سیستم های فرمان برقی: اکنون و آینده

Liviu-Vasile Pop Embedded Software Engineer @ Bosch Engineering Center Cluj Mihai Souca Embedded Software Engineer @ Bosch Engineering Center Cluj Rudolf Mate Embedded Software Engineer @ Bosch Engineering Center Cluj

وقتی کسی به خرید ماشین فکر می کند ، اولین جنبه مورد توجه بدن است. برخی می خواهند یک SUV داشته باشند که آنها را به بالاترین قله های کوهستانی برساند ، برخی می خواهند یک ماشین کوچک که می تواند از طریق کوچکترین خیابان ها عبور کند و در تنگ ترین نقاط پارکینگ قرار بگیرد. سپس جنبه های مهم بعدی ویژگی هایی است که ماشین دارد: صندلی های گرم ، سنسورهای پارکینگ ، کنترل کروز و غیره. اما این مواردی است که می توانید به صورت آنلاین ، خواندن یک برگه مشخصات را بررسی کنید. جنبه ای که واقعاً باعث می شود ماشین در صندلی راننده در حال خرید باشد و آن را برای رانندگی در نظر بگیرید. و در اینجا ، همه ما باید موافقت کنیم که سیستم فرمان نقش کلیدی را ایفا می کند. امروزه بیشتر اتومبیل ها از فرمان برقی (EPS) استفاده می کنند که راننده را در انجام مانورهای فرمان تسهیل می کند.

فرمان برقی (EPS) با پشتیبانی از یک موتور الکتریکی هوشمند ، فرآیند فرمان را کنترل و کمک می کند. بر اساس سیگنال فرمان از سنسور گشتاور ، واحد کنترل پشتیبانی از فرمان بهینه را محاسبه می کند و اطلاعات را به موتور الکتریکی ارسال می کند تا کمک های لازم را ارائه دهد.

انواع EPS تمام نیازهای کلاس های اتومبیل مسافری و حتی وسایل نقلیه تجاری سبک را پوشش می دهد. بسته به نوع ، گشتاور موتور به روش های مختلفی منتقل می شود.

شکل 1 انواع سیستم فرمان برقی

فرمان برقی با واحد سروو روی ستون فرمان (EPSC) کنترل می کند و به فرمان وسایل نقلیه تا کلاس متوسط پایین کمک می کند ، در حالی که واحد سرو تک پینیون EPS (EPSP) می تواند کلاس متوسط را بپوشاند. این سیستم با موتور الکتریکی نصب شده بر روی پین دوم (EPSDP) می تواند به وسایل نقلیه از کلاس جمع و جور تا SUV کمک کند و سیستم موازی محور با درایو کمربند (EPSAPA) می تواند تمام راه را به سمت اتومبیل های ورزشی و وسایل نقلیه تجاری سبک طی کند.

در حال حاضر

رانندگی خودکار با فرمان برقی

با تکامل این فناوری ، ایده اتوماسیون فرآیندهای مختلف برجسته تر می شود. ما می توانیم این روند را در همه زمینه های مهندسی و بسیار فراتر از آن ببینیم. کارهایی که معمولاً توسط انسان انجام می شود ، اکنون توسط یک دستگاه انجام می شود ، که به صورت خودکار انجام می شود که حداکثر کارایی را در کمترین خطر دریافت می کند. با این حال ، سطح استقلال که دستگاه بسته به پیچیدگی کاری که انجام می دهد متفاوت است. این ایده همچنین می تواند به دنیای خودرو منتقل شود ، جایی که ما در حال حاضر می توانیم عملکردی مانند پارکینگ خودکار را ببینیم ، که در آن خودرو بخش هایی از تصمیمات مربوط به مانورهایی را که برای پارک کردن اجرا می کند ، می گیرد. این درجه آزادی در تصمیماتی که یک سیستم خودرو دارد "سطح اتوماسیون رانندگی" نامیده می شود ، جایی که 0 پایین ترین (کاملاً دستی) و 5 بالاترین (کاملاً خودمختار) است.

هرچه با سطح اتوماسیون بالاتر بروید ، سطح ایمنی که ماشین باید به آن دست یابد ، بالاتر است. با توجه به اینکه سطح بالاتر اتوماسیون حاکی از فرمان بدون اقدام درایور است ، با ترکیبی از نرم افزار و سخت افزار که میزان افزونگی و تناسب کم (شکست در زمان) را ارائه می دهد ، سطح ایمنی یک ماشین حاصل می شود.

انواع واحد کنترل فرمان (SCU) - راه حل برای هر نیاز

شکل 2 انجمن مهندسان خودرو (SAE) 6 سطح اتوماسیون رانندگی را از 0 (کاملاً دستی) تا 5 (کاملاً خودمختار) تعریف می کند. این رقم فقط سطوح اتوماسیون را نشان می دهد.

