BIULETYN WAT VOL. LV, NR 3, 2006

Ukad elektronicznego sterowania silnikiem cignika gsienicowego MTLB-MORS

MIROSAW KARCZEWSKI

Wojskowa Akademia Techniczna, Wydzia Mechaniczny, Instytut Pojazdw Mechanicznych i Transportu,

00-908 Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2

Streszczenie. W referacie przedstawiono wyniki prac nad opracowaniem elektronicznego ukadu sterowania silnika cignika gsienicowego MTLB-MORS. Opisano zastosowane rozwizania ze-spow ukadu sterowania i ich rozmieszczenie w pojedzie. Omwiono struktur ukadu sterowania oraz algorytmy sterowania silnikiem. Sowa kluczowe: silniki spalinowe, regulator elektroniczny, sterowanie silnikiemSymbole UKD: 621.43

1. Wprowadzenie

Ukady elektronicznego sterowania silnikami s obecnie coraz powszechniej stosowane w tokowych silnikach spalinowych. Mog one wystpowa jako ukady autonomiczne [1, 2] lub stanowi podzesp systemu elektronicznego sterowania caym pojazdem. Regulatory elektroniczne w znacznym stopniu uatwiaj spenie-nie wzrastajcych wymaga ekologicznych i utrzymanie penej sprawnoci silni-kw przez ich diagnozowanie podczas pracy. Bardzo szybkie rozpowszechnianie elektronicznych ukadw regulacji silnika spalinowego nastpuje rwnoczenie z rozwojem techniki mikroprocesorowej i pozwala na uwzgldnianie coraz wik-szej liczby sygnaw wejciowych [2].

Obecnie w nowoczesnych silnikach spalinowych stosowane s coraz bardziej skomplikowane mikroprocesorowe systemy sterowania i kontroli warunkw pra-cy. Aktualne trendy skupiaj si szczeglnie na wzrocie dokadnoci systemw. Wymagania dla tych ukadw s podyktowane ich jak najwiksz efektywnoci.

24 M. Karczewski

Aby speni wymagania niskiego zuycia paliwa przez silnik, ograniczonej emisji zwizkw toksycznych, urzdzenia musz pracowa z wysok niezawodnoci w szerokim zakresie zmian warunkw otoczenia zarwno w stanach ustalonych, jak i nieustalonych pracy silnika.

W Zakadzie Silnikw Pojazdw Mechanicznych Wydziau Mechanicznego WAT opracowano ukad elektronicznego sterowania silnikiem o zaponie samo-czynnym z rzdow pomp wtryskow. Ukad ten zosta przebadany na stanowi-sku dynamometrycznym, a rezultatem tych bada byo opracowanie algorytmw sterowania silnikiem oraz dobranie optymalnych wartoci wspczynnikw trans-mitancji ukadu sterowania. Eksperymentaln weryfikacj ukadu przeprowadzanona gsienicowym transporterze opancerzonym MTLB-MORS, napdzanym turbodoadowanym silnikiem SW-680 [6, 7].

2. Cel i zakres pracyCelem pracy byo opracowanie elektronicznego ukadu sterowania silnikiem

o zaponie samoczynnym SW-680, wykorzystywanego do napdu rnych od-biornikw mocy.

Zaoono, e ukad powinien realizowa nastpujce zadania: mierzy na bieco wielkoci charakteryzujce prac silnika, wybiera algorytmy sterowania silnikiem odpowiednio do warunkw jego

pracy, zapewnia niezawodny rozruch silnika w kadych warunkach, ogranicza maksymaln prdko obrotow silnika i utrzymywa prdko

obrotow biegu jaowego, utrzymywa zadawan prdko obrotow, korygowa maksymaln dawk w funkcji prdkoci obrotowej i cinienia

w kolektorze dolotowym (napenienia cylindrw powietrzem), zapewni odpowiednio szybk zmian prdkoci obrotowej silnika przy

minimalnej liczbie przeregulowa, sygnalizowa przekroczenie stanw granicznych, mie moliwo komunikacji z komputerem nadrzdnym oraz innymi

sterownikami (np. ukadem sterowania ktem wyprzedzenia wtrysku paliwa).

