Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Условия функционирования и особенности эксплуатации электроусилителя 8
1.1. Современный уровень развития электроусилителя 8
1.2. Особенности эксплуатации и требования, предъявляемые к электроусилителю 15
1.3. Реакция ЭУР на нагрузку 19
1.4. Обоснование применения вентильного двигателя в электроусилителе 24
1.5. Обоснование использования цифровой системы управления в электроусилителе 28
Выводы 32
Глава 2. Анализ основных элементов электроусилителя 33
2.1. Передаточная функция вентильного двигателя 33
2.2. Способы управления вентильными двигателями 35
2.3. Выбор ДПР. Анализ его влияния на работу ВД в ЭУР 39
2.4. Анализ влияния угла установки ДХ на характеристики ДПР.. 43
2.5. Анализ влияния ДПР на пульсации электромагнитного момента 49
2.6. Выбор управляющей части ЭУР. Синтез основных алгоритмов управления 55
2.7. Влияние квантования в цифровой системе управления 64
Выводы 72
Глава 3. Синтез системы управления электроусилителя 73
3.1. Варианты построения систем управления рулевых механизмов 73
3.2. Синтез системы управления ЭУР 75
3.3. Применение упреждающей коррекции в схеме ЭУР 84
3.4. Синтез системы управления электропривода рулевого механизма 93
Выводы 102
Глава 4. Исследование электроусилителя 103
4.1. Функциональная диагностика вентильного электропривода ... 103
4.2. Моделирование ЭУР 109
4.3. Разработка испытательного стенда 112
4.4. Реализация основных элементов ЭУР 117
Выводы 123
Заключение 124
Литература 126
Приложение 135
- Современный уровень развития электроусилителя
- Передаточная функция вентильного двигателя
- Варианты построения систем управления рулевых механизмов
- Функциональная диагностика вентильного электропривода
Введение к работе
Современные электромеханические системы, которые в зависимости от областей применения называются электроприводами, электромеханизмами, электромеханическими устройствами и т.п., все более широко внедряются в новые объекты или области применения, в частности в автомобильное электрооборудование. Такие системы используются в целях повышения комфортности автомобиля (стеклоподъемники, стеклоочистители, вентиляторы, электроприводы капотов, изменения конфигурации кузова и т.п.), в системе топливоподачи (бензонасос, электромеханизмы подготовки и впрыска топлива), в системах смазки и охлаждения, а также и в системах управления движением автомобиля. В современных автомобилях устанавливается более 30 электроприводов.
Одним из наиболее перспективных с точки зрения повышения надежности управления автомобилем электромеханизмов является электромеханический усилитель руля (ЭУР), которому в последнее время отдается предпочтение по сравнению с гидравлическим усилителем руля (ГУР) практически всеми известными в мире производителями автомобилей. Достоинства и недостатки ЭУР и ГУР общеизвестны и связаны с особенностями получения и подвода энергии к приводным двигателям сервомеханизмов. До конца XX века преобладало преимущество гидродвигателей над электродвигателями в части массогабаритных показателей, хотя по КПД гидродвигатели существенно уступают электродвигателям исходя из фундаментальных принципов своего функционирования. Поэтому на рубеже XX и XXI веков, когда достижения полупроводниковой электроники позволили получать регулируемые электроприводы от любых источников питания с применением бесконтактных электродвигателей последних модификаций, преимущества гидроприводов перед электроприводами замет-
но ослабли и последним стали отдавать явное предпочтение во многих областях применения, в частности в автомобилестроении.
Собственно усилитель руля любого исполнения как усилитель момента рук водителя для большегрузных автомобилей является обязательным, так как без него автомобиль не управляется. Достижения электромеханики и силовой электроники позволили поставить задачу установки электроусилителя руля и в легковых автомобилях и микроавтобусах, в которых установка гидронасоса и гидравлической сети ранее считалась нецелесообразной из-за малых размеров автомобиля и ограниченной мощности двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, для электромобилей и машин с комбинированными энергетическими установками усилитель руля может быть только электрическим. В связи с этим многие организации ведут в настоящее время интенсивные разработки различных вариантов электромеханических усилителей руля. Эти варианты различаются применяемыми видами и исполнениями электродвигателей, построением кинематических схем, конструктивной компоновкой электромеханизма и многообразием построения информационной части ЭУР,'то есть его системами управления.
