Введение 7
1 Постановка задачи 9
1.1 Формулирование актуальности, цели и задач проекта 9
1.2 Поиск и анализ технических параметров аналогичных устройств 9
1.3 Критерии для разработки 14
2 Конструкторское проектирование устройства 16
2.1 Варианты разработки устройства и его структура 16
2.2 Разработка электронной части устройства 20
2.3 Разработка схемы питания 26
3 Разработка алгоритма и управляющей программы 28
4 Разработка печатной платы 42
4.1 Разработка корпуса устройства 49
5 Экспериментальные исследования работы устройства 55
Заключение 63
Список используемых источников 65
Приложение А Листинг кода программы
Исторически всегда существовала механическая связь между педалью акселератора и дроссельной заслонкой, будь то трос или тяги и рычаги. Сегодня же их заменили сложные электронные модули управления, датчики и приводы. Эта система называется «Drive-by-Wire».
«Система «Drive-by-Wire» не является новой концепцией, поскольку она была представлена BMW на их 7-й серии ещё в 1988 году. Система, используемая BMW, называется EML (electronic throttle management) (немецкий термин для электронного управления дроссельной заслонкой). Сегодня система нашла применение и в других транспортных средствах, в том числе и бюджетных моделях.» [21]
Есть несколько причин, по которым электронный привод дроссельной заслонки предпочтительнее обычного троса:
- бортовые электронные системы автомобиля способны контролировать всю работу двигателя, в том числе количество поступающего воздуха;
- оптимизация подачи воздуха гарантирует, что вредные выбросы выхлопных газов будут сведены к абсолютному минимуму, а управляемость будет сохранена независимо от обстоятельств;
- соединение электронного привода дроссельной заслонки с системами адаптивного круиз-контроля, контроля тяги, контроля скорости холостого хода и контроля устойчивости автомобиля также позволяет добиться более точного управления мотором, в том числе повышая уровень безопасности и комфорта.
Также использование электронной педали акселератора имеет преимущества перед обычным кабельным вариантом за счёт следующих факторов:
- устранение механического элемента - троса дроссельной заслонки, и замена его быстродействующей электроникой уменьшает количество движущихся частей (и связанный с этим износ) и, следовательно, система требует минимальной регулировки и обслуживания;
- большая точность данных улучшает управляемость автомобиля, что, в свою очередь, обеспечивает лучшую реакцию, экономичность и безопасность.
К тому же, всё более распространёнными становятся электромобили, в конструкции которых невозможно использовать классическую педаль акселератора с тросовым приводом. Следуя общемировым тенденциям, команды, принимающие участие в студенческих инженерных соревнованиях Formula Student, так же начинают разрабатывать гоночные болиды на электрической тяге, но при этом многие не отказываются от параллельной постройки болида с двигателем внутреннего сгорания. Таким образом командам требуется универсальное решение, отвечающее всем требованиям для всех типов болидов.
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы разработан модуль акселератора для электрического гоночного болида.
На начальном этапе определены цель ВКР, а также задачи для её выполнения. Далее исследованы способы и принципы управления скоростью автомобилей как с двигателями внутреннего сгорания, так и электродвигателями.
Далее проанализированы доступные для покупки на рынке решения на предмет соответствия техническим требованиям поставленной задачи. В результате анализа выявлена очевидная необходимость разработки устройства, имеющего возможность подключения к блокам управления, работающих как с аналоговыми педалями, так и с подключаемыми по CAN шине, в виду отсутствия подобных универсальных решений. Также в результате анализа подтверждена актуальность работы.
Для решения поставленных задач выбран современный и технологичный микроконтроллер STM32, а также надёжная в использовании и простая в использовании периферия в виде CAN трансмиттера TJA1051 и АЦП ADS1115.
На следующем этапе проанализированы среды разработки для плат с микроконтроллером STM32. После выбора среды разработки, изучены способы программирования микроконтроллеров с помощью внешних или внутрисхемные программаторов.
После составлена блок-схема алгоритма и определён функционал программы. Далее, последовательно написаны все программные функции будущего устройства и, наконец, готовая программа загружена в память микроконтроллера.
В качестве основы устройства принято решение использовать печатную плату, которую планируется заказать на производстве в Китае. Подобные платы выполнены в строгом соответствии с проектом и количество погрешностей и отклонений настолько мало, что ими можно пренебречь.
Для изготовления корпуса использована технология 3D печати с помощью PLA пластика. Для крепления платы в корпусе предусмотрены специальные резьбовые вставки.
В результате экспериментального исследования работы устройства определено, что отклонение от эталонного значения крайне мало и им можно пренебречь. Также, экспериментально проверены все режимы работы устройства, в том числе режим ошибки по входным значениям и по неправильной конфигурации.
Разработку модуля акселератора для электрического гоночного болида можно считать завершённой, поскольку модуль отвечает всем выдвинутым требованиям и является полностью готовым устройством.
