Diagnostická programovatelná měřící ústředna vozidla

M ASARYKOVA UNIVERZITA FAKULTA INFORMATIKY

Diagnostická programovatelná mˇerˇící ústˇredna vozidla D IPLOMOVÁ PRÁCE

Roman Mareˇcek

Brno, jaro 2013

Prohlášení Prohlašuji, že tato diplomová práce je mým puvodním ˚ autorským dílem, které jsem vypracoval samostatnˇe. Všechny zdroje, prameny a literaturu, které jsem pˇri vypracování používal nebo z nich cˇ erpal, v práci rˇ ádnˇe cituji s uvedením úplného odkazu na pˇríslušný zdroj.

Vedoucí práce: prof. Ing. Václav Pˇrenosil, CSc. ii

Podˇekování Rád bych podˇekoval prof. Ing. Václavu Pˇrenosilovi, CSc. a Ing. Zbynku ˇ Burešovi, Ph.D. za odbornou pomoc, cenné rady a cˇ as strávený na konzultacích pˇri zpracování práce.

iii

Klíˇcová slova Hybridní pohon, rekuperace, LabVIEW, CompactRIO, CAN Bus, EHK test, rˇ ídicí systém, FPGA, kontrolér, pˇrední panel, blokový diagram, uživatelské rozraní, I/O mudul, Urban Driving Cycle, Extra Urban Driving Cycle.

iv

Shrnutí Rostoucí ceny pohonných hmot, tlak centrálních rozhodovacích orgánu˚ na snižování emisí a také smˇerˇ ování lidské spoleˇcnosti k ekologiˇctˇejšímu provozu vedou výrobce automobilu˚ k úvahám o alternativních možnostech zdroju˚ energie pro vozidla. Tato práce se zabývá vývojem vozidel s hybridním pohonem, rˇ ízením rekuperace kinetické energie vozidla a analýze teoretických a reálných pˇrínosu˚ rekuperaˇcní jednotky.

v

Obsah 1 Úvod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Alternativní pohony osobních automobilu˚ . . . . . . . . 2.1 Alternativní paliva a technologie . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Smˇernice evropské unie . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Alternativní paliva . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Elekromobily a hybridní automobily . . . . . . 2.1.4 Hybridní automobily . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.5 Ekologické vozy automobilky ŠKODA AUTO 3 Cílový systém . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.0.6 Schéma systému . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.0.7 EHK Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Analýza energetických vlastností systému . . . . . . 4 Vývojové nástroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 CompactRIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Konrolér . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Programovatelné pole . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3 I/O moduly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 LabVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Grafické programování . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Pˇrední panel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Blokový diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Diagnostická mˇerˇící ústˇredna . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Mˇerˇ ení dat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Mˇerˇ ené hodnoty . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2 Mˇerˇ ící systém . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.3 Implementace mˇerˇ ení . . . . . . . . . . . . . . 5.1.4 Realizace mˇerˇ ení . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Logger dat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Network Streams . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Notifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3 Ukládání dat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ 6 Rízení rekuperace vozidla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Sledování prubˇ ˚ ehu jízdy . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1 Sbˇernice Can bus . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.2 Implementace komunikace . . . . . . . . . . . 6.2 Algoritmy pro rekuperaci . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1 Vizualizace rˇ ízení . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Analýza výsledku˚ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 Mˇerˇ ící systém ústˇredny . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 5 5 5 6 7 8 9 11 12 12 14 16 16 16 16 17 17 17 18 18 20 20 20 20 22 23 26 27 30 31 34 34 34 35 38 42 43 43 1

ˇ 7.2 Rízení rekuperace vozidla 8 Závˇer . . . . . . . . . . . . . . . A Uživatelké rozhraní aplikace . B Obsah CD . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

43 46 49 52

2

Kapitola 1

Úvod Vlastnit osobní automobil je pro cˇ lovˇeka žijícího v dnešní dobˇe již zcela bˇežnou záležitostí. Aby uspokojili rostoucí požadavky zákazníku, ˚ jsou výrobci automobilu˚ nuceni k neustálému pokroku ve vylepšování starých a vývoji nových modelu˚ a typu˚ automobilu. ˚ Principy tržního hospodáˇrství a vysoká konkurence v odvˇetví staví automobilky do pozice, kdy je pro umístˇení svého produktu do popˇredí na trhu a jeho udžení ve slušném prodejním postavení nutné využít každou sebemenší možnost získání výhody. Každá maliˇckost muže ˚ automobil zvýhodnit oproti ostatním a zvýšit jeho popularitu. Existuje mnoho ruzných ˚ smˇeru, ˚ kterýma je možné se pro dosažení požadovaných cílu˚ ubírat. Komfort, cena, prestiž, výkon cˇ i užitkovot jsou jen struˇcným výbˇerem hodnot, které muže ˚ výrobce použít ke zvýšení zákazníkova apetitu. Jedním ze souˇcasných trendu˚ je nahrazování benzínu a nafty alternativními zdroji energie pro pohon vozidla. Mezi ty nejprogresivnˇejší patˇrí urˇcitˇe elekromobily a automobily s hybridním pohonem. Tato práce se vˇenuje právˇe automobilu s hybridním pohonem, což je vozidlo, které kombinuje nˇekolik typu˚ zdoje energie pro pohon vozidla. Nejˇcastˇejším a také cílovým objektem mé práce je automobil sdružující spalovací motor s elektromotorem. Cílem práce je implementovat diagnostickou programovatelnou mˇerˇ ící ústˇrednu vozidla s hybridním pohonem, otestovat její funkci a vyhodnotit reálné výsledky aplikace a cílového systému. V práci popíši jednotlivé aplikaˇcní prvky programu, použité hardwarové komponenty a reálné fyzikální vlastnosti testovaného vozidla. V úvodu práce se budu zabývat alternativními palivy používanými v osobních automobilech a technologiemi vedoucími k doplnˇení cˇ i nahrazení spalovacích motoru. ˚ Ve druhé kapitole se budu vˇenovat analýze cílového systému, popíši jednotlivé testované komponenty, mˇerˇ ené hodnoty a prubˇ ˚ eh testu˚ používáných pˇri diagnostice osobních automobilu. ˚ Ve tˇretí kapitole stuˇcnˇe popíši vývojové nástroje použité k implementaci ústˇredny. Cílem kapitoly je seznámit cˇ tenáˇre se základy LabVIEW a CompacRIA, které budou v práci ˇ použity. Detailnˇe se tˇemto nástrojum ˚ vˇenuji ve své bakaláˇrské práci Rídicí systém motorové brzdy[6]. Ve cˇ tvrté kapitole se budu vˇenovat první ze dvou hlavních komponent vyvíjené aplikace a tou je mˇerˇ ící diagnostická ústˇredna. Popíší požadavky, vlastnosti a parametry aplikace. Budu se také vˇenovat hlavním konstrukˇcním a implementaˇcním prvkum ˚ této cˇ ásti diagnostické ústˇredny. 3

1. Ú VOD V páté kapitole se budu vˇenovat druhé hlavní komponentˇe systému a tou je programovatelné rˇ ízení rekuperace vozidla. Popíší jednotlivé možnosti rˇ ízení a jejich potencionální využití pˇri testování i bˇežném provozu vozidla. Budu se také vˇenovat vlastnostem a implementaˇcní cˇ ásti algoritmu použitého k rˇ ízení rekuperace. V šesté kapitole vyhodnotím výsledky dignostické programovatelné mˇerˇ ící ústˇredny vzhledem k požadavkum ˚ na práci. V poslední kapitole struˇcnˇe shrnu svuj ˚ podíl na diskutovaném tématu a navrhnu možnosti potencioálního rozvoje práce.

4

Kapitola 2

Alternativní pohony osobních automobilu˚ 2.1

Alternativní paliva a technologie

Pod pojmem alternativní paliva a technologie se skrývá výraz pro nahrazování dominantních zdroju˚ paliv spalovacích motoru˚ benzínu a nafty, pˇrípadnˇe dalších technologií vedoucích k nahrazení samotných spalovacích motoru[1]. ˚ Je nˇekolik ruzných ˚ duvod ˚ u, ˚ proˇc je potˇreba hledat alternativní zdroje energie pro pohon automobilu. ˚ Prvním z nich je omezené množství zásob fosilních paliv. Ruzné ˚ zdroje uvádí odlišné, jen tˇežko ovˇerˇ itelné odhady a na nich založené výpoˇcty, kdy pˇri pˇredpokládané spotˇrebˇe nastane ona nevyhnutelná doba vyˇcerpání poslední kapky ropy, ale všechny zdroje mají spoleˇcné jedno a to je, že to bude v tomto století. Pro vˇetšinu z nás není samotná doba, kdy ropa dojde, nijak prioritním problémem. Duležitˇ ˚ ejším faktem, o který se vˇetšina rˇ idiˇcu˚ osobních automobilu˚ zajímá a který se velmi cˇ asto na každém rohu probírá, je pˇredevším rostoucí cena ropy a jejích destilátu, ˚ vlastní „krve“ stroju˚ všech motoristu, ˚ benzínu a nafty. Nehodlám spekulovat o míˇre rustu ˚ ceny ropy vuˇ ˚ ci její svˇetové zásobˇe, ale zˇrejmým faktem je, že pomˇer rustu ˚ ceny paliva a ochoty rˇ idiˇcu˚ pˇriplácet je nepˇríjemnˇe naklonˇen. Neménˇe duležitým ˚ faktorem je ochrana životního prostˇredí. Lidská civilizace naštˇestí dospˇela do stádia, kdy si uvˇedomuje svuj ˚ vliv na planetu a zaˇcíná se podle toho chovat. Spalovací motory produkují velké množství škodlivin jako oxid uhelnatý, oxid uhliˇcitý, ˇ 1 a další. Problém emisí výfukových plynu˚ už není probírán oxid siˇriˇcitý, oxidy dusíku, PC pouze z hlediska mˇestského provozu, kde je nejvˇetším pˇrispˇevatelem ke zhoršování životních podmínek, ale také z hlediska globálního, jelikož výfukové plyny mají obrovský vliv na skleníkový efekt a s ním spojené globální oteplování. Dopad naftových a benzínových spalovacích motoru˚ na životní prostˇredí vede k tlaku na výrobce nejen ze strany samotných uživatelu, ˚ ale i k zapojení vyšších státních mocí a organizací, které mohou výraznˇe ovlivnit urˇcující podmínky pro výrobu a prodej automobilu. ˚ 2.1.1 Smˇernice evropské unie V roce 2007 pˇrijala Evropska unie závazek ke snížení emisí skleníkových plynu˚ do roku 2020 o 20%. Tata úmluva pevnˇe ustanovuje podmínky, hodnoty a postihy pro jednotlivé cˇ lenské státy Evropské unie. Souˇcástí této úmluvy je i naˇrízení Evropského parlamentu a Rady(ES) cˇ .443/2009, které stanovuje emisní normy pro nové osobní automobily v rámci Evropského spoleˇcenství a naˇrízení cˇ .715/2007 o schvalování typu motorových vozidel z hlediska emisí. Tyto naˇrízení zavádí jednotné požadavky týkající se emisí motorových vozidel a jejich urˇcitých náhradních dílu˚ podle norem Euro 5 a Euro 6 [2]. ˇ - prašné cˇ ástice. 1. CO - oxid uhelnatý, NOx - oxidy dusíku, HC - uhlovodany, PC

5

2. A LTERNATIVNÍ POHONY OSOBNÍCH AUTOMOBIL U˚ Motor diesel benzín

CO 0.5 1.0

NOx 0.18 0.06

HC+NOx 0.23 -

HC 0.1

ˇ PC 0.005 0.005

Tabulka 2.1: EURO 5 - výbˇer limitních emisí v g/km.

Motor diesel benzín

CO 0.5 1.0

NOx 0.08 0.06

HC+NOx 0.17 -

HC 0.1

ˇ PC 0.005 0.005

Tabulka 2.2: EURO 6 - výbˇer limitních emisí v g/km.

V souˇcasnosti platná norma Euro 5 a její následník Euro 6 (od r. 2014) pˇresnˇe vymezují podmíky cˇ lenských státu pro schvalování, registraci a uvádˇení do provozu vozidel nesplnuˇ jících tyto normy. Automobily porušující pˇredepsané hodnoty jsou bud’ znaˇcnˇe danovˇ ˇ e penalizovány nebo nejsou povoleny vubec. ˚ Normy dále stanovují pˇredpisy pro emise z výfuku, emise zpusobené ˚ vypaˇrováním, emise z klikové skˇrínˇe a další. Souˇcástí jsou i pravidla pro testování automobilu, ˚ podle kterých se urˇcují mˇerˇ ené hodnoty emisí. Samostatnou vyhlášku si získal pˇredpis pro emise oxidu uhliˇcitého, který se nejvˇetší cˇ ástí podílí na globálním oteplování. Podle platného naˇrízení musí všechny novˇe vyrobené vozy snížit emise CO2 od roku 2015 na 130 g/km a od roku 2020 na 95 g/km. Vyhláška dále uvádí pravidla pro výpoˇcet prumˇ ˚ erných emisí vozidla a jeho výrobce, a urˇcení jejich pˇrípadných penalizací. V podstatˇe to znamená, že každý automobilový výrobce je nucen stlaˇcit prumˇ ˚ erné emise ze všech svých vyrobených aut pod stanovenou hranici. Vozidla s velmi nízkou produkcí oxidu uhliˇcitého jsou do výpoˇctu zahrnuta s urˇcitým zvýhodnujícím ˇ koeficientem, takže i malý podíl ekologických vozidel ve výrobˇe muže ˚ znaˇcnˇe snížit celkový prumˇ ˚ er emisí. Za uvedení stojí napˇríklad zapoˇcítání jednoho vozu s emisí CO2 pod 50 g/km jako 3.5 násobek standardního automobilu. Pokud bych to shrnul, právˇe limity EU jsou hlavním podnˇetem výrobcu˚ pro alternativní paliva, zatímco cena benzínu a nafty pro koncové uživatele. 2.1.2 Alternativní paliva Na trhu je v souˇcasnosti nˇekolik funkˇcních alternativních paliv pro spalovací motory. Mezi nejpoužívanˇejší patˇrí urˇcitˇe spalování plynných paliv. LPG (Liquefied Petroleum Gas) je smˇesí zkapalnˇených ropných plynu, ˚ pˇrevážnˇe propan-butanu. Mezi pˇrednosti LPG patˇrí nízká cena plynu, nižší hluˇcnost a výraznˇe menší emise skleníkových plynu. ˚ Odpurci ˚ argumentují nižším výkonem motoru˚ a vyšší poˇrizovací cenou. Alternativou k LPG je CNG, což je zkratka pro Compressed Natural Gas, tedy stlaˇcený zemní plyn. CNG má všechny pˇrednosti jako LPG a navíc pˇridává i urˇcitý prvek bezpeˇcnosti. Hlavní složkou zemního plynu je metan a CNG je tedy, narozdíl od LPG, lehˇcí než vzduch. Pokud by tedy došlo k jeho úniku, je jednodušší ho odvˇetrávat a je tedy možné ho využívat tˇreba v podzemních garážích. Mezi ˇ nevýhody CNG patˇrí vyšší poˇrizovací cena a v Ceské republice také velmi malý poˇcet cˇ erpacích stanic. 6