На кафедре «Электропривод и АПУ» УлГТУ с участием автора также ведутся исследования по разработке ряда вариантов построения ЭУР на базе современных бесконтактных электродвигателей. В результате сравнительных исследований принята концепция построения ЭУР с использованием синхронных двигателей с постоянными магнитами при реализации системы «вентильный двигатель» (ВД). Синхронные двигатели с постоянными магнитами, например, серии ДБМ, в системах ВД с обеспечением в статоре (якоре) синусоидальных токов имеют наибольшую по сравнению со всеми существующими в настоящее время электродвигателями перегрузочную способность. Она превосходит перегрузочную способность даже у высокомоментных коллекторных двигателей. Перегрузочная способность
двигателя уже в составе электропривода ВД определяется перегрузочной способностью преобразователя энергии, то есть составляющими его транзисторами. Это обстоятельство определяет второе положение концепции построения ЭУР: преобразователь энергии для управления СД в системе ВД нужно строить на МОП-транзисторах, выполняемых по технологии HEXFET [76].
Третье положение концепции состоит в использовании микропроцессорного управления с реализацией структур построения САУ, разработанных в УлГТУ.
Отмеченные положения создания ЭУР позволяют сформулировать задачи диссертационной работы:
Анализ современного состояния рассматриваемого класса систем. Анализ факторов, влияющих на работу ЭУР, обоснование принципов управления и создание алгоритмов их реализации.
Определение влияния факторов, задающих качественные показатели ЭУР. Определение условий достижения наилучшего комплексного показателя качества работы ЭУР.
Синтез системы управления, обеспечивающей требуемое функционирование ЭУР.
4. Реализация системы управления и ее внедрение.
Поставленные задачи решены в данной диссертационной работе аналитическими исследованиями, а так же методом математического и физического моделирования.
Проведенные экспериментальные исследования подтвердили правильность теоретических выводов и принятых решений.
Научная новизна работы представлена теоретическими и экспериментальными исследованиями, основное содержание отражено в следующих рассмотренных и решенных задачах:
Предложена конструкция ЭУР, которая имеет более высокие технические показатели по сравнению с существующими решениями.
Разработана и исследована микроконтроллерная система управления.
Разработан и исследован силовой электромеханический модуль ЭУР, реализованный с применением современных высокоэффективных электронных и электромеханических элементов.
Разработан и реализован алгоритм оперативной диагностики ЭУР.
5. Проведен анализ факторов, влияющих на характеристики ЭУР.
Полученные в работе результаты исследования ЭУР обладают достаточной общностью и могут быть использованы при создании автономных устройств и систем управления вентильными двигателями.
На защиту выносятся следующие положения:
Для реализации эффективного функционирования ЭУР необходимо использовать предлагаемую конструкцию электромеханического узла.
При синтезе системы управления ЭУР необходимо учитывать весь комплекс факторов, влияющих на режимы работы рулевого управления и соответственно адаптировать алгоритм управления.
Разработанный модуль позволяет повысить КПД и получить необходимые моментные и динамические показатели.
Алгоритмы диагностики ЭУР должны быть оперативными, охватывать весь узел и немедленно отключать ЭУР при неисправности.
Анализ влияющих на характеристики ЭУР факторов позволяет определить оптимальный режим его работы.
Современный уровень развития электроусилителя
Усилители рулевого управления автомобилей создаются и развиваются несколько десятилетий. Это вызвано увеличением выпуска автомобилей, ростом конкуренции, повышением скорости и необходимостью повышения маневренности. Первоначально были разработаны и созданы гидроусилители [42, 46]. Это обуславливалось отсутствием требуемых электро- и электронных компонентов и недостаточной мощностью автономного источника питания. Появление высокомоментных двигателей и силовых ключей MOSFET [76, 88,89] дало толчок к разработке и развитию электроусилителя руля. Основными направлениями исследований в настоящее время являются: кинематическая схема [42, 46], система управления [2, 5, 7, 10, 13, 15], датчики, используемые в системе управления [6, 8, 9, 16, 28, 32, 34], электродвигатель [1, 3, 4, 24, 36, 38, 78].