واحد کنترل فرمان GEN3 B3 برای استفاده از توابع کمک به راننده هوشمند تا SAE سطح 2 مناسب است. این نوع اصلی واحد کنترل فرمان با قابلیت اطمینان بالا مشخص می شود.

واحد کنترل فرمان GEN3 C3/C6 برای استفاده از توابع کمک به راننده هوشمند تا SAE سطح 2+ مناسب است. در صورت عدم وجود عدم موفقیت در الکترونیک ، یک مدار الکترونیکی پشتیبان کاملاً مستقل ، عملکرد فرمان این نوع واحد کنترل فرمان را به دست می گیرد. انواع C3 و C6 عمدتاً در استفاده از یک موتور فاز 3 و 6 متفاوت است.

واحد کنترل فرمان GEN3 D12 برای استفاده از توابع کمک به راننده هوشمند تا سطح 4 SAE مناسب است. در واحد کنترل فرمان برای رانندگی خودکار تا SAE سطح 4 ، یک مدار الکترونیکی کاملاً مستقل ، عملکرد فرمان را در حادثه بعید از خرابی در الکترونیک به دست می گیرد. این تضمین بهینه از کنترل پذیری در صورت عدم موفقیت را فراهم می کند. حداقل 50 ٪ از کمک فرمان حفظ خواهد شد.

شکل SCU D12 (سمت چپ) در مقایسه با SCU C6 (سمت راست)

آینده

این فناوری هرگز از توسعه متوقف نمی شود ، راه حل ها و مفاهیم جدید بیشتر و بیشتر در همه زمینه ها بوجود می آیند. صنعت خودرو همیشه در مقایسه با سایر صنایع ، به عنوان مثال تلفن های هوشمند کمی کندتر بود ، اما این بدان معنی نیست که مفاهیم جدید در پشت صحنه توسعه نیافته اند. در این صنعت ، همانطور که قبلاً ذکر شد ، ایمنی از هر قابلیت آینده نگر مهمتر است ، بنابراین اتومبیل های کاملاً جدید هنوز از فناوری پنج تا ده سال استفاده می کنند ، زیرا سطح ایمنی مورد نظر را ارائه می دهد. با پیشرفت صنعت خودرو در جهت "تحرک الکتریکی" ، روش نزدیک شدن به طراحی و تولید خودرو کاملاً متفاوت با موردی است که امروزه از آن استفاده می کنیم. ایجاد فضا برای باتری ها ، از بین بردن برخی از وزن از شاسی ، برخی از چالش هایی است که پیش از شرکت های خودروسازی است.

برای اینکه ببینیم EPS در کجا دچار تغییراتی خواهد شد ، ما باید به اصل ساخت و ساز و کار واقعی نگاهی بیندازیم. در شکل بعدی ، مهمترین مؤلفه های این سیستم قابل مشاهده است.

شکل 4 تصویر انتزاعی EPS

بیشتر مفاهیم ، که توصیف می کنند چگونه وسایل نقلیه آینده می توانند

به نظر می رسد ، یک ماشین بدون فرمان یا با فرمان که پنهان است (در صورت عدم استفاده) به ما نشان دهید.

این کار فقط با یک سیستم هدایت شده توسط سیم امکان پذیر خواهد بود. با از بین بردن مکانیکی

ارتباط بین چرخ ها و فرمان ، امکانات جدید در مورد طراحی و رانندگی خودمختار در دسترس خواهد بود. ناپدید شدن ستون فرمان امکان بسته بندی آسان تر را فراهم می کند ، اما مزیت اصلی برای کاربر نهایی راحتی خواهد بود. در یک ماشین آینده ، راننده قادر به مسافر بدون هیچ گونه ناراحتی خواهد بود و هیچ فرمان در حال حرکت در حالت خودمختار وجود نخواهد داشت.

بزرگترین مسئله در مورد هر سیستم درایو به سیم ، ایمنی آن است. یک مؤلفه مکانیکی بسیار قابل اطمینان تر از کابل است که برخی از داده ها را منتقل می کند. چالش دیگر یافتن راهی برای ارائه بازخورد مناسب به راننده است. با توجه به اینکه هیچ ارتباط مکانیکی بین EPS و فرمان وجود نخواهد داشت (که از طریق آن بازخورد از چرخ ها به راننده منتقل می شود) ، داشتن یک سیستم درایو به سیم احساس می کند که یک بازی ویدیویی بازی می کند. در این سناریو ، پیدا کردن یک روش مناسب برای اطمینان از امنیت مسافران و بازخورد مناسب جاده می تواند بسیار دشوار باشد.

با حل مسائل ایمنی و بازخورد ، این سیستم مزایای زیادی خواهد داشت. اگر ستون فرمان برداشته شود ، طراحان وسیله نقلیه در طراحی قسمت جلوی خودرو آزادی بیشتری خواهند داشت. ویژگی ها ، مانند نسبت فرمان متغیر ، حالت های مختلف بازخورد بسته به وضعیت رانندگی به راحتی اجرا می شوند.

