Fakulta elektrotechnická. Model elektrohydraulické vozidlové brzdy

ˇ ´ vysoke ´ uc ˇen´ı technicke ´ v Praze Cesk e ´ Fakulta elektrotechnicka

´ PRACE ´ DIPLOMOVA Model elektrohydraulick´ e vozidlov´ e brzdy

Praha, 2010

Autor: Michal Vinkl´ aˇ r

Prohl´ aˇ sen´ı Prohlaˇsuji, ˇze jsem pˇredloˇzenou práci vypracoval samostatnˇe a ˇze jsem uvedl veˇskeré pouˇzité informaˇcn´ı zdroje v souladu s Metodick´ ym pokynem o dodrˇzován´ı etick´ ych princip˚ u pˇri pˇr´ıpravˇe vysokoˇskolsk´ ych závˇereˇcn´ ych prac´ı.

V Praze dne podpis

i

Podˇ ekov´ an´ı Dˇekuji vedouc´ımu diplomové práce Ing. Denisu Warausovi a vˇsem z katedry mˇeˇren´ı, kteˇr´ı sv´ ymi radami pˇrispˇeli k vytvoˇren´ı této práce. Dále bych chtˇel podˇekovat vˇsem, kteˇr´ı mˇe podporovali pˇri studiu.

ii

Abstrakt Práce se zab´ yvá moˇznostmi elektronického ovládán´ı vozidlov´ ych brzd pro systém brake-by-wire. Jsou rozebrány pouˇz´ıvané metody brzdn´ ych systém˚ u z pohledu elektrického ovládán´ı. Je navrˇzen elektro-hydraulick´ y systém ovládán´ı brzd a provedena jeho simulace. V posledn´ı ˇca´sti je popsán vytvoˇren´ y hardware pro ovládán´ı systém˚ u x-by-wire.

Abstract This work deals with the electronic control possibilities for automotive brake system for brake-by-wire. Used electrical control methods are discussed in terms of braking systems. An (innovative) electro-hydraulic brake system is designed and implemented. The system’s simulation is carried out afterwards. The last part describes the hardware developed for control of x-by-wire systems.

iii

iv

Obsah Obsah

ix

Seznam obr´ azk˚ u

xii

Seznam tabulek

xiv

´ 1 Uvod

1

2 Problematika brzdˇ en´ı po dr´ atech (brake-by-wire)

3

2.1

Popis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

2.2

FlexRay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

3 Pouˇ z´ıvan´ e brzdn´ e syst´ emy 3.1

3.2

7

Popis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

3.1.1

Typy ovládán´ı tˇrec´ıch brzdn´ ych systém˚ u . . . . . . . . . . . . . .

8

3.1.2

Pouˇz´ıvané asistenˇcn´ı brzdné systémy . . . . . . . . . . . . . . . .

9

Moˇznosti elektrického brzdˇen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

3.2.1

Popis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

3.2.2

Kl´ınová brzda (EWB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

3.2.3

Elektrodynamické brzdˇen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

3.2.4

Brzdˇen´ı v´ıˇriv´ ymi proudy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

3.2.5

Brzdˇen´ı magnetické . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

3.2.6

Magnetoreologická brzda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

3.2.7

Elektro-mechanické brzdˇen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

3.2.8

Elektro-vzduchové brzdˇen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

3.2.9

Elektro-hydraulické brzdˇen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

vii

4 Simulace

23

4.1

Systém s tlakov´ ym zásobn´ıkem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

4.2

Hydraulické kapaliny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

4.3

Simulaˇcn´ı schéma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

4.4

Vlastnosti – porovnán´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

4.5

Zhodnocen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

5 Hardware

39

5.1

Popis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

5.2

Poˇzadavky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

5.2.1

Obecné poˇzadavky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

5.2.2

Steer-by-wire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

5.2.3

Brake-by-wire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

5.2.4

X-by-wire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

5.2.5

Shrnut´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

Komunikaˇcn´ı deska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

5.3.1

Funkce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

5.3.2

Jednotlivé ˇcásti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

V´ ykonová deska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

5.4.1

Funkce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

5.4.2


69

Pedálová deska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76

5.5.1

Funkce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76

5.5.2


77

Kolová deska (bezdrátov´ y akcelerometr) . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

5.6.1

Funkce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

5.6.2


83

Pomocné desky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

85

5.7.1

LPT – JTAG programátor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

86

5.7.2

Akcelerometrová deska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

87

5.8

Varianty celého systému . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

88

5.9

EMC testy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

90

5.3

5.4

5.5

5.6

5.7

6 Software

95

7 Z´ avˇ er

97 viii

8 Pouˇ zit´ e zkratky

99

Literatura

102

A Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD

I

B Elektrick´ e sch´ ema navrˇ zen´ ych desek

ix

III

x

Seznam obr´ azk˚ u 2.1

Pˇr´ıklad vyuˇzit´ı automobilov´ ych sbˇernic . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

3.1

ABS systém s uzavˇren´ ym okruhem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

3.2

ABS systém s otevˇren´ ym okruhem

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

11

3.3

Princip kl´ınové brzdy Siemens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

3.4

Realizovan´ y systém kl´ınové brzdy Siemens . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

3.5

Pˇr´ıklad paraleln´ıho hybridn´ıho pohonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

3.6

Konstrukce v´ıˇrivé brzdy s chlazen´ım . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

3.7

Uspoˇrádán´ı MR brzdy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

3.8

EMB Elektro-mechanická brzda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

3.9

Sensotronic Brake Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

4.1

Navrhovaná hydraulika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

4.2

Viskozita hydraulick´ ych kapalin pˇri tlaku 200bar˚ u . . . . . . . . . . . . .

30

4.3

Simulaˇcn´ı schéma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

4.4

Graf pr˚ utok˚ u a tlak˚ u v systému . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

4.5

Graf pr˚ ubˇehu stavu motoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

4.6

Graf pr˚ ubˇehu stavu brzdy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

4.7

Graf pr˚ ubˇeh˚ u pr˚ utok˚ u v systému pro r˚ uzné viskozity . . . . . . . . . . .

37

4.8

Graf pr˚ ubˇeh˚ u tlak˚ u v systému pro r˚ uzné viskozity . . . . . . . . . . . . .

38

5.1

Schéma systému steer-by-wire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

5.2

Schéma systému brake-by-wire (se systémem steer-by-wire) . . . . . . . .

42

5.3

Senzor polohy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

5.4

Aktivn´ı MR tlumiˇc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

5.5

Komunikaˇcn´ı deska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

5.6

Blokové schéma komunikaˇcn´ı desky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

5.7

Blokové schéma procesoru MC9S12XF512 . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

xi

5.8

Rozmˇery desky a montáˇzn´ıch otvor˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

5.9

V´ ykonová deska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

5.10 Blokové schéma v´ ykonové desky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

5.11 Blokové schéma m˚ ustku VNH2SP30 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

70

5.12 Pedálová deska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76

5.13 Blokové schéma pedálové desky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

77

5.14 Kolová deska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

5.15 Blokové schéma kolové desky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

5.16 Blokové schéma μP MPXY8300 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

84

5.17 LPT - JTAG programátor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

86

5.18 Akcelerometrová deska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

87

5.19 Jednotka sloˇzená z komunikaˇcn´ı a v´ ykonové desky . . . . . . . . . . . . .

88

5.20 Jednotka sloˇzená z komunikaˇcn´ı, v´ ykonové a pedálové desky . . . . . . .

89

5.21 Zmˇeˇrené vyzaˇrován´ı pro pásmo 9kHz aˇz 30MHz . . . . . . . . . . . . . .

93

5.22 Zmˇeˇrené vyzaˇrován´ı pro pásmo 30MHz aˇz 1GHz . . . . . . . . . . . . . .

93

xii

Seznam tabulek 3.1

Nab´ıdka servomotor˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

4.1

Soupis pouˇzit´ ych komponent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

4.2

Vlastnosti brzdov´ ych kapalin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

4.3

Vlastnosti hydraulick´ ych olej˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

4.4

Srovnán´ı navrˇzeného systému se systémem ABS . . . . . . . . . . . . . .

33

5.1

Pouˇzité senzory a akˇcn´ı prvky systému steer-by-wire . . . . . . . . . . . .

40

5.2

Pouˇzité senzory a akˇcn´ı prvky systému brake-by-wire . . . . . . . . . . .

42

5.3

Pouˇzité senzory a akˇcn´ı prvky systému X-by-wire . . . . . . . . . . . . .

45

5.4

Ovládán´ı zdroj˚ u

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

50

5.5

Pˇripojen´ı Watchdog obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

5.6

Signalizaˇcn´ı LED diody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

5.7

Pˇripojen´ı FPGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

5.8

Pˇripojen´ı SPI Flash pamˇeti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

56

5.9

Pˇripojen´ı FlexRay budiˇce A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

56

5.10 Pˇripojen´ı FlexRay budiˇce B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

5.11 Propojen´ı CAN budiˇce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

5.12 Propojen´ı RF transciever . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58

5.13 Pˇripojen´ı RF modulu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

5.14 Rozˇsiˇruj´ıc´ı konektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

5.15 Napájec´ı konektory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

5.16 Konektor FlexRay sbˇernice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61

5.17 Konektor CAN sbˇernice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61

5.18 Konektor pro 3os´ y akcelerometr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61

5.19 Konektor pro NTC teplomˇer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

62

5.20 Konektor pro ventilátor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

62

5.21 Konektor Wakeup LOC

62

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii

5.22 Konektor RS232 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63

5.23 Konektor pro pˇripojen´ı k SPI Flash pamˇeti . . . . . . . . . . . . . . . . .

63

5.24 Konektor JTAG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64

5.25 Konektor BDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64

5.26 Konfiguraˇcn´ı propojky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

5.27 Signalizaˇcn´ı LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66

5.28 Konfiguraˇcn´ı odpory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66

5.29 Ovládac´ı signály m˚ ustku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69

5.30 Nastaven´ı jumper˚ u m˚ ustku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

71

5.31 Zapojen´ı konektor˚ u H-m˚ ustku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

71

5.32 Zapojen´ı PISO pˇrevodn´ıku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

72


73

5.34 Zapojen´ı pˇripojovac´ıho konektoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

74

5.35 Zapojen´ı konektoru senzoru natoˇcen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

75

5.36 Zapojen´ı konektoru otáˇcek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

75

5.37 Zapojen´ı konektoru proudové smyˇcky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76

5.38 Zapojen´ı gyroskopu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78

5.39 Zapojen´ı budiˇce mosfet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78

5.40 Zapojen´ı pˇripojovac´ıch konektor˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

79


79

5.42 Propojovac´ı konektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80

5.43 Konektor pedálu A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

81

5.44 Konektor pedálu B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

81

5.45 Signály digitáln´ıch IO konektor˚ u. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

81


83

5.47 Zapojen´ı signalizaˇcn´ıch diod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

85

5.48 Konektor BDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

85

5.49 Signály JTAG konektoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

86

5.50 Signály pˇripojovac´ıho konektoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

87

5.51 Nastaven´ı akcelerometru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

88

5.52 Rozˇsiˇruj´ıc´ı konektory desek

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

90

5.53 Zmˇeˇrená odolnost v˚ uˇci vysokofrekvenˇcn´ımu elmag. poli . . . . . . . . . .

91

5.54 Testovac´ı u ´rovnˇe na signálov´ ych vstupech a v´ ystupech

. . . . . . . . . .

91

5.55 V´ ysledek testu pro Burst ruˇsen´ı do signálov´ ych vodiˇc˚ u . . . . . . . . . .

92

xiv

Kapitola 1 ´ Uvod Pˇredmˇetem této práce je rozˇs´ıˇren´ı vyuˇzit´ı sbˇernice FlexRay na testovac´ım vozidle. Sbˇernice se jiˇz pouˇz´ıvá pro systém steer-by-wire a touto prac´ı by mˇela b´ yt rozˇs´ıˇrena i na systém brake-by-wire. Proto je potˇreba seznámit se s pouˇz´ıvan´ ymi brzdov´ ymi systémy a navrhnout elektricky ovládateln´ y brzdn´ y systém, kter´ y bude splˇ novat vˇseobecné poˇzadavky na tyto systémy. Ve druhé ˇca´sti je rozebrán problém ˇr´ızen´ı tohoto systému a jsou navrˇzeny desky pro vˇseobecné pouˇzit´ı v aplikac´ıch x-by-wire na vozidle. Prvn´ı kapitola práce se zab´ yvá vˇseobecnou problematikou brake-by-wire, tedy brzdˇen´ı po drátech. Druhá kapitola popisuje dnes bˇeˇznˇe pouˇz´ıvané brzdné systémy v automobilovém pr˚ umyslu. Tˇret´ı kapitola popisuje brzdové systémy s pohledu elektronického ovládán´ı. ym zásobn´ıkem. Ve ˇctvrté kapitole je popsána simulace brzdového systému s tlakov´ Pátá kapitola popisuje navrˇzen´ y hardware pro systém brake-by-wire a jeho pouˇzit´ı i v ostatn´ıch systémech x-by-wire vyuˇz´ıvaj´ıc´ı sbˇernici FlexRay. V posledn´ı kapitole jsou shrnuty dosaˇzené v´ ysledky diplomové práce.

1

2

´ KAPITOLA 1. UVOD

Kapitola 2 Problematika brzdˇ en´ı po dr´ atech (brake-by-wire) 2.1

Popis

Problematika brzdˇen´ı po drátech je jako u ostatn´ıch systém˚ u (x-by-wire) podobná. Jedná se o odstranˇen´ı co nejv´ıce mechanick´ ych ˇci hydraulick´ ych prvk˚ u v systému, aby doˇslo k jeho celkovému zjednoduˇsen´ı, zv´ yˇsen´ı spolehlivosti a to pˇri zv´ yˇsené moˇznosti aplikace nejr˚ uznˇejˇs´ıch brzdov´ ych systém˚ u aktivn´ı bezpeˇcnosti. V brzdovém systému je spousta prvk˚ u, které trp´ı urˇcit´ ymi nev´ yhodami, kv˚ uli kter´ ym je potˇrebná relativnˇe ˇcastá kontrola ˇci u ´drˇzba. Napˇr´ıklad se jedná o brzdovou kapalinu, která je hydroskopická, tedy absorbuje vodu, a je potˇreba zajistit jej´ı pravidelnou v´ ymˇenu. Dále brzdové kotouˇce a brzdové destiˇcky, které mimo vlastn´ı opotˇreben´ı jsou náchylné na neˇcistoty, které dokáˇz´ı v´ yraznˇe zkrátit jejich ˇzivotnost. Také hydraulické veden´ı je n vysok´ ym tlakem. S pˇrihlédnut´ım, velice namáháno, jak teplem, od brzdiˇc˚ u, tak zároveˇ ˇze toto veden´ı se vˇetˇsinou nacház´ı na podvozku automobilu, kde je vystaveno nároˇcnému okoln´ımu prostˇred´ı, je potˇreba jeho pravidelná kontrola. V neposledn´ı ˇradˇe dnes pouˇz´ıvané brzdové asistenˇcn´ı systémy jsou navrˇzeny, aby fungovali v brzdovém systému, kter´ y se svou podstatou od prvn´ıch automobil˚ u témˇeˇr nezmˇenil a jejich ˇr´ıd´ıc´ı prvky jsou velice namáhány na vyˇsˇs´ı tˇren´ı, protoˇze brzdová kapalina sv´ ymi vlastnostmi nedokáˇze jejich mazac´ı potˇrebu pokr´ yt. Vyuˇzit´ım systému brake-by-wire je pˇr´ınos pro pouˇz´ıvané asistenˇcn´ı brzdové systémy, které jsou dnes v naprosté vˇetˇsinˇe ˇreˇseny elektronicky (ˇr´ıd´ıc´ı ˇca´st) a které omezuje právˇe y brzdov´ y systém by mˇel m´ıt dvakrát vyuˇz´ıván´ı standardn´ıch brzd. Plnˇe elektromechanick´ 3

ˇ Í PO DRATECH ´ 4 KAPITOLA 2. PROBLEMATIKA BRZDEN (BRAKE-BY-WIRE) rychlejˇs´ı reakˇcn´ı dobu neˇz dnes pouˇz´ıvané hydraulické brzdy s prakticky okamˇzit´ ym maximáln´ım tlakem brzdné s´ıly. V´ yvoj automobil˚ u smˇeˇruje k plnˇe elektronickému ovládán´ı a brzdn´ y systém je posledn´ı, kter´ y tomuto trendu stále odolává.

2.2

FlexRay

FlexRay je speciálnˇe navrˇzená sbˇernice pro aplikace v systémech x-by-wire, tedy vˇseobecnˇe ˇr´ızen´ı po drátech v automobilovém pr˚ umyslu. Je spravována konsorciem sdruˇzuj´ıc´ım hlavn´ı v´ yrobce automobil˚ u a jejich komponent (Daimler-Chrysler, BMW, General Motors, Ford, Volkswagen, Bosch, Freescale a Philips). Od roku 2000, kdy specifikovala prvn´ı verzi systému do roku 2009, kdy byla dokonˇcena specifikace FlexRay verze 3.0 a doˇslo k ukonˇcen´ı konsorcia. Pro tuto práci jsou vyuˇzity μP s integrovan´ ym FlexRay ˇradiˇcem firmy Freescale MC9S12XF s implementovan´ ym protokolem FlexRay verze 2.1. (BMW, 2010) Tato práce se nezab´ yvá pˇr´ımo vlastnostmi sbˇernice FlexRay. Jej´ı vlastnosti byly ´r ˇ, M., 2008), (Beneˇ rozeb´ırány v jin´ ych prac´ıch (Waraus, D., 2008), (Vinkla s, R., ´, V., 2007), (Voja ć ˇek, A., 2007). 2009), (Pokorny Zde pouze shrnu základn´ı vlastnosti sbˇernice FlexRay V2.1.: (Carmotor, 2010), (FlexRay, 2005) • Pˇrenosová rychlost: 10 Mbps (na kanál) • Maximáln´ı zpoˇzdˇen´ı pˇrenosu: 2,4 μs • Pˇr´ıstupová metoda: TDMA • Typ pˇrenosu: sériov´ y, diferenˇcn´ı • Poˇcet kanál˚ u: jednokanálová, dvoukanálová (redundantn´ı), kombinace obou • Zabezpeˇcen´ı: diferenˇcn´ı pˇrenos, CRC zabezpeˇcen´ı, redundantn´ı kanál • Synchronizace jednotek v s´ıti • Dálkové probouzen´ı uzlu • Detekce chyb na u ´rovni budiˇce sbˇernice a na vyˇsˇs´ıch u ´rovn´ıch

2.2. FLEXRAY

5

Na obr. 2.1 je naznaˇceno vyuˇzit´ı sbˇernic na vozidle. Jsou zobrazeny sbˇernice LIN, CAN a FlexRay a jejich typické vyuˇzit´ı. Sbˇernice FlexRay je vyuˇzita právˇe pro bezpeˇcnostnˇe kritické aplikace jako je ovládán´ı natoˇcen´ı kol a ovládán´ı brzdového systému.

Obr´ azek 2.1: Pˇr´ıklad vyuˇzit´ı automobilov´ ych sbˇernic (FreeScale, 2010)

ˇ Í PO DRATECH ´ 6 KAPITOLA 2. PROBLEMATIKA BRZDEN (BRAKE-BY-WIRE)

Kapitola 3 Pouˇ z´ıvan´ e brzdn´ e syst´ emy 3.1

Popis

Brzdn´ y systém vozidla slouˇz´ı k zastaven´ı, zpomalen´ı, nebo udrˇzen´ı vozidla v klidu. Vyuˇz´ıvaj´ı se systémy, které zvyˇsuj´ı j´ızdn´ı odpory – tˇrec´ı brzdy nebo systémy, které mˇen´ı smˇer taˇzné s´ıly – elektromotor zapojen jako generátor. Protoˇze se na brzdn´ y systém vozidla nahl´ıˇz´ı jako na systém zajiˇst’uj´ıc´ı bezpeˇcnost dopravy jsou na nˇej kladeny pˇr´ısné pˇredpisy. Pˇri brzdˇen´ı je potˇreba odebrat systému velké mnoˇzstv´ı kinetické energie. Jej´ı velikost se dá urˇcit pomoc´ı vzorce W =

1 2

mv 2 , tedy závis´ı na hmotnosti a na druhé mocninˇe

rychlosti vozidla. Nejefektivnˇejˇs´ım zp˚ usobem brzdˇen´ı je vrátit tuto energii do zdroje, aby byla pˇripravená pro vyuˇzit´ı pˇri rozj´ıˇzdˇen´ı. Toto je ale moˇzné vyuˇz´ıt pouze u elektrického typu brzdy, nebo u speciáln´ı mechanické, kde se energie ukládá napˇr´ıklad do setrvaˇcn´ıku. Tato metoda, ale nen´ı u sériov´ ych voz˚ u pouˇz´ıvaná. Dnes jedin´ ym pouˇz´ıvan´ ym systémem rekuperace brzdné energie je u tzv. hybridn´ıch vozidel, kde je pro pohon vyuˇzit elektromotor a pˇri brzdˇen´ı se tento motor vyuˇz´ıvá jako generátor a pˇremˇenˇenou energii ukládá zpˇet do bateri´ı pro budouc´ı pouˇzit´ı. U ostatn´ıch brzd se energie mˇen´ı na teplo. Toto teplo je potˇreba odvést z brzdn´ ych systém˚ u, aby nedoˇslo nevratn´ ym zmˇenám ˇci poˇskozen´ı prvk˚ u a byla zajiˇstˇena funkce brzd. Teplo se vyv´ıj´ı pˇr´ımo v prostoru brzdy (kotouˇcové ˇci bubnové tˇrec´ı brzdy), nebo mimo prostor brzdy (elektrodynamické brzdy s odporn´ıkem). U druh´ ych zmiˇ novan´ ych brzd nedocház´ı ke tˇren´ı a tak tyto brzdy nejsou zat´ıˇzeny opotˇreben´ım styˇcn´ ych ploch. U vozidel se vyuˇz´ıvaj´ı pˇreváˇznˇe jako odlehˇcovac´ı brzda, pˇri j´ızdˇe z kopce u nákladn´ıch vozidel. Vˇsechny dnes vyrábˇené sériové vozy jsou opatˇreny kotouˇcov´ ymi brzdami, u nˇekter´ ych vozidel bubnov´ ymi na zadn´ı nápravˇe, tedy tˇrec´ı brzdou. 7

ˇÍVANE ´ BRZDNE ´ SYSTEMY ´ KAPITOLA 3. POUZ

8

3.1.1

Typy ovl´ ad´ an´ı tˇ rec´ıch brzdn´ ych syst´ em˚ u

Mechanicky ovl´ adan´ e brzdy Mechanicky ovládan´ ymi brzdy je myˇsleno ovládán´ı pomoc´ı táhel. Tyto brzdy byly u zrodu automobilismu a dnes se pouˇz´ıvaj´ı v´ yhradnˇe jako nouzová ˇci parkovac´ı brzda. Tlak na brzdové obloˇzen´ı je vyv´ıjen pomoc´ı páky nebo pedálu a pˇrenáˇsen pomoc´ı lanka. Tento zp˚ usob ovládán´ı je nevhodn´ y z nˇekolika hledisek: • Sloˇzité veden´ı lanek ke kol˚ um • Veden´ı náchylné na neˇcistoty v bowdenu • Sloˇzitá kontrola stavu lanka Vzduchem ovl´ adan´ e brzdy Vzduchem ovládané brzdy se jiˇz pouˇz´ıvaj´ı pouze u nákladn´ıch vozidle, kde maj´ı nepostradatelné v´ yhody. Vzduchové brzdy maj´ı obecnˇe pomalou reakˇcn´ı dobu a potˇrebuj´ı nˇekolikanásobnˇe vˇetˇs´ı brzdové válce, kv˚ uli pouˇz´ıvanému n´ızkému tlaku (do 10bar˚ u). Mezi v´ yhody vzduchem ovládan´ ych brzd patˇr´ı jednoduché ovládán´ı brzdné s´ıly pomoc´ı ˇskrcen´ı, relativnˇe malá ovládac´ı s´ıla (brzd´ıc´ı s´ıla se nevyv´ıj´ı pˇr´ımo na pedál pouze se ovládaj´ı pˇrepouˇstˇec´ı ventily) a pˇri nedokonalé tˇesnosti brzdového okruhu jsou ztráty doplˇ novány. Mezi nev´ yhody patˇr´ı: • dlouhá reakˇcn´ı doba brzdového systému • potˇreba vˇetˇs´ıch brzd´ıc´ıch válc˚ u (pro vytvoˇren´ı potˇrebného tlaku na brzdy) • produkované teplo pˇri stlaˇcován´ı vzduchu Hydraulicky ovl´ adan´ e brzdy Bˇeˇznˇe pouˇz´ıvané je hydraulické ovládán´ı brzd. Vzhledem k tomu, ˇze kapalina je nestlaˇcitelná je praktick´ y okamˇzit´ yu ´ˇcinek na brzdy (bez dopravn´ıho zpoˇzdˇen´ı). Pro vysok´ y tlak yhody jsou: v brzdovém veden´ı nejsou potˇreba velké brzdné válce. Jako nev´ • Pouˇz´ıvaná hydroskopická kapalina → nutná pravidelná v´ ymˇena ˇ • Spatn´ e mazac´ı u ´ˇcinky brzdov´ ych kapalin (pro systémy ABS, ESP, . . . )

3.1. POPIS

9

• Nutnost absolutnˇe tˇesného hydraulického veden´ı (omezen´ı vniku vody, u ńiku brzdové kapaliny) • Nároky na hydraulické veden´ı z hlediska tlak˚ u (aˇz 200bar˚ u) • Nároky na hydraulické veden´ı z hlediska teplot (ohˇr´ıván´ı kapaliny od brzd)

