Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние и тенденции развития усилителей рулевого управ ления транспортных средств 10
1.1 Анализ требований, предъявляемых к рулевому управлению транспортных средств 10
1.2 Анализ современного состояния усилителей рулевого управления транспортных средств 18
1.3 Особенности конструкций электромеханических усилителей рулевого управления транспортных средств 24
1.3.1 Обзор электромеханических усилителей рулевого управления 24
1.3.2 Анализ датчиков момента, применяемых в электромеханических усилителях рулевого управления 40
1.3.3 Анализ приводов электроусилителей рулевого управления 46
1.4 Цель и задачи исследований 50
2. Математическое моделирование процессов в системе рулевого управления автомобиля 52
2.1 Внешние силы и моменты, действующие на автомобиль 52
2.2 Математическое моделирование поворота управляемых колес на месте 63
2.3 Математическое моделирование стабилизации управляемых колес при выходе автомобиля из поворота 66
2.4 Выводы по главе. 78
3. Математическое моделирование системы электромеханического усилителя рулевого управления 80
3.1 Математическое моделирование привода системы усилителя 80
3.1.1 Дискретная математическая модель вентильно-индукторного двигателя 80
3.1.2 Моделирование коммутатора напряжения 90
3.1.3 Исследование модели магнитной системы вентильно-индукторного двигателя 94
3.2 Исследование системы управления вентильно-индукторного двигателя 108
3.2.1 Управление и коммутация вентильно-индукторного двигателя. 108
3.2.2 Бездатчиковое управление вентильно-индукторным двигателем 112
3.3 Обобщенная модель системы электромеханического усилителя рулевого управления 117
3.4 Выводы по главе. 121
4. Разработка системы электромеханического усилителя рулевого управления . 122
4.1 Разработка структурной схемы системы электромеханического усилителя рулевого управления 122
4.2 Разработка и исследование датчика момента 126
4.3 Разработка алгоритма работы электронного блока системы
электромеханического усилителя рулевого управления 130
4.4 Выводы по главе 136
5. Экспериментальные исследования системы электромеханического усилителя рулевого управления 137
5.1 Объект испытаний. 137
5.2 Оборудование для проведения испытаний 140
5.3 Исследование системы электромеханического усилителя рулевого управления 146
5.3.1 Исследование ЭМУР на стенде и оценка результатов испытаний 146
5.3.2 Исследование ЭМУР на автомобиле и оценка результатов испытаний 156
5.4 Выводы по главе 166
Основные результаты и выводы. 167
Список литературы 169
Приложение 181
- Анализ современного состояния усилителей рулевого управления транспортных средств
- Математическое моделирование поворота управляемых колес на месте
- Дискретная математическая модель вентильно-индукторного двигателя
- Разработка структурной схемы системы электромеханического усилителя рулевого управления
Введение к работе
Актуальность темы. В условиях нарастания транспортных потоков, разнообразия конструкций и характеристик современных автомобилей повышается значимость обеспечения надежной управляемости и устойчивости движения [9, 27]. При движении автомобиля водитель периодически управляет сцеплением, коробкой передач, тормозной системой, световой и звуковой сигнализацией и в тоже время необходимо непрерывно вести контроль ситуации на дороге и приводить в действие рулевое управление, что связано с затратой физической силы. Величина и динамика изменения момента на рулевом колесе (характеристики силового взаимодействия водителя и рулевого управления) являются важной для водителя информацией, используемой для прогноза поведения автомобиля [9, 14]. Водителю постоянно через рулевое колесо передается информация о силовых воздействиях дороги на управляемые колеса.
Легкость управления, правильность и точность поворота колес, способность возвращаться в исходное положение и сохранять заданное направление движения автомобиля, минимальная передача обратных ударов на рулевое колесо, полная надежность механизмов рулевого управления в работе, долговечность и безотказность действия в течение всего срока службы автомобиля, удобство в эксплуатации - таковы основные требования, которым должно отвечать рулевое управление [17]. Решением поставленных задач может выступать применение на автомобиле усилителя рулевого управления. В настоящее время усилители являются не только средством облегчения управления, но и инструментом улучшения ряда эксплуатационных характеристик автомобиля [9]. Одним из основных и неоспоримых преимуществ рулевого усилителя является облегчение работы рук при парковочных маневрах, когда приходится совершать большое количество оборотов рулевого колеса при максимальном усилии, а также в
случаях, когда автомобиль преодолевает затяжной поворот [13]. Помимо этого рулевой усилитель обладает еще одним полезным свойством. При прохождении участков дорог с множеством неровностей на руль передаются удары, которые и вызываются этими неровностями. Рулевой усилитель в этих случаях является неким демпфером, устройством, гасящим такие удары [9, 13]. Применение усилителей на современных легковых автомобилях обеспечивает значительное снижение усилия на руле автомобиля при низких скоростях движения, сменах типа дорожного покрытия и парковке [22]. Усилитель создает противодействующий момент, нагружая рулевое колесо, при высоких скоростях движения обеспечивая таким образом безопасность движения, так как на высоких скоростях рулевое управление становится слишком чувствительным к поворотам руля [11, 27]. Повышается комфортность управления автомобилем.