رانندگی خودمختار می تواند تجربه کاملاً متفاوتی را ارائه دهد زیرا فرمان در صورت رانندگی ماشین به تنهایی لزوماً نیازی به حرکت ندارد. صاحب خودرو می تواند بدون هیچ گونه مصالحه ای در مورد راحتی ، مسافر شود. علاوه بر این ، فرمان می تواند برای سرگرمی استفاده شود.

یک سیستم فرمان به سیم دارای دو مؤلفه اصلی ، زیر سیستم قفسه فرمان و عنصری است که توسط درایور اداره می شود که به آن زیر سیستم فرمان فرمان گفته می شود. این می تواند یک جوی استیک ، یک لمس لمسی یا در نسل بعدی سیستم های فرمان باشد ، هنوز هم یک فرمان با یک محرک خواهد بود. در شکل بعدی می توانیم رایج ترین و مهمترین اجزای یک سیستم هدایت شده توسط سیم را مشاهده کنیم. بزرگترین تفاوت ، در مقایسه با یک سیستم فرمان کلاسیک ، این است که هیچ ستون فرمان وجود ندارد. فرمان به طور مستقیم با قفسه فرمان مرتبط نیست.

شکل 5 تصویر انتزاعی از یک سیستم هدایت شده توسط سیم

مهمترین قسمت زیر سیستم فرمان موتور الکتریکی است که مسئولیت بازخورد راننده را بر عهده دارد. در اصل ، بدون این محرک ، راننده قادر به رانندگی با خیال راحت ماشین نخواهد بود. معمولاً این مؤلفه از طریق انتقال به فرمان مرتبط می شود. برای اینکه بتوانیم چرخ ها را مطابق با فرمان هدایت کنیم ، یک سنسور زاویه فرمان نیز لازم است - این معمولاً مستقیماً روی فرمان نصب می شود.

زیر سیستم قفسه فرمان واقعاً شبیه یک قفسه فرمان سنتی است. در مورد این سیستم ، هدف از موتور الکتریکی کمک به راننده نیست بلکه بر اساس دستورات دریافت شده ، خود را به خودی خود هدایت می کند. این موتور از طریق انتقال قفسه فرمان را فعال می کند. برای اینکه بتوانیم تعیین کنیم که آیا قفسه در موقعیت مورد نظر قرار دارد ، یک سنسور موقعیت قفسه نیز لازم است.

کنترل کل سیستم معمولاً توسط یک ECU مرکزی (واحد کنترل برقی) انجام می شود. بر اساس داده های اندازه گیری شده و داده های دریافت شده از سایر ECU ، این کنترل کننده مرکزی دستور را برای دو محرک می دهد. هدف آن این است که اطمینان حاصل شود که راننده احساس صحیح ماشین را دارد و چرخ های ماشین در موقعیت صحیح قرار دارند ، به طوری که ماشین در جهت صحیح پیش می رود.

نتیجه

امروزه جهان با سرعت سریع تغییر می کند. ما می بینیم که فن آوری های جدید سریعتر توسعه می یابند ، سطح اتوماسیون برای افزایش کارخانه ها ، تلفن ها باهوش تر می شوند ، شهرها باهوش تر می شوند و در نهایت ماشین ها باهوش تر می شوند. برای ادامه سرعت ، صنعت خودرو برای توسعه اتومبیل های ایمن تر به چالش کشیده می شود ، که این به معنای قطعات امن تر نیز هست. در این فرایند ، EPS نقش مهمی ایفا می کند. SCU (واحد کنترل فرمان) اکنون با به دست آوردن سطح اتوماسیون بالاتر ، این حاکی از افزونگی و نرخ مناسب پایین است. این تغییر هم از طراحی سخت افزار مورد استفاده و هم از نرم افزار ناشی می شود. در زمینه هدایت سیم ، برای همگام سازی صحیح اجزای سیستم ، ارائه بازخورد مناسبی به راننده ، و همچنین اطمینان از ایمنی پایان به پایان ، باید از ویژگی های جدید تهیه شود. همانطور که مشاهده شد ، ECU نقش اصلی را در تغییر بزرگ "تحرک الکتریکی" ایفا می کند. آنها را باهوش تر ، سریعتر و با دوام تر راه راه برای کمک به رانندگی و خودکار انجام می دهد. این بدان معناست که سیستم های فرمان برقی نسل جدید به فناوری اصلی رانندگی خودکار تبدیل می شوند.

منابع:

[1] گرم. Reimann ، P. Brenner و H. Buring ، سیستم های محرک فرمان. Springer Inteational ، انتشار سوئیس 2015.

[2] M. Harrer and P. Pfeffer ، کتاب راهنما. انتشارات بین المللی اسپرینگر ، 2017.

[3] R. Mate ، مفهوم کنترل برای سیستم های سیم کشی ، 2021