3.1.2

Pouˇ z´ıvan´ e asistenˇ cn´ı brzdn´ e syst´ emy

V dneˇsn´ıch vozidlech je kladen d˚ uraz na bezpeˇcnost a proto jsou ˇcasto vyuˇz´ıvány nejr˚ uznˇejˇs´ı asistenˇcn´ı brzdové systémy. Mezi nˇe patˇr´ı napˇr´ıklad: • ABS – (Anti-lock Brake System) Protiblokovac´ı systém - povinn´ y u nov´ ych vozidel • EDS – (Electronic Differential lock System) Elektronická uzávˇerka diferenciálu • ASR – (Anti-Slip Regulation) Protiprokluzov´ y systém • ESP – (Electronic Stability Program) Elektronick´ y stabilizaˇcn´ı program Systémy v´ yraznˇe zlepˇsuj´ı ovladatelnost vozidla za kritick´ ych situac´ıch, ale jsou omezeny fyzikáln´ımi zákony a tak, ani ony nedokáˇz´ı zabránit vˇsem rizikov´ ym stav˚ um. Napˇr´ıklad, kdyˇz se pˇr´ıliˇs vysokou rychlost´ı vjede do zatáˇcky, kde je prudká zmˇena pˇrilnavosti povrchu vozovky (asfalt a led) v tomto pˇr´ıpadˇe by ˇzádn´ y asistenˇcn´ı systém nic nezmohl. Asistenˇcn´ı brzdové systémy jsou navrˇzeny, aby i pˇri v´ ypadku (poruˇse) je zachovaná y pedál a brzdov´ y váleˇcek). p˚ uvodn´ı funkce brzd´ıc´ıho systému (pˇr´ımé propojen´ı brzdov´ Obecn´ y popis ABS Systém ABS má za u ´kol zabránit zablokován´ı kola i pˇri intenzivn´ım brzdˇen´ı. Pokud dojde k zablokován´ı kola ztrat´ı kolo adhezi s vozovkou a t´ım se sn´ıˇz´ı podélná s´ıla p˚ usob´ıc´ı na kolo a zaˇcne pˇrevaˇzovat boˇcn´ı s´ıla. T´ım dojde ke ztrátˇe s´ıly, která drˇz´ı kolo v pˇr´ımém smˇeru a vozidlo ztrat´ı smˇerovou ovladatelnost. Pojem ABS je oznaˇcen´ı, které má patentována firma Bosch pro svoje protiblokovac´ı systémy. Protoˇze je vˇsak tento pojem vˇseobecnˇe vˇzit´ y jako oznaˇcen´ı protiblokovac´ıho systému, popisuji dále protiblokovac´ı systémy zkratkou ABS i pˇres rozd´ılné znaˇcen´ı u ostatn´ıch v´ yrobc˚ u. Systém je tvoˇren´ y sn´ımaˇci otáˇcek kol na principu hallov´ ych sond nebo megnetorezisych systému umoˇzn ˇuj´ı mˇeˇren´ı rychlosti kola od nulov´ ych otáˇcek. Systém tivn´ım. U nov´


10

Obr´ azek 3.1: ABS systém s uzavˇren´ ym okruhem (GSCHEIDLE, R., 2002)

pracuje s ˇra´dovˇe 50 impulzy na otáˇcku kola. Pokud dojde k odchylce otáˇcek jednoho kola od ostatn´ıch systém detekuje problém a dané kolo odbrzd´ı, aby nedoˇslo k zablokován´ı kola. Toto provád´ı aˇz do rychlosti kolem 10km/h kde systém vyp´ıná a m˚ uˇze doj´ıt k u ´plnému zablokován´ı kola potˇrebnému k zastaven´ı vozidla. Základn´ı systém ABS nevytváˇr´ı vlastn´ı brzdn´ y tlak, pouze pˇrepouˇst´ı tlak, vyvolan´ y od hlavn´ıho brzdiˇce a posilovaˇce brzd, proto je d˚ uleˇzité pro správnou funkci systému zajistit co nejvyˇsˇs´ı tlak, tedy naplno seˇslápl´ y brzdov´ y pedál. Ovládac´ı jednotka systému ABS je tvoˇrena 8-mi elektromagnetick´ ymi ventily typu 2/2 (funkce otevˇren´ y, nebo zavˇren´ y). Kaˇzd´ y pár ventil˚ u pro jedno kolo, jeden pˇripouˇstˇej´ıc´ı normálnˇe otevˇren´ y a druh´ y odpouˇstˇej´ıc´ı - normálnˇe zavˇren´ y. Nˇekteré systémy pro vˇetˇs´ı komfort posádky obsahuj´ı ventily typu 3/3 proporcionáln´ı. Podle proveden´ı zpˇetné vˇetve se systémy dˇel´ı na dva druhy. S uzavˇren´ ym okruhem, kde je kapalina odpouˇstˇená z brzd pˇreˇcerpána pomoc´ı vysokotlakého ˇcerpadla (pouˇz´ıvá se stejná konstrukce jako vstˇrikovac´ı ˇcerpadlo paliva) zpˇet do tlakové vˇetve brzd. U otevˇreného systému je odˇcerpávaná ka-

3.1. POPIS

11

Obr´ azek 3.2: ABS systém s otevˇren´ ym okruhem (GSCHEIDLE, R., 2002)

palina vrácena do zásobn´ı nádrˇzky kapaliny a z n´ı pomoc´ı ˇcerpadla zpˇet do tlakové vˇetve brzd. Vratné ˇcerpadlo se v´ yhradnˇe pouˇz´ıvá dvou-p´ıstové hydraulické ˇcerpadlo (pro kaˇzd´ y ˇ okruh jeden p´ıst) pohánˇen´ y elektromotorem s excentrem (Skoda). Motor má pˇr´ıkon 300W ˇ a umoˇzn ˇuje dosáhnout tlaku aˇz 300bar˚ u (Skoda). Pozn. v literatuˇre se obecnˇe p´ıˇse o pouˇz´ıvaném tlaku 140bar˚ u. Systém je schopn´ y reagovat zhruba 16x za sekundu. Schéma obou systému je na obr. 3.1 a obr. 3.2. Systém je navrˇzen, aby i pˇri v´ ypadku (poruˇsen´ı funkce) nedoˇslo k pˇreruˇsen´ı brzdového systému vozidla. Vzhledem k nutnosti funkce s klasickou brzdovou kapalinou je omezena ˇzivotnost tohoto systému zhruba na 40hodin provozu. Tato doba bohatˇe postaˇcuje pro bˇeˇznˇe pouˇz´ıvané vozidlo po dobu ˇzivotnosti vozidla (10let). Systém m˚ uˇze m´ıt problém ych si s vozidly s pohonem vˇsech ˇctyˇr kol, proto b´ yvá doplnˇen dalˇs´ımi senzory z kter´ urˇcuje napˇr´ıklad aktuáln´ı rychlost vozidla. Dnes existuj´ı i systémy ABS, které pˇri brzdˇen´ı ovládaj´ı také tlumiˇce vozidla, aby byl zajiˇstˇen co nejvˇetˇs´ı brzdn´ yu ´ˇcinek.


12 Obecn´ y popis EDS (ASR)

Systém EDS má za u ´kol zabránit protáˇcen´ı hnan´ ych kol pˇri akceleraci. Je to tedy obdoba systému ABS. Systém ovládá brzdy na hnané nápravˇe, aby zv´ yˇsil odpor daného kola a nedoˇslo k pˇrebrán´ı veˇskeré s´ıly od motoru na kolo s nejmenˇs´ı adhez´ı s vozovkou. Pro vyˇsˇs´ı rychlosti systém pˇrecház´ı na systém ASR, coˇz je systém se stejnou funkc´ı, ale regulace prob´ıhá u motoru a to sniˇzován´ım momentu motoru (napˇr. vynecháván´ım zápal˚ u válc˚ u). Sn´ıˇzen´ı momentu vede k opˇetovnému z´ıskán´ı adheze kola s vozovkou. Tento systém proto mus´ı vyv´ıjet vlastn´ı brzdn´ y tlak. Ostatn´ı funkce je obdobná jako u pˇredeˇslého systému. Obecn´ y popis ESP ym na systému ABS. Tento systém je aktivn´ı Systém ESP je dalˇs´ım systémem zaloˇzen´ pˇredevˇs´ım v bˇeˇzn´ ych j´ızdn´ıch situac´ıch, jako je j´ızda do zatáˇcky. Systém kontroluje stav automobilu a pomoc´ı sn´ıˇzen´ı v´ ykonu motoru nebo pˇribrzd’ován´ım jednotliv´ ych kol se snaˇz´ı zv´ yˇsit stabilitu vozidla a zabránit pˇrechodu do smyku. Systém si kontroluje rychlost kol, naklánˇen´ı vozidla, polohu volantu, pˇr´ıˇcné zrychlen´ı a dalˇs´ı j´ızdn´ı vlastnosti. Pokud vyhodnot´ı, ˇze vozidlo pˇrecház´ı do smyku vytvoˇr´ı takové akˇcn´ı zásahy, aby smyku zabránil a zachoval co nejvyˇsˇs´ı ovladatelnost vozidla.

3.2 3.2.1

Moˇ znosti elektrick´ eho brzdˇ en´ı Popis

Z d˚ uvodu potˇreby ovládán´ı brzd pomoc´ı elektroniky je potˇreba vybrat nˇejak´ y typ elektricky ovládatelné brzdy. V bˇeˇzn´ ych vozidlech se takovéto brzdy zat´ım nepouˇz´ıvaj´ı, kromˇe parkovac´ı brzdy, která u nˇekter´ ych vozidel uˇz b´ yvá elektricky ovládaná. Na trhu se zaˇc´ınaj´ı objevovat elektricky ovládané brzdy r˚ uzn´ ych v´ yrobc˚ u (TRW, Teves, Mico). Vˇetˇsinou se jedná pouze o brzdy urˇcené pro zajiˇstˇen´ı vozidla v klidu, nebo pro pouˇzit´ı na speciáln´ıch vozidlech. Tedy nejdou vyuˇz´ıt jako provozn´ı brzdy. Pro brzdn´ y systém vyuˇzit´ y na buginˇe (testovac´ım vozidle) je potˇreba zajistit potˇrebn´ y tlak na brzdy o velikosti 1,7kN. Dále je poˇzadována odezva systému na vstupn´ı signál o velikosti des´ıtek Hz, aby bylo moˇzné systém vyuˇz´ıt pro r˚ uzné asistenˇcn´ı brzdné systémy. V neposledn´ı ˇradˇe nesm´ı systém pˇredstavovat pˇr´ıliˇs velkou zátˇeˇz pro elektrickou s´ıt’ buginy, aby byla zajiˇstˇena funkce brzd bez potˇreby extern´ıch zdroj˚ u energie. Bugina je vybavena

ˇ ´ ˇ Í 3.2. MOZNOSTI ELEKTRICKEHO BRZDEN

13

akumulátorem a alternátorem s dob´ıjec´ım proudem 5A pˇri bˇehu motoru. Dále je u systému sledována hmotnost, protoˇze nav´ yˇsen´ı hmotnosti o 50kg na buginˇe která váˇz´ı 400kg nen´ı zanedbatelné.

3.2.2

Kl´ınov´ a brzda (EWB)

Firma Siemens vyv´ıj´ı elektricky ovládanou kl´ınovou brzdu (EWB). Princip brzdy je zobrazen na obr. 3.3. Systém vyuˇz´ıvá otáˇcej´ıc´ı se brzdn´ y kotouˇc pro vytvoˇren´ı potˇrebného brzd´ıc´ıho u ´ˇcinku i pˇri malém vnˇejˇs´ım zásahu.

Obr´ azek 3.3: Princip kl´ınové brzdy Siemens (Siemens, 2005)

Brzda by mˇela vyvinout poˇzadovan´ y akˇcn´ı zásah do 100ms, tedy rychleji neˇz klasick´ y hydraulick´ y systém. To umoˇzn ˇuje brzdu pouˇz´ıt i pro asistenˇcn´ı brzdové systémy. Rychlost odezvy, stavba bez jak´ ychkoliv hydraulick´ ych ˇca´st´ı a moˇznost pˇripojen´ı na 12V napájec´ı s´ıt’ pˇredurˇcuje tuto brzdu jako hlavn´ı brzdov´ y prvek v budouc´ıch systémech brake-by-wire. Reáln´ y systém kl´ınové brzdy je zobrazen na obr. 3.4. Je tvoˇren dvˇema motory, které vychyluj´ı desku se ˇzlábky, ta pomoc´ı váleˇck˚ u a otáˇcen´ı disku vyvolá potˇrebnou s´ılu na brzdové obloˇzen´ı. Na videu je simulace funkce kl´ınové brzdy http://www.youtube.com/ watch?v=6KMdT3iaFdQ. Siemens ADO (podle ˇclánku z roku 2005) si od kl´ınové brzy sliboval veliké ohlasy a pˇredpov´ıdal jeho sériovou v´ yrobu v vroce 2009. Zat´ım nejsou ˇza´dné nové zprávy o stavu v´ yvoje této brzdy (Siemens, 2005). V následuj´ıch zdroj´ıch je kl´ınová brzda bl´ıˇze popsaná a jsou uvedeny v´ ysledky dosavadn´ıch test˚ u (Siemens, 2002) (Siemens, 2004) (Siemens, 2003).


14

Obr´ azek 3.4: Realizovan´ y systém kl´ınové brzdy Siemens (Siemens, 2005)

3.2.3

Elektrodynamick´ e brzdˇ en´ı

Pˇri tomto druhu brzdˇen´ı se vyuˇz´ıvá s´ıly vytváˇrené mezi magnetick´ ym polem a vodiˇcem protékan´ ym proudem. Nejˇcastˇeji se jedná o brzdˇen´ı pomoc´ı trakˇcn´ıch motor˚ u, zapojen´ ych jako generátory, tedy o bezkontaktn´ı brzdˇen´ı, takˇze nedocház´ı k opotˇreben´ı souˇcást´ı. Na obr. 3.5 je pˇr´ıklad paraleln´ıho hybridn´ıho pohonu.

ˇ r ˇovsky ´, Z., Obr´ azek 3.5: Pˇr´ıklad paraleln´ıho hybridn´ıho pohonu (Ce 2010)

Elektrodynamické brzdˇen´ı má své v´ yhody, ale i nev´ yhody dané zejména brzdovou


15

charakteristikou motoru. Ta je v oblasti nejvyˇsˇs´ıch rychlost´ı omezena maximáln´ım proudem motoru, odporn´ık˚ u nebo mˇeniˇc˚ u. Pˇri stˇredn´ıch rychlostech je brzdná s´ıla ˇr´ızena zmˇenou bud´ıc´ıho proudu motoru. Pˇri rychlostech jdouc´ıch k nule brzdná s´ılá postupnˇe klesá, aˇz u ´plnˇe zmiz´ı, pokud se nepouˇzije brzdˇen´ı protiproudem. Tento typ brzdy tedy nen´ı vhodn´ y pro zajiˇstˇen´ı vozidla v klidu a mus´ı b´ yt doplnˇen dalˇs´ım brzdn´ ym systémem, napˇr´ıklad tˇrec´ı brzdou. Brzdˇen´ı m˚ uˇze b´ yt provádˇeno do tzv. odporn´ık˚ u, tedy zátˇeˇzi, která vyrobenou energii pˇremˇen´ı na teplo. Nebo se vyrobená energie uloˇz´ı do akumulátor˚ u (rekuperace) a pozdˇeji se vyuˇzije napˇr´ıklad pro rozjezd vozidla. Aby rekuperace fungovala je potˇreba, aby motor uvodn´ı bud´ıc´ı napˇet´ı. Toho lze dosáhnout pˇri brzdˇen´ı generoval vyˇsˇs´ı napˇet´ı neˇz bylo p˚ pouˇzit´ım mˇeniˇc˚ u nebo speciáln´ıch motor˚ u s pˇrip´ınateln´ ymi c´ıvkami, aby doˇslo k zv´ yˇsen´ı u ´rovnˇe generovaného napˇet´ı. V´ yhoda elektrodynamického brzdˇen´ı je v moˇznosti vyuˇzit´ı elektromotor˚ u zároveˇ n jako trakˇcn´ıch motor˚ u tak i brzd. Dále podle proveden´ı nemus´ı docházet k ”zahozen´ı” enˇ r ˇovsky ´, Z., 2010), (Wikipedia, 2010c), (Wikipedia, 2010b) ergie. (Ce

3.2.4

Brzdˇ en´ı v´ıˇ riv´ ymi proudy

Tento typ brzd je vhodn´ y pro rychlá vozidla. Podobnˇe jako u elektrodynamické brzdy nedocház´ı ke tˇren´ı a k zv´ yˇsenému opotˇreben´ı. Nev´ yhoda je, ˇze energie se mˇen´ı v teplo v m´ıstech, kter´ ymi v´ıˇrivé proudy procházej´ı a tedy nelze vyuˇz´ıt jejich odveden´ı mimo prostor brzdy a z˚ ustává problém potˇrebného chlazen´ı brzdy. Tento typ brzdy je vyuˇz´ıván pˇreváˇznˇe u rychl´ ych vlak˚ u (TGV). Na obr. 3.6 je nákres konstrukce v´ıˇrivé brzdy s chlazen´ım, ´k, J., 2010). (Nova Brzda má pˇr´ızniv´ y pr˚ ubˇeh u ´ˇcinku brzdy na velikosti bud´ıc´ıho proudu s malou závislost´ı na rychlosti. Nev´ yhoda je existence velk´ ych pˇritaˇzliv´ ych sil, které pˇri zmenˇsován´ı rychlosti rostou hyperbolicky a zp˚ usobuj´ı znaˇcné namáhán´ı konstrukce. Je tedy nutné postupnˇe sniˇzovat bud´ıc´ı proud.

3.2.5

Brzdˇ en´ı magnetick´ e

Brzda zaloˇzená na pˇr´ıtlaˇcné s´ıle vytváˇrené elektromagnetem se na prvn´ı pohled zdá jako jednoduchá záleˇzitost. V praxi ale naráˇz´ı na nˇekolik nev´ yhod jako je napˇr. opotˇreben´ı brzdov´ ych destiˇcek a zvˇetˇsen´ı vzduchové mezery, která vede k v´ yraznému oslaben´ı mag-


16

´k, J., 2010) Obr´ azek 3.6: Konstrukce v´ıˇrivé brzdy s chlazen´ım (Nova

netického pole. Tento jev je potˇreba, pro stále stejné brzdové vlastnosti, eliminovat, coˇz vede k sloˇzitˇejˇs´ı konstrukci vlastn´ı brzdy. Tento typ brzdy byl navrˇzen, pˇr´ımo na buginu, v bakaláˇrské práci Nové metody ˇr´ızen´ı ˇ aba z roku 2009. Podle jeho v´ vozidlov´ ych brzd, Vojtˇecha Sv´ ypoˇct˚ u a simulac´ı by pro tuto brzdu mˇel staˇcit pˇr´ıkon (jedné brzdy) P = U · I = 4 · 30 = 120 W. Coˇz je reálná hodnota i pro testovac´ı buginu.

3.2.6

Magnetoreologick´ a brzda

Jedná se o brzdu stavbou podobnou spojce. V uzavˇreném prostoru(6) mezi pevn´ ymi kotouˇci(7) a kotouˇci spojenému s nábojem kola(4) se nacház´ı magnetoreologická kapalina (MR). MR kapalina je kapalina zaloˇzená na vodˇe, oleji nebo silikonovém oleji do které jsou pˇrim´ıchána ˇzelezná zrna. V závislosti na vnˇejˇs´ım magnetickém poli(8) se dá mˇenit viskozita kapaliny ve velkém rozpˇet´ı (tekutá aˇz témˇeˇr husté tˇeleso). T´ım lze mˇenit vzájemn´ y odpor pohyblivého a pevn´ ych disk˚ u a tedy urˇcovat brzdnou s´ılu. obr. 3.7 Brzda pˇremˇen ˇuje brzdnou energii na teplo a proto je potˇreba zajistit jej´ı chlazen´ı. Stejn´ y princip s MR kapalinou se vyuˇz´ıvá napˇr´ıklad i u tlumiˇc˚ u s elektricky nastavitelnou charakteristikou.


17

Obr´ azek 3.7: Uspoˇra´d´ an´ı MR brzdy (Sapinski, 2009)

3.2.7

Elektro-mechanick´ e brzdˇ en´ı

Jedná se o brzdu klasické konstrukce s brzdov´ ym kotouˇcem a brzdov´ ymi destiˇckami. Pro ovládán´ı, nen´ı pouˇzitá kapalina, ale elektromotor tlaˇc´ıc´ı pˇr´ımo na brzdové destiˇcky. T´ımto je z brzdového systému odstranˇena jakákoliv brzdová kapalina, a t´ım pádem nen´ı nutná ˇcastá kontrola brzdového systému. Tento typ brzdy se vyuˇz´ıvá pˇredevˇs´ım jako parkovac´ı brzda pro zajiˇstˇen´ı vozidla v klidu, ale nˇekteré firmy uˇz nab´ızej´ı i brzdy pouˇzitelné jako provozn´ı. Firma TRW má ve své nab´ıdce brzdy oznaˇcované: • EPB (Electric integrated Park Brake) – jedná se o klasick´ y tˇrmen pro hydraulickou kotouˇcovou brzdu s integrovan´ ym mechanismem pro elektrickou parkovac´ı brzdu • HBS (Hybrid Braking Systém) – je brzdn´ y systém, kde se vyuˇz´ıvaj´ı pro pˇredn´ı kola hydraulické brzdy a pro kola zadn´ı elektro-mechanické brzdy, jako brzdy provozn´ı • EMB (Electro Mechanical Brake) – je tˇremen pro kotouˇcové brzdy ovládan´ y elektricky yrobce je schopn´ y Posledn´ı typ brzdy (EMB) je pro naˇse potˇreby nejvhodnˇejˇs´ı. Podle v´ pracovat s napájec´ı s´ıt´ı 42V i 12V a jeho dynamika je vhodná i pro asistenˇcn´ı brzdové systémy (ABS,ESP, . . . ). Bohuˇzel se nám nepodaˇrilo s firmou TRW navázat spojen´ı a o tomto produktu z´ıskat bliˇzˇs´ı informace. obr. 3.8. Mezi tento typ brzdˇen´ı patˇr´ı i prvn´ı zmiˇ novan´ y systém kl´ınové brzdy firmy Siemens.


18

Obr´ azek 3.8: EMB Elektro-mechanick´ a brzda (TRW)

3.2.8

Elektro-vzduchov´ e brzdˇ en´ı

Elektro-vzduchové brzdy nab´ızej´ı jednoduch´ y zp˚ usob ovládán´ı stlaˇceného vzduch pomoc´ı nejr˚ uznˇejˇs´ıch elektroventil˚ u. U bˇeˇzn´ ych osobn´ıch vozidel je tento zp˚ usob brzdˇen´ı nevhodn´ y, protoˇze vozidla nejsou vybavena kompresorem a pouˇz´ıvan´ y tlak stlaˇceného vzduchu vede na relativnˇe rozmˇerné koncové prvky systému (brzdové válce). Na rozd´ıl od nákladn´ıch vozidel, kde je vzduchov´ y rozvod vyuˇz´ıván a kde staˇc´ı zamˇenit mechanicky ovládané ventily za ventily elektrické. Pro tyto vlastnosti nen´ı tento zp˚ usob brzdˇen´ı pro buginu vhodn´ y.

3.2.9

Elektro-hydraulick´ e brzdˇ en´ı

Jako posledn´ı zp˚ usob brzdˇen´ı je zp˚ usob elektro-hydraulick´ y. Tento zp˚ usob se jev´ı jako nejv´ yhodnˇejˇs´ı, uˇz z pohledu, ˇze bugina je vybavena hydraulick´ ym brzdov´ ym systémem a tedy staˇc´ı pouze u ´prava pro elektrické ovládán´ı. Zde se ale naráˇz´ı na mnohé problémy, které tuto zmˇenu komplikuj´ı. Podobn´ y systém jako popsan´ y systém s tlakov´ ym zásobn´ıkem testovala nˇejak´ y ˇcas firma Mercedes-Benz (systém Sensotronic Brake Control vyvinut´ y ve spolupráci DaimlerChrysler a Bosch) obr. 3.9, ale se ˇspatn´ ymi v´ ysledky od tohoto projektu ustoupila. Problém byl v pouˇz´ıván´ı brzdové kapaliny, která nedokázala hydraulické komponenty dostateˇcnˇe mazat. (AutoWeb, 2000) Dále jsou popsány dva navrˇzené systémy na bázi elektro-hydraulického ovládán´ı.


