Motormanagement simulatie MegaSquirt Hoofdstuk 9 ISBN 978-90-79302-12-3 Steele B.V Ep Gernaat 1 Stationair draaien TunerStudio en de MS2Extra firmware ondersteunen verschillende stationaire regeluitvoeringen. We behandelen de by-pass PWM-klep en de bi-polaire stappenmotor. Zowel de PWM elektronisch aangestuurde klep als de stappenmotor regelen de grootte van een opening parallel aan de gasklep. De gasklep dient tijdens het stationair draaien geheel gesloten te zijn. De verbrandingslucht komt dan uitsluitend via de opening van de stationaire luchtklep. De grootte van de doorstroomopening wordt bepaald door de stand van de PWM-klep of de stappenmotor. Zie fig.?? en fig.?? uit hoofdstuk 1. We bekijken eerst de PWM-klep. 2 De PWM aangestuurde stationairklep Alvorens de stationaire regelklep met behulp van TunerStudio te gaan instellen zullen we eerst de eigenschappen van de klep in kaart moeten brengen. Dit is reeds in hoofdstuk 4 beschreven. We zullen ook moeten kijken of de MegaSquirt hardware in staat is om een dergelijke klep aan te sturen. Standaard is het toegepaste driver IC niet voldoende. We kunnen de hardware uitbreiden als in fig. 1. De toegepaste driver is de Power MOSFET IRF640N en dit IC kan een stroom aan van 18 A. 2.1 Regelmodes MS2extra onderscheidt twee regelklepmodes: Open-loop (PWM-warmup); Closed-loop. 1
12V 12 V V3.0 print IRF640N G D S stationair klep Idle 1 PTA1 R19 1k D8 G D pin OUT 30 IDL IRF640N Q20 niet monteren R39 22V 100k S gemodiciceerd voor PWM klep Figuur 1: Uitbreiding van de hardware voor de aansturing van de stationaire regelklep (V3.0 print). 2.2 Open-loop regeling De PWM-Open-loop warmup-mode is het eenvoudigste. Tijdens het koud stationair draaien staat de klep open en gaat langzaam in de dicht-richting wanneer de motor warmer wordt. Op het gewenste toerental blijft de klep in een vaste kleine open stand staan. We kunnen deze mode selecteren onder Startup/Idle, Idle Control en dan kiezen voor het Open-loop (warmup) Algorithm. Onder Idle Warmup Duty-Cycle/Steps kunnen we het PWM-signaal instellen t.o.v. de koelwatertemperatuur. Zie fig.2. Figuur 2: De duty-cycle van de stationaire regelklep in relatie tot de koelvloeistoftemperatuur. 2
2.3 Closed-loop regeling Op modernere auto s wordt een PWM Closed-loop mode toegepast. Het stationaire toerental wordt dan constant gehouden met behulp van een PID-regeling. Het stationaire toerental zelf is afhankelijk van de motortemperatuur. Om de eigenschappen van de klep te bepalen dienen we deze extern met een PWM- (duty-cycle) signaal aan te sturen. Dit is in hoofdstuk 4 beschreven. In ons voorbeeld houden we een aanstuurfrequentie aan van ongeveer 200 Hz. Valve Mode Normal, 0% off. Crank-to-Run Taper time (tijd van starten naar stationair) 5 sec. Idle Valve closed 20% en Idle valve open 80%. De PID-instelling laten we zoals default is aangegeven. Zie fig. 3 en fig. 4. Figuur 3: Closed loop PWM stationair draaien Figuur 4: Closed loop PWM stationair draaien 3