2. A LTERNATIVNÍ POHONY OSOBNÍCH AUTOMOBIL U˚ Jinou možností je využítí vodíku jako zdroje energie. Vodík lze bud’ spalovat klasickou cestou jako ostatní paliva, nebo se dá využít palivových cˇ lánku, ˚ kdy se nejedná o typické hoˇrení, ale o chemickou reakci pˇri které vzniká energie pohánˇející elektromotor. Pˇri spalování vodíku nevznikají témˇerˇ žádné škodliviny, vyluˇcuje se pˇredevším vodní pára a vodíkové pohony jsou tedy znaˇcnˇe ekologické. Složitost konstrukce a doplnování ˇ vodíkových nádrží však podstatnˇe zvyšují celkovou cenu a vodík jako bˇežné palivo je tedy spíše otázkou vzdálenˇejší budoucnosti. Další alternativou paliv získávaných z neobnovitelných zdroju˚ jsou jejich bioalternativy. Benzín pro zážehové motory je možné nahradit bioethanolem, naftu bionaftou. Bioethanol se vyrábí alkoholovým kvašením z biomasy, což je smˇes látek bohatých na škrob a další sacharidy jako kukuˇrice, brambory, cukrová tˇrtina, rˇ epa a obilí[3]. Bioethanol je v nˇekterých cˇ ástech svˇeta dominantní palivo, napˇríklad v Brazílii. Bioethanol má vyšší oktanové cˇ íslo než benzín a bˇežnˇe se používá jako pˇrímˇes pro zlepšení vlastností benzínu a snížení emisí. Na cˇ erpacích stanicích je bˇežnˇe k dostání produkt s oznaˇcením E85, což je palivo tvoˇrené z 85% bioethanolem a 15% standardním benzínem. Bionafta se vyrábí esterifikací z nenasycených mastných kyselin rostlinného puvodu[4]. ˚ Je možné ji používat místo nafty bez jakýchkoliv zásahu˚ do konstrukce vozidla. Bionafta je biologicky odbouratelná, hoˇrí lépe než bˇežná nafta, znaˇcnˇe snižuje produkci škodlivin pˇri spalování a prodlužuje životnost vstˇrikovacích motoru. ˚ Problémem biopaliv je pˇredevším nízká efektivita jejich produkce, pˇestování plodin je cˇ asovˇe zdlouhavé, následné zpracování energeticky nároˇcné a objem získané kapaliny na zasetou plochu nízký. Navíc pˇremˇena zemˇedˇelských plodin na paliva vede k rustu ˚ ceny potravin. 2.1.3 Elekromobily a hybridní automobily Jinou metodou nahrazování konvenˇcních pohonu˚ automobilu˚ je eliminace vlastního procesu spalování. Spalovací motor je v elektromobilu nahrazen elektromotorem pro jehož pohon se využívá elektrické energie. Tato energie je uložena ve výkonných akumulátorech, které napájejí elektromotor pohánˇející vozidlo. Elektromotor je stroj pˇremˇenující ˇ elektrickou energii na mechanickou práci pomocí silových úˇcinku˚ magnetického pole. Elektromotory mají velmi vysokou úˇcinnost, která bˇežnˇe dosahuje 90%. Celková úˇcinnost pohonného systému je však snížena vlivem výroby elekrické energie a úˇcinností akumulátoru˚ na hodnotu ekvivalentní spalovacím motorum, ˚ pohybující se kolem 30 - 40%. Pokud pomineme metody výroby elektrické energie, nevyluˇcují elekromobily žádné škodliviny a jsou tedy z hlediska ekologie výborným rˇ ešením. Slabinou souˇcasných vozidel s elektrickým pohonem jsou parametry akumulátoru. ˚ Prvním z nich je mˇerná kapacita, tedy velikost uložené energie na kilogram váhy. Nejvýkonˇejší souˇcasnˇe dostupné akumulátory dosahují pˇribližnˇe 1/15 mˇerné kapacity ropných paliv. Výhˇrevnost benzínu je pˇres 11KWh/kg zatímco nejlepší typy cenovˇe dostupných akumulátoru˚ pouze kolem 100-250Wh/kg [5]. V praxi to znamená neúmˇerné zvýšení váhy vozidla vzhledem k dojezdové vzdálenosti. Dalším problémem akumulátoru˚ je potˇreba pravidelného dobíjení. Vˇetšina elektromobilu˚ není uzpusobena ˚ dobíjení ze standardní elektrické sítˇe a pokrytí dobíjecích stanic není v souˇcasné dobˇe dostaˇcující. Z hlediska poˇrizovací ceny jsou elektromobily výraznˇe dražší než automobily se spalovacími motory, ale provozní úspory tvoˇrené nižšími náklady na ujetý kilometr a delší životnost konstrukˇcních prvku˚ 7

2. A LTERNATIVNÍ POHONY OSOBNÍCH AUTOMOBIL U˚ elektro pohonu cenové srovnání vybalancují. Pokud dojde ke zvýšení kapacity akumulátoru, ˚ jsou elekromobily dopravním prostˇredkem budoucnosti. Rekuperace Elektromotor muže ˚ pracovat v nˇekolika principiálnˇe odlišných režimech [5]. Motorický režim slouží k pˇremˇenˇe elektrické energie na mechanickou sílu a v automobilu pracuje jako pohonná jednotka. Generátorový režim naopak využívá kinetické nebo polohové energie soustrojí pˇripojeného k pohyblivé cˇ ásti motoru a tuto energii pˇremˇenuje ˇ zpˇet na elekrickou energii. Pˇri brzdˇení vozidla tedy dochází k pˇremˇenˇe kinetické energie na eletˇrinu, která je ukládána zpˇet do akumulátoru, superkapacitoru˚ nebo je využita napˇríklad k napájení palubní desky auta. Tento proces se oznaˇcuje jako rekuperace a je velkým bonusem automobilu˚ s elektrickou trakcí, jelikož dokáže ekonomicky pracovat s pˇrebyteˇcnou energií a tím zvyšuje celkový dojezd vozidla. Rekuperace se zaˇcíná prosazovat i mimo sféru bˇežného provozu, napˇríklad závodní vozy Formule 1 jsou vybaveny systémem KERS2 , tedy systémem rekuperace kinetické energie, který muže ˚ krátkodobˇe znaˇcnˇe zvýšit okamžitý výkon vozu. Toto výkonové „turbo“ umožnuje ˇ snadnˇejší a tedy i cˇ astˇejší pˇredjíždˇení a vede k zatraktivnˇení závodu. ˚ 2.1.4 Hybridní automobily Tato práce se zabývá vozidlem s hybridním pohonem. Hybridní pohon je termín pro kombinaci nˇekolika ruzných ˚ zdroju˚ energie pro pohon vozidla. Nejˇcastˇeji se jedná o spojení spalovacího motoru s elektromotorem. Spalovací motor funguje jako hlavní zdroj energie pro pohyb vozidla, využívá se pˇri pˇresunu na velké vzdálenosti, pˇri potˇrebˇe jízdy ve vyšší rychlosti, napˇríklad po dálnici, nebo v situacích, kdy je energie v akumulátoru vybitá. Elektromotor je naopak využíván pˇredevším bˇehem jízdy ve mˇestˇe, kdy dochází k cˇ astému zpomalování a zastavování, pˇri kterém se rekuperací dobíjí baterie, a pracuje jako pomocná hnací síla pro pokrytí výkonových špiˇcek spalovacího motoru a šetˇrení spotˇreby paliva. Právˇe úspora paliva a tím i snížení emisí je hlavním úˇcelem konstrukce hybridních automobilu. ˚ Sériový a paralelní hybridní pohon Bˇehem vývoje se vykristalizovaly dvˇe hlavní technologie konstrukce vozidel s hybridním pohonem. V sériovém zapojení jsou jednotlivé komponenty zapojeny za sebou[21]. Spalovací motor slouží jako výrobna elektrické energie pro elektromotor, který pak svuj ˚ výkon bud’ pˇrenáší na hnací ústrojí vozidla nebo pˇrebyteˇcnou energii ukládá do aukumulátoru. Pokud je akumulátor dostateˇcnˇe nabitý, je možný pohyb vozidla pouze na elektromotor a spalovací motor muže ˚ být úplnˇe vypnutý. V pˇrípadˇe potˇreby je poté automaticky aktivován. Výhodou tohoto zapojení je odpojení spalovacího motoru od hˇrídele vozidla, což umožnuje ˇ využívat spalovací motor pouze v úzkém rozsahu otáˇcek a nastavení ideálního pracovního bodu s nejvyšší možnou úˇcinností. Nevýhodou sériového zapojení je vícenásobná pˇremˇena elektrické energie, bˇehem které dochází ke ztrátám. 2. Kinetic Energy Recovery System

8

2. A LTERNATIVNÍ POHONY OSOBNÍCH AUTOMOBIL U˚ Pro paralení zapojení je typické pevné mechanické svázání otáˇcek spalovacího motoru pˇres pˇrevodovku na rychlost vozidla[21]. Elektromotor je pˇripojen bud’ mezi spalovací motor a pˇrevodovku nebo na výstup hˇrídele pˇrevodovky. Elektrická cˇ ást slouží opˇet k nahrazení cˇ i podpoˇre výkonu spalovacího motoru. Pˇrínos paraleního zapojení spoˇcívá ve zlepšení úˇcinnosti spalovacího motoru, kdy se podle potˇreby výkon motoru rozdˇeluje na pohon kol a dobíjení akumulátoru˚ vozidla. V tomto typu zapojení je vyšší úˇcinnost práce s energií, ale není možné plnˇe optimalizovat nastavení pracovního bodu spalovacího motoru. V praxi se pro dosažení ideálních vlastností systému bˇežnˇe využívá obou výše zmínˇených zapojení a pˇrípadnˇe jejich kombinací s pˇrepínatelným nastavením cˇ i dˇeliˇcem výkonu tvoˇreným napˇríklad diferenciální planetovou pˇrevodovkou. Teorii hybridních pohonu˚ se detailnˇeji vˇenuji ve své bakaláˇrské práci[6].

Obrázek 2.1: Schéma sériového hybridního pohonu. 1.spalovací motor, 2.generátor, 3.elektromotor, 4.akumulátor, 5.náprava.

Obrázek 2.2: Schéma paralelního hybridního pohonu. 1.spalovací motor, 2.spojovaˇc momentu, 3.elektromotor, 4.akumulátor, 5.náprava.

2.1.5 Ekologické vozy automobilky ŠKODA AUTO At’ už je hlavní pˇríˇcinou vývoje vozidel s hybridním pohonem udžení kroku s konkurencí, snaha nabídnout zákazníkum ˚ širší nabídku možností, uvˇedomˇelost budoucí ropné krize nebo jen potˇreba splnit normy urˇcujících institucí, faktem zustává, ˚ že mnoho automobilových výrobcu˚ investuje do vývoje vozidel na alternativní pohon stále více svých ˇ financí. Nejinak je na tom i Ceská automobilka ŠKODA Auto. Jako souˇcást koncernu Volkswagen je i Škoda Auto vázána podnikovou enviromentální strategií, která napˇríklad zavádí povinnost snížení emisí oxidu uhliˇcitého do roku 2015 u všech nových vozu˚ o 30% 9

2. A LTERNATIVNÍ POHONY OSOBNÍCH AUTOMOBIL U˚ vzhledem k roku 2006. Podle oficiálních zpráv spoleˇcnosti se již v dnešní dobˇe vozy znaˇcky Škoda vyznaˇcují efektivitou a nízkou spotˇrebou. Podle výroˇcní zprávy 47 vyrábˇených modelu˚ dosahuje emisí oxidu uhliˇcitého nižších než 120 gramu˚ na kilometr[7]. Každá rˇ ada obsahuje modely s oznaˇcením GreenLine nebo GreenTec, které kladou duraz ˚ na úsporný a ekologický provoz. Ekologické technologie vozu˚ ŠKODA Automobilka Škoda ve svých vozech GreenLine a GreenTec v souˇcasnosti využívá nˇekolika technologií pro snížení spotˇreby a zvýšení stupnˇe ochrany životního prostˇredí. Systém Start-Stop slouží k pˇredcházení bezúˇcelného spotˇrebovávání paliva tˇreba bˇehem stání, kdy motor bˇeží naprázdno bez vykonávání jakékoliv užiteˇcné práce. V tˇechto situacích systém vypne motor a jakmile rˇ idiˇc sešlápne spojku, opˇet ho nastartuje. Pro úˇcely cˇ astˇejšího zhasínání a startování byl posílen startér vozidla a vytvoˇrena sofistikovaná rˇ ídicí jednotka, která podle parametru˚ jako teplota uvnitˇr vozidla, hodnota tlaku duležitých ˚ kapalin cˇ i systémového nastavení ovládá Start-Stop Systém. Podle údaju˚ výrobce je vozidlo vybavené tímto vylepšením schopné snížit spotˇrebu paliva o 0.4 až 0.9 litru na 100 km[8]. Systém rekuperace brzdné energie využívá principu˚ uvedených v kapitole 1.2.3. a inteligentního alternátoru pro zpˇetnou pˇremˇenu a znovuvyužití brzdné energie, která by byla jinak bez užitku vyzáˇrena. Doporuˇcení zaˇrazení rychlostního stupnˇe je funkce, která podle aktuální rychlosti vozidla urˇcuje a zobrazuje ideální pˇrevodový stupenˇ pro dosažení nejnižší možné spotˇreby paliva, což nemusí být pˇri dnešních tichých chodech auta a velkém rozsahu použitelných otáˇcek motoru zcela intuitivní. Dalšími technologiemi používanými v ekologických vozech spoleˇcnosti škoda jsou pneumatiky s nízkým valivým odporem snižující ztráty výkonu motoru a úpravy karoserie zvyšující aerodynamiku vozu jako zakrytý podvozek cˇ i pˇrídavné spoilery. ŠKODA Auto dále vyvíjí model Octavia Green-E-Line, což je první automobil této znaˇcky s cˇ istˇe elektrickým pohonem. V souˇcasnosti je v reálném provozu deset tˇechto automobilu˚ sloužících ke sbˇeru dat za úˇcelem dalšího rozvoje.

10

Kapitola 3

Cílový systém Škoda auto ve spolupráci s externími firmami pracuje na vývoji hybridních pohonu˚ už nˇekolik let. Díky vstˇrícnosti vývojáˇru˚ bylo umožnˇ ˇ eno participovat na vývoji a rozvíjet pˇri práci své dovednosti i studentum ˚ Masarykovy univerzity. ŠKODA Auto poskytla automobil na který byl umístˇen vyvíjený systém. Jedná se o model Fabia 1.2 TSI/64 kW se zážehovým motorem. Pˇreplnovaný ˇ cˇ tyˇrválec s pˇrímým vstˇrikováním paliva dosahuje maximálního výkonu 63 kW pˇri 4800 otáˇckách za minutu a maximálního toˇcivého momentu 160 Nm pˇri 1500-3000 otáˇckách za minutu[11]. Udávaná hmotnost vozu je 1400 kg. Základním úkolem projektu bylo vytvoˇrit rekuperaˇcní jednotku zvyšující efektivitu práce s energií, která by mohla následnˇe vést ke snížení spotˇreby paliva pro spalovací motor a výsledkem cˇ ehož bude dosažení hlavního cíle projektu a tím je snížení emisí oxidu uhliˇcitého. Vozidlo obsahuje spalovací motor, který je pˇres spojku a pˇrevodovku pˇripojen ke generátoru. Generátor slouží k výrobˇe elektrické energie, která je poté upravena mˇeniˇcem napˇetí na hodnoty používáne v obvodu a následnˇe je ukládána do výkoného superkapacitoru. Superkapacitor je kapacitor s velmi vysokou kapacitou (v našem pˇrípadˇe sada kapacitoru, ˚ každý 3000 F), jeho hlavní výhodou oproti bˇežným akumulátorum ˚ je v možnosti velmi rychlého nabíjení i vybíjení. Superkapacitor je tedy ideálním úložištˇem pro rekuperaˇcní energii, jelikož pˇri brzdˇení vozidla dochází bˇehem krátké chvíle k vytvoˇrení znaˇcné energie a naopak pˇri zrychlování je potˇreba v krátkém intervalu použít spoustu energie. Energii ze superkapacitoru je možné zpˇetnˇe spalovat pro pohon vozidla, kdy je reverzním postupem k rekuperaci pohánˇen elektromor automobilu. V prvních verzích projektu byla vytvoˇrená energie využívána k pohonu turbomotoru zvyšujícího okamžitý výkon vozidla. V aktuální konstrukci je turbomotor nahrazen prostým motorem se zátˇežovou vrtulí, na které se bude cˇ ást energie bezúˇcelnˇe spalovat. Tato cˇ ást bude sloužit k mˇerˇ ení velikosti vytvoˇrené energie zpˇetnˇe využitelné pro pohon auta. Druhá cˇ áste energie bude využívána pro napájení vozidla elektˇrinou. Bude se dobíjet baterie vozidla, napájet palubní deska, elektrické spotˇrebiˇce auta a pˇrípadnˇe pohánˇet klimatizace. Na každém významném uzlu systému budou umístˇeny senzory pro mˇerˇ ení napˇetí a proudu kvuli ˚ diagnostice energetické bilance vozidla. Bude se mˇerˇ it energie dobíjející baterii a její zpˇetné využití, energie vytvoˇrená alternátorem pro baterii a palubní desku a následnˇe vypoˇcítána energie pro spotˇrebiˇce vozidla. Jednotlivé prvky systému jsou rˇ izeny sofistikovanými rˇ ídicími jednotkami, kterých muže ˚ dnešní automobil obsahovat až nˇekolik stovek. Proto v souˇcasnosti každá návštˇeva autoservisu zaˇcíná pˇripojením automobilu k diagnostickému systému, který z tˇechto rˇ ídicích jednotek vyˇcte stav cˇ i pˇrípadný probém vozu. Jednotlivé rˇ ídicí jednotky jsou kvuli ˚ vzájemné výmˇenˇe informací umístˇeny na spoleˇcné sbˇernici. Komunikace probíhá pomocí protokolu CAN bus. 11

3. C ÍLOVÝ SYSTÉM 3.0.6 Schéma systému

Obrázek 3.1: Schéma cílového systému. 1.baterie, 2.spotˇrebiˇce vozidla, 3.sbˇernice CAN, 4.regulátor, 5.alternátor, 6.DC/DC mˇeniˇc, 7. CAN vozidla, 8.generátor, 9.mˇeniˇc, 10.superkapacitor, 11.ˇrídicí jednotka generátoru, 12.maˇrící motor, 13.mˇeniˇc, 14.ˇrídicí jednotka maˇrícího motoru, 15. motor klimatizace, 16. rˇ ídicí jednotka klimatizace.