19

Obr´ azek 3.9: Sensotronic Brake Control (AutoWeb, 2000)

Syst´ em pˇ r´ım´ eho vytvoˇ ren´ı tlaku Tento systém je v principu velice jednoduch´ y. Je do znaˇcné m´ıry zachována p˚ uvodn´ı hydraulická soustava, kde se pouze zamˇen´ı hlavn´ı brzdov´ y válec za elektricky ovládan´ y p´ıst. Pro moˇznost brzdˇen´ı jednotliv´ ych kol zvláˇst’ je jeˇstˇe rozdˇelen, tedy pouˇzit´ y pro kaˇzdou brzdu vlastn´ı tlakov´ y p´ıst. Problém je jak vytvoˇrit potˇrebn´ y tlak na kapalinu ve velice krátkém ˇcase. Takov´ y akˇcn´ı prvek neexistuje, proto je potˇreba pro jeho vytvoˇren´ı sloˇzen´ı v´ıce prvk˚ u. Napˇr´ıklad hlavn´ı brzdov´ y válec a servomotor, kter´ y bude vytváˇret tlak na p´ıst. V´ yhoda je v pouˇzit´ı klasick´ ych hydraulick´ ych brzdov´ ych souˇca´st´ı a tedy i brzdové kapaliny. T´ım je zajiˇstˇena funkce i za n´ızk´ ych teplot. Pro tento systém by se dali pouˇz´ıt hydraulické brzdové prvky firmy Magura pro y tˇrmen buginy s pr˚ umˇerem 32mm silniˇcn´ı kola. Pokud by se zachoval p˚ uvodn´ı hydraulick´ a uvaˇzujeme-li potˇrebn´ y v´ ytah brzdy 1mm se s´ılou 1,7kN, vyjde nám potˇrebn´ y tlak a objem kapaliny: Pˇri pouˇzit´ı p´ıstu s pr˚ umˇerem 13mm a s maximáln´ı délkou pohybu 12mm: S=π

3, 22 d2 =π = 8, 038 cm2 4 4

V = S · h = 8, 038 · 0, 1 = 0, 804 cm3 1700 F = p= = 2, 115 MPa S 8, 038 · 10−4 Potˇrebujeme na ovládac´ı p´ıst pˇrivést s´ılu 280N s posunem 0,6cm. Pokud pouˇzijeme servomotor, budeme vyˇzadovat moment alespoˇ n 28kg/cm. (28kg na páce 1cm) Pˇri pouˇzit´ı tˇrmenu se ˇctyˇrmi brzdov´ ymi váleˇcky o pr˚ umˇeru 28mm bude situace následuj´ıc´ı:


20

2

d2 1, 3 · 10−2 S=π =π = 1, 327 cm2 4 4 V = S · h = 1, 327 · 10−4 · 1, 2 · 10−2 = 1, 59 cm3 F = p · S = 2, 155 · 106 · 1, 327 · 10−4 = 280 N Pˇri pouˇzit´ı p´ıstu s pr˚ umˇerem 16mm a s maximáln´ı délkou pohybu 12mm: 2

d2 1, 6 · 10−2 S=π =π = 2, 01 cm2 4 4 V = S · h = 2, 01 · 10−4 · 1, 2 · 10−2 = 2, 412 cm3 F = p · S = 0, 6906 · 106 · 2, 01 · 10−4 = 139, 491 N Potˇrebujeme na ovládac´ı p´ıst pˇrivést s´ılu 140N s posunem 1,2cm. Pokud pouˇzijeme servomotor budeme vyˇzadovat moment 14kg/cm. V následuj´ıc´ı tabulce je pˇrehled nˇekolika existuj´ıc´ıch servomotor˚ u tabulka 3.1. Oznaˇ cen´ı

Moment [kg/cm] Napˇ et´ı [V] Cena

HS-755HB

13

6

800,- Kˇc

hs5998-tg

20

6

3000,- Kˇc

HS-805MG

25

6

1200,- Kˇc

HS-5805MG (dig)

25

6

1300,- Kˇc

HS-M7990TH (dig) 40

6

3400,- Kˇc

dx-117

12

4900,- Kˇc CAN ovládan´ı

28

Pozn´ amka

Tabulka 3.1: Nab´ıdka servomotor˚ u

Servomotory dosahuj´ı rychlosti kolem 0,12s/60◦ , tedy zhruba 4Hz. Coˇz je hodnota, která je na hranici pouˇzitelnosti pro brzdové asistenˇcn´ı systémy. Takˇze nejvˇetˇs´ım problémem vyuˇzit´ı servomotor˚ u pro ovládán´ı je jejich napájen´ı (6V), aˇz na pár v´ yjimek servomotor˚ u, kter´ y dokáˇz´ı pracovat s napˇet´ım 12V. Komponenty od firmy Magura pouˇzité pro z´ıskán´ı parametr˚ u pro v´ ypoˇcty: http://www.powersports.magura.com/productfinder/-c-2.html Brake caliper 750.1 D Foot brake cylinder 700.12 ls*-DFoot brake cylinder 700.33 lc D


21

Syst´ em s tlakov´ ym z´ asobn´ıkem Systém s tlakov´ ym zásobn´ıkem je podobn´ y vzduchovému systému. Systém pracuje s kapalinou o vysokém tlaku 200bar˚ u (20MPa), kter´ y podle potˇreby pˇrepouˇst´ı k jednotliv´ ym brzdám. V´ yhoda je pouˇzit´ı klasick´ ych hydraulick´ ych brzdách, at’ uˇz kotouˇcov´ ych nebo bubnov´ ych. Nev´ yhoda je v potˇrebˇe vytváˇret a drˇzet pomˇernˇe vysok´ y tlak a zajistit správné dávkován´ı do brzd. M˚ uˇze se zdát, ˇze tento systém se uˇz dávno vyuˇz´ıvá v modern´ıch vozidlech s asistenˇcn´ımi brzdov´ ymi systémy. Rozd´ıl je v samotném návrhu systému. Tento systém byl navrˇzen speciálnˇe pro ovládán´ı vozidlov´ ych brzd tak, aby splˇ noval potˇrebné parametry potˇrebné k bezpeˇcnému zastaven´ı vozidla a aby nebyla nijak zvláˇst’ omezena ˇzivotnost systému. Kdeˇzto stávaj´ıc´ı hydraulické systémy vozidel jsou svoji koncepc´ı stále stejné uˇz po desetilet´ı. Pouze docház´ı k urˇcit´ ym zmˇenám (doplˇ nován´ı), aby splˇ novaly poˇzadavky aktivn´ı bezpeˇcnosti vozidel a to hlavnˇe funkci nejr˚ uznˇejˇs´ıch asistenˇcn´ıch systém˚ u. Proto napˇr´ıklad dneˇsn´ı jednotky ABS pracuj´ı s brzdovou kapalinou, která ji nedokáˇze dostateˇcnˇe mazat a ˇzivotnosti tˇechto jednotek je kolem 40hod provozu. To se ukázalo jako dostateˇcná doba pˇri ˇzivotnost samotného vozidla, i pˇres 10let. Systém pracuje s kapalinou o vysokém tlaku. Tento tlak je potˇreba v systému drˇzet i bˇehem j´ızdy, kdyˇz se brzdy nepouˇz´ıvaj´ı, aby se vylouˇcilo zpoˇzdˇen´ı potˇrebné pro natlakován´ı pˇri aktivaci brzd. Proto je v systému tlaková nádoba, která také zajiˇst’uje funkci brzd po urˇcitou dobu i s poruchou vysokotlakého ˇcerpadla a t´ım také zvyˇsuje bezpeˇcnost systému. Dále je potˇreba ˇr´ıdit tlak k jednotliv´ ym brzdov´ ym váleˇck˚ um. U vzduchového systému je to jednoduché, staˇc´ı mˇenit pr˚ utok. U hydraulického systému je pr˚ utok prakticky nulov´ y a tak tento zp˚ usob ovládán´ı nen´ı vhodn´ y i z pohledu komfortu posádky. Proto jsou vyuˇzity proporcionáln´ı ventily ˇr´ıd´ıc´ı tlak ve v´ ystupn´ı vˇetvi. Systém m˚ uˇze b´ yt dále doplnˇen hydraulick´ ymi zámky, pomoc´ı kter´ ych se dá drˇzet nastaven´ y tlak v brzdˇe. S tˇemito hydraulick´ ymi zámky by bylo moˇzné systém vyuˇz´ıvat i jako parkovac´ı brzdu. Protoˇze systém pracuje s hydraulick´ ymi komponenty je zapotˇreb´ı vyuˇz´ıvat, m´ısto brzdové kapaliny, hydraulick´ y olej, aby bylo zajiˇstˇeno dostateˇcné mazán´ı prvk˚ u v systému (hlavnˇe vysokotlakého ˇcerpadla). Hydraulická kapalina ale nedokáˇze pracovat za n´ızk´ ych teplot a to podle typu kapaliny uˇz od teplot 0◦ C. Pro brzdov´ y systém je potˇreba zajistit funkci i pro teploty -30◦ C. Tento systém byl vybrán pro dalˇs´ı zpracován´ı pˇri ˇreˇsen´ı komplexn´ıho systému brake-by-wire. V následuj´ıc´ı kapitole je pospáno jeho reálné ˇreˇsen´ı a provedena jeho simulace.

22


Kapitola 4 Simulace V této kapitole je popsána realizace, vlastnosti a simulace systému s tlakov´ ym zásobn´ıkem. Tento systém byl vybrán pro jeho moˇznost realizace, pˇri ˇreˇsen´ı systému se ale objevovaly problémy, kv˚ uli kter´ ym se dostal pouze do stádia v´ ybˇeru komponent˚ u a jejich simulace. Systém by navrˇzen se spolupráci firmy Hykom s.r.o a t´ımto bych chtˇel podˇekovat panu Ing. Milanu Hofrichtrovi za spolupráci pˇri návrhu systému.

4.1

Syst´ em s tlakov´ ym z´ asobn´ıkem

Navrˇzen´ y systém je znázornˇen na následuj´ıc´ım obr. 4.1. Cel´ y hydraulick´ y agregát se skládá z vysokotlakého ˇcerpadla, pˇretlakového pojistného ventilu, jednocestného ventilu, tlakové nádoby, proporcionáln´ımi ventily tlaku a stávaj´ıc´ıch brzd pouˇzit´ ych na buginˇe. Za prvé je nutné vytvoˇrit potˇrebn´ y pracovn´ı tlak, kter´ y je stanoven na 200 bar˚ u. Bylo zvoleno jedno z nejmenˇs´ıch zubov´ ych ˇcerpadel z nab´ıdky firmy. Tedy ˇcerpadlo X-0,32, utok které má geometrick´ y objem Vg = 0,32 cm3 /ot. A pˇri otáˇckách 1200 ot/min dává pr˚ ym v´ ystupn´ım tlakem se dá z tˇechto hodnot vypoˇc´ıtat 0,384 dm3 /min. Spolu s poˇzadovan´ potˇrebn´ y v´ ykon pohánˇej´ıc´ıho elektromotoru. Q=

1 1 · Vg · n = · 0, 32 · 1200 = 0, 384 l/min 1000 1000 P = M=

200 · 0, 384 p·Q = = 150 W 520 520 0, 32 · 200 Vg · p = = 1, 02 Nm 20π 20π 23

KAPITOLA 4. SIMULACE

24 Kde: Q . . . pr˚ utok [l/min] Vg . . . geometrick´ y objem ˇcerpadla [cm3 /ot] n . . . otáˇcky ˇcerpadla [ot/min] P . . . v´ ykon ˇcerpadla [W] p . . . tlak [bar] M . . . moment[Nm]

Byl vybrán motor od firmy Maxon Motor s oznaˇcen´ım RE40. Tento motor má parametry n=6980 ot/min, pˇri momentu M =0,089 Nm a napájen´ı 12V, celkov´ y maximáln´ı v´ ykon je 150W. Pokud tento motor dopln´ıme pˇrevodovkou z nab´ıdky téˇze firmy 5, 2 : 1, dostaneme se na následuj´ıc´ı parametry: M= M0 =

0, 32 · 200 Vg · p = = 1, 02 Nm 20π 20π

1, 02 M = = 0, 196 Nm → n0 = 6000 ot/min pˇ revodov y´ pomˇ er 5, 2 6000 n0 = = 1154 ot/min n= pˇ revodov y´ pomˇ er 5, 2 Q=

Vg · n 0, 32 · 1154 = = 0, 369 l/min 1000 1000

P =

p·Q 200 · 0, 369 = = 142 W 520 520

Pozn. v´ ysledn´ y pˇr´ıkon motoru je o nˇeco vˇetˇs´ı neˇz 150W, ale protoˇze je pouze krátkodob´ y nemˇel by s n´ım b´ yt problém. Dalˇs´ım moˇzn´ ym ˇreˇsen´ım by bylo pouˇz´ıt motor s oznaˇcen´ım RE75, kter´ y má parametry n=1550 ot/min, pˇri momentu M =1,24 Nm a napájen´ı 12V, Celkov´ y maximáln´ı v´ ykon je 250W. Tento motor se dá pouˇz´ıt i bez redukˇcn´ı pˇrevodovky, ale jeho potˇrebn´ y pˇr´ıkon by napájec´ı s´ıt’ buginy pˇr´ıliˇs zatˇeˇzoval. Na druhou stranu by zkrátil dobu potˇrebnou pro natlakován´ı systému na pouh´ ych 80s. Dále je systém vybaven pˇretlakov´ ym bezpeˇcnostn´ım ventilem, kter´ y odpust´ı tlak pokud se dostane pˇres hodnotu 220bar˚ u. A jednocestn´ ym ventilem, kter´ y zabrán´ı unikán´ı kapaliny pˇres vypnut´ y hydraulick´ y generátor. ´kol vyrovnávat pracovn´ı D˚ uleˇzit´ ym prvkem systému je tlaková nádoba. Ta má za u tlak, zajistit rychlou odezvu systému pˇri aktivaci brzd a umoˇznit brzdˇen´ı i pˇri poruˇse hydraulického generátoru. Tlaková nádoba je zvolena o velikosti 1dm3 . Pokud by se pouˇzila

´ S TLAKOVYM ´ ZASOBN ´ ÍKEM 4.1. SYSTEM

25

Obr´ azek 4.1: Navrhovan´ a hydraulika

vˇetˇs´ı, bylo by potˇreba ji doplnit dalˇs´ımi bezpeˇcnostn´ımi prvky (podle legislativy) a to by se v´ yraznˇe projevilo na cenˇe. Z pohledu potˇreb naˇseho systému je nádoba o velikosti 1dm3 dostateˇcná. Protoˇze je pouˇzité velice malé ˇcerpadlo, vˇetˇs´ı nádoba by zbyteˇcnˇe protahovala dobu potˇrebnou pro naplnˇen´ı tlakové nádoby. Pˇri 1litrové nádobˇe trvá jej´ı plné naplnˇen´ı témˇeˇr 2minuty, ale uˇz po dobˇe kolem 1minuty je k dispozici dostateˇcn´ y tlak pro funkci brzd. Dalˇs´ım prvkem v systému je proporcionáln´ı tlakov´ y redukˇcn´ı ventil. Byl vybrán ventil


26 Prvek

Oznaˇ cen´ı

Hmotnost Poˇ cet

Cena

Celkov´ a

[kg]

[Kˇ c]

cena

kus˚ u

[Kˇ c] ˇ cerpadlo

X-0,32

0,38

1

16000

16000

0,48

1

6600

6600

0,95

1

7800

7800

0,06

1

5200

5200

– –

1

3000

3000

mechanická

–

1

1300

1300

tlakov´ a

OLM 1- 200/31

3,5

1

2400

2400

n´ adoba

1 L, 136 mm

ventil

RZGO-A-010/210

7

4

7700

30800

u ´pravy –

1

4900

4900

7000ot/min, 230bar motor

MAXON RE40 150W, 7000ot/min

pˇ revodovka

MAXON GP62A 5,2:1, 8Nm

tlakov´ eˇ cidlo

E-ATR 6/250 0-250bar, 0-10V

filtr

FMM

050

2BACA10N P01/V6 10μm indikace zanesen´ı

210bar, 40W –

Dodateˇcné systému

celkov´ a hmotnost [kg] 33,37

cena [Kˇ c] 78000

Tabulka 4.1: Soupis pouˇzit´ ych komponent

typu RZGO-A s regulovateln´ ym rozsahem 0 .. 210bar˚ u. Je to nejmenˇs´ı ventil umoˇzn ˇuj´ıc´ı regulovat tlak aˇz 210bar˚ u. Jeho pracovn´ı rozsah teplot je -20◦ C .. 80◦ C. Tento ventil dokáˇze podle vstupn´ıho elektrického signálu (s frekvenc´ı do 25Hz) regulovat v´ ystupn´ı tlak v celém rozsahu. Je tedy vhodn´ y pro pouˇzit´ı asistenˇcn´ıch brzdov´ ych systém˚ u. Z principu jeho proveden´ı má jist´ y pr˚ usak (leakage), kter´ y v tomto systému zp˚ usobuje prakticky ych vybˇehan´ ych veˇsker´ y pr˚ utok kapaliny. Pr˚ usak se pohybuje v jednotkách cm3 /min u star´ u je maximáln´ı ventil˚ u m˚ uˇze dosáhnout aˇz 10cm3 /min. Tedy pˇri pouˇzit´ı ˇctyˇrech ventil˚ u, pr˚ usak 40cm3 /min. Tomuto by ˇslo zabránit pouˇzit´ım v systému jeˇstˇe blokuj´ıc´ıch ventil˚ pomoc´ı kter´ ych by se dalo tˇemto pr˚ usak˚ um zabránit pˇri zachován´ı ostatn´ıch vlastnost´ı

´ KAPALINY 4.2. HYDRAULICKE

27

systému. Z d˚ uvodu pouˇzit´ ych proporcionáln´ıch ventil˚ u je systém jeˇstˇe vybaven nˇekolika filtry, aby se do systému nedostávaly ˇcásteˇcky, které by poˇskozovaly ventily. Jde o 90μm filtr na sán´ı pˇred ˇcerpadlem a 10μm filtr, s indikac´ı zanesen´ı, na v´ ystupu ˇcerpadla. V systému se jeˇstˇe objevuje sn´ımaˇc tlaku pro kontrolu funkˇcnosti systému. Cel´ y systém i se zásobn´ıkem kapaliny lze vyrobit ve velice kompaktn´ı formˇe, kde vˇsechny prvky systému jsou pohromadˇe v tzv. mini agregátu o velikosti dvoulitrové nádoby a hmotnosti do 35kg. V systému je nutné vyuˇz´ıvat hydraulick´ y olej, aby bylo zajiˇstˇeno dostateˇcné mazán´ı pouˇzit´ ych komponent. Dalˇs´ım omezen´ım by mohlo b´ yt pracovn´ı teplota ventil˚ u do 80◦ C, pokud by se ventily um´ıstily bl´ızko k samotn´ ym brzdám. Kapalina se od brzdov´ ych destiˇcek ohˇr´ıvá a mohlo by doj´ıt k ovlivnˇen´ı funkce ventilu. V tabulce 4.1 jsou uvedeny pouˇzité komponenty, jejich váha a pˇribliˇzná cena. Cena celkového hydraulického agregátu by se mˇela pohybovat do 78000 Kˇc.

4.2

Hydraulick´ e kapaliny

Kapaliny vyuˇz´ıvané v brzdov´ ych systémech jsou zaloˇzeny na bázi lihu. Kromˇe kapaliny DOT 5, která je na bázi silikonu a LHM, která je na bázi mineráln´ıho oleje, to je d˚ uvodem proˇc se nedaj´ı s ostatn´ımi druhy kapalin m´ısit. Kapaliny maj´ı vysok´ y teplotn´ı rozsah, od ych kapalin je jej´ı hydroskopiˇcnost, tedy -50◦ C po hodnotu pˇres 200◦ C. Problém brzdov´ schopnost pohlcovat do sebe vodu. T´ımto docház´ı k znehodnocen´ı kapaliny, sn´ıˇzen´ım uvodu je potˇreba zajistit bodu varu, která m˚ uˇze klesnout aˇz k hodnotˇe 150◦ C. Z tohoto d˚ dokonalou tˇesnost brzdového systému, aby se do nˇej nedostával vzduch a tedy i vlhkost. I pˇres dneˇsn´ı modern´ı systémy je potˇreba brzdovou kapalinu po dobˇe 2 let mˇenit. Naproti tomu hydraulické kapaliny jsou zaloˇzeny na bázi mineráln´ıho oleje nebo vody. Netrp´ı hydroskopiˇcnost´ı a tedy nedocház´ı k jejich znehodnocen´ı ˇcasem. Dokonce pˇr´ımo vodu odpuzuj´ı, takˇze chrán´ı pouˇzité komponenty proti korozi. Nev´ yhoda hydraulick´ ych kapalin je v rostouc´ı viskozitˇe pro n´ızké teploty. Vˇetˇsina hydraulick´ ych kapalin nen´ı pouˇzitelná pro teploty pod 0◦ C. Pokud jde o tepelnou vodivost, jsou na tom obˇe kapaliny podobnˇe. Jsou zhruba 4x horˇs´ımi vodiˇci tepla neˇz voda (0,140 W/mK). V tabulkách 4.2, 4.3 jsou vyznaˇceny hlavn´ı parametry brzdov´ ych kapalin a vybran´ ych hydraulick´ ych olej˚ u.


28 Hustota

min. bod

bod tuhnut´ı Viskozita

◦

Viskozita

◦

pˇ ri 20 C varu*

◦

pˇ ri -40 C

pˇ ri 40 C

Viskozita pˇ ri 100◦ C

[kg m−3 ]

[◦ C]

[◦ C]

[mm2 s−1 ] [mm2 s−1 ] [mm2 s−1 ]

DOT 3

1050

210 (150)

-70

1400

-

2

DOT 4

1070

260 (165)

-70

1500

16

2,35

DOT 5.1 1070

270 (185)

-50

900

14

1,5

DOT 5

958

260 (180)

-40

-

120

7

LHM

840

230 (-)

-60

1800

18

6

Tabulka 4.2: Vlastnosti brzdov´ ych kapalin, * min. bod varu, u ´daj v z´ avorce odpov´ıd´ a kapalinˇe s 3,7% vody

Z tabulky je patrné, ˇze brzdová kapalina nevyhovuje svoji viskozitou potˇrebám pouˇzitého ˇcerpadla ani ventil˚ u. Mimo ˇspatn´ ych mazac´ıch vlastnost´ı by docházelo k vˇetˇs´ım pr˚ usak˚ um z d˚ uvodu malé viskozity kapaliny. Hustota ◦

AeroShell Fluid 41

Bod

Viskozita ◦

Viskozita

a

◦

pˇ ri 45 C

varu

tuhnut´ı pˇ ri 40 C

pˇ ri 100 C

[kg m−3 ]

[◦ C]

[◦ C]

[mm2 s−1 ]

[mm2 s−1 ]

[K−1 ]

871

100

-60

14

5,2

0,017

101

-60

431

10,45

0,039

(pˇri -40◦ C)

(pˇri 55◦ C)

AeroShell Fluid 4 AeroShell Fluid 5M-A

Bod

890

190

-40

27,8

4,9

0,029

ESSO ULTRON 0W-30 860

230

-60

66

11,6

0,029

Shell Tellus T32

868

210

-45

32

6,1

0,028

Shell Tellus T15

871

170

-42

15

3,7

0,023

TD46

874

190

-54

47

9,3

0,027

OHHM 32

870

248

-30

32

5,4

0,030

OHHM 46

874

270

-30

46

6,9

0,032

OHHM 68

881

310

-30

64

8,7

0,034

Tabulka 4.3: Vlastnosti hydraulick´ ych olej˚ u, a . . . parametr ud´ avaj´ıc´ı závislost zmˇeny viskozity na teplotˇe

V tabulce jsou vybrány kapaliny, které by bylo moˇzné vyuˇz´ıt v navrˇzeném brzdovém systému. Kromˇe tˇechto kapalin obsahuje jeˇstˇe tˇri bˇeˇznˇe pouˇz´ıvané hydraulické kapaliny

´ KAPALINY 4.2. HYDRAULICKE

29

(OHHM32, 46, 68), pro porovnán´ı vlastnost´ı. Z pˇrehledu je patrné, ˇze hydraulické kapaliny jsou pouˇzitelné pro podobn´ y teplotn´ı rozsah jako brzdové kapaliny. Kromˇe dvou typ˚ u kapalin je tato hodnota od -60 po 230◦ C. ymi dalˇs´ımi parametry se pro navrˇzen´ y Dvˇe kapaliny maj´ı bod varu pouze 100◦ C, ale sv´ systém hod´ı nejv´ıce. Pokud by se ukázalo jako velk´ y problém n´ızká teplota varu, bylo by nutné nˇejak vyˇreˇsit chlazen´ı kapaliny, pˇr´ıpadnˇe zajistit speciáln´ımi pˇr´ısadami zv´ yˇsen´ı bodu teploty varu. V posledn´ım sloupci tabulky je vypoˇc´ıtán parametr udávaj´ıc´ı závislost viskozity na teplotˇe podle následuj´ıc´ıho vzorce. Kde právˇe prvn´ı typy má tento parametr nejmenˇs´ı 0,017.

