ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών"

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΝΙΚΟΛΑΟΥ ΘΕΟΔΩΡΟΥ ΜΗΛΑ Α.Μ.: ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥ ΔΙΑΦΟΡΙΚΟΥ ΓΙΑ ΜΙΚΡΟ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΟ ΟΧΗΜΑ Επιβλέπων: Συνεπιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Δρ.-Μηχ. Επαμεινώνδας Μητρονίκας, Επίκουρος Καθηγητής Ν ο 380 Πάτρα, Οκτώβριος 2014 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥΠΟΛΗ ΠΑΤΡΑΣ ΡΙΟ - ΠΑΤΡΑ Τηλ: Τηλ: Τηλ: Fax:

2

3 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΝΙΚΟΛΑΟΥ ΘΕΟΔΩΡΟΥ ΜΗΛΑ Α.Μ.: ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥ ΔΙΑΦΟΡΙΚΟΥ ΓΙΑ ΜΙΚΡΟ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΟ ΟΧΗΜΑ Επιβλέπων: Συνεπιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Δρ.-Μηχ. Επαμεινώνδας Μητρονίκας, Επίκουρος Καθηγητής Ν ο /2014 Πάτρα, Οκτώβριος 2014

4

5 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥ ΔΙΑΦΟΡΙΚΟΥ ΓΙΑ ΜΙΚΡΟ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΟ ΟΧΗΜΑ Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΝΙΚΟΛΑΟΥ ΘΕΟΔΩΡΟΥ ΜΗΛΑ (Α.Μ ) Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 20/10/2014 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Εμμανουήλ Τατάκης Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής

6

7 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2014 ΤΙΤΛΟΣ: "ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥ ΔΙΑΦΟΡΙΚΟΥ ΓΙΑ ΜΙΚΡΟ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΟ ΟΧΗΜΑ" Φοιτητής: Επιβλέπων: Συνεπιβλέπων: Νικόλαος Μήλας του Θεοδώρου Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Δρ.-Μηχ. Επαμεινώνδας Μητρονίκας, Επίκουρος Καθηγητής Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και κατασκευή ηλεκτρονικού διαφορικού σε μικρό ηλεκτροκίνητο όχημα. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Στα πλαίσια του θεσμού της πρακτικής άσκησης του τμήματος, ένα τμήμα της εργασίας αυτής εκπονήθηκε στην εταιρία Δ.Ε.Δ.Δ.Η.Ε. Α.Ε. Σκοπός είναι η υλοποίηση ηλεκτρονικού διαφορικού σε διθέσιο ηλεκτροκίνητο όχημα το οποίο περιλαμβάνει δύο ηλεκτρικούς κινητήρες χωρίς μηχανική σύνδεση μεταξύ τους. Με τη σωστή λειτουργία του ηλεκτρονικού διαφορικού είναι δυνατή η επίτευξη στροφής του οχήματος με ασφαλή για τους επιβάτες τρόπο. Αρχικά, σχεδιάστηκε το μικροϋπολογιστικό σύστημα του οχήματος το οποίο αναλαμβάνει να συλλέξει τα απαραίτητα σήματα για το σωστό έλεγχο. Επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθεί δίαυλος επικοινωνίας CAN για τη μεταφορά των δεδομένων επειδή χαρακτηρίζεται από μεγάλη αξιοπιστία και ταχύτητα μετάδοσης. Το μικροϋπολογιστικό σύστημα απαρτίζεται από τέσσερις πλακέτες τυπωμένου κυκλώματος που επιτελούν τις λειτουργίες του ηλεκτρονικού διαφορικού, της απεικόνισης δεδομένων στο χρήστη και της διεπαφής των ελεγκτών των δύο κινητήρων στο δίαυλο. Στη συνέχεια, δοκιμάστηκε πειραματικά η αποτελεσματικότητα του μικροϋπολογιστικού συστήματος δίνοντας βάση στην ορθή μετάδοση των δεδομένων και την επαρκή ταχύτητα μεταφοράς αυτών μέσα στο δίαυλο. Μετά την εξακρίβωση της ορθής λειτουργίας του συστήματος, τοποθετήθηκε στο όχημα μαζί με την απαραίτητη καλωδίωση. Κατά την υλοποίηση της καλωδίωσης δόθηκε βάση στον απλό σχεδιασμό και την εύκολη συντήρηση σε περίπτωση βλάβης. Το επόμενο βήμα ήταν συγγραφή κώδικα σε γλώσσα προγραμματισμού που υλοποιεί τη λειτουργία του ηλεκτρονικού διαφορικού σύμφωνα με τη γεωμετρία Ackermann. Το τελευταίο στάδιο της διπλωματικής εργασίας ήταν η συνολική αξιολόγηση του συστήματος μέσω μετρήσεων που πραγματοποιήθηκαν από το μικροϋπολογιστικό σύστημα του οχήματος. Κατά τις τελικές μετρήσεις εξακριβώθηκε η αποτελεσματικότητα της γεωμετρίας Ackermann κατά τη στροφή του οχήματος σε χαμηλές ταχύτητες που συναντώνται σε συνθήκες πόλης.

8

9 Πρόλογος ΠΡΟΛΟΓΟΣ Στη διπλωματική αυτή εργασία σχεδιάζεται και κατασκευάζεται ένα ολοκληρωμένο μικροϋπολογιστικό σύστημα με ηλεκτρονικό διαφορικό για τον έλεγχο ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος πόλης, που χρησιμοποιεί για την κίνησή του δύο ηλεκτρικούς κινητήρες μόνιμου μαγνήτη, έναν για κάθε οπίσθιο τροχό. Συγκεκριμένα, το μικροϋπολογιστικό σύστημα αναλαμβάνει να συλλέξει με τη χρήση ηλεκτρονικών αισθητήρων μετρήσεις από τα ηλεκτρικά και μηχανικά μεγέθη που αφορούν την κίνηση του οχήματος. Εκτός από τους αισθητήρες, περιλαμβάνει τέσσερις πλακέτες τυπωμένου κυκλώματος. Αυτές είναι η πλακέτα του ηλεκτρονικού διαφορικού, η πλακέτα αλληλεπίδρασης με τον οδηγό και οι πλακέτες λήψης και αποστολής εντολών προς τον αριστερό και το δεξιό κινητήρα.. Έπειτα, μέσω ενός διαύλου επικοινωνίας πραγματοποιείται η μετάδοση των πληροφοριών εσωτερικά του συστήματος. Στόχος είναι η εξαγωγή των απαραίτητων αναφορών ταχύτητας ή ροπής από το ηλεκτρονικό διαφορικό, που πρέπει να λάβουν οι κινητήρες για να κινηθεί το όχημα με ασφάλεια σε συνθήκες ευθείας και στροφής. Ιδιαίτερα, για την υλοποίηση του ηλεκτρονικού διαφορικού χρησιμοποιείται η γεωμετρία Ackermann στην οποία βασίζονται και τα συμβατικά οχήματα. Με βασικές εισόδους τη γωνία στροφής και την επιθυμητή ταχύτητα το ηλεκτρονικό διαφορικό υπολογίζει τις επιθυμητές ταχύτητες των κινητήριων τροχών και τις στέλνει στους κινητήρες με χρήση διαύλου επικοινωνίας CAN λαμβάνοντας ταυτόχρονα σήματα ανάδρασης από αυτούς. Επιπλέον, περιλαμβάνεται και το σύστημα καταγραφής και απεικόνισης των δεδομένων για να εξάγονται συμπεράσματα από τις τεχνικές που χρησιμοποιούνται και να ενημερώνεται ο οδηγός του οχήματος. Αναλυτικά, στο κεφάλαιο 1 αναφέρονται ιστορικά στοιχεία σχετικά με την πορεία των ηλεκτρικών οχημάτων τα τελευταία χρόνια, και παράλληλα ακολουθεί ανάλυση των πλεονεκτημάτων και των μειονεκτημάτων που συνεπάγονται τη χρήση τους. Στο κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται η χρησιμότητα του μηχανικού διαφορικού. Έπειτα, ακολουθεί ανάλυση της γεωμετρίας στροφής κατά Ackermann. Στη συνέχεια περιγράφεται αναλυτικά η λειτουργία του ελεύθερου μηχανικού διαφορικού. Το κεφάλαιο κλείνει με μια ανασκόπηση της έρευνας πάνω σε ηλεκτρονικά διαφορικά. -I-

10 Πρόλογος Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται το όχημα που αποτελεί το αντικείμενο μελέτης αυτής της διπλωματικής εργασίας. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται το δομικό διάγραμμα του συστήματος που προτείνεται στην παρούσα διπλωματική εργασία καθώς και ο αλγόριθμος υλοποίησης της λειτουργίας του ηλεκτρονικού διαφορικού. Στο κεφάλαιο 5 γίνεται λεπτομερής ανάλυση του δίαυλου επικοινωνίας CAN στον οποίο βασίζεται η μετάδοση των δεδομένων του μικροϋπολογιστικού συστήματος. Πέρα από τη γενική περιγραφή του προτύπου επικοινωνίας αυτού, παρουσιάζεται ο τρόπος που υλοποιείται από τον επιλεγμένο μικροελεγκτή για τις ανάγκες της παρούσας εργασίας. Επίσης, περιγράφονται οι αλγόριθμοι που ακολουθούνται από τον μικροελεγκτή κάθε πλακέτας προκειμένου να πραγματοποιηθεί αποστολή και λήψη δεδομένων μέσω CAN. Στο κεφάλαιο 6 περιγράφεται ο σχεδιασμός και η κατασκευή των πλακετών τυπωμένου κυκλώματος, η τοποθέτησή τους σε βιομηχανικά κουτιά και η σχετική καλωδίωση. Επιπλέον, παρουσιάζεται και η διαδικασία εξαγωγής και απεικόνισης των μετρήσεων. Στο κεφάλαιο 7 περιγράφονται τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν και παρουσιάζονται τα αποτελέσματά τους. Τα πειράματα περιλαμβάνουν κίνηση του οχήματος με σε συνθήκες στροφής και ευθείας με ταχύτητες που συναντώνται μέσα σε μια πόλη. Για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων συγκρίνονται οι πραγματικές ταχύτητες των κινητήριων τροχών με τις θεωρητικές. Τέλος, καταγράφεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε και στα παραρτήματα ενσωματώνονται τα φυλλάδια των κατασκευαστών των στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν, αλλά και οι κώδικες των προγραμμάτων. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να αποδώσω θερμές ευχαριστίες στον επιβλέποντα Καθηγητή Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκη για την καθοδήγηση και τη συνεργασία. Παράλληλα θα ήθελα να ευχαριστήσω το συνεπιβλέποντα Επίκουρο Καθηγητή Δρ.-Μηχ. Επαμεινώνδα Μητρονίκα για τη βοήθεια που μου παρείχε κατά την εκπόνηση της εργασίας. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Υ.Δ. κ. Γεώργιο Χρηστίδη, τον κ. Κωνσταντίνο Πέτρου, καθώς και όλους τους Υ.Δ. του Ε.Η.Μ.Ε. για τις πολύτιμες συμβουλές τους. Τέλος, ευχαριστώ τον πατέρα μου για την πολύτιμη βοήθεια που μου προσέφερε για τη σωστή τοποθέτηση των συστημάτων στο όχημα. -II-

11 Πίνακας Περιεχομένων ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ Ιστορική ανασκόπηση Η πρώτη φάση της εξέλιξης Περίοδος 1990-σήμερα Πειραματικές κατασκευές ηλεκτροκίνητων οχημάτων στην Ελλάδα Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης ηλεκτροκίνητων αυτοκινήτων ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΙΑΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ Μηχανικό διαφορικό σύστημα μετάδοσης Ανάγκη ύπαρξης του μηχανικού διαφορικού Γεωμετρική ανάλυση στροφής- Μοντέλο Ackermann Κατασκευή του ελεύθερου μηχανικού διαφορικού Λειτουργία του ελεύθερου μηχανικού διαφορικού Το διαφορικό περιορισμένης ολίσθησης Ενεργητικά διαφορικά Ηλεκτρονικά συστήματα μετάδοσης Εξέλιξη της τεχνολογίας των ηλεκτρονικών διαφορικών ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΟΧΗΜΑΤΟΣ ΠΟΥ ΘΑ ΕΞΕΤΑΣΤΕΙ III-

12 Πίνακας Περιεχομένων 3.1 Σασί Ηλεκτροκινητήρες Ελεγκτές κινητήρων Συσσωρευτές Είσοδοι προς το μικροϋπολογιστικό σύστημα Αισθητήρας μέτρησης στροφής τιμονιού Πεντάλ επιταχυντή Αισθητήρες μέτρησης θερμοκρασίας των συσσωρευτών Αισθητήρες μέτρησης των ταχυτήτων των εμπρόσθιων τροχών Συμπληρωματικά συστήματα Τροφοδοτικό 76,8V/12V Βοηθητικός συσσωρευτής οξέος μολύβδου Διακόπτης άμεσης διακοπής σε περίπτωση κινδύνου Σύστημα φώτων Πρώτη έκδοση ηλεκτρονικού διαφορικού ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥ ΔΙΑΦΟΡΙΚΟΥ Δομικό διάγραμμα συστήματος Περιγραφή του επιλεγμένου μικροελεγκτή Η μονάδα μετατροπής αναλογικού σε ψηφιακού (ADC) Οι μονάδα των χρονιστών Η μονάδα Input Capture Η μονάδα δημιουργίας τετραγωνικών παλμών Αλγόριθμος ηλεκτρονικού διαφορικού ΚΕΦΑΛΑΙΟ IV-

13 Πίνακας Περιεχομένων ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΔΙΑΥΛΟΥ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΜΕ ΠΡΟΤΥΠΟ CAN BUS Περιγραφή προτύπου CAN BUS Ιδιότητες προτύπου Τα επίπεδα του CAN Είδη και δομές μηνυμάτων Κωδικοποίηση μηνυμάτων Κατάσταση κόμβων σε περίπτωση σφαλμάτων Οι χρονισμοί του CAN Ο χρόνος μετάδοσης ενός ψηφίου Συγχρονισμός κόμβων στο δίκτυο Υπολογισμός Χρονισμών για την παρούσα εργασία: Η μονάδα του CAN στο μικροελεγκτή DSPIC30F Αρχιτεκτονική της μονάδας υλοποίησης του προτύπου CAN του DSPIC30F Αποστολή μηνυμάτων Παραλαβή μηνυμάτων Το ολοκληρωμένο κύκλωμα MCP2551 της εταιρίας Microchip Υλοποίηση διαύλου CAN για την παρούσα εργασία Περιγραφή της αρχιτεκτονικής του δικτύου Αλγόριθμοι των πλακετών διεπαφής στο δίαυλο CAN Αλγόριθμοι για τους κόμβους των ελεγκτών (K1 & K2) Αλγόριθμος του κόμβου του ηλεκτρονικού διαφορικού (ED) Αλγόριθμος της πλακέτας αλληλεπίδρασης με το χρήστη (DASH) Η συσκευή CAN BUS Analyzer της εταιρίας Microchip V-

14 Πίνακας Περιεχομένων ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΛΑΚΕΤΕΣ ΤΥΠΩΜΕΝΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΚΑΛΩΔΙΩΣΕΙΣ Σχεδιασμός και κατασκευή των πλακετών τυπωμένου κυκλώματος Η πλακέτα του ηλεκτρονικού διαφορικού Οι πλακέτες σύνδεσης των ελεγκτών των κινητήρων στο δίαυλο Η πλακέτα αλληλεπίδρασης με το χρήστη Σχεδιασμός και υλοποίηση των καλωδιώσεων Τοποθέτηση των πλακετών σε βιομηχανικά κουτιά Η διαδικασίες εξαγωγής και απεικόνισης των μετρήσεων Η διαδικασία εξαγωγής των μετρήσεων σε ηλεκτρονικό υπολογιστή Η διαδικασία απεικόνισης των μετρήσεων μέσα από την οθόνη LCD Διαδικασία εκκίνησης και στάθμευσης του οχήματος Διαδικασία εκκίνησης Διαδικασία στάθμευσης ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Παρουσίαση αποτελεσμάτων μετρήσεων Μετρήσεις από τις ταχύτητες των κινητήριων τροχών και τη γωνία στροφής Συμπεράσματα και μελλοντική δουλειά Συμπεράσματα από τα αποτελέσματα των πειραμάτων Μελλοντική δουλειά Βιβλιογραφία ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΕΛΕΓΚΤΩΝ ΤΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ VI-

15 Πίνακας Περιεχομένων ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΤΕΧΝΙΚΑ ΦΥΛΛΑΔΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΩΝ VII-

16 -VIII- Πίνακας Περιεχομένων

17 Εισαγωγή ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στην παρούσα διπλωματική εργασία, σχεδιάζεται και υλοποιείται ένα ολοκληρωμένο μικροϋπολογιστικό σύστημα που αναλαμβάνει τον έλεγχο ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος τύπου Buggy, που χρησιμοποιεί για την κίνησή του ένα ηλεκτρικό κινητήριο σύστημα με δύο κινητήρες μόνιμου μαγνήτη τοποθετημένους στον οπίσθιο άξονα, χωρίς μηχανική σύνδεση μεταξύ τους. Η ηλεκτρική ενέργεια για τη κίνηση παρέχεται από μια συστοιχία συσσωρευτών, ενώ η τροφοδοσία των κινητήρων πραγματοποιείται με τη χρήση ειδικών αντιστροφέων, που επειδή περιλαμβάνουν και συστήματα αυτομάτου ελέγχου αποκαλούνται ελεγκτές. Κάθε όχημα που χρησιμοποιεί για την κίνησή του περισσότερους από ένα κινητήριο τροχό, πρέπει να έχει ένα διαφορικό σύστημα μετάδοσης που τους επιτρέπει να κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες. Στα συμβατικά οχήματα το σύστημα αυτό είναι μηχανικό και λειτουργεί παθητικά. Αποτέλεσμα είναι χαμηλός βαθμός απόδοσης και υποβέλτιστη συμπεριφορά σε ακραίες συνθήκες οδοστρώματος και οδηγικής συμπεριφοράς. Για το λόγο αυτό, ο κύριος στόχος της εργασίας αυτής είναι η μελέτη και υλοποίηση ενός συστήματος ηλεκτρονικού διαφορικού που αναλαμβάνει να οδηγήσει τους κινητήριους τροχούς με τρόπο κατάλληλο για την ασφαλή κίνηση του οχήματος. Το μεγάλο πλεονέκτημα του ηλεκτρονικού διαφορικού που προτείνεται σε αυτή την εργασία, πέρα από τις μηδενικές απώλειες σε σχέση με το μηχανικό διαφορικό, είναι η ενεργή συμπεριφορά. Ο μικροελεγκτής που περιλαμβάνει, μπορεί να λειτουργήσει λαμβάνοντας υπόψη τις διαφορετικές συνθήκες που επικρατούν και να μεταβάλλει τις αναφορές ταχύτητας σύμφωνα με τη λογική αυτόματου ελέγχου που έχει προγραμματιστεί. Η υλοποίηση που προτείνεται βασίζεται στη γεωμετρικό μοντέλο Ackermann και δέχεται ως βασικές εισόδους την αναφορά ταχύτητας από τον επιταχυντή και την επιθυμητή γωνία στροφής από το τιμόνι. Επιπλέον, οι πραγματικές ταχύτητες των τεσσάρων τροχών εισάγονται ως σήματα ανάδρασης στο σύστημα προκειμένου να γίνουν αντιληπτές ανεπιθύμητες καταστάσεις, όπως η ολίσθηση κάποιου τροχού. Πέρα από τη λειτουργία του ηλεκτρονικού διαφορικού, το μικροϋπολογιστικό σύστημα που προτείνεται αναλαμβάνει να συλλέξει όλα τα δεδομένα που είναι σχετικά με την κίνηση -1-

18 Εισαγωγή του οχήματος. Για το σκοπό αυτό η αρχιτεκτονική του συστήματος περιλαμβάνει τέσσερις πλακέτες τυπωμένου κυκλώματος που σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν στα πλαίσια της εργασίας αυτής. Οι πλακέτες αυτές είναι το ηλεκτρονικό διαφορικό, η πλακέτα αλληλεπίδρασης με τον οδηγό και οι πλακέτες που λαμβάνουν δεδομένα και στέλνουν εντολές προς τον αριστερό και το δεξιό κινητήρα. Επειδή στο ηλεκτροκίνητο όχημα υπάρχει έντονη παρουσία ηλεκτρομαγνητικού θορύβου λόγω της διακοπτικής λειτουργίας των αντιστροφέων, η μετάδοση των δεδομένων μεταξύ των ηλεκτρονικών πλακετών γίνεται με τη χρήση ενός διαύλου CAN (Controller Area Network). Το πρότυπο CAN χρησιμοποιείται κατά κόρον στην αυτοκινητοβιομηχανία για την υλοποίηση του δικτύου των ηλεκτρονικών συστημάτων. Προσφέρει αυξημένη αξιοπιστία, ταχύτητα μετάδοσης και ευελιξία στην είσοδο νέων σταθμών δικτύου. Η αρχιτεκτονική που προτείνεται βασίζεται στο δίαυλο CAN και έχει δοθεί ιδιαίτερη βάση στην ευελιξία που αποτελεί τον κυριότερο στόχο του συστήματος που προτείνεται. Η προσθήκη ενός νέου συστήματος δεν επιδρά στη λειτουργία των υπολοίπων και πραγματοποιείται με απλό τρόπο. Σημαντική προσφορά του μικροϋπολογιστικού συστήματος αυτού, είναι η ικανοποίηση σε μεγάλο βαθμό των αναγκών για προσθήκες στο υλικό (Hardware), αφού μετρώνται και μεταδίδονται στο δίαυλο CAN τα περισσότερα μεγέθη που αφορούν την κίνηση του οχήματος. Έτσι, κάθε έλλειψη που προκύπτει μπορεί να επιλυθεί με αλλαγές μόνο στο λογισμικό (Software). Στα κεφάλαια του κειμένου αυτού παρουσιάζονται αναλυτικά όλα τα συστήματα που κατασκευάστηκαν και η φιλοσοφία λειτουργίας τους, καθώς και η μαθηματική ανάλυση πίσω από τη γεωμετρία της στροφής και των χρονισμών του διαύλου CAN. -2-

19 Εισαγωγή Σχήμα 1: Το όχημα τύπου Buggy που θα μελετηθεί στην παρούσα εργασία. -3-

20 -4- Εισαγωγή

21 Κεφάλαιο 1 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ 1.1 Ιστορική ανασκόπηση Η παρακάτω ανασκόπηση βασίστηκε στη διπλωματική εργασία Μελέτη και κατασκευή οχήματος πόλης με διαφορικό ηλεκτροκινητήριο σύστημα [1] που πραγματοποιήθηκε στο ΕΗΜΕ από τους φοιτητές Δ. Βιδιαδάκη και Ν. Τσιάρα. Για περισσότερες πληροφορίες, ο αναγνώστης μπορεί να ανατρέξει στο κείμενο αυτό Η πρώτη φάση της εξέλιξης Ο Άγγλος φυσικός Michael Faraday το 1821 παρουσίασε την αρχή λειτουργίας του ηλεκτρικού κινητήρα κατασκευάζοντας μια μονοπολική στρεφόμενη ηλεκτρική μηχανή συνεχούς ρεύματος. Μετά από σχεδόν δέκα χρόνια παρουσίασε του νόμους που διέπουν τον ηλεκτρομαγνητισμό. Τα επόμενα χρόνια, ακολούθησαν και άλλες εφευρέσεις που εκμεταλλεύονταν αυτήν την πρωτοπόρα ανακάλυψη, παράγοντας ισχυρότερες δυνάμεις σε μηχανικές κατασκευές. Παρόλα αυτά, δεν είχε πραγματοποιηθεί το καίριο βήμα προς την κατασκευή του ηλεκτρικού αυτοκίνητου. Η εφεύρεση του ηλεκτροκίνητου οχήματος, καθώς και αυτή του κινητήρα εσωτερικής καύσης, πέρασε από πολλά στάδια και δεν οφείλεται μόνο στις προσπάθειες ενός εφευρέτη. Η πρώτη προσέγγιση έγινε το 1828 από τον Ούγγρο Stephen Ányos Jedlik, ο οποίος αφού κατασκεύασε ένα πρωτότυπο μικρό ηλεκτροκινητήρα συνεχούς ρεύματος, τον προσάρμοσε σε ένα μικρής κλίμακας όχημα (Σχήμα 1.1). Στη συνέχεια, το 1835, ο Ολλανδός Sibranus Stratingh κατασκεύασε ένα μοντέλο τρίκυκλου ηλεκτρικού οχήματος, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.2. Παράλληλα με αυτές τις εφευρέσεις εμφανίζονταν και άλλες, στις οποίες η διαφοροποίηση ήταν το γεγονός ότι κινούνταν σε σταθερή τροχιά. Το 1840 στο Ην. Βασίλειο και το 1847 στις Ην. Πολιτείες έγινε πιστοποίηση πατέντας για τη χρήση των τροχιών ενός συρμού ως επαφές. -5-

22 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.1: Το πειραματικό μοντέλο του Jedlik [1]. Σχήμα 1.2: Το μοντέλο ηλεκτρικού οχήματος του Sibradus Stratingh [1]. Το έτος 1859 ο Gaston Plante παρουσίασε τον επαναφορτιζόμενο συσσωρευτή μολύβδουοξέος και το 1881 ο Camille Alphonse Faure εξέλιξε αυτό το είδος συσσωρευτή. Αυτή η εξέλιξη ήταν καθοριστική για την κατασκευή ηλεκτρικών αυτοκινήτων για ιδιωτική χρήση. Καθώς εξελισσόταν ο ηλεκτρικός κινητήρας και οι επαναφορτιζόμενοι συσσωρευτές (secondary cells), δινόταν η δυνατότητα σε εφευρέτες να προχωρήσουν στην κατασκευή των πρώτων ηλεκτρικών οχημάτων. Στην πρώτη διεθνή έκθεση Ηλεκτρισμού του Παρισιού το 1881, ο ηλεκτρολόγος Gustave Trouve παρουσίασε ένα ηλεκτροκίνητο τρίκυκλο, στο οποίο ηλεκτρική ισχύ παρείχε η επαναφορτιζόμενη μπαταρία μολύβδου οξέος που είχε εξελίξει ο Faure την ίδια χρονιά. Ταυτόχρονα ο Charles Jeantaud κατασκευάζει το δικό του ηλεκτροκίνητο όχημα χρησιμοποιώντας τον κινητήρα του Gramme και μια μπαταρία -6-

23 Κεφάλαιο 1 ο μολύβδου-οξέος. Ακολούθησαν και άλλες πρωτότυπες κατασκευές που ακολουθούσαν τη λογική των αμαξών και κάρων της εποχής. Ο Βέλγος οπλουργός Pieper άρχισε να κατασκευάζει το 1889 τέτοιου είδους οχήματα και το 1896 ο υιός του, Henri Pieper, υλοποίησε μια εξαιρετικά πρωτότυπη ιδέα. Προχώρησε στην κατασκευή του Auto-Mixte, το οποίο αποτέλεσε το πρώτο υβριδικό όχημα. Παρόλα αυτά, δεν είχε κατασκευαστεί ακόμα εκείνο το όχημα που θα μπορούσε να αποτελέσει προϊόν για το αγοραστικό κοινό. Το πρώτο ηλεκτρικό όχημα που αποτέλεσε εμπορική επιτυχία κατασκευάστηκε το 1893 από τον Paul Pouchain και μπορούσε να μεταφέρει έξι επιβάτες, ενώ είχε τη δυνατότητα να αναπτύξει ταχύτητα 16km/h. Αντίστοιχα ο Jeantaud προχώρησε στην κατασκευή ηλεκτρικών οχημάτων την περίοδο , που έγιναν από τον Γάλλο Louis Antoine Krieger. Ο Krieger αργότερα εισήγαγε την έννοια της πέδησης με ανάκτηση ενέργειας. Τα ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα, στο τέλος του 19ου αιώνα, κατείχαν τα ρεκόρ ταχύτητας. Πιο συγκεκριμένα, το πρώτο καταγεγραμμένο ρεκόρ ταχύτητας το κατείχε το αγωνιστικό όχημα του Gaston de Chasseloup-Laubat και ήταν 63.13km/h. Ο ίδιος αύξησε κι άλλο τον πήχη του γρηγορότερου αυτοκινήτου, αλλά τον Απρίλιο του 1899 ο αντίπαλός του, ο Βέλγος Camille Jenatzy, κατέρριψε το ρεκόρ του Gaston με το ιδιαίτερης κατασκευής όχημά του. Ο Camille όχι μόνο κατέρριψε το ρεκόρ του αντιπάλου του, αλλά ξεπέρασε και το ψυχολογικό όριο των 100km/h πετυχαίνοντας την ταχύτητα τω km/h. Σχήμα 1.3: Ο Camille Jenazy πάνω στο όχημά του [1]. -7-

24 Κεφάλαιο 1 ο Παράλληλα με τα ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα, άρχισε να εμφανίζονται εφαρμογές υβριδικής τεχνολογίας βενζινοκινητήρα και ηλεκτροκινητήρα. Το 1901, στην 3η Διεθνή Έκθεση Αυτοκινήτου και Μοτοσυκλέτας του Παρισιού, παρουσιάστηκε από τον Jenatzy ένα υβριδικό αυτοκίνητο που διέθετε ένα βενζινοκινητήρα και ένα σύστημα ηλεκτροκίνησης. Τα δύο συστήματα μπορούν είτε να δουλεύουν ανεξάρτητα είτε συνδυασμένα. Ο βενζινοκινητήρας διέθετε μικρή γεννήτρια (δυναμό) και μπορούσε να φορτίζει τους συσσωρευτές, όταν αυτοί έφταναν σε βαθιά εκφόρτιση. Ο Jenatzy τo 1902 παρουσίασε ένα ταξί που διέθετε 2 ηλεκτροκινητήρες, που ο καθένας οδηγούσε έναν από τους δύο κινητήριους τροχούς. Οι συσσωρευτές τοποθετούνταν σε δύο κιβώτια δεξιά και αριστερά από το όχημα για εξισορρόπηση του βάρους. Τις τελευταίες δεκαετίες του 19ου αιώνα έκανε την εμφάνισή της η ηλεκτροκίνηση στα οχήματα και στη Μεγάλη Βρετανία. Το 1873 ο Σκωτσέζος εφευρέτης Robert Davidson κατασκεύασε ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο που από πολλούς θεωρήθηκε ως το πρώτο ηλεκτρικό αυτοκίνητο δρόμου. Μειονέκτημα στην κατασκευή του Davidson αποτέλεσε το γεγονός ότι το όχημά του τροφοδοτούνταν από στοιχεία σιδήρου-ψευδαργύρου. Ίδιου τύπου συσσωρευτές χρησιμοποίησε και στον ηλεκτροκίνητο συρμό που ο ίδιος κατασκεύασε 31 χρόνια πριν. Αυτοί οι συσσωρευτές αύξαναν πολύ το λειτουργικό κόστος και του συρμού και του αυτοκινήτου του και αποδείχθηκαν για ακόμα μία φορά ακατάλληλοι για βιομηχανική εκμετάλλευση. Παράλληλα, η εταιρία ταξί Electric Cab Company άρχισε να προσφέρει τις υπηρεσίες της στη Μ. Βρετανία χρησιμοποιώντας αυτοκίνητα 3hp με 40 κελιά έκαστο. Αυτά τα ταξί ενσωμάτωναν πολλά ενδιαφέροντα τεχνολογικά χαρακτηριστικά (σύστημα σύμπλεξης/αποσύμπλεξης, αφαιρούμενοι συσσωρευτές), αλλά δύο χρόνια αργότερα η εταιρία αναγκάστηκε να σταματήσει τη λειτουργία της για διάφορους λόγους, ένας από τους οποίους ήταν το αυξημένο βάρος των μπαταριών. Το 1899 ο Ferdinand Porsche κατασκεύασε το πρώτο ηλεκτρικό αυτοκίνητο στη Γερμανία. Ο Porsche πρωτοπόρησε ενσωματώνοντας το κέλυφος του κινητήρα στον τροχό (in wheel hub motor) και ένα χρόνο αργότερα παρουσίασε ένα καινοτόμο ηλεκτρικό όχημα που είχε και σε όλους τους τροχούς ηλεκτρικό κινητήρα. Η κατασκευή του κινητήρα στον τροχό αποτελεί μέχρι σήμερα μία από τις πιο εντυπωσιακές κατασκευές ηλεκτροκινητήρα για -8-

25 Κεφάλαιο 1 ο χρήση σε οχήματα. Και η φιλοσοφία ένταξης όλο και περισσότερων συστημάτων στον τροχό έχει δημιουργήσει ένα μεγάλο πεδίο έρευνας. Σχήμα 1.4: Το Coupe του Porsche [1]. Το 1900 παρουσιάστηκε στις Ηνωμένες Πολιτείες το Waverlay. Το ηλεκτροκίνητο αυτό όχημα μπορούσε να πραγματοποιήσει ανάκτηση ενέργειας με δύο τρόπους. Πρώτον, όταν ο οδηγός χρησιμοποιούσε το φρένο οι μπαταρίες φορτίζονταν καθώς ο κινητήρας συμμετείχε στην πέδηση. Δεύτερον, εάν το όχημα βρισκόταν σε κατωφέρεια και ο κινητήρας αποκτούσε τέτοια ταχύτητα ώστε να παράξει περισσότερο από 80V, που ήταν η τάση των συσσωρευτών, οι συσσωρευτές φορτίζονταν. Έτσι, ισχυρίστηκε ο εφευρέτης του, ότι μπορούσε να αυξηθεί η απόσταση που μπορούσε να καλυφθεί από το όχημα κατά 20%-40%. Αργότερα, το 1908, ο εφευρέτης του Waverlay προχώρησε σε συγχώνευση της εταιρίας του με την American Electric Vehicle Company. Η εταιρία μετονομάστηκε αργότερα σε Pope-Waverlay και πουλήθηκε σε ένα γκρουπ οικονομικά ισχυρών, που την μετονόμασαν σε Waverlay και μετέτρεψε το σχέδιο του οχήματος σε εμπρόσθια βενζινοκίνητο. Σχήμα 1.5: Το όχημα Pope- Waverlay [1]. -9-

26 Κεφάλαιο 1 ο Καθώς άνθιζε η ηλεκτροκίνηση στις Η.Π.Α., γινόταν προσπάθεια να μειωθούν τα αρνητικά στοιχεία της όσον αφορά στις ιδιωτικές μεταφορές. Αυτά έκαναν πιο αισθητή την παρουσία τους κατά τη διοργάνωση αγώνων αυτοκινήτων, όπου μόνο λίγα ηλεκτροκίνητα συμμετείχαν λόγω μειωμένης ικανότητας για αποθήκευση ενέργειας στους συσσωρευτές. Για το λόγο αυτό μία εξέχουσα εταιρία ηλεκτρισμού, για προώθηση της ηλεκτροκίνησης, τελειοποίησε ένα σύστημα φόρτισης των αυτοκινήτων. Το σύστημα ήταν πολύ απλό για τον χρήστη και είχε διάφορα όργανα όπως βολτόμετρο, αμπερόμετρο και μετρητή ενέργειας (Wh). Η πληρωμή του αντιτίμου γινόταν μέσω ενός κερματοδέκτη και μεταβαλλόταν ανάλογα με τη χρήση. Πιο συχνή χρήση οδηγούσε σε οικονομικότερες τιμές, ενώ διαφοροποίηση στο κόστος υπήρχε αν η φόρτιση γινόταν κατά τη διάρκεια της νύκτας αντί τη μέρα. Την πρώτη δεκαετία του 20ου αιώνα τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα κατείχαν μεγάλο μερίδιο στην αγορά των Η.Π.Α.. Πιο συγκεκριμένα, το 38% των αυτοκινήτων ήταν ηλεκτρικά, το 40% ατμοκίνητα και μόνο 22% εξ αυτών χρησιμοποιούσαν κινητήρα εσωτερικής καύσης. Αυτά τα είδη των αυτοκινήτων ανταγωνίζονταν ποιό θα κυριαρχήσει διότι, ενώ το καθένα είχε τα δικά του πλεονεκτήματα, υπήρχαν και σημαντικά μειονεκτήματα. Πιο συγκεκριμένα, τα ατμοκίνητα, ενώ είχαν μεγάλη ισχύ, είχαν μεγάλο χρόνο εκκίνησης (25-45 ), απαιτούσαν νερό για τη λειτουργία τους και μπορούσαν να τα χειριστούν μόνο έμπειροι και επιδέξιοι οδηγοί. Τα βενζινοκίνητα ήταν θορυβώδη, δύσοσμα, αναξιόπιστα, δεν είχαν σταθερή λειτουργία, η λειτουργία του κινητήρα εσωτερικής καύσης προκαλούσε έντονους κραδασμούς, είχαν δύσκολο στη χρήση κιβώτιο ταχυτήτων και μεταξύ των άλλων ήταν επικίνδυνα στην εκκίνηση του κινητήρα μέσω της μανιβέλας. Σε αντίθεση με όλα αυτά τα ηλεκτροκίνητα ήταν σχεδόν αθόρυβα, δεν εξέπεμπαν δύσοσμα καυσαέρια, ήταν αξιόπιστα, εύκολα στην οδήγηση και εύκολα στην εκκίνηση. Βέβαια τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα ήταν πιο ακριβά από τους ανταγωνιστές τους, δεν κατάφερναν τις ίδιες ταχύτητες επετύγχαναν ταχύτητα 24 έως 32km/h- και μπορούσαν να διανύσουν μόνο 30km έως 60km σε σύγκριση με ένα βενζινοκίνητο Model T, που είχε μέγιστη ταχύτητα 80km/h και δυνατότητα με γεμάτο ντεπόζιτο να διανύσει περίπου 250km. Η χρήση βέβαια των ηλεκτρικών οχημάτων έγινε οικονομικότερη με τη διάθεση στην αγορά του επαναφορτιζόμενου συσσωρευτή που επιτάχυνε και διευκόλυνε τη φόρτιση. -10-

