XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 156 The force identification from engine speed Určení síly z otáček motoru KOČÍ, Petr Ing., Ph.D., Katedra ATŘ-352, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu, Ostrava - Poruba, 708 33 petr.koci@vsb.cz Abstract: Cílem příspěvku je posouzení problematiky nastavení zavírání okna automobilu v souvislosti s požadavkem zajistit maximální přítlačnou sílu 100N na překážku. Na základě rozboru elektrického zapojení řídicí jednotky dveří automobilu bylo zjištěno, že se vyhodnocují pouze impulsy přicházející ze snímače otáček motoru (Hallová sonda) vysouvajícího okenní tabuli. Bylo třeba ověřit a posoudit, je-li možné určit na základě časového průběhu impulsů sílu přítlaku 100N, která je dána normou. Pro toto měření byl použit analyzátor PULSE, elektrický obvod motoru dveří automobilu byl upraven tak, aby umožnil zaznamenat časový průběh impulsů, proudu a napětí. Jednotlivé veličiny se snímaly se vzorkovací frekvencí 4096 Hz (vzorkovací perioda 0,244 ms). Zaznamenával se časový úsek v délce 4 sekund, pro každou měřenou veličinu (proud, napětí, impulsy, čas) vznikl záznam o 16 384 hodnotách. Tyto údaje se dále zpracovávaly programem v Excelu. Prezentovaných výsledků bylo dosaženo při řešení výzkumného záměru MSM 272300012. Keywords: síla, analyzátor PULSE, časový průběh Úvod Cílem práce je posouzení problematiky nastavení zavření okna v souvislosti s požadavkem maximální přítlačné síly 100N. Tato zpráva se snaží popsat všechny vlivy a okolnosti vstupující do tohoto problému. Na základě rozboru elektrického zapojení řídicí jednotky automobilus typovým označením B5 bylo zjištěno, že se vyhodnocují pouze impulsy přicházející ze snímače otáček (Hallová sonda) motoru vysouajícího okenní tabuli. Bylo třeba ověřit a posoudit, je-li možné určit z impulsů sílu přítlaku 100N danou normou. Z Hallovy sondy (po úpravě) přichází do mikroprocesoru HC 08 signál, znázorněný na následujícím obrázku (Obr. 2).
XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 157 Obr. 1 Měřené dveře automobilu SUPERB pod označením B5 Èasový prùbì h impulsù Napětí Doba mezi pulsy 5 V Jedna otáèka Čas [s] Impulsy vnitøního èítaèe mikroprocesoru Čas [s] Obr. 2 Časový průběh impulsů z Hallovy sondy a vztah k čítači mikroprocesoru HC08 Bylo potřeba ověřit, zda z tohoto údaje je možné (a s jakou přesností) zjistit splnění normy.
XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 158 Na dveřích byla provedena měření jednotlivých měřitelných veličin v závislosti na čase. Rozbor měření byl veden snahou zjistit, zda z časového průběhu je možné zjistit sílu a s jakou přesností. Postup měření Bylo provedeno měření podle následujícího obrázku. Snímaly se tyto údaje: Impulsy z Hallovy sondy Napětí na autobaterii Napětí na odporu (pro výpočet proudu) Obr. 3 Schéma zapojení měření na motoru Jednotlivé veličiny se snímaly zařízením analyzátoru PULSE, vzorkovací frekvence byla 4096 Hz (vzorkovací perioda 0,244 ms). To znamená, že pro snímání časového úseku v délce 4 sekundy bylo uloženo pro každou měřenou veličinu (proud, napětí, impulsy, čas) 16 384 hodnot. Tyto údaje se dále zpracovávaly programem v Excelu. Bylo provedeno měření časového průběhu uvedených veličin při přejezdu z jedné krajní polohy do druhé krajní polohy. Na okno se postupně přidávala závaží různé hodnoty. Dále byl spočítán počet impulsů pro otevření nebo zavření okna, změřen čas jednotlivých pulsů i celkový čas potřebný pro otevření či zavření okna, vypočten příkon motoru. Celkový počet pulsů, který vygeneruje motor na otevření okna byl pro dodané dveře 311. Tento