−α(T −T0 )

η = η0 e

→ α[K

T D64 : α = − ln

9, 3 47

−1

] = − ln

η η0

1 T − T0

1 = 0, 027 K−1 100 − 40

Na obr. 4.2 je znázornˇena zmˇena viskozity vybran´ ych typ˚ u kapalin od teploty -20◦ C aˇz po 120◦ C. Hodnota viskozity je jeˇstˇe pˇrepoˇc´ıtána podle následuj´ıc´ıho vzorce na hodnotu pˇri tlaku 200bar˚ u. η = η0 e−b(p−p0 ) b = (1, 5 ÷ 3)10−8 Pa−1 Pozn. : udaná hodnota b plat´ı pro mineráln´ı oleje. (pro v´ ypoˇcet byla zvolena hodnota −8

2e Pa−1 ) Vyˇzadovaná hodnota viskozity pro pouˇzité ˇcerpadlo a ventily je 10 .. 100 mm2 s−1 pˇri teplotách -20 .. 100◦ C. Tomuto se nejv´ıce bl´ıˇz´ı kapalina oznaˇcená AeroShell Fluid 41, Shell Tellus T15 a Shell Tellur T32. Tepelná hranice pouˇzitelnosti ˇcerpadla a ventil˚ u je 100◦ C a 80◦ C. Pro tuto teplotu ym pr˚ usak˚ um je potˇreba zajistit viskozitu alespoˇ n 10mm2 s−1 , aby nedocházelo k pˇr´ıliˇsn´ a dostateˇcnému mazán´ı. Vˇetˇsina vybran´ ych kapalin tento poˇzadavek splˇ nuj´ı a pokud ne, daj´ı se pouˇz´ıt speciáln´ı pˇr´ısady olej˚ u pro zv´ yˇsen´ı viskozity pˇri vysok´ ych teplotách. Na druhé stranˇe je hranice -20◦ C. Pro tuto hranici je jen pár kapalin, které maj´ı hustotu pod 100mm2 s−1 , ostatn´ı se pohybuj´ı do hodnoty 500mm2 s−1 . Tato hranice ale nemus´ı b´ yt kritická, protoˇze ˇcerpadlo dokáˇze krátkodobˇe pracovat s kapalinou o viskozitˇe usak˚ um a kapalina tak cirkuluje po aˇz 1200mm2 s−1 . A protoˇze v systému docház´ı k pr˚ urˇcitém ˇcase se ohˇreje a problém viskozity pˇri n´ızk´ ych teplotách se vyˇreˇs´ı. (Wikipedia, ˇa ´k, L., 2009). 2010a), (Dvor


30

Obr´ azek 4.2: Viskozita hydraulick´ ych kapalin pˇri tlaku 200bar˚ u

4.3

Simulaˇ cn´ı sch´ ema

Simulace je provádˇená pomoc´ı programu Matlab s vyuˇzit´ım Simulinku a jeho modulu SimHydraulic. Tento modul obsahuje vˇetˇsinu hydraulick´ ych zaˇr´ızen´ı, jako jsou ˇcerpadla, ventily nebo aktuátory a pro jejich nastaven´ı staˇc´ı zadat mechanické parametry. Tedy nen´ı nutné vytváˇret jejich matematické modely. Simulace je provedena pro systém s motorem RE40 a motorem RE75. Motor RE75 má ale pˇr´ıkon 250W a proto dále popisuji jenom systém s motorem RE40. Na obr. 4.3 je zobrazeno schéma simulace. Modˇre podbarvené bloky jsou jednotlivé ˇca´sti systému. Oranˇzovˇe zbarvené bloky jsou senzory hydraulick´ ych parametr˚ u, jako je tlak a pr˚ utok. Dále se v simulaci vyskytuj´ı nezabarvené bloky, které jsou pomocné bloky simulace. Na obr. 4.4 je vidˇet pr˚ ubˇeh tlak˚ u a pr˚ utok˚ u v r˚ uzn´ ych ˇcástech systému (u ˇcerpadla, u tlakového zásobn´ıku a ventilu). Na kˇrivce tlaku je vidˇet prvn´ı fáze, kdy docház´ı k natlakován´ı systému a dále k doplˇ nován´ı tlak˚ u, potˇrebného kv˚ uli pr˚ usak˚ um ovládaj´ıc´ıch ventil˚ u. Na kˇrivce pr˚ utoku je vidˇet pozvoln´ y u ´bytek pr˚ utoku, kter´ y je zp˚ usoben kle-

ˇ Í SCHEMA ´ 4.3. SIMULACN

31

Obr´ azek 4.3: Simulaˇcn´ı schéma


32

saj´ıc´ımi otáˇckami motoru pˇri dosahován´ı maximáln´ıho tlaku. Také je zde patrn´ y pr˚ usak ventil˚ u, kter´ y je zvolen jako nejvyˇsˇs´ı moˇzn´ y, tedy 10cm3 /min na ventil. Pr˚ utok do brzd je prakticky nulov´ y. Na obr. 4.5 je zobrazeno chován´ı motoru. Z pr˚ ubˇehu v´ ykonu vypl´ yvá, ˇze pˇri maximáln´ım tlaku se dostane nad hodnotu 150W, tedy docház´ı ke krátkému pˇretˇeˇzován´ı motoru. Na obr. 4.6 je zobrazen tlak v jedné brzdˇe a vyvolan´ y tlak na brzdovou destiˇcku. Z graf˚ u je vidˇet potˇreba doplˇ novat tlakovou kapalinu kv˚ uli pr˚ usak˚ um ventil˚ u, pr˚ usaky jsou ale nejvˇetˇs´ı moˇzné, a v systému by se mˇeli pohybovat na desetinné velikosti, neˇz je v simulaci. T´ım by se znatelnˇe protáhly intervaly mezi doplˇ nován´ım tlakové kapaliny. V obr. 4.7 a obr. 4.8 je naznaˇcen rozd´ıl chován´ı systému pˇri r˚ uzn´ ych teplotách a tedy i viskozitách kapaliny (pro viskozity 10, 100 a 1000 mm2 s−1 ).

4.4

Vlastnosti – porovn´ an´ı

Zde je provedeno srovnán´ı navrˇzeného systému se systémem pouˇz´ıvan´ ym pro asistenˇcn´ı sluˇzbu ABS tabulka 4.4. Z tabulky vycházej´ı oba systémy velice podobnˇe. Co se t´ yˇce spotˇreby nebo dynamiky. Systémy ale nejsou navrˇzeny pro stejn´ yu ´ˇcel. Systém ABS je pouze asistenˇcn´ı a zap´ıná se ˇ jenom zlomek ˇcasu provozu vozidla. Zivotnost jeho komponent se pohybuje kolem 40hod. Kdeˇzto navrˇzen´ y systém by mˇel b´ yt provozován neustále.

4.5

Zhodnocen´ı

Navrˇzen´ y systém pro ovládán´ı stávaj´ıc´ıch hydraulick´ ych brzd na buginˇe by mˇel podle v´ ysledk˚ u simulace pro systém brake-by-wire plnˇe vyhovovat. Má ale své nectnosti, napˇr. potˇreba doplˇ novat tlakovou kapalinu, které zp˚ usobuj´ı znatelnˇe vˇetˇs´ı poˇzadavky na dodávanou energie, neˇz by bylo nezbytnˇe nutné. Proto se dostala pouze do stádia v´ ybˇeru komponent a simulace. A pro koneˇcné realizován´ı systému brake-by-wire se uvaˇzuje sp´ıˇse o kl´ınové brzdˇe firmy Siemens, která by mˇela b´ yt v brzké dobˇe k dispozici.

4.5. ZHODNOCENÍ

33

Navrhovan´ a

Standardn´ı

Pozn´ amka

Typ

zubové

p´ıstové

Tlak [bar]

200

140

Pr˚ utok [l min−1 ]

0,4

-

Spotˇreba [W]

150

300

Typ

1x

2x

-

proporciáln´ı

dvoustupˇ nov´ y nˇekdy pouˇzit jeden ventil

ˇ Cerpadlo ˇ Skoda udává aˇz 300bar˚ u

Ventily pro kaˇzdou brzdu 3/3 nebo proporcionáln´ı pro jemnˇejˇs´ı ˇr´ızen´ı Spotˇreba [W]

40

2 x 15

pro kaˇzdou brzdu

22

16

0 – 100% otevˇren´ı

-20..+80

-

Shell Tellus T32

DOT 4

Bod tuhnut´ı [ C]

-45

-70

Bod varu [◦ C]

210

230(155)

Dynamika [Hz] ◦

Provozn´ı teplota [ C] Kapalina Typ ◦

hodnota v závorce odpov´ıdá kapalinˇe s 3,7% vody

Hustota [kg m−3 ]

868

1070

Viskozita [mm s ]

167

330

pˇri -20◦ C

Viskozita [mm2 s−1 ]

8,1

2,35

pˇri 100◦ C

2

−1

Tabulka 4.4: Srovn´ an´ı navrˇzeného systému se systémem ABS

34


Obr´ azek 4.4: Graf pr˚ utok˚ u a tlak˚ u v systému

4.5. ZHODNOCENÍ

35

Obr´ azek 4.5: Graf pr˚ ubˇehu stavu motoru

36


Obr´ azek 4.6: Graf pr˚ ubˇehu stavu brzdy

4.5. ZHODNOCENÍ

Obr´ azek 4.7: Graf pr˚ ubˇeh˚ u pr˚ utok˚ u v systému pro r˚ uzné viskozity

37

38


Obr´ azek 4.8: Graf pr˚ ubˇeh˚ u tlak˚ u v systému pro r˚ uzné viskozity

Kapitola 5 Hardware 5.1

Popis

Pro systém brake-by-wire je potˇreba navrhnout jednotky pomoc´ı kter´ ych je moˇzné systém realizovat. Jednotky budou spolu komunikovat pomoc´ı FlexRay sbˇernice a budou obsahovat podp˚ urné obvody pro ˇcten´ı pouˇzit´ ych senzor˚ u a ovládán´ı akˇcn´ıch prvk˚ u hlavnˇe stejnosmˇern´ ych motor˚ u a elektroventil˚ u.

5.2

Poˇ zadavky

Navrˇzen´ y hardware by mˇel vyhovovat pro pouˇzit´ı v systému brake-by-wire, ale také pro upgrade stávaj´ıc´ıho hardwaru realizuj´ıc´ıho systém steer-by-wire. D˚ uraz je také kladen na moˇznost vyuˇzit´ı jednotek v dalˇs´ıch systémech x-by-wire.

5.2.1

Obecn´ e poˇ zadavky

Mezi obecné poˇzadavky patˇr´ı poˇzadavek ˇr´ızen´ı spotˇreby modul˚ u, je potˇreba, aby bylo moˇzné moduly pˇrepnout do tzv. stand-by reˇzimu a zajistit tak co moˇzná nejmenˇs´ı moˇzn´ y odbˇer z napájec´ı s´ıtˇe vozidla. Toto je obecn´ y poˇzadavek na elektroniku vozu. Autobaterie totiˇz nejsou stavˇeny na stálé zatˇeˇzován´ı a i pˇri malém proudu (nˇekolik mA) m˚ uˇze doj´ıt po dobˇe i pár t´ ydn˚ u k problému s dostatkem energie pro nastartován´ı. Kaˇzdá deska obsahuje sp´ınaˇc, kter´ y zajist´ı jej´ı plné odpojen´ı od napájen´ı s moˇznost´ı vzbuzen´ı extern´ım signálem na konektoru desky nebo wake-up signálem po sbˇernici FlexRay. Pokud bude 39

KAPITOLA 5. HARDWARE

40

potˇreba stálá funkce nˇekteré jednotky je moˇzné pomoc´ı lokáln´ıch wake-up symbolem (WUS) pˇrepnout vˇetˇsinu periféri´ı desky do reˇzimu se sn´ıˇzenou spotˇrebou (stand-by). Jednotky by mˇely b´ yt schopné vlastn´ı diagnostiky a kontroly funkce. To je dosaˇzeno pouˇzit´ım hradlového pole, které má za u ´kol hl´ıdat ˇcasován´ı na sbˇernici a pˇri poruˇsen´ı pravidel vadnou jednotku (kanál) odstavit. Kontrola funkce uP je zajiˇstˇena vlastn´ımi hl´ıdac´ımi obvody μP a extern´ım watchdog obvodem. Kontrola ostatn´ıch prvk˚ u je zajiˇstˇena zpˇetnou vazbou, napˇr. kontrola proudu H-m˚ ustkem. Dalˇs´ım poˇzadavkem je co nejvˇetˇs´ı variabilita navrˇzeného systému. Proto je kaˇzdá jednotka sloˇzena z nˇekolika desek. Jako hlavn´ı deska je vˇzdy komunikaˇcn´ı, ke které se pˇripojuj´ı desky podle konkrétn´ı funkce jednotky (v´ ykonová, pedálová, diagnostická). Navrˇzen´ y systém by mˇel umoˇzn ˇovat snadné um´ıstˇen´ı jednotek na buginˇe a práci s nimi. Jednotky jsou proto navrˇzeny pro um´ıstˇen´ı do krabiˇcky a obsahuj´ı konektory pro pˇripojen´ı periféri´ı, které neumoˇzn ˇuj´ı pˇrepólován´ı a samovolné uvolnˇen´ı. Navrˇzen´ y hardware by mˇel splˇ novat poˇzadavky na elektromagnetickou kompatibilitu. Od zaˇca´tku návrhu je brán zˇretel na vlastn´ı vyzaˇrován´ı desky a ochranu vstup˚ u. Poˇzadavek je i na cenu modul˚ u, ten je brán v u ´vahu od zaˇca´tku návrhu. V´ ybˇerem komponent a jejich zapojen´ı. Návrhem desky ploˇsn´ ych spoj˚ u s tˇr´ıdou pˇresnosti 5 (ˇs´ıˇrka spoje a mezer 8mil˚ u) ve dvouvrstvé technologii. Souˇca´stky jsou vyb´ırány ze tˇrech firem, z nichˇz byly nakonec dvˇe vybrány, ze kter´ ych se souˇca´stky objednávaly.

5.2.2

Steer-by-wire

Pro vyuˇzit´ı v tomto systému je zapotˇreb´ı, aby vytvoˇrené jednotky byly schopné ˇc´ıst pouˇzit´ y absolutn´ı senzor natoˇcen´ı. Ovládat motor pro nastavován´ı nápravy do poˇzadované pozice a motor pro vytváˇren´ı zpˇetné s´ıly na volant - feedback. Prvek

Vlastnosti

Pouˇ zit´ı

Absolutn´ı senzor natoˇcen´ı 10-bit GRAY, 5V TTL Poloha volantu Poloha nápravy

Motor RE40

Stejnosmˇern´ y 12V, 150W

Polohován´ı nápravy

Motor RE25


Tabulka 5.1: Pouˇzité senzory a akˇcn´ı prvky systému steer-by-wire

Systém se bude skládat ze 4 jednotek, dvˇe budou ovládat pˇredn´ı nápravu a dvˇe u volantu. Jednotky jsou zdvojeny pro zajiˇstˇen´ı vˇetˇs´ı spolehlivosti systému. Vˇsechny

ˇ 5.2. POZADAVKY

41

pracuj´ı zároveˇ n a pˇri komunikaci mezi sebou si vymˇen ˇuj´ı informace o vlastn´ım stavu a prob´ıhá vyhodnocen´ı funkˇcnosti. Aby byla zajiˇstˇena funkce je jedna jednotka v systému stále aktivn´ı a periodicky kontroluje jestli nedoˇslo k pohybu volantu. Pokud zaregistruje nˇejak´ y pohyb probud´ı ostatn´ı jednotky, aby zajistila funkci natáˇcen´ı kol. Pozn. na obr. 5.1 jsou naznaˇceny dvˇe FlexRay sbˇernice, ale jedná se o tutéˇz, jde pouze o zpˇrehlednˇen´ı obrázku.

Obr´ azek 5.1: Schéma systému steer-by-wire

5.2.3

Brake-by-wire

Systém brake-by-wire vyˇzaduje pouˇzit´ı mnohem v´ıce senzor˚ u, neˇz tomu je u systému steer-by-wire. Pˇredevˇs´ım je nutné sn´ımat polohu pedálu jako hlavn´ıho ovládac´ıho prvku. Dále, aby bylo moˇzné rozumnˇe ˇr´ıdit brzdnou s´ılu, je zapotˇreb´ı znát rychlosti jednotliv´ ych kol. Znalost rychlost´ı kol je základ pro asistenˇcn´ı brzdové systémy, aby bylo moˇzné vylepˇsit vlastnosti tˇechto systém˚ u je zapotˇreb´ı znát dalˇs´ı u ´daje o stavu vozidla. Pˇredevˇs´ım poˇzadovan´ y smˇer vozidla, kter´ y se urˇc´ı z natoˇcen´ı volantu (jiˇz zajiˇstˇeno systémem steerby-wire). Opravdov´ y smˇer pohybu vozidla, kter´ y se bude urˇcovat z hodnoty z´ıskané pomoc´ı 2-osého gyroskopu – mˇeˇr´ı podéln´ y a pˇr´ıˇcn´ y smˇer pohybu. Dalˇs´ı parametry o pohybu vozidla se z´ıskávaj´ı s 3-osého akcelerometru. ym Aby bylo co nejv´ıce informac´ı o stavu vozidla je v systému jeˇstˇe poˇc´ıtáno s bezdrátov´ modulem se senzorem zrychlen´ı, senzorem teploty a tlaku, kter´ y by mˇel b´ yt um´ıstˇen v kaˇzdém kole. Namˇeˇrené u ´daje by mˇel pˇredzpracovat a pomoc´ı bezdrátové komunikace (434MHz) poslat pˇr´ısluˇsné jednotce. Tato koncepce zároveˇ n zajiˇst’uje redundantn´ı infor-


42 Prvek

Vlastnosti

Elektronick´ y pedál 2x analog 0 .. 3,3V, 3,3V

Pouˇ zit´ı Senzor polohy pedálu

(pedál akcelerace ˇskoda) Motor RE40

Stejnosmˇern´ y 12V, 150W Pohon hydraulického agregátu

Ventil RZGO-A


Ovládán´ı brzdy

Hallova sonda

5V, TTL

Senzor otáˇcek kola

gyroskop

2x 0 .. 3,3V, 3,3V

Senzor pohyby vozidla

akcelerometr

3x 0 .. 3,3V, 3,3V

Senzor zrychlen´ı

bezdrátov´ y modul

3V baterie, RF 434MHz

Senzor zrychlen´ı kola Tlaku v kole Teploty v kole

Tabulka 5.2: Pouˇzité senzory a akˇcn´ı prvky systému brake-by-wire

Obr´ azek 5.2: Schéma systému brake-by-wire (se systémem steer-by-wire)

ˇ 5.2. POZADAVKY

43

mace o stavu kola (hallova sonda senzoru otáˇcek a akcelerometr). Cel´ y systém Brake-bywire (spolu se systémem Steer-by-wire) je znázornˇen na obr. 5.2.

5.2.4

X-by-wire

Dále je vyˇzadováno, aby byly jednotky pouˇzitelné i pro dalˇs´ı systémy, které by se mˇeli ˇcasem ˇreˇsit. Mezi tyto systémy patˇr´ı napˇr´ıklad ˇr´ızen´ı podvozku. Kde je vyˇzadováno pˇr´ımo mˇenit svˇetlou v´ yˇsku nebo pouze charakteristiku tlumiˇc˚ u. Pro toto vyuˇzit´ı by bylo vhodné znát také aktuáln´ı polohu tlumiˇce kaˇzdého kola (lineárn´ı senzor polohy) a chován´ı kola vzhledem k vozovce (akcelerometr). Jako akˇcn´ı prvky by bylo moˇzné vyuˇz´ıt tlumiˇce s MR kapalinou u kter´ ych se dá elektrick´ ym signálem mˇenit jejich charakteristika. Jako senzor polohy tlumiˇc˚ u je uvaˇzován lineárn´ı senzor polohy od firmy Positek. Tento senzor je vyrábˇen na pˇrań´ı zákazn´ıka, takˇze se daj´ı zadat jeho parametry jako je poˇzadovaná mˇeˇrená délka, napájen´ı, typ v´ ystupu, konektor, vodotˇesné proveden´ı nebo proveden´ı montáˇzn´ıch bod˚ u.

Obr´ azek 5.3: Senzor polohy

Parametry lineárn´ıho senzoru polohy P101.150: • Mˇeˇrená délka: 150 mm • Napájen´ı: 5 V • Typ v´ ystupu: 0,5 .. 4,5 V DC/ 4 .. 20 mA curent loop • konektor: radiáln´ı, kryt´ı IP67 • uchycen´ı: montáˇzn´ı oka na konc´ıch • Cena 3 250,- Kˇc (cena aktuáln´ı pro 4.8.2009 pˇri objednán´ı 4ks)


44

Tlumiˇce s MR kapalinou jsou vyrábˇeny nˇekolika firmami (TRW, Lord, . . . ) a uˇz dnes jsou v nˇekter´ ych vozidlech vyuˇz´ıvány. Akˇcn´ı ˇclen pro ovládán´ı podvozku je uvaˇzován MR tlumiˇc od firmy Lord s oznaˇcen´ım RD-8040-1 s tˇemito parametry:

Obr´ azek 5.4: Aktivn´ı MR tlumiˇc

• Ovládán´ı: 12V/0 .. 1A • Rozsah teplot: -40 .. 100◦ C • Rozmˇery: 208 × 42mm • Tlum´ıc´ı s´ıla: 5cm/s ,1A > 2447N • 20cm/s ,0A < 667N Dalˇs´ım moˇzn´ ym vyuˇzit´ım jednotek je pro systém drive-by-wire, kde se ovládá bˇeh a nastaven´ı pohonné jednotky vozidla. Základem je ovládán´ı ˇskrt´ıc´ı klapky sán´ı benz´ınov´ ych motor˚ u s regulac´ı vstˇrikovac´ıch trysek. Tento zp˚ usob ovládán´ı motoru je dnes uˇz bˇeˇzn´ y u sériov´ ych vozidel (vyuˇz´ıvá se CAN sbˇernice). Dále se dá ovládat vlastn´ı nastaven´ı motoru jako je napˇr. zmˇena geometrie vaˇcek, zmˇena délky sac´ıho potrub´ı a mnoho dalˇs´ıch parametr˚ u, které dnes uˇz b´ yvaj´ı elektricky ovládané. V neposledn´ı ˇradˇe lze také zam´ yˇslet ovládán´ı pˇrevodovky a spojky. Ta je ale u buginy ˇreˇsena odstˇredivou spojkou s ˇrazen´ım u stoj´ıc´ıho vozidla a proto se zat´ım s jej´ım ˇr´ızen´ım nepoˇc´ıtá.

ˇ 5.2. POZADAVKY

45

Prvek

Vlastnosti

Pouˇ zit´ı

Elektronick´ y pedál

2× analog 0 .. 3,3V

Senzor pohybu pedálu

MR tlumiˇc

12V, 15W

Ovládán´ı podvozku

Lineárn´ı senzor polohy 0,4 .. 4,5V (4 .. 20mA), 5V Senzor polohy podvozku Akcelerometr

3× 0 .. 3,3V, 3,3V

Senzor zrychlen´ı

Tabulka 5.3: Pouˇzité senzory a akˇcn´ı prvky systému X-by-wire

5.2.5

Shrnut´ı

Z poˇzadovan´ ych vlastnost´ı hardwaru bylo zvoleno ˇreˇsen´ı se sloˇzen´ım kaˇzdé jednotky z nˇekolika ˇca´st´ı. Spoleˇcná pro vˇsechny jednotky bude komunikaˇcn´ı deska, která bude zajiˇst’ovat komunikaci mezi jednotkami, zpracovávat informace a rozhodovat podle funkce pˇr´ısluˇsné jednotky. Bude umoˇzn ˇovat i pˇripojen´ı nˇekter´ ych senzor˚ u, které mohou b´ yt vyuˇz´ıvány vˇsemi jednotkami, jako je napˇr. akcelerometr. K n´ı bude pˇripojena deska podle konkrétn´ı funkce jednotky, jedná se o v´ ykonovou desku, pedálovou desku a diagnostickou desku. Diagnostická deska by mˇela umoˇznit snadnou komunikaci s jiˇz nainstalovan´ ym systémem ve vozidle a jeho pˇr´ıpadnou konfiguraci. Obsahuje LCD displej pro zobrazován´ı stavu systému a nˇekolik tlaˇc´ıtek pro nastavován´ı. Dále obsahuje slot pro SD kartu pro zápis hodnot pro pˇr´ıpadné pozdˇejˇs´ı zpracován´ı. Také obsahuje komunikaˇcn´ı modul pˇres Bluetooth rozhran´ı. Z d˚ uvodu rozsahu práce nen´ı tato deska do této práce zahrnuta. Dále je krátk´ y pˇrehled funkce kaˇzdé navrˇzené jednotky. • Komunikaˇcn´ı deska Mikroprocesor Hradlové pole - busguardian FlexRay (2 kanály) CAN RF transciever Wake-up Flash pamˇet’ 3-os´ y akcelerometr NTC teplomˇer


46 Ventilátor Rozˇsiˇruj´ıc´ı konektor • V´ ykonová deska: H-m˚ ustek (30A) 12-bit input Hallova sonda Senzor proudové smyˇcky • Pedálová deska: senzor pedálu (2x) digitáln´ı vstup/v´ ystup (4x) gyroskop v´ ykonov´ y sp´ınaˇc (2x 15A) • Kolová deska: RF vys´ılaˇc 2-os´ y akcelerometr Senzor tlaku Senzor teploty • Diagnostická deska:

5,7” TFT LCD 320x240xRGB displej (dotykov´ y) Hradlové pole (LCD driver) Bluetooth 2.1 Tlaˇc´ıtko (4x) SD card Protoˇze desky obsahuj´ı velk´ y poˇcet perifern´ıch obvod˚ u, a ne vˇsechny budou vyuˇz´ıvány, jsou tyto periférie oznaˇceny ve schématu urˇcit´ ym p´ısmenem (v kolonce Systém). Podle této poznámky, lze jednoduˇse urˇcit, ke které periférii souˇcástka patˇr´ı a jestli má b´ yt osazena nebo ne. Napˇr. pokud nebude na komunikaˇcn´ı desce vyuˇz´ıváno hradlové pole, nen´ı potˇreba osazovat souˇca´stky oznaˇcené jako A3 (FPGA zdroj), C (FPGA) a C1 (SPI

ˇ Í DESKA 5.3. KOMUNIKACN

47

Flash). Záloˇzn´ı periférie jsou oznaˇceny pˇr´ısluˇsn´ ym p´ısmenem systému podtrˇz´ıtkem a 2. Napˇr. A 2 je náhradn´ı um´ıstˇen´ı filtraˇcn´ı c´ıvky. Dále jsou navrˇzeny pomocné desky. Deska pro 3-os´ y akcelerometr a programátor pro hradlové pole Xilinx. V následuj´ıc´ıch kapitolách jsou jednotlivé desky bl´ıˇze popsané.

5.3 5.3.1

Komunikaˇ cn´ı deska Funkce

Komunikaˇcn´ı deska (control board 1.2) tvoˇr´ı základ kaˇzdé jednotky. Jej´ı hlavn´ı funkce je zajiˇst’ovat komunikaci s ostatn´ımi deskami pˇres FlexRay sbˇernici, rozhodovat a ovládat pˇr´ıdavné desky. K n´ı se pˇripojuj´ı dalˇs´ı rozˇsiˇruj´ıc´ı desky, podle konkrétn´ı funkce jednotky. Na obr. 5.5 je zobrazena vytvoˇrená deska.

