obrV článku chceme predstaviť realizáciu tempomatu ako mechatronického zariadenia, ktoré slúži na udržiavanie rýchlosti osobného automobilu pomocou riadenia polohy škrtiacej klapky.


Pre správnu činnosť mechanického tempomatu, bolo potrebné vyriešiť niekoľko čiastkových úloh spojených so snímaním rýchlosti, návrhom systému na otváranie škrtiacej klapky, ako aj návrhu samotného riadiaceho systému. Navrhnuté riešenie tempomatu bolo realizované pre osobný automobil Škoda Felicia.
Vývoj automobilového priemyslu napreduje míľovými krokmi. Zatiaľ čo ešte pár rokov dozadu patrilo autorádio medzi výdobytky modernej technológie, dnes si jazdu v aute bez neho vieme len ťažko predstaviť. Každým dňom sa v automobile vyskytuje stále viac elektronických systémov, ktorých hlavnou úlohou je nielen uľahčiť vodičom jazdu autom, ale predovšetkým urobiť ju bezpečnejšou. Medzi systémy, ktoré sa stávajú už prakticky základnou výbavou každého automobilu patrí tempomat.
Tempomat ako systém na udržiavanie konštantnej rýchlosti vozidla predstavuje odbremenenie vodiča od nutnosti sledovať rýchlomer a držať neustále nohu na plynovom pedáli, čo hlavne pri jazdách na dlhých trasách môže byť dosť únavné. Od začiatku automobilového priemyslu prešiel vývoj tempomatu dlhou cestou, od výlučne mechanických princípov, ktoré slúžili na udržiavanie konštantných otáčok motora, cez elektromechanické tempomaty regulujúce rýchlosť vozidla až po plne elektronické tempomaty.
Počiatky tempomatu siahajú približne do roku 1788. Prvými vynálezcami zaoberajúcimi sa touto problematikou boli James Watt a Matthew Boulton, ktorí využívali odstredivý regulátor na ovládanie parných motorov. Úlohou ich zariadenia bolo udržiavať otáčky na konštantnej hodnote, čo bolo v podstate veľmi blízko k regulácii na konštantnú rýchlosť.
Moderný tempomat vynašiel mechanický inžinier Ralph Teetor, ktorý si ho ako prvý nechal patentovať. Prvý automobil s týmto vynálezom bol Chrysler Imperial z roku 1958. Tento tempomat počítal rýchlosť otáčok hnacieho hriadeľa z údajov tachometra, pričom akčným členom pri zásahu do polohy škrtiacej klapky bol elektrický motor.

NÁVRH RIEŠENIA MECHANICKÉHO TEMPOMATU
Tempomat predstavuje elektromechanický systém pozostávajúci z niekoľkých základných prvkov. K týmto prvkom patria snímač rýchlosti, spínač pre brzdový a spojkový pedál, ovládacie a akčné členy. Všetky tieto prvky spolupracujú s riadiacou jednotkou ktorá spracováva vstupné signály a riadi výstupné veličiny.

obr1
Obr. 1: Bloková schéma základných prvkov tempomatu


Návrh mechanického tempomatu bol robený pre vozidlo Škoda Felícia s manuálne ovládanou škrtiacou klapkou prepojenou lankom s plynovým pedálom vozidla. Návrh riadenia tempomatu vychádzal z riadenia polohy škrtiacej klapky pomocou natáčania polohy servomotora a pri realizácii tohto riadenia bolo potrebné vyriešiť niekoľko čiastočných úloh spojených s jednotlivými prvkami tempomatu.

SNÍMANIE RÝCHLOSTI
Základným údajom pre prácu tempomatu je údaj o rýchlosti. Nakoľko je meranie rýchlosti v Škode Felícia realizované pomocou mechanického náhonu, bolo potrebné tento údaj previesť do elektronickej formy tak, aby bolo možné využiť túto informáciu o rýchlosti vozidla pri jej riadení. Konštrukcia tachometra Felície obsahuje magnetický prstenec, ktorý je možné za pomoci vhodného snímača využiť na snímanie rýchlosti vozidla. Z tohto dôvodu bol na elektronické snímanie rýchlosti použitý obvod s Hallovým snímačom TLE4905L. Týmto sme získali pomocou otáčania sa magnetického prstenca tachometra informáciu o rýchlosti vozidla. Dôležité je však presné umiestnenie snímača do správnej pozície voči magnetickému prstencu, aby snímač dokázal správne snímať impulzy z magnetických pólov prstenca.