3.0.7 EHK Test V pˇredešlém textu jsem uvedl urˇcité limitní parametry automobilu, ˚ které musejí všichni výrobci aut dodržovat. Potˇreba jednotného systému testu, ˚ podle kterých se tyto vlastnosti mˇerˇ í a podle kterých se pak také parametry vozidel uvádˇejí, vedl urˇcující organizace k vytvoˇrení standardizovaných smˇernic, jež pˇresnˇe vymezují charakter a podmínky mˇerˇ ení. Už od roku 1971 byl v Evropˇe používán první platný pˇredpis EHK 15, který urˇcoval pravidla pro mˇerˇ ení emis škodlivých plynu. ˚ V souˇcasnosti platná norma EHK 83, vydaná Evropskou hospodáˇrskou komisí OSN, definuje charakter jízdního testu pro vozidla používaná v Evropské unii[23]. Alternativou k EHK 83 je Americký jízdní cyklus FTP 75, používaných v USA, a Japonský jízdní cyklus 10-15, používaný v Asii. Test EHK 83 se pro vozidla M1 a N1, tedy vozidla pro maximálnˇe devˇet osob a malá viceúˇcelová vozidla do 3,5 tuny, charakteristicky provádí ve válcové zkušebnˇe, kde je využíván princip reciprocity, kdy vozidlo stojí a pohyb je nahrazen otáˇcením kol na pohyblivých válcích, které simulují ruzné ˚ jízdní stavy vozidla[23]. Pro zpˇresnˇení simulace jízdy je zkušebna vybavena aerodynamickým systémem napodobujícím odpor vzduchu pusobícího ˚ na vozidlo. Pˇri tomto druhu testování samozˇrejmˇe dochází k urˇcitému zkreslení, jelikož 12

3. C ÍLOVÝ SYSTÉM napˇríklad nedochází k zatáˇcení, které zvyšuje odpor kol. Veškeré výfukové plyny vyprodukované bˇehem testovacího cyklu jsou ukládány do vzduchotˇesného vaku, jehož obsah je následnˇe podroben analýze k urˇcení hodnot vyprodukovaných emisí a také napˇríklad k získání informace o spotˇrebˇe paliva vozidla, jelikož udávané informace o spotˇrebˇe paliva jsou vypoˇcítávány podle objemu oxidu uhliˇcitého v tomto vaku pomocí tabulkových hodnot pro hoˇrení daných paliv. Mˇestský cyklus EHK test, oznaˇcovaný také jako NEDC z anglického New European Driving Cycle, se skládá ze dvou cˇ ástí. Mˇestského cyklu, bˇehem kterého vozidlo dosahuje rychlostí do 50 km/hod, a mimomˇestského cyklu s rychlostí do 120 km/hod. Mˇestský cyklus se skládá ze 4 cyklu˚ UDC, z anglického Urban Driving Cycle for Europe. Každý UDC cyklus je 1,013 kilometru˚ dlouhý, trvá 195 sekund a prumˇ ˚ erná rychlost jízdy bˇehem cyklu je 18.7 km/h[22]. V prubˇ ˚ ehu se automobil tˇrikrát rozjede a zastaví, popvé pouze na první pˇrevodový stupen, ˇ kdy dosáhne rychlosti 15 km/h, poté na první a druhý pˇrevodový stupenˇ s dosažením rychlosti 32 km/h a nakonec pˇri posledním rozjezdu využije pˇrevodu˚ 1, 2 a 3 s rychlostí do 50 km/h. Mimomˇestský cyklus Mimomˇestská cˇ ást testovacího cyklu oznaˇcovaná jako EUDC (Extra Urban Driving Cycle), trvá 400 sekund, je 6.955 kilometru˚ dlouhá a vozidlo dosahuje prumˇ ˚ erné rychlosti pohybu 62.6 km/h [22]. Bˇehem mimomˇestského cyklu použije rˇ idiˇc všechny pˇrevodové stupnˇe vozidla a v závˇeru dosáhne rychlosti pˇres 12O km/hod. Výsledky UDC testu jsou poté uvádˇeny jako spotˇreba ve mˇestˇe, hodnoty z EUDC cˇ ásti jako spotˇreba mimo mˇesto a jejich prumˇ ˚ er jako kombinovaná spotˇreba. Jednotný formát testu je na jednu stranu spravedlivou formou hodnocení jednotlivých modelu˚ vozidel ruzných ˚ výrobcu, ˚ ale na stranu druhou mohou odpurci ˚ argumentovat, že lze pomocí technických vylepšení vybudovaných pouze pro úˇcely testu dosáhnout výraznˇe lepších výsledku, ˚ které jsou ale ve skuteˇcném provozu nedosažitelné. Bylo by ale milné považovat toto za nˇejaký druh cíleného podvodu míˇreného k dezinformaci potencionálního zákazníka. Jak už bylo uvedeno, podmínky jsou pro všechny výrobce stejné a schopnost nalézt skulinku ve smˇernicích, která umožní zvývodnˇení vlastního produktu pˇred konkurencí je zcela bˇežným jevem dnešní spoleˇcnosti. Vždyt’ i napˇríklad ve sportovním svˇetˇe cˇ asto zvítˇezí ten, kdo dokáže dosáhnout byt’ jen i velmi malé povolené výhody, kterou ostatní ještˇe neznají. Právˇe EHK test bude využíván k testování cílového vozidla.

13

3. C ÍLOVÝ SYSTÉM

Obrázek 3.2: EHK test z pohledu prubˇ ˚ ehu rychlosti. 4 UDC cykly a 1 EUDC

3.1

Analýza energetických vlastností systému

Automobil je schopen rekuperací vyrábˇet elektrickou energii v prubˇ ˚ ehu brzdného procesu. V závislosti na hmotnosti vozu, rychlosti, délce brzdˇení a parametru˚ generátoru mužeme ˚ získat teoretické energetické pˇrínosy rekuperaˇcní jednotky. Hlavním zájmem vývoje je mˇerˇ ení výroby elektrické energie v mˇestském cyklu EHK testu. Pˇri brzdˇení v mˇestském cyklu poskytuje vozidlo maximální použitelný pˇríkon pro dobíjení kolem 10.2 kW. Pokud vezmeme v úvahu prubˇ ˚ eh mˇestského cyklu, mužeme ˚ bˇehem celkové dobíjecí doby, která se pohybuje kolem 140 sekund vyrobit kolem 1115 kJ energie [20]. V mimomˇestském cyklu je sice možné vyrobit velké množství energie, jelikož vozidlo zaˇcíná zpomalovat z rychlosti pˇresahující 120km/hod a poskytuje tak pro výrobu znaˇcný pˇríkon, ale tyto situace nejsou v bˇežném provozu tak cˇ asté, navíc generátor pro výrobu energie bývá cˇ asto omezen pˇrípustnou hodnotou vstupního výkonu.

Na následujícím obrázku je možné vidˇet analýzu energetických vlastností vozidla v prubˇ ˚ ehu mˇestského cyklu. Prubˇ ˚ eh cyklu vzhledem k rychosti je znaˇcen modrou kˇrivkou. ˇ Cervená kˇrivka znaˇcí teoretické zmˇeny velikosti elektrické energie na superkapacitorech vozidla. Zelenou barvou je oznaˇcena kˇrivka teoretických nároku˚ na pohyb a velikost možné energie vyrobené z kinetické energie vozidla. Za zmínku stojí velmi malé energetické nároky pˇri udržování konstantní rychlosti vozidla. V cˇ ástech grafu, kdy se zelená kˇrivka nachází 14

3. C ÍLOVÝ SYSTÉM v záporných hodnotách, je možné vyrábˇet energii. Hnˇedou barvou je pak znaˇcena velikost potencionálnˇe vyrobené energie.

Obrázek 3.3: Analýza energetických vlastností vozidla[20].

15

Kapitola 4

Vývojové nástroje 4.1

CompactRIO

Pro úˇcely implementace ústˇredny bylo z široké škály hardwarových produktu˚ vybráno CompactRIO, univerzální rˇ ídicí kontrolér firmy National Instruments, konkrétnˇe NI CompactRIO 9073. CompactRIO je vysoce spolehlivý, všestranný a odolný nástroj, vhodný pro tvorbu rˇ ídicích a mˇerˇ ících aplikací. CompactRIO se skládá ze tˇrí hlavních cˇ ástí. Kontroléru pracujícího v reálném cˇ ase, programovatelného pole a vstupnˇe výstupních modulu[9]. ˚

Obrázek 4.1: CompactRIO[9].

4.1.1 Konrolér Konrolér obsahuje real-time procesor, poskytující všechny bˇežné periferie mikropoˇcítaˇcu˚ jako rˇ adiˇc pˇrerušení, watchdog, cˇ ítaˇce, cˇ asovaˇce, pamˇet’ pro ukládání dat cˇ i ethernetové a RS232 rozhraní. V našem pˇrípadˇe je frekvence procesoru 266MHz, což podle složitosti kódu umožnuje ˇ periodické provádˇení aplikace maximálnˇe v rˇ ádu jednotek až desítek milisekund. Kontrolér je tedy užiteˇcný pˇredevším v cˇ ástech programu nepotˇrebujících vysoké rychlosti cyklu˚ jako vizualizace a ovládání uživateského prostˇredí, práce se soubory a sít’ová komunikace. 4.1.2 Programovatelné pole Druhou cˇ ástí CompactRIA je FPGA1 , tedy programovatelné hradlové pole. Programovatelné pole je speciální integrovaný obvod tvoˇrený maticí ruznˇ ˚ e složitých hradlových bloku˚ vzájemnˇe spojených pomocí programovatelných logických propojení[9]. Pomocí tˇechto spoju˚ je podle potˇreby v matici vytvoˇrena struktura reprezentující výslednou funkci programu. Výhodou programovatelného pole je velmi vysoká rychlost provádˇení 1. Field Programmable Gate Array

16

4. V ÝVOJOVÉ NÁSTROJE požadovaných operací, v pˇrípadˇe CompactRIA až v rˇ ádech desítek MHz, a pˇrímé propojení s poslední cˇ ástí pˇrístroje, což jsou konfigurovatelné I/O moduly. Pˇrímé propojení zrychluje komunikaci se systémem senzoru˚ a je proto vhodné zejména pro vysokorychlostní sbˇer, analýzu a kontrolu vstupnˇe-výstupních modulu. ˚

Obrázek 4.2: FPGA - hradlové obvody, logická propojení a I/O piny [9].

4.1.3 I/O moduly National Instruments vyrábí pro CompactRIO nepˇreberné množství druhu˚ vstupnˇevýstupních modulu. ˚ Tyto moduly pokrývají širokou oblast zpracování fyzikálních signálu. ˚ Jedná se o digitální cˇ i analogové mˇerˇ ení a vysílání napˇetí, proudu, ˚ teplot a dalších. Dále existuje spousta modulu˚ sloužících ke komunikaci s prumyslovými ˚ zaˇrízeními pomocí mnoha komunikaˇcních protokolu, ˚ za zmínku stojí napˇríklad v této práci používáný CAN modul sloužící pro komunikaci s rˇ ídicími jednotkami vozidla.

4.2

LabVIEW

National Instruments vyvinul pro potˇreby programování pˇrístroje CompactRIO a dalších svých produktu˚ vlastní programovací jazyk LabVIEW. LabVIEW je nejen jazyk, oznaˇcovaný jako jazyk G, ale i kompletní vývojové prostˇredí s kompilátorem, nástroji pro ladˇení, propracovanou nápovˇedou obsahující velké množství ukázkových pˇríkladu˚ a sadou rozšiˇrujících zásuvných modulu˚ pro práci se širokou paletou prumyslových ˚ zaˇrízení a standardu. ˚ 4.2.1 Grafické programování LabVIEW nepatˇrí mezi bˇežné textové programovací jazyky, ale využívá prvku˚ grafického programování, kdy je kód tvoˇren sadou ikon reprezentujících elementární i pokroˇcilé funkce, a jejich propojení pomocí systému vláken, které slouží k pˇresunu dat v programu. Každá ikona má podle svých potˇreb daný poˇcet vstupu˚ a výstupu. ˚ Jakmile jsou dostupné hodnoty 17

4. V ÝVOJOVÉ NÁSTROJE na všech vstupech ikony, je provedena její funkce a výsledky pˇriˇrazeny na výstupy. Tímto zpusobem ˚ je docíleno sekvenˇcního vykonávání souvislých cˇ ástí programu. Jednotlivé souvislé cˇ ásti programu jsou vykonávány nezávisle na ostatních a velmi tedy usnadnují ˇ prvky paralelního programování. Grafická realizace kódu je zvláštˇe pro neprogramátory znaˇcnˇe intuitivnˇejší pro pochopení a implementaci než její textové alternativy. 4.2.2 Pˇrední panel Programy vytvoˇrené v LabVIEW se nazývají virtuální nástroje, jelikož program velmi cˇ asto simuluje skuteˇcný pˇrístroj, který ovládá. Každý virtuální nástroj se skládá ze dvou hlavních cˇ ástí. Pˇredního panelu a blokového diagramu. Pˇrední panel virtuálního nástroje je alternativou k uživatelskému rozhraní ovládaných zaˇrízení. Na pˇrední panel je možné umístít mnoho ruzných ˚ typu˚ tlaˇcítek a ovladaˇcu, ˚ pomocí kterých muže ˚ uživatel ovlivnovat ˇ chování aplikace a ovládaných periferií. Pˇres pˇrední panel je také možné nastavovat cˇ i zobrazovat hodnoty vybraných promˇenných. Pˇrední panel tedy funguje i jako zpˇetná vazba pro operátora o prubˇ ˚ ehu vykonávání programu. LabVIEW obsahuje velké množství vizualizaˇcních indikátoru˚ prubˇ ˚ ehu jako led diody a grafy.

Obrázek 4.3: Pˇrední panel diagnostické ústˇredny (Real-Time)

4.2.3 Blokový diagram Blokový diagram je vlastním kódem virtuálního nástroje. Právˇe v blokovém diagramu se pomocí grafických ikon tvoˇrí výsledná funkce aplikace. Každý ovládací cˇ i zobrazovací 18

4. V ÝVOJOVÉ NÁSTROJE prvek pˇredního panelu má svou ikonu na blokovém diagramu sloužící k reprezentaci prvku uvnitˇr programu. LabVIEW poskytuje grafické alternativy nejen ke všem bˇežným základním stavebním prvkum ˚ textových programovacích jazyku˚ jako jsou datové typy, cykly, podmínky a mnohé další, ale nabízí i velké množství sofistikovaných funkcí z pˇridružených zásuvných modulu˚ a knihoven.

Obrázek 4.4: Ukázka blokového diagramu. Otevˇrení dvou TDMS souboru, ˚ While cyklus s periodou 200 ms navazující sít’ovou komunikaci se zaˇrízením 192.168.0.2/writer (CompactRIO).

Po vytvoˇrení virtuálního nástroje je možné ho použít jako funkci uvnitˇr jiného virtuálního nástroje a tím tak suplovat instance funkcí textových programovacích jazyku. ˚ Propojením patˇriˇcných vstupu˚ a výstupu˚ s promˇennými uvnitˇr projektu pak získáváme alternativu k pˇredávání hodnot promˇenných. LabVIEW obsahuje pˇrekladaˇc, který kontroluje syntaxi vytváˇreného kódu rovnou bˇehem editace a ihned upozornuje ˇ na pˇrípadné chyby cˇ i varování. LabVIEW tak poskytuje vývojáˇri rychlou zpˇetnou vazbu k jeho programu. Na zacˇ átku vývoje aplikace si programátor zvolí cílovou platformu na které výsledná aplikace pobˇeží. Jakmile dojde ke spuštˇení cˇ i ukládání aplikace, je virtální nástroj pˇreložen do nativní formy kódu pˇrenositelné na danou platformu. V pˇrípadˇe aplikací pro CompactRIO je kompilace a pˇrenesení aplikace bˇežící na real-time procesoru velmi rychlá, trvá rˇ ádovˇe jednotky sekund, zatímco kód pro FPGA pole z duvodu ˚ reorganizace hradlové struktury i více než hodinu. National Instuments uvádí, že výkon a efektivita aplikací vytvoˇrených v jazyce G jsou srovnatelné s ekvivalenty naprogramovanými v jazyce C[10].

19

Kapitola 5

Diagnostická mˇerˇ ící ústˇredna Prvním cílem vyvíjené aplikace byla diagnostická jednotka, jejíž úkolem je mˇerˇ it reálné vlastnosti rekuperaˇcního systému vozidla. Ústˇredna musí být schopna v dostateˇcnˇe krátkém intervalu vzorkovat hodnoty z cˇ idel umístˇených ve vozidle a tyto hodnoty dále zpracovávat. Pro potˇreby zpˇetné analýzy a diagnostiky bude ústˇredna mˇerˇ ené informace ukládat ve vhodném formátu do souboru.