В [49] предлагается один из возможных вариантов построения рулевой колонки со встроенным усилителем. Особенностью данной схемы является использование муфты и электромагнита в схеме усилителя.
В [56] предлагается соосное построение кинематической цепи, которая содержит электродвигатель усилителя руля и планетарный редуктор.
В [57] используется механическая односторонняя муфта, которая используется для соединения электродвигателя и рулевого вала и для отсоединения электродвигателя от рулевого вала В [62] электроусилитель содержит муфту, отвечающую за приводное разделение электродвигателя и выходной оси в случае передачи через муфту момента, превышающего заданный уровень.
В [64] рассматривается кинематическая цепь рулевого управления, проходящая последовательно через первое, а затем второе колесо одной оси.
В [65] предлагается использовать шарико-винтовую пару, расположенную соосно с рулевой колонкой для передачи момента от соосно расположенного двигателя.
В [66] предлагается дополнить систему электромагнитной муфтой, подключающей двигатель электроусилителя к кинематической цепи управления автомобилем с целью упрощения устройства управления.
В [69] рассматривается возможность использования муфты для формирования рабочей зоны датчика момента.
В [71] предлагается использовать специальную кинематическую передачу для снижения весогабаритных параметров редуктора между двигателем и рулевой колонкой.
В системах электроусилителя руля используются самые различные двигатели. В [54] предлагается использовать электродвигатель, кинематически связанный с рулем и содержащий зубчатый статор с обмоткой и зубчатый безобмоточный ротор, датчик положения ротора электродвигателя, блок управления электродвигателем. Электродвигатель выполнен трехфазным с числом зубцов на статоре - 12, на роторе - 8, магнитная система электродвигателя выполнена с взаимным скосом зубцов ротора и статора на величину (0,075-0,15)t2, при этом ширина коронки зубцов статора по воздушному зазору Ь21 (0,31-0,35), а ротора bz2 (0,41-0,44)t2, где t2 - зубцовый шаг по ротору..Это позволяет упростить конструкцию электроусилителя. В электроусилителе руля основным источником информации для управления двигателем является датчик момента. Существуют различные схемы построения этих датчиков. В [50] устройство содержит два установленных соосно в двух поперечных смещенных по оси сечениях вала многополюсных магнита. Один многополюсный магнит жестко связан с неподвижным участком вала, а другой жестко связан с приводным участком вала. Оба участка вала соединены между собой соосным торсионом. Неподвижный датчик углового смещения участков вала размещен между многополюсными магнитами и выполнен в виде двух элементов обнаружений синусоидальных полей индукции, подаваемых магнитами. Центры элементов смещены по углу на расстояние, равное четверти периода синусоидальных полей магнитной индукции. Многополюсные магниты снабжены средством регулирования их углового смещения.
Передаточная функция вентильного двигателя
Анализу работы вентильного двигателя посвящено много работ [1,3, 4, 18]. ВД является сложной электронно-механической системой, состоящей из самого двигателя, датчика положения ротора и электронного коммутатора. Большое разнообразие ДПР, конструкций ВД и алгоритмов коммутации ключей позволяет получить различные варианты передаточной функции двигателя.
В схеме ЭУР используется моментный ВД с самокоммутацией [6, 8]. Нормированное дифференциальное уравнение, описывающее такой двигатель имеет вид [44]:
Из выражения (2.1) видно, что постоянная времени и коэффициенты передаточной функции являются функциями различных координат. Анализ показывает, что наибольшее влияние на значения параметров передаточной функции оказывают постоянная времени Тэ и частота вращения двигателя со. Особенностью работы ВД в системе ЭУР является то, что двигатель работает в двух режимах, один из которых - работа на упор (при этом со » 0). Во втором режиме со # О; но ее значение не велико. Используя различные законы управления можно сформировать требуемую механическую характеристику. Таким образом, с учетом отмеченных особенностей передаточная функция ВД принимает два различных значения в зависимости от режима работы: Wi По условиям эксплуатации значения рабочих скоростей двигателя в ЭУР невелики, поэтому К &Ти; Т эъТэ\ кия1; Ки «1. Передаточные функции (2.2,3) в этом случае принимают вид Щр) тэР+\
На работу ВД влияют постоянная времени фильтра фазочувствительного выпрямителя Тф и постоянная времени фазного усилителя мощности Ту. Для снижения влияния Ту используется широтно-импульсный преобразователь с высокой частотой коммутации. Для устранения влияния Тф используется ДПР без модуляции (на основе датчиков Холла).
