов сопряжения мультиплексной системы управления электропакетом с существующими электронными системами на борту автомобиля;

— Исследование работы и выбор методов управления конечными устройствами электропакета;

— Анализ аппаратной реализации мультиплексной системы и разработка принципиальных схем системы управления;

— Разработка алгоритма работы мультиплексной системы управления электропакетом;

— Разработка и отладка программного обеспечения мультиплексной системы управления электропакетом;

— Практическая реализация и тестирование готовых систем на автомобилях АВТОВАЗа.

Научная новизна.

• Программно-аппаратная реализация нового способа построения системы управления электропакетом российских автомобилей на основе мультиплексной шины передачи данных и управления;

• Способ управления электродвигателями стеклоподъемников, позволяющий исключить влияние конструктиных, технологических параметров электродвигателей дверного модуля, а также температуры окружающей среды на определение момента останова стеклоподъемника в его верхнем положении и его схемотехническая реализация.

Практическая ценность.

• Улучшение технико-экономических показателей системы за счет реализации интеллектуального управления отдельными узлами и системой в целом;

• Разработка структуры построения мультиплексной системы управления электропакетом автомобилей нового поколения;

• Разработка и исследование алгоритмов работы мультиплексной системы управления и ее интерфейсов с электрооборудованием автомобиля в целом;

• Способ управления электродвигателями стеклоподъемниками дверных модулей;

• Создание двух прототипов работающих систем на автомобилях ВАЗ 2110. Проведение тестовых испытаний систем на заводе МЗАТЕ — 2;

• Демонстрация системы на выставке «Московский Автомобильный Автосалон- 2007» на стенде холдинга «ТАДЭМ» и на АВТОВАЗе в 2007 году.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений.

4.3. Выводы по главе.

Разработан стенд для исследования различных режимов работы системы. Получены экспериментальные данные, подтверждающие работоспособность системы во всех ее режимах работы;

Проведены полевые испытания на автомобиле марки ВАЗ-2111, подтвердили работоспособность системы в течение года;

Проведена презентация системы для руководства конструкторского бюро АВТОВАЗа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Обоснованы необходимость и актуальность поставленной задачи исследований и разработки «мультиплексной системы управления» электропакетом автомобиля с применением новых технологических достижений в области автоэлектроники.

Приведено описание составляющих устройств и функции электропакета. На основании тенденции развития автомобильной электроники, проведен анализ и предъявлены технико-экономические требования к исследуемой системе управления электропакетом. С целью создания оптимального решения для «умного» электропакета проведены исследования специфических свойств его оконечных устройств электропакета. На основе полученных результатов проведенных исследований и их анализов, сформированы технические требования к силовой части системы управления электропакетом.

Приведены обзор и характеристические анализы принципов построения системы управления электропакетом в существующих автомобилях. На основании полученных результатов показаны превосходящие преимущества исследуемой системы управления электропакетом мультиплексного типа над реализованной системой управления в существующих автомобилях. Была предложена оптимальная структура мультиплексной системы управления на основания отношения стоимости и качества конечного изделия. Проведен анализ и предъявлены технические требования к элементной базе и межмодульному интерфейсу обмена данными с точки зрения аппаратной реализации системы управления.

Приведен обзор существующих автомобильных межмодульных интерфейсов и современной элементной базе. На основании их анализа сделаны оптимальные выборы для решения поставленной задачи. Разработаны принципиальные электрические схемы и алгоритм управления системой управления в соответствии с поставленными техническими требования. Реализовано программное обеспечение системы управления.

Реализованы испытательные прототипы разработанной системы управления электропакетом. Проведены лабораторные испытания реализованной системы управления. На основании полученных результатов в ходе испытаний, проведен анализ и обоснована работоспособность разработанной системы управления электропакетом.

Подготовлен комплект конструторской документации на систему управления электропакетом.