5.1

Mˇerˇení dat

5.1.1 Mˇerˇené hodnoty V prubˇ ˚ ehu jízdy dochází k výrobˇe, rozvádˇení a spotˇrebˇe elektrické energie. V autˇe byly rozmístˇeny senzory pro mˇerˇ ení protékajícího napˇetí a proudu. Mezi hlavní mˇerˇ ené hodnoty patˇrí velikost napˇetí a proudu na vstupu a výstupu superkapacitoru. ˚ Tyto hodnoty, oznaˇcované v programu jako Ucap a Icap udávají velikosti energie dodávané superkapacitory do vnitˇrního obvodu vozidla. Druhým výstupem ze superkapacitoru˚ bude energie použitá pro potencionální pohon vozidla, tato energie bude v souˇcasné podobˇe systému vozidla nevyužita nebo pouze bezúˇcelnˇe spalována na pˇridaném motoru se zátˇežovou klapkou. Hodnoty napˇetí a proudu pro tento motor budoz znaˇceny jako Ucar a Icar. Jelikož jediným zdrojem energie pro superkapacitory je rekuperaˇcní generátor pˇremˇenující bˇehem brzdˇení kinetickou energii vozidla na energii elektrickou, bude možné z hodnot Ucap, Icap, Ucar a Icar vypoˇcítat velikost reálné energie vyrobené vozidlem. Další sledovanou cˇ ástí energetického obvodu bude napˇetí a proud na svorkách autobaterie vozu. Promˇenné oznaˇcované Ubat a Ibat budou sloužit k výpoˇctu energie dodávané z baterie do obvodu a zpˇetnˇe o velikosti dobíjecí energie. Další mˇerˇ enou cˇ ástí systému budou energetické vlastnosti na alternátoru vozidla. Alternátor je pˇripojen na spalovací motor vozidla s slouží k dobíjení baterie a napájení spotˇrebiˇcu˚ vozidla. Hodnoty Ureg a Ireg udávající velikost energie na regulátoru alternátoru mˇerˇ í velikost energie pˇremˇenˇené alternátorem pro potˇreby vozidla. Z tˇechto hodnot bude možné vypoˇcítat skuteˇcné hodnoty rekuperaˇcní energie ve vnitˇrním obvodu vozidla. Pomocí tˇechto mˇerˇ ených hodnot bude možné sledovat aktuální energetické nároky vozidla a urˇcovat zdroj energie pro jejich pokrytí. 5.1.2 Mˇerˇící systém Pro mˇerˇ ení napˇetí a proudu budou použity voltmetry a proudové kleštˇe pˇrevádˇející mˇerˇ enou hodnotu na napˇetí v urˇcitém pevném intervalu. Získaná hodnota napˇetí je pˇrímo úmˇerná reálné hodnotˇe, pouze je pˇrevedana na rozsah zpracovatelný bˇežnými prumyslovými ˚ A/D pˇrevodníky. National Instruments vyrábí pro CompactRIO velké množství modulu˚ pro mˇerˇ ení tohoto napˇetí. Bˇehem prvotního vývoje a testu˚ byl použit 20

ˇ ˇ 5. D IAGNOSTICKÁ M Eˇ RÍCÍ ÚST REDNA

modul NI 9201, což je osmi kanálový modul s rozsahem ±10 voltu˚ a dvanáctibitovým rozlišením. Z duvod ˚ u˚ velmi malého minimálního krokového pˇrírustku proudových kleští, kdy zmˇena o 1A na vstupu znamenala zmˇenu o 0.001 voltu na výstupu byla výsledná pˇresnost mˇerˇ ení nedostaˇcující. Proto pro další testy budou použity pˇresnˇejší moduly NI 9229 a NI 9239. NI 9229 je cˇ tyˇrkanálový vstupní modul pro mˇerˇ ení napˇetí v rozsahu ±60 voltu˚ s rozlišením 24 bitu. ˚ NI 9239 je také cˇ tyˇrkanálový modul s rozlišením 24 bitu, ˚ ale pro napˇetí v rozsahu ±10 V. Moduly poskytují možnost vzorkování do ryhlosti 50 kS/s, což je dostateˇcná rychlost pro naše úˇcely i valnou vˇetšinu jiných aplikací. Oba moduly obsahují obvody chránící modul i CompactRIO pˇred pˇrípadným pˇrepˇetím a následným poškozením. Každý kanál má vlastní zesilovaˇc, analogo-digitální filtr a A/D pˇrevodník pro výpoˇcet výsledné hodnoty [24]. Filtr, umístˇený pˇred samotný pˇrevodník, má nastavitelné režimy práce pro získání co možná nejpˇresnˇejší výsledné hodnoty. Filtr bere v úvahu frekvenci a šíˇrku pásma vstupního signálu a umožnuje ˇ výbˇer ze tˇrí režimu˚ a jejich kombinací. Passband režim Passband režim využívá frekvence vstupního signálu, které pˇrizpusobuje ˚ frekvenci svého filtrovacíh signálu. V momentech, kdy je filtrovací signál v okolí své amplitudy, dochází k nepatrnému zesílení cˇ i pˇrípadnˇe zeslabení vstupního signálu v závislostni na polaritˇe vstupního signálu. V podstatˇe je tedy vytvoˇreno propustné pásmo, nazývané Passband, ve kterém dochází ke vzorkování a kde je vstupní hodnota mírnˇe zesílena pro lepší rozlišení. Mimo toto pásmo je vstupní signál naopak ovlivnován ˇ opaˇcným zpusobem, ˚ kdy dochází k jeho mírnému zeslabování a úseky signálu z tohoto pásma pak pusobí ˚ vzhledem k passband singálu zploštˇele. Passband režim tedy slouží k eliminaci šumu signálu vzhledem ke vzorkovací rychlosti [24]. Stopband režim Cílem filtru je odstranˇení aliasingu, tedy ztrátˇe pˇresnosti získané informace zpusobené ˚ pˇrekrýváním frekvenˇcních spekter, ke kterému podle Shannonova1 teorému dochází pokud je vzorkovací frekvence ménˇe než dvakrát vˇetší než frekvence mˇerˇ eného signálu. Stopband režim využívá hraniˇcní frekvence, tvoˇrené vhodným pomˇerem vuˇ ˚ ci vzorkovací rychlosti a frekvencí vstupního signálu k odfiltrování nežádoucích skokových zmˇen ve výsledné hodnotˇe. Pokud by napˇríklad frekvence vstupního signálu byla výraznˇe vˇetší než perioda jeho mˇerˇ ení, mohly by se ve výsledku objevovat velmi zkreslené výsledky. Stopband režim v tomto pˇrípadˇe cˇ ásti signálu s frekvencí vyšší než hraniˇcní výraznˇe utlumuje na stˇrední hodnotu signálu a tím cˇ istí výsledek mˇerˇ ení[24]. Alias Free režim Alias Free režim je filtrovací varianta založená na selekci úzkého pásma signálu, ve kterém signál nepodléhá interferenˇcnímu rušení od cˇ ástí signálu s vyšší frekvencí. V tomto pásmu nedochází k žádnému ovlivnování ˇ signálu filtrem, frekvence mimo pásmo 1. Nyquistuv-Shannon ˚ uv ˚ teorém

21


jsou tlumeny. Alias Free pásmo je tedy shora ohraniˇceno limitní frekvencí Stopband režimu a zdola rozdílem hodnoty Stopband režimu a vzorkovací frekvence[24]. 5.1.3 Implementace mˇerˇení Na zaˇcátku vývoje apliace v LabVIEW nám pruvodce ˚ vytvoˇrením nového projektu nabídne možnost výbˇeru programovatelného hardwaru a pˇríslušných I/O modulu. ˚ V pˇrípadˇe, kdy je cílový systém dostupný už bˇehem vývoje, je nejjednodušší možností volba autodetekce zaˇrízení. Po naˇctení CompactRIA nám dá pruvodce ˚ na výbˇer programovací mód pro zaˇrízení. Je možné zvolit Scan Interface mód, FPGA Interface mód a hybridní mód. Scan Interface Z hlediska architekrury systému CompactRIO zmínˇeném v kapitole tˇri, je možné I/O moduly pˇripojit pouze k real-time procesoru nebo programovatelnému poli. Odtud pak plynou programovací módy systému. Scan Interface mód je cˇ ást aplikace bˇežící na kontroléru, stará se o správu modulu˚ pˇripojených k procesoru, periodicky skenuje a aktualizuje jejich vstupy a výstupy a provádí nad nimi požadované výpoˇcty. Scan Interface mód exceluje ve výpoˇctech hodnot s plovoucí desetinou cˇ árkou, umožnuje ˇ pˇrístup k disku zarˇ ízení, poskytuje možnosti sít’ové komunikace pro pˇrímé ovládání programu a pˇredevším vývoj aplikací v tomto módu je jednodušší a znaˇcnˇe rychlejší, jelikož kompilace Scan Interface kódu neobsahuje nároˇcné úpravy hradlového pole. FPGA Interface Druhou možností použití I/O modulu˚ je pˇripojení k programovatelnému poli v FPGA Interface módu. Scan Interface nepodporuje všechny typy modulu˚ vyrábˇených pro nástroj CompactRIO a použití FPGA Interface módu, který nabízí kompletní hardwarovou podporu, je tedy obˇcas nevyhnutelné. Hradlové pole umožnuje ˇ provádˇení kódu podstatnˇe rychleji než procesor, ale podporuje pouze práci s celoˇcíselnými hodnotami. FPGA Interface mód je díky vlastnostem programovatelného pole a sadˇe podporovaných knihoven vhodný zejména pro mˇerˇ ení, analýzu a zpracování velkého množství dat. Hybridní mód Pokud je potˇreba kombinovat vlastnosti obou výše zmínˇených programovacích módu˚ pˇrístroje CompactRIO, je možné využít jejich spojení v hybridním módu. V našem pˇrípadˇe je pro komunikaci s rˇ ídicí jednotkou vozidla nutno používat modul NI 9853 (více v kapitole 5), který je podporován pouze FPGA Interface módem, a zárovenˇ potˇrebujeme využívat vlastností real-time kontroléru v Scan Interface módu, jako práci s diskem a sít’ovou komunikaci. V našem projektu tedy patˇriˇcnˇe rozdˇelím úlohy pro využití obou výše zmínˇených programovacích módu. ˚ Všechny I/O moduly budou pracovat v FPGA Interface módu, který bude obstarávat jejich obsluhu, mˇerˇ it a vysílat signály, starat se o filtrování dat a pˇrípadnou analýzu. Tím bude odlehˇceno ze zátˇeže procesoru, který bude sloužit k vizualizaci a rˇ izení aplikace, zpracování vstupnˇe-výstupních dat a logování záznamu. ˚ Po vybrání programovacího módu vytvoˇrí pruvodce ˚ pˇrehlednou základní strukturu projektu obsahující všechny hlavní komponety systému. V prohlížeˇci struktury projetku jsou 22


logicky oddˇeleny jednotlivé fyzické celky aplikace. Struktura obsahuje položku My Computer zastupující vývojový poˇcítaˇc pˇrípojený k lokální síti s CompactRIEM bˇežným ethernetovým kabelem s koncovkou RJ45. Do této položky je možné vkládat virtuální nástroje, které budou ve výsledné aplikaci bˇežet právˇe na lokálním PC. Struktura projetku dále obsahuje položku CRIO reprezentující zvolený programovatelný hardware. Pod touto položkou je možné nalézt strukturu systému CompactRIO. Položka Chasis obsahuje oddíl FPGA Target, kde se nachází zdrojové kódy pro FPGA Interface, je zde možné provádˇet offline nastavení hradlového pole a spravovat I/O moduly pˇriˇrazené FPGA. Oddíly ležící mimo položku Chasis se týkájí nastavení, kódu a modulu˚ bˇežících na procesoru pod Scan Interface módem.

Obrázek 5.1: Struktura projetku ústˇredny

5.1.4 Realizace mˇerˇení Jakmile jsou I/O moduly importovány do projektu, jsou v patˇriˇcném oddílu prohlížeˇce struktury projektu pod položkou modulu k dispozici I/O promˇenné reprezentující jednotlivé kanály modulu. Práce s tˇemito promˇennými je velmi jednoduchá, staˇcí je umístit 23


na vhodné místo do blokového diagramu programu a poté už jen periodicky sbírat cˇ i nastavovat jejich hodnoty. To je provedo vytvoˇrením lokálních promˇených projektu a jejich propojením pomocí datových toku. ˚ Lokální promˇená muže ˚ vždy pracovat pouze v jednom smˇeru pˇrenosu dat, v režimu control je promˇenná v zápisovém režimu, kdy je možno napˇríklad z uživatelského režimu nastavovat hodnotu promˇenné a slouží k pˇrenosu dat do I/O promˇenné. Control promˇenná má pouze výstupní datový tok k pˇripojení do vstupu jiného prvku virtuálního nástroje. Promˇenná v režimu indicator má naopak pouze vstupní konektor a slouží k naˇcítání, pˇrenosu a zobrazování hodnot. Kód virtuálního nástroje pro mˇerˇ ení v režimu FPGA Interface je velmi jednoduchý. V prubˇ ˚ ehu testu nebude docházet ke zmˇenám nastavení hradlového pole ani jednotlivých I/O modulu˚ a není tedy nutné implementovat funkce pro kontrolu parametru˚ programovˇe, ale postaˇcuje veškeré parametry nastavit pˇredem v offline režimu práce. Pro FPGA pole byl nastaven takt 40MHz, vzorkovací frekvence modulu˚ na 2000 kS/s a kalibrování výsledné hodnoty. Každý modul má pro obsluhu vlastní while cyklus pro periodické skenování vstupu. ˚ Perioda skenování je jediným programovˇe ovládaným parametrem mˇerˇ ení. Její hodnota je nastavena po spuštˇení aplikace pˇripojením požadované hodnoty na vstup metody FPGA I/O Property Node do parametru Data Rate. FPGA Interface mód poskytuje sadu funkcí pro práci s vstupnˇe-výstupními moduly. •

FPGA I/O Node - slouží ke spouštˇení a vypínání modulu a práci s jednotlivými kanály modulu.

•

FPGA I/O Method Node - slouží k sofistikovanˇejší práci s daty jako bufferování, získávní informací o konfiguraci a stavu modulu.

•

FPGA I/O Property Node - slouží k úpravˇe vlastností modulu.

ˇ Obrázek 5.2: Ctení dat z I/O modulu v FPGA Interface módu. Nastavení Data Rate, aktivace modulu, periodické cˇ tení dat ve while cyklu.

24


Virtuální nástroj bˇežící na hradlovém poli stejnˇe jako každý jiný LabVIEW program obsahuje cˇ elní panel obsahující všechny control a indicator promˇenné nástroje. Pokud je ale tento kód pˇripojen na FPGA pole, není možné tyho hodnoty pˇrímo ovládat cˇ i zobrazovat. Zbytek práce mˇerˇ ícího systému tak obstarává viruální nástroj BrzdaTestRT1.vi bˇežícína kontroléru v Scan Interface módu. LabVIEW poskytuje programové vybavení zprostˇredkující výmˇenu dat mezi FPGA polem a kontrolérem. Komunikace je inicializována pomocí funkce FPGA Open VI Reference, které se jako parametr pˇredá odkaz na zkompilovaný virtuální nástroj bˇežící na programovatelném poli. Tato funkce se postará o otevˇrení a spuštˇení virtuálního nástroje na FPGA poli. Na FPGA poli muže ˚ bˇežet vždy pouze jeden virtuální nástroj, jednou z nastavitelných konfigurací funkce je tedy volba násilného potlaˇcení cˇ i vyvolání potvzovací zprávy o nahrazení. Výstupem funkce je pak reference na bˇežící FPGA program, nesoucí informace potˇrebné pro ostatní související funkce. Funkce Read/Write Control slouží k samotné výmˇenˇe dat mezi promˇennými. Pro uskuteˇcnˇení výmˇeny pouze v blokovém diagramu vybereme z vysunovací rolety promˇenných námi zvolenou promˇennou a pomocí datového toku propojíme s požadovanou Control nebo Indicator ikonou. Tyty ikony už mužeme ˚ zobrazovat na pˇredním panelu a pˇrímo ovládat z PC pˇripojeného ke CompactRIU. Po ukonˇcení práce je spojení mezi kontrolérem a FPGA polem uzavˇreno pomocí funkce Close FPGA VI Reference.