Przyjto, e ukad elektronicznego sterowania silnikiem powinien speni nastpujce wymagania:

regulator bdzie zastosowany do rzdowej pompy wtryskowej, jako zesp wykonawczy zostanie wykorzystany siownik elektromagne-

tyczny, zesp wykonawczy sterowany bdzie za pomoc mikrokontrolera poprzez

stopie mocy,

25Ukad elektronicznego sterowania silnikiem cignika gsienicowego MTLB-MORS

ukad sterowania bdzie skada si z jednego sterownika, ktry bdzie spenia zadania regulatora prdkoci obrotowej i korektora dawki pa-liwa,

sterownik elektroniczny powinien mie moliwo prostej konfiguracjitorw pomiarowych (moliwo zmiany liczby i rodzaju sygnaw wej-ciowych i wyjciowych) oraz rozbudowy i modernizacji algorytmw sterowania,

powinien by przystosowany do pracy w zakresie temperatury 40 do +85C.

Spenienie tych zaoe i wymaga byo moliwe przez zastosowanie ukadu mikroprocesorowego, charakteryzujcego si moduow budow o duej liczbie elementw peryferyjnych oraz atwego do programowania w warunkach labora-toryjnych.

Przyjto, e opracowany ukad sterowania bdzie mia budow zblion do podobnych rozwiza stosowanych przez firmy wiatowe [1, 2, 5]. Powinien ska-da si z nastpujcych elementw konfigurowanych w zalenoci od potrzeb:

elektronicznego cyfrowego moduu sterujcego (EMS), moduw ukadw wejcia-wyjcia (wejcia i wyjcia napiciowe, dwu-

stanowe, wejcia czstotliwociowe i termoelementowe), ukadu zasilania, moduw do komunikacji z innymi urzdzeniami, elementw do komunikacji z kierowc pojazdu.Blokowy schemat funkcjonalny sterownika (moduu sterowania prdkoci

obrotow silnika) pokazano na rysunku 1.

Rys. 1. Schemat blokowy sterownika elektronicznego

26 M. Karczewski

3. Ukad sterowania silnikiem

Opracowanie elektronicznego ukadu sterowania silnikiem SW-680 podzielono na dwa etapy. W pierwszym dokonano modernizacji pompy wtryskowej P-56, ktra polegaa na zastpieniu regulatora mechanicznego nastawnikiem elektromagne-tycznym. W drugim etapie dobrano mikrokontroler jednoukadowy, opracowano algorytmy sterowania i niezbdne oprogramowanie.

3.1. Ukad sterowania pooeniem listwy zbatej pompy wtryskowej

Do sterowania pooeniem listwy zbatej pompy wtryskowej zastosowano nastawnik elektromagnetyczny Woodward typu 524 z obrotowym rdzeniem umieszczonym na wale (rys. 2). O wyborze zadecydowaa dostpno tego na-stawnika oraz jego parametry techniczne i wymiary umoliwiajce zamontowa-nie w miejsce regulatora mechanicznego pompy P-56 bez wprowadzania zmian w osprzcie silnika SW-680.

Rys. 2. Siownik typu 524 zamontowany na pompie wtryskowej P-56: 1 nastawnik; 2 koo nadajnika prdkoci obrotowej; 3 czujnik prdkoci obrotowej; 4 czujnik pooenia listwy

zbatej; 5 dwignia napdu listwy zbatej; 6 zcza kablowe; 7 podstawa nastawnika

Nastawnik zamontowano w miejsce regulatora mechanicznego pompy P-56. W tym celu wykonano podstaw z dwch pyt stalowych, do ktrych zosta przy-mocowany nastawnik oraz uchwyty do mocowania czujnika prdkoci obrotowej i przemieszczenia listwy zbatej pompy wtryskowej. Do podstawy zamontowano take zcze kablowe do poczenia nastawnika ze sterownikiem. Cao zostaa przykryta oson.