27 Κεφάλαιο 1 ο Εκείνη την εποχή το οδικό δίκτυο εκτός πόλεων ήταν σε κακή κατάσταση και πολλές φορές ανύπαρκτο, περιορίζοντας έτσι τη χρήση των αυτοκινήτων μόνο εντός πόλης. Στην Ευρώπη η αυτοκίνηση άνθισε περί τα μέσα του 19ου αιώνα ενώ στις Η.Π.Α. 20 χρόνια αργότερα. Τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα απευθύνονταν στους εύπορους καθώς κόστιζαν υπερδιπλάσια απ ότι ένα βενζινοκίνητο Ford Model T. Ενδεικτικά τα ηλεκτροκίνητα όταν άγγιξαν την μέγιστη παραγωγή κόστιζαν τότε $1750-$3000 τη στιγμή που το Model T κόστιζε μόνο $650. Η βελτίωση όμως του υπεραστικού οδικού δικτύου περί το 1920 αύξησε τη ζήτηση του αγοραστικού κοινού για οχήματα που είχαν δυνατότητα να διανύσουν μεγάλες αποστάσεις. Ταυτόχρονα σε διάφορες πόλεις των Η.Π.Α. ανακαλύφθηκαν μεγάλα κοιτάσματα ορυκτών καυσίμων μειώνοντας κι άλλο τις τιμές των καυσίμων. Η ηλεκτροκίνηση στις ιδιωτικές μεταφορές δέχθηκε κι άλλες πιέσεις. Το 1896 ο Benz προσάρμοσε ηλεκτρικό κινητήρα στο σφόνδυλο του κινητήρα εσωτερικής καύσης για την εκκίνησή του στην Αγγλία. Αργότερα το 1912 ο Charles Kettering παρουσίασε τον ηλεκτρικό εκκινητή για κινητήρες εσωτερικής καύσης, διευκολύνοντας ακόμη περισσότερο τη χρήση τους. Ο Henry Ford την πρώτη δεκαετία του 20ου αιώνα εισήγαγε και εξέλιξε την γραμμή παραγωγής στις βιομηχανίες, οδηγώντας στην ραγδαία μείωση του κόστους αγοράς βενζινοκίνητων οχημάτων. Με τη γραμμή παραγωγής όχι μόνο μειώθηκε το κόστος κατασκευής μονάδος, άρα και το κόστος αγοράς, αλλά αύξησε και την αξιοπιστία των αυτοκινήτων αυτών. Μετά το 1920 τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα σταμάτησαν να εξελίσσονται, μειώθηκε η παραγωγή τους και με τον καιρό έφυγαν από το προσκήνιο. Το τελειωτικό χτύπημα δόθηκε με το οικονομικό κραχ των Η.Π.Α., το 1929, κατά τη διάρκεια του οποίου κατέρρευσαν πολλές εταιρίες Περίοδος 1990-σήμερα Το 90 η Ford ανέπτυξε το Ecostar, ένα επαγγελματικό όχημα με ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά. H μέγιστη ταχύτητά του ήταν τα 120km/h και είχε αυτονομία περίπου 145km. Η εταιρία υποστήριξε ότι εάν ο οδηγός διατηρούσε ταχύτητα 40km/h, η αυτονομία άγγιζε την αστρονομική για την περίοδο εκείνη αυτονομία 320km. Διέθετε σύστημα ανάκτησης ενέργειας κατά τη διάρκεια ελεύθερης επιβράδυνσης και της πέδησης. Ακόμη ανέπτυξε το Th!nk City στη Νορβηγία. Το Th!nk είναι ένα αυτοκίνητο 2 όγκων για χρήση -11-

28 Κεφάλαιο 1 ο εντός πόλης με χαμηλές επιδόσεις αλλά αξιοπρόσεκτη αυτονομία 85km. Η Ford άρχισε από το 2004 να πειραματίζεται με κυψέλες καυσίμου κατασκευάζοντας το Escape. Σχήμα 1.6: Αριστερά: Ford Ecostar, Δεξιά: Th!nkCity [1]. Σημαντικό ρόλο στην κατασκευή και ανάπτυξη των ηλεκτρικών οχημάτων διατέλεσε η αμερικάνικη General Motors. Το Impact ήταν ένα πρωτότυπο που κατασκευάστηκε το 1990 και ήταν πρόγονος του περίφημου EV1. Το Impact επιτάχυνε στα 100km/h μέσα σε 8 δευτερόλεπτα, είχε αυτονομία 160km και με κατάλληλη οδήγηση μπορούσε να αγγίξει τα 200km με μία μόνο φόρτιση. Το μειονέκτημά του ήταν ότι οι μπαταρίες του είχαν διάρκεια ζωής μόνο km και για να τις αντικαταστήσει ο χρήστης επιβαρυνόταν με $1500. Αργότερα, το 1996, η GM παρουσίασε επίσημα το EV1. Το αυτοκίνητο αυτό ενσωμάτωνε πληθώρα πρωτοποριακών εφαρμογών. Ο σχεδιασμός του είχε στόχο να μειώσει την κατανάλωση σε ηλεκτρική ενέργεια, μέσω της μείωσης του συνολικού βάρους και της αεροδυναμικής αντίστασης. Χρησιμοποιήθηκαν πολυμερή μέρη για το αμάξωμα, κοίλα γυάλινα τμήματα και έγινε εκτεταμένη χρήση αλουμινίου. Γενικά, το EV1 εκμεταλλεύτηκε τις εφαρμογές που έγιναν στο Impact και το Ultralite. Το Ultralite, όπως μαρτυρά και το όνομά του, ήταν ένα πειραματικό αυτοκίνητο, που ανέπτυξε η GM και παρουσίασε το 1992, με κύριο χαρακτηριστικό την εξοικονόμηση ενέργειας. Πιο συγκεκριμένα, ο 3κύλινδρος δίχρονος βενζινοκινητήρας κατανάλωνε 2,7L/100km εάν η ταχύτητα συντηρούνταν στα 80km/h και το αμάξωμά του ήταν εξ ολοκλήρου από ανθρακόνημα. Η φόρτιση του EV1 γινόταν μέσω μαγνητικής ζεύξης (Magne-Charge) και μπορούσε να πραγματοποιηθεί ακόμα και κατά τη διάρκεια βροχής απροβλημάτιστα. Το σύστημα φόρτισης ήταν το μόνο που είχε λάβει πιστοποίηση από το Underwriters Laboratory. -12-

29 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.7: Διαδικασία φόρτισης του EV1 μέσω του συστήματος Magne-Charge [1]. Η GM προχώρησε και στην ολοκλήρωση και άλλων ηλεκτροκίνητων project. Ένα Ford Ranger της δεκαετίας του 90, μετετράπη από τη Ford σε ηλεκτροκίνητο. Είχε αυτονομία 100km και μπορούσε να αναπτύξει ταχύτητα έως 120km/h. Έθεσε στη γραμμή παραγωγής ένα ημιφορτηγό Chevrolet S-10. Η Chrysler παρουσίασε επίσης το mnivan EPIC το 2009 για χρήση στις υπηρεσίες ταχυδρομείου των Η.Π.Α.. Μεταξύ των άλλων η GM πειραματίστηκε και με κυψέλες καυσίμου. Τον Ιούλιο του 2000 παρουσίασε το HydroGen1. Μια εξέλιξη αυτού, το HydroGen3 (σχήμα 1.24), δόθηκε στη FedEX για πειραματική χρήση το Το HydroGen4 (Σχήμα 1.8), έχει ηλεκτροκινητήρα ισχύος 73kW που τροφοδοτείται από μία κυψέλη καυσίμου 440 βαθμίδων. Σχήμα 1.8: HydroGen4 [1]. Από τις αρχές του 21ου αιώνα τα κράτη ενθάρρυναν και υποστήριξαν τις έρευνας γύρω από το ηλεκτρικό αυτοκίνητο και γενικότερα τις εναλλακτικές μορφές ενέργειας. Άρχισαν -13-

30 Κεφάλαιο 1 ο επίσης να εμφανίζονται νέα, πιο εξελιγμένα πειραματικά ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα αλλά και εταιρίες που προσφέρουν αμιγώς ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα. Το Ford Fusion 999 στις 15 Αυγούστου 2007 σημείωσε ρεκόρ ως το πιο γρήγορο ηλεκτροκίνητο όχημα που τροφοδοτείται από κυψέλη καυσίμου. Άγγιξε τα 335km/h και αντλούσε την ενέργειά του από μία 400W κυψέλη υδρογόνου της Ballard Power Systems. Η Ford πειραματίζεται με ένα άλλο πειραματικό όχημα, το Αirstream, που θα εφαρμόζει υβριδική τεχνολογία για την τροφοδοσία του. Υπολογίζεται ότι έχει αυτονομία 40km αντλώντας αποθηκευμένη ενέργεια από τους συσσωρευτές του ενώ η δεξαμενή υδρογόνου του προσφέρει ακόμα 490km. Σχήμα 1.9: Ford Fusion 999 [1]. Στις εικόνες του σχήματος 1.10 φαίνονται δύο διαφορετικές προσεγγίσεις για εφαρμογή ηλεκτροκίνησης στο BMW Mini. Στην αριστερή εικόνα παρουσιάζεται ένα από τα ηλεκτροκίνητα MiniΕ που η BMW είχε παράξει για πιλοτική χρήση ενός έτους από ανθρώπους συγκεκριμένων προφίλ ώστε να εκτεθούν οι ανάγκες για μέσα μεταφοράς. Το αυτοκίνητο αυτό έχει αυτονομία 160km, μέγιστη ταχύτητα 153km/h και η ισχύς του ανέρχεται στα 150kW. Στη δεξιά εικόνα παρουσιάζεται μια ηλεκτροκίνητη έκδοση της εταιρίας PML, η οποία παρήγε κινητήρες κατάλληλους για τοποθέτηση εντός του τροχού (direct drive). Η εντυπωσιακή αυτή μετατροπή στο τελικό πειραματικό όχημα δίνει τη δυνατότητα στο Mini να αναπτύξει ταχύτητα 150mph, η ισχύς του αγγίζει τα 640kW. Το εντυπωσιακό είναι ότι με τη βοήθεια γεννήτριας και βενζινοκινητήρα 250κ.ε. η αυτονομία του αγγίζει τα 1500km. -14-

31 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.10: Αριστερά: Mini E, Δεξιά: PML Mini QED [1]. 1.2 Πειραματικές κατασκευές ηλεκτροκίνητων οχημάτων στην Ελλάδα. Στον ελληνικό χώρο έχουν γίνει σημαντικές προσπάθειες για την ανάπτυξη πειραματικών ηλεκτροκίνητων οχημάτων κάθε είδους. Στο χωρίο αυτό, αναφέρονται οι σχετικές κατασκευές που έχουν πραγματοποιηθεί στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας (ΕΗΜΕ) του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Το ΕΗΜΕ, ασχολείται με τα ηλεκτροκίνητα οχήματα για περισσότερα από είκοσι χρόνια. Αξιοποιώντας τα αποτελέσματα της έρευνας που έχει εξάγει σχετικά με τα ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα, έχει προχωρήσει σε πειραματικές κατασκευές διαφόρων ηλεκτροκίνητων οχημάτων με αξιοσημείωτες επιδόσεις. Αρχικά αναφέρεται μία σημαντική προσπάθεια μετατροπής οχήματος σε ηλεκτροκίνητο έλαβε χώρα στο ΕΗΜΕ χρησιμοποιώντας το μοντέλο pick-up Fiorino της εταιρίας Fiat. Πιο συγκεκριμένα, το Electra (Σχήμα 1.11) έχει μέγιστη ισχύ 32kW η μέγιστη συνεχής ροπή του φτάνει τα 51Nm και η τελική του ταχύτητα είναι 100km/h. -15-

32 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.11: Το ηλεκτροκίνητο αυτοκίνητο Electra του ΕΗΜΕ [1]. Στα πλαίσια του διαγωνισμού ηλιακών οχημάτων Φαέθων 2004 το ΕΗΜΕ συμμετείχε με το ηλιακό όχημα Ερμής (Σχήμα 1.12) Σχήμα 1.12: Το πειραματικό όχημα Ερμής του ΕΗΜΕ [1]. Το υβριδικό Fiat Panda (Σχήμα 1.13) ήταν η πρώτη προσπάθεια κατασκευής υβριδικού οχήματος στο ΕΗΜΕ χρησιμοποιώντας συσσωρευτές μολύβδου-οξέως για την αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας. Ο κινητήρας εσωτερικής καύσης αναλαμβάνει να κινήσει τον εμπρός κινητήριο άξονα, ενώ ο πίσω άξονας λαμβάνει μηχανική ροπή από ένα ηλεκτροκινητήριο σύστημα ισχύος 12kW. -16-

33 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.13: Το πρώτο υβριδικό όχημα του EHME [1]. Τελευταία απόπειρα κατασκευής υβριδικού συστήματος στο ΕΗΜΕ με ανάκτηση ηλεκτρικής ενέργειας φαίνεται στην εικόνα του Σχήματος Χρησιμοποιεί έναν ηλεκτροκινητήρα ισχύος 14kW που συνδέεται παράλληλα με τον άξονα μεταφοράς της μηχανικής ροπής από το κιβώτιο ταχυτήτων στον άξονα κίνησης. Σχήμα 1.14: Το δεύτερο υβριδικό όχημα του ΕΗΜΕ [1]. Επίσης, κατασκευάστηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας (ΕΗΜΕ) ηλεκτροκίνητη βάρκα με την ονομασία Πρωτέας (Σχήμα 1.15). Η ηλεκτροκίνητη αυτή βάρκα έχει ισχύ 1,5kW και τελική ταχύτητα 3,5knots, ενώ η αυτονομία του ανέρχεται στις 2h όταν αυτή κινείται με τη μέγιστη ταχύτητά της. -17-

34 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.15: Η ηλεκτροκίνητη βάρκα Πρωτέας, λίγο πριν τη δοκιμή [1]. Το τελευταίο ηλεκτροκίνητο όχημα που κατασκευάστηκε στο ΕΗΜΕ, ήταν το 2012 ένα όχημα τύπου Buggy που μετατράπηκε από συμβατικό σε ηλεκτροκίνητο στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας των φοιτητών Δ. Βιδιαδάκη και Ν. Τσιάρα. Χρησιμοποιήθηκαν δύο ηλεκτροκινητήρες μόνιμου μαγνήτη, ισχύος 5kW έκαστος, τοποθετημένοι στον οπίσθιο άξονα και ο έλεγχός τους πραγματοποιήθηκε μέσω ηλεκτρονικού διαφορικού. Το όχημα αυτό αποτελεί το αντικείμενο μελέτης της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Σχήμα 1.16: Το Buggy του ΕΗΜΕ. Στα πλαίσια των διαγωνισμών Formula Student, Formula Student Germany και Formula SAE, το Εργαστήριο Συστημάτων Παραγωγής και Αυτοματισμού του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών και Αεροναυπηγών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου -18-

35 Κεφάλαιο 1 ο Πατρών έχει κατασκευάσει ένα ηλεκτροκίνητο αγωνιστικό αυτοκίνητο με έναν ηλεκτροκινητήρα ισχύος 85kW [2]. Σχήμα 1.17: Η ηλεκτροκίνητη φόρμουλα του Εργαστηρίου Συστημάτων Παραγωγής και Αυτοματισμού του Πανεπιστημίου Πατρών [2]. 1.3 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης ηλεκτροκίνητων αυτοκινήτων. Η αλόγιστη κατανάλωση την υδρογονανθράκων και o κίνδυνος της εξάντλησής τους μέσα στα επόμενα πενήντα χρόνια έχει τοποθετήσει την αναζήτηση για εναλλακτικές πηγές ενέργειας ως ένα από τα πιο φλέγοντα ζητήματα της εποχής μας. Επομένως, η κατάσταση στην αυτοκίνηση δεν θα μπορούσε να μείνει ως έχει. Τα τελευταία χρόνια τα ηλεκτροκίνητα οχήματα έρχονται στο προσκήνιο με νέα μοντέλα να παρουσιάζονται από την αυτοκινητοβιομηχανία και αποτελέσματα επιστημονικής έρευνας να εξάγονται συνεχώς από τα περισσότερα πανεπιστήμια του κόσμου. Οι λόγοι που καθιστούν τα ηλεκτροκίνητα οχήματα τόσο δημοφιλή ποικίλουν, με πιο σημαντικούς το ζήτημα της εξοικονόμησης ενέργειας και διατήρησης του περιβάλλοντος. Η χρήση ηλεκτροκίνητων οχημάτων παρουσιάζει πολλά οφέλη. Αρχικά, οι ηλεκτροκινητήρες παρουσιάζουν υψηλό βαθμό απόδοσης που μπορεί να πλησιάσει το 90%, σε αντίθεση με τους συμβατικούς κινητήρες που δεν ξεπερνούν το 30% για βενζινοκινητήρες, και το 50%, για κινητήρες πετρελαίου [3], [4]. Επιπλέον, οι ηλεκτροκινητήρες προσδίδουν αυξημένες δυνατότητες αυτόματου ελέγχου μέσω μετρήσεων που πραγματοποιούνται στα ηλεκτρικά και μηχανικά τους μεγέθη. Τέτοια δυνατότητα δεν παρέχεται από ένα κινητήρα εσωτερικής καύσης του οποίου η συμπεριφορά ελέγχεται μόνο μέσω της ποσότητας του καυσίμου που εισάγεται στο θάλαμο καύσης. Επίσης μια ηλεκτρική μηχανή, μπορεί να λειτουργήσει και ως κινητήρας και ως γεννήτρια. Αυτό το χαρακτηριστικό αξιοποιείται από τα ηλεκτροκίνητα οχήματα για ανάκτηση -19-

36 Κεφάλαιο 1 ο ενέργειας. Κατά την πέδηση ή την κίνηση σε κατηφόρα, μπορεί να επιστραφεί ενέργεια προς το σύστημα των συσσωρευτών, ώστε να μην χάνεται ένα μεγάλο τμήμα της κινητικής ενέργειας του οχήματος σε μορφή θερμότητας στα φρένα. Η παραπάνω λειτουργία δεν καταργεί την ύπαρξη του μηχανικού φρένου γιατί τα ποσά ενέργειας κατά την πέδηση του οχήματος είναι πολύ μεγάλα, γεγονός που μεταφράζεται σε μεγάλο ρεύμα για τους συσσωρευτές που αδυνατούν να απορροφήσουν. Έτσι, το ηλεκτρικό φρένο λειτουργεί συμπληρωματικά για ήπιες πεδήσεις, ενώ τεχνολογίες που εκμεταλλεύονται σφονδύλους και υπερπυκνωτές εισάγονται για να είναι δυνατή η επιστροφή μεγαλύτερων ποσών ενέργειας. Ακόμα και σε περίπτωση ατυχήματος, τα ηλεκτροκίνητα οχήματα είναι ασφαλέστερα από τα συμβατικά γιατί οι νέες τεχνολογίες συσσωρευτών επιτρέπουν την ομαλή καύση του ηλεκτρολύτη σε περίπτωση πυρκαγιάς, χωρίς να υπάρχει ο κίνδυνος έκρηξης που υφίστανται σε ένα βενζινοκίνητο όχημα. Επιπρόσθετα, οι ηλεκτροκινητήρες έχουν σχετικά μικρό όγκο και βάρος, με αποτέλεσμα να μπορούν να τοποθετηθούν περισσότεροι του ενός σε ένα όχημα. Με αυτό τον τρόπο καταργείται η ανάγκη ύπαρξης του μηχανικού διαφορικού, η λειτουργία του οποίου μπορεί να πραγματοποιηθεί ηλεκτρονικά. Επίσης, ένας ηλεκτροκινητήρας παράγει υψηλή ροπή σε όλο το φάσμα στροφών, με αποτέλεσμα να μην απαιτείται πια το κιβώτιο ταχυτήτων. Η κατάργηση των δύο παραπάνω μηχανισμών βελτιώνει το βαθμό απόδοσης και το βάρος του οχήματος, με αποτέλεσμα ακόμα μεγαλύτερη εξοικονόμηση ενέργειας. Επίσης, διευκολύνεται ο οδηγός γιατί μαζί με το κιβώτιο ταχυτήτων καταργείται και το πεντάλ του συμπλέκτη κάνοντας την οδήγηση πιο ευχάριστη. Άλλο πλεονέκτημα των ηλεκτροκίνητων αυτοκινήτων έναντι των συμβατικών είναι η άμεση ετοιμότητα για οδήγηση. Οι κινητήρες των συμβατικών αυτοκινήτων, για να αποδώσουν το μέγιστο των δυνατοτήτων τους πρέπει να φτάσουν σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, μέχρι την οποία εμφανίζουν χαμηλή απόδοση και αυξημένη κατανάλωση. Για αυτό το λόγο δεν ενδείκνυται η χρήση τους για συχνές και μικρές μετακινήσεις. Επιπλέον, στα ηλεκτροκίνητα οχήματα καταργείται ο μηχανισμός της μίζας που αποτελείται από ένα βοηθητικό ηλεκτροκινητήρα και αναλαμβάνει να δώσει τις πρώτες στροφές λειτουργίας στον κινητήρα εσωτερικής καύσης μέχρι η καύση να γίνει αυτοσυντηρούμενη. Έτσι, ενισχύεται η απλότητα του οχήματος, αφού ο οδηγός χρειάζεται μόνο να ενεργοποιήσει ένα διακόπτη για να μπορέσει να οδηγήσει. Επίσης, η λειτουργία ενός -20-

37 Κεφάλαιο 1 ο ηλεκτροκίνητου οχήματος είναι αθόρυβη μειώνοντας έτσι το πρόβλημα της ηχορύπανσης που συναντάται στις σύγχρονες μεγαλουπόλεις. Επιστρέφοντας στο ζήτημα της διατήρησης του περιβάλλοντος, στα ηλεκτροκίνητα οχήματα είναι λιγοστή η χρήση λιπαντικών που περιέχουν ρυπογόνα στοιχεία, αφού ο ηλεκτροκινητήρας και το σύστημα μετάδοσης απαιτούν ελάχιστη λίπανση. Κατά τη λειτουργία τους οι εκπομπές ρύπων είναι μηδενικές και δεν συντελούν πηγή μόλυνσης για το περιβάλλον. Επιπλέον, καταργείται και η χρήση του ακριβού καταλύτη. Το επιχείρημα αυτό θα μπορούσε να αντικρουστεί από τους θιασώτες των συμβατικών οχημάτων, λέγοντας ότι η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται από ρυπογόνα εργοστάσια με αποτέλεσμα το όφελος για το περιβάλλον να είναι αμελητέο. Πράγματι, με τη χρήση των ηλεκτροκίνητων οχημάτων οι ρύποι μεταφέρονται στα σημεία παραγωγής ενέργειας. Όμως, ένα ηλεκτροκίνητο, απαιτεί σημαντικά μικρότερη ποσότητα ενέργειας από ένα συμβατικό ομοίου μεγέθους, λόγω του υψηλού βαθμού απόδοσης του συστήματος και της ελάχιστης κατανάλωσης ενέργειας σε συνθήκες πόλης, με πολύ χρόνο αναμονής σε συνωστισμό και διαδοχικές εκκινήσεις και στάσεις. Επιπλέον, η έκλυση βλαβερών ρύπων προς το περιβάλλον, μπορεί να ελεγχθεί πιο εύκολα όταν είναι συγκεντρωμένη σε ένα εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, παρά όταν είναι απλωμένη στις τεράστιες εκτάσεις των μεγαλουπόλεων. Επίσης, στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας εφαρμόζονται συνεχώς νέες τεχνολογίες φιλικές προς το περιβάλλον. Ιδιαίτερα, με την ένταξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο ηλεκτρικό δίκτυο παράγονται σημαντικά ποσά ενέργειας με μηδενική ρύπανση του περιβάλλοντος. Ένα τελευταίο πλεονέκτημα των ηλεκτροκίνητων οχημάτων, είναι ότι μπορούν να λειτουργήσουν ως πηγές ηλεκτρικής ενέργειας και να εξυπηρετήσουν φορτία αιχμής. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί όταν βρίσκονται σε σταθμούς φόρτισης με χρήση των συσσωρευτών τους ως πηγές. Έπειτα κάποια άλλη χρονική στιγμή, η ενέργεια που δάνεισαν θα τους επιστραφεί. Το παραπάνω, δεν έχει εφαρμοστεί ακόμα στην πράξη, παραμένοντας ιδέα που απαιτεί προηγμένες τεχνικές ελέγχου και κεντρικό σχεδιασμό του ηλεκτρικού δικτύου με τους σταθμούς φόρτισης. Το μεγάλο, όμως, μειονέκτημα των ηλεκτροκίνητων οχημάτων αποτελεί η αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας. Ακόμα και μετά από τόσα χρόνια έρευνας, δεν έχει προταθεί ένας αποτελεσματικός τρόπος αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας, χαρακτηριστικό που κάνει τα συμβατικά οχήματα να υπερτερούν. Οι υδρογονάνθρακες των συμβατικών οχημάτων -21-

38 Κεφάλαιο 1 ο έχουν σημαντικά υψηλότερη πυκνότητα ενέργειας από κάθε είδους συσσωρευτές. Βέβαια, όσον αφορά τους συσσωρευτές, τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει βήματα για την αύξηση της πυκνότητας ενέργειας που μπορούν να αποθηκεύσουν καθώς και των κύκλων φόρτισης. Οι νέοι συσσωρευτές υψηλής πυκνότητας ενέργειας χρησιμοποιούν ηλεκτρολύτη από ιόντα λιθίου και πολυμερή ενώ επιτρέπουν πάνω από χίλιους κύκλους φόρτισης. Το λίθιο έχει υψηλή προτίμηση ως ηλεκτρολύτης συσσωρευτών γιατί οι συσσωρευτές που το χρησιμοποιούν είναι ελαφροί, έχουν υψηλή πυκνότητα αποθήκευσης ενέργειας, μπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορα σχήματα, επιτρέπουν υψηλές τάσεις κελιού, δεν παρουσιάζουν φαινόμενα μνήμης και παρουσιάζουν μικρό ποσοστό αυτοεκφόρτισης. Οι λίγοι κύκλοι φόρτισης των παλαιότερων τεχνολογιών ήταν ανασταλτικός παράγοντας για τη χρήση των ηλεκτροκίνητων οχημάτων αφού το κόστος αλλαγής των συσσωρευτών αποτελεί ένα μεγάλο ποσοστό του συνολικού κόστους του οχήματος. Ένας άλλος τρόπος αποθήκευσης ενέργειας που χρησιμοποιείται στα ηλεκτροκίνητα οχήματα είναι τα κελιά καυσίμου. Τα κελιά καυσίμου δεν αποτελούν μέσα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά συστήματα μετατροπής της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική μέσω μιας διαδικασίας που είναι αντίστροφη της ηλεκτρόλυσης. Δέχονται ως αντιδρώντα το υδρογόνο και το οξυγόνο και εφαρμόζουν δύο κύριες μεθόδους για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η πρώτη μέθοδος χρησιμοποιεί ως ηλεκτρολύτη μια μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων που επιτρέπει μόνο σε ιονισμένα άτομα υδρογόνου να διέλθουν από μέσα της. Ενώ η δεύτερη μέθοδος, χρησιμοποιεί αλκαλικό ηλεκτρολύτη που επιτρέπει μόνο σε ιόντα υδροξυλίου να διέλθουν από μέσα του. Η συνολική αντίδραση που πραγματοποιείται και στις δύο μεθόδους είναι η 2Η 2 + Ο 2 + 4e 2H 2 O + 4e, με τις επιμέρους αντιδράσεις να διαφέρουν μεταξύ των μεθόδων. Το υδρογόνο των κελιών καυσίμου, αν και έχει υψηλή πυκνότητα ενέργειας, είναι ακριβό στην παραγωγή και η τοποθέτησή του στο όχημα είναι εγκυμονεί κίνδυνο σε περίπτωση ατυχήματος. Επιπλέον, ο μεγάλος όγκος και το υψηλό κόστος των κελιών καυσίμου καθιστούν τη χρήση τους σε καθημερινά οχήματα απαγορευτική. Όμως, έχουν κατασκευαστεί κάποιες εκδόσεις λεωφορείων που χρησιμοποιούν για την κίνησή τους κελιά καυσίμου και το κόστος της εγκατάστασης της τεχνολογίας αυτής αντισταθμίζεται από το χαμηλό κόστος λειτουργίας του οχήματος. Στον Πίνακα 1.1, δίνονται στοιχεία σχετικά με την πυκνότητα ενέργειας ορισμένων μέσων αποθήκευσης ενέργειας που συναντώνται σε οχήματα -22-

39 Κεφάλαιο 1 ο Πίνακας 1.1: Πυκνότητα ενέργειας μέσων αποθήκευσης ενέργειας [1]. Επιλέγοντας λοιπόν την τεχνολογία των συσσωρευτών ως επικρατέστερη για την αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας, η χρήση των ηλεκτροκίνητων οχημάτων συναντά άλλο ένα μεγάλο εμπόδιο. Το ζήτημα της φόρτισης είναι ένα σοβαρό μειονέκτημα που αποτελεί τροχοπέδη για την γενίκευση της χρήσης των ηλεκτροκίνητων οχημάτων. Ένα σύστημα συσσωρευτών ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος απαιτεί από δύο έως οκτώ ώρες για την πλήρη φόρτιση. Ο χρόνος αυτός σε σύγκριση με το χρόνο των πέντε περίπου λεπτών που απαιτείται σε ένα πρατήριο υγρών καυσίμων για τον ανεφοδιασμό ενός συμβατικού οχήματος είναι πολύ μεγάλος. Όμως, οι έρευνες έχουν δείξει ότι ένα όχημα περνά το μεγαλύτερο μέρος της ημέρας σταθμευμένο. Επομένως, ο κατάλληλος σχεδιασμός των χώρων στάθμευσης με κατάλληλους φορτιστές μπορεί να βελτιώσει το προαναφερθέν πρόβλημα. Επιπλέον, έχουν σχεδιαστεί και ειδικοί οικιακοί φορτιστές ώστε το όχημα να είναι πάντα σε ετοιμότητα για χρήση. Επίσης, σε περίπτωση μεγάλου ταξιδιού, όπου ο οδηγός δεν έχει τη δυνατότητα να σταματήσει για τόσο πολύ χρόνο, έχουν σχεδιαστεί ειδικοί ταχυφορτιστές που μπορούν να φορτίσουν το σύστημα των συσσωρευτών στο 80% της χωρητικότητάς του σε χρόνο τριάντα λεπτών. Ο χρόνος αυτός είναι κοντά στο χρόνο διαλείμματος που πραγματοποιεί συνήθως ένας οδηγός κατά τη διάρκεια ενός μεγάλου ταξιδιού. Συνοψίζοντας το κεφάλαιο αυτό, βλέπουμε ότι η τεχνολογία των ηλεκτροκίνητων οχημάτων είναι πολλά υποσχόμενη για μετακινήσεις φθηνές και φιλικές προς το περιβάλλον. Εκτός από τα πολλά πλεονεκτήματα, δεν παύει να παρουσιάζει μειονεκτήματα τα οποία αποτελούν σημαντικά πεδία έρευνας για τους επιστήμονες. Τα μειονεκτήματα αυτά δεν ήταν -23-

40 Κεφάλαιο 1 ο ο κύριος λόγος της καθυστέρησης των ηλεκτροκίνητων οχημάτων. Τα μεγάλα συμφέροντα του πετρελαίου έχουν καθυστερήσει την ευρεία χρήση τους, βάζοντας εμπόδια στην εξέλιξή τους. Δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι δεν είναι μια τεχνολογία του μέλλοντος, αλλά αρκετά παλιά τεχνολογία που μέχρι σήμερα προχωρούσε με αργούς ρυθμούς. Μόνο τα τελευταία χρόνια που η περιβαλλοντική καταστροφή έχει φτάσει σε επικίνδυνα πλαίσια, το διεθνές ενδιαφέρον στρέφεται σε τεχνολογίες καθαρές για το περιβάλλον. Όπως και οι υπόλοιπες τεχνολογίες, αν χρησιμοποιηθεί με γνώμονα την κάλυψη των καθημερινών αναγκών της κοινωνίας θα μπορέσει να προσφέρει πραγματικό όφελος προσδίδοντας φθηνές και αποδοτικές μετακινήσεις. -24-

41 Κεφάλαιο 2 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΔΙΑΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ 2.1 Μηχανικό διαφορικό σύστημα μετάδοσης Το διαφορικό είναι τμήμα της συνδεσμολογίας που περιλαμβάνει το διαφορικό, το ημιαξόνιο, τους κινητήριους τροχούς και τα ρουλεμάν. Αποτελείται από ένα σύστημα γραναζιών, τοποθετημένα έτσι, ώστε να συνδέει τον άξονα μετάδοσης με τα ημιαξόνια. Ο σκοπός του είναι η παροχή της σχετικής ταχύτητας στους τροχούς κατά τη διάρκεια της στροφής Ανάγκη ύπαρξης του μηχανικού διαφορικού Στα συμβατικά οχήματα τα οποία χρησιμοποιούν περισσότερους από δύο τροχούς για την κίνησή τους, είναι απαραίτητη η ύπαρξη μηχανικού διαφορικού το οποίο επιτελεί δύο σημαντικές λειτουργίες. Η πρώτη λειτουργία του μηχανικού διαφορικού είναι η μετάδοση της ισχύος με κατάλληλο τρόπο, από τον κινητήρα στους κινητήριους τροχούς. Η μηχανική ισχύς παράγεται στον κινητήρα του οχήματος και απαιτεί ένα πολύπλοκο σύστημα μετάδοσης ώστε να καταλήξει στους κινητήριους τροχούς. Η ανάγκη ύπαρξης του συστήματος μετάδοσης έγκειται στο γεγονός ότι ένας συμβατικός κινητήρας εσωτερικής καύσης αποδίδει υψηλή ροπή μόνο σε ένα στενό φάσμα στροφών. Στο Σχήμα 2.1 παρουσιάζεται μια τυπική καμπύλη ροπής- στροφών καθώς και μια τυπική καμπύλη ισχύος- στροφών για ένα συμβατικό κινητήρα εσωτερικής καύσης (ΚΕΣ).Η μηχανική ισχύς του κινητήρα δίνεται από τη σχέση: P mmmh = M Ω Όπου P mech, Μ, Ω είναι η μηχανική ισχύς στον άξονα του κινητήρα, η προσφερόμενη ροπή και οι στροφές λειτουργίας αντίστοιχα. Επομένως, τα υποσυστήματα του συστήματος μετάδοσης αναλαμβάνουν να μειώσουν τις στροφές με αποτέλεσμα να αυξηθεί η ροπή για δεδομένη ισχύ. Το σύστημα μετάδοσης περιλαμβάνει δύο συστήματα με γρανάζια για το σκοπό αυτό, το κιβώτιο ταχυτήτων και το διαφορικό. Το κιβώτιο ταχυτήτων αναλαμβάνει να διατηρήσει τις στροφές του κινητήρα στο εύρος εκείνο που αποδίδει υψηλότερη ροπή, ενώ το διαφορικό αποτελεί την τελευταία σχέση μετάδοσης. -25-

42 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.1: Τυπική καμπύλη ροπής- στροφών και ισχύος- στροφών για ένα συμβατικό κινητήρα εσωτερικής καύσης [5]. Στο παραπάνω σχήμα βλέπουμε ότι ο ενδεικτικός ΚΕΣ αποδίδει μέγιστη ροπή μεταξύ των στροφών rpm. Επομένως, είναι απαραίτητο σύστημα μεταβλητών σχέσεων ώστε να διατηρούνται οι στροφές του ΚΕΣ σε αυτό το εύρος ανεξάρτητα από την ταχύτητα του οχήματος. Επιπλέον, ο ΚΕΣ αποδίδει πολύ μικρή ροπή κατά την εκκίνηση, επομένως χρειάζεται σύστημα συμπλέκτη ώστε να επιταχυνθεί εν κενώ ο κινητήρας μέχρι τον αριθμό στροφών που αποδίδει ωφέλιμη για την κίνηση ροπή, και έπειτα να συνδεθεί με τους τροχούς ώστε να κινηθεί το όχημα. Στη συνέχεια, στο Σχήμα 2.2 παρουσιάζεται η δομή του συστήματος μετάδοσης ενός συμβατικού οπισθιοκίνητου αυτοκινήτου. -26-

43 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.2: Δομή του συστήματος μετάδοσης ενός συμβατικού οπισθιοκίνητου αυτοκινήτου [6]. Η σημαντικότερη λειτουργία του μηχανικού διαφορικού είναι ότι επιτρέπει στους κινητήριους τροχούς να κινούνται με διαφορετική ταχύτητα. Κατά τη στροφή, οι τροχοί του οχήματος διανύουν διαφορετικές τροχιές με αποτέλεσμα να μην έχουν την ίδια γωνιακή ταχύτητα. Οι μη κινητήριοι τροχοί δεν έχουν μηχανική σύνδεση ούτε μεταξύ τους ούτε με το κινητήριο σύστημα με αποτέλεσμα να περιστρέφονται με διαφορετική γωνιακή ταχύτητα κατά τη στροφή, λόγω των διαφορετικών δυνάμεων που δέχονται από το οδόστρωμα. Αντίθετα, οι κινητήριοι τροχοί δεν μπορούν να περιστρέφονται ελεύθερα λόγω της σύνδεσής τους με το σύστημα μετάδοσης. Επομένως, σε ένα όχημα με συζευγμένους τους κινητήριους τροχούς, ενώ το σύστημα διεύθυνσης θα προσπαθούσε να επιβάλλει τη στροφή, οι κινητήριοι τροχοί περιστρεφόμενοι με την ίδια ταχύτητα θα οδηγούσαν το όχημα σε ευθεία τροχιά. Η κατάσταση αυτή θα οδηγούσε ένα εμπροσθιοκίνητο όχημα σε υποστροφή, ενώ ένα οπισθιοκίνητο όχημα σε υπερστροφή. Οι συνθήκες αυτές είναι ιδιαίτερα επικίνδυνες για τους επιβάτες του οχήματος καθώς οδηγούν σε απώλεια του ελέγχου (Σχήμα 2.3). Επιπλέον, κατά τις συνθήκες εσφαλμένης στροφής εμφανίζονται σημαντικές φθορές στα ελαστικά και το οδόστρωμα Το διαφορικό τοποθετείται για να επιλύσει το παραπάνω πρόβλημα. Μέσω των γραναζιών που περιέχει, επιτρέπει στους κινητήριους τροχούς να περιστραφούν με -27-