Obrázek 5.3: Komunikace mezi Scan Interface a FPGA Interface módem

Kromˇe tˇechto základních funkcí pro vytvoˇrení rozhraní mezi kontrolérem a hradlovým polem nabízí LabVIEW ještˇe funkci Invoke Method, pomocí které je možné FPGA poli zpˇrístupnit nˇekteré z možností real-time kontroléru cˇ i zprostˇredkovat vhodnˇejší zpusob ˚ komunikace. Za parametr funkce je možné zvolit jednu cˇ i více metod podporovaných FPGA polem jako Abort, Reset, nebo IRQ. Je tak možné napˇríklad implementovat komunikaci pomocí pˇrerušení nebo FIFO bufferu. Po naˇctení hodnot z I/O modulu˚ je potˇreba je zpracovat do podoby, ve které mohou být použity pro vyhodnocení výsledku. ˚ Senzory mohou upravovat mˇerˇ ený signál na rozsah zpracovatelný modulem. Proto pro získání skuteˇcné hodnoty muže ˚ být potˇreba získanou hodnotu násobit cˇ i dˇelit pˇríslušným koeficientem. Hodnota koeficientu bude nastavitelná z uživatelského rozhraní na pˇredním panelu aplikace. Jelikož hlavním cílem mˇerˇ ení je analýza energetických vlastností vozidla, potˇrebujeme postup pro výpoˇcet hodnot energie. Elekrickou energii je možné vyjádˇrit jako souˇcin napˇetí a proudu za urˇcitý cˇ asový úsek, tedy

25


E = U.I.t Ideálním rˇ ešením by tedy byl výpoˇcet obsahu plochy pod kˇrivkou tvoˇrenou souˇcinem napˇetí a proudu v místˇe mˇerˇ ení, tedy

E=

∫ t 0

U.I.tdt

Použití urˇcitého integrálu bude možné jednoduše realizovat po skonˇcení mˇerˇ ení ze záznamu prubˇ ˚ ehu testu. Pro úˇcely výpoˇctu aktuální hodnoty energie pro potˇreby prubˇ ˚ ežné vizualizace bˇehem testu bude dostaˇcovat aproximace hodnoty použitím Metody nejmenších cˇ tvercu[12]. ˚ Nejjednodušší princip metody je založen na rozdˇelení plochy pod kˇrivkou na sadu stejných intervalu, ˚ které výslednou plochu proloží sadou cˇ tvercu˚ cˇ i odélníku. ˚ Výsledný obsah je pak aproximován souˇctem obsahu˚ jednotlivých cˇ tvercu. ˚ Tato metoda je pro naše úˇcely ideálním rˇ ešením, jelikož k mˇerˇ ení hodnot dochází v pravidelném intervalu a pˇrírustek ˚ energie tedy získáme jako souˇcin namˇerˇ eného napˇetí, proudu a periody mˇerˇ ícího cyklu. Perioda mˇerˇ ícího cyklu bude nastavitelná z uživatelského rozhraní aplikace, ale vˇetšina ostatních cˇ ástí programu je uzpusobena ˚ na opakování s periodou 10 nebo 20 ms z duvodu ˚ komunikace s rˇ ídicí jednotkou vozidla, které se budu vˇenovat v následující kapitole. Skenování s touto periodou je pro naše úˇcely zcela dostaˇcující.

5.2

Logger dat

Pro úˇcely analýzy výsledku˚ je potˇreba vytváˇret záznam dat o prubˇ ˚ ehu testu. Do záznamu bude potˇreba ukládat hodnoty mˇerˇ ených veliˇcin a informace o prubˇ ˚ ehu jízdy. Do souboru bude potˇreba logovat kolem 40 ruzných ˚ promˇenných což pˇri standardní délce EHK testu pohybující se kolem dvaceti minut a periodˇe tvorby záznamu 10 ms znamená, že výsledný souboru muže ˚ mít pˇres 120 000 rˇ ádku˚ a velikost pˇri použití tabulkového typu souboru rˇ ádovˇe v desítkách MB. Souˇcástí nástroje CompactRIO je i nonvolatilní pamˇet’ o kapacitˇe 128 MB, což by byla dostateˇcná velikost pro uložení záznamu. Jelikož se ale testovací cyklus bude mnohokrát opakovat, bylo by nutné kvuli ˚ analýze a uvolnˇení prostoru na CompactRIU po každém testu logovací záznam pˇrenést na jiné pamˇet’ové zaˇrízení. Jelikož bude pomocí LabVIEW implementováno i uživatelské rozhraní pro monitoring a ovládání zaˇrízení bˇehem testu, které pobˇeží na standardním PC pˇripojeném ke CompactRIU sít’ovým kabelem, byla pro potˇreby logování dat vybrána alternativní možnost. Všechna potˇrebná data budou pˇres ethernet posílána na pˇripojené PC, na kterém budou graficky vizualizována a logována do souboru. ˚ Pˇresun logování na PC pˇrináší rˇ adu výhod oproti ukládání na CompactRIO. Práce se soubory je hardwarovˇe a cˇ asovˇe nároˇcná, pˇredevším zápis velkého množství dat by znaˇcnˇe zatˇežoval procesor potˇrebný k provádˇení real-time operací. Jak bylo uvedeno, Scan Interface mód je schopen efektivnˇe provádˇet kód s periodou ne rychlejší než jednotky cˇ i desítky milisekund v závislosti na složitosti kódu. Vzhledem k požadované periodˇe provádˇení kódu 10 cˇ i 20 ms by i pˇri implementaci paralelního vykonávání logování a rˇ ízení mohlo docházet k vzniku malých zpoždˇení oproti požadovanémé periodˇe cyklu. ˚ Odlehˇcení zátˇeže kontroléru tedy umožní pˇresnˇejší dodržení cˇ asování, poskytne kontroléru výpoˇcetní kapacity pro rˇ ešení jiných problému, ˚ uloží 26


výsledný soubor rovnou na vývojový poˇcítaˇc a v neposlední rˇ adˇe nabídne širší paletu možností zpracování výsledného souboru. Tato varinta je ale implementaˇcnˇe komplikovanˇejší než prosté logování dat na disk pˇrístroje CompactRIO a nese s sebou nˇekolik vývojových problému˚ k vyˇrešení. 1.

Spolehlivá komunikace - Pro výmˇenu dat mezi PC a CompactRIEM je potˇreba vytvoˇrení spolehlivého kanálu, který zaruˇcí dostateˇcnˇe rychlý pˇrenos a doruˇcení dat. Zárovenˇ je nutná odolnost kanálu proti pˇrípadnému pádu.

2.

Synchronizace odesílate - Rychlost pˇrenosového média 10/100BASE-T Ethernet není neomezená a jelikož sít’ová komunikace slouží i k monitorování a rˇ ízení aplikace pˇres Scan Interface mód, muže ˚ docházet ke vniku zpoždˇení. Je tedy nutné implementovat na stranˇe odesílatele pomocné sofwarové prvky pro udržení poˇradí a poˇctu vysílaných dat.

3.

Synchronizace pˇríjemce - Data jsou na stranˇe pˇríjemce periodicky ukládána do souboru. Kvuli ˚ možnému vzniku zpoždˇení bˇehem pˇrenosu dat je nutné zajistit, aby žádný datový elemnent nebyl v logovacím souboru uložen vícekrát cˇ i pˇrípadnˇe zpoždˇený záznam nahrazen rˇ ádkem obsahujícím pouze sadu nul.

4.

Formát souboru - Knihovny pro práci se soubory na standardních PC jsou bohatˇejší než jejich zásuvné verze pro malé hardwarové nástroje. Pˇresun logování na vývojový PC tedy pˇrináší vˇetší možnosti pro volbu vhodného formátu a typu souboru pro následné zpracování.

5.2.1 Network Streams Firma National Intruments vyvinula pro potˇreby zjednodušení sít’ové komunikace v LabVIEW softwarovou technologii zvanou Network Streams. Jedná se o nástroj urˇcený pro robustní, snadno konfigurovatelnou a jednotnou komunikaci mezi aplikacemi vytvoˇrenými v LabVIEW. Podle výrobce Network Streams zaruˇcuje spolehlivou, bezeztrátovou a rychlou výmˇenu dat mezi komunikujícími stranami[13]. Network Streams je jednosmˇerná point-topoint komunikace, tedy je vždy jeden writer, neboli vysílaˇc posílající data, a jeden reader, sloužící pouze k pˇríjmu dat. Podud bychom chtˇeli vytvoˇrit kanál pro obousmˇernou výmˇenu dat mezi uzly, museli bychom na každé stranˇe zvlášt’ vytvoˇrit writer i reader. Network Streams jsou uzpusobeny ˚ pouze pro komunikaci mezi dvˇema body, komunikace typu 1:N, N:1 a N:N pomocí této techlogie je komplikovaná až nereálná. Výkon a propustnost výmˇeny dat pomocí Network Streams je srovnatelná s vlastnostmi protokolu TCP. Networks Streams narozdíl od TCP podporují pˇrenos libovolných datových typu, ˚ promˇenné tedy není nutné pˇrevádˇet do mezilehlých pomocných typu˚ pro pˇrenos daným médiem. Network Streams jsou navrženy pˇredevším pro výmˇenu vˇetšího množství dat. Vytvoˇrení kanálu pro využití k zasílání rˇ ídicích signálu˚ je zbyteˇcnˇe implemntaˇcnˇe nároˇcné a preferují se jiné technologie. Po navázání komunikace poskytuje technologie Network Streams automatickou správu rˇ ízení kanálu. Pˇri pˇrípadné ztrátˇe spojení mezi uzly je komunikace opˇet automaticky navázána. Technologie využívá FIFO buffer pro implemntaci poˇradníku a fronty dat cˇ ekajících na odeslání cˇ i pˇríjetí. Mezi parametry pˇri vytváˇrení komunikaˇcního kanálu pomocí funkce Create Network Stream Reader/Writer Endpoint volíme maximální poˇcet prvku˚ bufferu 27


a typ vysílaných dat. Vlastní velikost bufferu je pak automaticky alokována podle aktuální potˇreby do limitu nastaveného parametry funkce a zabírá v pamˇeti prostor o velikosti

V = M.sizeof (D), kde V je výsledná velikost, M maximální poˇcet prvku˚ bufferu a D typ vysílané promˇenné. V našem pˇrípadˇe, kdy vysíláme cˇ tyˇricetiprvkové pole typu double, které v pamˇeti zabírá 40*8 tedy 320 B, je nutná vhodná volba nastavení velikosti bufferu tak, aby pro pˇrenos poskytoval dostateˇcnou rezervu kvuli ˚ vzniku zpoždˇení na lince a zajistil bezeztrátový pˇrenos, a zárovenˇ nesmí svými pamˇet’ovými nároky v pˇrípadˇe extrémních situací omezovat výkon rˇ ídicí cˇ ásti aplikace. CompactRIO má 64 MB DRAM pamˇeti, která ale neslouží pouze pro potˇreby sít’ové komunikace, ale musí dostaˇcovat potˇrebám celé aplikace. Experimentálnˇe bylo zjištˇeno, že pˇri požadované rychlosti pˇrenosu a velikosti dat vysílaných pˇri pˇrenosu v naší aplikaci nedochází k tvoˇrení velkých kolon ve frontˇe, bˇehem prubˇ ˚ ehu testu byly v jednom okamžiku ve frontˇe k odeslání maximálnˇe 3 pole. Nastavení horní hranice 10 prvku, ˚ což znamená využití maximálnˇe 3.2 MB pamˇeti, je proto pro naše potˇreby zcela dostaˇcující.

Samotný buffer neobsahuje vlastní data k odeslání, ale udržuje si refence na dynamicky alokované bloky urˇcené pro uchování dat. Pˇredstavme si buffer o maximální velikosti tˇrí prvku˚ pro datový typ pole (viz následující obrázek). Pˇri vytváˇrení komunikaˇcního endpointu se neuvádí pevné rozmˇery pole, ale pouze informace, že se jedná o pole daného typu. Jakmile je endpoint vytvoˇren, obsahuje buffer tˇri reference do nealokované pamˇeti (ˇcást A), jakmile v prubˇ ˚ ehu výmˇeny dochází k potˇrebˇe využití kapacit bufferu, buffer automaticky alokuje blok pamˇeti o potˇrebné velikosti a uloží do nˇej data. Za zmínku stojí, že vysílaná cˇ i naˇcítaná data typu pole nemusí mít stejnou velikost a ukazatele v bufferu odkazují na bloky ruzné ˚ velikosti (B). Jakmile jsou data odeslána, ukazatele stále ukazují na už alokované bloky urˇcité velikosti (C). Jakmile je potˇreba do bufferu opˇet uložit data, dochází k pˇrípadné realokaci pouze smˇerem nahoru, tedy ke zvýšení velikosti daného oddílu. Jak je možné vidˇet (D), první prvek bufferu musel být realokován, aby pokryl potˇrebu uložení delšího pole, zatímco druhý prvek svou velikost v pˇrípadˇe ukládání menšího prvku nemˇení. Jakmile tedy dojde k alokaci bufferu o urˇcité velikosti, k uvolnˇení pamˇeti dojde až po uzavˇrení komunikaˇcního kanálu nebo ukonˇcení programu[13].

Obrázek 5.4: Ukázka funkce bufferu. Obrázek pochází z manuálových stránek [13].

28


Realizace komunikace Pro potˇreby využití technogie Network Streams je potˇreba na CompactRIO k základnímu balíku doinstalovat knihovnu NI Network Streams, aktuálnˇe ve verzi 1.1. Protokol používá motodu potvrzování zpráv, kdy je korektní doruˇcení automaticky potvrzeno pˇríslušnou odpovˇedí. Pokud nedojde k potvrzení v urˇcitém cˇ asovém limitu, výchozí data jsou opakována. Tento proces se dˇeje až do vypršení nastavitelného timeoutu. Knihovna nabízí struˇcnou sadu funkcí plnˇe dostaˇcujících pro zprostˇredkování komunikace. •

•

•

Create Network Stream Reader/Writer Endpoint - Funkce slouží k vytvoˇrení komunikujících uzlu. ˚ Parametry na stranˇe pˇrijímaˇce i vysílaˇce musí odpovídat, tedy reader.name = writer.url, reader.url = writer.name, reader.type = writer.type , jinak volání funkce skonˇcí chybou. Vstupní parametry: –

name - identifikátor uzlu.

–

url - adresa a identifikátor vzdáleného uzlu.

–

type - typ vysílaných dat.

–

buffer size - velikost bufferu.

–

timeout - cˇ asový limit pro opakování pokusu o navázání komunikace.

Read/Write Single/Multiple Element from/to Stream - Funkce slouží ke cˇ tení/ vysílání jednoho cˇ i více datových prvku. ˚ Funkˇcní parametry: –

name - identifikátor kanálu.

–

count - poˇcet vysílaných/pˇrijímaných dat.

–

data - data.

–

timeout - cˇ asový limit pro ukonˇcení pokusu o vysílání dat.

Property Node - Pomocí funkce je možné získat duležité ˚ informace o prubˇ ˚ ehu komunikace. Funkce nabízí vývojáˇri pˇrehled o stavu pˇripojení, poˇctu datových záznamu˚ v bufferu, celkovému poˇctu pˇrenesených záznamu˚ a dalších.

Obrázek 5.5: Funkce Property node s výbˇerem informací, které je možné získat.

29


•

Destroy Stream Endpoint - Funkce pˇrebírá jeden parametr, tím je odkaz na Network Stream, který bude vykonáním funkce ukonˇcen. Bˇehem ukonˇcení funce je uvolnˇena pamˇet zabíran8 bufferem komunikaˇcního kanálu.

5.2.2 Notifiers Na každé stranˇe komunikaˇcního kanálu, konkrétnˇe ve virtuálních instrumentech StreamReader.vi na stranˇe PC aBrzdaTestR1.vi na CompactRIU, je vytvoˇren pˇríslušný Network Stream endpoint. Ukázali jsme si funkce pro vytvoˇrení, ovládání a správu jejich vzájemné komunikace. Hlavní rˇ ídicí cyklus provádˇející mˇerˇ ení dat a ovládání systému by mˇel být nezávislý na ostatních podˇrazených cyklech, které by mohly zpusobovat ˚ ztráty pˇresné periodicity vykonávání. Proto je logovací podprogram umístˇen do samostatného cyklu. Nyní je potˇreba mechanismus, pomocí kterého dostaneme požadovaná data z rˇ ídicího cyklu na vstup funkce Write Singe/Multiple Element to Stream v logovacím cyklu. LabVIEW poskytuje nˇekolik možných rˇ ešení této situace. Za zmínku stojí použítí sdílených promˇenných, což je implementaˇcnˇe nejjednodušší varianta, která ale sama o sobˇe není dostateˇcnˇe silný aparát pro korektní prubˇ ˚ eh operace. Sdílené promˇenné jsou v podstatˇe formou globálních promˇenných viditelných mezi jednotlivými virtuálními nástroji bˇežícími na stejném stroji. V blokovém diagramu mˇerˇ ícího cyklu by se do promˇenné zapisovalo a v logovacím cyklu by byla instance urˇcená pro cˇ tení dat. Sdílené promˇenné tak lehce zajistí pˇresun dat, ale nijak se nestarají o synchronizaci mezi cykly. Pokud by napˇríklad došlo ke zpoždˇení aktualizace promˇenné v mˇerˇ ící cˇ ásti aplikace, logovací cyklus by odeslal dvakrát stejnou hodnotu. Tato situace se vzhledem k periodˇe opakování a vlastnostem cílového systému muže ˚ zdát zanedbatelná, 10 milisekundové zpoždˇení zaslaní informace u osobního vozu pravdˇepodobnˇe nebude mít na rˇ ízení cˇ i diagnostiku žádný vliv, ale pokud nám vývojový systém nabízí lepší rˇ ešení, bylo by chybné ho nevyužít. K docílení lepších vlastnosí programu byl proto vybrán Notifier, což je nástroj urˇcený pro výmˇenu dat mezi nezávislými cˇ ástmi kódu v LabVIEW. Notifier je v podstatˇe promˇenná, která je obalena kontrolními prvky zajišt’ujícími synchronizaci výmˇeny dat. Princip funkce je velmi podobný komunikaci pomocí Network Streams. V mˇerˇ ícím cyklu je vytvoˇren uzel urˇcený pro zápis dat a v logovacím cyklu uzel pro cˇ tení dat. Funkce Wait on Notification umožnuje ˇ pozastavit provádˇení cˇ tecího cyklu až do momentu pˇríchodu nových dat. Tím je vyˇrešen problém logování aktuálních dat a souˇcasnˇe ušetˇreny výpoˇcetní kapacity kontroléru.