Obr´ azek 5.5: Komunikaˇcn´ı deska

Obsahuje 16-bitov´ y μP Freescale s integrovan´ ym FlexRay ˇradiˇcem MC9S12XF512. Ten zajiˇst’uje hlavn´ı v´ ypoˇcetn´ı v´ ykon jednotek. K nˇemu jsou pˇripojeny dva budiˇce FlexRay sbˇernice (TJA1080), pro kaˇzd´ y kanál jeden. K nim je pˇripojeno hradlové pole Xilinx Spartan-3E, které zajiˇst’uje funkci busguardianu. Dále je deska schopná komunikovat pˇres CAN sbˇernici. Obsahuje také RF pˇrij´ımaˇc/vys´ılaˇc na frekvenci 434MHz. SPI Flash pamˇet’ urˇcenou primárnˇe pro uloˇzen´ı konfigurace FPGA, ale je pˇr´ıstupná pˇres FPGA i proce-


48

soru a tak je moˇzné ukládat uˇzivatelská data. Deska je vybavena 5V sp´ınan´ ym zdrojem a 3,3V lineárn´ım stabilizátorem. Pomoc´ı konektor˚ u je moˇzno pˇripojit senzory jako je NTC teplomˇer, 3-os´ y akcelerometr, nebo ventilátor. Na obr. 5.6 je zobrazeno blokové schéma komunikaˇcn´ı desky.

Obr´ azek 5.6: Blokové schéma komunikaˇcn´ı desky

5.3.2

Jednotliv´ eˇ c´ asti

V této ˇcásti jsou bl´ıˇze rozepsány vˇsechny bloky, které komunikaˇcn´ı deska obsahuje.


49

Zdroj Napájec´ı zdroj se skládá z 5V sp´ınaného zdroje, 3,3V lineárn´ıho zdroje a zdroje pro FPGA. Deska má na vstupu mosfetov´ y sp´ınaˇc, kter´ y ji odpoj´ı od napájen´ı pˇri ukonˇcen´ı funkce. Tento sp´ınaˇc je ovládán pomoc´ı FlexRay budiˇc˚ u. K odpojen´ı dojde pokud je do budiˇc˚ u pˇriveden signál STBN a nedocház´ı ke komunikaci pˇres FlexRay. Probuzen´ı je moˇzné pˇr´ıchoz´ım ”Wake-up” symbolem (WUS) po FlexRay sbˇernici, nebo pomoc´ı extern´ıho signálu na konektoru CON7 (WAKE LOC). Napájen´ı k desce je pˇrivedeno z rozˇsiˇruj´ıc´ıho konektoru, nebo pomoc´ı dvou faston konektor˚ u (6,3mm). Za tˇemito konektory je ochrana tvoˇrená transily na 18V a vratnou proudovou pojistkou PolySwitch na 1,1A. Ke kaˇzdému zdroji pˇr´ısluˇs´ı pár nastavovac´ıch jumper˚ u, pomoc´ı kter´ ych se vol´ı jak bude zdroj do systému pˇripojen. Jestli bude pˇripojen (LOC) a jestli bude pˇripojen také na rozˇsiˇruj´ıc´ı konektor (EXT). Nebo jestli se bude napájec´ı napˇet´ı brát z rozˇsiˇruj´ıc´ıho konektoru. Zdroje k FPGA jsou oddˇeleny moc´ı mosfetového sp´ınaˇce, pomoc´ı které se daj´ı vypnout a t´ım sn´ıˇzit spotˇrebu celé desky. Sp´ınaˇc se ovládá signálem z procesoru WAKE FPGA na pinu PB0 μP. FPGA potˇrebuje k funkci 3,3V napájen´ı, které je pˇrivedeno z hlavn´ıho stabilizátoru desky a pokud je deska vzbuzená, i kdyˇz je napájen´ı FPGA odpojeno, je toto napájen´ı pˇr´ıtomno. Dále je potˇreba 2,5V zdroj pro JTAG programován´ı FPGA a 1,2V zdroj pro napájen´ı jádra FPGA. Tyto zdroje jsou tvoˇreny lineárn´ımi stabilizátory a c´ıvkou omezuj´ıc´ı ruˇsen´ı od FPGA.

5V sp´ınan´ y zdroj Je tvoˇren obvodem MC34063 (IO12) v klasickém step-down zapojen´ı. Je pouˇzita c´ıvka v SMD proveden´ı, ale je moˇzné pouˇz´ıt i klasickou s drátov´ ymi v´ yvody. Zpˇetná vazba je vedena z odporového dˇeliˇce, kde se pomoc´ı neosazeného odporu R44 dá doladit v´ ystupn´ı napˇet´ı. Proudová ochrana je tvoˇrena odporem R29 o velikosti 0,33Ohm v proveden´ı SMD1206. Ten lze nahradit aˇz 6 odpory velikosti SMD0805. Aby zdroj správnˇe fungoval je potˇreba pˇrivést napˇet´ı alespoˇ n 8V. Horn´ı mez je daná pouˇzit´ ymi ochrann´ ymi diodami a blokovac´ım kondenzátorem na 18V. Pokud by bylo potˇreba, obvod dokáˇze pracovat pˇri y odpojuje napájec´ı napájen´ı aˇz 40V. Dalˇs´ım obvodem zdroje je sp´ınac´ı tranzistor T2, kter´ napˇet´ı. Je ovládán pomoc´ı FlexRay budiˇc˚ u a extern´ım signálem na konektoru CON7.


50 3,3V line´ arn´ı zdroj

Je tvoˇren lineárn´ım stabilizátorem TS1117-3,3 (IO15) v pouzdru TO-262 (DPAK). FPGA zdroj Je tvoˇren 2,5V stabilizátorem TC1185-2,5VCT (IO21) a 1,2V stabilizátorem XC6214P122PR (IO23). Souˇcást´ı FPGA zdroje je také 3,3V zdroj desky. Napájen´ı pro zdroje se sp´ıná pomoc´ı tranzistoru T3 a T5 ovládaného signálem WAKE FPGA z procesoru pinem PB0. Kv˚ uli velké impulsn´ı zátˇeˇzi pˇri sepnut´ı napájen´ı pro FPGA je sp´ınán´ı zpomaleno RC ˇclánkem na vstupu T5 (R49 a C93). Bez tohoto opatˇren´ı dojde, pˇri sepnut´ı napájen´ı, k poklesu napájen´ı pro μP, kter´ y ho vyhodnot´ı jak v´ ypadek a po zmˇenˇe zpˇet na p˚ uvodn´ı hodnotu vyvolá reset procesoru. Dále je zdroj FPGA tvoˇren vˇzdy párem kondenzátor˚ u pro kaˇzd´ y napájec´ı pin a to 100nF a 1nF. Ty jsou na desce doplnˇeny tantalov´ ymi kondenzátory 10μF. Sign´ al

Pin

Smˇ er Sign´ al

Pozn´ amka

μP

(μP)

INH A

-

-

probouzen´ı

pomoc´ı FlexRay budiˇce

INH B

-

-

probouzen´ı


STBN A

PAD9 O

stand-by


STBN B

PA2

O

stand-by


WAKE LOC

-

-

zapnut´ı napájen´ı

extern´ı signál

AN Ubat2

PAD0 I

sn´ımán´ı napájec´ıho napˇet´ı 1:0,2034

WAKE FPGA

PB0

O

zapnut´ı zdroje FPGA

WAKE UP

PP1

O

zapnut´ı pˇr´ıdavné desky Tabulka 5.4: Ovl´ ad´ an´ı zdroj˚ u

Dalˇ s´ı obvody zdroje Mezi dalˇs´ı obvody zdroje patˇr´ı signalizaˇcn´ı led (LED5), která sv´ıt´ı pokud je k dispozici napájen´ı 3,3V. Napájen´ı pro ADC pˇrevodn´ık v μP je filtrováno pˇres c´ıvku 10μH (L12) a zem pro analogovou ˇca´st je pˇripojitelná pˇres c´ıvku L4. Pokud se ukáˇze, ˇze by bylo vhodné zemnˇen´ı na jiném m´ıstˇe jsou na desce pˇripraveny pozice pro c´ıvky L2, L3 a L5.


51

Monitorován´ı napájec´ıho napˇet´ı je moˇzné pomoc´ı ADC pˇrevodn´ıku v μP, kam je pˇrivedeno napˇet´ı z´ıskávané za sp´ınaˇcem T2 a sn´ıˇzeno pomˇerem 1:0,2034. Ovládán´ı zdroj˚ u desky je naznaˇceno v tabulce 5.4. Mikroprocesor MC9S12XF512 Hlavn´ı souˇca´stkou komunikaˇcn´ı desky je μP Freescale MC9S12XF512. Tento procesor byl vybrán, protoˇze patˇr´ı mezi nˇekolik málo procesor˚ u s integrovan´ ym FlexRay ˇradiˇcem a vyráb´ı se v pouzdru TQFP, coˇz usnadˇ nuje jeho pájen´ı a zjednoduˇsuje návrh desky. Integrovan´ y FlexRay ˇradiˇc mimo jiné také usnadˇ nuje ladˇen´ı. Pˇr´ımo procesor je navrˇzen pro pouˇzit´ı pro automotive aplikac´ıch. V následuj´ıc´ım pˇrehledu jsou vybrány nˇekteré parametry μP. Na obr. 5.7 je znázornˇeno blokové schéma pouˇzitého procesoru.

Základn´ı rysy μP MC9S12XF512: 16-bit CPU12X - Instrukce pro 32-bit v´ ypoˇcty 512 KB Flash, 4 KB emulované EEPROM, 32 KB RAM XGATE (programovateln´ y v´ ykonn´ y koprocesor) – pˇrenos dat mezi pamˇet´ı a periféri´ı bez pouˇzit´ı CPU – logické, rotovac´ı, aritmetické a bitové operace s daty Moˇznost rozˇs´ıˇren´ı spektra pro omezen´ı EMC FlexRay modul s implementovan´ ym protokolem v2.1 CAN 2.0A, B ADC (Analog-digital converter) – Reˇzimy: 8/10/12-bit˚ u (doba pˇrevodu 3μs pˇri 12-bitech) – Moˇzn´ y pˇrevod v STOP reˇzimu API (Periodické asynchronn´ı interupty) 0,2 ms – 13 s (s krokem 0,2 ms) 6 PWM s detekc´ı poruchy Napájen´ı: 3,3 V .. 5 V Provozn´ı teploty: -40 .. +85◦ C

Procesor je napájen 3,3V a obsahuje dalˇs´ı dva vlastn´ı stabilizátory. Jeden na 2,8V pro Flash pamˇet’ a jeden na 1,8V pro CPU. Vˇsechny napájec´ı vstupy a v´ ystupy jsou zablokovány podle návrhu v datasheetu kondenzátory 220nF. Procesor se m˚ uˇze spustit v jednom z 8 reˇzim˚ u, které se nastavuj´ı pomoc´ı vstup˚ u

52


Obr´ azek 5.7: Blokové schéma procesoru MC9S12XF512

oznaˇcen´ ych MODA, MODB a MODC. Poˇzadovan´ y reˇzim se nastavuje pomoc´ı pull-up nebo pull-down odpor˚ u na desce (R24..R28). Z tˇechto reˇzim˚ u se vyuˇz´ıvaj´ı hlavnˇe dva ”Normal mode” (pˇredvolen) a reˇzim ”Debug mode”, kter´ y se dá zvolit jumperem J6. Procesor se programuje pˇres BDM rozhran´ı, coˇz je dvouvodiˇcová komunikace. Pˇres toto rozhran´ı se dá procesor programovat i ladit samotn´ y program. Konektor je um´ıstˇen v levé ˇca´sti desky uprostˇred. Je tvoˇren konektorem 2x3 pin s rámeˇckem zabraˇ nuj´ıc´ım


53

otoˇcen´ı konektoru. Konektor nen´ı pˇr´ıstupn´ y pˇri um´ıstˇen´ı desky v krabiˇcce. Signály na konektoru nejsou ochránˇeny pomoc´ı pˇrepˇet’ov´ ych diod. K procesoru je pˇripojen 4MHz krystal v reˇzimu ”Loop controled pierce oscilator”. Tento reˇzim je nastaven pomoc´ı odpor˚ u R16 a R17. Pomoc´ı nich se dá zvolit reˇzim ”external clock” a vyuˇz´ıt napˇr´ıklad oscilátor IO5. Kter´ y má na desce pˇripravené m´ısto, ale nen´ı osazen. Na vstupu reset procesoru je RC ˇclánek. Procesor obsahuje vlastn´ı watchdog obvody, ale pro kritické aplikace jako jsou systémy X-by-wire je zapotˇreb´ı hl´ıdat procesor jeˇstˇe extern´ım obvodem. Proto je na reset vstup pˇripojen extern´ı watchdog obvod, kter´ y hl´ıdá jednak napájec´ı napˇet´ı a jednak aktivitu procesoru pˇricházej´ıc´ım periodick´ ym signálem. Na nˇej je dále napojeno tlaˇc´ıtko pro vyvolán´ı resetu. Toto tlaˇc´ıtko m˚ uˇze b´ yt v proveden´ı SMD nebo s v´ yvody a pozic´ı 90◦ . Coˇz umoˇzn´ı ovládat tlaˇc´ıtko i pokud bude deska zavˇrená do krabiˇcky. V tabulce 5.5 je naznaˇceno pˇripojen´ı watchdog obvodu s μP. Ssign´ al

Pin μP Smˇ er (μP) Funkce

Pozn´ amka

RESET

RESET

I

RESET

reset

WDI RESET

PT7

O

IOC7

periodické impulzy

Tabulka 5.5: Pˇripojen´ı Watchdog obvodu

K procesoru jsou pˇripojeny 4 LED diody pro signalizaci stavu procesoru. Jedná se o LED1 aˇz LED4 s barvami zelená, ˇzlutá, ˇcervená a modrá, viz. tabulka 5.6. Tyto ledky jsou um´ıstˇeny na pravé stranˇe desky pod konektorem sbˇernice CAN. Oznaˇ cen´ı Pin μP Barva

Pozn´ amka

LED1

PA4

zelená

aktivn´ı v log. 0

LED2

PA5

ˇzlutá

aktivn´ı v log. 0

LED3

PA6

ˇcervená aktivn´ı v log. 0

LED4

PA7

modrá

aktivn´ı v log. 0

Tabulka 5.6: Signalizaˇcn´ı LED diody

Z procesoru je také vytaˇzeno na vnitˇrn´ı konektor RS232 rozhran´ı. Jedná se pouze o signály RXD a TXD, doplnˇené napájen´ım s 3,3V CMOS log. u ´rovnˇemi. Konektor je um´ıstˇen na pravé stranˇe vlevo od signalizaˇcn´ıch led kontrolek a nen´ı pˇr´ıstupn´ y pˇri zapouzdˇren´ı desky v krabiˇcce.


54 FPGA Spartan 3E

Hradlové pole (FPGA) je d˚ uleˇzitá ˇcást desky, je primárnˇe urˇceno pro funkci busguardianu FlexRay sbˇernice, ale nen´ı vylouˇceno jeho vyuˇzit´ı pro zapracovan´ı dat pro procesor. Bylo vybráno hradlové pole Spartan-3E od firmy Xilinx s oznaˇcen´ım XC3S250E v pouzdˇre VQFP100. Toto pole je prostˇredn´ı vyrábˇená velikost ve 100 pinovém pouzdˇre. V pˇr´ıpadˇe potˇreby lze zvolit pole menˇs´ı XC3S100E nebo vˇetˇs´ı XC3S500E. Dále se jedná o vylepˇsenou ˇradu hradlov´ ych pol´ı Sparta-3 s oznaˇcen´ım E, které dokáˇz´ı lépe pouˇzit´ y design nafitovat do vlastn´ıho pole. V následuj´ıc´ım pˇrehledu jsou shrnuty nˇekteré vlastnosti pouˇzitého hradlového pole.

Vlastnosti hradlového pole Xilinx Spartan-3E XC3S250E: Poˇcet systémov´ ych bran 250 k Ekvivalentn´ıch log. bunˇek 5508 CLBs (Configurable Logic Blocks): 34x26 (612 celkovˇe) (CLB = 4 slice) Bloková pamˇet’: 216 kb Samostatné násobiˇcky: 12 (2x18bit vstup) DCM (Digital Clock Manager): 4 Vstupn´ı hodinov´ y kmitoˇcet: 5 .. 280 MHz Teplotn´ı rozsah: 0 .. 85◦ C

Hradlové pole potˇrebuje pro svoji funkci nˇekolik druh˚ u napˇet´ı, to bylo ˇreˇseno v sekci FPGA zdroj. Dále potˇrebuje konfiguraˇcn´ı pamˇet’, která je schopná hradlové pole pˇri obnovˇe napájen´ı nastavit. Z pohledu vyuˇzitelnosti a ceny byla zvolena pamˇet’ typu SPI Flash. Jedná se o standardn´ı pr˚ umyslovou SPI Flash pamˇet’. Pomoc´ı nastavovac´ıch pin˚ u M0, M1 a M2 je nastaven reˇzim SPI, pˇri kterém si samo hradlové pole naˇcte konfiguraci z pamˇeti. Tento reˇzim lze zmˇenit pomoc´ı jumperu J11 na reˇzim JTAG, kde FPGA ˇceká aˇz bude naprogramováno JTAG rozran´ım. Pomoc´ı signál˚ u VS0, VS1 a VS2 je zvolena rychlost vyˇc´ıtán´ı z pamˇeti na ”read”, pˇr´ıpadnˇe lze zmˇenit na ”fast read”. Po konfiguraˇcn´ım reˇzimu jsou piny pouˇzité pro pˇripojen´ı SPI Flash pamˇeti volné k dispozici, takˇze lze s pamˇet´ı komunikovat i po konfiguraci.Pro plnou konfiguraci pole je zapotˇreb´ı 1 353 728bit˚ u. Zbytek z pouˇzité 4MB pamˇeti je tak voln´ y pro vyuˇzit´ı pro uˇzivatelská data. Signály sbˇernice SPI jsou pˇripojeny na konektor um´ıstˇen´ y v pravém doln´ım rohu desky (konektor nen´ı pˇr´ıstupn´ y pˇri zapouzdˇren´ı desky v krabiˇcce). Pomoc´ı nˇeho lze pamˇet’ také obsluhovat,


55

viz. tabulka 5.23. Konektor je doplnˇen diodami umoˇzn ˇuj´ıc´ı pˇripojit i zaˇr´ızen´ı s vyˇsˇs´ım napájen´ım neˇz je 3,3V (napˇr. 5V). Pro moˇznost zápisu do Flash pamˇeti je potˇreba pomoc´ı jumper˚ u J12 tento zápis povolit, jinak je pamˇet’ nastavena pouze pro ˇcten´ı. Programovat FPGA se dá také pomoc´ı 6-ti pinového konektoru JTAG rozhran´ı s u ´rovnˇemi 2,5V .. 3,3V. Naˇc´ıtán´ı konfigurace se vyvolá automaticky pˇri pˇripojen´ı napájen´ı, ym na μP nebo jumerem pokud je potˇreba dá se vyvolat signálem PROG B pˇripojen´ J13. Signalizace v jakém reˇzimu se FPGA nacház´ı je zajiˇstˇena LED7, ˇzluté barvy. Tato kontrolka sv´ıt´ı pokud se FPAG nacház´ı v programován´ı, pˇri naprogramován´ı a spuˇstˇen´ı vlastn´ıho designu kontrolka zhasne. Kontrolka LED6 (ˇcervená barva) je signalizaˇcn´ı a ovládá se pomoc´ı designu z hradlového pole. Pro vytváˇren´ı hodinového signálu FPGA je pouˇzit obvod IO24 (3HM57-B-10.000RC1.5). Tento obvod vytváˇr´ı kmitoˇcet 10MHz a je pˇripojen na pin IO L03P 2/D7/GCLK12 (pin 32) FPGA. Tento signál se dá pomoc´ı vnitˇrn´ı DCM buˇ nky upravit na poˇzadovanou hodnotu v designu FPGA. V tabulce 5.7 je naznaˇceno propojen´ı FPGA s μP, v tabulce 5.8 je naznaˇceno pˇripojen´ı Flash pamˇeti. Sign´ al

Pin μP Pin FPGA Smˇ er (μP) Funkce

SS FPGA

PM2

IO L05P 0

O

slave select FPGA

MISO FPGA

PM4

IO L03N 0

I

MISO1

MOSI FPGA

PM5

IO L04P 0

O

MOSI1

SCLK FPGA

PM6

IO L04N 0

O

SCK1

SS FLASH

PD5

IO

O

slave select Flash

PROG B

PB1

PROG B

O

naˇcten´ı konfigurace

STB0 FPGA

PJ3

IO L02N 3

O

FlexRay Strobe

STB1 FPGA

PJ4

IO L02P 3

O

FlexRay Strobe

STB2 FPGA

PJ5

IO L01N 3

O

FlexRay Strobe

STB3 FPGA

PJ6

IO L01P 3

O

FlexRay Strobe

GCLK

-

IO L03P 2

I (FPGA)

hodiny

Tabulka 5.7: Pˇripojen´ı FPGA

FlexRay Deska obsahuje dva nezávisle FlexRay kanály. Jsou tvoˇreny budiˇci sbˇernice TJA1080 od firmy Philips. Dále c´ıvkami omezuj´ıc´ımi souhlasné ruˇsen´ı po sbˇernici a pˇripojiteln´ ymi


56 Sign´ al

Pin FPGA

Pin

Vlastnosti

Flash

Smˇ er

Funkce

(FPGA)

SO FLASH

IO L07N 2/DIN/D0

Q

CMOS 3,3V I

MISO

SCK FLASH

IO L09N 2/CCLK

C

CMOS 3,3V O

SCK

SI FLASH

IO L02N 2/MOSI/CSI B

D

CMOS 3,3V O

MOSI

CS FLASH

IL L01P 2/CSO B

nS

CMOS 3,3V O

SS

WP FLASH

J12 (jumper)

nW

pulldown

-

write protect

-

hold

HOLD FLASH -

nHOLD pullup Tabulka 5.8: Pˇripojen´ı SPI Flash pamˇeti

obvody terminátor˚ u. Terminován´ı sbˇernice se pˇripojuje pomoc´ı jumper˚ u J1 a J2 pro kanál A a J3 a J4 pro kanál B. Vstupy sbˇernice jsou chránˇeny TVS diodami pro 28V (bidirectional). Budiˇce jsou pˇres odpory pˇripojeny k μP. A pˇres signál BGE k FPGA. FPGA dále odposlouchává komunikaci na signálech RXD a TXEN a v pˇr´ıpadˇe nedodrˇzen´ı ˇcasován´ı na sbˇernici pomoc´ı signálu BGE pˇr´ısluˇsn´ y budiˇc odpoj´ı od sbˇernice. Pˇripojen´ı budiˇc˚ u je zobrazeno v tabulce 5.9 a tabulce 5.10. Kaˇzd´ y kanál obsahuje dva dvoupinové konektory typu ARK1550 pro pˇripojen´ı. Druh´ y konektor je pro snadnˇejˇs´ı zapojen´ı pˇri pouˇzit´ı sbˇernice typu kruh. Kaˇzd´ y kanál umoˇzn ˇuje vzbuzen´ı desky pomoc´ı pˇr´ıchoz´ı zprávy ”wake-up symbol (WUS)”. Toto schopnost se dá zakázat odstranˇen´ım 0Ω odpor˚ u R87(A) nebo R86(B). Sign´ al


TXD A

PH1

-

O

vys´ılán´ı

TXEN A

PH2

IO L03N 1

O

enable vys´ılán´ı

RXD A

PH0

IO L04N 1

I

pˇr´ıjem

RXEN A

-

-

-

enable pˇr´ıjem

BGE A

-

IO L04P 1

O (FPGA)

enable transmitter

EN A

PH3

-

O

enable

STBN A

PAD9

-

O

standby

WAKE A -

-

-

local wake up

ERRN A

-

-

error output

-

Tabulka 5.9: Pˇripojen´ı FlexRay budiˇce A


57

Sign´ al


TXD B

PH5

-

O

vys´ılán´ı

TXEN B

PH6

IO L03P 1

O

enable vys´ılán´ı

RXD B

PH4

IO L02N 1

I

pˇr´ıjem

RXEN B

-

-

-

enable pˇr´ıjem

BGE B

-

IO L02P 1

O (FPGA)

enable transmitter

EN B

PH7

-

O

enable

STBN B

PA2

-

O

standby

WAKE B

-

-

-

local wake up

ERRN B

-

-

-

error output

Tabulka 5.10: Pˇripojen´ı FlexRay budiˇce B

CAN Deska je vybavena obvody pro komunikaci pomoc´ı CAN sbˇernice. Je pouˇz´ıt vnitˇrn´ı ˇradiˇc sbˇernice v μP a extern´ı budiˇc sbˇernice SN65HVD233D. Pomoc´ı signálu Wake CAN se budiˇc sbˇernice aktivuje, log.0. Pˇri log. 1 je budiˇc v reˇzimu ”low power” a z˚ ustává aktivn´ı pouze pˇrij´ımaˇc. Pomoc´ı velikost´ı odpor˚ u R83 se m˚ uˇzou zpomalit hrany signál˚ u pro omezen´ı ruˇsen´ı. Budiˇc umoˇzn ˇuje komunikovat aˇz s rychlost´ı 1Mbps, pˇripojen´ı aˇz 120 zaˇr´ızen´ı. Propojen´ı CAN budiˇce s μP je podle tabulky 5.11. Sign´ al


Pozn´ amka

TXD

PM1

O

TXCAN0

RXD

PM0

I

RXCAN0 pˇr´ıjem

O

Rs

Wake can PD4

vys´ılán´ı low power mod

Tabulka 5.11: Propojen´ı CAN budiˇce

Na desce jsou obvody zajiˇst’uj´ıc´ı terminován´ı sbˇernice (jumper J5) a obvody pro ochranu proti pˇrepˇet´ı. Konektor pro pˇripojen´ı sbˇernice je 3-pinov´ y typu ARK1550. Obsahuje signály CANH, CANL a GND. Podle tabulky 5.17. RF pˇ rij´ımaˇ c-vys´ılaˇ c Na desce je obvod MRF49XA (IO2) umoˇzn ˇuj´ıc´ı bezdrátovou komunikaci na frekvenci 434MHz (ISM Band). Dále jsou vypsány vlastnosti pouˇzitého obvodu.