По условиям функционирования ЭУР первоочередными становятся следующие требования: - создание максимальных моментов; - обеспечение требуемых динамических показателей; - снижение пульсаций момента.
Указанные требования во многом зависят от параметров ВД. В работе исследовался двигатель серии ДБМ. В зависимости от схемы соединения обмоток двигателя и различных способов управления меняются характеристики электропривода. Пусковой момент возрастает в два раза при параллельном соединении секций фазы при непрерывном управлении и реверсивном питании. При таком соединении и реверсивным дискретным управлении момент двигателя возрастает в 2,55 раза [6]. При этом, однако, возникают пульсации момента, которые можно оценить с помощью коэффициента: где МСР - средний момент двигателя; Мшх - максимальный момент двигателя в данном режиме. Точное значение Кп определяется по формуле: где N - число тактов коммутации. Для рассматриваемого случая (двухфазный двигатель) Кп = 0,9.
Варианты построения систем управления рулевых механизмов
Основной задачей электромеханической системы рулевого управления является обеспечение выполнения перемещений объекта управления по соответствующим командам оператора. В зависимости от типов механизмов и объектов управления можно выделить несколько принципиально различных групп систем рулевого управления, отличающихся в том числе и по кинематической схеме.
Наиболее распространенной группой является следящий электропривод [7, 37, 77]. К этой группе можно отнести рулевые механизмы судов и самолетов. В таких системах задающая и исполнительна оси механически не связаны (рис. 3.1). Особенностью такого рулевого механизма является то, что оператор не чувствует колебания нагрузки на исполнительной оси и точность отработки задания (возможен только приборный контроль). В подобных системах усилий человека недостаточно для непосредственного управления рулевыми механизмами. Точностные и динамические свойства таких систем в основном определяются характеристиками применяемого следящего электропривода.
Второй группой являются следящие электроприводы с отражением усилия (следящие системы двустороннего действия) [74]. Как и в предыдущем случае, задающая и исполнительная оси механически не связаны, но оператор чувствует нагрузку на исполнительной оси за счет действия специального нагружающего двигателя, момент которого пропорционален моменту нагрузки на исполнительной оси (рис. 3.2). Как и в предыдущем случае, усилия человека не достаточно для управления рулевыми механизмами. Точностные характеристики определяются применяемым электроприводом, динамические свойства системы будут несколько ниже, за счет необходимости преодоления момента нагружающего двигателя.
К третьей группе можно отнести системы, задающая и исполнительная оси которых связаны через упругое звено (торсион) с ограниченным углом скручивания и дополнительным электроприводом, работающем согласованно с оператором, помогая ему в выполнении команды (рис. 3.3). В такой системе усилия человека достаточно для непосредственного управления рулевым механизмом. Точностные и динамические характеристики системы зависят как от электропривода, так и от оператора.
С точки зрения анализа систем рулевого управления с ЭУР в системе можно выделить две части: собственно ЭУР (первый контур регулирования) и полная система с участием водителя (второй контур регулирования). Работа и характеристики первого контура оказывают влияние на работу второго. Влияние второго контура на первый выражается в требованиях к его быстродействию и адаптации к условиям работы. Анализу и синтезу приведенных систем управления посвящены работы [1, 7, 10, 33,43,47, 74, 75, 81].
В процессе управления автомобилем водитель является активным звеном. Поэтому, полная система управления включает в себя не только кинематическую и электромеханическую составляющую, но и человека. Визуальная информация воспринимается водителем с некоторой задержкой, обусловленной его психофизическим состоянием. На основании этой информации принимается решение о выполнении какого-либо маневра, который совершается также с определенной задержкой. На структурной схеме эти два действия водителя в первом приближении описываются апериодическими звеньями с постоянными времени 7j и Г2.