Obrázek 5.6: Ukázka periodického vysílání dat pomocí notifieru.

30


Pomocí Notifieru je možné pˇrenášet mezi cykly libovolné množství a typ dat. Notifers žádným zpusobem ˚ nezajišt’uje kontrolu zpracování dat vyslaných ze startovního do cílového bodu. Pokud by data v logovacím cyklu nebyla vˇcas odebrána, další pˇríchozí dávka je bez varování pˇrepíše. Jak bylo uvedeno, Network Stream kanál poskytuje nastavitelný buffer pro uchovávání dat pˇripravených pro odeslání. Pro zvýšení komplexnosti aplikace byl mezi datový výstup z Notifieru a vstup funkce Write Single Element to Stream umístˇen samostatný real-time FIFO buffer, pomocí nˇehož je jednak zvýšeno zapezpeˇcení pˇred ztrátou dat, ale navíc v pˇrípadˇe, ve kterém by nastala potˇreba bˇehu aplikace bez pˇrípojeného PC, umožnuje ˇ jednoduše zmˇenit logování na disk pˇrístroje CompactRIO.

Obrázek 5.7: Využití notifieru k ukládání dat do FIFO bufferu.

5.2.3 Ukládání dat Jakmile jsou data pˇrenesena na vývojový poˇcítaˇc, je potˇreba je uložit do souboru pro úˇcely dalšího zpracování. LabVIEW podporuje práci s ruznými ˚ druhy souboru. ˚ Data mužeme ˚ ukládat do textových souboru, ˚ tabulkových souboru, ˚ cˇ i speciálního typu oznaˇcovaného jako TDMS soubor. TDMS, z anglického Technical Data Management Streaming, je souborový formát firmy National Instruments urˇcený pro ukládání a správu tabulkových dat. TDMS je binární soubor s tˇrívrstvou vnitˇrní architekturou, díky které je dosaženo kvalitní organizace dat[15] . Vrstvy oznaˇcované jako File, Group a Channel udržují poˇrebné cˇ i uživatelem definované informace pro udržení pˇrehlednosti a dalšího zpracování, není proto nutné vytváˇret a uchovávat žádné nadstavné hlaviˇckové soubory s popisy dat. Data jsou v souboru cˇ lenˇena na Meta data a Raw data. Meta data jsou souˇcástí každé vrstvy a obsahují popisné informace. Každá vrstva muže ˚ obsahovat neomezené množství tˇechto popisných informací a prvku˚ nižší vrstvy. File vrstva nese základní informace jako název cˇ i autora, nižší vrstvy pak informace potˇrebné k vyhledávání, cˇ asové známky, dokumentaci, jednotky a další. Poslední vrstva pak obsahuje také vlastní (Raw) data. Meta data a Raw data jsou fyzicky v soubouru uložena oddˇelenˇe. Hlaviˇcka souboru obsahující Meta data obsahuje strukturu indexu, ˚ které slouží k propojení popisných informací a dat uložených ve fyzické vrstvˇe a umožnuje ˇ vyhledávání v souboru. Podle informací výrobce[14] TDMS soubory dosahují všech požadovaných vlastností na formáty pro zpracování velkého množství tabulkových 31


dat jako pˇrenositelnost, minimalizace úložného prostoru, vnitˇrní vyhledávání a další.

Obrázek 5.8: Struktura TDMS souboru. Obrázek pochází z manuálovách stránek[14].

Pro práci s TDMS soubory je ideálním nástrojem Diadem, další produkt National Instruments. Diadem patˇrí mezi pokroˇcilé tabulkové editory, kombinující prvky pro správu, vizualizaci a úpravu dat. Základní struktura diademu se skládá z pˇeti cˇ ástí. Navigator slouží jako prohlížeˇc souborového systému disku. Umožnuje ˇ vyhledávání, zálohování cˇ i verzování práce s daty. Wiew je formou editoru pro prohlížení, úpravy a vizualizaci dat. Má velmi dobˇre zprácovány funkce pro tvorbu a úpravy grafu. ˚ Analysis slouží k analýze dat. Obsahuje velkou sadu vzorcu, ˚ filtru˚ a tabulek urˇcených k výtažku potˇrebných vlastností dat. Report je nástroj k vytváˇrení a exportu grafických a tabulkových zpráv pro úˇcely prezentací. Scripts je automatizaˇcní prvek sloužící k samostastému vykonávání definovaných operací na datech. Pomocí jeho funkcí je možné automatizovat opakující se události. Diadem není jedinným editorem schopných práce s TDMS soubory, ale vˇetšina ostatních editoru˚ k otevˇrení tˇechto souboru˚ potˇrebuje instalaci zásuvného modulu. Implementace logování V mˇerˇ ící ústˇrednˇe budu data vkládat do nˇekolika ruzných ˚ souboru. ˚ Do jednoho souboru formátu TDMS se budou ukládat surové hodnoty namˇerˇ ené ze senzoru˚ a informace o prubˇ ˚ ehu jízdy. Druhý soubor typu TDMS bude obsahovat pˇrepoˇcítané hodnoty z mˇerˇ ených vstupu˚ a také informace o prubˇ ˚ ehu jízdy. Poslední soubour bude bˇežný tabulkový formát urˇcený jako záloha cˇ i pro potˇreby editoru˚ nekompatibilních s formátem TDMS. V jazyce LabVIEW se pracuje se soubory stejnˇe jako v ostatních programovacích jazycích, nejdˇríve je nutné soubor vytvoˇrit nebo otevˇrit v potˇrebném módu (zápis, cˇ tení,...) a poté 32


je do nˇej možné v jednotlivých cyklech vkládat data. Logovací cyklus se opakuje každých 10 ms, používá výše zmínˇenou funkci Property Node pro zjištˇení, zda pˇres ethernet z CompactRIA dorazily další data urˇcená pro zápis. Pokud ano, roztˇrídí je do pˇríslušných souboru˚ a pomocí funkcí k tomu urˇcených uloží data. Pro zápis do TDMS souboru se jedná o funkci TDMS Write, která za parametry bere referenci na otevˇrený TDMS soubor, název Group vrstvy pro uložení záznamu, ˚ pole názvu˚ jednotlivých Channel kanálu˚ a zapisovaná data. Pro zápis do tabulkového souboru vyžívám funkci Write to SpreadSheet File. Ukonˇcení mˇerˇ ení se ve virtuálním nástroji provádí manuálnˇe pˇres uživatelské rohraní aplikace. Aplikace po ukonˇcení mˇerˇ ícího cyklu pošle souˇcasnˇe s poslední várkou dat i pˇríkaz pro ukonˇcení logovacího cyklu. Jakmile je logovací cyklus ukonˇcen, jsou všechny soubory uzavˇreny.

Obrázek 5.9: Virtuální instrument rozdˇelující pˇríchozí data do požadovaných souboru. ˚ Program využívá funkci Reshape array pro zmˇenu dimenze výstupního pole. Dále kontroluje, zda pˇrišel signál pro ukonˇcení logovacího cyklu.

33

Kapitola 6

ˇ Rízení rekuperace vozidla Druhým cílem práce je vytvoˇrení alternativní rˇ ídicí jednotky rekuperaˇcního systému ˇ vozidla k v souˇcasnosti používané verzi. Rídicí jednotka musí být schopna bˇehem testu sledovat duležité ˚ parametry vozidla a na jejich základˇe dynamicky vyhodnocovat možnosti rekuperace kinetické energie. Rekuperace se aktivuje pˇripojením rotoru generátoru pˇres spojku k hnací nápravˇe vozidla a pˇripojením generátoru do elektrické soustavy. Pˇripojením generátoru k hnací nápravˇe dojde k roztoˇcení generátoru. Jakmile se generátor toˇcí, je možné ho pˇripojit do obvodu a tím zahájít výrobu elektrického proudu. Pro správný chod vozidla je duležité, ˚ aby algoritmus aktivoval rekuperaci pouze v situacích, kdy je to skuteˇcnˇe vhodné, tedy pˇri brzdˇení nebo úmyslném zpomalování vozidla. Pˇripojení generátoru zvyšuje odporovou sílu pusobící ˚ na hnací nápravu a umocnuje ˇ proces zpomalování. Pokud by k pˇripojení generátoru docházelo v nevhodných momentech, mˇel by systém rekuperace brzdné energie negativní vliv na jízdní vlastnosti vozidla.

6.1

Sledování prubˇ ˚ ehu jízdy

Aby mohla ústˇredna rˇ ídit rekuperaci, potˇrebuje aktuální hodnoty ze základních systému˚ vozidla, pomocí kterých dokáže urˇcit skuteˇcný pohyb. Automobil pˇrevádí všechny stavy systému, povely rˇ idiˇce i mˇerˇ ené vnˇejší vlivy na elektrické hodnoty zpracovatelné komplexním systémem rˇ ídicích jednotek. Tyto jednotky, automobil jich muže ˚ obsahovat i nˇekolik stovek, spolu komunikují pomoci protokolu CAN bus. 6.1.1 Sbˇernice Can bus Sbˇernice CAN neboli Controller Area Network je sériová datová sbˇernice vyvinutá firmou Robert Bosch GmbH pro úˇcely komunikace rˇ ídicích systému˚ v automobilech[16]. Sbˇernice se poprvé v automobilu objevila v roce 1992 ve vozech znaˇcky Mercedes-Benz a od té doby se stala majoritním komunikaˇcním prostˇredím v automobilech. Pˇrenosovou sít’ tvoˇrí dva vodiˇce, oznaˇcované jako CAN High a CAN Low. Logická nula cˇ i jedniˇcka je pak reprezentována jako rozdíl napˇetí mezi tˇemito vodiˇci. Poˇcet pˇripojených zaˇrízení je údajnˇe neomezený, ale reálná cˇ ísla se pohybují kolem dvouset komunikujích jednotek[17]. Maximální rychlost pˇrenosu dat je 1Mbit/s. Princip funkce CAN protokol je oznaˇcovaný jako multimaster, kdy neexistuje žádná hlavní centrální jednotka rˇ ídicí pˇrístup ke sbˇernici, ale pˇrístup je založen na principu priority vysílaných zpráv. Vysílané zprávy nemají žádnou adresu, slyší je všechny zaˇrízení na sbˇernici. Priorita 34

ˇ ÍZENÍ REKUPERACE VOZIDLA 6. R zprávy se urˇcuje podle jejího identifikátoru, cˇ ím nižší hodnota idenfikátoru, tím vyšší priorita zprávy. Každý uzel je bud’ v aktivním stavu, kdy vysílá na sbˇerici data, nebo v pasivním stavu, kdy poslouchá provoz. Pokud chce uzel vyslat data, nejdˇríve poˇcká na dokonˇcení pˇrenosu pˇredchozích dat. Poté vyšle zprávu s dotazem k pˇrístupu na sbˇernici. Pokud zpráva, kterou chce vysílat má vyšší prioritu, než zprávy ostatních žadatelu˚ o pˇrístup, muže ˚ vyslat datovou zprávu. Jinak musí cˇ ekat na moment, kdy je sbˇernice volná. Zpráva CAN protokolu zaˇcíná start bitem, následovaným idenfikátorem zprávy. Identifikátor muže ˚ být jedenáctibitový (standardní formát) nebo devˇetadvacetibitový (rozšíˇrený formát)[17]. Identifikátor informuje nejen o prioritˇe zprávy, ale zárovenˇ udává i její obsah. Za identifikátorem leží pˇríznakové pole urˇcující další informace o zprávˇe. RTR bit udává typ typ zprávy (datová versus žádost o pˇrístup na sbˇernici), R0 a R1 jsou rezervované bity pro pˇrípadné rozšíˇrení, dále následují cˇ tyˇri bity informující o poˇctu pˇrenášených datových bytu. ˚ Za pˇríznakovým polem jsou umístˇena samotná data. CAN zpráva muže ˚ pˇrenášet maximálnˇe 8B dat. Data jsou následovány kontrolními souˇcty a potvrzovacími bity sloužícími k udržení konzistence dat a potvrzení správnosti doruˇcení od pˇríjímacích uzlu. ˚

Obrázek 6.1: Formát CAN zpráv[16].

6.1.2 Implementace komunikace Pro vysílání a pˇríjem CAN zpráv na pˇrístroji CompactRIO bude používán modul NI 9853, což je dvoukanálový vysokorychlostní CAN modul. Práce s tímto modulem je podporována pouze pˇres FPGA pole, které bude bude obstarávat pˇríjem a vysílání kompletních zpráv, o jejich sestavení se bude starat real-time kontrolér. Jelikož FPGA pole s obsahem zpráv nijak nemanipuluje, je možné s jednotlivými zprávami pracovat jako s bˇežným typem promˇenné. V blokovém diagramu virtuálního nástroje bˇežícího na FPGA poli budeme pouze pˇriˇrazovat promˇenné reprezentující CAN zprávy ke vstupum ˚ cˇ i výstupum ˚ I/O promˇenných CAN modulu. Program pouze poslouchá provoz na síti a pokud zachytí zprávu, jež CompactRIO potˇrebuje, vloží ji do pˇríslušné promˇenné. Všechnu ostatní práci kolem CAN protokolu obstará modul automaticky. FPGA pole bude dále poˇcítat poˇcet jednotlivých doruˇcených zpráv. Pˇríjem dat Zpracování obsahu CAN zpráv bude provádˇeno v mˇerˇ ícím cyklu virtuálního nástroje BrzdaTestR1.vi bˇežícího na kontroléru v Scan Interface módu. Popis jednotlivých zpráv a jejich 35

ˇ ÍZENÍ REKUPERACE VOZIDLA 6. R význam zde z duvodu ˚ ochrany práv automobilky ŠKODA nebudu popisovat, uvedu pouze struˇcný výˇcet získávaných parametru. ˚ Pˇres CAN zprávy diagnostická ústˇredna získáva informace tyto informace : •

Poloha plynu

•

Otáˇcky spalovacího motoru

•

Otáˇcky generátoru

•

Poloha spojky

•

Teplota chladící kapaliny

•

Rychlost

•

Pˇrevodový stupenˇ

•

Poloha brzdového pedálu

•

Tlak sání

•

Poloha škrtící klapky

Perioda nejfrekventovanˇejších CAN zpráv vysíláných po sbˇernici vozu je 10 až 20 milisekund, což je hlavním duvodem ˚ nastavení periody mˇerˇ ícího cyklu. Hodnoty všech promˇenných, získávaných ze sbˇernice budou pˇridávány do logovacího záznamu pro analýzu energetických výdeju˚ bˇehem jízdy. V každé iteraci mˇerˇ ícího cyklu program nejdˇríve zkontroluje, zda byla doruˇcena nová zpráva a poté ji pˇrípadnˇe zpracuje. CAN zprávy jsou získávány z FPGA pole jako strukturovaná promˇenná pomocí funkce Read/Write Control. Strukturované promˇenné, v LabVIEW oznaˇcované jako Clustery, jsou alternativou struktur cˇ i objektu˚ textových programovacích jazyku˚ a mohou se skládat z více promˇenných nˇekolika ruzných ˚ typu. ˚ Cluster CAN zprávy se skládá z cˇ asové známky, identifikátoru zprávy, typu, informaˇcního bloku, hodnoty pro poˇcet datových bytu˚ a samotných dat. Jednotlivé položky jsou v Clusteru uloženy na pozicích oznaˇcených svým jménem, pro vytažení promˇenné s daty je použita funkce Unbundle by Name, které za parametr nastavíme položku data. Na výstupu této funkce máme pole datových bytu, ˚ ze kterých je následnˇe nutné získat reálný parametr vozidla. Programovací jazyk LabVIEW obsahuje velké množství funkcí pro práci s poli, získat výslednou hodnotu proto není žádný problém. Vzhledem k hlavní oblasti zamˇerˇ ení LabVIEW, kterou je mˇerˇ ení a ovládání prumyslových ˚ zaˇrízení, považuji za nedostaˇcnou podporu bitových operací. Pokud napˇríklad chceme získat z CAN zprávy hodnotu jednoho bitu, což je napˇríklad informace o sešlápnutí spojky, která má pouze hodnoty on/off, je nutné daný byte pˇrevést na pole promˇenných typu boolean, vybrat požadovaný bit a opˇet pˇrevést zpˇet, což v blokovém digramu vzhledem k vykonané funkci zabírá velkou cˇ ást pracovní plochy. 36

ˇ ÍZENÍ REKUPERACE VOZIDLA 6. R

Obrázek 6.2: Sub virtuální nástroj pro výbˇer dat z pˇríchozí CAN zprávy.