58 Frekvence: 433,868 MHz (ISM) Modulace: FSK s FHSS Rychlost: 115,2 kbps Citlivost: -110 dBm Vys´ılac´ı v´ ykon: +7 dBm 16bit Rx FIFO 2x 8bit Tx registr

Tranciever je pˇripojen k μP pomoc´ı SPI1 sbˇernice s SS signálem na CS1 (je to stejná sbˇernice, která je pouˇzitá pro pˇripojen´ı FPGA). Na ploˇsném spoji je vytvoˇrená anténa, pokud by bylo potˇreba je moˇzno pouˇz´ıt extern´ı s konektorem U.FL (ANT1), nebo pˇripájen´ım do ANT2. Kromˇe vlastn´ı komunikace umoˇzn ˇuje obvod mˇeˇrit s´ılu pˇrij´ımaného signálu na pinu AN08 μP. Kde by mˇela b´ yt u ´roveˇ n podle s´ıly signálu a to 0,45 .. 1,15 V (-100 .. -65 dBm). Propojen´ı RF transciever s μP je naznaˇceno v tabulce 5.12. Sign´ al


Pozn´ amka

MOSI RF

PM5

O

MOSI1

SPI1

SCLK RF

PM6

O

SCK1

SPI1

CS RF

PM3

O

CS1

SPI1

MISO RF

PM4

I

MISO1

SPI1

IRQ RF

PE1

I

IRQ

interupt

DATA RF

PS3

I/O

TXD1

data

RSSI RF

PAD8

I

AN08

s´ıla signálu

O

RXD1

reset RF

RESET RF PS2

Tabulka 5.12: Propojen´ı RF transciever

RF modul Volitelnˇe Na desku je moˇzno um´ıstit RF modul typu RX-4MM3. Tento modul umoˇzn ˇuje pˇr´ıjem signálu na frekvenci 434MHz. Pˇripojen´ı RF modulu je naznaˇceno v tabulce 5.13.

ˇ Í DESKA 5.3. KOMUNIKACN Sign´ al

59


Pozn´ amka

RESET RF PS2

I

RXD1

data

RSSI RF

I

AN08

s´ıla signálu

PAD8

Tabulka 5.13: Pˇripojen´ı RF modulu

Konektory Deska obsahuje ˇradu konektor˚ u pomoc´ı kter´ ych se pˇripojuj´ı jednotlivé sbˇernice nebo perifern´ı senzory. Napájec´ı konektory jsou typu faston 6,3mm, rozˇsiˇruj´ıc´ı typu 40-pinov´ y pro ploch´ y kabel a ostatn´ı typu ARK1550 s rozteˇcn´ı 3,5mm. • Rozˇ siˇ ruj´ıc´ı Je hlavn´ı konektor pro pˇripojen´ı rozˇsiˇruj´ıc´ıch desek jako je V´ ykonová deska (power board) nebo pedálová deska (pedal board). Konektor je 40-pinov´ y a obsahuje 16 I/O signál˚ u z procesoru, jeden signál Wake up a 4 napájec´ı signály (Ubat, 5V, 3,3V a 3,3V filtrované). Pro omezen´ı ruˇsen´ı je kaˇzd´ y sousedn´ı signál GND (pˇr´ıpadnˇe AGND). Signály maj´ı funkci podle tabulky 5.14. Konektor je oddˇelen od μP pomoc´ı rezistorové s´ıtˇe o velikosti 100Ω a je chránˇen pˇrepˇet’ov´ ymi TVS diodami na napˇet´ı 3,3V. Konektor je um´ıstˇen na horn´ı stranˇe desky a umoˇzn ˇuje pouˇzit´ı standardn´ıch 40pinov´ ych poˇc´ıtaˇcov´ ych konektor˚ u pro ploché kabely. Nebo dvouˇradé liˇsty. V´ yhoda v pouˇzit´ı konektor˚ u na plochém kabelu je v moˇznosti pˇripojen´ı v´ıce desek, neˇz pouze jedné. • Nap´ ajec´ı Konektory pro napájen´ı jsou um´ıstˇeny na levé stranˇe desky dole. Skládaj´ı se ze signál˚ u +Ubat a GND, viz. tabulka 5.41. Konektory jsou typu faston vidlice o ych velikosti 6,3x0,8mm. Signály jsou ochránˇeny pomoc´ı pˇrepˇet’ov´ ych ochran tvoˇren´ TVS diodami na 18V. • FlexRay sbˇ ernice Konektory pro pˇripojen´ı FlexRay sbˇernice jsou na pravé stranˇe desky. Pro kaˇzd´ y kanál jsou k dispozici dva konektory. Pro kanál A: CON5 a CON6, pro kanál B: CON8 a CON9. Obsahuj´ı signály podle tabulky 5.16. Signály jsou chránˇeny pˇrepˇet’ov´ ymi TVS diodami pro napˇet´ı ±28V.


60 pin

pin

sign´ al

vlastnosti

funkce

alternativn´ı

konektor

μP

funkce

1

-

+Ubat

12V

napájen´ı

-

3

-

+5V con

5V

napájen´ı

-

5

-

+3.3V con

3,3V

napájen´ı

-

7

PP1

WAKE UP

CMOS 3,3V

sp´ınán´ı napájen´ı I/O pˇr´ıdavné desky

9

PT3

IOC3

CMOS 3,3V

ˇc´ıtaˇc/ˇcasovaˇc

I/O

11

PT2

IOC2

CMOS 3,3V


I/O

13

PT1

IOC1

CMOS 3,3V


I/O

15

PT0

IOC0

CMOS 3,3V


I/O

17

PP2

PWM2

CMOS 3,3V

pwm v´ ystup

I/O

19

PP3

PWM3

CMOS 3,3V

pwm v´ ystup

I/O

21

PP4

PWM4

CMOS 3,3V

pwm v´ ystup

I/O

23

PP5

PWM5

CMOS 3,3V

pwm v´ ystup

I/O

25

PS7

SS0

CMOS 3,3V

SPI

I/O

27

PS6

SCK0

CMOS 3,3V

SPI

I/O

29

PS5

MOSI0

CMOS 3,3V

SPI

I/O

31

PS4

MISO0

CMOS 3,3V

SPI

I/O

33

PAD7 AN7

analog 0 .. 3,3V analog vstup

I/O

35

PAD6 AN6


I/O

37

PAD5 AN5


I/O

39

PAD4 AN4


I/O

2. . . 32 (sudé)

-

GND

0V

napájen´ı

-

34. . . 38 (sudé)

-

AGND

0V

napájen´ı analog

-

40

-

VDD

3,3V


-

Tabulka 5.14: Rozˇsiˇruj´ıc´ı konektor

Oznaˇ cen´ı Sign´ al Vlastnosti CON13

+Ubat

+8V . . . +18V

CON14

GND

0V

Tabulka 5.15: Nap´ ajec´ı konektory


61

Pin Sign´ al Vlastnosti 1

BM

diferenˇcn´ı

2

BP

diferenˇcn´ı

Tabulka 5.16: Konektor FlexRay sbˇernice

• CAN sbˇ ernice Konektor pro pˇripojen´ı CAN sbˇernice je na pravé stranˇe desky nahoˇre. Obsahuje signály podle tabulky 5.17. Signály jsou chránˇen proti pˇrepˇet´ı. Pin Sign´ al

Vlastnosti

1

GND

napájen´ı

2

CANL

diferenˇcn´ı

3

CANH

diferenˇcn´ı

Tabulka 5.17: Konektor CAN sbˇernice

• 3os´ y akcelerometr Konektor pro pˇripojen´ı 3osého analogového akcelerometru je na levé stranˇe nahoˇre. Obsahuje signály podle tabulky 5.18. Signály jsou chránˇeny pˇrepˇet’ov´ ymi TVS diodami pro 3,3V. Pin Pin μP Sign´ al Vlastnosti

Smˇ er

Pozn´ amka

1

-

+3.3V

+3,3V

S

-

2

-

AGND

0V

S

-

3

PAD1

AN Z

analog 0 .. 3,3V I

kanál Z

4

PAD2

AN Y

analog 0 .. 3,3V I

kanál Y

5

PAD3

AN X

analog 0 .. 3,3V I

kanál X

6

PD0

sleep

CMOS 3,3V

O

sleep signál

7

PD1

S1

CMOS 3,3V

O

nastaven´ı zes´ılen´ı

8

PD2

S2

CMOS 3,3V

O


Tabulka 5.18: Konektor pro 3os´ y akcelerometr

• NTC teplomˇ er Konektor pro pˇripojen´ı extern´ıho NTC odporu se nacház´ı na levé stranˇe uprostˇred.


62

Obsahuje signály podle tabulky 5.19 Je pˇripraven´ y pro pouˇzit´ı odporu o nomináln´ı hodnotˇe 2,2kΩ. Proud protékaj´ıc´ı odporem je omezen pomoc´ı odporu R1. Pouˇzitá kombinace odpor˚ u má protékaj´ıc´ı proud 0,9mA. Pin Pin μP Sign´ al

Vlastnosti

Smˇ er

Pozn´ amka

1

-

AGND

0V

S

-

2

PAD11

AN teplota analog 0 .. 3,3V I

NTC termistor

Tabulka 5.19: Konektor pro NTC teplomˇer

• Ventil´ ator Konektor pro pˇripojen´ı ventilátoru se nacház´ı na levé stranˇe nad konektory napájen´ı. Obsahuje signály podle tabulky 5.20. Obvody umoˇzn ˇuj´ı pomoc´ı μP ˇr´ıdit sp´ınán´ı ventilátoru signálem COOL pˇripojeném na PP0 μP. Pomoc´ı propojky J14 se vol´ı napájec´ı napˇet´ı ventilátoru 5V nebo Ubat (12V). Pro zpˇetné urˇcen´ı otáˇcek veny na PT4 μP. tilátoru je pˇr´ıtomn´ y také signál COOL FAN pˇripojen´ Pin Pin μP Sign´ al

Vlastnosti

Smˇ er

Pozn´ amka

1

PT4

COOL FAN

CMOS 5V

I

sn´ımán´ı otáˇcek

2

-

5V nebo 12V napájen´ı

S

napˇet´ı podle J14

3

PP0

COOL

napájen´ı sp´ınané S

GND sp´ınan´ y

Tabulka 5.20: Konektor pro ventil´ ator

• Wake loc Konektor pro extern´ı vzpouzen´ı desky se nacház´ı na pravé stranˇe dole. Obsahuje signály podle tabulky 5.21. Pokud dojde k pˇrizemnˇen´ı signálu wakeup je sepnut napájec´ı tranzistor a deska je pˇripojena k napájen´ı. Tento tranzistor dále drˇz´ı sepnut´ y budiˇce FlexRay sbˇernice, takˇze nen´ı nutné drˇzet wakeup signál stále. Pin Sign´ al

Vlastnosti Smˇ er

Funkce

1

GND

0V

S

-

2

WAKE LOC 0 .. Ubat

I

aktivn´ı log. 0

Tabulka 5.21: Konektor Wakeup LOC


63

• RS232 Konektor pro pˇripojen´ı pomoc´ı rozhran´ı RS232 se nacház´ı v pravé horn´ı ˇca´sti desky (uvnitˇr). Konektor nen´ı pˇr´ıstupn´ y pˇri um´ıstˇen´ı desky v krabiˇcce. Obsahuje signály podle tabulky 5.22. Je pouˇzit konektor 1x4 kol´ıková liˇsta. Konektor je urˇcen pouze pro ladˇen´ı desky a proto nejsou pouˇzity u ´rovnˇe odpov´ıdaj´ıc standardu RS232, ale pouze CMOS u ´rovnˇe 3,3V. Signály na konektoru jsou chránˇeny pomoc´ı pˇrepˇet’ov´ ych TVS diod na 3,3V. Pin Pin μP Sign´ al

Vlastnosti

1

PS1

TXD RS232

CMOS 3,3V O

transmit

2

-

GND

0V

napájen´ı

3

PS0

RXD RS232 CMOS 3,3V I

receive

4

-

+3.3V

napájen´ı

3,3V

Smˇ er S S

Funkce

Tabulka 5.22: Konektor RS232

• SPI Konektor pro pˇripojen´ı k Flash pamˇeti se nacház´ı v pravé spodn´ı ˇcásti desky (uvnitˇr). Konektor nen´ı pˇr´ıstupn´ y pˇri um´ıstˇen´ı desky v krabiˇcce. Obsahuje signály podle tabulky 5.23. Jedná se o konektor typu 2x3 kol´ık. Je pˇripojen k sbˇernici SPI mezi FPGA a Flash pamˇet´ı. Obsahuje zenerovy diody pro omezen´ı napˇet´ı vyˇsˇs´ıho nˇeˇz je 3,3V. Protoˇze je urˇcen pro ladˇen´ı desky nen´ı ochránˇen pomoc´ı pˇrepˇet’ov´ ych diod. Pin Pin FPGA

Pin

Sign´ al

Vlastnosti

Smˇ er

Funkce

Flash 1

IO L07N 2/DIN/D0

Q

SO FLASH

CMOS 3,3V O

MISO

2

-

-

+3,3V

3,3V

-

3

IO L09N 2/CCLK

C

SCK FLASH CMOS 3,3V I

SCK

4

IO L02N 2/MOSI/CSI B

D

SI FLASH

CMOS 3,3V I

MOSI

5

IL L01P 2/CSO B

nS

CS FLASH

CMOS 3,3V I

SS

6

-

-

GND

0V

-

S

S

Tabulka 5.23: Konektor pro pˇripojen´ı k SPI Flash pamˇeti

• JTAG Konektor pro programován´ı hradlového pole se nacház´ı uprostˇred desky. Konektor


64

nen´ı pˇr´ıstupn´ y pˇri um´ıstˇen´ı desky v krabiˇcce. Obsahuje signály podle tabulky 5.24. Je pouˇzit konektor typu 1x6 kol´ık. Protoˇze se jedná o programovac´ı konektor FPGA, kter´ y nebude pˇri fungován´ı desky vyuˇz´ıván, nen´ı ochránˇen pomoc´ı pˇrepˇet’ov´ ych diod. Konektor je pˇripojen na 2,5V JTAG FPGA a je upraven pro pouˇz´ıt i 3,3V JTAG programátoru. Pin Pin FPGA Sign´ al Vlastnosti

Smˇ er

1

-

+2,5V

2,5V

S

2

-

GND

0V

S

3

TCK

TCK

CMOS 2,5V I

4

TDO

TDO

CMOS 2,5V O

5

TDI

TDI

CMOS 2,5V I

6

TMS

TMS

CMOS 2,5V I

Tabulka 5.24: Konektor JTAG

• BDM Konektor pro programován´ı μP se nacház´ı v levé ˇcásti desky uprostˇred. Konektor nen´ı pˇr´ıstupn´ y pˇri um´ıstˇen´ı desky v krabiˇcce. Obsahuje signály podle tabulky 5.25. Je pouˇzit konektor typu 2x3 kol´ık s rámeˇckem proti otoˇcen´ı konektoru. Protoˇze se jedná o programovac´ı konektor FPGA, kter´ y nebude pˇri fungován´ı desky vyuˇz´ıván, nen´ı ochránˇen pomoc´ı pˇrepˇet’ov´ ych diod. Pin Pin μP

Sign´ al

Vlastnosti

Smˇ er

Funkce

1

BKGD/MODC BKGD

CMOS 3,3V I/O

background debug

2

-

GND

0V

S

napájen´ı

3

-

-

-

-

-

4

nRESET

RESET

CMOS 3,3V I

reset

5

-

-

-

-

-

6

-

+3,3V

3,3V

S

napájen´ı

Tabulka 5.25: Konektor BDM


65

Konfigurace Konfigurace desky se provád´ı pomoc´ı propojek (jumper˚ u) tabulka 5.26. Nˇekteré reˇzimy, které nejsou pro funkci desky nezbytné, jsou nastavitelné pomoc´ı vhodné kombinace nastavovac´ıch odpor˚ u tabulka 5.28.

Oznaˇ cen´ı Sign´ al

Funkce

J1

FlexRay A

terminován´ı FlexRay sbˇernice A

J2

FlexRay A

terminován´ı FlexRay sbˇernice A

J3

FlexRay B

terminován´ı FlexRay sbˇernice B

J4

FlexRay B

terminován´ı FlexRay sbˇernice B

J5

CAN

terminován´ı CAN sbˇernice

J6

MODC

zvolen´ı BDM reˇzimu μP

J7

3,3V

pˇremostˇen´ı sp´ınaˇce zdroje FPGA

J8

Ubat

pˇremostˇen´ı sp´ınaˇce zdroje desky

J9.1–4

EXT 5V

napájen´ı (z)pˇr´ıdavné desky 5V

J9.2–3

LOC 5V

pˇripojen´ı vlastn´ıho zdroje 5V

J10.1–4

EXT 3,3V

napájen´ı (z)pˇr´ıdavné desky 3,3V

J10.2–3

LOC 3,3V

pˇripojen´ı vlastn´ıho zdroje 3,3V

J11

M2

zvolen´ı JTAG reˇzimu programován´ı FPGA

J12

WP FLASH povolen´ı zápisu na Flash

J13

PROG B

vyvolán´ı naprogramován´ı FPGA

J14

5V, 12V

v´ ybˇer napájec´ıho napˇet´ı ventilátoru

Tabulka 5.26: Konfiguraˇcn´ı propojky

Mont´ aˇ zn´ı otvory Deska je pˇripravená pro zabudován´ı do krabiˇcky typu TUG 05 120 od firmy Fischer elektronik. Je opatˇrena 4 montáˇzn´ımi d´ırami v roz´ıch a 4 d´ırami bl´ıˇze ke stˇredu desky pro um´ıstˇen´ı chladiˇce s rozteˇc´ı dˇer 40 x 40mm. D´ıry jsou o pr˚ umˇeru 4mm a jejich ploˇsky nejsou spojeny s ˇzádn´ ym potenciálem na desce. Na obr. 5.8 je zobrazen náˇcrt velikosti desky a montáˇzn´ıch otvor˚ u. V´ yˇrez v horn´ı ˇcásti desky slouˇz´ı pro ploch´ y kabel.


66 Oznaˇ cen´ı Pin μP

Barva

Pozn´ amka

LED1

PA4

zelená

aktivn´ı v log. 0

LED2

PA5

ˇzlutá

aktivn´ı v log. 0

LED3

PA6


LED4

PA7

modrá

aktivn´ı v log. 0

LED5

3,3V

zelená

signalizace napájen´ı

LED6

IO L01P 1 (FPGA) ˇcervená aktivn´ı v log. 0

LED7

DONE (FPGA)

ˇzlutá

signalizace konfigurace

Tabulka 5.27: Signalizaˇcn´ı LED


Funkce

R16

XCLKS

crystal oscilátor

R17

nXCLKS

extern oscilátor

R24

MODA

v´ ybˇer reˇzimu μP

R25

MODB


R26

nMODC


R27

nMODA


R28

nMODB


R54

HSWAP

float bˇehem konfigurace

R55

nHSWAP

pulldown bˇehem konfigurace

R71

VS1

v´ ybˇer vyˇc´ıtac´ı rychlosti Flash pamˇeti

R72

VS0


R73

VS2


R75

nVS1


R79

M0

v´ ybˇer reˇzimu FPGA

R80

M1


R84

nM2


R86

INH B

povolen´ı vzbouzen´ı budiˇcem

R87

INH A

povolen´ı vzbouzen´ı budiˇcem

R83

Rs

nastaven´ı rychlosti hran CAN

Tabulka 5.28: Konfiguraˇcn´ı odpory

´ ´ DESKA 5.4. VYKONOV A

67

Obr´ azek 5.8: Rozmˇery desky a mont´ aˇzn´ıch otvor˚ u

5.4 5.4.1

V´ ykonov´ a deska Funkce

V´ ykonová deska (power board 1.0) je deska pro ovládán´ı motor˚ u s v´ ykonem aˇz do 400W (30A). Dále umoˇzn ˇuje vyˇc´ıtat aˇz 12-bit digitáln´ı senzory (napˇr. 10-bit senzor natoˇcen´ı), ˇc´ıst proudovou smyˇcku a jednobitov´ y senzor s digitáln´ım v´ ystupem (napˇr. hallova sonda) Na obr. 5.10. je zobrazeno blokové schéma v´ ykonové desky. Obsahuje pln´ y H-m˚ ustek VNH2SP30-E (IO2), kter´ y je schopn´ y sp´ınat proud aˇz 30A. Ten je doplnˇen ochranou proti pˇrepólován´ı (T1) a pˇrevodn´ıkem u ´rovn´ı 74LVC4245 (IO3). Dalˇs´ımi obvody jsou dva lineárn´ı stabilizátory na 5V a 3,3V. Dále obsahuje 14-ti pinov´ y konektor pro pˇripojen´ı 12-bitov´ ych digitáln´ıch senzor˚ u s paralelnˇe-sériov´ ym pˇrevodn´ıkem. Konektor pro pˇripojen´ı 1-bitového senzoru otáˇcek. Konektor pro pˇripojen´ı a ˇcten´ı proudové smyˇcky. A 40-pinov´ y konektor pro pˇripojen´ı ke komunikaˇcn´ı desce.

68


Obr´ azek 5.9: V´ ykonov´ a deska

Obr´ azek 5.10: Blokové schéma v´ ykonové desky


5.4.2

69


V této ˇca´sti jsou rozepsány jednotlivé bloky v´ ykonové desky.

Zdroj Zdroj desky je tvoˇren lineárn´ım stabilizátorem 5V LF50CDT (IO1) a lineárn´ım stabilizátorem 3,3V TS1117-3,3 (IO13). Stabilizátory se pˇripojuj´ı pomoc´ı dvou jumper˚ u, podobnˇe jako u komunikaˇcn´ı desky. Napájen´ı k desce je pˇrivedeno z rozˇsiˇruj´ıc´ıho konektoru nebo pomoc´ı dvou faston konektor˚ u (6,3mm). Napájen´ı je chránˇeno pˇrepˇet’ov´ ymi diodami a vratnou pojistkou PolySwitch na proud 1,1A (F1). Napájen´ı je odpojitelné pomoc´ı mosfetového sp´ınaˇce (T2), ovládaného pomoc´ı signálu uvodu sp´ınán´ı velk´ ych proud˚ u je potˇreba pˇri na rozˇsiˇruj´ıc´ım konektoru (WAKE UP). Z d˚ pouˇzit´ı m˚ ustk˚ u pˇripojit napájen´ı právˇe pˇres faston konektory a pˇr´ıpadnˇe komunikaˇcn´ı desku napájet pˇres rozˇsiˇruj´ıc´ı konektor.