SNÍMANIE STLAČENIA BRZDY A SPOJKY
Na snímanie stlačenia brzdového pedála bol použitý originálny spínač pre brzdové svetlá. Nakoľko tento spínač pracuje s napätím siete vo vozidle, bolo potrebné upraviť toto napätie, aby sa signál zo spínača dal využiť ako logický vstup pre riadiacu jednotku tempomatu. Na úpravu tohto napätia na vhodnú úroveň bol použitý stabilizátor napätia 78L05, ktorého výstupné napätie je 5 V s prúdovou zaťažiteľnosťou do 100 mA.
Na snímanie stlačenia spojkového pedála je potrebné namontovať samostatný spínač, pričom najefektívnejším riešením vzhľadom na použitú kabeláž a na to, že spínače brzdového a spojkového pedála budú slúžiť na rovnaký účel, je zapojiť tieto dva spínače.

AKČNÝ ČLEN
Keďže riešenie mechanického tempomatu vychádza z riadenia polohy škrtiacej klapky, bolo potrebné zvoliť vhodný akčný člen a mechanizmus, ktorým by sa dala jednoducho riadiť poloha škrtiacej klapky automobilu a v konečnom dôsledku aj jeho rýchlosť. Ako akčný člen bol vybraný modelársky servopohon pre jeho jednoduché riadenie, pričom informácia o polohe servomotora je získavaná prostredníctvom potenciometra.
Servomotor bol vybraný na základe momentu, ktorý musí servomotor vyvinúť na prekonanie sily, ktorú vyvíja pružina škrtiacej klapky motora. Sila pružiny F1 bola nameraná elektronickým silomerom vo vzdialenosti rovnajúcej sa vnútornému polomeru kladky, v ktorej je uložené pôvodné plynové lanko. Polomer tejto kladky je 32 mm od stredu hriadeľa. Maximálny uhol otvorenia škrtiacej klapky je α = 90°, pričom proti pôsobí už spomínaná sila F1. Proti tejto sile musí pôsobiť servomotor silou F2, pričom maximálny uhol otočenia servomotora je β = 120°.

obr2

Obr. 2: Umiestnenie kladiek vrátane pôsobiacich síl vratnej pružiny F1 a sily servomotora F2

 

RIADENIE
Vzhľadom na jednoduchosť programovania, konektivitu a veľmi dobrú podporu bola pre riadenie zvolené doska Arduino Due s 32-bitovým mikroprocesorom s frekvenciou 84 MHz – SAM3X8E Cortex-M3 ARM.
Na obsluhu tempomatu sa využívajú dve tlačidlá, ktoré majú štyri funkcie. Je to dosiahnuté tým, že stlačenia tlačidiel sú rozlíšene na dlhé a krátke. Krátke stlačenia predstavujú zapnutie tempomatu pomocou funkcií SET a RESET. Dlhé stlačenia slúžia na prispôsobenie koncovej rýchlosti vozidla.
Hlavný riadiaci program, ktorý beží v nekonečnej slučke podľa obr. 3, obsahuje volania jednotlivých funkcií. Má za úlohu načítať vstupné údaje, vyhodnotiť ich a na základe nich vykonať príslušnú akciu na výstupe, ako napríklad nastaviť potrebný uhol servomotora.

obr3
Obr. 3: Vývojový diagram hlavného programu tempomatu

 

Pri štarte motora je konštanta zapnuté nastavená na hodnotu false. Aktualizácia hodnoty aktuálnej rýchlosti prebieha nepretržite, nezávisle od funkcie tempomatu. Nakoľko sú tlačidlá realizované cez prerušenia, ich overenie nastáva až po príchode konkrétneho prerušenia. Toto overovanie prebieha v nekonečnej slučke celkového programu. Pri stlačení tlačidiel SET alebo RESET je nutné overiť podmienku minimálnej rýchlosti. Ak je táto podmienka splnená, premenná zapnuté sa zmení na hodnotu true. K overeniu tejto premennej dochádza na konci slučky, pričom program aktivuje PID regulátor a zároveň dôjde k obsluhe servomotora. V opačnom prípade program začne od začiatku s aktualizáciou aktuálnej rýchlosti. Overovanie stlačenia tlačidiel UP a DOWN nastáva ešte pred kontrolou zapnutého stavu, aby regulátor mohol rátať už s vykonanou zmenou rýchlosti. Vypínanie tempomatu prebieha opätovným nastavením premennej zapnuté na hodnotu false, pričom sa okamžite uvoľni servomotor a deaktivuje PID regulátor.