Vysílání dat Výsledná aplikace poskytuje také možnost vysílání dat pˇres sbˇernici CAN. Po startu aplikace je vysílání vypnuto, aktivuje se pomocí spínaˇce v uživatelském rozhraní aplikace. Ústˇredna bude vysílat informace o napˇetích a proudech získaných ze sonzoru˚ v prubˇ ˚ ehu jízdy. Tyto data mohou rˇ ídicí jednotky využít k výpoˇctu velikosti energie potencionálnˇe využitelné k podpoˇre výkonu spalovacího motoru nebo pro prosté zobrazení na palubní desce vozidla pro informování rˇ idiˇce. V programu jsou nastaveny tˇri zprávy pro vysílání dat. První bude vysílat zmˇerˇ ená napˇetí, druhá proudy a tˇretí vypoˇcítané velikosti energie. Pro vytvoˇrení každé ze zpráv program obsahuje sub virtuální nástroj, který Clusteru reprezentujícího CAN zprávu pˇriˇradí identifikátor, délku datového bloku a data. Doplnˇení ostatních cˇ ástí CAN zprávy jako kontrolních souˇctu˚ a vyplnˇení všech dalších polích provede CAN modul NI 9853 automaticky. Jednotlivé zmˇerˇ ené fyzikální hodnoty jsou v programu reprezentovány jako promˇenné reálného typu, které dosahují vysoké pˇresnosti, ale také jsou tvoˇreny vˇetším množstvím bitu˚ (kontrétnˇe 32b pro single precision a 64b pro double precision). CAN zpráva však muže ˚ obsahovat pouze 8B tedy 64b dat. V jedné vysílané zprávˇe bude maximálnˇe pˇet promˇenných, což nám dáva pouze 12 bitu˚ na reprezentaci jedné hodnoty, což ale pro naše potˇreby bude dostaˇcovat, jelikož velikosti napˇetí ani proudu v jednom okamžiku nepˇresáhnou hodnotu kolem 300 (300A se v obvodu muže ˚ objevit bˇehem startování). Kvuli ˚ jednotnosti budou tedy všechny vysílané hodnoty reprezentované jako 12 bitové cˇ íslo, i když bude CAN zpráva obsahovat nevyužité místo. Kvuli ˚ dosažení alesponˇ urˇcité pˇresnosti pˇrenášené informace každou reálnou hodnotu pˇred pˇrevodem na 12 bitu˚ vynýsobíme 10 pro pokrytí alesponˇ jednoho desetinného místa. Poté pomocí funkce Array Subset vyberu dvanáct nejnižších bitu˚ cˇ ísla. Za zmínku stojí automatická typová konverze promˇenných. Funkce Number to Boolean Array použitá pro pˇrevod cˇ ísla na pole bitu˚ na svém vstupu oˇcekává celoˇcíselnou hodnotu, ale vstupní promˇenné jsou reálného typu. LabVIEW provede automatické pˇretypování pro spráný chod funkce a da37

ˇ ÍZENÍ REKUPERACE VOZIDLA 6. R tový tok obsahující konverzi na svém konci oznaˇcí cˇ erveným koleˇckem. Výsledných 12 bitu˚ každé promˇenné je potom pˇríˇrazeno do pˇríslušného bytu CAN zprávy.

Obrázek 6.3: Sub virtuální nástroj pro vytvoˇrení CAN zprávy.

6.2

Algoritmy pro rekuperaci

Jakmile ústˇredna dekóduje obsah CAN zpráv, má všechny potˇrebné informace pro rˇ ízení rekuperace vozidla. Jak už bylo uvedeno, rekuperaˇcní algoritmus muže ˚ aktivovat generátor pouze ve vhodných situacích, aby negativnˇe neovlivnoval ˇ prubˇ ˚ eh jízdy vozidla. K rˇ ízení rekuperace budeme využívát pˇredevším informace o rychlosti, pˇrevodovém stupni, otáˇckách spalovacího motoru, poloze plynového pedálu, spojky a poloze brzdového pedálu. Jelikož známe velmi pˇresnˇe podobu EHK testu používaného pˇri mˇerˇ ení, bylo by možné vytvoˇrit algoritmus pˇrizpusobený ˚ právˇe prubˇ ˚ ehu jízdy podle vypoˇcítaného vzoru. Algoritmus by napˇríklad podle základních údaju˚ z vozidla a cˇ asového rámce spouštˇel a vypínal rekuperaˇcní generátor, a nejspíše by dosahoval kvalitních výsledku, ˚ ale mým cílem je pˇredevším návrh a implemntace rˇ ídicího algoritmu, který by pˇri drobných úpravách mohl fungovat i v bˇežném provozu. Pˇri návrhu rˇ ídicího systému rekuperace nebyly pˇresnˇe známy ideální stavy vlastností vozidla, pˇri kterých by mˇela být rekuperace aktivována. Nebyly pˇresnˇe známy ani hranice, pˇri kterých by mˇelo dojít k její deaktivaci. Všechny tyto parametry mˇely být specifikovány v prubˇ ˚ ehu prvních testu˚ podle chování vozidla, výsledku emisních testu˚ a analýzy vyrobené energie. V prubˇ ˚ ehu testu rˇ idiˇc ve vozidle sleduje kˇrivku, podle které ovládá vozidlo. V závislosti na strmosti rustu ˚ cˇ i poklesu hodnoty kˇrivky musí rˇ idiˇc dynamicky reagovat a pˇridávat cˇ i brzdita tak, aby nevyboˇcil z hraniˇcních hodnot kˇrivky. Pokud by docházelo k pˇrekraˇcování tˇechto hranic, test by nebyl uznán jako standardní EHK test. Pokud se kˇrivka reálné jízdy pˇribližuje spodní hranici kˇrivky testu, musí rˇ idiˇc pˇridat plyn pro zvýšení výkonu a návratu do ideální pozice, podobnˇe musí ubrat plyn cˇ i pˇribrzdit v pˇrí38

ˇ ÍZENÍ REKUPERACE VOZIDLA 6. R

Obrázek 6.4: Prubˇ ˚ eh jízdy podle kˇrivky testu vˇcetnˇe povolených hranic kˇrivky.

padˇe pˇriblížení k horní hranici kˇrivky. Pro výrobu energie by byl ideální prubˇ ˚ ehem co možná nejstrmˇejší pokles reálné kˇrivky, to znamená najít vymezující body reálné kˇrivky takové, že startovní bod rekuperace bude co nejblíže horní hranici a koneˇcný bod co nejblíže hranici spodní(viz pravá cˇ ást obrazku 6.4). Najít tyto body algoritmicky by však bylo velmi složité. Proto navrhneme rˇ ídicí algoritmus takový, který bude možno v prubˇ ˚ ehu jízdy i mezi jednotlivými testy snadno parametricky mˇenit. Požadavky pro rˇ ídicí algoritmus: •

Algoritmus aktivuje rekuperaci pouze pˇri zpomalování vozidla.

•

Algoritmus musí být deaktivovatelný .

•

Algoritmus musí být silnˇe parametrizován.

Aktivace rekuperace Z analýzy požadavku˚ je zˇrejmˇe, že k výrobˇe energie nemuže ˚ docházet v momentech, kdy dochází k zvýšení cˇ i udržování rychlosti vozidla. Dále k výrobˇe nemuže ˚ docházet, pokud je spalovací motor odpojen od hnací hˇrídeli vozidla. Z tˇechto informací mužeme ˚ nastavit základní podmínky deaktivace rekuperace vozidla: •

Rekuperace není aktivní pˇri rustu ˚ rychlosti vozidla.

•

Rekuperace není aktivní pˇri rustu ˚ otáˇcek spalovacího motoru.

•

Rekuperace není aktivní pˇri stlaˇcení plynového pedálu.

•

Rekuperace není aktivní pˇri stlaˇcení pedálu spojky.

Program bude mít tˇri základní módy aktivace rekuperaˇcního generátoru, které se pokusí splnit požadavky na algoritmus a zárovenˇ eliminovat možné vyjímky vzniklé z podmínek deaktivace rekuperace. Jednotlivé módy budou v poˇcáteˇcní implementaci algoritmu volitelné z uživatelského rozhraní aplikace, po první sérii testu˚ mohou být bud’ pevnˇe nastaveny nebo zustat ˚ volitelné. Možnost výbˇeru jednotlivého módu se teoreticky muže ˚ stát i parametrem nastavitelným z palubní desky automobilu, pˇri známých vlastnostech jednotlivých módu˚ by rˇ idiˇc mohl napˇríklad pˇrepínat režim lépe odpovídající jízdˇe ve mˇestˇe cˇ i mimo mˇesto. 39

ˇ ÍZENÍ REKUPERACE VOZIDLA 6. R Speed mód První mód, dále oznaˇcovaný jako Speed mód, je založen na dostateˇcnˇe dlouhém a prudkém poklesu rychlosti. Algoritmus je souˇcástí mˇerˇ ícího cyklu aplikace a perioda jeho provádˇení je proto ekvivalentní periodˇe mˇerˇ ícího cyklu. Speed mód bude v každém cyklu kontrolovat rychlost vozidla a pokud zaznamená sérii po sobˇe jdoucích poklesu˚ rychlosti, aktivuje rekuperaˇcní systém vozidla. Desetimilisekundová perioda provádˇení cyklu znamená velmi malé rozdíly hodnot rychosti mezi cykly, pˇri pozvolném zpomalování muže ˚ být hodnota rychlosti mezi dvˇema po sobˇe jdoucími cykly i stejná a volba spádu tedy nejednoznaˇcná. Spád rychlosti poˇcítaný za zpomalování bude tedy nastavitelným parametrem. K cílenému zpomalování vozidla muže ˚ docházet napˇríklad i bez stlaˇcení brzdového pedálu. K tomu dochází pˇri pozvolném zpomalování pˇri dojíždˇení k semaforu cˇ i jiné pˇrekážce. Malý spád rychlosti vozidla sice neposkytuje ideální vlastnosti pro výrobu elektrické energie, ale ˇ i málo je více než nic. Rízení založené na rychlosti tak muže ˚ zvýšit možnosti rekuperace vozidla nepostihnutelné alternativními zpusoby ˚ rˇ ízení.

K urˇcitému zpomalování rychlosti vozidla muže ˚ docházet i pˇri rˇ azení cˇ i udržování rychlosti vozidla. Program z rˇ ídicí jednotky vozidla pˇres sbˇernici CAN získává údaje o rychlosti vozidla s pˇresností dvou desetinných míst. Udržení takto pˇresné rychlosti v prubˇ ˚ ehu jízdy je v podstatˇe nemožné, hodnoty na jednotlivých desetinným místech, pˇrípadnˇe na místech jednotek budou nepravidelnˇe skákat nahoru a dolu˚ kolem požadované rychlosti. Pokud by napˇríklad v prubˇ ˚ ehu jízdy podle EHK testu rˇ idiˇc jel od horní hranice kˇrivky jízdy po spodní hranici kˇrivky, pak by se algoritmus mohl mylnˇe domnívat, že dochází k momentu vhodnému k aktivaci rekuperaˇcního systému. Tyto nežádoucí podmínky budou odstranˇeny nastavitelným parametrem opakování poklesu rychlosti, který bude hlídat, zda k poklesu rychlosti došlo minimálnˇe n-krát, kde n je hodnota parametru opakování poklesu rychlosti. Rekuperace bude zastavena v pˇrípadech, kdy rychlost vozidla klesne pod urˇcitou nastavitelnou hranici, dojde k opakovanému nárustu rychlosti nebo pˇri sešlápnutí pedálu spojky.

Throttle mód Druhým implementovaným módem je Throttle mód. Ten je založen na poloze plynového pedálu. Diagnostická ústˇredna získává z automobilu informaci o poloze plynu jako procentuální vyjádˇrení stlaˇcení v rozmezí 0-100%. Mód kontroluje polohu plynu a jakmile dojde k poklesu na nulovou hodnotu, aktivuje rekuperaˇcní systém vozidla. Cílené zpomalování vozidla vhodné pro výrobu elektrické energie je témˇerˇ vždy pˇri nulové poloze plynového pedálu, Throttle mód navíc umožnuje ˇ rekuperaci i v nˇekterých situacích nepostižitelných ostatními módy. Pˇredstavme si napˇríklad jízdu z kopce. Pokud je rychlost na poˇcátku kopce dostateˇcnˇe velká a sklon dostateˇcnˇe prudký, muže ˚ vozidlo udržovat konstantní rychlost nebo dokonce zrychlovat bez potˇreby použítí spalovacího motoru. V této situaci muže ˚ docházet k výrobˇe proudu bez snižování rychlosti vozidla cˇ i stlaˇcení brzdového pedálu. Mód musí mít vloženy kontrolní prvky pro ochranu pˇred spuštˇením rekuperace pˇri stání cˇ i rˇ azení, kdy je poloha plynu také nulová. To je docíleno kontrolou stlaˇcení pedálu spojky a aktuální rychlosti vozidla. 40

ˇ ÍZENÍ REKUPERACE VOZIDLA 6. R Brake mód Posledním a nejjednodušším módem rˇ ízení rekuperace vozidla je Brake mód, založený na aktivaci rekuperace vozidla pouze pˇri stlaˇcení brzdového pedálu. Pˇri brzdˇení je kˇrivka reálné jízdy vozidla nejstrmˇejší a právˇe pˇri brzdˇení je tedy vyrobeno nejvˇetší množství energie. Brake mód je tedy cˇ ást rekuperaˇcního algorimu zamˇerˇ ená na cˇ ásti jízdy s nejvˇetším potenciálem pro výrobu energie, ostatní cˇ ásti jízdy, kde by mohla být teoreticky vyrábˇena energie jsou zanedbány. Rekuperace s tímto módem je bˇežnˇe používaná v závodních vozech, kdy ke zpomalování dochází z principu závodˇení pouze pˇri stlaˇcení brzdového pedálu. Pokud by mód byl volitelný rˇ idiˇcem z palubní desky vozidla, byl by ideální pro rˇ idiˇce vyznávající agresivnˇejší styl jízdy, známý jako brda/plyn. Implementace módu je znaˇcnˇe jednoduchá, pouze hlídá hodnotu promˇenné urˇcující polohu brzdového pedálu a ošetˇruje nekorektní stavy jako rˇ azení cˇ i stání, bˇehem kterých muže ˚ být stlaˇcen brzdový pedál, ale není možné vyrábˇet energii. Rekuperaˇcní systém je aktivován pˇripojením generátoru k nápravˇe vozidla pomocí signálu v programu oznaˇcovaném jako stClutchSw, který rˇ ídí spojku generátoru. Po roztoˇcení generátoru je možné pˇripojit generátor do elektrického obvodu a zahájit výrobu elektrické energie pomocí signálu disconnect. Obˇe tyto promˇenné jsou pouze dvouhodnotové, budou tedy pˇrivádˇeny na výstup digitálního I/O modulu NI 9401 pˇripojeného k pˇrístroji CompactRIO. Pˇripojení generátoru do obvodu je možné až po jeho roztoˇcení, proto je nutné spínat signál disconnect pozdˇeji než signál stClutchSw. Prodleva mezi aktivací tˇechto signálu˚ bude nastavitelná jako parametr algoritmu. Ideální bod aktivace rekuperace vozidla nemusí být souhlasný s bodem detekce možnosti vyrábˇet elektrickou energii. Prodleva mezi detekcí a aktivací rekuperace bude dalším nastavitelným paramtrem algoritmu. Roztoˇcení generátoru a výroba elektrické energie muže ˚ mít vliv na otáˇcky spalovacího motoru a tedy i jízdní vlastnosti vozidla. Ovlivnˇení je patrné pˇredevším pˇri aktivaci brzdˇení z nízké poˇcáteˇcní rychlosti vozidla. Vyrobená energie je navíc v tˇechto pˇrípadech zanedbatelná. Dalším parametrem algoritmu bude tedy možnost vypnutí rekuperace pˇri zaˇrazeném prvním pˇrevodovém stupni. Algoritmus tak obsahuje znaˇcné množství nastavitelných parametru, ˚ které by mˇely pozitivnˇe pusobit ˚ na rˇ ízení rekuperace vozidla. Souhrn nastavitelných parametru˚ algoritmu: •

recOn - aktivace rˇ ízení rekuperace vozidla.

•

selMode - nastavení módu rˇ ízení rekuperace.

•

recDelay - zpoždˇení mezi detekcí brzdného procesu a aktivací rekuperace.

•

discDelay - zpoždˇení mezi aktivací signálu˚ stClutchSw a disconnect.

•

rec1On - aktivace rekuperace na první pˇrevodový stupen. ˇ

•

speedOff - nastavení spodní hranice rychlosti pro deaktivaci rekuperace.

•

Speed mód: –

speedLeap - nastavení rychlostního skoku považovaného za brzdˇení.