44 Κεφάλαιο 2 ο διαφορετική ταχύτητα όταν αυτοί φορτίζονται με διαφορετικές δυνάμεις κατά τη διάρκεια της στροφής. Σχήμα 2.3: Υπερστροφή και υποστροφή οχήματος [7] Γεωμετρική ανάλυση στροφής- Μοντέλο Ackermann Κατά τη στροφή ενός οχήματος με αριθμό τροχών περισσότερων των δύο ακολουθείται η γεωμετρία Ackermann. Η γεωμετρία Ackermann εφευρέθηκε από το γερμανό κατασκευαστή αμαξών Georg Lankensperger το 1817 στο Μόναχο και καταχωρήθηκε ως πατέντα από τον αντιπρόσωπό του στην Αγγλία Rudolph Ackermann το Αξίζει να αναφερθεί, ότι ο Erasmus Darwin, θεωρείται από πολλούς ως ο πραγματικός εφευρέτης της γεωμετρίας που πρέπει να διέπει τη στροφή ενός οχήματος, όπως αναφέρεται και στη δημοσίευση του D. King-Hele Erasmus Darwin s improved design for steering carriages and cars. Η γεωμετρία του Ackermann, που αναφέρεται και ως True Ackermann ή Pure Ackermann, έρχεται να δώσει λύση στο πρόβλημα των διαφορετικών ταχυτήτων που χρειάζονται να έχουν οι τροχοί ενός οχήματος κατά τη διάρκεια της στροφής, με σκοπό να αποφευχθεί η ολίσθηση των τροχών. Η λύση του προβλήματος έγκειται στο γεγονός ότι οι άξονες όλων των τροχών πρέπει να βρίσκονται νοητά στις ακτίνες κύκλων, οι οποίοι έχουν κοινό κέντρο σε προκαθορισμένο σημείο του επιπέδου. Η θέση του κέντρου, καθορίζεται από τους οπίσθιους τροχούς που δεν μπορούν να στρίψουν. Επομένως, το κέντρο πρέπει να βρίσκεται στην προέκταση του άξονα των οπίσθιων τροχών (Σχήμα 2.4). Στο ίδιο σχήμα, παρατηρούμε ότι για να επιτευχθεί τομή των ακτινών στο σημείο Ο απαιτείται διαφορετική γωνία στροφής των εμπρόσθιων τροχών για δεδομένη γωνία στροφής του οχήματος. Η γωνία -28-

45 Κεφάλαιο 2 ο στροφής του οχήματος, ταυτίζεται με τη γωνία στροφής ενός νοητού κεντρικού κατευθυντήριου τροχού. Σχήμα 2.4: Γεωμετρία Ackermann σε όχημα με τέσσερις τροχούς [1]. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται οι εξισώσεις που εισάγονται από τη γεωμετρία Ackermann. Η μελέτη γίνεται ως προς το σημείο S που θεωρείται ότι βρίσκεται στο μέσο του οπίσθιου άξονα. Το σημείο αυτό εκτελεί ομαλή κυκλική κίνηση ακτίνας R γύρω από το σημείο Ο. Έστω ω η γωνιακή ταχύτητα των κυκλικών κινήσεων των τροχών γύρω από το Ο, L οχ το μήκος του οχήματος, W οχ το πλάτος του οχήματος, V οχ η γραμμική ταχύτητα του οχήματος, θ η γωνία στροφής και v εμπ,εξ, v εμπ,εσ, v οπ,εξ, v οπ,εσ οι γραμμικές ταχύτητες του εμπρόσθιου εξωτερικού, εμπρόσθιου εσωτερικού, οπίσθιου εξωτερικού και οπίσθιου εσωτερικού τροχού αντίστοιχα. Επίσης, θέτονται ως ω εμπ,εξ, ω εμπ,εσ, ω οπ,εξ, ω οπ,εσ οι γωνιακές ταχύτητες του εμπρόσθιου εξωτερικού, εμπρόσθιου εσωτερικού, οπίσθιου εξωτερικού και οπίσθιου εσωτερικού τροχού αντίστοιχα. Επομένως έχουμε για τη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής γύρω από το Ο: ω = v οο R Άρα και η γραμμική ταχύτητα των οπίσθιων υπολογίζεται, λαμβάνοντας υπόψη την ακτίνα του κύκλου που διαγράφει, ως: -29-

46 Κεφάλαιο 2 ο v οο,εε = ω R W οο 2 = V οο R R W οο 2 = V οο (1 W 2R ) v οο,εε = ω R + W οο 2 = V οο R R + W οο 2 = V οο (1 + W 2R ) Όμως, η ακτίνα R δεν είναι γνωστή, αλλά μπορεί να υπολογισθεί με τη βοήθεια των μεγεθών θ, W και L: ως: tttθ = L οο R R = L οο tttθ Άρα η γραμμική ταχύτητα κάθε τροχού προκύπτει τελικά: v οο,εε = V οο 1 W 2R = V οο 1 W 2L οο tttθ v οο,εε = V οο 1 + W 2R = V οο (1 + W 2L οο tttθ) Από τις γραμμικές ταχύτητες υπολογίζονται οι γωνιακές ταχύτητες των οπίσθιων τροχών ω οο,εε = v οο,εε r W = V οο r W 1 W 2L οο tttθ (a) ω οο,εε = v οο,εε r W = V οο 1 + W tttθ (b) r W 2L οο Όπου r w είναι η ακτίνα του κάθε τροχού. Από τις δύο παραπάνω σχέσεις, προκύπτουν οι επιθυμητές γωνιακές ταχύτητες για τη σωστή στροφή του οχήματος. Αντίστοιχη ανάλυση, για τους εμπρόσθιους τροχούς, παρουσιάζεται παρακάτω. Έστω, R εμπ,ες και R εμπ,εξ οι ακτίνες που πρέπει να διαγράφουν οι τροχιές των εμπρόσθιων τροχών. Οι ακτίνες αυτές υπολογίζονται από το πυθαγόρειο θεώρημα ως: R εεε,εε = L 2 οο + R W 2 οο 2 R εεε,εε = L 2 οο + L οο tttθ W 2 οο 2 R εεε,εε = L 2 οο + R + W 2 οο 2 R εεε,εε = L 2 οο + L οο tttθ + W 2 οο 2 Επομένως, η ταχύτητα του εμπρόσθιου εσωτερικού τροχού, υπολογίζεται ως: -30-

47 Κεφάλαιο 2 ο v εεε,εε = ω R εεε,εε v εεε,εε = V οχ R L 2 οο + L οο tttθ W οο L οο tttt 2 R= 2 v εεε,εε = V οο tttθ L L 2 οο + L οο οο tttθ W 2 οο 2 V οο tan 2 θ + 1 W 2 οο tttθ 2L οο Και η γωνιακή του ταχύτητα: ω εεε,εε = V οο tan r 2 θ + 1 W 2 οο tttθ (c) W 2L οο Αντίστοιχα, για τον εμπρόσθιο εξωτερικό τροχό η γωνιακή ταχύτητα προκύπτει ως: ω εεε,εε = V οο tan r 2 θ W 2 οο tttθ W 2L οο Οι τελικές σχέσεις για τις γωνιακές ταχύτητες των οπίσθιων τροχών (a),(b) ικανοποιούνται στην πράξη με τη χρήση του μηχανικού διαφορικού. Επίσης, στο Σχήμα 2.4 παρατηρούμε ότι για να περιστρέφεται το όχημα με μια ορισμένη γωνιακή ταχύτητα γύρω από το κέντρο της στροφής, πρέπει τα σημεία που βρίσκονται προς το εξωτερικό μέρος να έχουν μεγαλύτερη γραμμική ταχύτητα από αυτά που βρίσκονται προς το εσωτερικό, γεγονός που συνεπάγεται ότι κατά τη διάρκεια της στροφής οι εξωτερικοί τροχοί κινούνται πιο γρήγορα από ότι οι εσωτερικοί. Παρατηρώντας το Σχήμα 2.4, συμπεραίνουμε ότι για να επιτευχτεί η τομή των ακτινών των εμπρόσθιων τροχών στο σημείο Ο, αυτοί πρέπει να στρίβουν με διαφορετικές γωνίες. Το παραπάνω επιτυγχάνεται μέσω του συστήματος διεύθυνσης. Το σύστημα διεύθυνσης αποτελείται από το τιμόνι και την κρεμαγιέρα. Υπάρχουν πολλά είδη κρεμαγιέρας με δημοφιλέστερη αυτή που χρησιμοποιεί έναν οδοντωτό τροχό και μία ράγα. Η διαφορετική πυκνότητα των οδοντώσεων της ράγας σε συγκεκριμένες περιοχές ρυθμίζει τη στρέψη των κατευθυντήριων τροχών σύμφωνα με τη σχέση που ακολουθεί [8]: (d) cctt cccc = W L Με α,β να αναπαρίστανται οι γωνίες των κατευθυντήριων τροχών και αναγράφονται στο Σχήμα

48 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.5: Σύστημα διεύθυνσης οδοντωτού τροχού- ράγας [7]. Επιπλέον, οι βραχίονες της κρεμαγιέρας πρέπει να ρυθμιστούν με τέτοιο τρόπο ώστε οι ευθείες που δημιουργούν να τέμνονται στο μέσω του οπίσθιου άξονα, όπως φαίνεται και στο Σχήμα 2.6. Σχήμα 2.6: Ρύθμιση βραχιόνων κρεμαγιέρας ώστε να ικανοποιείται η γεωμετρία Ackermann [9]. Πρέπει να αναφερθεί ότι η γεωμετρία Ackermann εφαρμόζεται σε συνθήκες χαμηλής ταχύτητας όπου απουσιάζει η ανάπτυξη πλευρικών δυνάμεων στους τροχούς. Οι τροχοί σε αυτές τις συνθήκες περιστρέφονται χωρίς ολίσθηση και τα ελαστικά θεωρείται ότι δεν παραμορφώνονται. Οι μικρές αποκλίσεις των τροχιών από το μοντέλο που προτείνει η -32-

49 Κεφάλαιο 2 ο γεωμετρία Ackermann δεν επηρεάζουν έντονα την κατεύθυνση του οχήματος, αλλά οδηγούν σε φθορά των ελαστικών και επηρεάζουν τις ροπές που ασκούνται στο σύστημα διεύθυνσης με αποτέλεσμα ο οδηγός να μην δέχεται την σωστή ανάδραση από αυτό. Σε υψηλές ταχύτητες όμως, η επίδραση των πλευρικών δυνάμεων είναι έντονη, με αποτέλεσμα η γεωμετρία Ackermann να μην μπορεί να εφαρμοστεί με τον τρόπο που παρουσιάστηκε παραπάνω [10]. Αξίζει να σημειωθεί ότι στις ταχύτητες αυτές, οι στροφές του δρόμου είναι ανοικτές με αποτέλεσμα ο οδηγός να στρίβει ελάχιστα το τιμόνι. Αυτό σημαίνει ότι ο όρος tanθ που εμφανίζεται στις σχέσεις που προκύπτουν από τη γεωμετρία Ackermann τείνει στο μηδέν. Επομένως, οι διαφορές των ταχυτήτων μεταξύ των εμπρόσθιων τροχών και μεταξύ των οπίσθιων τροχών είναι αμελητέες. Έτσι, μπορεί να χρησιμοποιηθεί το μοντέλο του ποδηλάτου [10] που παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.7. Σχήμα 2.7: Μοντέλο ποδηλάτου στρέφοντος οχήματος [10]. Στο παραπάνω σχήμα φαίνεται η μετατόπιση του κέντρου της στροφής από την ευθεία του οπίσθιου, που αναφέρεται στην περίπτωση απουσίας πλευρικών δυνάμεων, στο σημείο Ρ, που αναφέρεται στην περίπτωση που οι πλευρικές δυνάμεις επιδρούν στην πορεία των τροχών. Ως a f και a r αναπαρίστανται οι αποκλίσεις των εμπρόσθιων και οπίσθιων τροχών αντίστοιχα από τις τροχιές τους. Στις συνθήκες αυτές δεν τηρείται αυστηρά η γεωμετρία του Ackermann, αλλά τροποποιήσεις αυτής που εισάγουν γωνίες σύγκλισης και απόκλισης των τροχών ώστε να αντισταθμίσουν τη μεταφορά φορτίου που οφείλεται στην αδράνεια του οχήματος κατά τη στροφή με υψηλή ταχύτητα. Η σύγκλιση των τροχών στρέφει τον εσωτερικό με γωνία μικρότερη από αυτή που υπολογίζεται από τη γεωμετρία Ackermann, και τον εξωτερικό με -33-

50 Κεφάλαιο 2 ο γωνία μεγαλύτερη. Αντίθετα, η απόκλιση των τροχών στρέφει τον εσωτερικό με γωνία μεγαλύτερη από αυτή που υπολογίζεται από τη γεωμετρία Ackermann, και τον εξωτερικό με γωνία μικρότερη. Επιπλέον, οι τροποποιήσεις αυτές αλλάζουν τη θέση του σημείου τομής των ευθειών που σχηματίζουν οι βραχίονες της κρεμαγιέρας. Αν το σημείο τομής μεταφερθεί μπροστά από το μέσο του οπίσθιου άξονα, τότε η ρύθμιση αναφέρεται ως More Ackermann. Στην περίπτωση που το σημείο τομής μεταφερθεί πίσω από το μέσο του οπίσθιου άξονα τότε η ρύθμιση αναφέρεται ως Less Ackermann [9]. Στα επόμενα σχήματα παρουσιάζονται συνδυασμοί των παραπάνω γεωμετριών. Σχήμα 2.8: Η στροφή εφαρμόζοντας γεωμετρία True Ackermann και σύγκλιση στους τροχούς [9]. Σχήμα 2.9: Η στροφή εφαρμόζοντας γεωμετρία True Ackermann και απόκλιση στους τροχούς [9]. Σχήμα 2.10: Η στροφή εφαρμόζοντας γεωμετρία More Ackermann και σύγκλιση στους τροχούς [9]. -34-

51 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.11: Η στροφή εφαρμόζοντας γεωμετρία More Ackermann και απόκλιση στους τροχούς [9]. Σχήμα 2.12: Η στροφή εφαρμόζοντας γεωμετρία Less Ackermann και σύγκλιση στους τροχούς [9]. Σχήμα 2.13: Η στροφή εφαρμόζοντας γεωμετρία Less Ackermann και απόκλιση στους τροχούς. Ρύθμιση Reverse Ackermann [9]. Σημειώνεται ότι η γεωμετρία Reverse Ackermann χρησιμοποιείται κατά κόρον σε οχήματα που συμμετέχουν σε αγώνες ταχύτητας και επιδίδονται σε κλειστές στροφές με μεγάλες ταχύτητες. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται ένα ενδεικτικό διάγραμμα για τη σχέση μεταξύ των ταχυτήτων των τροχών σύμφωνα με τη γεωμετρία Ackermann. -35-

52 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.14: Εφαρμογή της γεωμετρίας Ackermann για τη κίνηση οχήματος με αναφορά ταχύτητας 50 rpm και γωνία στροφής 25 ο Κατασκευή του ελεύθερου μηχανικού διαφορικού Το ελεύθερο μηχανικό διαφορικό είναι η πιο απλή μορφή μηχανικού διαφορικού και χρησιμοποιείται ευρέως στα συμβατικά αυτοκίνητα καθημερινής χρήσης. Ένα συμβατικό διαφορικό αποτελείται από τα εξής τμήματα, όπως δείχνονται και στο Σχήμα 2.15: 1) Κεντρικός άξονας ή άτρακτος (Propeller shaft): Μέσω του άξονα αυτού, η κίνηση μεταδίδεται από τον κινητήρα στο πινιόν του διαφορικού. 2) Πινιόν (Pinion): Είναι ένας κωνικός οδοντωτός τροχός, μέσω του οποίου η κίνηση μεταδίδεται από το κεντρικό άξονα στο διαφορικό. 3) Κορώνα (Crown wheel): Είναι μια κωνική οδοντωτή στεφάνη, η οποία μαζί με το πινιόν αποτελούν το ζεύγος της γωνιακής μετάδοσης και αλλάζουν τη διεύθυνση της κίνησης κατά 90 ο, από την άτρακτο στα ημιαξόνια. 4) Θήκη πλανητικού μηχανισμού ή φορέας δορυφόρων (Cage): Είναι στερεωμένη πάνω στη κορώνα και περιστρέφεται μαζί με αυτή φέροντας τον κυρίως πλανητικό μηχανισμό. -36-

53 Κεφάλαιο 2 ο 5) Ηλιακά ή πλανητικά γρανάζια (Sun gears ή bevel gears): Είναι δυο κωνικοί οδοντωτοί τροχοί οι οποίοι πάντοτε έχουν ευθύγραμμα κωνικά δόντια, λίγο μεγαλύτεροι από τους δορυφόρους. Είναι στερεωμένοι μέσα στη θήκη του διαφορικού και συζευγμένοι μόνιμα με τους δορυφόρους. Ο άξονάς τους συμπίπτει με τον άξονα περιστροφής των ημιαξονίων. Με τους πλανήτες συνδέονται τα ημιαξόνια με πολύσφηνα. 6) Δορυφόροι (Planet pinion): Είναι συνήθως δύο στον αριθμό αλλά μπορούν να υπάρξουν και τέσσερις κωνικοί οδοντωτοί τροχοί οι οποίοι έχουν πάντοτε ευθύγραμμα κωνικά δόντια, στερεωμένοι στο εσωτερικό της θήκης, με άξονες κάθετους στον άξονα περιστροφής των ημιαξονίων των τροχών. 7) Ημιαξόνια (Half shaft): Τα ημιαξόνια είναι δύο στον αριθμό, ένα για κάθε τροχό, και αποτελούν τις εξόδους του διαφορικού προς τους τροχούς. Σχήμα 2.15: Απλοποιημένο διάγραμμα του ελεύθερου διαφορικού (i). Τρισδιάστατη όψη του ελεύθερου διαφορικού (ii) [11] Λειτουργία του ελεύθερου μηχανικού διαφορικού Όταν το όχημα κινείται σε ευθεία όλα τα γρανάζια κινούνται σαν ένα σώμα και οι δορυφόροι δεν περιστρέφονται επειδή δέχονται ίδια δύναμη από τα δύο ηλιακά γρανάζια. Έτσι, τα ηλιακά γρανάζια περιστρέφονται με την ταχύτητα της στεφάνης και οι δύο τροχοί έχουν ίδια γωνιακή ταχύτητα (Σχήμα 2.16). Αν το όχημα μπει σε στροφή, ο εσωτερικός τροχός κινείται με μικρότερη ταχύτητα γιατί δέχεται μικρότερη τριβή κύλισης από το οδόστρωμα σε σχέση με τον εξωτερικό. Αυτή η -37-

54 Κεφάλαιο 2 ο διαφορά των δυνάμεων μεταφέρεται σε κάθε δορυφόρο και τον κάνει να περιστρέφεται με τέτοια φορά ώστε να κάνει τον εξωτερικό τροχό να κινείται με μεγαλύτερη ταχύτητα και τον εσωτερικό να κινείται με μικρότερη (Σχήμα 2.16). Σχήμα 2.16: Περιστροφή γραναζιών διαφορικού κατά την κίνηση του οχήματος σε ευθεία (Αριστερά). Περιστροφή γραναζιών διαφορικού κατά την κίνηση του οχήματος με ακινητοποιημένο τον αριστερό άξονα (Δεξιά) [12]. Στην πράξη, η γωνιακή ταχύτητα της ατράκτου του διαφορικού μετασχηματίζεται με τον τελευταίο μετασχηματισμό που πραγματοποιείται στο σύστημα μετάδοσης. Ό λόγος μετασχηματισμού αυτός πραγματοποιείται μεταξύ του πινιόν και της κορώνας και είναι χαρακτηριστικό μέγεθος του διαφορικού. Τονίζεται ότι σε κάθε περίπτωση λειτουργίας το άθροισμα των γωνιακών ταχυτήτων των κινητήριων τροχών πολλαπλασιασμένο με το λόγο μετασχηματισμού του διαφορικού είναι ίσο με το διπλάσιο της γωνιακής ταχύτητας της ατράκτου. Στο Σχήμα 2.17 παρουσιάζεται μια διαφορετική απεικόνιση της λειτουργίας των γραναζιών του ελεύθερου μηχανικού διαφορικού δίνοντας έμφαση στο ποσοστό της ταχύτητας της κορώνας που κατανέμεται στους δύο τροχούς. -38-

55 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.17: Περιστροφή των γραναζιών του διαφορικού κατά την κίνηση του οχήματος σε στροφή [11] Το διαφορικό περιορισμένης ολίσθησης Το συμβατικό διαφορικό μεταφέρει την ίδια ροπή και στους δύο τροχούς [4] [11] [13] [14], λόγω της ανικανότητας των δορυφόρων να μεταφέρουν ροπή μεταξύ των δύο ημιαξονίων. Η τιμή της ροπής εξαρτάται από δύο παράγοντες, την πρόσφυση και τις δυνατότητες του κινητηρίου συστήματος. Σε συνθήκες επαρκούς πρόσφυσης, η ροπή που καταλήγει στους τροχούς προκύπτει από τη ροπή που παράγει ο κινητήρας μετασχηματιζόμενη από το σύστημα μετάδοσης. Όμως, σε συνθήκες έλλειψης πρόσφυσης, η ροπή που καταλήγει στους τροχούς καθορίζεται από τον τροχό με τη μικρότερη πρόσφυση. Επομένως αν ένας τροχός αρχίσει να ολισθαίνει, δηλαδή να μικρύνει η ροπή που δέχεται από το έδαφος, θα μεταφερθεί όλη η ισχύς του κινητήρα σε αυτόν και θα έχουμε ως αποτέλεσμα την ανεξέλεγκτη αύξηση των στροφών του σύμφωνα με τη σχέση: Pmech=MΩ. Η ισχύς που απομένει για το μη ολισθαίνοντα τροχό είναι πολύ μικρή με αποτέλεσμα ο τροχός να μην κινείται και το όχημα να παραμείνει ακίνητο. Για να ξεπεράσουν αυτό το πρόβλημα, τα σύγχρονα αυτοκίνητα είναι εφοδιασμένα με άλλους τύπους διαφορικών όπως το διαφορικό περιορισμένης ολίσθησης. Στην κατασκευή του μοιάζει πολύ με το συμβατικό με τη διαφορά ότι έχει επιπρόσθετα δύο σετ δίσκων συμπλέκτη. Επιπλέον, οι άκρες των δορυφόρων ακουμπούν χαλαρά στις εγκοπές των δύο μισών του περιβλήματος του διαφορικού. -39-

56 Κεφάλαιο 2 ο Όταν οι δορυφόροι δεχθούν ροπή ώστε να οδηγήσουν τον ένα τροχό να στρέφεται πολύ πιο γρήγορα από τον άλλο, λόγω της χαλαρής σύνδεσης τους, κινούνται προς τα έξω, μεταφέροντας δύναμη στους συμπλέκτες κλειδώνοντας έτσι τα δύο ημιαξόνια μεταξύ τους. Με αυτόν τον τρόπο σταματά μερικώς η διαφορική λειτουργία και εμποδίζεται η μεταφορά της ισχύος στον ένα μόνο τροχό. Άρα διαφορετική τιμή της ροπής μεταδίδεται σε κάθε τροχό. Το όχημα τώρα μπορεί να κινηθεί, αλλά δεν μπορεί να εκμεταλλευθεί τη μέγιστη ισχύ του κινητήρα λόγω της ολίσθησης του ενός τροχού. Η παραπάνω λειτουργία πραγματοποιείται σε συνθήκες όπου η διαφορά των ροπών στους τροχούς είναι πολύ μεγάλη, δηλαδή περίπτωση απώλειας πρόσφυσης τροχού λόγω ολισθηρότητας ή συνάντηση εμποδίου. Περιορίζεται, έτσι, η ανεξέλεγκτη ολίσθηση του ενός τροχού σε σχέση με τον άλλο. Σε τυπικές συνθήκες στροφής, η λειτουργία του είναι όμοια με το συμβατικό διαφορικό. Σχήμα 2.18: Δομή του διαφορικού περιορισμένης ολίσθησης με χρήση συμπλεκτών [15]. Το παραπάνω μπορεί να επιτευχθεί και με τη χρήση ενός ελατηρίου το οποίο όταν δεχθεί διαφορά ροπών από τα δύο ηλιακά γρανάζια (συνθήκες στροφής) και επιμηκυνθεί αρκετά οδηγεί σε ενεργοποίηση των συμπλεκτών. Η σκληρότητα του ελατηρίου, καθώς και οι τριβές των γραναζιών καθορίζουν την ευκολία με την οποία θα πραγματοποιηθεί η εμπλοκή. Τα διαφορικά περιορισμένης ολίσθησης δεν συναντιόνται σε οχήματα καθημερινής χρήσης, αλλά σε οχήματα εκτός δρόμου και οχήματα αγωνιστικού σκοπού. Λόγω της πιο -40-

57 Κεφάλαιο 2 ο σύνθετης κατασκευής τους είναι πιο ακριβά και έχουν περισσότερες απώλειες από τα ελεύθερα διαφορικά. Επιπλέον, σε απότομη ολίσθηση, η εμπλοκή μπορεί να πραγματοποιηθεί σε στιγμή που ο οδηγός δε το περιμένει, με αποτέλεσμα κίνδυνος να χαθεί ο έλεγχος του οχήματος. Το γεγονός αυτό δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί με ένα ελεύθερο διαφορικό, αφού το ελεύθερο διαφορικό θα περιστρέψει με όλη την ισχύ του κινητήρα μόνο τον ολισθαίνοντα τροχό και το όχημα θα μείνει στο ίδιο σημείο Ενεργητικά διαφορικά Μια πιο καινούρια τεχνολογία διαφορικού αποτελούν τα ενεργητικά διαφορικά. Τα διαφορικά αυτά, πέρα από το μηχανικό μέρος, περιλαμβάνουν μια ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου που εισάγει τις εισόδους από διάφορους αισθητήρες σε ένα μικροεπεξεργαστή ώστε να γίνει η κατάλληλη κατανομή ροπής στους τροχούς. Οι αισθητήρες μετρούν τη γωνία του τιμονιού, τις πλευρικές επιταχύνσεις και την τάση για εκτροπή του οχήματος. Με αυτό το δρόμο αντισταθμίζονται οι τάσεις του οχήματος για υπερστροφή και υποστροφή. Το μηχανικό μέρος περιλαμβάνει επιπρόσθετες σχέσεις μετάδοσης και ελεγχόμενα γρανάζια για το σωστό καταμερισμό της ροπής. Το ενεργητικό διαφορικό προτάθηκε από την εταιρία Subaru το 1993 στο παγκόσμιο πρωτάθλημα ράλι (World Rally Championship), που το τοποθέτησε στο Group A Impreza GC και λειτουργούσε υδραυλικά [16]. Η πρώτη σύγχρονη έκδοση ενεργητικού διαφορικού για όχημα μαζικής παραγωγής εισήχθει από την αυτοκινητοβιομηχανία Mitsubishi για το μοντέλο Mitsubishi Lancer EVO το 2001 και περιλάμβανε έλεγχο εκτροπής του οχήματος. Τα τελευταία χρόνια χρησιμοποιείται κατά κόρον σε αυτοκίνητα υψηλών επιδόσεων. Σχήμα 2.19: Το ενεργητικό διαφορικό του μοντέλου M5 της εταιρίας BMW [17]. -41-

58 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.20: Το ενεργητικό διαφορικό του Mitsubishi Lancer EVO [18]. Μια απλή έκδοση του ενεργητικού διαφορικού περιλαμβάνει έναν ενεργοποιητή συνδεδεμένο με τους δορυφόρους του διαφορικού. Σε φυσιολογικές συνθήκες στροφής ο ενεργοποιητής δεν λαμβάνει δράση και η λειτουργία του διαφορικού δεν επηρεάζεται. Όταν όμως το σύστημα αντιληφθεί μη φυσιολογική συμπεριφορά, ο ενεργοποιητής επιβάλει τις στροφές που υπολογίζει ο μικροελεγκτής, κατανέμοντας τη ροπή κατάλληλα (Σχήμα 2.21). Το πλεονέκτημα της μεθόδου αυτής είναι ότι δεν απαιτεί πολύπλοκη κατασκευή του διαφορικού. Όμως, είναι περιορισμένη όσον αφορά το ποσοστό της ροπής που μπορεί να μεταφερθεί μεταξύ των ημιαξονίων. Σχήμα 2.21: Υλοποίηση ενεργητικού διαφορικού με χρήση ενεργοποιητή στους δορυφόρους [19]. Μια υλοποίηση που προτάθηκε στο Schaeffler Symposium 2010 από τους Dr. T. Smetana κ.ά. στοχεύοντας να καταπολεμήσει την παραπάνω δυσκολία χρησιμοποιεί ένα πιο πολύπλοκο σύστημα με επιπρόσθετες σχέσεις μετάδοσης και ελεγχόμενα γρανάζια σύμφωνα -42-

59 Κεφάλαιο 2 ο με την τεχνική Torque Vectoring [19]. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή, σχετίζεται η απαιτούμενη διαφορά ροπής προς τους τροχούς με την πλαγιολίσθηση των τροχών. Στο Σχήμα 2.22 παρουσιάζεται η λειτουργία της μεθόδου. Αρχικά και οι δύο τροχοί κινούνται με την ίδια ταχύτητα και τροφοδοτούνται με την ίδια ροπή. Όταν αντιληφθεί το σύστημα ολίσθηση των τροχών (κατάσταση a), εφαρμόζει αρνητική ροπή στον αριστερό τροχό θέτοντάς τον στη κατάσταση b και αυξάνει τη ροπή στον δεξιό τροχό θέτοντάς τον στην κατάσταση c. Σχήμα 2.22: Κατανομή της ροπής σε σχέση με την ολίσθηση σύμφωνα με τη μέθοδο Torque Vectoring [19]. Το ενεργητικό διαφορικό αποτελείται από τέσσερα υποσυστήματα. Το υποσύστημα της τελικής μετάδοσης, το υποσύστημα του διαφορικού, το σύστημα της υπέρθεσης των ενεργητικών σχέσεων μετάδοσης (superimposing stage) και τον ηλεκτροκινητήρα ελέγχου. Το υποσύστημα του διαφορικού αποτελείται από ένα κλασικό σύστημα διαφορικού με γρανάζια και ελατήρια. Το υποσύστημα της υπέρθεσης των ενεργητικών σχέσεων μετάδοσης αποτελείται από τρία γρανάζια δορυφόρους, δύο από τα οποία είναι όμοια και αναλαμβάνει να μεταφέρει σε κάθε τροχό την απαραίτητη ροπή με τη βοήθεια του κινητήρα ελέγχου. Όταν ο κινητήρας είναι ακίνητος, οι τροχοί περιστρέφονται με την ίδια ταχύτητα και δεν υπάρχει διαφορική λειτουργία. Όταν οι ενεργητικές σχέσεις μετάδοσης δεν ενεργοποιηθούν, το σύστημα λειτουργεί σαν ελεύθερο μηχανικό διαφορικό με ένα μικρό ποσοστό εμπλοκής και ο κινητήρας ελέγχου περιστρέφεται χωρίς να αναλαμβάνει φορτίο. Η σύμπλεξη του κινητήρα -43-

60 Κεφάλαιο 2 ο ελέγχου με το σύστημα της υπέρθεσης των ενεργητικών σχέσεων μετάδοσης επιτρέπει τη μεταφορά ροπής προς τους τροχούς. Σχήμα 2.23: Ο σχεδιασμός του ενεργητικού διαφορικού που προτάθηκε για ηλεκτροκίνητα οχήματα ενσωματώνοντας και τον κύριο ηλεκτροκινητήρα του οχήματος [19]. Συμπεραίνουμε ότι το ενεργητικό διαφορικό με χρήση ηλεκτροκινητήρα ελέγχου αποτελεί μια καινοτόμα τεχνολογία με σκοπό την ασφαλέστερη οδήγηση του οχήματος. Προσφέρει αυξημένες δυνατότητες ελέγχου και πρόληψης ακραίων συμπεριφορών του οχήματος, με μόνο περιορισμό να οφείλεται στις καθυστερήσεις που εισάγουν οι αισθητήρες και οι ενεργοποιητές. Επιπλέον πλεονέκτημα είναι ότι μπορεί να τοποθετηθεί και σε ηλεκτροκίνητα οχήματα συμπεριλαμβάνοντας και τον ηλεκτροκινητήρα. Τα μειονεκτήματά του είναι το υψηλό του κόστος και πολυπλοκότητα που το καθιστούν δύσκολο να εισαχθεί σε φθηνά οχήματα καθημερινής χρήσης. 2.2 Ηλεκτρονικά συστήματα μετάδοσης Τα οχήματα που χρησιμοποιούν την ηλεκτρομηχανική μετατροπή ενέργειας για να κινηθούν εμφανίζουν το πλεονέκτημα του εύκολου ελέγχου των ηλεκτρικών και μηχανικών μεγεθών μέσω των τεχνικών αυτόματου ελέγχου. Ο εύκολος έλεγχος των ηλεκτρικών κινητήρων σε σχέση με τους κινητήρες συμβατικού καυσίμου, καθώς και η υψηλή ροπή που αυτοί εμφανίζουν σε όλο το φάσμα στροφών τους καθιστούν ιδανικούς για χρήση σε οχήματα απλοποιώντας σημαντικά το σύστημα μετάδοσης. Επιπλέον, οι ηλεκτροκινητήρες εμφανίζουν -44-

61 Κεφάλαιο 2 ο υψηλούς βαθμούς απόδοσης σε όλο το εύρος στροφών λειτουργίας, μέχρι και 90%, σε αντίθεση με τους συμβατικούς βενζινοκινητήρες που εμφανίζουν μέγιστη απόδοση 30%, και τους κινητήρες πετρελαίου με μέγιστη απόδοση 50%, σε ένα μικρό εύρος στροφών[3],[4]. Σε ένα ηλεκτροκίνητο όχημα, λόγω της χαρακτηριστικής εξίσωσης ροπής στροφών, δεν απαιτείται κιβώτιο ταχυτήτων, παρά μόνο μία σχέση μετάδοσης προσεκτικά επιλεγμένη ώστε να μετασχηματίζει τη ροπή του κινητήρα σε ωφέλιμη ροπή για τους τροχούς σε οποιεσδήποτε συνθήκες λειτουργίας. Επιπλέον, ο μικρός όγκος και βάρος των ηλεκτροκινητήρων, επιτρέπει την εφαρμογή περισσότερων του ενός σε ένα όχημα. Η χρήση περισσότερων του ενός ηλεκτροκινητήρα προσδίδει τη δυνατότητα κατάργησης του μηχανικού διαφορικού, αφού ο έλεγχος της ταχύτητας μπορεί να πραγματοποιηθεί ηλεκτρονικά με χρήση μικροεπεξεργαστή. Ο μικροεπεξεργαστής του ηλεκτρονικού διαφορικού, καλείται να υπολογίσει τις ταχύτητες που απαιτείται να έχουν οι κινητήριοι τροχοί, ώστε να πραγματοποιηθεί η κίνηση του οχήματος με ασφαλή τρόπο Εξέλιξη της τεχνολογίας των ηλεκτρονικών διαφορικών Το 2004 ο S. Gair από το University of Stathclyde κ.ά. πρότειναν ένα σύστημα με ηλεκτρονικό διαφορικό και άμεσο έλεγχο ροπής με την τεχνική ελέγχου ολίσθησης, για ένα μικρό διθέσιο ηλεκτροκίνητο όχημα με δύο ασύγχρονους κινητήρες στους οπίσθιους τροχούς [20]. Ο αλγόριθμος υλοποίησης του ηλεκτρονικού διαφορικού αναλάμβανε να εισάγει τη γωνία στροφής από έναν κωδικοποιητή του συστήματος διεύθυνσης και σύμφωνα με την αναφορά ταχύτητας από τον επιταχυντή του οχήματος, να αναθέσει τη σωστή ταχύτητα σε κάθε τροχό (Σχήμα 2.24 και Σχήμα 2.25). Κατά τη στροφή, ο εσωτερικός τροχός περιστρέφεται με ταχύτητα ίση με την ταχύτητα αναφοράς του επιταχυντή, ενώ ο εξωτερικός τροχός περιστρέφεται με ταχύτητα που μεταβάλλεται σχετικά με την ταχύτητα αναφοράς με μια γραμμική σχέση. Στη συνέχεια, η τεχνική ελέγχου αναλαμβάνει να στρέψει τον κάθε τροχό με την ταχύτητα που υπολογίζει το ηλεκτρονικό διαφορικό χρησιμοποιώντας δύο κλειστούς βρόχους. Ο εξωτερικός βρόχος, που ελέγχει την ταχύτητα, υλοποιείται με ελεγκτή PI, ενώ ο εσωτερικός με έλεγχο ολίσθησης στο σύστημα d-q. -45-

62 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.24: Απεικόνιση του συστήματος ηλεκτρονικού διαφορικού με χρήση ελέγχου ολίσθησης [20]. Σχήμα 2.25: Δομικό διάγραμμα υλοποίησης του ηλεκτρονικού διαφορικού στο σύστημα ηλεκτρονικό διαφορικό με χρήση ελέγχου ολίσθησης [20]. Λίγα χρόνια αργότερα, το 2008, ο G. Magallán κ.ά. του University of Rio Cuarto υλοποίησαν μια έκδοση ηλεκτρονικού διαφορικού για ένα πρωτότυπο ηλεκτρικό όχημα -46-

63 Κεφάλαιο 2 ο γειτονιάς (Neighborhood Electric Vehicle) με δύο ασύγχρονους κινητήρες κλωβού, έναν για κάθε οπίσθιο τροχό [21]. Βασίστηκαν, στη λειτουργία του μηχανικού διαφορικού που εφαρμόζει ροπή ίσου μέτρου και στους δύο τροχούς. Τη λειτουργία αυτή, την αναπαρήγαγαν ηλεκτρονικά δίνοντας ως αναφορά ροπής και στους δύο κινητήρες την ίδια τιμή που υπολογίζεται από ένα PI ελεγκτή ταχύτητας. Έπειτα, επιτυγχάνεται ο έλεγχος των κινητήρων, σύμφωνα με την υπολογιζόμενη ροπή αναφοράς, χρησιμοποιώντας την τεχνική του άμεσου διανυσματικού ελέγχου επαγωγικής μηχανής (Σχήμα 2.26). Σχήμα 2.26: Δομικό διάγραμμα του ηλεκτρονικού διαφορικού που εφαρμόζει ίδια αναφορά ροπής και στους δύο κινητήρες [21]. Η παραπάνω μέθοδος παρουσιάζει όλα τα πλεονεκτήματα του ελεύθερου μηχανικού διαφορικού, αλλά όχι το μειονέκτημα της ακινητοποίησης του οχήματος όταν ο ένας τροχός ολισθαίνει ανεξέλεγκτα ή ακινητοποιηθεί από εμπόδιο. Αν συμβεί μία από τις δύο ακραίες συνθήκες, ο μικροελεγκτής αναλαμβάνει να θέσει όρια για τις στροφές και τη ροπή που θα ασκηθεί από τον κάθε κινητήρα, ώστε να επιτευχθεί ομαλή λειτουργία του οχήματος. Το 2009, οι Y. Zhao, J. Zwang κ.ά. υλοποιούν το ηλεκτρονικό διαφορικό σε ένα δωδεκαθέσιο αυτοκίνητο με δύο ηλεκτροκινητήρες μόνιμου μαγνήτη (Permanent Magnet Brushless DC Motor) [22]. Η υλοποίηση του διαφορικού, βασίζεται στη γεωμετρία του Ackermann και επιπρόσθετα χρησιμοποιεί τεχνική ασαφούς ελέγχου ώστε να υπολογισθεί η ολίσθηση των τροχών (Σχήμα 2.27). Είσοδοι του ηλεκτρονικού διαφορικού είναι οι ταχύτητες των δύο τροχών, που εκτιμώνται από τα ηλεκτρικά μεγέθη των κινητήρων, καθώς και η γωνία στροφής του τιμονιού που υπολογίζεται από ένα κωδικοποιητή θέσης προσαρμοσμένο -47-