H-m˚ ustek Jako H-m˚ ustek je pouˇzit integrovan´ y obvod VHN2SP30-E, tento m˚ ustek obsahuje vˇsechny potˇrebné souˇcásti a budiˇce pro svoji funkci. Obsluhuje se pomoc´ı 6 signál˚ u, které ovládaj´ı u pro odpojen´ı poloviˇcn´ıch m˚ ustk˚ u EN A a EN B, signál˚ u smˇer IN A a IN B, signál˚ PWM a analogového signálu pro urˇcen´ı protékaj´ıc´ıho proudu CS. V tabulce 5.29. je popis signál˚ u. Sign´ al

Smˇ er (m˚ ustek) Vlastnosti

CS

O

analog 0-3,3V senzor proudu

PWM

O

CMOS 5V

PWM signál

IN A

I

CMOS 5V

smˇer sepnut´ı A

IN B

I

CMOS 5V

smˇer sepnut´ı B

EN A/

I/O

CMOS 5V

povolen´ı vˇetve A /

DIAG A EN B/ DIAG B

Funkce

diagnostika odpojen´ı vˇetve A I/O

CMOS 5V

povolen´ı vˇetve B / diagnostika odpojen´ı vˇetve B

Tabulka 5.29: Ovl´ adac´ı sign´ aly m˚ ustku


70

Obr´ azek 5.11: Blokové schéma m˚ ustku VNH2SP30

Aby bylo moˇzné pˇripojit v´ıce neˇz jednu v´ ykonovou desku ke kaˇzdé komunikaˇcn´ı desce, dá se pomoc´ı jumeper˚ u J3 aˇz J9 nastavit na jak´ y signál, z rozˇsiˇruj´ıc´ıho konektoru, bude m˚ ustek reagovat. Nastaven´ı jumper˚ u je ukázáno v tabulce 5.30. M˚ ustek je zapojen s ochranou proti pˇrepólován´ı vytvoˇrené tranzistorem T1. Tato ochrana zp˚ usobuje, ˇze zem m˚ ustku je oddˇelená od napájec´ı zemˇe o 0,6V. Proto nesm´ı ustek). Pokud je doj´ıt k propojen´ı zem´ı znaˇcen´ ych GND (napájec´ı) a GND POWER (m˚ potˇreba, lze ochrana vyˇradit jumperem J11 pˇr´ıpadnˇe pˇri potˇrebˇe velk´ ych proud˚ u proletován´ım odkryt´ ych ˇca´st´ı ploch zem´ı na desce (vlevo od jumperu J11). K m˚ ustku je pˇripojen kondenzátor C4, kter´ y má za u ´kol omezovat napˇet’ové ˇspiˇcky pˇri sp´ınán´ı m˚ ustku. Pro proud 30A je potˇreba kapacita alespoˇ n 1500μF. Aby bylo moˇzné pˇripojit v´ıce typ˚ u kondenzátor˚ u, je jeho konektor uzp˚ usoben pro pˇripojen´ı kondenzátoru s rozteˇc´ı 7,5mm a 3,5mm. Sn´ımán´ı proudu m˚ ustku prob´ıhá na R13 a je filtrováno RC m˚ ustkem R12 a C10. Toto napˇet´ı dosahuje u ´rovnˇe 3,166V pro proud 30A. V´ ypoˇcet proudu z napˇet´ı je podle vzorce Iout =

K 11370 · UCS = · UCS R13 1200

Kde Iout . . . proud m˚ ustkem [A] K . . . konstanta pˇrevodn´ık˚ u [-] R13 . . . velikost pouˇzitého odporu [Ω] UCS . . . sn´ımané napˇet´ı [V] K m˚ ustku jsou pˇripojeny 4 faston konektory pro pˇripojen´ı ovládaného zaˇr´ızen´ı. Dva

´ ´ DESKA 5.4. VYKONOV A Propojka Sign´ al

71

Sign´ al

Pin

Smˇ er

konektoru μP

m˚ ustek

Vlastnosti

Funkce

J3 1-2

CS1

AN7

PAD7

O

analog 0. . . 3,3V senzor proudu

2-3

CS2

AN6

PAD6

O

analog 0. . . 3,3V senzor proudu

J4 1-2

PWM1 PWM4

PP4

I

CMOS 3,3V

PWM signál

2-3

PWM2 PWM5

PP5

I

CMOS 3,3V

PWM signál

J5 1-2

IN A1

SS0

PS7

I

CMOS 3,3V

smˇer sepnut´ı A

2-3

IN A2

SCK0

PS6

I

CMOS 3,3V

smˇer sepnut´ı A

J6 1-2

IN B1

MOSI0

PS5

I

CMOS 3,3V

smˇer sepnut´ı B

2-3

IN B2

MISO0

PS4

I

CMOS 3,3V

smˇer sepnut´ı B

J7 1-2

EN A1

IOC1

PT1

I/O

CMOS 3,3V

povolen´ı vˇetve A

2-3

EN A2

IOC0

PT0

I/O

CMOS 3,3V

povolen´ı vˇetve A

J8 1-2

EN B1

PWM2

PP2

I/O

CMOS 3,3V

povolen´ı vˇetve B

2-3

EN B2

PWM3

PP3

I/O

CMOS 3,3V

povolen´ı vˇetve B

EN

-

-

-

CMOS 3,3V

propojen´ı

J9 1-2

EN A a EN B Tabulka 5.30: Nastaven´ı jumper˚ u m˚ ustku

jsou pˇripojeny k v´ ystup˚ um m˚ ustku CON3 a CON5 a dva k zemi m˚ ustku (GND POWER) CON4 a CON6 viz. tabulka 5.31. Protoˇze je m˚ ustek 5V je pˇripojen pˇres pˇrevodn´ık u ´rovnˇe 74LVC4245 (IO3). V´ ystupn´ı signály m˚ ustku (DIAG A a DIAG B) jsou pˇripojeny do PISO pˇrevodn´ıku. A pomoc´ı nˇeho jsou moˇzné ˇc´ıst jejich stavy. Jejich u ´roveˇ n v log. 0 signalizuje odpojen´ı pˇr´ısluˇsného poloviˇcn´ıho m˚ ustku, napˇr´ıklad z d˚ uvodu pˇrehˇra´t´ı. Chlazen´ı m˚ ustku je zajiˇstˇeno vytvoˇren´ ymi plochami na ploˇsném spoji o velikosti pˇres y spoj je vyroben v TP4 (12mil) s tlouˇst’kou plátován´ı 100μm. Aby bylo 16cm2 . Ploˇsn´ Ozanaˇ cen´ı Sign´ al

Vlastnosti

CON3

OUT A

V´ ystup p˚ ulm˚ ustku A

CON4

GND POWER V´ ykonová zem

CON5

OUT B

CON6

GND POWER V´ ykonová zem

V´ ystup p˚ ulm˚ ustku B

Tabulka 5.31: Zapojen´ı konektor˚ u H-m˚ ustku


72

moˇzné ˇcip lépe chladit, je osazen na desce zespodu (jediná souˇcástka) a je moˇzné na nˇej pˇrimontovat chladiˇc. Na desce jsou vytvoˇreny stejné montáˇzn´ı body jako na komunikaˇcn´ı desce obr. 5.8. Dá se um´ıstit do krabiˇcky typu TUG 09 120 od firmy Fischer elektronik. Dále obsahuje 4 montáˇzn´ı otvory v roz´ıch desky a dalˇs´ı 4 otvory pro pˇripevnˇen´ı chladiˇce s rozteˇc´ı 40x40mm. D´ıry jsou s pr˚ umˇerem 4mm a jejich pájec´ı ploˇsky nejsou spojeny s ˇzádn´ ym potenciálem na desce.

Sign´ al

Smˇ er

Sign´ al

Pin

Vlastnosti Funkce

(PISO) konektor konektor SO REG

O

IOC0

15

CMOS 5V

sériov´ y v´ ystup

CLK REG

I

IOC3

9

CMOS 5V

hodinov´ y vstup

LOAD REG

I

PWM3

19

CMOS 5V

latchovac´ı vstup

CE REG

I

AN5

37

CMOS 5V

chip enable

D0

I

-

-

CMOS 5V

bit 0

D1

I

-

-

CMOS 5V

bit 1

D2

I

-

-

CMOS 5V

bit 2

D3

I

-

-

CMOS 5V

bit 3

D4

I

-

-

CMOS 5V

bit 4

D5

I

-

-

CMOS 5V

bit 5

D6

I

-

-

CMOS 5V

bit 6

D7

I

-

-

CMOS 5V

bit 7

D8

I

-

-

CMOS 5V

bit 8

D9

I

-

-

CMOS 5V

bit 9

D10

I

-

-

CMOS 5V

bit 10

D11

I

-

-

CMOS 5V

bit 11

-

I

-

-

CMOS 5V

bit 12

-

I

-

-

CMOS 5V

bit 13

DIAG B

I

-

-

CMOS 5V

bit 14

DIAG A

I

-

-

CMOS 5V

bit 15

Tabulka 5.32: Zapojen´ı PISO pˇrevodn´ıku


73

PISO pˇ revodn´ık Paralelnˇe-sériov´ y pˇrevodn´ı (PISO) je pouˇzit pro vyˇc´ıtán´ı senzoru pˇripojeného na konektor CON9. Pˇrevodn´ık zajiˇst’uje, aby byly vˇsechny bity senzoru vyˇcteny ve stejn´ y okamˇzik, coˇz by nebylo moˇzné, kdyby byly pˇripojeny pˇr´ımo na konektor, kam jsou pˇripojeny r˚ uzné brány procesoru. Dále zjednoduˇsuje návrh, protoˇze na rozˇsiˇruj´ıc´ım konektoru nezab´ırá senzor 12-bit˚ u, ale pouze 3. Zapojen´ı pˇrevodn´ıku je v tabulce 5.32. Pˇrevodn´ık je napájen 5V a je pˇripojen pˇres pˇrevodn´ıky u ´rovnˇe SN74LVC1T45 a 74LVC4245. Konektory Deska obsahuje ˇradu konektor˚ u pomoc´ı kter´ ych se pˇripojuj´ı jednotlivé sbˇernice nebo perifern´ı senzory. Napájec´ı a v´ ykonové konektory jsou typu faston 6,3mm a ostatn´ı typu ARK1550 s rozteˇcn´ı 3,5mm. • Nap´ ajec´ı Konektory pro napájen´ı jsou um´ıstˇeny na levé stranˇe desky dole. Skládaj´ı se ze signál˚ u +Ubat a GND, viz tabulce 5.33. Konektory jsou typu faston vidlice o velikosti 6,3x0,8mm. Signály jsou ochránˇeny pomoc´ı pˇrepˇet’ov´ ych ochran tvoˇren´ ych TVS diodami na 15V. Ozanaˇ cen´ı Sign´ al Vlastnosti CON1

+Ubat

+8V . . . +15V

CON2

GND

0V


• Propojovac´ı konektor Je hlavn´ı konektor slouˇz´ıc´ı pro pˇripojen´ı ke komunikaˇcn´ı desce. Konektor je 40pinov´ y konektor pro ploché kabely. Konektor je zapojen podle tabulky 5.34. • Senzor natoˇ cen´ı Konektor senzoru natoˇcen´ı je 14-pinov´ y pro ploché kabely. Obsahuje napájen´ı 5V a GND a 12 digitáln´ıch vstup˚ u do PISO pˇrevodn´ıku. Zapojen´ı konektoru je podle tabulky 5.35. Konektor je chránˇeny pomoc´ı 5V TVS diod a 1kΩ odpor˚ u v sérii. Vyˇc´ıtán´ı prob´ıhá pomoc´ı PISO pˇrevodn´ıku. • Senzor ot´ aˇ cek Konektor senzoru otáˇcek slouˇz´ı pro pˇripojen´ı Hallova senzoru otáˇcek. Je 3-pinov´ y


74 Pin

Sign´ al

Sign´ al

Alternativn´ı

Vlastnosti

Funkce

H-m˚ ustek sign´ al 1

+Ubat

-

-

12V

napájen´ı

3

+5V con

-

-

5V

napájen´ı

5

+3.3V con

-

-

3,3V

napájen´ı

7

WAKE UP

-

-

CMOS 3,3V

sp´ınán´ı napájen´ı

9

IOC3

-

CLK REG (PISO)

CMOS 3,3V

hodiny PISO

11

IOC2

-

otacky (HALL)

CMOS 3,3V

senzor HALL

13

IOC1

EN A1

-

CMOS 3,3V

enable A1

15

IOC0

EN A2

SO REG (PISO)

CMOS 3,3V

enable A2 / seriál output PISO

17

PWM2

EN B1

-

CMOS 3,3V

enable B1

19

PWM3

EN B2

LOAD REG (PISO)

CMOS 3,3V

enable B2 / latch PISO

21

PWM4

PWM1

-

CMOS 3,3V

pwm1

23

PWM5

PWM2

-

CMOS 3,3V

pwm2

25

SS0

IN A1

-

CMOS 3,3V

smˇer A1

27

SCK0

IN A2

-

CMOS 3,3V

smˇer A2

29

MOSI0

IN B1

-

CMOS 3,3V

smˇer B1

31

MISO0

IN B2

-

CMOS 3,3V

smˇer B2

33

AN7

CS1

-

analog 0 - 3,3V proud1

35

AN6

CS2

-

analog 0 - 3,3V proud2

37

AN5

-

CE REG (PISO)

analog 0 - 3,3V chip enable PISO

39

AN4

-

AN poloha (proud)

analog 0 - 3,3V proud senzor

2 - 32 GND

-

-

0V

napájen´ı

-

-

0V


-

-

3,3V


(sudé) 34 - 38 AGND (sudé) 40

VDD

Tabulka 5.34: Zapojen´ı pˇripojovac´ıho konektoru

typu ARK1550 se signály podle tabulky 5.36. Konektor je chránˇen´ y pomoc´ı 5V TVS diod.


75

Pin Sign´ al Vlastnosti Smˇ er

Pozn´ amka

1

D0

CMOS 5V

I

bit 0

2

D1

CMOS 5V

I

bit 1

3

D2

CMOS 5V

I

bit 2

4

D3

CMOS 5V

I

bit 3

5

D4

CMOS 5V

I

bit 4

6

D5

CMOS 5V

I

bit 5

7

D6

CMOS 5V

I

bit 6

8

D7

CMOS 5V

I

bit 7

9

D8

CMOS 5V

I

bit 8

10

D9

CMOS 5V

I

bit 9

11

D10

CMOS 5V

I

bit 10

12

D11

CMOS 5V

I

bit 11

13

GND

0V

S

napájen´ı

14

+5V

+5V

S

napájen´ı

Tabulka 5.35: Zapojen´ı konektoru senzoru natoˇcen´ı

Pin Sign´ al Vlastnosti Smˇ er

Pozn´ amka

1

+5V

+5V

S

napájen´ı

2

GND

0V

S

napájen´ı

3

otacky

CMOS 5V

I

digitáln´ı vstup

Tabulka 5.36: Zapojen´ı konektoru ot´ aˇcek

• Senzor proudov´ e smyˇ cky Konektor proudové smyˇcky slouˇz´ı k pˇripojen´ı senzoru polohy s proudov´ ym v´ ystupem. Konektor je 5pinov´ y typu ARK1550. Obsahuje signály podle tabulky 5.37. Konektor je chránˇen´ y 5V TVS diodami. Proud proudovou smyˇckou se urˇc´ı pomoc´ı vzorce:

I=

1000 1000 · Uan current = · Uan current R28 160

I . . . proud [mA], Uan current . . . zmˇeˇrené napˇet´ı [V], R28 . . . hodnota odporu [Ω]


76 Pin Sign´ al

Vlastnosti Smˇ er

Pozn´ amka

1

GND

0V

S

napájen´ı

2

AGND

0V analog

S


3

AN current 0 .. 3,3V

I

proud 0 .. 20mA

4

5V

+5V

S

napájen´ı

5

+Ubat2

+12V

S

napájen´ı

Tabulka 5.37: Zapojen´ı konektoru proudové smyˇcky

5.5

Ped´ alov´ a deska

Obr´ azek 5.12: Ped´ alov´ a deska

5.5.1

Funkce

Pedálová deska (pedal board 1.0) slouˇz´ı pro ˇcten´ı informace o poloze dvou pedál˚ u, sp´ınán´ı brzdov´ ych svˇetel a ˇcten´ı informace z dvouosého gyroskopu. Obsahuje dva konektory pro pˇripojen´ı pedál˚ u, které se pouˇz´ıvaj´ı jako pedály akcelˇ erace ve vozech Skoda. Pedály maj´ı dvˇe odporové dráhy pro zajiˇstˇen´ı vˇetˇs´ı spolehlivosti funkce. Obˇe jsou sn´ımány a z nich je zjiˇst’ována poloha pedálu. Deska umoˇzn ˇuje pˇripojen´ı a sp´ınán´ı dvou v´ ykonov´ ych zátˇeˇz´ı s proudem do 15A. Jsou primárnˇe urˇceny pro sp´ınán´ı

´ ´ DESKA 5.5. PEDALOV A

77

brzdov´ ych svˇetel vozidla. Dále je na desce um´ıstˇen dvouos´ y gyroskop pro sn´ımán´ı podélného a pˇr´ıˇcného stáˇcen´ı vozidla, které je nutné znát pro ovládán´ı pokroˇcil´ ych brzdov´ ych asistenˇcn´ıch systém˚ u. Také obsahuje 4 konektory s digitáln´ımi I/O signály. V následuj´ıc kapitole jsou jednotlivé ˇca´sti bl´ıˇze popsané. Na obr. 5.13 je blokové schéma pedálové desky.

Obr´ azek 5.13: Blokové schéma pedálové desky

5.5.2


Zdroj Deska obsahuje lineárn´ı zdroj 3,3V tvoˇren´ y obvodem TS1117-3,3 (IO1) a nastavovac´ım jumperem (J2). Napájen´ı pro desku je pˇrivádˇeno z pˇripojovac´ıho konektoru nebo pomoc´ı dvou faston konektor˚ u (CON1 a CON2). Napájen´ı je chránˇeno pomoc´ı pˇrepˇet’ov´ ych TVS


78

diod na 15V a vratnou proudovou pojistkou PolySwitch na 1,1A. Sp´ınán´ı napájen´ı desky je pomoc´ı tranzistoru T1, kter´ y je ovládán signálem wake up z propojovac´ıho konektoru. Gyroskop Pouˇzit´ y gyroskop LPY510AL (IO8) umoˇzn ˇuje mˇeˇrit náklon a zmˇenu smˇeru vozidla do u ´hlu ±400◦ /s (zes´ılen´ı 1x) a ±100◦ /s(zes´ılen´ı 4x). Gyroskop má dva v´ ystupy pro kaˇzd´ y kanál. Pomoc´ı nulov´ ych odpor˚ u R29, R33 a R30, R34 lze zvolit v´ ystup 1x nebo 4x zes´ılen´ y. Gyroskop se ovládá pomoc´ı tˇrech signál˚ u (HP, PD, ST). Zapojen´ı gyroskopu je naznaˇceno v tabulce 5.38. Nulová hodnota mˇeˇreného u ´hlu odpov´ıdá 1,23V. Gyroskop má citlivost 10mV/◦ /s (pˇr´ıpadnˇe 2,5mV/◦ /s). Sign´ al

Smˇ er

Vlastnosti

Funkce

(gyroskop) HP

I

CMOS 3,3V

high pass filtr reset

PD

I

CMOS 3,3V

Power-down

ST

I

CMOS 3,3V

self-test

OUT X O

analog 0–3,3V v´ ystup X

OUT Z

analog 0–3,3V v´ ystup Z

O

Tabulka 5.38: Zapojen´ı gyroskopu

Sp´ınaˇ c brzdov´ ych svˇ etel Deska obsahuje dva v´ ykonové mosfet tranzistory zapojené jako High-side sp´ınaˇce (T3 a T4). Tranzistory jsou ovládány pomoc´ı budiˇce TC4426 (IO2), kter´ y zajist´ı rychlé sepnut´ı v´ ykonov´ ych tranzistor˚ u. Zapojen´ı budiˇce je naznaˇceno v tabulce 5.39. Konektory pro pˇripojen´ı jsou popsány v tabulce 5.40. Sign´ al

Smˇ er

Sign´ al

Vlastnosti

Funkce

(budiˇ c) konektor OUT A I

PWM5

CMOS 3,3V ovládán´ı OUTPUT A

OUT B

PWM3

CMOS 3,3V ovládán´ı OUTPUT B

I

Tabulka 5.39: Zapojen´ı budiˇce mosfet

´ ´ DESKA 5.5. PEDALOV A

79


Vlastnosti

CON6

OUT A

Sp´ınaˇc 12V / float

CON7

GND

Zem

CON10

OUT B

Sp´ınaˇc 12V / float

CON11

GND

Zem

Tabulka 5.40: Zapojen´ı pˇripojovac´ıch konektor˚ u

Konektory Deska obsahuje ˇradu konektor˚ u pomoc´ı kter´ ych se pˇripojuj´ı jednotlivé sbˇernice nebo perifern´ı senzory. Napájec´ı konektory a konektory pro pˇripojen´ı brzdov´ ych svˇetel jsou typu faston 6,3mm a konektor senzoru natoˇcen´ı je 14-pinov´ y pro ploch´ y kabel. Ostatn´ı konektory jsou typu ARK1550 s rozteˇcn´ı 3,5mm. • Nap´ ajec´ı Konektory pro napájen´ı jsou um´ıstˇeny na levé stranˇe desky dole. Skládaj´ı se ze signál˚ u +Ubat a GND, viz tabulka 5.41. Konektory jsou typu faston vidlice o velikosti 6,3x0,8mm. Signály jsou ochránˇeny pomoc´ı pˇrepˇet’ov´ ych ochran tvoˇren´ ych TVS diodami na 15V. Ozanaˇ cen´ı Sign´ al Vlastnosti CON1

+Ubat

+8V – +15V

CON2

GND

0V


• Propojovac´ı konektor Je hlavn´ı konektor slouˇz´ıc´ı pro pˇripojen´ı ke komunikaˇcn´ı desce. Konektor je 40pinov´ y konektor pro ploché kabely. Konektor je zapojen podle tabulky 5.42. • Konektory ped´ al˚ u Konektory pedál˚ u jsou um´ıstˇeny na pravé stranˇe desky. Jsou typu 10-pinov´ y konektor pro ploch´ y kabel. Konektor je chránˇen´ y pomoc´ı pˇrepˇet’ov´ ych ochran na 3,3V. Konektory jsou CON13 pro pedál A a CON8 pro pedál B. Signály pedálového konektoru jsou popsány v tabukách 5.43 a 5.44. Pomoc´ı signálu PEDAL A pro pedál A a PEDAL B pro pedál B je moˇzné sp´ınat napájen´ı pedálu (signál AGND) a t´ım sn´ıˇzit spotˇrebu v reˇzimu kdy je systém vypnut


80 Pin konektor

Sign´ al

Funkce

Vlastnosti

Popis

1

+Ubat

-

12V

napájen´ı

3

+5V con

-

5V

napájen´ı

5

+3.3V con

-

3,3V

napájen´ı

7

WAKE UP

WAKE UP

CMOS 3,3V

sp´ınán´ı napájen´ı

9

IOC3

IN4

CMOS 3,3V

I/O

11

IOC2

IN3

CMOS 3,3V

I/O

13

IOC1

IN2

CMOS 3,3V

I/O

15

IOC0

IN1

CMOS 3,3V

I/O

17

PWM2

-

CMOS 3,3V

-

19

PWM3

OUT B

CMOS 3,3V

OUTPUT B

21

PWM4

HP

CMOS 3,3V

gyroskop

23

PWM5

OUT A

CMOS 3,3V

OUTPUT A

25

SS0

PD

CMOS 3,3V

gyroskop

27

SCK0

PEDAL A

CMOS 3,3V

sp´ınán´ı napájen´ı pedálu A

29

MOSI0

ST

CMOS 3,3V

gyroskop

31

MISO0

PEDAL B

CMOS 3,3V

sp´ınán´ı napájen´ı pedálu B

33

AN7

OUT X/ AN B2 analog 0 .. 3,3V gyroskop X/ pedál B

35

AN6

OUT Z/ AN B1

analog 0 .. 3,3V gyroskop Z/ pedál B

37

AN5

AN A2

analog 0 .. 3,3V pedál A

39

AN4

AN A1

analog 0 .. 3,3V pedál A

2 - 32 (sudé)

GND

-

0V

napájen´ı

34 - 38 (sudé)

AGND

-

0V


40

VDD

-

3,3V


Tabulka 5.42: Propojovac´ı konektor

a jde pouze o to detekovat nˇejakou akci. Napájen´ı se dá zapnout nastálo pomoc´ı jumperu J3 a J4. Pedál B má spoleˇcné signály se signály gyroskopu, proto nen´ı moˇzné je pouˇz´ıvat souˇcasnˇe. • Digit´ aln´ı IO Konektory pro pˇripojen´ı digitáln´ıch signál˚ u jsou um´ıstˇeny na levé stranˇe desky nahoˇre (3) a jeden mezi konektory pro pˇripojen´ı pedál˚ u. Jsou typu ARK1550. V tabulce 5.45 jsou popsány signály konektor˚ u. Konektory jsou chránˇeny pˇrepˇet’ov´ ymi

´ ´ DESKA 5.5. PEDALOV A Pin Sign´ al

81

Vlastnosti

Smˇ er

Pozn´ amka

1

AN A1 analog 0 - 3,3V I

napˇet´ı dráhy 1

2

AGND

0V

S

napájen´ı

3

VDDA

3,3V

S

napájen´ı

4

AGND

0V

S

napájen´ı

5

AN A2 analog 0 - 3,3V I


6

AGND

0V

S

napájen´ı

7

AGND

0V / float

S

sp´ınané napájen´ı (PEDAL A)

8

AGND

0V

S

napájen´ı

9

+3,3V

+3,3V

S

napájen´ı

10

AGND

0V

S

napájen´ı

Tabulka 5.43: Konektor ped´ alu A

Pin Sign´ al

Vlastnosti

Smˇ er

Pozn´ amka

1

AN B1 analog 0 - 3,3V I


2

AGND

0V

S

napájen´ı

3

VDDA

3,3V

S

napájen´ı

4

AGND

0V

S

napájen´ı

5

AN B2 analog 0 - 3,3V I


6

AGND

0V

S

napájen´ı

7

AGND

0V / float

S

sp´ınané napájen´ı (PEDAL B)

8

AGND

0V

S

napájen´ı

9

+3,3V

+3,3V

S

napájen´ı

10

AGND

0V

S

napájen´ı

Tabulka 5.44: Konektor ped´ alu B

diodami na 5V. U konektor˚ u jsou pˇripojeny zenerovy diody, aby bylo moˇzné pˇripojit signál vyˇsˇs´ı u ´rovnˇe. Pin Sign´ al

Vlastnosti

Smˇ er

Pozn´ amka

1

GND

0V

S

napájen´ı

2

IN1,IN2,IN3,IN4 CMOS 3,3V I/O

digitáln´ı I/O

Tabulka 5.45: Sign´ aly digit´ aln´ıch IO konektor˚ u


82

5.6

Kolov´ a deska (bezdr´ atov´ y akcelerometr)

Obr´ azek 5.14: Kolov´ a deska

Obr´ azek 5.15: Blokové schéma kolové desky

5.6.1

Funkce

Kolová deska (wheel board 1.0) je deska urˇcená pro zabudován´ı do kola. Obsahuje integrovan´ y obvod s μP, dvouos´ ym akcelerometrem, senzorem tlaku, teploty a RF vys´ılac´ım

´ DESKA (BEZDRATOV ´ ´ AKCELEROMETR) 5.6. KOLOVA Y

83

obvodem. Pro snadnˇejˇs´ı ladˇeni programu jsou osazeny dvˇe led diody. Na obr. 5.15 je blokové schéma kolové desky. Pouˇzit´ y integrovan´ y obvod MPXY8300 v sobˇe obsahuje vˇsechny potˇrebné ˇca´sti pro pouˇzit´ı ˇcipu jako bezdrátové senzorové jednotky. Kolová deska by mˇela slouˇzit pro mˇeˇren´ı zrychlen´ı a klepán´ı kola. Informace o zrychlen´ı rotace kola se zpracuje a komunikaˇcn´ı desce poˇsle data potˇrebná pro ˇr´ızen´ı brzdov´ ych systém˚ u.