PRAKTICKÉ OVERENIE TEMPOMATU
Funkčnosť navrhnutého riešenie tempomatu bolo prakticky overené na vozidle Škoda Felícia, pričom výsledky jednotlivých testov sú zobrazené graficky. Počas jednotlivých testov sa sledovalo udržiavanie konštantnej rýchlosti pri zmene podmienok (obr. 4) a reakcia tempomatu na zmenu požadovanej rýchlosti (obr. 5 a obr. 6).

obr4
Obr. 4: Udržiavanie konštantnej rýchlosti

 

Na obr. 4 je možné vidieť ako tempomat koriguje rýchlosť vzhľadom na meniace sa podmienky. Na začiatku testu začalo vozidlo zrýchľovať v miernom stúpaní z rýchlosti 30 km/h na požadovanú rýchlosť 40 km/h, kde hodnota MOŠK je Miera Otvorenia Škrtiacej Klapky. V časti B išlo vozidlo konštantnou rýchlosťou do mierneho stúpania. V oblasti C sa automobil pohyboval po rovine, pričom môžeme vidieť, že stredná hodnota MOŠK je nižšia ako pri jazde do kopca. V poslednej časti grafu jazdilo vozidlo po vozovke s miernym sklonom, pričom ku koncu merania sa sklon vozovky zvýšil. Hodnota MOŠK sa znížila, aby sa tak korigovala rýchlosť vozidla. Meranie trvalo 108 sekúnd, pričom rozdiel aktuálnej rýchlosti voči požadovanej predstavoval približne ± 2 %.
Reakcie na zmenu požadovanej rýchlosti boli sledované pri zrýchľovaní z rýchlosti 40 km/h na rýchlosť 50 km/h a pri spomaľovaní z rýchlosti 50 km/h na rýchlosť 40 km/h. Výsledky sú zobrazené na obr. 5, resp. obr. 6.

obr5
Obr. 5: Zvýšenie požadovanej rýchlosti
obr6
Obr. 6: Zníženie požadovanej rýchlosti

 

ZÁVER
V tomto príspevku sme chceli predstaviť návrh a realizáciu tempomatu, ktorý v podstate predstavuje mechatronický systém slúžiaci na reguláciu rýchlosti osobného automobilu na základe princípu riadenia polohy škrtiacej klapky. Toto riešenie bolo navrhované a v konečnej fáze aj realizované a odskúšané pre osobný automobil Škoda Felicia. Ako možno vidieť z priebehov testovania uvedených v závere článku, navrhnutý systém dokázal udržiavať požadovanú rýchlosť vozidla nielen na rovnej vozovke ale aj pri stúpaní, resp. klesaní.

obr7

Poďakovanie
Táto práca vznikla s podporou grantu VEGA 1/0464/15.

LITERATÚRA:
[1] HATCH, Steve V.: Computerized Engine Controls., Cengage Learning Inc. 2012, ISBN 978-1-111-13490-7
[2] RIBBENS, William: Understanding Automotive Electronics – An Engineering Perspective. Elsevier, 2012. ISBN 978-0-08-097097-4
[3] ZHANG, Peng: Advanced Industrial Control Technology., Elsevier, 2010, ISBN 978-1-4377-7807-6
[4] Data Sheet, V1.5: Uni– and Bipolar Hall IC Switches for Magnetic Field Applications, Published by Infine on Technologies AG, Nov. 2007
[5] Arduino Due, technical specification and documentation https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardDue

TEXT ING. PETER GIROVSKÝ, PHD., BC. JAKUB FEKETE, TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH, FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY, KATEDRA ELEKTROTECHNIKY A MECHATRONIKY FOTO ARCHÍV REDAKCIE