64 Κεφάλαιο 2 ο στο τιμόνι. Και σε αυτή την εργασία λαμβάνεται υπόψη η ισοκατανομή της ροπής που εφαρμόζεται σε ένα ελεύθερο μηχανικό διαφορικό. Η λειτουργία αυτή του ελεύθερου μηχανικού διαφορικού δεν επαρκεί σε συνθήκες όπου οι τροχοί έχουν διαφορετικό συντελεστή πρόσφυσης. Για το λόγο αυτό, εμπλουτίζεται με ένα συντελεστή ολίσθησης, που υπολογίζεται με χρήση λογικής ασαφούς ελέγχου για διαφορετικές συνθήκες οδήγησης. Έτσι, το ηλεκτρονικό διαφορικό, αφού υπολογίσει τις αναφορές ταχυτήτων με χρήση του μοντέλου Ackermann, κατανέμει τη ροπή στους κινητήριους τροχούς ανάλογα με την τιμή του συντελεστή ολίσθησης. Σχήμα 2.27: Δομικό διάγραμμα του ηλεκτρονικού διαφορικού με χρήση ασαφούς ελέγχου για τον υπολογισμό της ολίσθησης των τροχών [22]. Το 2010, οι Y. Zhou κ.ά. από το Northwestern Polytechnical University, Xi an πρότειναν μια στρατηγική ελέγχου για ηλεκτρονικό διαφορικό σε ηλεκτροκίνητο αυτοκίνητο με τέσσερις κινητήρες εσωτερικούς στους τροχούς [23]. Ο αλγόριθμος που αναπτύχθηκε εφαρμόζει τη γεωμετρία Ackermann υπολογίζοντας τις αναφορές των ταχυτήτων και για τους τέσσερις τροχούς. -48-

65 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.28: Δομικό διάγραμμα του συστήματος που εφαρμόζει τη στρατηγική ελέγχου με ηλεκτρονικό διαφορικό τεσσάρων κινητήρων εσωτερικών στους τροχούς [23]. Την επόμενη χρονιά, το 2011, οι Li Zhai και Shouquan Dong του Beijing Institute of Technology, εξομοίωσαν και αυτοί ηλεκτρονικό διαφορικό για τέσσερις κινητήρες εσωτερικούς στους τροχούς ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος [24]. Στην προσέγγισή τους, χρησιμοποίησαν τη γεωμετρία Ackermann για την εξαγωγή της ταχύτητας αναφοράς κάθε τροχού και στη συνέχεια PID ελεγκτές με μεταβλητά κέρδη για τον έλεγχο της ροπής κάθε κινητήρα. Η ροπή αναφοράς προκύπτει με βάση το δυναμικό μοντέλο του συστήματος, ενώ τα μεταβλητά κέρδη του PID υπολογίζονται μέσα από ένα Νευρωνικό Δίκτυο (Σχήμα 2.30). Επιπλέον, τα σήματα αναφοράς από το ηλεκτρονικό διαφορικό, μεταφέρονται στου ελεγκτές των κινητήρων μέσα από δίαυλο CAN. -49-

66 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.29: Δομικό διάγραμμα του ηλεκτρονικού διαφορικού με χρήση μοντέλου Ackermann και έλεγχο PID με Νευρωνικό Δίκτυο για τη ροπή [24]. Σχήμα 2.30: Δομικό διάγραμμα ελέγχου του ηλεκτρονικού διαφορικού με χρήση μοντέλου Ackermann και έλεγχο PID με Νευρωνικό Δίκτυο για τη ροπή [24]. -50-

67 Κεφάλαιο 2 ο Την ίδια χρονιά, οι Li Jun από το South China Agricultural University κ.ά., αξιολόγησαν τη λειτουργία ηλεκτρονικού διαφορικού για όχημα με δύο κινητήρες στους οπίσθιους τροχούς βασιζόμενοι σε ένα παρατηρητή κατάστασης για δυναμικό μοντέλο οχήματος οκτώ βαθμών ελευθερίας [25]. Ο παρατηρητής κατάστασης χρησιμοποιεί φίλτρο Kalman για να εξάγει την κατάσταση του οχήματος. Σημειώνεται ότι στην παραπάνω προσέγγιση λαμβάνεται υπόψη και η επίδραση των ελαστικών με χρήση του μοντέλου Magic Formula Tire Model. Σχήμα 2.31: Δομικό διάγραμμα του ηλεκτρονικού διαφορικού με χρήση παρατηρητή κατάστασης βασισμένο στο φίλτρο Kalman [25]. Επίσης το 2011, οι B. Tabbache από το University of Brest κ.ά., εισήγαγαν μια έκδοση ηλεκτρονικού διαφορικού με χρήση προσαρμοζόμενου παρατηρητή και άμεσο έλεγχο ροπής [26]. Ο υπολογισμός της ταχύτητας αναφοράς του κάθε κινητήρα έγινε εφαρμόζοντας τη γεωμετρία του Ackermann. Ενώ η ροπή, η ροή και η ταχύτητα υπολογίστηκαν μέσω ενός προσαρμοζόμενου παρατηρητή για να εισαχθούν στη συνέχεια στον άμεσο έλεγχο ροπής (Σχήμα 2.32). -51-

68 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.32: Δομικό διάγραμμα ηλεκτρονικού διαφορικού που εφαρμόζει άμεσο έλεγχο ροπής με χρήση προσαρμοζόμενου παρατηρητή [26]. Το 2012, οι C. Fu, του RMIT University of Australia κ.ά., στα πλαίσια του Διεθνούς Συνεδρίου Ελέγχου, Αυτοματισμών και Πληροφορικής (ICCAIS) εισήγαγαν μια υλοποίηση ηλεκτρονικού διαφορικού που βασίζεται στην ελαχιστοποίηση της πλαγιολίσθησης του οχήματος [27]. Ο έλεγχος έχει σκοπό να οδηγεί το όχημα σε πορεία σχετική με τη γραμμική ταχύτητα του οχήματος, την εντολή από το σύστημα διεύθυνσης και τη θέση του κέντρου βάρους του. Για να το επιτύχουν αυτό, κατέληξαν σε μια σχέση που συνδέει την πλαγιολίσθηση του οχήματος με τις πλευρικές δυνάμεις που ασκούνται στα ελαστικά. Εφαρμόζοντας τη σχέση αυτή, υπολογίζουν τις πλευρικές δυνάμεις που πρέπει να ασκούνται στα ελαστικά και οδηγούν σε μηδενική πλαγιολίσθηση. Οι πλευρικές δυνάμεις που υπολογίζονται με τη μέθοδο αυτή, εισάγονται σε ένα κλειστού βρόχου έλεγχο ροπής των κινητήρων (Σχήμα 2.33). Έπειτα, τα αποτελέσματα της παραπάνω μεθόδου συγκρίνονται με τη μέθοδο εφαρμογής ίσης ροπής στους τροχούς που μιμείται τη λειτουργία του ελεύθερου μηχανικού διαφορικού. -52-

69 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.33: Δομικό διάγραμμα του ηλεκτρονικού διαφορικού ελαχιστοποιεί την πλαγιολίσθηση των τροχών [27]. Το 2013, ο A. Draou από το University of Heil της Σαουδικής Αραβίας, προσομοιώνει μια έκδοση ηλεκτρονικού διαφορικού για ένα καθημερινό όχημα πλήρους μεγέθους με δύο κινητήρες μόνιμου μαγνήτη στους οπίσθιους τροχούς [28]. Ο υπολογισμός των αναφορών ταχύτητας πραγματοποιείται με χρήση της γεωμετρίας του Ackermann. Οι αναφορές ταχύτητας μετατρέπονται σε αναφορές ροπής μέσω του δυναμικού μοντέλου του οχήματος και των κινητήρων. Τελικά ο έλεγχος των κινητήρων επιτυγχάνεται εφαρμόζοντας τη τεχνική του άμεσου ελέγχου ροπής (Σχήμα 2.34). -53-

70 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.34: Δομικό διάγραμμα του ηλεκτρονικού διαφορικού που χρησιμοποιεί τη γεωμετρία του Ackermann σε συνδυασμό με άμεσο έλεγχο ροπής [28]. Το 2013, οι K. Houacine του Production Universite κ.ά., υλοποίησαν μια έκδοση ηλεκτρονικού διαφορικού χρησιμοποιώντας τη γεωμετρία του Ackermann για τον υπολογισμό των αναφορών των ταχυτήτων προς τους κινητήρες σε συνδυασμό με έμμεσο διανυσματικό έλεγχο χρησιμοποιώντας Ασαφή Νευρωνικό ελεγκτή, αντί για τη κλασσική προσέγγιση με PI [29]. Η προσέγγιση με το Ασαφή Νευρωνικό ελεγκτή υπάγεται στη δομή ANFIS (Adaptive Network Fuzzy Inference System) και χρησιμοποιεί ένα Νευρωνικό Δίκτυο εφαρμόζοντας τεχνική ασαφούς ελέγχου. Έχει το πλεονέκτημα της γρήγορης απόκρισης του συστήματος, σταθερής μόνιμης κατάστασης και τις δυνατότητες που παρέχει για αυτόματη αναπροσαρμογή των παραμέτρων μέσα από τη διαδικασία εκμάθησης. -54-

71 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.35: Υλοποίηση ηλεκτρονικού διαφορικού με χρήση Ασαφούς Νευρωνικού Ελεγκτή [29]. Το 2014, οι B. Munusamy και J. Weigl του National University of Singapore, αξιολόγησαν τη συμπεριφορά ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος σε συνθήκες ομαλής στροφής, υπερστροφής και υποστροφής [30]. Το όχημα αποτελεί μετατροπή του μοντέλου Caterham 7, από συμβατικό σε ηλεκτροκίνητο. Περιλαμβάνει δύο ηλεκτροκινητήρες μόνιμου μαγνήτη στους οπίσθιους τροχούς. Χρησιμοποιώντας τη γεωμετρία Ackermann, γίνεται πρόβλεψη της τάσης εκτροπής του οχήματος από την επιθυμητή τροχιά. Με αυτό τον τρόπο εμπλουτίζεται η γεωμετρία για στροφή σε υψηλές ταχύτητες, εισάγοντας ένα συντελεστή Κ που όταν λαμβάνει τιμές μεγαλύτερες του μηδενός δηλώνει τάση για υποστροφή, ενώ όταν λαμβάνει τιμές μικρότερες του μηδενός δηλώνει τάση για υπερστροφή (Σχήμα 2.36). Μηδενική τιμή του συντελεστή δηλώνει ομαλή στροφή. Όταν η τιμή του συντελεστή αυτού είναι διαφορετική του μηδενός μεταβάλλεται η ακτίνα στροφής του οχήματος, με αποτέλεσμα να μην επαρκούν οι είσοδοι του επιταχυντή και της γωνίας στροφής του τιμονιού για να πραγματοποιηθεί σωστή εκτίμηση των αναφορών ταχύτητας προς τους κινητήρες. Έτσι, το όχημα κινδυνεύει να τεθεί εκτός τροχιάς κατά τη στροφή. -55-

72 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.36: Συμπεριφορά του οχήματος στη στροφή ανάλογα με την τιμή του συντελεστή Κ [30]. Ανακεφαλαιώνοντας την επισκόπηση αυτή, βλέπουμε ότι η γεωμετρία του Ackermann ακολουθείται κατά κόρον για το σχεδιασμό ηλεκτρονικών διαφορικών για τον υπολογισμό των αναφορών ταχύτητας προς τους ηλεκτροκινητήρες. Επίσης, για τη βελτίωση της συμπεριφοράς του οχήματος, συνδυάζεται με τεχνικές ελέγχου ροπής των κινητήρων χρησιμοποιώντας το δυναμικό μοντέλου του συστήματος. Η εισαγωγή του μοντέλου του συστήματος κάνει το σύστημα και τον έλεγχο πολυπλοκότερο γιατί εισάγει αισθητήρες μέτρησης επιτάχυνσης για την εκτίμηση των δυνάμεων που ασκούνται. Επιπλέον, απαιτεί γνώση του δυναμικού μοντέλου του συστήματος, κάτι που τις περισσότερες φορές είναι αρκετά δύσκολο λόγω των πολλών παραμέτρων που χρησιμοποιεί. -56-

73 Κεφάλαιο 3 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΟΧΗΜΑΤΟΣ ΠΟΥ ΘΑ ΕΞΕΤΑΣΤΕΙ 3.1 Σασί Το σασί του οχήματος προέρχεται από ένα συμβατικό όχημα τύπου buggy. Συγκεκριμένα, πρόκειται για το μοντέλο FA-G300 της εταιρίας Buyang (Σχήμα 3.1). Η μετατροπή του οχήματος από βενζινοκίνητο σε ηλεκτροκίνητο πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας των Δημήτρη Βιδιαδάκη και Νεφέλη Τσιάρα το έτος 2012 [1]. Οι προαναφερθείς φοιτητές ανέλαβαν να εγκαταστήσουν όλα τα απαραίτητα συστήματα ώστε να πραγματοποιηθεί πλήρως η μετατροπή του οχήματος σε ηλεκτροκίνητο. Το πλεονέκτημα του οχήματος τύπου buggy, είναι το μικρό του βάρους και ο μικρός του όγκος, γεγονός που το καθιστά παρόμοιο σε χαρακτηριστικά με ένα αυτοκίνητο πόλης. Έτσι, το ηλεκτρικό κινητήριο σύστημα μπορεί να αξιολογηθεί πλήρως σε συνθήκες πόλης ως προς την ταχύτητα που μπορεί να αναπτύξει, την αυτονομία του και τη δυνατότητα για ελιγμούς. Το όχημα έχει μήκος 2700mm, πλάτος 1470mm, ύψος 1440mm και καθαρό βάρος 370kg. Αναλυτικά τα χαρακτηριστικά του οχήματος πριν τη μετατροπή αναφέρονται στον Πίνακα 3.1. Μέγιστη ταχύτητα 60 km/h Σύστημα φρένων εμπρός/ πίσω Υδραυλικό χωρίς υποβοήθηση Απόσταση ακινητοποίησης 7m στα 30km/h Ακτίνα στροφής 3800mm Μέγιστο φορτίο 156kg Ελαστικά εμπρός 185/88-12 Ελαστικά πίσω 270/60-12 Τύπος τροχών Κράμα αλουμινίου Διαστάσεις (ΜxΠxΥ) 2700mm x 1470mm x 1440mm Μετατρόχιο 2005mm Ύψος καθίσματος 500mm Απόστασης από το έδαφος 250mm Βάρος 370kg Πίνακας 3.1: Τεχνικά χαρακτηριστικά μοντέλου Buggy FA-G300 της εταιρίας Buyang [1]. Επίσης παρουσιάζονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού κινητήριου συστήματος του οχήματος μετά τη μετατροπή. -57-

74 Κεφάλαιο 3 ο Πίνακας 3.2: Ισχύς κινητήρων 2x5kW Μέγιστη ροπή κινητήρων 38Nm (0,13Nm/1A) Τάση λειτουργίας κινητήρων 24V-48V Μέγιστο ρεύμα κινητήρων 300A Χωρητικότητα συσσωρευτών 6,912kWh Τάση συσσωρευτών 76.8V Ρεύμα συσσωρευτών 45Α Μέγιστο ρεύμα συσσωρευτών <270Α Σχέση μετάδοσης 1/3,5 Βάρος ~370kg Τεχνικά χαρακτηριστικά ηλεκτρικού κινητηρίου συστήματος. Σχήμα 3.1: Το Buggy FA-G300 της εταιρίας Buyang [1]. 3.2 Ηλεκτροκινητήρες Οι ηλεκτροκινητήρες που επιλέχθηκαν είναι οι σύγχρονοι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη ME0907 της εταιρίας Motenergy. Δύο από τους κινητήρες αυτούς έχουν συνδεθεί στους οπίσθιους τροχούς μέσω γραναζιών και αλυσίδας με λόγο μετασχηματισμού 3,5:1. Ο κάθε κινητήρας αποδίδει μηχανική ισχύ περίπου 5kW με βαθμό απόδοσης 90% έχει τέσσερα ζευγάρια πόλων και όταν διαρρέεται από ρεύμα 100Α αποδίδει 13Nm ροπής. Επιπλέον, το μοντέλο αυτό είναι εφοδιασμένο με εσωτερικό αισθητήρα θερμοκρασίας. Ως σύγχρονοι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη (PMSM), η επαγόμενη ηλεκτρεγερτική δύναμη έχει ημιτονοειδή μορφή σε αντίθεση με αυτή των BLDC κινητήρων που έχει τραπεζοειδή μορφή. -58-

75 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.2: Ο σύγχρονος κινητήρας μόνιμου μαγνήτη ME0907 [1]. Επίσης, στο Σχήμα 3.3 παρουσιάζονται οι χαρακτηριστικές καμπύλες το κινητήρα ME0907. Αναγράφεται ο κωδικός προϊόντος ME (πλήρης κωδικός ME ) που αποτελεί τον προκάτοχο του ME0907. Η μόνη διαφορά των δύο κινητήρων είναι ότι ο ME0907 περιλαμβάνει και αισθητήρα θερμοκρασίας. Σχήμα 3.3: Χαρακτηριστικές καμπύλες του κινητήρα ME0907 [1]. Οι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη χρησιμοποιούνται κατά κόρον στα ηλεκτροκίνητα οχήματα χάρη στο μικρό τους όγκο και βάρος, καθώς και επειδή εμφανίζουν ορισμένα πλεονεκτήματα σε σχέση με τους ασύγχρονους κινητήρες. Λόγω της ύπαρξης των μόνιμων μαγνητών στο δρομέα, οι κινητήρες αυτοί διαρρέονται από μικρότερο ρεύμα στάτη από τους ασύγχρονους -59-

76 Κεφάλαιο 3 ο γιατί δεν απαιτείται ρεύμα μαγνήτισης, Επιπλέον, ο δρομέας των κινητήρων μόνιμου μαγνήτη δεν διαρρέεται από ρεύμα, με αποτέλεσμα να μην εμφανίζονται ωμικές απώλειες επάνω σε αυτόν άρα και η θερμοκρασία λειτουργίας είναι μικρότερη. Το μικρό διάκενο των κινητήρων μόνιμου μαγνήτη οδηγεί στη μεγαλύτερη αξιοπιστία αυτών λόγω του περισσότερου χώρου που μπορεί να καταλάβει ο δρομέας σε περίπτωση ταλαντώσεων. Επίσης, το μεγάλο διάκενο οδηγεί σε μικρότερες ακτινικές δυνάμεις καταπόνησης προς το δρομέα. Το μεγάλο μειονέκτημα των κινητήρων μόνιμου μαγνήτη αποτελεί το υψηλό τους κόστος, λόγω των ακριβών μόνιμων μαγνητών που κατασκευάζονται από σπάνια υλικά. Επιπλέον, με την πάροδο των χρόνων οι μόνιμοι μαγνήτες εξασθενούν με αποτέλεσμα τη ραγδαία μείωση της ισχύος των κινητήρων που τους χρησιμοποιούν. Η εξασθένηση των μαγνητών είναι λιγότερο από 3% σε μια δεκαετία για θερμοκρασίες χρήσης μικρότερες των 100 ο C, πολύ μεγαλύτερος από τη μέση διάρκεια ζωής ενός αυτοκινήτου. Από το γεγονός αυτό συμπεραίνουμε ότι η απομαγνήτιση δε συνίσταται λόγος για τη μη εφαρμογή των κινητήρων αυτών σε ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα. Σχήμα 3.4: Κόστος σε ποσοστό κάθε τμήματος ενός κινητήρα μόνιμου μαγνήτη [31]. 3.3 Ελεγκτές κινητήρωνοι ελεγκτές των κινητήρων (motor controllers) είναι οι ΚΒL72301 της εταιρίας Kelly Controller. Λειτουργούν με DC τάση τροφοδοσίας 72V και επιτρέπουν συνεχόμενη ροή ρεύματος 150Α. Η συχνότητα λειτουργίας του είναι 16,6kHz. Ο σκοπός των ελεγκτών των κινητήρων είναι να τροφοδοτήσουν τη μηχανή κατάλληλα μετατρέποντας τη DC τάση των συσσωρευτών σε εναλλασσόμενη. Μια πολύ σημαντική λειτουργία που παρέχουν, είναι η επιλογή ελέγχου ρεύματος ή στροφών μέσα από το σύστημα αυτομάτου ελέγχου που περιλαμβάνουν. Στην παρούσα διπλωματική εργασία έχει -60-

77 Κεφάλαιο 3 ο επιλεχθεί ο εσωτερικός έλεγχος στροφών των εν λόγω ελεγκτών, προκειμένου να τεθούν οι αναφορές, που εξάγονται από το γεωμετρικό μοντέλο Ackermann, στους κινητήριους τροχούς. Επιπλέον, δίνουν τη δυνατότητα αναγεννητικής πέδησης των κινητήρων επιστρέφοντας ενέργεια στο σύστημα των συσσωρευτών κατά την επιβράδυνση, και την κίνηση σε κατηφόρα με σταθερή αναφορά από το πεντάλ του επιταχυντή. Για την είσοδο της αναφοράς ταχύτητας και της πέδησης, χρησιμοποιούνται δύο αναλογικές είσοδοι των ελεγκτών που δέχονται τιμές τάσης στο εύρος των 0-5V. Μια πολύ σημαντική λειτουργία των ελεγκτών, είναι οι αυτόματες λειτουργίες προστασίας του συστήματος σε περίπτωση βλάβης. Αναλαμβάνουν να διακόψουν την παροχή της ισχύος όταν αντιληφθούν υπερθέρμανση του κινητήρα, πτώση ή αύξηση της τάσης των μπαταριών πέρα από τα επιτρεπτά όρια, απώλεια σήματος των αισθητήρων Hall, αλλαγή της κατεύθυνσης κίνησης με μη μηδενική αναφορά ταχύτητας κ.α. Επίσης, ο χρήστης ενημερώνεται αν συμβεί κάτι από τα παραπάνω μέσω μιας ενδεικτικής λυχνίας που αναβοσβήνει με μοτίβο χαρακτηριστικό του κάθε σφάλματος. Σχήμα 3.5: Ο ελεγκτής ΚΒL72301 της εταιρίας Kelly Controllers [32]. 3.4 Συσσωρευτές Το σύστημα των συσσωρευτών, αποτελεί το ακριβότερο εξάρτημα ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος. Για το λόγο αυτό, η επιλογή του πρέπει να γίνει εξετάζοντας το κόστος αγοράς και συντήρησης, την τάση κάθε κελιού, την απαιτούμενη χωρητικότητα, το βάρος, τον όγκο και τη διάρκεια ζωής. Στο εξεταζόμενο όχημα, χρησιμοποιούνται κελιά συσσωρευτών λιθίουσιδήρου-φωσφόρου με επικάλυψη υττρίου. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιείται το μοντέλο κελιού LFP090AHA της εταιρίας WINSTONbattery. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά του δίνονται στον Πίνακα

78 Κεφάλαιο 3 ο Ονομασία μοντέλου LFP090AHA Παλαιότερες ονομασίες TS-LFP90AHA, TS- LYP90AHA Ονομαστική τάση 3,2V Η τάση λειτουργίας υπό φορτίο είναι 3,0V Χωρητικότητα 90 Ah +/- 5% Τάση λειτουργίας Μέγιστη 4,0V ελάχιστη 2,8V Σε στάθμη εκφόρτισης 80% Ελάχιστη τάση βαθιάς εκφόρτισης 2,5V Μέγιστη τάση φόρτισης 4,0V Το κελί υφίστανται βλάβη αν η τάση πέσει κάτω από το επίπεδο Το κελί υφίστανται βλάβη αν η τάση ξεπεράσει το επίπεδο Βέλτιστο ρεύμα εκφόρτισης <45A 0,5C Μέγιστο ρεύμα εκφόρτισης <270A Μέγιστη κορυφή του ρεύματος εκφόρτισης 3C, συνεχόμενα μέχρι 15 min ξεκινώντας από την πλήρη φόρτιση <1800A 20C, μέγιστος χρόνος 5s για κάθε λεπτό Βέλτιστο ρεύμα φόρτισης <45A 0,5C <3C με την προϋπόθεση Μέγιστο ρεύμα φόρτισης <270A επίβλεψης της θερμοκρασίας των κελιών Μέγιστη θερμοκρασία συνεχούς λειτουργίας 80 o C Ανώτατο όριο για οποιεσδήποτε συνθήκες Διαστάσεις 143x61x218 mm +/- 2mm Βάρος 3,1kg +/- 150g Πίνακας 3.3: Τεχνικά χαρακτηριστικά του κελιού LFP090AHA της εταιρίας WINSTONbattery [1]. -62-

79 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.6: Χαρακτηριστική καμπύλη αυτοεκφόρτισης κελιού [1]. Από τα παραπάνω στοιχεία, παρατηρούμε την υψηλή πυκνότητα ενέργειας, μικρό όγκο, μεγάλες ποσότητες ρεύματος και χαμηλή αυτοεκφόρτιση που προσφέρουν τα κελιά ιόντων λιθίου, κάνοντάς τα ιδανικά για εφαρμογές αυτοκίνησης. Το σύστημα των συσσωρευτών περιλαμβάνει 24 συσσωρευτές συνδεδεμένους σε σειρά με συνολική χωρητικότητα σε ενέργεια 2160Ah και συνολική ονομαστική τάση 76,8V [1]. Σχήμα 3.7: Το κελί LFP090AHA της εταιρίας WINSTONbattery [1]. 3.5 Είσοδοι προς το μικροϋπολογιστικό σύστημα Προκειμένου να πραγματοποιηθεί ο έλεγχος του οχήματος, χρησιμοποιήθηκαν αισθητήρες και όργανα για την είσοδο δεδομένων προς το μικροϋπολογιστικό σύστημα. Η τοποθέτηση των περισσότερων αισθητήρων και οργάνων έγινε στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας -63-

80 Κεφάλαιο 3 ο του Δ. Βιδιαδάκη και της Ν. Τσιάρα. Στο χωρίο αυτό παρουσιάζεται αναλυτικά ο κάθε αισθητήρας και η λειτουργία του Αισθητήρας μέτρησης στροφής τιμονιού Για τη μέτρηση της επιθυμητής γωνίας στροφής που αποτελεί βασική είσοδο για το ηλεκτρονικό διαφορικό χρησιμοποιήθηκε ο περιστρεφόμενος ψηφιακός αποκωδικοποιητής MA3 της εταιρίας UsDigital. Ο κωδικοποιητής αυτός έχει ως έξοδο ένα παλμό πλάτους 0-5V, με μεταβλητό εύρος 0-100% ανάλογο της περιστροφής του και συχνότητα 243Hz. Μόλις πραγματοποιηθεί μια πλήρης περιστροφή, η έξοδος του κωδικοποιητή λαμβάνει πάλι την τιμή 0 και συνεχίζει να αυξάνει το εύρος του παλμού όσο αυτός περιστρέφεται. Μια σημαντική ιδιότητα του κωδικοποιητή αυτού, είναι ότι διατηρεί την τιμή της απόκλισης του στην περίπτωση διακοπής και επαναφοράς της τροφοδοσίας. Έτσι, αν το μικροϋπολογιστικό σύστημα του οχήματος αποσυνδεθεί με το τιμόνι σε στροφή κατά την επανασύνδεση ο κωδικοποιητής θα δίνει ως έξοδο τη σωστή τιμή. Η ψηφιακή έξοδος του κωδικοποιητή, οδηγείται στο μικροελεγκτή του ηλεκτρονικού διαφορικού. Σχήμα 3.8: Ο κωδικοποιητής MA3 της εταιρίας UsDigital [1]. -64-

81 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.9: Η έξοδος του κωδικοποιητή για στροφή του τιμονιού δεξιά. Το τιμόνι του οχήματος εκτελεί μιάμιση στροφή ως προς τις ακριανές θέσεις. Επομένως είναι αναγκαία η χρήση ενός συστήματος με γρανάζια και αλυσίδα με λόγο 1/1,5 για την αντιστοιχία της στροφής του τιμονιού σε μία πλήρη περιστροφή του κωδικοποιητή. Επίσης, για θέση τιμονιού στο κέντρο, ο παλμός έχει εύρος 50%, για θέση τιμονιού αριστερά ο παλμός έχει εύρος 0-50%, ενώ για θέση τιμονιού δεξιά ο παλμός έχει εύρος %. Αξίζει να σημειωθεί ότι στα μεγαλύτερα αυτοκίνητα, το τιμόνι στρίβει ±720 μοίρες, με αποτέλεσμα να απαιτείται ένας πιο σύνθετος αισθητήρας μέτρησης γωνίας. Σχήμα 3.10: Σύστημα μέτρησης γωνίας στροφής του τιμονιού [1]. -65-

82 Κεφάλαιο 3 ο Πεντάλ επιταχυντή Η εταιρία Kelly Controllers παρέχει δύο διαφορετικά είδη πεντάλ επιταχυντών. Το πρώτο αποτελείται από μια μεταβλητή αντίσταση 0-5kΩ και ενδιάμεση λήψη, ενώ το δεύτερο παρέχει αναλογική έξοδο από 0,86-4,2V. Στην προκειμένη περίπτωση χρησιμοποιήθηκε το πεντάλ με την αναλογική έξοδο 0,86-4,2V. Τα πεντάλ της Kelly Controllers περιλαμβάνουν και μια ψηφιακή έξοδο που ενεργοποιείται με το πάτημα του πεντάλ. Ο λόγος ύπαρξης της ψηφιακής εξόδου που λαμβάνει τιμές 0V ή 5V είναι για την πρόληψη της ακούσιας επιτάχυνσης του οχήματος λόγω της ύπαρξης θορύβου στην αναλογική θύρα. Έτσι, η ενεργοποίηση της ψηφιακής θύρας πρέπει να αποτελεί αναγκαία συνθήκη για την ανάγνωση της αναλογικής τιμής από το μικροϋπολογιστικό σύστημα του οχήματος. Σχήμα 3.11: Ο αναλογικός επιταχυντής της εταιρίας Kelly Controllers [1]. Η αναλογική έξοδος του πεντάλ του επιταχυντή συνδέεται στο μικροελεγκτή του ηλεκτρονικού διαφορικού, όπου γίνεται η ανάγνωση της αναλογικής τιμή μέσω της μονάδας Analog to Digital Converter (ADC) Αισθητήρες μέτρησης θερμοκρασίας των συσσωρευτών Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας των συσσωρευτών χρησιμοποιήθηκαν οι αισθητήρες TC74 της εταιρίας Microchip. Οι αισθητήρες αυτοί, είναι ψηφιακά θερμόμετρα που -66-

83 Κεφάλαιο 3 ο επικοινωνούν με το μικροελεγκτή μέσω του σειριακού πρωτοκόλλου Inter-Integrated Circuit (IIC ή I2C) χρησιμοποιώντας τέσσερις ακίδες (pins) για τη μεταφορά των δεδομένων Αισθητήρες μέτρησης των ταχυτήτων των εμπρόσθιων τροχών Για τις ανάγκες της παρούσας διπλωματικής εργασίας, τοποθετήθηκαν αισθητήρες μέτρησης των ταχυτήτων των εμπρόσθιων τροχών. Οι αισθητήρες που επιλέχθηκαν είναι οι GS1005 της εταιρίας Cherry. Για τη λειτουργία τους αξιοποιούν το φαινόμενο Hall κατά το οποίο δημιουργείται μια διαφορά δυναμικού (η τάση Hall) στο πλάτος ενός ηλεκτρικού αγωγού κάθετα στη διεύθυνση του ρεύματος που τον διαρρέει, όταν αυτός τοποθετηθεί σε ένα μαγνητικό πεδίο. Σχήμα 3.12: Ο αισθητήρας GS1005 της εταιρίας Cherry [33]. Ο αισθητήρας περιλαμβάνει ένα μόνιμο μαγνήτη στο εσωτερικό του και αντιλαμβάνεται την παρουσία ενός φερρομαγνητικού υλικού. Η παρουσία του φερρομαγνητικού υλικού, διαταράσσει το μαγνητικό πεδίο του αισθητήρα, με αποτέλεσμα να δημιουργείται μια τάση Hall. Η τάση αυτή ενισχύεται σε δύο επίπεδα 0V και 5V, με τη μηδενική τιμή όταν ανιχνεύεται το φερρομανητικό υλικό. Η μέτρηση της συχνότητας του παλμού συνεπάγεται τη μέτρηση της ταχύτητας περιστροφής του τροχού. Το φερρομαγνητικό υλικό που ενεργοποιεί τον αισθητήρα, είναι τα παξιμάδια που βρίσκονται στο δισκόφρενο. Επειδή υπάρχουν πέντε παξιμάδια, η συχνότητα που προκύπτει είναι οκταπλάσια της συχνότητας περιστροφής του τροχού. -67-

84 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.13: Η διάταξη εσωτερικά του αισθητήρα Hall [33]. 3.6 Συμπληρωματικά συστήματα Τροφοδοτικό 76,8V/12V Προκειμένου να τροφοδοτηθεί το μικροϋπολογιστικό σύστημα με την απαραίτητη τάση για τη λειτουργία του, έχει συνδεθεί ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας τύπου Buck. Ο μετατροπέας αυτός, υποβαθμίζει την τάση των μπαταριών σε 12V και η ενεργοποίησή του συνεπάγεται την ενεργοποίηση του μικροϋπολογιστικού συστήματος. Σχήμα 3.14: Το τροφοδοτικό 76,8V/12V DC και το ρελαί ελέγχου του. -68-

85 Κεφάλαιο 3 ο Βοηθητικός συσσωρευτής οξέος μολύβδου Για τη λειτουργία των φώτων και της κόρνας, που πρέπει να είναι διαθέσιμα και σε περίπτωση βλάβης του συστήματος συσσωρευτών, χρησιμοποιείται ένας βοηθητικός συσσωρευτής οξέος μολύβδου. Επιπλέον, ο συσσωρευτής αυτός αναλαμβάνει να τροφοδοτήσει τα βοηθητικά ρελέ που ενεργοποιούν το τροφοδοτικό 76,8V/12V και τα ρελέ που ενεργοποιούν τους ελεγκτές των κινητήρων. Επίσης, μέσω του συσσωρευτή αυτού, τροφοδοτείται το πηνίο του ρελέ που συνδέει και αποσυνδέει το κύκλωμα ισχύος από τις μπαταρίες Διακόπτης άμεσης διακοπής σε περίπτωση κινδύνου Αριστερά από τη θέση του οδηγού βρίσκεται ο διακόπτης τύπου μανιτάρι για την άμεση διακοπή του συστήματος συσσωρευτών από τα υπόλοιπα συστήματα του οχήματος σε περίπτωση βλάβης. Ο διακόπτης αυτός οπλίζει το ρελέ που συνδέει και αποσυνδέει το κύκλωμα ισχύος από τις μπαταρίες, και είναι τύπου κανονικά ανοικτός. Δηλαδή, όταν είναι πατημένος διακόπτει το κύκλωμα ισχύος. Σχήμα 3.15: Ο διακόπτης άμεσης διακοπής σε περίπτωση κινδύνου Σύστημα φώτων Το σύστημα φώτων και κόρνας, τροφοδοτείται από το βοηθητικό συσσωρευτή οξέος μολύβδου. Η λειτουργία του είναι όμοια με τα συμβατικά οχήματα, με το χειριστήριο να βρίσκεται ως λεβιές στα αριστερά του τιμονιού. Για να τεθεί το σύστημα των φώτων σε -69-

86 Κεφάλαιο 3 ο λειτουργία, ο οδηγός πρέπει να ενεργοποιήσει το διακόπτη με την ένδειξη LIGHTS που βρίσκεται στον πίνακα οργάνων. 3.7 Πρώτη έκδοση ηλεκτρονικού διαφορικού Η πρώτη έκδοση του ηλεκτρονικού διαφορικού, αναλαμβάνει να συλλέξει τη γωνία στροφής του τιμονιού και την αναφορά από τον επιταχυντή, ώστε να οδηγήσει τους κινητήριους τροχούς με τις κατάλληλες αναφορές ταχύτητας και να επιτευχθεί σωστά η στροφή του οχήματος. Σε αυτή την έκδοση, το μικροϋπολογιστικό σύστημα, υλοποιείται εξολοκλήρου σε μία πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος που βρίσκεται στο οπίσθιο τμήμα του οχήματος. Η υλοποίηση αυτή έχει το αρνητικό της μη δυνατότητας συνεργασίας με περιφερειακές συσκευές καθώς δεν έχει τις προδιαγραφές υλοποίησης κάποιου διαύλου επικοινωνίας. Επιπλέον, σε αυτή καταλήγει ένας μεγάλος όγκος καλωδίων αφού αναλαμβάνει να συλλέξει τα απαραίτητα σήματα από τους αισθητήρες, και να οδηγήσει κατάλληλα και τους δύο ελεγκτές των κινητήρων. Έτσι, αυξάνεται σημαντικά το σύνολο και η πολυπλοκότητα των καλωδιώσεων που οδηγεί σε δύσκολη αποσφαλμάτωση και συντήρηση της καλής λειτουργίας του οχήματος. Σημαντικό μειονέκτημα της προσέγγισης αυτής είναι η απουσία της δυνατότητας αλληλεπίδρασης του συστήματος με το χρήστη μέσω της μεταφοράς των δεδομένων λειτουργίας. Αποτέλεσμα του παραπάνω είναι η έλλειψη της δυνατότητας συλλογής και απεικόνισης των δεδομένων, αφού η μέτρηση των ηλεκτρικών και μηχανικών μεγεθών μέσω κατάλληλων οργάνων, είναι δύσκολη κατά την κίνηση του οχήματος. Σχήμα 3.16: Η πρώτη έκδοση του ηλεκτρονικού διαφορικού [1]. -70-