2.3.1 Toelichting op de overige instellingen Dashpot Adder (%) Onder Dashpot wordt het systeem bij carburateurs verstaan dat er voor zorgt dat de gasklep niet meteen helemaal dichtvalt wanneer het gaspedaal wordt losgelaten. Hier: Tot hoever de regelklep open gaat (in % duty-cycle) wanneer het gaspedaal wordt losgelaten terwijl de regelklep gesloten was. Default waarde: 1.2 Dashpot Decay Factor De snelheid waarmee de toename van de duty-cycle terugvalt naar 0. Instelling tussen 0 en 100. Default waarde 0. Use Last Value Or Table Default instelling: Use last value Close Delay De hoeveelheid tijd die verloopt tussen het intrappen van het gaspedaal en het sluiten van de regelklep tijdens het (weg)rijden. 0 betekent instelling uitgeschakeld. Default instelling 3 sec. Schakelinstelling Leave Valve Close Above (rpm) Tot welk toerental de motor terugvalt tijdens het schakelen. Daarboven blijft de klep gesloten. Default: 1500 t/min. For This Number Of Seconds De tijd dat het schakelen maximaal duurt. Na deze tijd volgt de klep de normale dashpot-instelling. Default: 3 sec. Closed Loop Idle PID Gains Tuning Mode ingesteld op Basic, dit betekent P = 100%, I = 100%, D = 0. De fout (e) wordt snel geheel weggeregeld. PID hoeft dan niet meer te worden ingesteld. Closed-Loop Gain Stel in totdat het toerental begint te oscilleren, regel dan terug. Default: 500 Closed-Loop Idle PID Delays And Behavior PID Delays Tijd nodig om over te gaan naar de closed loop control. Default: tussen 2-5 sec. Crank to Run Taper Tijd om van de startinstelling naar de stationair-instelling te gaan. De- 4
fault 2-5 sec. PID Ramp To Target Tijd die verloopt tussen het werkelijke toerental en het ingestelde toerental. Default: 2 sec. PID Control Interval De hoeveelheid tijd die verloopt tussen de Close Loop Algoritmes. Default: 200 ms PID Disable RPMdot (Max) (rpm/sec) De snelheid waarmee het toerental verandert moet lager zijn dan de ingestelde waarde, wil men de closed loop regelcyclus inschakelen. Default: 1000. Zie ook RPM-dot meter onder Calculations Closed Loop Idle PID Activation Settings Idle Activation TPS threshold (Max)(%): Onder deze gaspedaalstand wordt de stationaire closed-loop regeling onder voorwaarden tot stand gebracht. Default: 1% RPMdot Threshold (Max)(rpm/sec) Boven deze waarde wordt de stationairregeling niet geactiveerd. Default: 100. Zie ook RPMdot-meter onder Calculations Max Decel Load % / Load Threshold (Min)(%) De deceleratie-belasting (MAP) moet boven deze waarde zijn voordat de stationairregeling plaatsvindt. Zal dus wat lager moeten zijn dan de MAP tijdens het stationair draaien. Default: 20 tot 25 (kpa) Closed Loop Idle Entry (For Clutch Neutral Switch) PID Lockout On Switch Active Alleen wanneer er een koppelingsschakelaar aanwezig is. Default: Off Sliding Window Smoothing PID RPM Window Size (1=Off): Een geleidelijke overgang in het toerental. Default: 0 2.3.2 Target RPM Curve Nu dienen we nog het gewenste toerental als functie van de koelwatertemperatuur in te stellen. In fig. 5 hebben we dit -als voorbeeld- gedaan. De PIDregeling zal dan het gewenste Target toerental bij die temperatuur proberen vast te houden. 5
Figuur 5: Het stationair toerental als funtie van de koelvloeistoftemperatuur. 2.4 PWM Idle Voltage Compensation De spanning tijdens het stationair draaien zal door de dynamo constant worden gehouden. Wanneer de batterij ontladen is kan het enige tijd duren voordat de spanning weer constant is. Ter compensatie kunnen we de duty-cycle gedurende deze tijd wat vergroten. De hierop volgende Idle Advance Settings houden we (in eerste instantie) Off. Zie als voorbeeld fig. 6. Figuur 6: Ter compensatie kan bij lagere spanning de duty-cycle worden vergroot. 6