5.6.2


Zdroj Jako zdroj energie je pouˇzitá baterie typu CR2032 (BAT1) s drátov´ ymi v´ yvody. M´ısto baterie jde pouˇz´ıt i jin´ y zdroj s napˇet´ım 3V pˇripojen´ ym na konektory CON3 a CON4 podle tabulky 5.46. Baterie se pˇripojuje pomoc´ı jumperu J1. Bateriov´ y zdroj by mˇel vydrˇzet pro práci desky pˇres 150hodin. Oznaˇ cen´ı Sign´ al Vlastnosti CON3

GND

0V

CON4

VCC

3,0V


Mikroprocesor ˇ obsahuje 8-bitov´ Cip y μP rodiny S08 firmy Freescale. Na obr. 5.16 je blokové schéma μP a v následuj´ıc´ım pˇrehledu jsou nˇekteré vlastnosti obvodu: 8bit CPU - S08 SIM (MCU) 512 B RAM, 8 kB Flash ADC 10bit˚ u Tlakov´ y senzor (P-CHIP) Teplotn´ı senzor 2-os´ y akcelerometr (g-cell) RF vys´ılaˇc (RFX) - ASK a FSK modulace LF detektor

84


Obr´ azek 5.16: Blokové schéma μP MPXY8300

Na ˇcipu by se mˇel vyuˇz´ıvat hlavnˇe modul dvouosého akcelerometru pro mˇeˇren´ı stavu kola a RF vys´ılaˇc pro odes´ılán´ı zpracovan´ ych dat. Vys´ılaˇc má na ploˇsném spoji vytvoˇrenou anténn´ı smyˇcku a tzv. network matching obvod pro frekvenci 434MHz. Protoˇze obvod potˇrebuje hodinov´ y kmitoˇcet o frekvenci 22,0586MHz, coˇz nen´ı standardn´ı hodnota, jsou na desce pˇripraveny pozice pro um´ıstˇen´ı nˇekolika r˚ uzn´ ych krystal˚ u a oscilátor˚ u.

´ DESKY 5.7. POMOCNE

85

μP se programuje a debuguje pomoc´ı BDM rozhran´ı. Signalizace stavu je moˇzná pomoc´ı dvou LED diod. V tabulce 5.47 je zobrazeno zapojen´ı signalizaˇcn´ıch diod. Volitelnˇe se dá pˇripojit i smd tlaˇc´ıtko (pin PTA2) ze spodn´ı strany desky.

Ozanaˇ cen´ı Pin μP Barva

Funkce

LED1

PTA5

zelená

aktivn´ı v log. 0

LED2

PTA6


Tabulka 5.47: Zapojen´ı signalizaˇcn´ıch diod

Deska obsahuje dva montáˇzn´ı otvory v protilehl´ ych roz´ıch desky o pr˚ umˇeru 4mm.

Konektor BDM Na desce je konektor pro programován´ı μP. Jedná se o typ konektoru dvouˇradá kol´ıková liˇsta 2x3 (CON1). V tabulce 5.48 jsou zobrazeny signály konektoru

Pin Pin μP

Sign´ al

Vlastnosti

Smˇ er

Funkce

1

BKGD/MODC BKGD

CMOS 3,3V I/O

background debug

2

-

GND

0V

S

napájen´ı

3

-

-

-

-

-

4

nRESET

RESET

CMOS 3,3V I

reset

5

-

-

-

-

-

6

-

+3,3V

3,3V

S

napájen´ı

Tabulka 5.48: Konektor BDM

5.7

Pomocn´ e desky

Byly vytvoˇreny desky slouˇz´ıc´ı pro konfiguraci, nebo jako deska pro um´ıstˇen´ı senzoru. Tyto desky jsou bl´ıˇze popsány v následuj´ıc´ıch kapitolách.


86

5.7.1

LPT – JTAG program´ ator

JTAG programátor pro hradlové pole Xilinx. Programátor je potˇreba pro konfiguraci FPGA a Flash pamˇeti.

Obr´ azek 5.17: LPT - JTAG program´ ator

Programátor se s poˇc´ıtaˇcem pˇripojuje pomoc´ı 25-pinového konektoru paraleln´ıho portu. Obsahuje dva budiˇce sbˇernice 74HC125 jako pˇrevodn´ıky u ´rovnˇe, filtr z RC ˇclánku a 6pinov´ y JTAG konektor. V tabulce 5.49 jsou popsány signály JTAG konektoru. Pin Sign´ al Vlastnosti Smˇ er

Pozn´ amka

1

VCC

2 - 6V

S

napájen´ı

2

GND

0V

S

napájen´ı

3

TCK

CMOS

O

hodiny

4

TDO

CMOS

I

data input

5

TDI

CMOS

O

data output

6

TMS

CMOS

O

ˇr´ızen´ı

Tabulka 5.49: Sign´ aly JTAG konektoru

Programátor je navrˇzen, aby se um´ıstil do krabiˇcky krytu redukce Canon 9/25pin.

´ DESKY 5.7. POMOCNE

5.7.2

87

Akcelerometrov´ a deska

Akcelerometrová deska slouˇz´ı jako drˇza´k 3-osého akcelerometru MMA7260Q s v´ ystupn´ımi filtry. Pro pˇripojen´ı s komunikaˇcn´ı deskou je opatˇrena 8-mi pinov´ ym konektorem typu ARK1550 s rozteˇc´ı 3,5mm. Na desce jsou konfiguraˇcn´ı odpory pro pˇrednastaven´ı akcelerometru. V tabulce 5.50 jsou popsány signály pˇripojovac´ıho konektoru CON1. V tabulce 5.51 jsou zobrazen´ y moˇznosti nastaven´ı akcelerometru.

Obr´ azek 5.18: Akcelerometrová deska

Pin Sign´ al Vlastnosti

Smˇ er

Pozn´ amka

1

+3.3V

+3,3V

S

napájen´ı

2

AGND

0V

S

napájen´ı

3

AN Z

analog 0 .. 3,3V O

kanál Z

4

AN Y

analog 0 .. 3,3V O

kanál Y

5

AN X

analog 0 .. 3,3V O

kanál X

6

sleep

CMOS 3,3V

I

sleep signál

7

S1

CMOS 3,3V

I


8

S2

CMOS 3,3V

I


Tabulka 5.50: Sign´ aly pˇripojovac´ıho konektoru


88 Sleep

S2

0 (R7) X

S1

Rozsah [g] Citlivost [mV/g]

X

-

-

1 (R4) 0 (R9) 0 (R8) 1,5

800

1 (R4) 0 (R9) 1 (R5) 2

600

1 (R4) 1 (R6) 0 (R8) 4

300

1 (R4) 1 (R6) 1 (R5) 6

200

Tabulka 5.51: Nastaven´ı akcelerometru

5.8

Varianty cel´ eho syst´ emu

Navrˇzené desky se kompletuj´ı do jednotek podle poˇzadované funkce. Pro systém steerby-wire budou zapotˇreb´ı 4 jednotky sloˇzené z komunikaˇcn´ı a v´ ykonové desky – pro ˇcten´ı 10-bitového senzoru polohy a ovládán´ı stejnosmˇern´ ych motor˚ u. Pro systém brake-by-wire 4 jednotky sloˇzené s komunikaˇcn´ı a v´ ykonové desky - pro ˇcten´ı senzoru otáˇcek a ovládán´ı elektroventil˚ u a jedna jednotka sloˇzená z komunikaˇcn´ı, pedálové a v´ ykonové desky - pro ˇcten´ı polohy pedálu, z´ıskáván´ı u ´daj˚ u z gyroskopu a ovládán´ı motoru ˇcerpadla.

Obr´ azek 5.19: Jednotka sloˇzená z komunikaˇcn´ı a v´ ykonové desky

´ ´ 5.8. VARIANTY CELEHO SYSTEMU

89

Obr´ azek 5.20: Jednotka sloˇzená z komunikaˇcn´ı, v´ ykonové a ped´ alové desky

Jsou moˇzné i dalˇs´ı kombinace napˇr. ˇr´ıdit dvˇe v´ ykonové desky. V tabulce 5.52 jsou srovnány rozˇsiˇruj´ıc´ı konektory, aby byly snáze pˇredstavitelné jejich kombinace. Pokud nebude vadit, ˇze signály EN A a EN B pro jeden motor nebudou ovládány, nebo budou ovládány spoleˇcnˇe, je moˇzné vyuˇz´ıvat dvˇe v´ ykonové desky i s vyˇc´ıtán´ım vˇsech pˇripojiteln´ ych senzor˚ u k jedné desce. Základn´ı varianty jednotek jsou uvaˇzovány:

• Komunikaˇcn´ı deska + v´ ykonová deska

• Komunikaˇcn´ı deska + v´ ykonová deska + pedálová deska

• Komunikaˇcn´ı deska + v´ ykonová deska + v´ ykonová deska

• Komunikaˇcn´ı deska + diagnostická deska


90 μP

Komunikaˇ cn´ı deska #

sign´ aly

Ped´ alov´ a deska

V´ ykonov´ a deska

#

#

sign´ al

#

sign´ al

-

1

+Ubat

GND

2

1

+Ubat

1

+Ubat

-

3

+5V con

GND

4

3

+5V con

3

+5V con

-

5

+3.3V con GND

6

5

+3,3V con

5

+3,3V con

PP1

7

wake up

GND

8

7

wake up

7

wake up

PT3

9

IOC3

GND

10

9

in4

9

CLK REG

PT2

11 IOC2

GND

12

11 in3

11 otacky

PT1

13 IOC1

GND

14

13 in2

13 EN A1

PT0

15 IOC0

GND

16

15 in1

15 EN A2/SO REG

PP2

17 PWM2

GND

18

17

17 EN B1

PP3

19 PWM3

GND

20

19 out B

19 EN B2/LOAD REG

PP4

21 PWM4

GND

22

21 HP

21 PWM1

PP5

23 PWM5

GND

24

23 out A

23 PWM2

PS7

25 SS0

GND

26

25 PD

25 IN A1

PS6

27 SCK0

GND

28

27 PEDAL A

27 IN A2

PS5

29 MOSI0

GND

30

29 ST

29 IN B1

PS4

31 MISO0

GND

32

31 PEDAL B

31 IN B2

PAD7

33 AN7

AGND 34

33 AN B2/OUT X

33 CS1

PAD6

35 AN6

AGND 36

35 AN B1/OUT Z

35 CS2

PAD5

37 AN5

AGND 38

37 AN A2

37 CE REG

PAD4

39 AN4

VDDA

39 AN A1

39 AN current

40

Tabulka 5.52: Rozˇsiˇruj´ıc´ı konektory desek

5.9

EMC testy

Vyrobené jednotky byl podrobeny test˚ um odolnosti podle poˇzadavk˚ u EMC norem a bylo zjiˇst’ováno konkrétn´ı vf. elektromagnetické pole vyzaˇrované z jednotek. Komunikaˇcn´ı deska v kombinaci s v´ ykonovou deskou byla testována na odolnost ve vysokofrekvenˇcn´ım elmag. poli v TEM komoˇre. V komoˇre byla generována intenzita pole velikosti 1, 3, 5 a 10V/m pro frekvence 10MHz aˇz 220MHz s AM modulac´ı 1kHz a hloubkou modulace 80%. V tabulce 5.53 jsou ukázány v´ ysledky testu. Na jednotce, bˇehem testu, nedoˇslo k ovlivnˇen´ı funkce jednotky. V´ ysledek testu byl popsán podle standardn´ıch testovac´ıch kritéri´ı:

5.9. EMC TESTY

91

A . . . funguje bez ovlivnˇen´ı B . . . bˇehem ruˇsen´ı je ovlivnˇena funkˇcnost pˇr´ıstroje C . . . pˇr´ıstroj vyˇzaduje zásah uˇzivatele (restart) D . . . destrukce pˇr´ıstroje Intenzita pole Frekvence V´ ysledek [V/m]

[MHz]

1

10..220

A

3

10..220

A

5

10..220

A

10

10..220

A

Tabulka 5.53: Zmˇeˇren´ a odolnost v˚ uˇci vysokofrekvenˇcn´ımu elmag. poli

Dále byla jednotka testována na odolnost v˚ uˇci EFT/BURAT ruˇsen´ı do komunikaˇcn´ıch vodiˇc˚ u. Bylo generováno ruˇsen´ı podle tabulky 5.54. V´ ysledek testu je zobrazen v tabulce 5.55. Jednotka pracovala bez problému s ruˇsen´ım do u ´rovnˇe 2 (0,5kV). Pro vyˇsˇs´ı u ´roveˇ n ruˇsen´ı pˇrecházela jednotka do resetu a po odeznˇen´ı ruˇsen´ı nabˇehla do p˚ uvodn´ıho reˇzimu. ´ Uroveˇ n

Napˇ et´ı impuls˚ u [kV] Frekvence impuls˚ u [kHz]

1

0,25

5

2

0,5

5

3

1

5

4

2

2,5

X

4

2,5

Tabulka 5.54: Testovac´ı u ´rovnˇe na sign´ alov´ ych vstupech a v´ ystupech

Posledn´ı proveden´ y test bylo zjiˇstˇen´ı vlastn´ı elmag. emise jednotky. Desky byly testovány sondami pro bl´ızké elmag. pole a nejv´ yraznˇejˇs´ı zdroje jsou zobrazeny na obr. 5.21 a obr. 5.22. Pro pásmo do 30MHz jsou hlavn´ı zdroje vyzaˇrován´ı sp´ınan´ y 5V zdroj a se stejnou intenzitou (ale zhruba 3krát v´ıce ˇspiˇcek) také m˚ ustek. Dalˇs´ım velk´ ym zdrojem je 10MHz oscilátor pro FPGA, ten ruˇs´ı na frekvenc´ıch 10MHz, 20MHz a 30MHz. Zaj´ımavé je, ˇze pˇri vypnut´ı oscilátoru signálem OE z˚ ustane ruˇsen´ı na frekvenci 20MHz a ostatn´ı zmiz´ı. Z toho vypl´ıvá, ˇze oscilátor má vlastn´ı nosn´ y kmitoˇcet na 20MHz a pro v´ ystup je tato


92 ´ Uroveˇ n

Pozitivn´ı Negativn´ı

1

A

A

2

A

A

3

B

B

4

B

B

X

B

B

Tabulka 5.55: V´ ysledek testu pro Burst ruˇsen´ı do sign´ alov´ ych vodiˇc˚ u

frekvence dˇelena dvˇema. V obr. 5.21 je znázornˇena kˇrivka vyzaˇrován´ı pˇr´ıvodn´ıho kabelu. Na n´ı jsou patrné hlavnˇe kmitoˇcty pouˇzit´ ych krystal˚ u, 4MHz - procesor a 10MHz(20MHz) - FPGA. Na 20MHz také bˇeˇz´ı vnitˇrn´ı hodiny procesoru pro FlexRay ˇradiˇc. Na pásmu od 30MHz je nejvˇetˇs´ı ruˇsen´ı od 10MHz oscilátoru a hradlového pole, které je prakticky v celém frekvenˇcn´ım pásmu. Dále se na frekvenc´ıch do 300MHz objevuje ruˇsen´ı produkované od napˇet’ového pˇrevodn´ıku (3,3V → 5V) a PISO pˇrevodn´ıku. Z testu vypl´ıvá, ˇze navrˇzené desky jsou odolné v˚ uˇci vysokofrekvenˇcn´ımu elmag. poli. Ruˇsen´ım do 500V do signálov´ ych vodiˇc˚ u. A ˇze nezp˚ usobuj´ı v´ yraznou elmag. emisi.

5.9. EMC TESTY

Obr´ azek 5.21: Zmˇeˇrené vyzaˇrov´ an´ı pro p´ asmo 9kHz aˇz 30MHz

Obr´ azek 5.22: Zmˇeˇrené vyzaˇrov´ an´ı pro p´ asmo 30MHz aˇz 1GHz

93

94


Kapitola 6 Software Vytvoˇren´ı programového vybaven´ı navrˇzen´ ych desek nen´ı do této práce zahrnuto. Pro otestován´ı funkˇcnosti jednotek byl napsán základn´ı program vedouc´ım práce ing. Denisem Warausem. Tento program ovládá komponenty na komunikaˇcn´ı desce, vyˇc´ıtá senzor polohy a ovládá pˇripojen´ y motor. Software je napsán´ y, aby bylo desky moˇzné vyuˇz´ıvat v systému steer-by-wire a nahradit tak stávaj´ıc´ı desky.

95

96

KAPITOLA 6. SOFTWARE

Kapitola 7 Z´ avˇ er C´ılem práce bylo navrhnout a realizovat systém (hardware) pro aplikaci systému brakeby-wire na testovac´ım vozidle. Byly rozebrány r˚ uzné brzdné systémy z pohledu elektrického ˇr´ızen´ı a aplikaci asistenˇcn´ıch brzdov´ ych systém˚ u. Na jejich základˇe byl navrˇzen systém (systém s tlakov´ ym zásobn´ıkem), kter´ y se jevil jako nejpˇrijatelnˇejˇs´ı pro pouˇzit´ı na buginˇe i standardn´ıch automobilech. V pr˚ ubˇehu návrhu a simulace systému vyˇsli najevo nˇekteré skuteˇcnosti, se kter´ ymi nebylo poˇc´ıtáno (pr˚ usak ovládaj´ıc´ıch ventil˚ u). Také v´ ysledky testován´ı podobného systému firmou Mercedes-Benz nebyly pˇr´ıliˇs pozitivn´ı. Otázkou z˚ ustává, jak moc se navrˇzen´ y systém s t´ımto systémem shodoval. Naproti tomu v´ ysledky testován´ı kl´ınové brzdy (firma Siemens VDO), vypadaj´ı velice dobˇre a je jen otázka ˇcasu, nˇeˇz bude tento typ brzdy komerˇcnˇe dostupn´ y. y hardware pro realizaci systém˚ u x-byV dalˇs´ı ˇca´sti práce byl navrˇzen elektronick´ wire. Hardware je navrˇzen, aby byl co moˇzná nejvariabilnˇejˇs´ı a umoˇzn ˇuje pˇripojen´ı vˇsech senzor˚ u, uvaˇzovan´ ych pro pouˇzit´ı v systémech x-by-wire. Obsahuje obvody pro vlastn´ı diagnostiku i obvody zajiˇst’uj´ıc´ı obecné poˇzadavky na automobilov´ y hardware, jako je tˇreba pˇrechod do reˇzimu stand-by. Navrˇzen´ y hardware byl navrhován s pˇrihlédnut´ım na EMC poˇzadavky (souˇca´stky vyuˇz´ıvaj´ıc´ı rozprostˇrené spektrum, návrh zemn´ıc´ıch ploch, blokován´ı integrovan´ ych obvod˚ u, ochrana vstup˚ u atd.). Pro ovˇeˇren´ı návrhu byly v´ ysledné desky podrobeny EMC test˚ um, ze kter´ ych bylo urˇceno v jak´ ych prostˇred´ıch jsou pouˇzitelné. Z test˚ u na elmag. emisi nebyly zjiˇstˇeny ˇza´dné v´ yrazné zdroje ruˇsen´ı. Navrˇzen´ y hardware je vhodn´ y pro aplikaci jiˇz realizovaného systému steer-by-wire, kde uvodn´ı systém rozˇs´ıˇrit o vyuˇz´ıván´ı dalˇs´ıch senzor˚ u i zajistit vˇetˇs´ı spolehlivost umoˇzn ˇuje p˚ systému. Dále je vhodn´ y pro realizaci systému brake-by-wire a dalˇs´ıch systému x-by-wire 97

´ ER ˇ KAPITOLA 7. ZAV

98

vyuˇz´ıvaj´ıc´ıch sbˇernici FlexRay. Obsahuje mnoho ˇcást´ı, kde nˇekteré by mohly b´ yt zaj´ımavˇe vyuˇzity i ve v´ yuce. Z tˇechto d˚ uvod˚ u vypl´ıvá, ˇze bylo splnˇeno zadán´ı diplomové práce. Do budoucna by urˇcitˇe mˇelo doj´ıt k vytvoˇren´ı posledn´ı uvaˇzované desky, a to desky diagnostické, která by v´ yraznˇe zlepˇsila moˇznosti testován´ı instalovaného systému jako celku. Z pohledu brzdov´ ych systému je otázkou, kam bude smˇeˇrovat v´ yvoj, jestli se uchyt´ı zmiˇ novaná kl´ınová brzda, nebo jestli dojde k uvaˇzované zmˇenˇe napájec´ı s´ıtˇe automobilu na 42V a rozˇs´ıˇren´ı hybridn´ıch, nebo plnˇe elektrick´ ych automobil˚ u.

Kapitola 8 Pouˇ zit´ e zkratky • ABS (Anti-lock Brake System) Protiblokovac´ı brzdov´ y systém • ESP (Electronic Stability Program) Elektronick´ y stabilizaˇcn´ı program • EDS (Electronic Differential lock System) Elektronická uzávˇerka diferenciálu • ASR (Anti-Slip Regulation) Protiprokluzov´ y systém • ESD (Electrostatic Discharge) Elektrostatick´ y v´ yboj • TVS (Transient Voltage Suprresion) Pˇrepˇet’ová ochranná dioda • I (Input) Vstup • O (Output) V´ ystup • S (Source) Zdroj • uP (Microprocesor) Mikroprocesor • FPGA (Field-Programmable Gate Array) Programovatelné hradlové pole • SPI (Serial Peripheral Interface) Sériová perifern´ı sbˇernice • RF (Radio Freqvency) Bezdrátová komunikace • CAN (Controller Area Network) Pr˚ umyslová komunikaˇcn´ı s´ıt’ • NTC (Negative Temperature Coefficient) Negativn´ı termistor

99

100

ˇ E ´ ZKRATKY KAPITOLA 8. POUZIT

Literatura AutoWeb (2000), ‘Sensotronic brake control’, http://www.autoweb.com.au/cms/ newsarticle.html?\&id=MER\&doc=mer0011231. BMW (2010), ‘X5’, http://www.freescale.com/webapp/sps/site/overview.jsp? code=SMART_STORIES_BMW\&fsrch=1. Carmotor (2010), ‘Sbˇernice a komunikace flexray nejen pro automobily’, http://www. carmotor.cz/flex-ray-II/. FlexRay (2005), FlexRay Communications System Protocol Specification V2.1 rev. A. FreeScale

(2010),

‘In-vehicle

networking’,

http://www.freescale.com/files/

microcontrollers/doc/brochure/BRINVEHICLENET.pdf. R Siemens (2002), ‘ebrake – the mechatronic wedge brake’, http://www.vdo.

com/generator/www/ro/en/vdo/main/hidden/downloads/chassis_carbody/ braking_technology/flc_sv_estop_sae_brake_colloquium_2002_en.pdf? redirect=false. Siemens (2003), ‘Modelling and validation of the mechatronic wedge brake’, http://www.vdo.com/generator/www/ro/en/vdo/main/hidden/downloads/ chassis_carbody/braking_technology/flc_sv_estop_sae_brake_colloquium_ 2003_en.pdf?redirect=false. Siemens (2004), ‘Testing the mechatronic wedge brake’, http://www.vdo.com/ generator/www/ro/en/vdo/main/hidden/downloads/chassis_carbody/ braking_technology/flc_sv_estop_sae_brake_colloquium_2004_en.pdf? redirect=false. 101

LITERATURA

102

Siemens (2005), ‘Electronics braking system’, http://www.siemens.com/innovation/ en/publikationen/publications_pof/pof_fall_2005/auto_electronics/ braking_systems.htm. ˇ Beneˇ s, R. (2009), Programové vybaven´ı pro drive-by-wire, Bakaláˇrská práce, CVUT Praha. ˇ ostrava’. ˇa ´k, L. (2009), ‘Vlastnosti tekutin, sylabus, vSb Dvor ˇ r ˇovsky ´, Z. (2010), ‘Xd14ept - elektrické pohony v trakci’, http://motor.feld. Ce cvut.cz/www/materialy/XD14EPT/Prednasky_14.ppt. GSCHEIDLE, R. (2002), Pˇr´ıruˇcka pro automechanika. 2.upravené vydán´ı, Praha: Sobotáles. ISBN 80-85920-83-2. ´k, J. (2010), ‘Dynamometr na v´ıˇrivé proudy a jeho regulace’, http://www. Nova odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=25051. ´, V. (2007), Metody mˇeˇren´ı vybran´ Pokorny ych parametr˚ u komunikaˇcn´ıho standardu ˇ flexray a jejich implementace, Diplomová práce, CVUT Praha. Sapinski

(2009),

‘Electro-magnetic

brake’,

http://smart.ippt.gov.pl/past/

smart03/PDF/Sapinski.pdf. ˇ ´r ˇ, M. (2008), Technické vybaven´ı pro drive-by-wire, Bakaláˇrská práce, CVUT Vinkla Praha. ć ˇek, Voja

A.

tomobily.

(2007), [online].’,

‘Sbˇernice

a

Dostupn´ y

komunikace z:

flexray

nejen

pro

au-

http://automatizace.hw.cz/

sbernice-komunikace-exray-nejen-pro-automobily. ˇ Waraus, D. (2008), Mˇeˇr´ıc´ı systém na bázi sbˇernice flexray, Diplomová práce, CVUT Praha. Wikipedia (2010a), ‘Hydraulika’, http://en.wikipedia.org/wiki/Hydraulic_fluid# cite_note-0. Wikipedia (2010b), ‘Rekuperace’, http://cs.wikipedia.org/wiki/Rekuperace. Wikipedia (2010c), ‘Sériov´ y motor’, http://cs.wikipedia.org/wiki/S%C3%A9riov% C3%BD_motor.

Pˇ r´ıloha A Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD Adresáˇrová struktura disku: • Datasheets • Fotografie • Zpráva • Simulace navrhované hydrauliky • Hardware • Software

I

II

ˇ ÍLOHA A. OBSAH PRILO ˇ ˇ EHO ´ PR ZEN CD

Pˇ r´ıloha B Elektrick´ e sch´ ema navrˇ zen´ ych desek • Schéma komunikaˇcn´ı desky (control board 1.2) • Osazovac´ı plán komunikaˇcn´ı desky (control board 1.2) • Schéma v´ ykonové desky (power board 1.0) • Osazovac´ı plán v´ ykonové desky (power board 1.0) • Schéma pedálové desky (pedal board 1.0) • Osazovac´ı plán pedálové desky (pedal board 1.0) • Schéma kolové desky (wheel board 1.0) • Osazovac´ı plán kolové desky (wheel board 1.0) • Schéma LPT - JTAG programátoru (LPT - JTAG board 1.0) • Osazovac´ı plán LPT - JTAG programátoru (LPT - JTAG board 1.0) • Schéma akcelerometrové desky (akcelerometr board 1.0) • Osazovac´ı plán akcelerometrové desky (akcelerometr board 1.0)

III

Fakulta elektrotechnická. Model elektrohydraulické vozidlové brzdy

Recommend Documents