27Ukad elektronicznego sterowania silnikiem cignika gsienicowego MTLB-MORS

Na waku krzywkowym pompy wtryskowej, w miejscu bezwadnikw regu-latora mechanicznego zamocowano koo zbate suce jako nadajnik prdkoci obrotowej waka krzywkowego pompy.

3.2. Zesp sterowania z mikrokontrolerem jednoukadowym

Biorc pod uwag przeznaczenie opracowywanego ukadu sterowania, podczas doboru mikrokontrolera (sterownika) przyjto nastpujce kryteria:

ukad powinien zapewni du szybko przetwarzania sygnaw wejcio-wych i generowania sygnaw wyjciowych (sterujcych) podawanych do czonw wykonawczych,

ukad powinien zapewni moliwo uwzgldniania kilkunastu sygnaw wejciowych przy wykorzystaniu kart kontrolera i rnych czujnikw,

mikrokontroler powinien by zasilany z sieci pokadowej pojazdu (24 VDC),

ukad musi by odporny na wstrzsy oraz zmienne warunki otoczenia w zakresie temperatur od 40 do +85C,

ukad powinien zapewni moliwo prostego wprowadzania zmian do procedur i parametrw sterowania podczas bada stanowiskowych i eks-ploatacyjnych.

Do sterowania silnikiem SW 680/59 wybrano standardowy moduowy ste-rownik firmy PEP typu IUC 900 z rodziny CXC. Mikrokontroler przeznaczonyjest do programowania w jzykach wysokiego poziomu.

Rys. 3. Sterownik IUC 9000 z zamontowanym zasilaczem, kart procesora oraz kartami rozszerza-jcymi. Widoczny komputer przenony wykorzystywany do modyfikacji oprogramowania

Podstawowym elementem bya karta procesora IUC-32, ktra w zalenoci od potrzeb moe by wyposaona w procesor Motorola MC68360/25 MHz lub MC68EN360/33 MHz. S to mikroprocesory dwuprocesorowe. Transmisj danych

28 M. Karczewski

realizuje RISC-CPU, pozostawiajc procesorowi gwnemu wykonywanie zada aplikacyjnych.

Zastosowana karta IUC-32 zawieraa procesor Motorola MC68EN360-33 MHz, 4 MB RAM z moliwoci rozszerzenia do 16 MB, 1 MB SRAM z podtrzymaniem bateryjnym oraz 1 MB Flasf-EPROM, dwa cza szeregowe, kontroler przerwa, izolowany 24-bitowy licznik.

Procesor zawiera kompletny system operacyjny OS-9 i by gotowy do progra-mowania oraz adowania kodu aplikacji. Niezalenie od sposobu programowania ISaGRAF, czy ANSI C/C++, kod aplikacji by atwo adowalny i uruchamiany. Wbudowane mechanizmy wymiany oprogramowania zapewniaj atw aktuali-zacj oprogramowania w przyszoci.

Do budowy ukadu sterowania zastosowano nastpujce moduy, ktre reali-zoway poszczeglne funkcje:

IUC-32 element bazowy, zawierajcy procesor, pami i ukady ko-munikacji,

CXM-DIN2 24 wejcia cyfrowe 24 V, izolowane galwanicznie, CXM-ADC1 8 wej analogowych 12 bit, 0-10 V, izolowanych gal-

wanicznie, CXM-DAC1 4 wyjcia analogowe 12 bit, 0-10 V, izolowane galwa-

nicznie, CXM-ADI3 16 wej termoparowych, 16 bit, izolowanych galwa-

nicznie, OP-TERM terminal, operatorski 2 * 24 znaki, 16 przyciskw.

Do zaadowywania i modyfikacji oprogramowania tego sterownika suykomputer przenony. Za jego pomoc zmieniano kolejne wersje oprogramowania w pamici sterownika. Istniaa take moliwo zmiany w czasie prac niektrych staych, co uatwio przeprowadzenie bada. Komputer komunikowa si ze ste-rownikiem za porednictwem cza RS-232.

Jako miernik prdkoci obrotowej zastosowano przetwornik reluktancyjny typu OMRON E2EG-X1 z wbudowanym ukadem formowan