3 Stappenmotor De MegaSquirt II kan een bipolaire stappenmotor rechtstreeks aansturen. Er moeten wel een 4-tal extra draden worden aangebracht. Het stappenmotor IC (UDN2916LBT) bevindt zich op het dochterboard van de MegaSquirt II. Bipolair wil zeggen dat de stroom door de twee stappenmotorspoelen voortdurend wordt omgekeerd. De stappenmotorspoelen worden A en B genoemd zodat de aansluitingen A1 en A2 resp. B1 en B2 worden. Een stappenmotor IC stuurt de elektromotor stapsgewijs aan. Elke stap laat de motor een vast aantal graden verdraaien. Draairichting en draaisnelheid worden bepaald door de software. Fig. 7 laat schematisch het IC zien met de aansluiting op een bipolaire stappenmotor. De aansluiting op het V3.0 board is al gedeeltelijk voorbereid. We Figuur 7: Aansluiting van een bi-polaire stappenmotor op het UDN2916 IC. De software genereert het stappenpatroon (datasheet allegromicro). moeten aan de onderzijde van de printplaat de volgende draadverbindingen maken. Zie fig. 8. Voor spoeleinde 1A moet de aansluiting JSO doorverbonden worden met aansluiting IAC1A die naar pin 25 van DB37-connector gaat. Voor spoeleinde 1B moet de aansluiting JS1 doorverbonden worden met aansluiting IAC1B die naar pin 27 van DB37-connector gaat. Voor spoeleinde 2A moet de aansluiting JS2 doorverbonden worden met aansluiting IAC2A die naar pin 29 van DB37-connector gaat. 7
Voor spoeleinde 2B moet de aansluiting JS3 doorverbonden worden met aansluiting IAC2B die naar pin 31 van DB37-connector gaat. Bovendien moet nog een verbinding worden gemaakt tusssen het gaatje (hole) S12C naar het gaatje (hole) JS9. Figuur 8: Stappenmotor bedrading aangebracht aan de onderzijde van de V3.0 print. Maken we gebruik van de JimStim simulator en willen we de pulsen op de gemonteerde twee-kleuren leds zichtbaar maken dan moeten daarop ook de nodige aansluitingen worden gemaakt. Fig. 9 toont ons de aansluitingen waarbij ook de stappenmotor zelf via break-out connectoren kan worden aangesloten. MegaSquirt 31 I2B simulator 7 27 I1B 31 DB37 connector 1 7 29 8 9 27 25 10 2x 2 kleuren led 20 coil 1 I1A 25 break out connector 37 coil2 I2A 29 stappenmotor pinrijen op simulator 10 Aansluiting via break out connectoren Figuur 9: Op de JimStim simulator kan de aansturing van de stappenmotor worden gevolgd door het oplichten van de twee tweekleurenleds. Hiervoor moeten wel enige verbingen worden gemaakt. 8
3.0.1 Het instellen van de stappenmotor in TunerStudio Vanuit het hoofdmenu gaan we naar Startup/Idle en Idle Control. Zet de Idle Stepper position meter op het scherm. Kies vanuit Idle Control voor Stepper valve (4 or 6 wire), selecteer onder Algorithm in eerste instantie voor Open loop (warmup) en pas later voor het Closed-loop algoritme. Om uit te zoeken om hoeveel stappen het gaat kunnen we de stappenmotor aansluiten op de simulator via de break-out connectoren. Met behulp van de Open Loop instelling kunnen we de koelwatertemperatuur veranderen en bekijken of de stappenmotor-verstelling correct verloopt. Zie fig. 10. Hierna kiezen we voor Figuur 10: Met behulp van de Open Loop instelling kunnen we het gedrag van de stappenmotor goed bekijken wanneer we de koelwatertemperatuur instellen. Closed Loop met de instellingen overeenkomstig fig 11. 9
Figuur 11: Instelling voor het Closed Loop algoritme 4 Vragen en opgaven Zie boek 10