87 Κεφάλαιο 3 ο Για να ξεπεραστούν οι παραπάνω περιορισμοί, η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως κύριο στόχο, πέρα από την υλοποίηση του αλγόριθμου του διαφορικού, την κατασκευή ενός μικροϋπολογιστικού συστήματος ευέλικτου, με δυνατότητες συλλογής και απεικόνισης δεδομένων. Η χρήση τεσσάρων μικροελεγτών, ένας για κάθε κύριο εξάρτημα του οχήματος, προσδίδει τη δυνατότητα άμεσης λήψης και επεξεργασίας των δεδομένων με αποκεντρωμένη προσέγγιση. Μικροελεγκτές τοποθετήθηκαν για την υλοποίηση της λειτουργίας του διαφορικού ηλεκτρονικά, την αλληλεπίδραση με το χρήστη και τη συλλογή και αποστολή δεδομένων προς τους ελεγκτές των κινητήρων. Όλοι οι μικροελεγκτές είναι συνδεδεμένοι σε ένα δίαυλο CAN ώστε να γίνεται γρήγορη και αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων, χρησιμοποιώντας μόνο δύο καλώδια. -71-

88 -72- Κεφάλαιο 3 ο

89 Κεφάλαιο 4 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥ ΔΙΑΦΟΡΙΚΟΥ 4.1 Δομικό διάγραμμα συστήματος Το ηλεκτρονικό διαφορικό είναι ένα τμήμα από το μικροϋπολογιστικό σύστημα που προτάθηκε στην παρούσα διπλωματική εργασία. Το σύστημα λαμβάνει τις απαραίτητες εισόδους από τα ηλεκτρικά και μηχανικά μεγέθη του οχήματος και δίνει τις απαραίτητες εξόδους για το σωστό έλεγχο. Επίσης, υλοποιεί την επικοινωνία με το χρήστη ώστε να γίνεται άμεση ενημέρωση για τη κατάσταση του οχήματος, καθώς και εξαγωγή συμπερασμάτων. Έχει δοθεί ιδιαίτερη βάση στη δομή του υλικού του συστήματος ώστε κάθε νέο ζήτημα που προκύπτει να επιλύεται με προσθήκες και μεταβολές στο λογισμικό. Ο όγκος δεδομένων που μεταδίδονται και μπορούν να ελεγχθούν με χρήση μικροελεγκτών προσδίδει μεγάλη ευελιξία στην εφαρμογή περεταίρω βελτιστοποιήσεων. Σημειώνεται ότι νέες προσθήκες στο υλικό μπορούν να πραγματοποιηθούν χωρίς να εμποδίζονται οι λειτουργίες που επιτελεί το ήδη υπάρχον σύστημα. Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση ενός διαύλου επικοινωνίας CAN στον οποίο συνδέονται τα επιμέρους υποσυστήματα. Τα δεδομένα μεταδίδονται προς όλες τις κατευθύνσεις και είναι διαθέσιμα σε κάθε σημείο του οχήματος. Έτσι, για να λειτουργήσει μια νέα περιφερειακή συσκευή και να αξιοποιήσει τα δεδομένα που λαμβάνονται από το υπάρχον σύστημα, αρκεί να συνδεθεί στο δίαυλο. Το σύστημα αποτελείται τρία κύρια υποσυστήματα, το μηχανολογικό, το ηλεκτρικό και το ηλεκτρονικό. Το μηχανολογικό υποσύστημα περιλαμβάνει το σασί, τους τροχούς, το σύστημα διεύθυνσης και το σύστημα μετάδοσης της κίνησης. Το ηλεκτρικό σύστημα περιλαμβάνει τους συσσωρευτές, τους ελεγκτές των κινητήρων και τους κινητήρες. Το ηλεκτρονικό σύστημα είναι στην ουσία το μικροϋπολογιστικό σύστημα μαζί με τους απαραίτητους αισθητήρες. Οι ηλεκτρονικές πλακέτες του μικροϋπολογιστικού συστήματος είναι η πλακέτα του ηλεκτρονικού διαφορικού, η πλακέτα αλληλεπίδρασης με το χρήστη, η πλακέτα αλληλεπίδρασης με τον ελεγκτή του δεξιού κινητήρα και η πλακέτα αλληλεπίδρασης με τον ελεγκτή του αριστερού κινητήρα. Στο Σχήμα 4.1 παρουσιάζεται αναλυτικά το δομικό διάγραμμα του συστήματος. -73-

90 Κεφάλαιο 4 ο Έμπροσθεν δεξιός τροχός Επιταχυντής Kelly Controller δεξιός PCB Διαφορικού Controller PCB Δεξιά BMS Δεξιός κινητήρας Συσσωρευτές Γωνία στροφής ` CAN bus Dashboard Controller PCB Αριστερά Αριστερός κινητήρας Έμπροσθεν αριστερός τροχός PC UART Είσοδος από τον οδηγό Kelly Controller αριστερός Σχήμα 4.1: Το δομικό διάγραμμα όλου του συστήματος. Στο παραπάνω σχήμα, τα πορτοκαλί βέλη δείχνουν τη ροή ισχύος από τους συσσωρευτές στους κινητήρες. Τις χρονικές στιγμές που πραγματοποιείται αναγεννητική πέδηση, η ενέργεια ρέει αντίστροφα. Επίσης, με πράσινο πλαίσιο, συνεχές ή διακεκομμένο, διακρίνονται τα υποσυστήματα που τοποθετήθηκαν σε προηγούμενη διπλωματική εργασία, ενώ με κόκκινο πλαίσιο, συνεχές ή διακεκομμένο διακρίνονται τα υποσυστήματα που τοποθετήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Εξαιρείται το BMS που συμβολίζει το σύστημα διαχείρισης των συσσωρευτών και είναι αντικείμενο μελέτης μιας υπό εξέλιξη διπλωματικής εργασίας. Στο κέντρο του σχήματος εντοπίζεται ο δίαυλος επικοινωνίας CAN στον οποίο συνδέονται και οι πέντε πλακέτες για να μεταφέρουν τα κατάλληλα δεδομένα. -74-

91 Κεφάλαιο 4 ο 4.2 Περιγραφή του επιλεγμένου μικροελεγκτή Ο επιλεγμένος μικροελεγκτής αποτελεί μοντέλο της οικογένειας μικροελεγκτών DSPIC30F της εταιρίας Microchip. Η οικογένεια αυτή αποτελείται από μικροελεγκτές με δίαυλο δεδομένων 16bit και δίαυλο εντολών 24bit. Κάθε μικροελεγκτής περιλαμβάνει εσωτερικές μονάδες οι οποίες εντάσσονται στις τρεις παρακάτω κατηγορίες: 1) Ο πυρήνας της κεντρικής μονάδας επεξεργασίας. Η κατηγορία αυτή περιλαμβάνει την κεντρική μονάδα επεξεργασίας, τη μονάδα ψηφιακής επεξεργασίας σημάτων, τη μνήμη δεδομένων, τη μνήμη προγράμματος και τη μονάδα που χειρίζεται τις διακοπές. 2) Η κατηγορία ολοκλήρωσης του συστήματος. Στην κατηγορία αυτή περιλαμβάνονται λειτουργίες που ενισχύουν την αξιοπιστία και ευελιξία του συστήματος, όπως ο ταλαντωτής, η λειτουργία επαναφοράς (Reset), ο προγραμματιστής και μονάδες που χειρίζονται έκτακτες καταστάσεις (Watchdog timer, ανιχνευτής βύθισης τάσης κ.α.). 3) Περιφερειακά. Η κατηγορία αυτή αποτελεί τον κύριο λόγο για τον οποίο οι μικροελεγκτές είναι τόσο δημοφιλείς σε εφαρμογές ελέγχου. Οι ενσωματωμένες μονάδες περιφερειακών (CAN, Timers, Input Capture, PWM, UART,ADC κ.α.) παρέχουν ένα μεγάλο αριθμό λειτουργιών στο σχεδιαστή του συστήματος χωρίς να απαιτούνται επιπλέον ολοκληρωμένα κυκλώματα και σύνθετες εξωτερικές συνδέσεις. Για την παρούσα διπλωματική εργασία έχει επιλεχθεί ο μικροελεγκτής DSPIC30F4011 της παραπάνω οικογένειας που έχει εσωτερικό ταλαντωτή RC συχνότητας F OSC =7,37MHz και με χρήση του ενσωματωμένου PLL λειτουργεί σε συχνότητα F OSC =117,92MHz. Η μέγιστη συχνότητα εκτέλεσης των εντολών είναι η F OSC /4=29,48MHz επειδή απαιτούνται τέσσερις κύκλοι ρολογιού για κάθε κύκλο εντολής. Για τις ανάγκες αυτής της διπλωματικής εργασίας ο ταλαντωτής έχει ρυθμιστεί στη μέγιστη συχνότητα 117,92MHz. Στο σχήμα που ακολουθεί παρουσιάζεται το δομικό διάγραμμα του DSPIC30F

92 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.2: Το δομικό διάγραμμα του DSPIC30F4011 [34]. -76-

93 Κεφάλαιο 4 ο Συνολικά, σε όλες της πλακέτες που κατασκευάστηκαν για την παρούσα εργασία έχουν χρησιμοποιηθεί έξι από τα δέκα περιφερειακά συστήματα του μικροελεγκτή και θα παρουσιαστούν στη συνέχεια εν συντομία Η μονάδα μετατροπής αναλογικού σε ψηφιακού (ADC). Ο επιλεγμένος μικροελεγκτής περιλαμβάνει μια μονάδα μετατροπής αναλογικού σε ψηφιακού σήματος (Analog to Digital Converter) με εύρος 10bit. Αυτό σημαίνει ότι έχει 2 10 ψηφιακές στάθμες και η έξοδος του κυμαίνεται από 0 έως Υπάρχει η δυνατότητα τροφοδοσίας της μονάδας με διαφορετικές τάσεις αναφοράς από την τροφοδοσία του μικροελεγτή. Αυτή η πολύ σημαντική δυνατότητα είναι χρήσιμη σε περιπτώσεις όπου πρέπει να μετρηθούν με ακρίβεια τάσεις αρκετά μικρότερες από τα 5V που είναι η τροφοδοσία του ολοκληρωμένου ή σε περιπτώσεις που η μετρούμενη τάση έχει διαφορετική τάση αναφοράς. Επίσης, είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν μεταβλητές αναλογικές είσοδοι ως τάσεις αναφοράς. Η μονάδα μπορεί να πραγματοποιήσει μετατροπές με δειγματοληψία έως και 500ksps και περιλαμβάνει 8 αναλογικές εισόδους πολυπλεγμένες σε τέσσερα κανάλια. Επιπλέον, εξωτερικά γεγονότα μπορούν να ενεργοποιήσουν τη διαδικασία της μετατροπής. Τέλος, οι έξοδοι των μετατροπέων μπορούν να ληφθούν σε διάφορες αριθμητικές μορφές όπως ακέραιοι αριθμοί ή δεκαδικοί. Στην εργασία αυτή, η μονάδα τροφοδοτείται με τάσεις 0V, 5V και μπορεί να αντιληφθεί τάσεις με ακρίβεια: rrrrrrrrct = 5V 1024 = 4,88mm -77-

94 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.3: Το δομικό διάγραμμα του ADC [34] Οι μονάδα των χρονιστών Ο μικροελεγκτής περιλαμβάνει πέντε χρονιστές (Timers) των 16bit. Τα δύο ζευγάρια των χρονιστών μπορούν να λειτουργήσουν ως δύο μεγαλύτεροι χρονιστές των 32bit. Οι χρονιστές μπορούν να λειτουργήσουν σε τρεις λειτουργίες: 1) Λειτουργία ως χρονιστές με χρήση του εσωτερικού ρολογιού. Στη λειτουργία αυτή, η τιμή του χρονιστή αυξάνεται με συχνότητα ίση με την F OSC /4 διαιρούμενη με ένα προδιαιρέτη που έχει ορίσει ο χρήστης. Έτσι, αν για παράδειγμα ο προδιαιρέτης λάβει την τιμή 1/64 η τιμή του χρονιστή αυξάνεται κατά μία μονάδα για κάθε 64 παλμούς του ρολογιού. 2) Λειτουργία ως ασύγχρονοι καταμετρητές. Στη λειτουργία αυτή, ο χρονιστής λειτουργεί ως καταμετρητής εξωτερικών γεγονότων που συμβαίνουν σε καθορισμένες ακίδες. 3) Λειτουργία ως σύγχρονος καταμετρητής. Σε αυτή τη λειτουργία ο χρονιστής αυξάνει την τιμή του σύγχρονα με ένα εξωτερικό ρολόι. -78-

95 Κεφάλαιο 4 ο Όταν η τιμή του χρονιστή φτάσει την προκαθορισμένη περίοδο, αποστέλλεται μια διακοπή, σηκώνεται μια σημαία και ξεκινά η μέτρηση από το μηδέν. Ο χρήστης πρέπει στο λογισμικό να προβλέψει να επαναφέρει τη σημαία αφού αναγνωρίσει ότι ο χρονιστής ολοκλήρωσε μια περίοδο. Στην παρούσα εργασία οι χρονιστές χρησιμοποιούνται σε όλες τις διεργασίες που μετρούν χρόνο ή προσδίδουν καθυστέρηση σε εντολές, με κυριότερη την αποστολή δεδομένων στο δίαυλο Η μονάδα Input Capture Η μονάδα Input Capture είναι ιδιαίτερα χρήσιμη σε εφαρμογές που απαιτούν μέτρηση συχνότητας ή εύρους παλμών ή άλλων φαινομένων που απαιτείται γνώση της χρονικής διάρκειάς τους. Η μονάδα αντιλαμβάνεται την άνοδο και την κάθοδο της τάσης και δημιουργεί μια διακοπή (Interrupt) όταν αντιληφθεί γεγονός. Επίσης αποθηκεύει την τιμή ενός χρονιστή σε ένα καταχωρητή. Έτσι, υπολογίζοντας το χρονικό διάστημα μεταξύ δύο γεγονότων μπορούν να εξαχθούν χρήσιμα συμπεράσματα. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί από το σχεδιαστή του συστήματος όταν εξυπηρετεί τις υπορουτίνες των διακοπών που δημιουργούνται από τη μονάδα. Αν δε διαβαστούν οι τιμές των καταχωρητών για τέσσερα γεγονότα, η μονάδα σταματά να καταγράφει γεγονότα μέχρι να διαβαστούν και τα τέσσερα καταχωρημένα γεγονότα με τη λογική FIFO. Σε αυτή τη διπλωματική εργασία, η μονάδα Input Capture χρησιμοποιείται για δύο σκοπούς των οποίων παραθέτονται οι αλγόριθμοι: 1) Μέτρηση συχνότητας τετραγωνικού παλμού αδιάφορου πλάτους. Η λειτουργία αυτή χρησιμοποιείται για τη μέτρηση των ταχυτήτων και των τεσσάρων τροχών. -79-

96 Κεφάλαιο 4 ο ΑΡΧΗ ΑΡΧΙΚΟΠΟΙΗΣΕ ΤΗ ΜΟΝΑΔΑ INPUT CAPTURE ΩΣΤΕ ΝΑ ΔΗΜΙΟΥΡΓΕΙ ΔΙΑΚΟΠΗ ΚΑΤΆ ΤΗΝ ΑΝΟΔΟ ΤΟΥ ΠΑΛΜΟΥ ΑΡΧΙΚΟΠΟΙΗΣΕ ΤΟΝ ΑΝΤΙΣΤΟΙΧΟ TIMER ΜΕ ΠΡΟΔΙΑΙΡΕΤΗ 1/256 ΑΝ ΔΗΜΙΟΥΡΓΗΘΕΙ ΔΙΑΚΟΠΗ ΛΟΓΩ ΑΥΞΟΥΣΑΣ ΠΑΡΥΦΗΣ ΔΩΣΕ ΣΤΟ ΜΕΤΡΗΤΗ ΤΗΝ ΤΙΜΗ 0 ΑΝ ΕΡΘΕΙ Η ΑΥΞΟΥΣΑ ΠΑΡΥΦΗ ΤΟΥ ΠΑΛΜΟΥ ΝΑΙ ΑΥΞΗΣΕ ΤΗΝ ΤΙΜΗ ΤΟΥ ΜΕΤΡΗΤΗ ΜΗΔΕΝΙΣΕ ΤΗΝ ΤΙΜΗ ΤΟΥ TIMER ΝΑΙ ΑΝ Ο ΜΕΤΡΗΤΗΣ ΕΧΕΙ ΤΗΝ ΤΙΜΗ 0 ΟΧΙ ΔΩΣΕ ΣΤΟ ΜΕΤΡΗΤΗ ΤΗΝ ΤΙΜΗ 0 ΜΕΤΕΤΡΕΨΕ ΤΗΝ ΤΙΜΗ ΤΟΥ TIMER ΣΕ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΕΠΕΣΤΡΕΨΕ ΣΤΟ ΚΥΡΙΩΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ Σχήμα 4.4: Ο αλγόριθμος μέτρησης της συχνότητας του παλμού. Στον παραπάνω αλγόριθμο υπάρχει η εντολή Μετέτρεψε την τιμή του Timer σε συχνότητα. Η εντολή αυτή πραγματοποιείται με τη διαίρεση της συχνότητας του παλμού με μια τιμή που αντιστοιχεί σε γνωστή συχνότητα 10Hz. Έπειτα, με απλή μέθοδο των τριών υπολογίζεται η συχνότητα του μετρούμενου παλμού. 2) Μέτρηση εύρους παλμού γνωστής συχνότητας. Η λειτουργία αυτή χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της εξόδου του αισθητήρα του τιμονιού που έχει γνωστή συχνότητα 243Hz. -80-

97 Κεφάλαιο 4 ο ΑΡΧΗ ΑΡΧΙΚΟΠΟΙΗΣΕ ΤΗ ΜΟΝΑΔΑ INPUT CAPTURE ΩΣΤΕ ΝΑ ΔΗΜΙΟΥΡΓΕΙ ΔΙΑΚΟΠΗ ΚΑΤΆ ΤΗΝ ΑΝΟΔΟ ΤΟΥ ΠΑΛΜΟΥ ΑΡΧΙΚΟΠΟΙΗΣΕ ΤΟΝ ΑΝΤΙΣΤΟΙΧΟ TIMER ΜΕ ΠΡΟΔΙΑΙΡΕΤΗ 1/64 ΑΝ ΔΗΜΙΟΥΡΓΗΘΕΙ ΔΙΑΚΟΠΗ INPUT CAPTURE ΔΩΣΕ ΣΤΟ ΜΕΤΡΗΤΗ ΤΗΝ ΤΙΜΗ 0 ΑΝ ΕΡΘΕΙ ΠΑΡΥΦΗ ΤΟΥ ΠΑΛΜΟΥ ΝΑΙ ΡΥΘΜΙΣΕ ΤΗ ΜΟΝΑΔΑ ΝΑΑΝΙΧΝΕΥΕΙ ΤΗΝ ΠΙΠΤΟΥΣΑ ΠΑΡΥΦΗ ΝΑΙ ΑΝ Ο ΜΕΤΡΗΤΗΣ ΕΧΕΙ ΤΗΝ ΤΙΜΗ 0 ΟΧΙ ΡΥΘΜΙΣΕ ΤΗ ΜΟΝΑΔΑ ΝΑ ΑΝΙΧΝΕΥΕΙ ΤΗΝ ΑΥΞΟΥΣΑ ΠΑΡΥΦΗ ΜΗΔΕΝΙΣΕ ΤΗΝ ΤΙΜΗ ΤΟΥ TIMER ΔΩΣΕ ΣΤΟ ΜΕΤΡΗΤΗ ΤΗΝ ΤΙΜΗ 0 ΑΥΞΗΣΕ ΤΗΝ ΤΙΜΗ ΤΟΥ ΜΕΤΡΗΤΗ ΜΕΤΕΤΡΕΨΕ ΤΗΝ ΤΙΜΗ ΤΟΥ TIMER ΣΕ ΕΥΡΟΣ ΠΑΛΜΟΥ ΕΠΕΣΤΡΕΨΕ ΣΤΟ ΚΥΡΙΩΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ Σχήμα 4.5: Ο αλγόριθμος μέτρησης του εύρους του παλμού. Στον αλγόριθμο αυτό, υπάρχει η εντολή Μετέτρεψε την τιμή του Timer σε εύρος παλμού και πραγματοποιείται διαιρώντας τον χρόνο που ο παλμός είναι μονάδα με το συνολικό χρόνο της περιόδου. -81-

98 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.6: Δομικό διάγραμμα της μονάδας Input Capture [34] Η μονάδα δημιουργίας τετραγωνικών παλμών Ο επιλεγμένος μικροελεγκτής έχει ενσωματωμένη μονάδα δημιουργίας μεταβλητού εύρους παλμών. Η συχνότητα και το εύρος των παλμών μεταβάλλονται με τη χρήση των κατάλληλων καταχωρητών. Η μέθοδος της διαμόρφωσης εύρους παλμών χρησιμοποιείται κατά κόρον στον έλεγχο ηλεκτρικών μηχανών και στη λειτουργία των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος. Το ολοκληρωμένο κύκλωμα περιλαμβάνει τρεις παλμογεννήτριες που οδηγούν τους παλμούς τους μέσω έξι ακίδων. Η ανάλυση της μονάδας φτάνει τα 16bit για τη μικρότερη δυνατή συχνότητα παλμού. Προκειμένου να ρυθμίσει ο χρήστης την περίοδο του παλμού, πρέπει να θέσει την κατάλληλη τιμή στον καταχωρητή PTPER η οποία υπολογίζεται ως: PPPPP = F CC F PPP (Prerctrer) 1 Το εύρος του παλμού ρυθμίζεται μέσω του καταχωρητή PDC με το 50% να δίνεται ως: PPP = PPPPP + 1 Σε αυτή την εργασία η PWM έχει χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία μιας αναλογικής τάσης από 0-5V προκειμένου να δοθούν οι κατάλληλες αναφορές ταχύτητας προς τους ελεγκτές των κινητήρων. Η αναλογική τάση δημιουργείται εισάγοντας τον παλμό σε ένα παθητικό φίλτρο. Η έξοδος του φίλτρου είναι μια σταθερή τάση με πλάτος ίσο με τη μέση -82-

99 -83- Κεφάλαιο 4 ο τιμή του παλμού. Η δομή και η λειτουργία του φίλτρου περιγράφεται στη συνέχεια του κεφαλαίου. 4.3 Αλγόριθμος ηλεκτρονικού διαφορικού Ο αλγόριθμος που υλοποιεί τη λειτουργία του ηλεκτρονικού διαφορικού βασίζεται εξ ολοκλήρου στη γεωμετρία του Ackermann που περιγράφηκε στο Κεφάλαιο 2. Στόχος είναι ο συνεχής υπολογισμός των αναφορών ταχύτητας που αποστέλλονται στους ελεγκτές των κινητήρων προκειμένου να στραφεί το όχημα με σωστό και ασφαλή τρόπο. Οι αναφορές ταχύτητας εισάγονται σαν είσοδος στον κλειστό βρόχο αυτόματου ελέγχου ταχύτητας που υλοποιούν οι επεξεργαστές των ελεγκτών. Η τεχνική αυτόματου ελέγχου που χρησιμοποιείται είναι εργοστασιακή λειτουργία και δεν απαιτεί καμία παρέμβαση από το χρήστη. Για τον υπολογισμό των αναφορών ταχύτητας των οπίσθιων τροχών χρησιμοποιούνται οι σχέσεις (a), (b) που εξάχθηκαν στο Κεφάλαιο 2 και για διευκόλυνση του αναγνώστη επαναλαμβάνονται. ω οο,εε = v οο,εε r W ω οο,εε = v οο,εε r W = V οο r W 1 W 2L οο tttθ (a) = V οο 1 + W tttθ (b) r W 2L οο Στις παραπάνω σχέσεις παρατηρούμε ότι μεταβλητές ποσότητες αποτελούν η γωνία στροφής και η ταχύτητα του οχήματος. Αν όπου V οο r w εξισώσεις γίνονται: ω οο,εε = v οο,εε r W = ω rrr 1 W 2L οο tttθ (a) ω οο,εε = v οο,εε r W = ω rrr 1 + W 2L οο tttθ (b) θέσουμε ω rrr τότε οι παραπάνω Η ω ref αποτελεί την αναφορά του επιταχυντή, ενώ η γωνία θ δίνεται από τον αισθητήρα του τιμονιού. Η αναφορά ταχύτητας εισάγεται στο μικροϋπολογιστικό σύστημα μέσω της μονάδας ADC του μικροελεγτή. Επειδή η απευθείας είσοδος της αναλογικής τάσης ως αναφορά ταχύτητας οδηγεί σε απότομες και ανεξέλεγκτες μεταβολές στην ταχύτητα του οχήματος έχει χρησιμοποιηθεί ένας προδιαιρέτης 1/2,5 ώστε να κάνει τις μεταβολές αυτές πιο ομαλές.

100 Κεφάλαιο 4 ο Σχετικά με την γωνία στροφής, ο αισθητήρας MA3 που έχει τοποθετηθεί στο τιμόνι, έχει έξοδο ανάλογη της γωνίας στροφής των εμπρόσθιων τροχών. Προκειμένου να εξαχθεί η σχέση που συνδέει την επιθυμητή γωνία στροφής με το εύρος παλμού τις εξόδου του κινητήρα έγιναν μετρήσεις που εισήχθησαν σε ειδικό λογισμικό. Το λογισμικό ανέλαβε να εντοπίσει τη βέλτιστη σχέση για την οποία το σφάλμα γίνεται μικρότερο. Η εξίσωση που προκύπτει είναι: ttare = 0, ,0125 dertt Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο Σχήμα 4.7: Σχήμα 4.7: Η εξίσωση που συνδέει τη γωνία στροφής με την έξοδο του MA3. Ο λόγος W 2L οο μπορεί να αναφερθεί ως συντελεστής διόρθωσης της ταχύτητας και υπολογίζεται από τη γεωμετρία του οχήματος. Το πλάτος W υπολογίζεται μεταξύ των εμπρόσθιων ή των οπίσθιων τροχών και έχει την τιμή 115cm, ενώ το μήκος L είναι η απόσταση μεταξύ του εμπρόσθιου και του οπίσθιου άξονα και έχει την τιμή 202cm. Άρα η τιμή του λόγου δίνεται ως: W 2L οο = 0,2847 Πρέπει να σημειωθεί ότι η αναφορά ταχύτητας προς τον ελεγκτή κάθε κινητήρα είναι μια αναλογική DC τάση 0-5V. Η αναφορά αυτή, σε σχέση με τις στροφές του κινητήρα δεν έχει -84-

101 Κεφάλαιο 4 ο γραμμική σχέση, γεγονός που πρέπει να προσεχθεί ιδιαίτερα. Προκειμένου να βρεθεί μια σχέση που να συνδέει την αναφορά με τον αριθμό στροφών του κινητήρα έγιναν μετρήσεις κατά τη διάρκεια της κίνησης του οχήματος και η βέλτιστη συνάρτηση που εξήχθη από το λογισμικό είναι η ακόλουθη: 4, , rrr = x ,39 x 3,62197 x 2 + 0, x 3 (e) x Όπου rpm είναι η ταχύτητα του τροχού και x είναι η αριθμητική τιμή που μεταδίδεται μέσω του διαύλου CAN από το ηλεκτρονικό διαφορικό στην πλακέτα που συνδέεται με τον ελεγκτή του κινητήρα. Η τιμή αυτή αντιπροσωπεύει την αναφορά ταχύτητας. Στο σχήμα που ακολουθεί παρατίθεται η γραφική παράσταση της παραπάνω εξίσωσης Σχήμα 4.8: Η σχέση που συνδέει την αναφορά του διαφορικού με τη γωνιακή ταχύτητα των τροχών (rpm). Η αναφορά ταχύτητας που λαμβάνεται από την πλακέτα κάθε κινητήρα αντιστοιχίζεται σε ένα παλμό συχνότητας 100kHz και εύρους ανάλογο της αναφοράς. Στη συνέχεια ο παλμός αυτός, διέρχεται από ένα φίλτρο RC δεύτερης τάξης με συχνότητα αποκοπής 303Hz που δίνει ως έξοδο τη μέση τιμή. Επιλέχθηκε αυτό το είδος φίλτρο, λόγω της απλής του υλοποίησης και γρήγορης απόκρισης για την εφαρμογή. Οι τιμές των αντιστάσεων του φίλτρου είναι 33kΩ, ενώ των πυκνωτών είναι 100nF και η απόκρισή του επιβεβαιώθηκε με προσομοίωση στο λογισμικό Simulink. Στο παρακάτω σχήμα βλέπουμε τη βηματική απόκριση όπως εξήχθη -85-

102 Κεφάλαιο 4 ο από το λογισμικό για εύρος παλμού 50%. Η μόνιμη κατάσταση επέρχεται σε χρόνο 50ms που είναι ικανοποιητικός καθώς δεν δίνεται αντιληπτός από τον οδηγό. Σχήμα 4.9: Η βηματική απόκριση του φίλτρου διπλού RC. Η εξίσωση που συνδέει την τάση αναφοράς προς τον ελεγκτή με την αναφορά x είναι: vvvv = x Με 1024 να είναι η μέγιστη είσοδος που μπορεί να διαβαστεί από τη μονάδα ADC και αντιστοιχεί στα 5volts. Για τη μέτρηση των ταχυτήτων των κινητήριων τροχών χρησιμοποιήθηκαν οι έξοδοι από τους ενσωματωμένους διπολικούς αισθητήρες Hall των κινητήρων. Για να βρεθεί η αντιστοιχία της συχνότητας των παλμών με τον αριθμό των περιστροφών του τροχού πραγματοποιήθηκαν 10 περιστροφές με το όχημα στον αέρα. Ο αριθμός των παλμών που μετρήθηκαν είναι 145 και αντιστοιχούν 14,5 παλμοί για κάθε περιστροφή. Συνεπώς, η πραγματική ταχύτητα του τροχού σε rpm υπολογίζεται διαιρώντας τη συχνότητα των παλμών με τον αριθμό 14,5. Γνωρίζοντας ότι ο κάθε αισθητήρας έχει ως έξοδο ένα παλμό για κάθε διέλευση ενός ζεύγους πόλων του κινητήρα, ότι ο κινητήρας έχει τέσσερα ζεύγη πόλων και ότι η σχέση μετάδοσης είναι 1/3,5 μπορούμε να συμπεράνουμε ότι δημιουργούνται 4 3,5=14-86-

103 Κεφάλαιο 4 ο παλμοί ανά περιστροφή. Βλέπουμε μια απόκλιση με το πείραμα που μας οδηγεί στο γεγονός ότι ο πραγματικός λόγος μετάδοσης είναι 14,5 = 3, Επίσης, υπολογίζονται και οι επιθυμητές ταχύτητες των εμπρόσθιων τροχών που συγκρίνονται με τις πραγματικές, ώστε να επιβεβαιωθεί αν το όχημα κινείται σύμφωνα με τη γεωμετρία του Ackermann. Οι εξισώσεις που χρησιμοποιούνται εξήχθησαν στο Κεφάλαιο 2 και παραθέτονται κι εδώ έχοντας αντικαταστήσει το V οο r W με το ω rrr. ω εεε,εε = ω rrr tan 2 θ + 1 W 2 οο tttθ (c ) 2L οο ω εεε,εε = ω rrr tan 2 θ W 2 οο tttθ 2L οο Επειδή ο τρόπος που υλοποιούν οι ελεγκτές των κινητήρων τον κλειστό βρόχο ταχύτητας δεν μας είναι γνωστός και η εξίσωση (e) δεν παρέχει ακρίβεια σε όλες τις συνθήκες, από την ταχύτητα του ενός κινητήριου τροχού εξάγεται το πραγματικό ω rrr και με γνωστή τη γωνία θ υπολογίζεται η θεωρητική τιμή των ταχυτήτων των υπόλοιπων τροχών. Η τιμή που υπολογίζεται συγκρίνεται με την πραγματική και έτσι εξάγονται τα συμπεράσματα για το αν ικανοποιείται η γεωμετρία Ackermann. Σημειώνεται, ότι για να μην επιβαρύνονται οι μικροελεγκτές με τον υπολογισμό τιμών από τις παραπάνω συναρτήσεις και τις αντίστροφές τους, χρησιμοποιούνται πίνακες στους οποίους οι υπολογισμοί έχουν πραγματοποιηθεί εκτός λειτουργίας του οχήματος. Έτσι, κατά τη λειτουργία του οχήματος όταν απαιτούνται αριθμητικές τιμές που εξάγονται από τις εξισώσεις αυτές, οι μικροελεγκτές ανατρέχουν στους κατάλληλους πίνακες. Τονίζεται ότι η παραπάνω διαδικασία λειτουργεί στο ελάχιστο χρονικό διάστημα όταν η ανεξάρτητη μεταβλητή αποτελεί το δείκτη του πίνακα και υποδεικνύει στη θέση που βρίσκεται η εξαρτημένη μεταβλητή. Στο παρακάτω σχήμα παρατίθεται ο αλγόριθμος που υλοποιεί ο μικροελεγκτής του ηλεκτρονικού διαφορικού λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω δεδομένα. (d ) -87-

104 Κεφάλαιο 4 ο ΑΡΧΗ ΑΡΧΙΚΟΠΟΙΗΣΕ ΤΟ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ ΔΙΑΒΑΣΕ ΤΗΝ ΕΙΣΟΔΟ ΤΟΥ ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΗ ΔΙΑΙΡΕΣΕ ΤΗ ΜΕ 2,5 ΔΙΑΒΑΣΕ ΤΗ ΓΩΝΙΑ ΣΤΡΟΦΗΣ ΔΙΑΒΑΣΕ ΤΙΣ ΤΑΧΥΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΕΜΠΡΟΣΘΙΩΝ ΤΡΟΧΩΝ ΑΝ Η ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΤΑΣΗ ΕΊΝΑΙ ΜΕΓΑΛΥΤΕΡΗ ΑΠΟ ΤΟ ΚΑΤΩ ΟΡΙΟ ΝΑΙ ΜΕΤΕΤΡΕΨΕ ΤΗΝ ΤΑΣΗ ΑΥΤΉ ΣΕ ΑΝΑΦΟΡΑ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΟΧΙ ΜΗΔΕΝΙΣΕ ΤΙΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΕ ΤΙΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΣΥΜΦΩΝΑ ΜΕ ΤΗ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ ACKERMANN ΑΝΤΙΣΤΟΙΧΙΣΕ ΤΙΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΜΕ ΤΟΝ ΑΚΕΡΑΙΟ ΠΟΥ ΑΝΤΙΣΤΟΙΧΕΙ ΣΤΗΝ ΕΠΙΘΥΜΗΤΗ ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΤΑΣΗ ΣΤΕΙΛΕ ΤΙΣ ΤΙΜΕΣ ΑΥΤΕΣ ΣΤΟΥΣ ΕΛΕΓΚΤΕΣ ΤΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ Σχήμα 4.10: Αλγόριθμος λειτουργίας του ηλεκτρονικού διαφορικού -88-

105 Κεφάλαιο 5 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΔΙΑΥΛΟΥ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΜΕ ΠΡΟΤΥΠΟ CAN BUS 5.1 Περιγραφή προτύπου CAN BUS Στο κεφάλαιο αυτό αναλύεται η λειτουργία και η αρχιτεκτονική του διαύλου CAN που χρησιμοποιείται στην παρούσα εργασία για την εσωτερική επικοινωνία των υποσυστημάτων του μικροϋπολογιστικού συστήματος του οχήματος. Το Controller Area Network (CAN) είναι ένα πρότυπο διαύλου σειριακής επικοινωνίας που υποστηρίζει αποδοτικό έλεγχο πραγματικού χρόνου με υψηλό επίπεδο αξιοπιστίας. Λόγω της απλότητας και στιβαρότητάς του χρησιμοποιείται σε πληθώρα εφαρμογών, με κύρια τα ηλεκτρονικά συστήματα αυτοκινήτων. Η υλοποίηση του προτύπου ξεκίνησε το 1983 στην εταιρία Robert Bosch GmbH (γνωστή και ως Bosch), με σκοπό τη δημιουργία τοπικού δικτύου επικοινωνίας για τους μικροελεγκτές ενός αυτοκινήτου χωρίς τη χρήση κεντρικού υπολογιστή. Η επίσημη παρουσίαση του πραγματοποιήθηκε το 1986 στο συνέδριο Society of Automotive Engineers (SAE). Έπειτα, το 1987 τα πρώτα ολοκληρωμένα κυκλώματα που υλοποιούσαν το πρότυπο επικοινωνίας CAN bus τέθηκαν στην παραγωγή από τις εταιρίες Intel και Philips Semiconductors. Το 1991 τέθηκαν από τη Bosch οι προδιαγραφές στο κείμενο CAN specification 2.0. Τα επόμενα χρόνια προτάθηκαν δύο σημαντικά πρωτόκολλα σχετικά με το δίαυλο CAN, το CANopen από τον οργανισμό CAN in Automation (CiA) και χρονικά σκανδαλιζόμενο CAN (TTCAN). Παρόλο που σχεδιάστηκε για εφαρμογές αυτοκινήτων, το CAN bus χρησιμοποιείται από το ξεκίνημά του και σε άλλες βιομηχανικές εφαρμογές, όπως ανελκυστήρες, μηχανήματα κλωστοϋφαντουργίας και ιατρικά μηχανήματα. Επίσης, χρησιμοποιείται και σε δίκτυα βιομηχανίας λόγω του μικρού κόστους και της απλότητας των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που το υλοποιούν. Όσον αφορά τα αυτοκίνητα, πλέον όλες οι μεγάλες αυτοκινητοβιομηχανίες χρησιμοποιούν το πρότυπο για την επικοινωνία όλων των ηλεκτρικών συστημάτων και την εύκολη διάγνωση σφαλμάτων. Η αρχιτεκτονική που χρησιμοποιείται, περιλαμβάνει δύο διαύλους CAN, που -89-