–

brakeRep - nastavení nutného poˇctu opakování brzdˇení pro aktivaci rekuperace. 41

ˇ ÍZENÍ REKUPERACE VOZIDLA 6. R 6.2.1 Vizualizace rˇízení Signály stClutchSw, disconnect a všechny parametry popisující prubˇ ˚ eh jízdy vozidla budu pˇrídány do záznamu ukládaného na pˇripojený PC. Pro potˇreby sledování prubˇ ˚ ehu jízdy a rekuperace byl na pˇredních panelech virtuálních nástroju˚ bˇežících na kontroléru pˇrístroje CompactRIO a pˇripojeného PC vytvoˇreny jednoduché uživatelské rozhraní. Pˇrední palel aplikace bˇežící na kontroléru bude vizualizovat jednotlivé hodnoty urˇcující bˇeh vozidla jako rychlost, otáˇcky, pˇrevodový stupenˇ a další základní hodnoty známé rˇ idiˇci vozidla. Virtuální nástroj bude také nastavovat jednotlivé parametry algoritmu rˇ ídicího rekuperaci vozidla a zobrazovat hodnoty signálu˚ stClutchSw a disconnect. Pˇrední panel virtuálního nástroje pˇripojeného PC pak bude vizualizovat velikost energie vyrobené bˇehem brzdˇení. Dále bude zobrazovat množství energie spotˇrebované na zátˇežovém motoru. Jením z vedlejších požadavku˚ bylo, aby ústˇredna tyto hodnoty zobrazovala samostatnˇe pro jednotlivé cˇ ásti EHK testu. Namˇerˇ ené energie budou zobrazovány do sloupcového grafu podle jednotlivých UDC a EUDC cyklu. ˚ Rozdˇelení hodnot do cyklu bude provádˇeno v mˇerˇ ícím cyklu ze známosti struktury EHK testu. Cyklus bude kontrolovat posloupnost zaˇrazených pˇrevodových stupnˇ u. ˚ Posloupnost (0,1,0,1,2,0,1,2,3,0) je vyjádˇrením jednoho UDC cyklu, staˇcí tedy kontrolovat dosažení tˇretího pˇrevodového stupnˇe a následné zaˇrazení neutrálu.

42

Kapitola 7

Analýza výsledku˚ V prubˇ ˚ ehu konstrukce cílového systému došlo k urˇcitým zpoždˇením, které vyústily v odložení plánovaných testu˚ vozidla na dobu, kdy výsledky nemohly být zakomponovány do textu této práce. Z tohoto duvodu ˚ nebyly k dispozici reálné energetické pˇrínosy rekuperaˇcního systému vozidla, kterému se tato práce vˇenuje. Pˇresto v prubˇ ˚ ehu roku 2012 ve válcové zkušebnˇe v Brnˇe a v roce 2013 ve válcové zkušebnˇe v areálu spoleˇcnosti ŠKODA Auto v Mladé Boleslavi probˇehlo nˇekolik EHK testu, ˚ kterých jsme se mohli s naší diagnostickou ústˇrednou žúˇcastnit. V dobˇe tˇechto testu˚ mˇel sice cílový automobil i ústˇredna jinou podobu než nyní, avšak tyto testy poskytly dostatek informací pro ovˇerˇ ení funkˇcnosti systému.

7.1

Mˇerˇící systém ústˇredny

Bˇehem provedených testu˚ byla ústˇredna pˇripojena k vozidlu velmi podobným zpu˚ sobem, který je popsán v této práci. Ústˇredna mˇerˇ ila velikosti napˇetí a proudu˚ ve vybraných cˇ ástech vozidla a logovala je do zaznámu. Souˇcasnˇe docházelo k výmˇenˇe informací s rˇ ídicími jednotkami vozidla pˇres sbˇernici CAN. Parametry elektrického obvodu vozidla byly sice jiné než v aktuální verzi, ale tento fakt nemá vliv na výsledné ovˇerˇ ení funkˇcnosti systému. Ústˇredna zvládala mˇerˇ ení požadovaných hodnot, komunikaci s rˇ ídicí jednotkou vozidla a logování dat do souboru˚ na pˇripojené PC v souladu s požadovaným zadáním. Na mˇerˇ ící cˇ ásti ústˇredny nedošlo k žádným radikálním zmˇenám a proto vzhledem k výsledkum ˚ tˇechto testu˚ a vystavení ústˇredny dalším základním testum ˚ v prubˇ ˚ ehu implemntace úprav diagnostické mˇerˇ ící ústˇredny je možné považovat výsledný systém za korektní nástroj pro požadované úˇcely.

7.2

ˇ Rízení rekuperace vozidla

Pro otestování funkˇcnosti algortimu pro rˇ ízení rekuperace byl vytvoˇren jednoduchý simulátor nahrazující rˇ ídicí jednotku vozidla, která diagnostickou ústˇrednu informuje o prubˇ ˚ ehu jízdy. Simulátor je založen na záznamech o prubˇ ˚ ehu jízdy vytvoˇrených pˇri výše zmímˇených EHK testech. Logger dat byl pˇri tˇechto testech plnˇe funkˇcní a v každém mˇerˇ ícím cyklu tedy ukládal nezbytné informace o jízdˇe. Pro simulaci EHK testu tedy staˇcí naˇcítat požadovaná data ze souboru a vkládat hodnoty ze záznamu do promˇenných reprezentujích promˇenné naˇcítané z CAN zpráv. Pro tyto úˇcely byly ze záznamu mˇerˇ ení vybrány hodnoty potˇrebné k rˇ ízení rekuperace. Jmenovitˇe se jedná o rychlost, pˇrevodový stupen, ˇ otáˇcky spalovacího motoru, poloha plynového pedálu, spojky a brzdového pedálu. Funkce TDMS read pro vyˇcítání dat z TDMS souboru˚ bere jako vstupní parametr pole s názvy jednotlivých sloupcu˚ a usnadní nám tedy 43

7. A NALÝZA VÝSLEDK U˚ výbˇer pouze poutˇrebných dat. Simulátor pˇri každém opakování mˇerˇ ícího cyklu nahradí hodnoty z CAN zpráv daty naˇcítanými ze souboru umístˇeného na disku pˇrístroje CompactRIO. Ústˇredna pak pracuje zcela identicky, jako by získávala hodnoty z aktuální jízdy.

Ch39 []

Jednotlivé módy byly podrobeny sadˇe testu˚ nad záznamy dat z pˇredchozích reálných mˇerˇ ení. Všechny módy se chovaly podle oˇcekávaných vlastností, mˇely odlišnou dobu detekce možnosti aktivace rekuperaˇcního systému. Throttle mód dosahoval nejrychlejší detekce brzdˇení vozidla a tedy potencionálnˇe i nejvˇetší hodnotˇe vyrobené energie. Speed mód mˇel o nˇeco pomalejší reakci a v základním nastavení vstupních parametru˚ docházelo k nežádoucím pˇreskokum ˚ mezi aktivním a neaktivním stavem. Brake mód vzhledem ke struktuˇre EHK testu, kdy ke zpomalování s využítím brzd dochází až v druhé polovinˇe zpomalovacího procesu, dosahoval nejnižších hodnot vyrobené elektrické energie. Na následujícím obrázku je možné vidˇet rˇ ízení rekuperace algoritmem v Throttle módu v prubˇ ˚ ehu jednoho UDC cyklu. Nastavitelné vstupní paramerty algroritmu byly ponechány na svých iniciálních hodnotách, tedy RecDelay=0, discDelay=0, rec1On = 1, SpeedOff = 0. Pˇri tomto nastavení Throttle mylnˇe považoval rˇ azení za dobu vhodnou k rekuperaci a byt’ jen na moment, aktivoval signál StClutchSw. Podobné chování mˇel iSpeed mód, z duvodu ˚ malého zpomalení bˇehem rˇ azení (zoubky v grafu rychlosti).

60 50 40 30 20 10 0 0

2000

4000

6000

8000

10000 Index []

V prubˇ ˚ ehu simulací byly také vyzkoušeny ruzné ˚ kombinace nastavení vstupních parametru˚ algoritmu a pozorován jejich vliv na výsledné chování rˇ ízení rekuperace vozidla. Bylo zjištˇeno, že vhodným nastavením lze docílit splnˇení libovolných požadavku˚ na rˇ ízení a bezpeˇcnˇe eliminovat nežádoucí chování algoritmu. V následujícím obrázku je možné vidˇet zmˇenu chování algoritmu v Throttle módu pˇri nastavení parametru recDelay na jednu sekundu. Byly eliminovány všechny nežádoucí stavy a mírnˇe posunut bod aktivace signálu 44

Evaluation Version

Obrázek 7.1: Throttle mód - rekuperace pˇri jednom UDC cyklu. Všechny nastavitelné parametry na iniciální hodnotˇe (0).

7. A NALÝZA VÝSLEDK U˚

Ch39 []

stClutchSw. Podobnˇe reagovaly na zmˇenu vstupních parametru˚ i ostatní módy algoritmu.

60 50 40 30 20 10 0 0

2000

4000

6000

8000

10000 Index []

Simulací bylo zjištˇeno, že algoritmus je vhodným rˇ ešením rˇ ízení rekuperace automobilu. Jednotlivé módy odpovídají svým úˇcelum ˚ a jsou pˇripraveny k testování na reálném systému. Dále bylo ovˇerˇ eno chování algoritmu pˇri zmˇenˇe nastavení vstupních parametru˚ a potvrzena tedy jejich korektní funkce. Diagnostická programovatelná ústˇredna tedy odpovídá požadovanému zadání a je pˇripravena k nasazení na cílový systém. Simulací programu byly vyˇcerpány aktuální možnosti úprav ústˇredny a tím ukonˇcena práce na souˇcasné verzi projektu. Jakmile budou provedeny testy na reálném vozidle, bude možné analyzovat energetické vlastnosti vozidla, inovovat vlastnosti a funkce ústˇredny a celkovˇe pokraˇcovat v rozvoji práce.

45

Evaluation Version

Obrázek 7.2: Throttle mód - rekuperace pˇri jednom UDC cyklu. Parametr recDelay nastaven na 1sec.

Kapitola 8

Závˇer V úvodních kapitolách jsem se vˇenoval teoretickým poznatkum ˚ týkajících se tématu vozidel s hybriním pohonem. Seznámil jsem cˇ tenáˇre s alternativními palivy používanými v osobních automobilech, popsal technologie používané k nahrazení spalovacích motoru˚ a vysvˇetlil principy jejich testování. Z této cˇ ásti je možné si udˇelat obrázek souˇcasném trendu vývoje automobilu˚ a smˇerˇ ování vyroby v následujících letech. Dále jsem se zabýval cílovým systémem a vysvˇetlil roli mé práce v systému. V praktické cˇ ásti jsem se zabýval jednotlivým konstrukˇcním prvkum ˚ ústˇredny, popsal požadavky, vyskytnuté problémy, návrhy jejich rˇ ešení a výslenou implementaci. V závˇeru práce jsem ovˇerˇ il dosažené cílé a struˇcnˇe navrhl možnosti dalšího rozvoje práce. Bˇehem zpracování práce jsem získal potˇrebné teoretické vˇedomosti o tématu a dukladnˇ ˚ e se seznámil s použitými vývojovými nástroji. Souˇcasnˇe jsem získal duležité ˚ zkušenosti s principem testování automobilu˚ a vývojem mˇerˇ ících a rˇ ídicích aplikací. Implementoval jsem funkˇcní diagnostickou programovatelnou mˇerˇ ící ústˇrednu vozidla, která bude použita pˇri testování cílového systému a navrhl možnosti jejího uplatnˇení. V nejbližší dobˇe se uskuteˇcní reálné testy vozidla, kterých se budu se svou ústˇrednou úˇcastnit a získám tak možnost podílet se na vývoji vozidel s hybridním pohonem, ovˇerˇ it skuteˇcné vlastnosti systému a vyhodnotit svuj ˚ pˇrínos k diskutovanému tématu.

46

Literatura [1]

Vaculík Jiˇrí: Alternativní paliva. 2007, http://www.tipcars.com/magazin-alternativni-paliva -v-cr-blyska-se-na-lepsi-casy-2438.html

[2]

EUROPA - Pˇrehledy právních pˇredpisu˚ EU: Snížení zneˇcišt’ujících emisí z lehkých vozidel. (záˇrí 2011). http://www.europa.eu/legislation_summaries/environment / air_pollution/l28186_cs.htm#amendingact

[3]

Wikipedie - Otevˇrená encyklopedie: Bioethanol. (2013). httphttp://cs.wikipedia.org/wiki/Bioethanol

[4]

Wikipedie - Otevˇrená encyklopedie: Bionafta. (2013). http://http://cs.wikipedia.org/wiki/Bionafta

[5]

Wikipedie - Otevˇrená encyklopedie: Elektromobil. (2013). http://www.ics.muni.cz/bulletin/articles/331.htmlhttp: //cs.wikipedia.org/wiki/Elektromobil

[6]

ˇ systém motorové brzdy. (2013). Roman Mareˇcek: Bakaláˇrská práce. Rídicí https://is.muni.cz/auth/th/207591/fi_b/?studium=575272

[7]

Škoda AUTO Zpráva o trvale udržitelném rozvoji . (2012). https://http://new.skoda-auto.com/SiteCollectionDocuments /company/environment/sustainable-development/cs/ sustainability-report-2011-2012.PDF

[8]

Škoda AUTO. Ekologické techlologie ŠKODA. (2013). https://http://new.skoda-auto.com/cs/company/environment /green-technologies#.UXQE9MpNFzU

[9]

National Instruments Publications. CompactRIO Developers Guide. (2008).

[10]

National Instruments Publications. LabVIEW Users Guide. (2008).

[11]

Škoda AUTO. Katalog Škoda AUTO Fabia - technické údaje. (2013). http://www.skoda-auto.cz/sitecollectiondocuments/skoda-auto /ke-stazeni/fabia-katalog.pdf

[12]

Wikipedie - Otevˇrená encyklopedie. Metoda nejmenších cˇ tvercu˚ . (2013). http://cs.wikipedia.org/wiki/Metoda_nejmensich_ctvercu 47

ˇ 8. Z ÁV ER

[13]

National Instruments Publications. National Instruments Developer Zone - Network Streams: Components, Architecture and Performance. (2013). http://www.ni.com/white-paper/3727/en

[14]

National Instruments Publications. National Instruments Developer Zone - NI TDMS File Format. (2013). http://www.ni.com/white-paper/12267/en

[15]

National Instruments Publications. National Instruments Developer Zone - NI TDMS File Format Internal Structure. (2013). http://www.ni.com/white-paper/5696/en

[16]

Ing.Miroslav Závidˇcák National CAN - popis struktury. (2004). http://www.hw.cz/navrh-obvodu/rozhrani/can-popis-struktury.html

[17]

Ing. Karel Polák. Sbˇernice CAN. (2003). http://www.elektrorevue.cz/clanky/03021/index.html

[19]

National Instruments Publications. LabVIEW Basics 1 Course Manual. (2006). http://www.unife.it/ing/informazione/Sistemi-acquisizione-dati/ manuale-di-programmazione-labview/manuale-labview-8-0-inglese

[18]

National Instruments Publications. LabVIEW Basics 2 Course Manual. (2006). http:http://webuser.unicas.it/misure/SAM/LabVIEW%207%20Base%20II.pdf

[20]

Analýza energetickéh systému vozidla - materiál poskytnutý vývojáˇrským týmem. TestSKODARD13. (2013).

[21]

Prof. Ing. František Vlk, DrSc.: ALTERNATIVNÍ POHONY MOTOROVÝCH VOZIDEL. 2004, http://www.sinz.cz/archiv/docs/si-2004-04-212-224.pdf

[22]

T J Barlow, S Latham, I S McCrae and P G Boulter: A reference book of driving cycles for use in the measurement of road vehicle emissions. 2004, https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/ attachment_data/file/4247/ppr-354.pdf

[23]

Josef Blažek, Katedra vozidel a motoru, ˚ TUL: Zaˇrízení pro emisní testy osobních automobilu. ˚ http://www.sinz.cz/archiv/docs/si-2004-04-212-224.pdfhttp:

[24]

National Instruments Publications: NI9229/9239 Operatin instruction and specification. http://www.ni.com/pdf/manuals/374184j.pdf

48

Pˇríloha A

Uživatelké rozhraní aplikace

Obrázek A.1: Pˇrední panel virtuálního nástroje StreamReader.vi zobrazujícího energie v prubˇ ˚ ehu jednotlivých cyklu. ˚ Nastaveno pro opakované testování UDC cyklu. Zobrazovaná data nepocházejí ze skuteˇcných testu. ˚

49

A. U ŽIVATELKÉ ROZHRANÍ APLIKACE

Obrázek A.2: Pˇrední panel virtuálního nástroje BrzdaTestR1.vi zobrazující data pˇrijatá ze sbˇernice CAN.

Obrázek A.3: Pˇrední panel virtuálního nástroje BrzdaTestR1.vi zobrazující mˇerˇ ení fyzikálních signálu. ˚

50

A. U ŽIVATELKÉ ROZHRANÍ APLIKACE

Obrázek A.4: Pˇrední panel virtuálního nástroje StreamReader.vi zobrazujícího energie v prubˇ ˚ ehu jednotlivých cyklu. ˚ Nastaveno pro opakované testování UDC cyklu. Zobrazovaná data nepocházejí ze skuteˇcných testu. ˚ 51

Pˇríloha B

Obsah CD Pˇriložené CD obsahuje popsanou aplikaci ve formˇe LabVIEW projektu, text práce ve formátu PDF a LATEX. Minimální software potˇrebný pro spuštˇení aplikace: •

NI LabVIEW 2011

•

NI LabVIEW Real-Time Module 2011

•

NI LabVIEW FPGA Module 2011

•

NI LabVIEW CompcactRIO 3.0.1

•

NI CAN 2.7.2

52

Diagnostická programovatelná měřící ústředna vozidla

Recommend Documents