počet byl stejný jak pro otevření, tak i pro zavření okna. Vzhledem k výrobním tolerancím není tento počet zřejmě zadáván jako konstanta, ale zjišťuje se počáteční inicializaci okna. Měřením bylo zjištěno, že při rozbíhání motoru okna je průběh výkonu do času 0,25 s stejný při různé zátěži okna. Nezáleží na tom, zda se okno posouvá nahoru nebo dolů, zda je zatížené nebo nikoli. Této době odpovídá posun okna o 23 mm. I přes proměnlivý průběh příkonu je interval mezi pulsy přibližně stejný (otáčky motoru se nemění), jak je vidět na následujících obrázcích. Podstatná změna je pouze u prvních dvou impulsů. V následujících grafech je vyjádřena doba trvání pulsu na čase. Tyto hodnoty se získaly tak, že se zjistila (z naměřených hodnot) doba trvání každého impulsu (přesněji doby mezi dvěma impulsy) a tento údaj se zanesl na osu y. Na ose x je průběžný čas trvání běhu motorku. Jednotlivé body v grafu vyjadřují čas trvání daného impulsu. Pro lepší představu je na dalším obrázku vytvořen průběh několika veličin. Je zde upraveno měřítko na ose y pro jednotlivé měřené veličiny.
XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 159 Obr. 4 Souhrnný průběh více průběhů Modrý graf (graf s výrazným bodem, označen v legendě jako rozdíl) ukazuje čas trvání pulsu. Jednotlivé pulsy jsou z grafu zřejmé. Průběh proudu vykazuje zákmity. Zákmity proudu vznikly na komutátoru motoru. Pomocí nich můžeme určit přesnější polohu natočení hřídele. Otáčka je tak rozdělena na 10 úseků. Rozbor jednotlivých měření Měření bez zátěže zavření okna. Obr. 5 Průběh doba trvání jednotlivých pulsů Z průběhu je patrné, že výrazné změny času trvání impulsu (je to doba mezi změnou úrovně signálu od Hallovy sondy) nastávají na počátku a na konci, kdy okno zajíždí do sedla. Při dojíždění okna (posledních 5 mm) se zvětšuje síla a zároveň čas mezi pulsy. Průměrná doba jednoho pulsu je 0,01 s (jak je vidět z grafu Obr. 5). Při vysunutí okna z jedné krajní polohy do druhé krajní polohy je potřeba 155,5 otáček motoru. Čítač pulsů (z Hallovy sondy) vygeneruje 311 impulsů, které načítá mikroprocesor
XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 160 HC 08, který vyhodnocuje také čas mezi jednotlivými pulsy. Jeden puls (půlotáčka) odpovídá vysunutí okna o 1,14 mm. Celková doba potřebná k zavření okna byla naměřena 3,15 s (může se měnit vlivem změny velikosti třecí síly). Měření bez zátěže otevření okna. Obr. 6 Průběh doba trvání jednotlivých pulsů Z průběhu doby jednotlivých impulsů je vidět, že od dvacátého centimetru vysunutí se asi zmenšilo tření a doba mezi pulsy se zmenšila. Obr. 7 Průběh příkonu v čase Celková doba potřebná k otevření okna byla naměřena 2,44 s. Zaměříme-li se na okamžik dosednutí okna na spodní mechanický doraz, zjistíme závislost mezi časem jednotlivých pulsů a změnou proudu. Z následujícího obrázku (Obr. 8) je vidět, že změna proudu nastala v 2,39 sekundě. Od tohoto času se proud zvětšuje. Vlivem pružnosti a vůle v mechanismu ovládání okna se dosednutí okna projeví na změně délky pulsu až v 2,417 sekundě. Z toho vyplývá, že měřením proudu zjistíme změnu s předstihem 0,027 s (asi o dvě otáčky dříve).
XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 161 Obr. 8 Souhrnný průběh několika signálů Měření s zátěží 4,04 kg otevření okna. Obr. 9 Průběh doba trvání jednotlivých pulsů
XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 162 Obr. 10 Průběh příkonu v čase Doba trvání je 3,76 s. Příkon vlivem tření roste. Obr. 11 Souhrnný průběh několika signálů Na tomto průběhu (Obr. 11) je vidět, že přídavné závaží již ovlivňuje průběh proudu, výkonu i doby mezi pulsy.
XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 163 Obr. 12 Průběh rozdílů času mez dvěmi po sobě jdoucími impulsy Když vypočteme rozdíl délek intervalů po sobě jdoucích impulsů (Obr. 12), dostaneme vyrovnaný průběh (jak ukazuje obrázek). Nedochází k nelineárnímu nárůstu času. Toto zjištění je dosti podstatné, protože umožňuje na základě průměru několika předchozích impulsů posoudit přítomnost překážky. Měření s vložením překážky (s nárazem vysouvajícího se okna na překážku) Dále bylo provedeno měření s vyjetím okna proti překážce. Tu představovala korková zátka (z důvodu měkčího ztlumení) a snímač síly. Při najetí na překážku byla vyvinuta síla 160 N. Časové průběhy jsou na následujících grafech. Obr. 13 Průběh příkonu v čase
XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 164 Obr. 14 Souhrnný průběh několika signálů Rozdíly zobrazeny v lineárním měřítku nejsou moc vidět. Proto bylo zvoleno logaritmické měřítko. Obr. 15 Průběh rozdílů času mez dvěmi po sobě jdoucími impulsy, osa y logaritmické měřítko Při tomto zobrazení je vidět, jak se při najetí na překážku zvyšuje doba trvání jednotlivých pulsů.
XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 165 Závěr Byly zjištěny tyto skutečnosti. Celkový počet pulsů, který vygeneruje motor na otevření okna byl pro dodané dveře 311. Měřením byly zjištěny, že při rozbíhání motoru okna je průběh do času 0,25 s stejný při různé zátěži okna. Časový průběh proudu vykazuje zákmity. Zákmity proudu vznikly na komutátoru motoru. Pomocí nich můžeme určit přesnější polohu natočení hřídele. Jedna otáčka je tak rozdělena na 10 úseků. Průměrná doba jednoho pulsu je 0,01 s (jak je vidět z grafu Obr. 5). Jeden puls (půlotáčka) odpovídá vysunutí okna o 1,14 mm. Celková doba potřebná k zavření okna byla naměřena 3,15 s (může se měnit vlivem změny síly tření). Zaměříme-li se na okamžik dosednutí okna na spodní mechanický doraz, zjistíme závislost mezi časem jednotlivých pulsů a změnou proudu (viz Obr. 8). Z této závislosti vyplývá, že měřením proudu zjistíme změnu s předstihem 0,027 s (asi o dvě otáčky dříve). Když vypočteme rozdíl délek intervalů po sobě jdoucích impulsů (Obr. 12), dostaneme vyrovnaný průběh. Nedochází k nelineárnímu nárůstu času. Toto zjištění je dosti podstatné, protože umožňuje na základě průměru doby trvání několika předchozích impulsů posoudit přítomnost překážky. Provedením rozboru měření vyplývá, že je možné se rozhodnout o vložené překážce na základě změny tří posledních pulsů (vzhledem k průměru předchozích např. pěti pulsů). Pak následuje povel k reverzaci (relé má zpoždění asi 3ms). V této době vyjíždí okno pořád nahoru. Po reverzaci je potřeba jisté doby na to, aby motorek se začal otáčet opačným směrem. Identifikace překážky pomocí měření proudu (jak tomu je například u Fábie) má tu výhodu, že je možno překážku zjistit minimálně o dva pulsy spíše, to je o 40 ms dříve. References [1] KOČÍ, P. Diagnostic of Machine Tools Dynamic properties. In Proceedings of 3rd International Carpathian Control Conference. Ostrava : VŠB-TU Ostrava, 27. - 30. 5. 2002, p. 575-580. ISBN 80-248-0089-6. [2] TŮMA, J. & KOČÍ, P. 1996, Rotational Vibrations of Digitally Controlled Units running ad Idle. In Proceedings 7 th International DAAAM Symposium. Red. B. Katalinic. Vienna (Austria) DAAAM,1996, pp. 553 554. ISBN 3-901509-10-0