106 Κεφάλαιο 5 ο λειτουργούν σε διαφορετικές ταχύτητες, συνδεδεμένοι μεταξύ τους μέσω μιας πύλης (Gateway). Ο γρήγορος δίαυλος περιλαμβάνει τα ηλεκτρικά υποσυστήματα του συστήματος μετάδοσης, ενώ ο αργός δίαυλος περιλαμβάνει τα περιφερειακά του οχήματος (παράθυρα, φώτα κλπ). Κάθε ηλεκτρικό σύστημα αποτελεί ένα κόμβο στο δίαυλο. Σχήμα 5.1: Η αρχιτεκτονική του διαύλου CAN που χρησιμοποιείται στα αυτοκίνητα [35] Ιδιότητες προτύπου Το CΑΝ έχει ως διακριτό χαρακτηριστικό την επικεφαλίδα του κάθε μηνύματος και όχι τη διεθυνσιοδότηση του κόμβου, στοιχείο που θέτει το σύστημα να στρέφεται γύρω από τα μηνύματα προς μετάδοση και του δίνει κάποιες ξεχωριστές ιδιότητες. Οι βασικές του ιδιότητες που το κάνουν να ξεχωρίζει από τα υπόλοιπα πρότυπα επικοινωνίας είναι οι εξής: Ιεράρχηση μηνυμάτων. Διαιτησία (Arbitration) με βάση το μήνυμα. Τα πιο σημαντικά μηνύματα μεταδίδονται πρώτα χωρίς να χάνονται τα λιγότερο σημαντικά μηνύματα. Μετάδοση σε ένα μοναδικό κανάλι. Ευελιξία παραμετροποιήσεων. Αναγνώριση σφαλμάτων ώστε να μεγιστοποιηθεί η αξιοπιστία. Αυτόματη επανάληψη αποστολής των μηνυμάτων που χάνονται. Αυτόματος διαχωρισμός μεταξύ των κόμβων που παρουσιάζουν μεμονωμένα σφάλματα με αυτούς που εμφανίζουν μόνιμο σφάλμα. Οι κόμβοι με μόνιμο σφάλμα απομονώνονται από το δίαυλο. -90-

107 Κεφάλαιο 5 ο Ταυτόχρονη λήψη μηνυμάτων από περισσότερους του ενός κόμβου. Multimaster σύστημα. Αν ο δίαυλος είναι ελεύθερος, οποιοσδήποτε κόμβος μπορεί να ξεκινήσει τη μετάδοση. Κατά τη σύνδεση νέου κόμβου δεν είναι απαραίτητη καμία αλλαγή στο σύστημα ούτε παραμετροποίηση των ήδη υπαρχόντων κόμβων. Αναγνώριση αποστολής (Aknowledge). Ο πομπός ενημερώνεται αν οι κόμβοι έχουν λάβει το μήνυμα. Λειτουργία σε κατάσταση αδράνειας (Sleep Mode) όταν ο δίαυλος είναι ανενεργός, ώστε να μειώνεται η κατανάλωση ισχύος. Υψηλές ταχύτητες μετάδοσης, έως 1Μbps. Τριπλή δειγματοληψία κατά τη διάρκεια του παλμού, προσφέροντας ανοχή στο θόρυβο Τα επίπεδα του CAN Η υλοποίηση του χωρίζεται στα εξής επίπεδα, που υπάγονται στο μοντέλο αναφοράς Ανοικτής Διασύνδεσης Συστημάτων (μοντέλο OSI): Application layer (Επίπεδο εφαρμογής): Το επίπεδο εφαρμογής αναφέρεται στην επεξεργασία και προβολή των δεδομένων που μεταδίδονται μέσα στο δίκτυο, με τέτοιο τρόπο ώστε να μετατρέπονται σε μορφή κατανοητή προς το χρήστη. Object Layer (Επίπεδο αντικειμένων): Το επίπεδο αυτό αναφέρεται στο διαχωρισμό και χειρισμό των μηνυμάτων, καθώς και τον έλεγχο της κατάστασης αυτών. Transfer Layer (Επίπεδο μεταφοράς): Παριστάνει τον πυρήνα του πρωτοκόλλου. Αναφέρεται στην αποστολή και τη λήψη των μηνυμάτων και είναι υπεύθυνο για τους χρονισμούς, την έκδοση προτεραιότητας στα μηνύματα, τον έλεγχο σφαλμάτων, την επιβεβαίωση παράδοσης και τη δημιουργία των πεδίων κάθε μηνύματος. Physical Layer (Φυσικό επίπεδο): Καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο τα μηνύματα μεταδίδονται στους αγωγούς του διαύλου. -91-

108 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.2: Δομή επιπέδων ενός κόμβου CAN [36] Είδη και δομές μηνυμάτων Κάθε μήνυμα στο CAN υπάγεται σε ένα από τα παρακάτω είδη: 1) Data frame (ή μήνυμα δεδομένων). Κάθε μήνυμα δεδομένων αποτελείται από επτά πεδία: a) Start of frame: Είναι ένα κυρίαρχο ψηφίο (dominant bit = 0) που σηματοδοτεί την αρχή του μηνύματος. Η πίπτουσα παρυφή του ψηφίου αυτού αποτελεί σημείο συγχρονισμού των κόμβων που συνδέονται στο CAN bus. b) Arbitration field (πεδίο διαιτησίας): Το πεδίο διαιτησίας αποτελείται από δύο τμήματα. i) Το Identifier (προσδιορισμός) του μηνύματος αποτελείται από 11 ψηφία στο Standard CAN (Base Frame Format) και από 29 στο Extended CAN (Extended Frame Format). Είναι η ταυτότητα του μηνύματος και τα ψηφία του μεταδίδονται ξεκινώντας από το Most Significant Bit (MSB) προς το Least Significant Bit (LSB). Σημειώνεται ότι τα 7 MSB ότι απαγορεύεται να είναι όλα 1 (recessive bit= 1). Το CAN επιτρέπει τη δυνατότητα στο σχεδιαστή του δικτύου να συνυπάρξει την αποστολή Base Frame Formats και Extended Frame Formats. Οι συσκευές που επιτρέπουν τη λειτουργία αυτή σηματοδοτούνται ως Part B Active. ii) Το ψηφίο RTR είναι dominant (=0) όταν το μήνυμα είναι τύπου Data Frame και recessive (=1) όταν το μήνυμα είναι τύπου Remote Frame. -92-

109 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.3: Τα πεδία Start of frame και Arbitration field [36]. Όταν δυο, ή περισσότεροι κόμβοι, τεθούν σε κατάσταση αποστολής ταυτόχρονα, ο κόμβος που αποστέλλει το μήνυμα με το μικρότερο Identifier λαμβάνει τον έλεγχο του διαύλου, ενώ οι υπόλοιποι αποσύρουν τα μηνύματα ενημερώνοντας τους μικροελεγκτές ότι δεν έγινε αποστολή λόγω της κυριαρχίας ενός άλλου κόμβου. Ο κάθε μικροελεγκτής πρέπει να αναλάβει να αποστείλει το μήνυμα κάποια άλλη χρονική στιγμή. Με τον τρόπο αυτό, κανένα μήνυμα δε χάνεται και δεν δημιουργούνται σφάλματα λόγω συγκρούσεων μηνυμάτων. Επίσης, ο σχεδιαστής του δικτύου πρέπει να λάβει υπόψη του ότι αν ένας δίαυλος έχει το μικρότερο Identifier και αποστέλλει συνεχώς μηνύματα, τότε οι υπόλοιποι κόμβοι θα χάνουν κατά τη διαιτησία με αποτέλεσμα να μην αποστέλλεται η πληροφορία τους. c) Control field: Στο πεδίο αυτό, τα 4 ψηφία DLC δηλώνουν πόσα Bytes δεδομένων θα μεταφέρει το μήνυμα και ο συνδυασμός τους λαμβάνει τιμές από 0-8. Υπάρχουν και τα ψηφία r 0,r 1 που τα οποία αναφέρονται σε μελλοντική ανάπτυξη του μοντέλου. Σχήμα 5.4: Το πεδίο Control field [36]. d) Data field: Το πεδίο αυτό περιλαμβάνει τα δεδομένα που θα μεταδοθούν και το περιεχόμενό του μπορεί να είναι από 0 μέχρι 8 Bytes. Κάθε Byte μεταδίδεται ξεκινώντας από το λιγότερο σημαντικό του ψηφίο (LSB). e) CRC field: Το CAN δεν χρησιμοποιεί ισοτιμία για τον εντοπισμό σφαλμάτων στα μηνύματα, αλλά την πιο αξιόπιστη μέθοδο του Cyclic Redundancy Check (CRC). Για -93-

110 Κεφάλαιο 5 ο την εξαγωγή της ακολουθίας CRC διαιρούμε το πολυώνυμο που προκύπτει από τα ψηφία των πεδίων Start of frame, Arbitration field, Control field, Data field με το πολυώνυμο X15+X14+X10+X8+X7+X4+X3+1 (δηλαδή με τη δυαδική τιμή ). Η δυαδική τιμή που λαμβάνουμε από τα πεδία πρέπει να μετασχηματιστεί ώστε να αφαιρεθούν τα ψηφία που εισάγονται όταν έχουμε πολλά διαδοχικά ψηφία με την ίδια τιμή. Μετά την ακολουθία CRC το ψηφίο CRC Delimiter έχει πάντοτε την τιμή 1. Σχήμα 5.5: Το πεδίο CRC [36]. f) Acknowledgement field: Το πεδίο αυτό αποτελείται από δύο ψηφία. Ο αποστολέας στο πεδίο αυτό μεταδίδει δύο ψηφία 1. Ο παραλήπτης που έχει λάβει το μήνυμα σωστά (συγκρινόμενο με το CRC) αποστέλλει 0 στο ψηφίο ACK Slot, ενώ σε περίπτωση σφάλματος αποστέλλει 1. Το ACK Delimiter σε κάθε περίπτωση είναι 1. Σχήμα 5.6: Το πεδίο Acknowledgment field [36]. g) End of frame: Κάθε μήνυμα τερματίζεται με αποστολή επτά ψηφίων

111 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.7: Η δομή του μηνύματος δεδομένων (Data frame) [36]. 2) Remote frame: Ο τύπος μηνύματος αυτός, χρησιμοποιείται στην περίπτωση που ένας κόμβος λειτουργεί ως δέκτης ενός συγκεκριμένου τύπου μηνύματος. Αποστέλλοντας ένα Remote frame απαιτεί την εκκίνηση αποστολής δεδομένων προς αυτόν. Έτσι, η αποστολή μηνυμάτων μπορεί να γίνει κατά απαίτηση του δέκτη. Σε αντίθεση με το Data frame, στο Remote frame το ψηφίο RTR είναι 1, ενώ δεν υπάρχει το πεδίο Data length. Σημειώνεται ότι η χρήση των Remote frames δεν προτείνεται λόγω προβλημάτων που μπορούν να δημιουργηθούν στο δίαυλο και για αυτό έχουν απαγορευτεί από το πρωτόκολλο CANopen. Συγκεκριμένα η CiA στη σημείωση εφαρμογής 802 (application note) με τίτλο CAN remote frame Avoiding of usage αναφέρει τους λόγους που δεν προτείνει τη χρήση των τύπων αυτών. Σχήμα 5.8: Η δομή του μηνύματος Remote frame [36]. -95-

112 Κεφάλαιο 5 ο 3) Error frame: Το είδος μηνύματος αυτό, αποτελείται από δύο πεδία. Το πρώτο δίνεται ως υπέρθεση των Error flags που αποστέλλονται από κάθε σταθμό. Το δεύτερο πεδίο είναι Error Delimiter και αποτελείται από οκτώ ψηφία 1. Για να γίνει σωστή αποστολή Error Frame ο δίαυλος δεν πρέπει να είναι συνεχώς απασχολημένος με ροή δεδομένων. Υπάρχουν δύο τύποι Error Flags: a) Active Error Flag: Αποτελείται από έξι διαδοχικά ψηφία 0 (dominant bits). Ένας Error Active (περισσότερα στη συνέχεια του κεφαλαίου) σταθμός που θα αντιληφθεί μια κατάσταση σφάλματος αποστέλλει μια Active Error Flag που υπερτίθεται στο μήνυμα που υπάρχει στο δίαυλο. Έτσι και οι υπόλοιποι σταθμοί θα αρχίσουν να αποστέλλουν Error Flags. b) Passive Error Flag: Αποτελείται από έξι διαδοχικά ψηφία 1 (recessive bits), εκτός κι αν επανεγγραφούν από dominant bits από τους άλλους σταθμούς. Σχήμα 5.9: Η δομή του μηνύματος Error frame [36]. 4) Overload Frame: Το είδος μηνύματος αυτό αποστέλλεται σε δύο περιπτώσεις υπερφόρτωσης: a) Όταν ένας δέκτης απαιτεί μια καθυστέρηση στην αποστολή του επόμενου μηνύματος. Σε αυτή την περίπτωση, ο δέκτης μπορεί να αποστείλει Overload Frame μόνο κατά τη διάρκεια του πρώτου bit του μεσοδιαστήματος μεταξύ δύο αποστολών. b) Όταν γίνεται αντιληπτό ένα ψηφίο 0 στο μεσοδιάστημα μεταξύ δύο αποστολών. Το Overload Frame αποτελείται από δύο πεδία: a) Overload Flag: Αποτελείται από έξι dominant bits (=0). b) Overload Delimiter: Αποτελείται από οκτώ recessive bits (=1). -96-

113 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.10: Η δομή του μηνύματος Overload frame [36]. 5) Διάστημα μεταξύ δύο αποστολών (Interframe space): Αναφέρεται στην κατάσταση του διαύλου κατά την οποία έχουν ολοκληρωθεί όλες οι διεργασίες στο φυσικό επίπεδο και αναμένεται νέα αποστολή δεδομένων. Το διάστημα αυτό γίνεται αντιληπτό με διαφορετικό τρόπο που εξαρτάται από την κατάσταση κάθε κόμβου, όπως φαίνεται και στα Σχήματα 5.11 και Σχήμα 5.11: Το Interframe space στην περίπτωση που ο κόμβος είναι στην κατάσταση Error active [36]. Σχήμα 5.12: Το Interframe space στην περίπτωση που ο κόμβος είναι στην κατάσταση Error passive [36]. Κατά το χρόνο του Intermission κανένας κόμβος δεν επιτρέπεται να ξεκινήσει την αποστολή μηνύματος εκτός από από την περίπτωση του Overload Frame. -97-

114 Κεφάλαιο 5 ο Επίσης, σημειώνεται ότι για τον αποστολέα, ένα μήνυμα είναι έγκυρο αν δεν υπάρχει σφάλμα μέχρι το τέλος του End of Frame, ενώ για τον παραλήπτη, ένα μήνυμα είναι έγκυρο αν δεν υπάρχει σφάλμα μέχρι το προτελευταίο ψηφίο του End of Frame Κωδικοποίηση μηνυμάτων Κατά τη μετάδοση της πληροφορίας χρησιμοποιείται η μέθοδος του Bit Stuffing, δηλαδή, όταν ο αποστολέας αντιληφθεί πέντε συνεχόμενα ψηφία με την ίδια τιμή, προσθέτει ένα έκτο ψηφίο με τιμή συμπληρωματική των υπόλοιπων. Ο δέκτης αναλαμβάνει να αφαιρέσει το επιπλέον αυτό ψηφίο. Η μέθοδος αυτή εφαρμόζεται στα πεδία Start of Frame, Arbitration Field, Control Field, Data Field και Crc Sequence. Τα υπόλοιπα πεδία αποστέλλονται κανονικά, χωρίς εφαρμογή της μεθόδου. Η μετάδοση των μηνυμάτων γίνεται με τη μέθοδο Non Return to Zero (NRZ) κατά την οποία ο δίαυλος πάντα βρίσκεται σε μια τιμή τάσης που αντιστοιχεί σε στάθμη 1 ή στάθμη 0. Έτσι, δεν υπάρχει χρόνος χαλάρωσης στο δίαυλο Κατάσταση κόμβων σε περίπτωση σφαλμάτων Ανάλογα με τον αριθμό σφαλμάτων που ανιχνεύει, ο κάθε κόμβος μπορεί να βρίσκεται σε μια από τις εξής καταστάσεις: Error active: Ένας κόμβος που βρίσκεται στην κατάσταση αυτή, μπορεί να πάρει κανονικά μέρος στην επικοινωνία και αποστέλλει Active Error Flag όταν αντιληφθεί σφάλμα. Τα Active Error Flags αποτελούνται από ψηφία '0', που σημαίνει ότι αλλοιώνουν το περιεχόμενο του διαύλου και ενημερώνουν και τους άλλους κόμβους για το σφάλμα. Η κατάσταση αυτή είναι η κανονική κατάσταση λειτουργίας κατά την οποία ο κόμβος επικοινωνεί με το δίαυλο χωρίς σφάλματα. Error passive: Ένας κόμβος που βρίσκεται στην κατάσταση αυτή, συμμετέχει στην επικοινωνία και αποστέλλει Passive Error Flag όταν αντιληφθεί σφάλμα. Αν λειτουργεί ως αποστολέας πρέπει να περιμένει ένα χρονικό διάστημα πριν ξεκινήσει εκ νέου αποστολή. Οι Passive Error Flags αποτελούνται από ψηφία '1', που σημαίνει ότι δεν αλλοιώνουν το περιεχόμενο του διαύλου. Bus off: Ένας κόμβος που βρίσκεται στην κατάσταση αυτή δεν επιτρέπεται να έχει καμία επίδραση στο δίαυλο. -98-

115 Κεφάλαιο 5 ο Για την τοποθέτηση ενός κόμβου σε μια από τις παραπάνω κατηγορίες χρησιμοποιούνται δύο μετρητές: 1) Transmit Error Counter (TXC) 2) Receive Error Counter (RXC) Οι τιμές των παραπάνω μετρητών μεταβάλλονται σύμφωνα με τους παρακάτω κανόνες: Όταν ο δέκτης αντιληφθεί ένα σφάλμα, ο RXC αυξάνει κατά 1. Εξαίρεση του κανόνα αποτελεί η περίπτωση εντοπισμού Bit Error κατά την αποστολή Active Error Flag ή Overload Flag. Όταν ο δεκτής αντιληφθεί το ψηφίο '0' σαν πρώτο ψηφίο μετά την αποστολή ενός Error Flag, ο RXC αυξάνει κατά 8. Όταν ο αποστολέας αποστείλει Error Flag, ο TXC αυξάνει κατά 8. Ο παραπάνω κανόνας έχει δύο εξαιρέσεις : i) Ο αποστολέας είναι σε κατάσταση Error Passive και αντιλαμβάνεται Acknowledge Error (ψηφίο 1 στη θέση του Acknowledge) και ταυτόχρονα δεν εντοπίζει ψηφίο '0' μετά την αποστολή Passive Error Flag. ii) Ο αποστολέας αποστέλλει Error Flag επειδή έχει εντοπιστεί Stuff Error κατά τη διαδικασία διαιτησίας (Arbitration), στην οποία το Stuff bit βρίσκεται πριν από το RTR και έχει εντοπιστεί ως '0' ενώ έχει αποσταλεί ως '1'. Αν ο αποστολέας αντιληφθεί Bit Error ενώ στέλνει Active Error Flag ή Overload Flag ο μετρητής TXC αυξάνει κατά 8. Αν ο δέκτης αντιληφθεί Bit Error ενώ στέλνει Active Error Flag ή Overload Flag ο μετρητής RXC αυξάνει κατά 8. Στην περίπτωση που μεταδίδονται δεκατέσσερα διαδοχικά ψηφία '0', σε αποστολή Active Error Flag ή Overload Flag, ή στην περίπτωση που μεταδίδονται οκτώ διαδοχικά ψηφία '0' μετά από την αποστολή Passive Error Flag και μετά από κάθε αλληλουχία οκτώ διαδοχικών ψηφίων '0', ο πομπος αυξάνει τον TXC κατά 8, ενώ ο δέκτης τον RXC κατά 8. Μετά από μια επιτυχή μετάδοση, ο TXC του αποστολέα μειώνεται κατά 1, Εκτός κι αν είναι ήδη μηδέν. Μετά την επιτυχή αποδοχή ενός μηνύματος ο δέκτης μειώνει τον RXC κατά 1 στην περίπτωση που αυτός είχε τιμή στο διάστημα [1,127]. Στην περίπτωση που ο -99-

116 Κεφάλαιο 5 ο μετρητής αυτός είναι μηδέν, παραμένει στην τιμή αυτή. Αν όμως ο μετρητής είχε τιμή μεγαλύτερη από 127 τότε τοποθετείται σε μια τιμή στο διάστημα [119,127]. Ένας κόμβος είναι στην κατάσταση Error Passive αν η τιμή ενός από τους μετρητές RXC, TXC είναι ίση ή μεγαλύτερη του 128. Η συνθήκη που οδηγεί ένα κόμβο στην κατάσταση Error Passive ακολουθείται από την αποστολή ενός Active Error Flag. Ένας κόμβος είναι στην κατάσταση Bus Off, όταν το περιεχόμενο του TXC είναι μεγαλύτερο ή ίσο του 256. Ένας κόμβος που βρίσκεται στην κατάσταση Error Passive επανέρχεται στην κατάσταση Error Active, αν τα περιεχόμενα και των δύο μετρητών TXC, RXC αποκτήσουν τιμές μικρότερες ή ίσες του 127. Ένας κόμβος που βρίσκεται στην κατάσταση Bus Off επιτρέπεται να γίνει Error Active, όταν εντοπιστούν έντεκα συνεχόμενα ψηφία '1' στο δίαυλο για 128 φορές. Τότε, οι τιμές και των δύο μετρητών του γίνονται μηδέν. Σημειώνεται ότι αν οι τιμές στους μετρητές γίνουν μεγαλύτερες του 96, συμπεραίνεται έντονος θόρυβος στο δίαυλο. Επίσης, στις περιπτώσεις Start up/ Wake up του διαύλου, επειδή έχουμε μόνο ένα κόμβο (τον αποστολέα) σε λειτουργία, είναι βέβαιο ότι θα προκληθεί σφάλμα επειδή οι υπόλοιποι κόμβοι δεν είναι έτοιμοι να στείλουν Acknowledge. Τότε, το μήνυμα θα αποσταλεί εκ νέου. Σε αυτή την περίπτωση, ο αποστολέας δε μπορεί να μετατεθεί στη κατάσταση Bus Off, αλλά μπορεί να μετατεθεί στη κατάσταση Error Passive. Σχήμα 5.13: Διάγραμμα μετάβασης των καταστάσεων σφάλματος [35]

117 Κεφάλαιο 5 ο 5.2 Οι χρονισμοί του CAN Ο χρόνος μετάδοσης ενός ψηφίου Στο CAN επιτυγχάνονται ταχύτητες μετάδοσης μέχρι και 1Mbps ανάλογα με τον επιλεγόμενο χρόνο μετάδοσης κάθε ψηφίου (Bit Time). Ο χρόνος μετάδοσης ενός bit καθορίζεται από τα παρακάτω τμήματα που φαίνονται στο Σχήμα 5.14: 1) Synchronization Segment (SYNC_SEG): Το τμήμα αυτό χρησιμοποιείται για το συγχρονισμό μεταξύ των κόμβων που συμμετέχουν στο δίαυλο. 2) Propagation Segment (PROP_SEG): Το τμήμα αυτό αναφέρεται στο χρονικό διάστημα που απαιτείται για τη μετάδοση του δεδομένου στο φυσικό μέσο και ισούται με το άθροισμα του χρονικού διαστήματος που αντιστοιχεί στο διπλάσιο του χρόνου διάδοσης του σήματος, τη καθυστέρηση του συγκριτή εισόδου και τη καθυστέρηση του οδηγού εξόδου κάθε κόμβου. 3) Phase Buffer Segment 1(PHASE_SEG1) &Phase Buffer Segment 2 (PHASE_SEG2): Τα διαστήματα αυτά χρησιμοποιούνται για το καθορισμό του σημείου επανασυγχρονισμού των κόμβων στη διάρκεια του Bit Time. Στο τέλος του PHASE_SEG1 πραγματοποιείται η δειγματοληψία της στάθμης της τάσης στο δίαυλο προς αναγνώριση του είδους του αποστελλόμενου ψηφίου. Η χρονική στιγμή αυτή ορίζεται ως Sample Point. Εντός του PHASE_SEG2 βρίσκεται το χρονικό διάστημα Information Processing Time που αναφέρεται στο χρονικό διάστημα από το Sample Point μέχρι τη στιγμή όπου γίνεται υπολογισμός της στάθμης του λαμβανόμενου ψηφίου. Σχήμα 5.14: Τα διαστήματα εντός του χρόνου αποστολής ενός ψηφίου [37]

118 Κεφάλαιο 5 ο Το χρονικό διάστημα που συμβολίζεται στο σχήμα 5.14 ως Time Quantum αποτελεί μια μονάδα χρόνου που προκύπτει από την περίοδο του ταλαντωτή. Υπολογίζεται ως το γινόμενο ενός προδιαιρέτη (prescaler) και της ελάχιστης τιμής Time Quantum που (TQ) μπορεί να τεθεί. Prme Qrtttrm = m MrtrmrmPrmeQrtttrm Ο m είναι η τιμή του προδιαιρέτη και λαμβάνει ακέραιες τιμές από 1 έως 32. Η συνολική τιμή του Bit Time σε Time Quanta είναι προγραμματιζόμενη και λαμβάνει τιμές από 8 έως Συγχρονισμός κόμβων στο δίκτυο Στο πρότυπο CAN, οι κόμβοι συγχρονίζονται και στο ξεκίνημα αλλά και στο μέσο της μετάδοσης ενός μηνύματος. Με αυτή τη μέθοδο, μειώνονται τα σφάλματα λόγω ολίσθησης των ταλαντωτών των μικροεπεξεργαστών που υλοποιούν το πρότυπο. Έτσι, δίνεται μεγάλη ευελιξία, αφού μπορούν να συνδεθούν κόμβοι που χρησιμοποιούν επεξεργαστές διαφορετικών εταιριών με όχι απόλυτα ίδιες συχνότητες ταλαντωτών. Οι συγχρονισμοί που πραγματοποιούνται κατά την αποστολή ενός μηνύματος ορίζονται ως: 1) Hard Synchronization: Ο βασικός συγχρονισμός των κόμβων πραγματοποιείται κατά την εκκίνηση μετάδοσης ενός μηνύματος. 2) Resynchronization Jump Width: Για να επιτευχθεί σωστά ο επανασυγχρονισμός, η προγραμματισμένη διάρκεια του PHASE_SEG1 μπορεί να αυξηθεί, ενώ η διάρκεια του PHASE_SEG2 να μειωθεί. Η μεταβολή της διάρκειας των τμημάτων αυτών είναι περιορισμένη και λαμβάνει ως μέγιστη τιμή τη RESYNCHRONIZATION JUMP WIDTH. Η τιμή RESYNCHRONIZATION JUMP WIDTH πρέπει να λαμβάνει τιμή μεταξύ του 1 και του ελαχίστου μεταξύ της τιμής 4 και PHASE_SEG1. Επίσης, η ιδιότητα του CAN να περιορίζει τον αριθμό των διαδοχικών ψηφίων που έχουν την ίδια τιμή, δίνει τη δυνατότητα επανασυγχονισμού ενός κόμβου κατά τη διάρκεια ενός μηνύματος, αφού η μεταβολή της στάθμης προσδίδει πληροφορίες για το χρονισμό. Για το συγχρονισμό των κόμβων στο δίαυλο έχουν τεθεί οι παρακάτω κανόνες: i) Μόνο ένας συγχρονισμός επιτρέπεται κατά τη διάρκεια μετάδοσης ενός ψηφίου

119 Κεφάλαιο 5 ο ii) Μια ακμή θα χρησιμοποιηθεί για συγχρονισμό, μόνο αν η τιμή που εντοπίζεται στην δειγματοληψία διαφέρει από αυτή στην προηγούμενη δειγματοληψία. iii) Hard Synchronization πραγματοποιείται μόνο όταν έχουμε μετάβαση από την τιμή 1 στην τιμή 0 κατά την κατάσταση Bus Idle. iv) Οι υπόλοιπες μεταβάσεις από 1 σε 0, και προαιρετικά από 0 σε 1 σε περίπτωση χαμηλών Bit Rates, χρησιμοποιούνται για επανασυγχρονισμό αν ικανοποιούν τους κανόνες (1) και (2). Εξαίρεση αποτελεί η περίπτωση που ένας κόμβος ξεκινά την αποστολή. Τότε η μετάβαση στο δίαυλο γίνεται από 1 σε Υπολογισμός Χρονισμών για την παρούσα εργασία: Η εταιρία Microchip στο σημείωμα εφαρμογής AN754 παραθέτει τον παρακάτω Πίνακα 5.1 που συνδέει την προτεινόμενη ταχύτητα μετάδοσης με το μήκος του διαύλου: Bit Rate (kbps) Bus Length(m) , Πίνακας 5.1: Ταχύτητα μετάδοσης σε σχέση με το μήκος του διαύλου [38]. Επειδή στο ηλεκτροκίνητο όχημα έχουμε έντονη παρουσία θορύβου λόγω του διακοπτικού χαρακτήρα και τις υψηλές τιμές των ρευμάτων των μετατροπέων DC/AC, παρόλο που έχουμε μικρό μήκος διαύλου (<3m) επιλέγουμε ταχύτητα μετάδοσης 500kbps αντί για 1000kbps. Ο μικροελεγκτής που χρησιμοποιείται είναι το μοντέλο DSPIC30F4011 της εταιρίας Microchip και έχει συχνότητα ταλαντωτή F OSC =118 MΗz και συχνότητα ρολογιού F CY =29,48 MHz. Θέτοντας το ψηφίο C1CTRLbits.CANCKS=1 προσδίδουμε στη συχνότητα λειτουργίας της μονάδας του μικροελεγκτή που είναι υπεύθυνη για το CAN τη τιμή F CAN =F CY =29,48 MHz. Με βάση τη ταχύτητα μετάδοσης υπολογίζουμε το χρόνο μετάδοσης ενός bit: -103-

120 t bbb = s = s Κεφάλαιο 5 ο Επιλέγουμε χρόνο μετάδοσης 10TQ (Time Quantum). Η επιλογή αυτή βασίζεται στην παρακάτω διαδικασία που περιγράφεται μέσα στο φυλλάδιο της εταιρίας Microchip για την οικογένεια μικροελεγκτών DSPIC30F: TT = t bbb = 10 TT <=> TT = s 2 BBB F CCC <=> BBB = F CCC TT 2 Με BRP (Baud Rate Prescaler) να αποτελεί την τιμή του προδιαιρέτη που εισάγεται ώστε να επιτευχθεί η επιθυμητή ταχύτητα μετάδοσης. Κατά τον προγραμματισμό του μικροελεγκτή εισάγουμε την τιμή BRP-1=2. Κάνοντας αντίστροφα τους υπολογισμούς για BRP=3 υπολογίζουμε την πραγματική ταχύτητα μετάδοσης: Άρα: TT = , = 0,20353μs t bbb = 10 TT = 2,0353μs BtrdRtte = 1 t bbb = 444, 333 kkkk Βλέπουμε ότι η πραγματική ταχύτητα μετάδοσης πλησιάζει την επιθυμητή με απόκλιση: %ααόκκκκκ = 491, % = 1, 77% Η παραπάνω διαδικασία πραγματοποιήθηκε από την αρχή, ορίζοντας διαφορετική ποσότητα TQ για το Bit Time και οδήγησε σε μεγαλύτερες αποκλίσεις. Για το λόγο αυτό επιλέχθηκε Bit Time=10TQ. Επόμενο βήμα είναι η επιλογή των τμημάτων του Bit Time σε συνάρτηση του TQ. Χρησιμοποιώντας το Σχήμα 5.14, γνωρίζοντας ότι το SYNC_SEG έχει προκαθορισμένη τιμή 1TQ, ορίζουμε: PROP_SEG=1TQ. Η επιλογή αυτή οφείλεται στο μικρό μήκος του διαύλου άρα και το μικρό χρόνο διάδοσης του σήματος. PHASE_SEG1=PHASE_SEG2=SJW=4TQ. Η συνθήκη αυτή μας εξασφαλίζει ότι θα έχουμε τη μέγιστη ανοχή σε διαφορετικές συχνότητες ταλαντωτών που ισούται με -104-

121 Κεφάλαιο 5 ο 1,58%[38]. Η επιλογή αυτή επιτρέπει στο σύστημα να είναι ευέλικτο στην εισαγωγή νέων κόμβων. Παρατίθεται στιγμιότυπο οθόνης από το πρόγραμμα Microchip CAN Bit Timing Calculator που χρησιμοποιήθηκε βοηθητικά. Βλέπουμε ότι οι τιμές που έχουν επιλεγεί οδηγούν σε ταχύτητα μετάδοσης 491,328kbps που πλησιάζει με μικρό σφάλμα την επιθυμητή (500kbps). Σχήμα 5.15: Επιβεβαίωση αποτελεσμάτων με το πρόγραμμα Microchip CAN Bit Timing Calculator. 5.3 Η μονάδα του CAN στο μικροελεγκτή DSPIC30F4011 Στο χωρίο αυτό, περιγράφεται η μονάδα υλοποίησης του προτύπου CAN που περιλαμβάνεται στα περιφερειακά του μικροελεγκτή DSPIC30F4011. Στα φυλλάδια της οικογένειας μικροελεγκτών DSPIC30F περιγράφεται αναλυτικά η δομή της μονάδας, καθώς -105-

122 Κεφάλαιο 5 ο και των υποσυστημάτων της που αναλαμβάνουν την αποστολή και την παραλαβή των μηνυμάτων Αρχιτεκτονική της μονάδας υλοποίησης του προτύπου CAN του DSPIC30F4011 Το δομικό διάγραμμα της μονάδας παρουσιάζεται στο Σχήμα Σχήμα 5.16: Το δομικό διάγραμμα της μονάδας CAN του DSPIC30F4011 [39] Αποστολή μηνυμάτων Ο κόμβος που λειτουργεί σαν αποστολέας στο CAN συνηθίζεται να έχει δύο ή παραπάνω καταχωρητές Transmit Buffers, ώστε να μπορεί η μονάδα να πραγματοποιεί αποστολή από -106-

123 Κεφάλαιο 5 ο τον ένα καταχωρητή, ενώ ο στον άλλο να εισάγει δεδομένα για αποστολή σε επόμενη χρονική στιγμή. Με αυτό τον τρόπο παύει να υπάρχει ο κίνδυνος της απώλειας εξουσίας πάνω στο δίαυλο. Η μονάδα του DSPIC30F περιλαμβάνει τρεις Transmit Buffer ώστε να υπάρχουν ταυτόχρονα και βαθμίδες προτεραιότητας σε αυτούς. Κάθε Transmit Buffer διαχειρίζεται μέχρι 14 Bytes δεδομένων. Από αυτά, από ένα μέχρι οκτώ Bytes είναι τα δεδομένα που περιλαμβάνει το μήνυμα, πέντε Bytes περιέχουν τους Identifiers και τα υπόλοιπα δεδομένα διαιτησίας του μηνύματος. Το τελευταίο Byte είναι Byte ελέγχου και περιγράφει τις συνθήκες και την κατάσταση αποστολής του μηνύματος. Σε κάθε καταχωρητή υπάρχουν και οι ανάλογες σημαίες (flags) που υποδεικνύουν αν έχει γίνει αίτηση για αποστολή (TXREQ), αν έχει γίνει αίτηση για απόρριψη του μηνύματος (TXABT), αν δεν έχει σταλεί το μήνυμα λόγω κυριαρχίας άλλου κόμβου στη διαδικασία της διαιτησίας (TXLARB), αν έχει δημιουργηθεί κάποιο σφάλμα κατά την αποστολή (TXERR) και την προτεραιότητα του μηνύματος (TXPRI). Έτσι, παρακολουθώντας τις σημαίες αυτές, ο προγραμματιστής έχει πλήρη γνώση της κατάστασης αποστολής των μηνυμάτων. Σχήμα 5.17: Δομικό διάγραμμα του υποσυστήματος που αναλαμβάνει την αποστολή του μηνύματος στο CAN [39] Παραλαβή μηνυμάτων Το υποσύστημα παραλαβής μηνυμάτων του CAN περιέχει τρείς καταχωρητές Receive Buffers. Ο ένας από αυτούς είναι μόνιμα αφοσιωμένος στην παρακολούθηση του διαύλου για εισερχόμενο μήνυμα και ονομάζεται Message Assembly Buffer (MAB). Έτσι, παραμένουν μόνο δύο Buffers ορατοί προς το χρήστη και γίνεται αναφορά σε αυτούς ως RXB0 και RXB1. Κάθε εισερχόμενο μήνυμα εισάγεται πρώτα στο ΜΑΒ και στη συνέχεια προωθείται σε ένα -107-

124 Κεφάλαιο 5 ο από τους RXB ανάλογα με το αν πληρούνται τα κριτήρια των φίλτρων. Ο RXB0 έχει μια μάσκα και δύο φίλτρα που αναφέρονται στα περιεχόμενά τους, ενώ ο RXB1 έχει μία μάσκα και τέσσερα φίλτρα. Με την παράδοση ενός μηνύματος, το μοντέλο ενημερώνει το χρήστη ποια κριτήρια φίλτρου πληρούσε το μήνυμα ώστε να γίνει δεκτό. Σημειώνεται ότι τα μηνύματα που αφορούν τον RXB0 έχουν μεγαλύτερη προτεραιότητα από τα μηνύματα του RXB1. Στο Σχήμα 5.18 παρουσιάζεται το δομικό διάγραμμα που αναλαμβάνει τη λήψη ενός μηνύματος. Σχήμα 5.18: Δομικό διάγραμμα υποσυστήματος παραλαβής μηνυμάτων του CAN [39]. Η ύπαρξη των μασκών και των φίλτρων είναι καθοριστικής σημασίας για την υλοποίηση του προτύπου. Με τη χρήση τους, το υλικό της μονάδας αναλαμβάνει να αποδεχτεί μόνο τα μηνύματα που είναι χρήσιμα για τον εκάστοτε κόμβο, εξοικονομώντας έτσι σημαντική υπολογιστική ισχύ αφού ο μικροελεγκτής δεν απαιτείται να ανιχνεύσει όλα τα Identifiers των μηνυμάτων του διαύλου. Το φίλτρο επιτρέπει τη διέλευση μόνο των μηνυμάτων που η τιμή του Identifier ταιριάζει με τη δική του. Ενώ η μάσκα καθορίζει ποια ψηφία του Identifier θα ταιριαστούν με του φίλτρου και ποια θα είναι αδιάφορα. Μηδενική τιμή ενός ψηφίου της μάσκας συνεπάγεται αποδοχή του αντίστοιχου ψηφίου του μηνύματος ανεξάρτητα από την -108-