Коэффициенты передачи этих звеньев приняты равными единице. Воздействие водителя на рулевой механизм выражается в приложении момента Мрв. На структурной схеме (рис. 3.4) это представлено звеньями Wx(p) и W2(p). Сигналом на выходе звена W2(p) является момент, развиваемый водителем. Он поступает на рулевой механизм - звено W p), выходным сигналом которого является скорость поворота колес автомобиля. Интегрирующее звено W$(p) дает на выходе угол поворота колес.
Функциональная диагностика вентильного электропривода
Рулевой механизм (РМ), в составе которого работает электроусилитель руля (ЭУР), является важным узлом автомобиля. От его технической исправности зависит безопасность эксплуатации и нагрузка на водителя. Все это требует оперативной диагностики ЭУР.
Наибольшее распространение получили два метода диагностики: тестовый (ТМГ) и функциональный (ФМГ) [12, 14, 45, 48]. Первый метод подразумевает подачу тестовых сигналов на объект диагностирования с внешнего устройства и анализ этим же устройством ответных сигналов с объекта. Метод функциональной диагностики базируется на анализе сигналов объекта, находящегося в рабочем режиме. Для рассматриваемого случая ТМГ можно применять на станциях обслуживания и ремонта, а ФМГ должен использоваться в процессе эксплуатации ЭУР.
Основным звеном ЭУР является вентильный двигатель (ВЦ). В его состав входят электрическая машина (ЭМ), датчик положения ротора (ДПР), фазный усилитель мощности (ФУМ). Структурная схема ВД приведена на рис. 2.2.
Все звенья, входящие в ВД, требуют постоянной диагностики работоспособности, так как их условия работы достаточно тяжелы (вибрации, температурные перепады, влажность, большие протекающие токи и т.д.). Непрерывная диагностика необходима для оперативного отключения узла с целью обеспечения безаварийной работы рулевого управления.
Рассмотрим возможность функциональной диагностики основных узлов и ВД в целом. Датчик положения ротора в процессе нормальной работы вырабатывает сигналы управления двигателем Us uUc Us=UMAXsma(t) где a - угол поворота ротора ВД, Lтшх - максимальное значение напряжения на выходе ДПР.
Исчезновение или отклонение хотя бы одного из этих сигналов от указанной закономерности (4.1) может привести к аварийной ситуации. Предлагается следующая функциональная проверка ДПР. Известно, что sin2 a + cos2 а = 1. (4.2)
Условие (4.2) может быть использовано для контроля ДПР. Однако, анализ возможных аварийных ситуаций показывает, что применение только условия (4.2) для полной проверки ДПР недостаточно. Для достижения достоверного результата диагностики необходимо контролировать изменение сигналов в динамике. Основными контролируемыми сигналами в системе являются Uy, Us, Uc. Работу ЭУР можно разделить на два режима: статический и динамический. Был разработан алгоритм диагностики, основанный на логическом сопоставлении изменений контролируемых сигналов. Этот алгоритм позволяет определить неисправный элемент в сигнальной части схемы, сформировать сигнал на отключение ЭУР и вывести информацию о неисправности.
Анализ показывает, что практически невозможно разделить для ФМГ неисправности ЭМ и ФУМ. На рис. 4.1. приведена схема силовой цепи ЭУР [29]. В ней возможны следующие виды неисправностей: - обрыв обмотки ЭМ; - неисправность силового ключа (короткое замыкание); - неисправность силового ключа (обрыв).
При обрыве обмотки ЭМ резко возрастают пульсации тока в питающей сети и момента на двигателе. При этом появляются интервалы времени, когда
На рис. 4.2 приведена осциллограмма тока в цепи питания фазной обмотки двигателя, когда один из транзисторов находится в закрытом состоянии (имитация разрыва цепи силового ключа). Показателем возникновения неисправности в данном случае может служить выполнение условия \Uy AU ) (4.4) 1П А/на интервалах A/J где AU, A/, At - минимальные значения напряжения, тока и времени для выполнения условий (4.4).
В случае неисправности одного из ключей (обрыв) ситуация для диагностирования будет близка к предыдущему случаю. Отличие будет заключаться в том, что частота пульсаций будет в 2 раза ниже. Поэтому, условия (4.4) позволяют диагностировать и эту неисправность.