125 Κεφάλαιο 5 ο τιμή του φίλτρου. Αποδοχή του μηνύματος πραγματοποιείται όταν έχουν αποδεχθεί όλα τα ψηφία του Identifier. Ο πίνακας αληθείας της μάσκας και του φίλτρου για ένα Receive Buffer παρουσιάζεται στον Πίνακα 5.2. Ψηφίο Μάσκας Ψηφίο φίλτρου Ψηφίο μηνύματος Αποδοχή ή απόρριψη ψηφίου 0 Χ Χ Αποδοχή Αποδοχή Απόρριψη Απόρριψη Αποδοχή Υπόμνημα: Χ= Αδιάφορο Ψηφίο Πίνακας 5.2: Πίνακας αληθείας των φίλτρων και της μάσκας για ένα Receive Buffer [39] Το ολοκληρωμένο κύκλωμα MCP2551 της εταιρίας Microchip Ο μικροελεγκτής DSPIC30F4011 χρησιμοποιεί την ενσωματωμένη μονάδα CAN ώστε να δημιουργήσει τις κατάλληλες παλμοσειρές που εκφράζουν ένα μήνυμα του προτύπου, καθώς και να δεχθεί και να αποκωδικοποιήσει της ληφθείσες παλμοσειρές που μεταδίδονται στο δίαυλο. Όμως, επειδή σε ένα δίαυλο CAN είναι δυνατό να συνυπάρχουν πολλοί κόμβοι που λειτουργούν σε διαφορετικά επίπεδα τάσης, απαιτείται μια συσκευή ενδιάμεση στον CAN Controller του κάθε κόμβου και το φυσικό επίπεδο. Η συσκευή που επιλέχθηκε για την παρούσα εργασία είναι το ολοκληρωμένο κύκλωμα MCP2551 της εταιρίας Microchip και αναλαμβάνει την προσαρμογή των μηνυμάτων που εξάγονται από τον μικροελεγκτή στο φυσικό επίπεδο. Σχήμα 5.19: Το ολοκληρωμένο κύκλωμα MCP2551 της εταιρίας Microchip [33]. Στα χαρακτηριστικά του ολοκληρωμένου κυκλώματος περιλαμβάνονται: Λειτουργία σε ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων έως 1 Mbps

126 Κεφάλαιο 5 ο Ικανοποίηση των προδιαγραφών για το φυσικό επίπεδο του CAN που τέθηκαν στο πρότυπο ISO Ικανό να λειτουργήσει σε συστήματα 12V και 24V. Ρυθμιζόμενη κλίση των μεταδιδόμενων παλμών ώστε να μειωθούν οι ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές. Προστασία έναντι βραχυκυκλώματος του διαύλου. Προστασία έναντι πτώσης της τροφοδοσίας. Ένας κόμβος που είναι εκτός τροφοδοσίας δεν επηρεάζει το δίαυλο. Χαμηλή κατανάλωση ισχύος σε κατάσταση αναμονής. Προστασία του μικροελεγκτή στην περίπτωση βραχυκυκλώματος ή ανάποδης πολικότητας στο δίαυλο. Προστασία έναντι αιχμών τάσης. Απενεργοποίηση σε περίπτωση υπερθέρμανσης. Λειτουργία χωρίς αναμεταδότη σε δίαυλο που περιλαμβάνει μέχρι 112 κόμβους. Ανοχή στο διαφορικό θόρυβο που παρατηρείται στο δίαυλο. Λειτουργία σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών (από -40 έως +125 ο C). Στο σχήμα 5.20 παρουσιάζεται το δομικό διάγραμμα του MCP2551. Οι ακροδέκτες CANH και CANL συνδέονται απευθείας στο δίαυλο, ενώ οι TXD και RXD στις αντίστοιχες ακίδες του μικροελεγκτή. Σχήμα 5.20: Το δομικό διάγραμμα του MCP2551[40]

127 Κεφάλαιο 5 ο Η ρύθμιση της κλίσης των παλμών που μεταδίδονται στο δίαυλο πραγματοποιείται με τη σύνδεση μιας εξωτερικής αντίστασης στο MCP2551. Η επίδραση της αντίστασης στη κλίση του παλμού φαίνεται στο Σχήμα Σχήμα 5.21: Χαρακτηριστική καμπύλη της κλίσης των παλμών του διαύλου σαν συνάρτηση της αντίσταση που συνδέεται στο MCP2551 [40]. 5.4 Υλοποίηση διαύλου CAN για την παρούσα εργασία Περιγραφή της αρχιτεκτονικής του δικτύου Οι κόμβοι CAN που θα εισαχθούν στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται στο Σχήμα 5.19 και η φιλοσοφία της λειτουργίας τους είναι η εξής: Το ηλεκτρονικό διαφορικό (ED) αναλαμβάνει να υπολογίζει τις αναφορές ταχύτητας, σύμφωνα με τη γεωμετρία Ackermann, που θα λαμβάνει κάθε ελεγκτής κινητήρα (Κ1 και Κ2). Οι κόμβοι Κ1 και Κ2 αποτελούν τις διεπαφές των δύο ελεγκτών των κινητήρων στο δίαυλο. Ο κόμβος του ταμπλό (DASH) αναλαμβάνει να ενημερώνει το χρήστη σχετικά με τη λειτουργία του οχήματος και να παρακολουθεί την κατάσταση των κόμβων στο δίαυλο. Οι τερματικοί κόμβοι απαιτείται να είναι συνδεδεμένοι με μια ωμική αντίσταση μεγέθους 120Ω, ώστε να ελαχιστοποιούνται οι ανακλάσεις του σήματος στο δίαυλο

128 Κεφάλαιο 5 ο Κ1 Κ2 ED Dash 120 Ω CAN High CAN Low 120 Ω Σχήμα 5.22: Η δομή του διαύλου στην παρούσα εργασία. Τα δεδομένα που διαχειρίζεται κάθε κόμβος είναι: ED: Αναφέρεται στα δεδομένα που διαχειρίζεται η πλακέτα του ηλεκτρονικού διαφορικού. Τα δεδομένα που δέχεται ο κόμβος είναι: i) Δεδομένα από Κ1 (Controller δεξιού τροχού): (1) Ρεύμα κινητήρα 1. (2) Στροφές οπίσθιου δεξιά τροχού. ii) Δεδομένα από Κ2 (Controller αριστερού τροχού): (1) Ρεύμα κινητήρα 2. (2) Στροφές οπίσθιου αριστερά τροχού. iii) Δεδομένα από DASH (Ταμπλό αυτοκινήτου): (1) Σήμα σφάλματος κινητήρων. Τα δεδομένα που εξέρχονται από τον κόμβο είναι: (1) Αναφορά ταχύτητας προς K1. (2) Αναφορά φρένου προς K1. (3) Αναφορά ταχύτητας προς K2. (4) Αναφορά φρένου προς Κ2. (5) Στροφές εμπρόσθιου δεξιά τροχού (W1). (6) Στροφές εμπρόσθιου αριστερά τροχού (W2). (7) Το εύρος του παλμού του αισθητήρα στροφής του τιμονιού. (8) Σήμα ένδειξης λειτουργίας προς DASH. Κ1: Αναφέρεται στα δεδομένα του Kelly Controller 1 που ελέγχει την κίνηση του δεξιού τροχού. Τα δεδομένα που δέχεται ο κόμβος είναι: (1) Αναφορά ταχύτητας από ED

129 Κεφάλαιο 5 ο (2) Αναφορά φρένου από ED. (3) Σήμα ελέγχου από DASH. Το σήμα αυτό είναι αντίστοιχο και στον Κ2 και αναφέρεται στις εντολές του οδηγού προς τον κινητήρα (π.χ. έμπροσθεν ή όπισθεν κίνηση). Τα δεδομένα που εξέρχονται από τον κόμβο είναι: (1) Ρεύμα κινητήρα 1. (2) Στροφές οπίσθιου δεξιά τροχού. (3) Θερμοκρασία κινητήρα 1. (4) Κατάσταση κινητήρα 1. Κ2: Αναφέρεται στα δεδομένα του Kelly Controller 2 που ελέγχει την κίνηση του αριστερού τροχού. Τα δεδομένα που δέχεται ο κόμβος είναι: (1) Αναφορά ταχύτητας από ED. (2) Αναφορά φρένου από ED. (3) Σήμα ελέγχου από DASH. Τα δεδομένα που εξέρχονται από τον κόμβο είναι: (1) Ρεύμα κινητήρα 2. (2) Στροφές οπίσθιου αριστερά τροχού. (3) Θερμοκρασία κινητήρα 2. (4) Κατάσταση κινητήρα 2. DASH: Αναφέρεται στα δεδομένα που διαχειρίζεται η πλακέτα του ταμπλό. Τα δεδομένα που δέχεται ο κόμβος είναι: (1) Σήμα λειτουργίας από ED. (2) Σήμα σφάλματος από Κ1. (3) Σήμα σφάλματος από Κ2. (4) Αναφορά ταχύτητας από τον επιταχυντή. (5) Αναφορά φρένου. (6) Αναφορά ταχύτητας προς Κ1. (7) Αναφορά ταχύτητας προς Κ2. (8) Εύρος παλμού αισθητήρα τιμονιού. Τα δεδομένα που εξέρχονται από τον κόμβο είναι: (1) Σήμα ελέγχου προς Κ

130 Κεφάλαιο 5 ο (2) Σήμα ελέγχου προς Κ2. (3) Σήμα ελέγχου προς ED. Τα παραπάνω σήματα ομαδοποιούνται σε πακέτα-μηνύματα ανάλογα με τον αποστολέα και τους παραλήπτες. Τα μηνύματα που διαδίδονται στο δίαυλο μαζί με Identifiers τους παρουσιάζονται στον Πίνακα 5.3. Τα μηνύματα Error χρησιμοποιούνται για την αποστολή κάποιου σφάλματος που συνέβη ή ειδικών εντολών, καθώς και για την κατάσταση του κόμβου. Επειδή πρέπει να έχουν υψηλή προτεραιότητα έχουν τους χαμηλότερους Identifiers. Συστήματα παρακολούθησης των συσσωρευτών (BMS) δεν κατασκευάστηκαν στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας, αλλά έχει τεθεί ενδεικτικά ένας Identifier. ΠΑΚΕΤΟ IDENTIFIERS HEXADECIMAL ΑΠΟΣΤΟΛΕΑΣ &ΜΕΓΕΘΟΣ ΠΑΡΑΛΗΠΤΗΣ EDERROR ED (2Bytes) DASH K1ERROR K1 (2Bytes) DASH K2ERROR K2 (2Bytes) DASH DASHERROR DASH (2Bytes) ED BMSERROR BMS (2Bytes) DASH SPEEDREF ED (8Bytes) K1,K2,DASH EDMEAS ED (8Bytes) DASH EDMEAS A ED (4Bytes) DASH MEAS F K1 (8Bytes) ED,DASH MEAS E K2 (8Bytes) ED,DASH -114-

131 Κεφάλαιο 5 ο DASH D DASH (2Bytes) ED,K1,K2 BATTERY B BMS DASH Πίνακας 5.3: Τα πακέτα που μεταδίδονται στο δίαυλο. Κάθε πακέτο περιλαμβάνει κάποια δεδομένα που αναφέρονται στον πίνακα 5.4. Τα δεδομένα που περιέχουν στο όνομά τους τα K1 και K2 αναφέρονται στις πλακέτες που συνδέονται με τους ελεγκτές του δεξιού και αριστερού κινητήρα αντίστοιχα. ΔΕΔΟΜΕΝΟ ΠΑΚΕΤΟ ΠΟΥ ΥΠΑΓΕΤΑΙ ΣΧΟΛΙΑ SPEEDREFK1 SPEEDREF Η αναφορά ταχύτητας προς τον K1. BRAKEREFK1 SPEEDREF CONTROLK1 K1ERROR Το δεδομένο αυτό, περιλαμβάνει και τη κατάσταση της λυχνίας σφάλματος των ελεγκτών. SPEEDREFK2 SPEEDREF BRAKEREFK2 SPEEDREF CONTROLK2 K1ERROR Αντίστοιχα με το CONTROLK1 περιλαμβάνει και τη λυχνία σφάλματος. EDERROR EDERROR K1ERROR K1ERROR -115-

132 Κεφάλαιο 5 ο K2ERROR K2ERROR BMSERROR BMSERROR CONTROLDASH DELTA BRAKE DASH EDMEAS1 EDMEAS2 Το δεδομένο αυτό δίνει την εντολή όπισθεν. Ο παλμός του αισθητήρα του τιμονιού ώστε να αντιστοιχηθεί στη γωνία στροφής. Οι δευτερεύουσες μετρήσεις του ED βρίσκονται στο πακέτο EDMEAS2. ACCEL EDMEAS1 Η αναφορά του επιταχυντή. LEFTW RIGHTW SPEEDMEASK1 EDMEAS1 EDMEAS2 MEAS1 Η ταχύτητα του εμπρόσθιου αριστερά τροχού. Η ταχύτητα του εμπρόσθιου δεξιά τροχού. Η μέτρηση ταχύτητας του δεξιού κινητήρα. CURR1 MEAS1 Το ρεύμα του δεξιού κινητήρα. TEMP1 SPEEDMEASK2 CURR2 MEAS1 MEAS2 MEAS2 Η θερμοκρασία του δεξιού κινητήρα. Η μέτρηση ταχύτητας του αριστερού κινητήρα. Το ρεύμα του αριστερού κινητήρα

133 TEMP2 MEAS2 Κεφάλαιο 5 ο Η θερμοκρασία του αριστερού κινητήρα. BATTERY BATTERY Πίνακας 5.4: Τα δεδομένα που μεταδίδονται στο δίαυλο. Παρατηρούμε ότι ορισμένα πακέτα περιλαμβάνουν δεδομένα για περισσότερους από ένα κόμβους. Αυτό γίνεται για την εξοικονόμηση πακέτων ώστε να μη φορτίζεται υπερβολικά ο δίαυλος και για να φθάνουν ταυτόχρονα τα δεδομένα και στους δύο ελεγκτές των κινητήρων. Αν οι αναφορές ταχύτητας και φρένου ήταν σε ξεχωριστό πακέτο για τον κάθε ελεγκτή, τότε θα λαμβάνονταν με μια μικρή καθυστέρηση, ενδεχόμενο που μπορεί να οδηγούσε σε υποβέλτιστες συμπεριφορές. 5.5 Αλγόριθμοι των πλακετών διεπαφής στο δίαυλο CAN Στο χωρίο αυτό, περιγράφονται οι αλγόριθμοι που υλοποιούνται από τους μικροελεγκτές κάθε κόμβου που συμμετέχει στο δίαυλο. Συνεπώς δεν περιγράφονται οι αλγόριθμοι των επιμέρους λειτουργιών κάθε μικροελεγκτή. Οι λειτουργίες αυτές αναφέρονται ονομαστικά σαν βήματα που πρέπει να ακολουθήσει ο αλγόριθμος. Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τον τρόπο που επιτελούνται οι εν λόγω λειτουργίες, ο αναγνώστης μπορεί να ανατρέξει στο παράρτημα με τους κώδικες καθώς και σε αντίστοιχα χωρία στο κείμενο. Όλοι οι κόμβοι που συμμετέχουν στο δίαυλο, στέλνουν πακέτα ανά τακτά χρονικά διαστήματα που μετρώνται με τη χρήση των χρονομετρητών που συμπεριλαμβάνει στα περιφερειακά του ο μικροελεγκτής. Η χρήση των χρονομετρητών επιβάλλεται για να μην φορτώνεται υπερβολικά ο δίαυλος με συνεχή χρήση πακέτων και για να έχουν όλοι οι κόμβοι τη δυνατότητα αποστολής μηνυμάτων χωρίς να περιμένουν τον κόμβο με το χαμηλότερο Identifier μηνύματος να τους αδειοδοτήσει

134 Κεφάλαιο 5 ο Αλγόριθμοι για τους κόμβους των ελεγκτών (K1 & K2) ΑΡΧΗ ΑΡΧΙΚΟΠΟΙΗΣΕ ΤΟ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ ΑΝ ΕΧΕΙ ΕΡΘΕΙ ΑΝΑΦΟΡΑ ΑΠΟ ΤΟ ΔΙΑΦΟΡΙΚΟ ΟΧΙ ΑΝ ΕΧΕΙ ΠΕΡΑΣΕΙ Ο ΠΡΟΚΑΘΟΡΙΣΜΕΝΟΣ ΧΡΟΝΟΣ ΝΑΙ ΜΗΔΕΝΙΣΕ ΟΛΕΣ ΤΙΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΝΑΙ ΟΧΙ ΣΤΕΙΛΕ HEARTBEAT ΑΝΑ ΤΑΚΤΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΔΙΑΣΤΗΜΑΤΑ ΔΙΑΒΑΣΕ ΤΙΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΝΑΙ ΑΝ ΕΧΕΙ ΕΡΘΕΙ ΝΕΑ ΑΝΑΦΟΡΑ ΑΠΌ ΤΟ ΔΙΑΦΟΡΙΚΟ ΟΧΙ ΔΙΑΒΑΣΕ ΤΗΝ ΕΝΤΟΛΗ ΔΙΕΥΘΥΝΣΗΣ ΑΠΟ ΤΟ DASH ΚΑΙ ΡΥΘΜΙΣΕ ΤΟΝ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΔΙΑΒΑΣΕ ΤΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΤΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΔΙΑΒΑΣΕ ΤΟΝ ΠΑΛΜΟ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΤΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΔΙΑΒΑΣΕ ΤΗΝ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΤΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΣΤΕΙΛΕ ΤΙΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΣΤΟΝ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΟΧΙ ΑΝ ΕΧΟΥΝ ΠΕΡΑΣΕΙ ΟΙ ΠΡΟΚΑΘΟΡΙΣΜΕΝΟΙ ΧΡΟΝΟΙ ΝΑΙ ΣΤΕΙΛΕ ΤΙΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΜΕΣΩ CAN ΣΤΕΙΛΕ HEARTBEAT Σχήμα 5.23: Αλγόριθμος λειτουργίας των μικροελεγκτών που αντιπροσωπεύουν τους κόμβους K1 και K2. Σχετικά με τον παραπάνω αλγόριθμο, σημειώνεται ότι κάθε κόμβος K1 και K2 έχει ένα χρονομετρητή που ξεκινά τη μέτρησή του από τη στιγμή που φτάνει μήνυμα αναφοράς από το μικροελεγκτή του ηλεκτρονικού διαφορικού. Αν η τιμή του μετρητή αυτού φτάσει μια προκαθορισμένη τιμή, σημαίνει ότι έχει περάσει περισσότερος από το φυσιολογικό χρόνος -118-

135 Κεφάλαιο 5 ο από τη λήψη της τελευταίας αναφοράς. Στην περίπτωση αυτή, ο μικροελεγκτής μηδενίζει όλες τις αναφορές και κλειδώνει σε βρόχο σε μια κατάσταση που η μόνη λειτουργία που επιτελεί είναι η αποστολή μηνύματος ύπαρξης στο δίαυλο. Το μήνυμα αυτό ονομάζεται Heartbeat. Αν το διαφορικό εισέλθει πάλι στο δίαυλο και αρχίσει να στέλνει επιτυχώς τις αναφορές, ο μικροελεγκτής εγκαταλείπει την κατάσταση αυτή του κλειδώματος και συνεχίζει την κανονική λειτουργία του. Επίσης, για να μην φορτώνεται υπερβολικά ο δίαυλος, οι κόμβοι K1 και K2 επιτρέπεται να στείλουν μηνύματα μέσω CAN ανά προκαθορισμένα χρονικά διαστήματα Αλγόριθμος του κόμβου του ηλεκτρονικού διαφορικού (ED) Στο χωρίο αυτό, δεν περιγράφεται ο αλγόριθμος εξαγωγής των αναφορών προς κάθε κινητήρα σύμφωνα με τη γεωμετρία του Ackermann, αλλά παρουσιάζονται μόνο το διάγραμμα ροής της λειτουργίας του ηλεκτρονικού διαφορικού. Αναλυτική περιγραφή του αλγορίθμου αυτού βρίσκεται στο Κεφάλαιο 4, ενώ η γεωμετρική ανάλυση στο Κεφάλαιο

136 Κεφάλαιο 5 ο ΑΡΧΗ ΑΡΧΙΚΟΠΟΙΗΣΕ ΤΟ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ ΔΙΑΒΑΣΕ ΤΗΝ ΕΙΣΟΔΟ ΤΟΥ ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΗ ΚΑΙ ΤΟΥ ΦΡΕΝΟΥ ΔΙΑΒΑΣΕ ΤΙΣ ΤΑΧΥΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΕΜΠΡΟΣΘΙΩΝ ΤΡΟΧΩΝ ΔΙΑΒΑΣΕ ΤΟ ΕΥΡΟΣ ΤΟΥ ΠΑΛΜΟΥ ΤΟΥ ΑΙΣΘΗΤΗΡΑ ΤΙΜΟΝΙΟΥ ΥΠΟΛΟΓΙΣΕ ΤΙΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΦΡΕΝΟΥ ΓΙΑ ΚΆΘΕ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΑΝ ΕΧΕΙ ΠΕΡΑΣΕΙ Ο ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΟΣ ΧΡΟΝΟΣ ΝΑΙ ΣΤΕΙΛΕ ΠΑΚΕΤΟ HEARTBEAT ΟΧΙ ΑΝ ΕΧΕΙ ΕΡΘΕΙ ΝΈΟ ΠΑΚΕΤΟ ΑΠΌ ΤΟΝ K1 Ή K2 ΟΧΙ ΝΑΙ ΣΤΕΙΛΕ ΤΙΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΠΡΟΣ ΤΟΥΣ K1, K2 Σχήμα 5.24: Αλγόριθμος λειτουργίας του μικροελεγκτή που αντιπροσωπεύει τον κόμβο του ηλεκτρονικού διαφορικού (ED)

137 Κεφάλαιο 5 ο Αλγόριθμος της πλακέτας αλληλεπίδρασης με το χρήστη (DASH) Η πλακέτα αυτή, εκτός από τη συλλογή και απεικόνιση των δεδομένων, επιτελεί και την πολύ σημαντική λειτουργία του ελέγχου παρουσίας των κόμβων στο δίαυλο. Η λειτουργία αυτή βασίζεται σε δεδομένα που στέλνει κάθε κόμβος ανά τακτά χρονικά διαστήματα, ώστε να δείξει την παρουσία του στο δίαυλο. Τα δεδομένα αυτά παρομοιάζονται με παλμούς της καρδιάς ενός ανθρώπου, για αυτό ονομάζονται και Heartbeats. Σε περίπτωση απουσίας ενός κόμβου κινητήρα, ο κόμβος DASH ενημερώνει τον ED ώστε να οδηγήσει τον εναπομείναντα κινητήρα με χαμηλή ταχύτητα ώστε να μετακινηθεί το όχημα σε ασφαλές σημείο. Αν όμως χαθεί η επικοινωνία με το ηλεκτρονικό διαφορικό, και οι δύο κινητήρες ακινητοποιούνται αφού δεν είναι πλέον δυνατός ο έλεγχος από τον οδηγό. Επίσης, απώλεια του DASH οδηγεί σε ακινητοποίηση του οχήματος, αφού ο οδηγός παύει να έχει γνώση της κατάστασης των ηλεκτρικών μεγεθών του οχήματος και επιπλέον δεν μπορεί να δώσει εντολή κατεύθυνσης όπισθεν ή έμπροσθεν. Τα Heartbeats αποστέλλονται μέσω των πακέτων EDERROR, K1ERROR και K2ERROR

138 Κεφάλαιο 5 ο ΑΡΧΗ ΑΡΧΙΚΟΠΟΙΗΣΕ ΤΟ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ ΑΡΧΙΚΟΠΟΙΗΣΕ ΤΗΝ ΟΘΟΝΗ ΑΝ Ο ΟΔΗΓΟΣ ΖΗΤΗΣΕΙ ΑΠΟΣΤΟΛΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΣΤΟΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ ΝΑΙ ΑΝ Ο ΟΔΗΓΟΣ ΣΤΑΜΑΤΗΣΕΙ ΤΗΝ ΑΠΟΣΤΟΛΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΟΧΙ ΔΙΑΒΑΣΕ ΤΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΑΠΌ ΤΟ CAN ΟΧΙ ΝΑΙ ΣΤΕΙΛΕ ΔΙΑΔΟΧΙΚΑ ΤΑ ΠΑΚΕΤΑ ΤΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΤΟΥ ΑΡΙΣΤΕΡΟΥ ΤΡΟΧΟΥ, ΤΟΥ ΔΕΞΙΟΥ ΤΡΟΧΟΥ, ΤΗΣ ΓΩΝΙΑΣ ΣΤΡΟΦΗΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΑΝ ΕΧΕΙ ΠΑΡΕΛΘΕΙ Ο ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΟΣ ΧΡΟΝΟΣ ΟΧΙ ΝΑΙ ΣΤΕΙΛΕ ΤΟ ΠΑΚΕΤΟ ΕΜΠΡΟΣΘΕΝ Ή ΟΠΙΣΘΕΝ ΣΤΟΥΣ K1 & K2 ΔΙΑΒΑΣΕ ΤΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΑΠΌ ΤΟ CAN ΔΕΙΞΕ ΤΑ ΕΠΙΛΕΓΜΕΝΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΣΤΗΝ ΟΘΟΝΗ ΑΝ Ο ΟΔΗΓΟΣ ΠΑΤΗΣΕΙ ΤΟ ΠΛΗΚΤΡΟ LCD ΝΑΙ ΕΠΕΛΕΞΕ ΤΟ ΕΠΟΜΕΝΟ ΣΕΤ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΣΤΗΝ ΟΘΟΝΗ ΟΧΙ ΕΝΗΜΕΡΩΣΕ ΤΟ ΧΡΗΣΤΗ ΣΥΛΛΕΓΕ ΠΑΚΕΤΑ HEARTBEAT ΑΠΌ ΤΟΥΣ ΚΟΜΒΟΥΣ ΤΟΥ ΔΙΑΥΛΟΥ ΔΙΑΠΙΣΤΩΣΕ ΠΟΙΟΣ ΚΟΜΒΟΣ ΑΠΟΥΣΙΑΖΕΙ ΟΧΙ ΑΝ ΕΧΕΙ ΠΑΡΕΛΘΕΙ Ο ΠΡΟΚΑΘΟΡΙΣΜΕΝΟΣ ΧΡΟΝΟΣ ΝΑΙ ΔΩΣΕ ΣΤΟΥΣ ΔΕΙΚΤΕΣ ΤΟΥ HEARTBEAT ΤΙΣ ΤΙΜΕΣ ΤΩΝ ΠΑΚΕΤΩΝ ΑΝ OΛΟΙ ΟΙ ΔΕΙΚΤΕΣ ΕΧΟΥΝ ΤΗΝ ΤΙΜΗ 0 ΟΧΙ ΝΑΙ ΟΛΟΙ ΟΙ ΚΟΜΒΟΙ ΕΊΝΑΙ ΣΤΟ ΔΙΑΥΛΟ ΕΝΗΜΕΡΩΣΕ ΤΟ ΧΡΗΣΤΗ ΑΡΧΙΚΟΠΟΙΗΣΕ ΤΟΥΣ ΔΕΙΚΤΕΣ ΤΟΥ HEARTBEAT ME THN TIMH 1 Σχήμα 5.25: Αλγόριθμος λειτουργίας του μικροελεγκτή που αντιπροσωπεύει το DASH

139 Κεφάλαιο 5 ο 5.6 Η συσκευή CAN BUS Analyzer της εταιρίας Microchip Προκειμένου να δοκιμαστούν οι κώδικες που αφορούν τη μετάδοση δεδομένων μέσω CAN, καθώς και η αποτελεσματικότητα των κατασκευασμένων πλακετών χρησιμοποιήθηκε η συσκευή CAN BUS Analyzer της εταιρίας Microchip. Η συσκευή αυτή, παρέχει τη δυνατότητα αλληλεπίδρασης με διαύλους CAN που λειτουργούν σε ταχύτητες από 20 kbps έως και 1Mbps. Προσφέρει ιδιαίτερη χρησιμότητα στην ανάπτυξη και αποσφαλμάτωση (debugging) του λογισμικού που αναλαμβάνει τη λειτουργία του προτύπου. Η συσκευή συνδέεται με ηλεκτρονικό υπολογιστή μέσω θύρας USB και συμπεριλαμβάνει κατάλληλο λογισμικό για την αλληλεπίδραση με το χρήστη. Εκτός από το λογισμικό, η ενημέρωση του χρήστη για την κατάστασή της γίνεται και μέσω ενδεικτικών λυχνιών LED που υποδεικνύουν τη μετάδοση δεδομένων μέσω USB, πότε γίνεται αποστολή και πότε λήψη ενός μηνύματος, καθώς και την κατάσταση σφάλματος. Σχήμα 5.26: Το CAN bus Analyzer της εταιρίας Microchip[41]. Οι δυνατότητες που παρέχει το λογισμικό είναι η παρακολούθηση των δεδομένων που μεταδίδονται στο δίαυλο, η αποστολή ενός ή περισσότερων μηνυμάτων περιοδικά και η καταγραφή των μηνυμάτων που ικανοποιούν τα φίλτρα που έχει δώσει ο χρήστης. Ενδεικτικά παρουσιάζεται ένα στιγμιότυπο από το λογισμικό CAN BUS Analyzer της εταιρίας Microchip, στο οποίο φαίνονται στο παράθυρο που βρίσκεται στο πίσω επίπεδο τα μηνύματα που δέχεται η συσκευή, ο χρόνος μεταξύ δυο διαδοχικών λήψεων και ο αριθμός των πακέτων που έχουν ληφθεί. Επιπλέον, στο μπροστά επίπεδο φαίνεται το παράθυρο που ρυθμίζεται η αποστολή μηνυμάτων από τη συσκευή CAN BUS Analyzer -123-

140 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.27: Στιγμιότυπο από το πρόγραμμα CAN bus Analyzer

141 Κεφάλαιο 6 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΛΑΚΕΤΕΣ ΤΥΠΩΜΕΝΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΚΑΛΩΔΙΩΣΕΙΣ 6.1 Σχεδιασμός και κατασκευή των πλακετών τυπωμένου κυκλώματος Όλες οι πλακέτες τυπωμένου κυκλώματος που είναι απαραίτητες για την παρούσα διπλωματική εργασία έχουν σχεδιαστεί στο λογισμικό KiCAD και κατασκευάστηκαν στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας. Οι πλακέτες αυτές περιλαμβάνουν τους μικροελεγκτές και τα περιφερειακά που επιτελούν τις λειτουργίες του συστήματος. Επίσης, προκειμένου να καταπολεμηθεί η επίδραση του ηλεκτρομαγνητικού θορύβου, οι πλακέτες έχουν σχεδιαστεί με μεγάλα επίπεδα χαλκού που βρίσκονται στο δυναμικό αναφοράς Η πλακέτα του ηλεκτρονικού διαφορικού Η πλακέτα του ηλεκτρονικού διαφορικού (ED) υλοποιεί τον αλγόριθμο εξαγωγής των απαραίτητων ταχυτήτων συλλέγοντας τις απαραίτητες εισόδους για το σκοπό αυτό. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται το σχηματικό διάγραμμα της πλακέτας που υλοποιεί τη λειτουργία του ηλεκτρονικού διαφορικού (ED). Σχήμα 6.1: Το σχηματικό διάγραμμα της πλακέτας του ηλεκτρονικού διαφορικού

142 Κεφάλαιο 6 ο Οι είσοδοι και οι έξοδοι της πλακέτας χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: 1) Αναλογικές a) Τροφοδοσία πλακέτας. Είναι σήμα σταθερής τάσης 12V και αποτελεί έξοδο του βοηθητικού τροφοδοτικού. Τα 12V εισέρχονται σε μια ανορθωτική γέφυρα ώστε να έχουμε λειτουργία της πλακέτας με τάση οποιασδήποτε πολικότητας χωρίς τον κίνδυνο καταστροφής των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων. Η έξοδος της γέφυρας τροφοδοτεί ένα σταθεροποιητικό τάσης LM7805 που αναλαμβάνει να τροφοδοτήσει με σταθερή τάση 5V τα ηλεκτρονικά της πλακέτας. Σημειώνεται ότι η ίδια συνδεσμολογία ακολουθείται και στις τέσσερις πλακέτες του οχήματος και ότι για τις τροφοδοσίες όλων των πλακετών με 12V έχει χρησιμοποιηθεί μια κοινή ασφάλεια 1,6A. b) Είσοδος σήματος επιταχυντή. Ο επιταχυντής συνδέεται στην πλακέτα μέσω ενός κονέκτορα πέντε ακροδεκτών. Ο κονέκτορας αποτελείται από την τροφοδοσία, τη γείωση, την αναλογική έξοδο και την ψηφιακή έξοδο του επιταχυντή. Η ψηφιακή έξοδος υπάρχει ώστε η αναλογική είσοδος του μικροελεγκτή που αναφέρεται στον επιταχυντή να ενεργοποιείται μόνο όταν ο οδηγός πατάει το πεντάλ και όχι από θόρυβο ή σφάλμα του ποντεσιομέτρου. Η ανάγνωση της ψηφιακής εξόδου γίνεται μέσω μιας αντίστασης 1kΩ που συνδέεται μεταξύ της ψηφιακής εξόδου και της τροφοδοσίας (pull-up αντίσταση). Όταν ο οδηγός πιέσει το πεντάλ, τότε η ψηφιακή έξοδος συνδέεται στη γείωση και ο μικροελεγτής διαβάζει μηδενική τιμή εισόδου. Στην περίπτωση που το πεντάλ δεν είναι πατημένο, ο μικροελεγκτής διαβάζει ως είσοδο 5V. Η αναλογική έξοδος του επιταχυντή λαμβάνει τιμές από 0,86-4,2V. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται το ηλεκτρικό σχέδιο του ακροδέκτη του επιταχυντή. Σχήμα 6.2: Ηλεκτρικό σχέδιο του ακροδέκτη του επιταχυντή

143 Κεφάλαιο 6 ο c) Είσοδος σήματος επιβραδυντή. Είναι όμοια με αυτή του επιταχυντή, αλλά δεν έχει τοποθετηθεί πεντάλ επιβραδυντή στα πλαίσια της εργασίας αυτής παρόλο που έχει πραγματοποιηθεί και η συγγραφή του απαραίτητου κώδικα. 2) Ψηφιακές a) Έξοδοι προς το δίαυλο CAN. Κάθε κόμβος που συνδέεται στο δίαυλο, απαιτείται να έχει δύο κονέκτορες οι οποίοι είναι παράλληλα συνδεδεμένοι. Έτσι ο δίαυλος δεν διακόπτεται για τη σύνδεση του κόμβου. Ο ένας πόλος του κονέκτορα αναφέρεται στην υψηλή στάθμη του δικτύου, ενώ ο δεύτερος στη χαμηλή. Επιπλέον, οι τερματικοί κόμβοι του δικτύου φέρουν στον ένα κονέκτορα μια ωμική αντίσταση 120Ω. Σχήμα 6.3: Ηλεκτρικό σχέδιο σύνδεσης της πλακέτας στο δίαυλο CAN. b) Είσοδος κωδικοποιητή τιμονιού. Ο κωδικοποιητής του τιμονιού χρησιμοποιεί συνδεσμολογία τριών ακροδεκτών εκ των οποίων οι δύο τροφοδοτούν τον αισθητήρα με τάση 5V και ο τρίτος αποτελεί την έξοδο του αισθητήρα μέσω ενός τρανζίστορ BJT σε συνδεσμολογία ανοικτού συλλέκτη. Η έξοδος είναι ένας τετραγωνικός παλμός σταθερής συχνότητας 243Hz και μεταβλητού εύρους, ανάλογο με τη γωνία στροφής. Επίσης, συνδέεται με την τροφοδοσία με μια αντίσταση pull-up 1kΩ και με την ακίδα Input Capture IC8 του μικροελεγκτή. Σχήμα 6.4: Ηλεκτρικό σχέδιο του ακροδέκτη του σήματος γωνίας τιμονιού

144 Κεφάλαιο 6 ο c) Είσοδοι ταχυτήτων εμπρόσθιων τροχών. Οι ταχύτητες των εμπρόσθιων τροχών μετρώνται μέσω δύο αισθητήρων Hall που χρησιμοποιούν συνδεσμολογία τριών ακροδεκτών και έξοδο με χρήση τρανζίστορ ανοικτού συλλέκτη όμοια με τον αισθητήρα της γωνίας του τιμονιού. Με χρήση pull-up αντίστασης συνδέονται στις ακίδες Input Capture IC1 και IC2 του μικροελεγκτή. Επιπλέον, πρέπει να προσεχθεί ώστε το ρεύμα που διαρρέει τον ακροδέκτη της εξόδου να μην ξεπεράσει τα 25mA. Στην παρούσα εφαρμογή, αυτό δεν αποτελεί περιορισμό μιας και η έξοδος συνδέεται με ακροδέκτη εισόδου του μικροελεγκτή που έχει υψηλή τιμή αντίστασης. Σχήμα 6.5: Ηλεκτρικό σχέδιο των ακροδεκτών των αισθητήρων Hall των εμπρόσθιων τροχών. Το σχηματικό διάγραμμα της συνδεσμολογίας των παραπάνω εισόδων που χρησιμοποιούν BJT ανοικτού συλλέκτη παρουσιάζεται στο επόμενο σχήμα. Σχήμα 6.6: Συνδεσμολογία των αισθητήρων που χρησιμοποιούν BJT ανοικτού συλλέκτη. d) Ακροδέκτες για τη σύνδεση του προγραμματιστή του μικροελεκτή. Στους ακροδέκτες αυτούς συνδέεται η συσκευή προγραμματισμού του μικροελεγκτή (π.χ

145 Κεφάλαιο 6 ο PICKIT 3) που αναλαμβάνει να αποθηκεύσει στη μνήμη του μικροελεγκτή το πρόγραμμα. Επιπλέον των εισόδων και των εξόδων της πλακέτας υπάρχουν και ολοκληρωμένα κυκλώματα τα οποία αναλαμβάνουν να πραγματοποιήσουν τις λειτουργίες της. Τα ολοκληρωμένα αυτά είναι: 1) Ο μικροελεγκτής της εταιρείας Microchip, DSPIC30F4011 που είναι στοιχείο 40 ακίδων και αναλαμβάνει να επεξεργαστεί τα δεδομένα που εισάγονται από τις αναλογικές εισόδους και το CAN. Με τα δεδομένα αυτά υπολογίζει τις αναφορές ταχύτητας που θα αποσταλούν στους ελεγκτές των κινητήρων μέσω του δικτύου. Επιπλέον αποστέλλει ψηφιακά σήματα σε δέκα στοιχεία led που σηματοδοτούν τις λειτουργίες που πραγματοποιεί η πλακέτα. Οι σημάνσεις των led μεταφράζονται σε ύπαρξη τροφοδοσίας της πλακέτας, αποστολή και λήψη μηνυμάτων CAN και καταστάσεις σφάλματος του κόμβου. Σημειώνεται ότι με τη χρήση ενός Jumper διακόπτεται η τροφοδοσία των led για εξοικονόμηση ενέργειας. 2) Το ολοκληρωμένο κύκλωμα της εταιρείας Microchip, MCP2551 που είναι στοιχείο 8 ακροδεκτών και αναλαμβάνει να προσαρμόσει την είσοδο και την έξοδο CAN του μικροελεγκτή σε σήματα κατάλληλα για την αποστολή στο φυσικό επίπεδο. 3) Το ολοκληρωμένο κύκλωμα SN74HC04 που περιέχει τις πύλες NOT που τοποθετούνται στις ψηφιακές εξόδους του μικροελεγκτή, ώστε να τον προστατεύσουν από ενδεχόμενο διαρροής ρεύματος μεγάλης έντασης. 4) Το γραμμικό τροφοδοτικό LM7805 που λειτουργεί ως σταθεροποιητικό τάσης στα 5V, ώστε να τροφοδοτήσει τα στοιχεία της πλακέτας με την απαραίτητη για τη λειτουργία τους τάση. Το ρεύμα που μπορεί να προσφέρει, ξεπερνά το 1A αν τοποθετηθεί σε κατάλληλο ψυκτικό. Επίσης, παρέχεται προστασία του ολοκληρωμένου έναντι βραχυκυκλώματος και αύξησης της θερμοκρασίας. Σημειώνεται ότι για ενδεχόμενη περίπτωση σφάλματος του μικροελεγκτή υπάρχει μπουτόν Reset

146 Κεφάλαιο 6 ο Οι πλακέτες σύνδεσης των ελεγκτών των κινητήρων στο δίαυλο Οι πλακέτες (K1 και K2) που αναλαμβάνουν να συλλέξουν τα σήματα που εξάγονται από τους ελεγκτές των κινητήρων, καθώς και να παράγουν τα σήματα ελέγχου προς αυτούς είναι όμοιες και για τους δύο κινητήρες. Ο ρόλος τους είναι να αποτελέσουν τις διεπαφές των κινητήρων και των ελεγκτών τους στο δίαυλο. Το σχηματικό τους διάγραμμα παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα όπου ξεχωρίζει κάθε δομική μονάδα της πλακέτας. Σχήμα 6.7: Το σχηματικό διάγραμμα των ελεγκτών στο δίαυλο. Αντίστοιχα και με την πλακέτα του ηλεκτρονικού διαφορικού, οι είσοδοι και οι έξοδοι της πλακέτας χωρίζονται σε αναλογικές και ψηφιακές. Κάθε σήμα που προέρχεται από τον ελεγκτή και κάθε σήμα που οδηγείται σε αυτόν απομονώνεται οπτικά γιατί η τάση αναφοράς της πλακέτας (- του τροφοδοτικού 76,8V/12V) είναι απομονωμένη από την τάση αναφοράς -130-

147 Κεφάλαιο 6 ο του ελεγκτή. Έτσι, αποφεύγονται ανεπιθύμητοι βρόχοι ρεύματος λόγω πιθανής διαφορετικής στάθμης των δύο τάσεων αναφοράς. 1) Αναλογικές a) Τροφοδοσία πλακέτας. Η τροφοδοσία της πλακέτας είναι τάση πλάτους 12V και μετασχηματίζεται σε 5V όπως στην πλακέτα του ηλεκτρονικού διαφορικού. b) Θερμοκρασία κινητήρα. Ο κινητήρας ME0907 έχει ενσωματωμένο τον αισθητήρα θερμοκρασίας KTY που χρησιμοποιεί για τη μέτρηση ένα θερμίστορ και μια αντίσταση 1kΩ εξωτερικά, ώστε να δημιουργείται ένας διαιρέτης τάσης που δίνει ως έξοδο μια αναλογική τάση μεταβλητής τιμής. Η τάση αυτή απομονώνεται οπτικά πριν συνδεθεί στην πλακέτα. c) Αναλογική είσοδος γενικού σκοπού με οπτική απομόνωση. Στοχεύοντας στην ευελιξία του συστήματος για πιθανές προσθήκες, υπάρχει μια επιπλέον απομονωμένη αναλογική είσοδος. d) Αναλογική είσοδος γενικού σκοπού απευθείας στο μικροελεγκτή. Η είσοδος αυτή δεν απομονώνεται οπτικά και συνδέεται σε μια αναλογική είσοδο του μικροελεγκτή μέσω ενός bypass πυκνωτή. e) Αναλογική έξοδος αναφοράς ταχύτητας. Ο μικροελεγκτής DSPIC30F4011 είναι μια συσκευή με ψηφιακές εξόδους. Δεδομένου του γεγονότος ότι ο ελεγκτής του κινητήρα δέχεται ως αναφορά ταχύτητας μια αναλογική τάση εύρους 0-5V, πρέπει να πραγματοποιηθεί κατάλληλα μετατροπή της ψηφιακής εξόδου σε αναλογική. Το πρώτο βήμα είναι η δημιουργία της ψηφιακής εξόδου που είναι ένας παλμός συχνότητας 100kHz μεταβλητού Duty Cycle. Η δημιουργία του παλμού, πραγματοποιείται από τη μονάδα PWM του μικροελεγκτή. Στη συνέχεια, η μετατροπή του παλμού σε αναλογική τάση πραγματοποιείται μέσω ενός φίλτρου διπλού RC που είναι δεύτερης τάξης και δίνει ως έξοδο μια αναλογική τάση πλάτους όσο η μέση τιμή του παλμού στην είσοδό του

148 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.8: Σχηματικό διάγραμμα του μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό f) Αναλογική έξοδος αναφοράς φρένου. Η τοπολογία της αναλογικής έξοδος αναφοράς φρένου είναι απόλυτα όμοια με αυτή της αναφοράς ταχύτητας. Επειδή οι οπτικοί απομονωτές είναι έντονα μη γραμμικά στοιχεία, οι αναλογικές είσοδοι από τον ελεγκτή απομονώνονται οπτικά μέσω του οπτικού απομονωτή IL300. Ο απομονωτής αυτός χρησιμοποιείται σε μια τοπολογία με ένα τελεστικό ενισχυτή στόχος της οποίας είναι η γραμμική συμπεριφορά σε αναλογικές τάσεις εισόδου. Η τοπολογία παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 6.9: Η τοπολογία του οπτικού απομονωτή αναλογικού σήματος IL300[42]

149 Κεφάλαιο 6 ο Η φωτοδίοδος που βρίσκεται εσωτερικά του ολοκληρωμένου, μεταξύ των ακίδων 1 και 2 πολώνεται από το ρεύμα I f. Στις φωτοδιόδους K1 και K2 φτάνει ίδια ποσότητα φωτός το οποίο τις οδηγεί σε όμοια συμπεριφορά. Προκειμένου όμως να επιτευχθεί τάση όμοια με την τάση εισόδου στον ακροδέκτη 5, η τάση από τον ακροδέκτη 4 συνδέεται ως είσοδος στον τελεστικό ενισχυτή που λόγω του μεγάλου κέρδους του οδηγεί την αναστρέφουσα είσοδό του σε τάση όμοια με την τάση εισόδου (μη αναστρέφων ακροδέκτης). Το παραπάνω έχει ως αποτέλεσμα τη μεταβολή του I f που πολώνει κατάλληλα τη φωτοδίοδο των ακίδων 1 και 2. Η παραπάνω προσέγγιση λειτουργεί στην περίπτωση που οι φωτοδίοδοι K1 και K2 είναι απόλυτα όμοιες, ώστε να συμπεριφέρονται με τον ίδιο ακριβώς τρόπο στην εκπομπή φωτός από τη φωτοδίοδο των ακίδων 1 και 2. Στην πράξη αυτές οι φωτοδίοδοι είναι διαφορετικές και επιπλέον ενδέχεται να μην καταφθάνει σε αυτές ίδια ποσότητα φωτός. Για το λόγο αυτό, η αντίσταση R1 τέθηκε στα 30kΩ και η τιμή της R2 για την οποία η είσοδος είναι ίδια με την έξοδο βρέθηκε με δοκιμές και τη χρήση ενός τρίμερ. Ο τελεστικός ενισχυτής που χρησιμοποιήθηκε για το σκοπό αυτό είναι ο TLV2462 της εταιρίας Texas Instruments που είναι τύπου Rail-to-Rail. Ο τύπος αυτός του τελεστικού μπορεί να λειτουργήσει σε τάσεις εισόδου και εξόδου που κυμαίνονται στα όρια της τροφοδοσίας του. Έτσι, με τροφοδοσία 5V ο τελεστικός μπορεί να φέρει τις εισόδους του σε τάση 5V που είναι η μέγιστη τάση εξόδου. Επιπλέον, ο τελεστικός ενισχυτής εξόδου που χρησιμοποιείται ως απομονωτής έχει παραληφθεί γιατί η έξοδος συνδέεται στην αναλογική είσοδο του μικροελεγκτή που απαιτεί ροή ρεύματος που μπορεί να παρέχει η φωτοδίοδος[43]. 2) Ψηφιακές a) Οι έξοδοι των αισθητήρων Hall που περιλαμβάνουν οι κινητήρες. Ο κάθε κινητήρας περιλαμβάνει από τρεις αισθητήρες τύπου Hall, προκειμένου να προσδιορίζεται κάθε στιγμή η θέση των μόνιμων μαγνητών και να είναι σε θέση ο ελεγκτής να παλμοδοτήσει κατάλληλα τον κινητήρα. Οι αισθητήρες αυτοί αντιλαμβάνονται τη διέλευση του μαγνήτη και παρέχουν σαν έξοδο ένα παλμό συχνότητας ίση με τη συχνότητα περιστροφής των μαγνητών των κινητήρων. Λαμβάνοντας τη συχνότητα αυτή, ο μικροελεγκτής υπολογίζει τη γωνιακή ταχύτητα του τροχού. Παρόλο που απαιτείται μια μόνο έξοδος από αισθητήρα Hall για τη μέτρηση της θερμοκρασίας, στην πλακέτα εισάγονται οι είσοδοι και από -133-

150 Κεφάλαιο 6 ο τους τρεις αισθητήρες και οδηγούνται στο καλώδιο που καταλήγει στον ελεγκτή του κινητήρα. b) Το σήμα ένδειξης λειτουργίας του ελεγκτή. Ο ελεγκτής παρέχει ως έξοδο ένα σήμα που αντιστοιχεί στην πράσινη λυχνία λειτουργίας που περιλαμβάνει. Το σήμα αυτό εισάγεται στο δίαυλο και στόχος είναι να ενημερώνεται ο χρήστης όταν δίνεται ισχύς στους ελεγκτές. c) Το σήμα ένδειξης σφάλματος του ελεγκτή. Αντίστοιχα με τη λυχνία λειτουργίας, ο ελεγκτής παρέχει και μια λυχνία σφάλματος που ενημερώνει το χρήστη για τα σφάλματα που έχουν συμβεί, μέσω ενός κώδικα με διαφορετικούς χρόνους ενεργοποίησης και απενεργοποίησης της λυχνίας. Οι ενδείξεις οδηγούνται στο δίαυλο προκειμένου να ενημερώνεται ο οδηγός μέσω της οθόνης του ταμπλό. d) Το σήμα μέτρησης ρεύματος του ελεγκτή. Ο επεξεργαστής του ελεγκτή έχει ένα μετρητικό σύστημα για τη μέτρηση της ενεργού τιμής του ρεύματος που διαρρέει τον κινητήρα. Η αναλογική μέτρηση, μετατρέπεται σε μια ψηφιακή τιμή στο εύρος Τελικά, ως έξοδος παρέχεται ένας παλμός συχνότητας 208,3Hz και μεταβλητού εύρος. Το εύρος εξαρτάται από τη μέγιστο όριο που έχει ρυθμιστεί στον ελεγκτή. Επομένως, για μέγιστο ρεύμα ελεγκτή 30Α, αν η ενεργός τιμή του ρεύματος που ρέει κάποια χρονική στιγμή είναι 15Α, τότε το εύρος του παλμού θα ισούται με 50%. Ο μικροελεγκτής της πλακέτας διεπαφής, υπολογίζει το εύρος του παλμού μέσω της μονάδας Input Capture του μικροελεγκτή και στην παρούσα διπλωματική εργασία η μέτρηση δεν χρησιμοποιείται για τον έλεγχο των κινητήρων. e) Το σήμα εντολής όπισθεν. Το σήμα αυτό ρυθμίζει πότε ο το όχημα θα κινηθεί έμπροσθεν και πότε όπισθεν. Πρέπει να τονιστεί ότι οι δύο κινητήρες είναι κατοπτρικά τοποθετημένοι στο όχημα με αποτέλεσμα ο ένας να λειτουργεί με ανάποδη φορά σε σχέση με τον άλλο. f) Το ψηφιακό σήμα του επιταχυντή. Όπως έχει αναφερθεί στη συνδεσμολογία του πεντάλ του επιταχυντή προκειμένου να μην υπάρχει εσφαλμένη ενεργοποίηση λόγω θορύβου στο αναλογικού σήματος εισάγεται και ένα ψηφιακό σήμα που καθορίζει πότε ο επιταχυντής είναι ενεργοποιημένος. Το σήμα αυτό απαιτείται και -134-

151 Κεφάλαιο 6 ο από τον ελεγκτή και παρέχεται από την πλακέτα. Η ενεργοποίησή του καθορίζεται από την εμφάνιση χαμηλής στάθμης. g) Το ψηφιακό σήμα του επιβραδυντή. Το σήμα αυτό είναι απόλυτα όμοιο με το ψηφιακό σήμα του επιταχυντή. Παρέχεται και αυτό από την πλακέτα και η ενεργοποίησή του καθορίζεται από την εμφάνιση χαμηλής στάθμης. h) Οι έξοδοι προς το δίαυλο CAN. i) Η σύνδεση της συσκευής προγραμματισμού του μικροελεγκτή. Πρέπει να αναφερθεί, ότι για την απομόνωση όλων των ψηφιακών σημάτων χρησιμοποιείται ο ψηφιακός απομονωτής 6N137 πολωμένος με συνεχές ρεύμα 10mA. Οι τοπολογίες για έξοδο σημάτων από τον μικροελεγκτή και είσοδο σε αυτόν με χρήση του 6N137 παρουσιάζονται στα παρακάτω σχήματα. Σχήμα 6.10: Η τοπολογία εξόδου σήματος από το μικροελεγκτή

152 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.11: Η τοπολογία εισόδου σήματος προς τον μικροελεγκτή. Η σύνδεση των πλακετών αυτών με τους ελεγκτές των κινητήρων μέσω καλωδίων περιγράφεται στο υποκεφάλαιο 6.2 του κεφαλαίου αυτού Η πλακέτα αλληλεπίδρασης με το χρήστη Η πλακέτα αλληλεπίδρασης με το χρήστη (DASH) αποτελεί κομμάτι του ταμπλό του οχήματος. Ο ρόλος της είναι η συλλογή των δεδομένων που μεταφέρονται στο δίαυλο, η απεικόνιση τους στο χρήστη και η μεταφορά τους σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Επιπλέον ο μικροελεγκτής της πλακέτας αυτής έχει τη συνολική εποπτεία της κατάστασης του οχήματος και με ειδικά σήματα ελέγχου μεταβάλει τη λειτουργία του οχήματος. Για παράδειγμα, αλλαγή της τεχνικής ελέγχου από έλεγχος ροπής σε έλεγχος στροφών. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται το σχηματικό διάγραμμα της πλακέτας έχοντας δοθεί έμφαση στα δομικά στοιχεία αυτής

153 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.12: Σχηματικό διάγραμμα της πλακέτας αλληλεπίδρασης με το χρήστη. Οι είσοδοι και οι έξοδοι της πλακέτας αυτής, όπως και στις προηγούμενες περιπτώσεις, διακρίνονται σε αναλογικές και ψηφιακές. 1) Αναλογικές a) Η τροφοδοσία της πλακέτας. Όμοια με τις υπόλοιπες πλακέτες, η τροφοδοσία προέρχεται από το τροφοδοτικό 76,8V/12V. b) Η μόνη αναλογική είσοδος προς το μικροελεγκτή είναι μια γενικού σκοπού αναλογική είσοδος που έχει τοποθετηθεί για πιθανές μελλοντικές προσθήκες. 2) Ψηφιακές a) Οι έξοδοι προς το δίαυλο CAN. b) Οι έξοδοι προς την οθόνη LCD. Η οθόνη LCD που χρησιμοποιείται για την απεικόνιση των δεδομένων του διαύλου απαιτεί τέσσερα ψηφιά για το δίαυλο δεδομένων/εντολών, και δύο ψηφία ελέγχου. Περισσότερα στοιχεία για την -137-

154 Κεφάλαιο 6 ο απεικόνιση δεδομένων μέσω της οθόνης LCD παρουσιάζονται στην παράγραφο 6.4. c) Οι έξοδοι σειριακής επικοινωνίας με ηλεκτρονικό υπολογιστή. Η σειριακή επικοινωνία πραγματοποιείται με τη χρήση τριών αγωγών, τη αναφορά χαμηλού δυναμικού, την ακίδα αποστολής και την ακίδα λήψης. Περισσότερα στοιχεία για την υλοποίηση της σειριακής επικοινωνίας παρουσιάζονται στην παράγραφο 6.4. d) Μπουτόν ενεργοποίησης της σειριακής αποστολής δεδομένων. Το μπουτόν αυτό, ενεργοποιεί και απενεργοποιεί την αποστολή δεδομένων μέσω της σειριακής θύρας προς τον ηλεκτρονικό υπολογιστή. Συνδέεται με την είσοδο Input Capture του μικροελεγκτή και δημιουργείται μια διακοπή (interrupt) κάθε φορά που ενεργοποιείται. e) Μπουτόν αλλαγής δεδομένων της οθόνης. Το μπουτόν αυτό συνδέεται με την είσοδο Change Notification του μικροελεγκτή η οποία δημιουργεί μια διακοπή όταν ανιχνευτεί αλλαγή της στάθμης της εισόδου. f) Τέσσερις έξοδοι γενικού σκοπού. g) Πέντε είσοδοι/έξοδοι γενικού σκοπού. h) Διακόπτης γενικού σκοπού. Ο διακόπτης αυτός έχει όλους τους ακροδέκτες ασύνδετους και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με μία από τις εισόδους γενικού σκοπού. i) Είσοδος περιστροφικού διακόπτη επιλογής διεύθυνσης. Ο διακόπτης αυτός έχει τρεις θέσεις εκ των οποίων οι δύο ακραίες ενεργοποιούν από μια έξοδο η κάθε μια, ενώ η μεσαία απενεργοποιεί και τις δύο εξόδους. Οι έξοδοι του διακόπτη συνδέονται σε δύο εισόδους του μικροελεγκτή και η ενεργοποίηση κάθε μιας συνεπάγεται την αντίστοιχη εντολή κατεύθυνσης όπισθεν ή έμπροσθεν. Απενεργοποίηση και των δύο εξόδων σημαίνει νεκρά. Σχήμα 6.13: Φωτογραφία του διακόπτη αλλαγής διεύθυνσης

155 Κεφάλαιο 6 ο Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται το ηλεκτρικό σχέδιο της κλέμας που περιλαμβάνει τις περισσότερες εισόδους και εξόδους της πλακέτας, καθώς της κλέμας που τη συνδέει στο δίαυλο CAN. Σχήμα 6.14: Το ηλεκτρικό σχέδιο των δύο κλεμών της DASH, καθώς και η σύνδεσή της με τον περιστροφικό διακόπτη. Σημειώνεται ότι σε όλες τις πλακέτες υπάρχουν ψηφιακές έξοδοι προς μια σειρά ενδεικτικών λυχνιών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν κατά το δοκούν. 6.2 Σχεδιασμός και υλοποίηση των καλωδιώσεων Προκειμένου να είναι αξιόπιστη η λειτουργία του οχήματος, έχει δοθεί ιδιαίτερη σημασία στο σχεδιασμό των καλωδιώσεων. Το σύνολο των καλωδιώσεων έχει το μικρότερο δυνατό μήκος για τη μείωση του ηλεκτρομαγνητικού θορύβου που μπορεί να αλλοιώσει τα μεταδιδόμενα σήματα. Οι μόνοι αγωγοί που διατρέχουν όλο το μήκος του οχήματος είναι η τροφοδοσία των πλακετών 12V DC που περιλαμβάνει έναν κόκκινο αγωγό για το δυναμικό +12V και ένα μαύρο για το δυναμικό αναφοράς 0V, καθώς και ο δίαυλος CAN που αποτελείται από έναν πράσινο αγωγό για την υψηλή στάθμη (CAN HIGH) και έναν κίτρινο για τη χαμηλή στάθμη (CAN LOW). Επίσης, έχουν χρησιμοποιηθεί κλέμες αποσπώμενες για την εύκολη σύνδεση και αποσύνδεση των καλωδίων. Αναλυτικά ηλεκτρικά σχέδια που περιλαμβάνουν το σύνολο των καλωδιώσεων που έχει χρησιμοποιηθεί στην παρούσα διπλωματική εργασία έχουν σχεδιαστεί με το λογισμικό Autocad Electrical 2014 και επισυνάπτονται μαζί με το υπόλοιπο υλικό της εργασίας αυτής

156 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.15: Στιγμιότυπο από το ηλεκτρικό σχέδιο της πλακέτας διεπαφής του ελεγκτή. Σχήμα 6.16: Αριστερά: Φωτογραφία από μια αποσπώμενη κλέμα της πλακέτας διεπαφής του ελεγκτή στο δίαυλο. Δεξιά: Φωτογραφία από την αποσπώμενη κλέμα του αγωγού που ενεργοποιεί τον ελεγκτή του κινητήρα και βρίσκεται σε τάση 76,8V. Στη συνέχεια θα περιγραφούν οι καλωδιώσεις των πλακετών διεπαφής των κινητήρων που επειδή είναι όμοιες, θα περιγραφούν μία φορά. Οι καλωδιώσεις κάθε μιας από τις πλακέτες αυτές είναι: 1) Τροφοδοσία πλακέτας. Οι τροφοδοσία προέρχεται από την έξοδο του τροφοδοτικού 76,8V/12V και περιλαμβάνει κόκκινο καλώδιο για την στάθμη +12V και μαύρο για τη στάθμη 0V

157 Κεφάλαιο 6 ο 2) Ακροδέκτες προς το δίαυλο CAN που περιλαμβάνουν πράσινα και κίτρινα καλώδια όπως περιγράφηκε και στην αρχή της παραγράφου 6.2. Σχήμα 6.17: Οι ακροδέκτες προς το δίαυλο CAN. 3) Καλώδιο τροφοδοσίας των αισθητήρων Hall και θερμοκρασίας του κινητήρα. Το καλώδιο αυτό συνδέεται με έναν ακροδέκτη 9 ακίδων εκ των οποίων χρησιμοποιούνται οι 8. Σχήμα 6.18: Οι ακροδέκτες των σημάτων από την πλακέτα στον κινητήρα. Σχήμα 6.19: Συνδεσμολογία θηλυκού και αρσενικού ακροδέκτη από την πλακέτα στον κινητήρα. 4) Καλώδιο J1 προς τον ελεγκτή του κινητήρα. Το καλώδιο αυτό χρησιμοποιεί τέσσερις αγωγούς από τους 14 διαθέσιμους του ακροδέκτη J1 και διακρίνεται από τη μαύρη ταινία στη σύνδεση του ακροδέκτη και του καλωδίου

158 Κεφάλαιο 6 ο 5) Καλώδιο J2 προς τον ελεγκτή του κινητήρα. Το καλώδιο αυτό χρησιμοποιεί 12 αγωγούς από τους 14 διαθέσιμους του ακροδέκτη J2 και διακρίνεται από την κόκκινη ταινία στη σύνδεση του ακροδέκτη και του καλωδίου. Στο καλώδιο J2 καταλήγει και ο αγωγός των 76,8V που ενεργοποιεί τα ηλεκτρονικά του ελεγκτή και δεν συνδέεται στην πλακέτα. Ο αγωγός των 76,8V ξεκινά από το αντίστοιχο ρελέ ενεργοποίησης και μέσω μιας κλέμας με ασφάλεια οδηγείται προς τον ελεγκτή. Σχήμα 6.20: Αριστερά: Το καλώδιο J1. Δεξιά: Το καλώδιο J2. Αντίστοιχα με τις παραπάνω πλακέτες και την περιγραφή που έχει γίνει στην παράγραφο 6.1 σχετικά με τις εισόδους και τις εξόδους κάθε πλακέτας, εντοπίζονται και οι καλωδιώσεις των πλακετών ED και DASH και για το λόγο αυτό δεν παρουσιάζονται εκτενέστερα. Επιπλέον, στο επόμενο σχήμα παρουσιάζονται τα βοηθητικά ρελέ που ενεργοποιούνται από τους διακόπτες του ταμπλό. Ο διακόπτης με το όνομα SC ενεργοποιεί το μικροϋπολογιστικό σύστημα τροφοδοτώντας μέσω του αντίστοιχου ρελέ το βοηθητικό τροφοδοτικό. Ο διακόπτης με το όνομα PWR ενεργοποιεί τη λειτουργία των ελεγκτών τροφοδοτώντας το ηλεκτρονικό τους σύστημα με τάση 76,8V από το σύστημα των μπαταριών

159 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.21: Ηλεκτρικό διάγραμμα των βοηθητικών ρελέ. 6.3 Τοποθέτηση των πλακετών σε βιομηχανικά κουτιά Προκειμένου να προστατευθούν τα ηλεκτρονικά συστήματα που περιλαμβάνουν οι πλακέτες τυπωμένου κυκλώματος, αυτές έχουν τοποθετηθεί σε κουτιά βιομηχανικής χρήσης που παρέχουν προστασία από νερό και σκόνη. Ο σχεδιασμός και η κατασκευή των βάσεων των κουτιών και των πλακετών έχει πραγματοποιηθεί στο ΕΗΜΕ στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας. Στο χωρίο αυτό παρουσιάζονται φωτογραφίες από την τοποθέτηση των κουτιών στο όχημα. Τα κουτιά προβάλλονται ανοικτά ώστε να φαίνονται οι πλακέτες και οι συνδέσεις των καλωδίων σε αυτές

160 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.22: Το κουτί και η πλακέτα του ηλεκτρονικού διαφορικού. Στην παραπάνω φωτογραφία διακρίνονται οι ακροδέκτες σύνδεσης στο δίαυλο CAN με πορτοκαλί χρώμα στα αριστερά της πλακέτας μαζί με τον ακροδέκτη σύνδεσης του αισθητήρα Hall του εμπρόσθιου αριστερού τροχού. Στο επάνω μέρος της πλακέτας, διακρίνεται με πορτοκαλί χρώμα η κλέμα σύνδεσης των αγωγών τροφοδοσίας. Στα δεξιά της, η ελεύθερη υποδοχή ανήκει στον ακροδέκτη σύνδεσης του αισθητήρα Hall του εμπρόσθιου δεξιού τροχού, και δίπλα από αυτή συνδέεται ο ακροδέκτης εισόδου του αισθητήρα μέτρησης της γωνίας τιμονιού. Δεξιά από αυτόν, ο ακροδέκτης με τις πέντε ακίδες ανήκει στο πεντάλ του επιταχυντή και κάτω από αυτόν, ο κενός ακροδέκτης ανήκει στο πεντάλ του επιβραδυντή

161 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.23: Το κουτί και η πλακέτα διεπαφής του ελεγκτή του δεξιού κινητήρα. Στην παραπάνω φωτογραφία, διακρίνονται στο επάνω δεξιά τμήμα της πλακέτας οι κλέμες του διαύλου CAN και στα δεξιά η κλέμα της τροφοδοσίας. Στο αριστερό τμήμα της πλακέτας διακρίνονται από πάνω προς τα κάτω η κλέμα προς το καλώδιο J2 (το κόκκινο καλώδιο βρίσκεται στα 76,8V), η κλέμα προς τον ακροδέκτη των αισθητήρων του κινητήρα και η κλέμα προς το καλώδιο J1. Σχήμα 6.24: Το κουτί και η πλακέτα διεπαφής του ελεγκτή του αριστερού κινητήρα

162 Κεφάλαιο 6 ο Στην παραπάνω φωτογραφία διακρίνονται οι συνδέσεις τις πλακέτας με τα υπόλοιπα συστήματα όμοια με αυτές της διεπαφής του ελεγκτή του δεξιού κινητήρα. Η μόνη διαφορά εντοπίζεται στον προσανατολισμό της πλακέτας. 6.4 Η διαδικασίες εξαγωγής και απεικόνισης των μετρήσεων Η διαδικασία εξαγωγής των μετρήσεων σε ηλεκτρονικό υπολογιστή Προκειμένου να αξιολογηθούν οι εφαρμοζόμενες τεχνικές ελέγχου του ηλεκτρονικού διαφορικού, μέσα από τη συλλογή των απαραίτητων μεγεθών οχήματος, έχει κατασκευαστεί ένα σύστημα συλλογής των δεδομένων που μεταφέρονται στο δίαυλο CAN και μεταφοράς αυτών σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Πέρα από τα μεγέθη που αναφέρονται άμεσα στη λειτουργία του ηλεκτρονικού διαφορικού, το σύστημα μπορεί να αποστείλει οποιοδήποτε μετρούμενο μέγεθος που μεταδίδεται στο δίαυλο με σκοπό την εξαγωγή συμπερασμάτων για τη λειτουργία του οχήματος. Τη λειτουργία της συλλογής των δεδομένων επιτελεί ο μικροελεγκτής της πλακέτας αλληλεπίδρασης με το χρήστη (DASH). Η αποστολή των δεδομένων πραγματοποιείται με χρήση του πρωτοκόλλου ασύγχρονης επικοινωνίας UART. Ο μικροελεγκτής DSPIC30F4011 περιλαμβάνει ενσωματωμένη μονάδα UART η οποία αναλαμβάνει την υλοποίηση του πρωτοκόλλου σύμφωνα με τις παραμέτρους που θα δοθούν από το χρήστη. Οι επιλεχθείσες παράμετροι παρουσιάζονται στον Πίνακα 6.1. Ψηφία/δευτερόλεπτο (Baud Rate) 9600 Ψηφία δεδομένων/μήνυμα (Data bits) 8 Ισοτιμία (Parity) Καμία Ψηφία τερματισμού (Stop bits) 1 Πίνακας 6.1: Οι παράμετροι λειτουργίας της UART. Η σειριακή επικοινωνία απαιτεί η στάθμη χαμηλού δυναμικού να βρίσκεται στα -10V και η στάθμη υψηλού δυναμικού να βρίσκεται στα +10V. Όμως, ο μικροελεγκτής μπορεί να παρέχει τάση στάθμης 0V ή 5V. Προκειμένου να μετατραπούν οι στάθμες των παλμών που -146-

163 Κεφάλαιο 6 ο εξάγονται από το μικροελεγκτή στις στάθμες που απαιτούνται για τη μεταφορά στο φυσικό επίπεδο, απαιτείται μια συσκευή κατάλληλη για τη μετατροπή αυτή αντίστοιχη με το MCP2551 που χρησιμοποιείται στο δίαυλο CAN. Στην παρούσα υλοποίηση η συσκευή που χρησιμοποιείται είναι το ολοκληρωμένο κύκλωμα ADM1181A. Σχήμα 6.25: Το δομικό διάγραμμα του ADM1181A [44]. Στην ακίδα T1 IN συνδέεται έξοδος αποστολής δεδομένων του μικροελεγκτή, ενώ στην ακίδα R1 OUT η είσοδος λήψης δεδομένων. Οι στάθμες τάσης των δύο παραπάνω ακίδων είναι 0V και 5V. Αντίστοιχα στις ακίδες T1 OUT και R1 OUT που έχουν τάσεις στάθμης -10V και +10V συνδέεται το καλώδιο μεταφοράς δεδομένων. Το καλώδιο που χρησιμοποιείται για την αποστολή δεδομένων σειριακά αποτελείται από εννιά αγωγούς, όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα

164 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.26: Το καλώδιο μεταφοράς σειριακών δεδομένων [45] Από τους αγωγούς του καλωδίου χρησιμοποιούνται οι τρείς. Ο αγωγός 2 ο οποίος συνδέεται με τον αγωγό αποστολής της πλακέτας (T1), ο αγωγός 3 ο οποίος συνδέεται με τον αγωγό λήψης δεδομένων της πλακέτας (R1) και ο αγωγός 5 που συνδέεται με την τάση αναφοράς της πλακέτας. Η διαδικασία αποστολής δεδομένων σειριακά, καθώς και η λήψη και απεικόνισή τους στον ηλεκτρονικό υπολογιστή απαιτεί να πραγματοποιηθούν μια σειρά από βήματα. Αρχικά πρέπει να τρέχει στον ηλεκτρονικό υπολογιστή ένα πρόγραμμα καταγραφής δεδομένων από σειριακή θύρα σε αρχείο τύπου txt όπως το RS232 Data Logger. Μόλις το πρόγραμμα ξεκινήσει να λειτουργεί και να περιμένει δεδομένα από τη θύρα ο οδηγός μπορεί να πιέσει το μπουτόν αποστολής δεδομένων σειριακά με την ένδειξη UART που βρίσκεται στην πλακέτα DASH. Τότε θα παρουσιαστεί στην οθόνη LCD το μήνυμα SENDING DATA VIA UART και θα ξεκινήσει η αποστολή δεδομένων. Σημειώνεται για να μην επηρεάζεται η αποστολή των δεδομένων από τη χρονοβόρα απεικόνιση δεδομένων στην οθόνη, η οθόνη πρέπει να βρίσκεται σε στατική κατάσταση. Μόλις ο οδηγός θελήσει να σταματήσει η αποστολή δεδομένων αρκεί να πιέσει το μπουτόν με την ένδειξη UART και θα εμφανιστεί στην οθόνη το μήνυμα DATA SENDING COMPLETE. Τότε πρέπει να διακοπεί το πρόγραμμα καταγραφής δεδομένων σε αρχείο και να αποθηκευτεί το αρχείο με τα δεδομένα σε ένα φάκελο με το όνομα open.txt. Στη συνέχεια, πρέπει να τρέξει το εκτελέσιμο αρχείο Buggy.exe που έχει γραφτεί στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας και -148-

165 Κεφάλαιο 6 ο αναλαμβάνει να διαχωρίσει τα δεδομένα ανάλογα με την πηγή τους σε τέσσερα αρχεία τύπου csv με ονόματα angle.csv, left.csv right.csv και ref.csv τα οποία περιλαμβάνουν μετρήσεις για τα μεγέθη γωνία στροφής, ταχύτητα αριστερού τροχού, ταχύτητα δεξιού τροχού και αναφορά ταχύτητας από τον επιταχυντή. Όλες οι ταχύτητες εκφράζονται σε rpm ενώ η γωνία στροφής σε μοίρες. Ο χρήστης πρέπει να ελέγξει αν τα αρχεία αυτά περιέχουν τον ίδιο αριθμό τιμών και αν όχι να διαγράψει τις επιπλέον τιμές. Η διεργασία αυτή μπορεί να γίνει με το πρόγραμμα Notepad++. Πλέον τα δεδομένα των τεσσάρων μετρήσεων είναι έτοιμα για να παρουσιαστούν στο ίδιο γράφημα. Επίσης σημειώνεται ότι το λογισμικό που αναφέρθηκε παραπάνω διατίθεται δωρεάν στο διαδίκτυο και επισυνάπτεται μαζί με το υπόλοιπο υλικό της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Για την εμφάνιση των μετρήσεων σε γραφήματα στο λογισμικό MATLAB έχει γραφτεί κώδικας με το όνομα Buggy.m που πρέπει να βρίσκεται στον ίδιο φάκελο με τα παραπάνω αρχεία. Στη συνέχεια παραθέτονται στιγμιότυπα από την παραπάνω διαδικασία. Σχήμα 6.27: Το λογισμικό RS232 Data Logger

166 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.28: Ο φάκελος που περιέχει το αρχείο με τα δεδομένα και το πρόγραμμα Buggy.exe. Σχήμα 6.29: Το αποτέλεσμα της εκτέλεσης του προγράμματος Buggy.exe

167 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.30: Η εμφάνιση των αποτελεσμάτων στο λογισμικό MATLAB Η διαδικασία απεικόνισης των μετρήσεων μέσα από την οθόνη LCD Η οθόνη LCD που χρησιμοποιείται είναι τεσσάρων γραμμών και δεκαέξι χαρακτήρων ανά γραμμή (4x16) και χρησιμοποιεί τον Controller HD Ο Controller αυτός προσφέρει τη δυνατότητα αλληλεπίδρασης με την οθόνη με χρήση 8 ή 4 ακίδων. Για την παρούσα εφαρμογή κρίθηκε πιο κατάλληλη η αλληλεπίδραση με χρήση τεσσάρων ακίδων στην οποία τα δεδομένα και οι εντολές αποστέλλονται σε μισά Bytes (Nibbles). Η οθόνη έχει ενσωματωμένη μνήμη που περιλαμβάνει τις απεικονίσεις των χαρακτήρων σε μορφή ASCII, καθώς και το πρόγραμμα λειτουργίας του Controller. Η αλληλεπίδραση με την οθόνη μπορεί να περιλαμβάνει αποστολή εντολής ή δεδομένων. Επειδή χρησιμοποιείται ο ίδιος δίαυλος και για τις δύο περιπτώσεις, υπάρχει η ακίδα RS (Register Select) που αν τεθεί στο χαμηλό δυναμικό η οθόνη δέχεται εντολές, ενώ αν τεθεί στο υψηλό δυναμικό η οθόνη δέχεται δεδομένα. Η ακίδα R/W (Read/Write) που ρυθμίζει αν θα γίνει ανάγνωση ή εγγραφή δεδομένων από τη μνήμη της οθόνης είναι μόνιμα συνδεδεμένη στο χαμηλό δυναμικό που σημαίνει ότι πάντα γίνεται εγγραφή δεδομένων προς την οθόνη. Επίσης, αφού τοποθετηθούν -151-

ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. των Φοιτητών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. των Φοιτητών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ των Φοιτητών του

Διαβάστε περισσότερα

Πανεπιστήμιο Πατρών Πολυτεχνική σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών Ακαδημαϊκό Έτος 2007-20082008 Μάθημα: Οικονομία Περιβάλλοντος για Οικονομολόγους Διδάσκων:Σκούρας Δημήτριος ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