К настоящему моменту известно большое количество типов рулевых усилителей [13]. Каждый из типов имеет свои недостатки и преимущества. В последнее время наилучшим технико-экономическим показателям отвечают электромеханические усилители рулевого управления [27].
В качестве основного элемента системы электромеханического усилителя руля выступает электродвигатель. В настоящее время широкое распространение получили вентильно-индукторные двигатели [33, 34], которые не имеют щеточно-коллекторного узла и обмотки на роторе. Применение такого двигателя в приводе усилителя рулевого управления позволит повысить надежность, уменьшить потери и повысить КПД системы [73].
Большой вклад в развитие теории вентильно-индукторных приводов внесли отечественные ученые Бычков М.Г. [69, 75, 77, 78], Бут Д.А. [33, 34, 76], Акимов СВ. [6], их иностранные коллеги Cossar С. [93], Miller T.J.E [93, 94, 96, 99]. Значительный вклад в исследование реакций автомобиля на управление, теорию управляемости и устойчивости внесли ученые Гинцбург
Л.Л. [23], Фалькевич B.C. [17], Литвинов А.С. [27], Катанаев Н.Т. Огромное время исследованиям математических моделей рулевого управления посвятил Эллис Д.Р. [9]
Однако исследования электромеханических усилителей проходят либо в русле исследования электропривода для усилителя рулевого управления, где не учитываются параметры автомобиля, либо рулевого управления с электродвигателем, где не проводятся исследования самого привода.
Таким образом становится актуальной задача исследования системы электромеханического усилителя руля с вентильно-индукторным двигателем, а также взаимодействие электропривода с рулевым управлением автомобиля, что позволит улучшить технико-экономические показатели последнего.
Цель работы - выявление закономерностей в системе электромеханического усилителя рулевого управления, позволяющих оценить ее воздействие на показатели рулевого управления, характеризующие эксплуатационные свойства автомобиля в целом.
Научная новизна работы заключается:
- разработана новая обобщенная модель системы электромеханического
усилителя рулевого управления (ЭМУР), отличающаяся от известных учетом
совместного влияния параметров автомобиля и вентильно-индукторного
электропривода ЭМУР и позволяющая проводить проектирование систем
ЭМУР автомобилей с целью усовершенствования законов регулирования
компенсирующего воздействия;
- впервые установлена взаимосвязь между реакциями управляемых
колес, моментами в рулевом управлении автомобиля и компенсационным
моментом развиваемым вентильно-индукторным электроприводом,
позволяющая определить необходимые компенсационные воздействия со
стороны электропривода на рулевое управление в процессе движения
автомобиля снабженного усилителем;
- разработана новая математическая модель вентильно-индукторного двигателя (ВИД), отличающаяся от ранее известных меньшей трудоемкостью компьютерного моделирования, и позволяющая более рационально производить построение вентильно-индукторного привода за счет установленной взаимосвязи между удельной проводимостью воздушного зазора и взаимным расположением зубцов статора и ротора, а также проводить исследования ВИД и разработку алгоритмов их управления.
Методы исследования. В работе использованы различные методы теоретических и экспериментальных исследований: имитационное моделирование управляемого движения автомобиля на основе уравнений Лагранжа с использованием линейной модели автомобиля, уравнение электрических цепей анализируется на понятии линеаризованной индуктивности, для решения системы дифференциальных уравнений производилась замена производных функций отношениями приращений с малым шагом интегрирования, метод определения электромагнитного момента по изменению энергии системы при малом перемещении, экспериментальные исследования проводились с применением теории планирования эксперимента. Аналитические исследования взаимосвязей, процессов и закономерностей в электромеханических усилителях рулевого управления осуществлены графоаналитическим методом с использованием основных положений и теорий автомобиля, электропривода, автоматического управления, микропроцессорных систем управления и методов математического моделирования. Численные методы применялись в виде пакетов прикладных программ. Результаты и выводы работы теоретически обоснованы и подтверждены расчетами.
Достоверность полученных результатов. Обоснованность и достоверность научных положений, основных результатов и рекомендаций диссертационной работы подтверждены:
экспериментальными исследованиями системы электромеханического усилителя рулевого управления с последующей обработкой данных численными методами математического анализа;
адекватность разработанных математических моделей подтверждается удовлетворительным совпадением расчетных данных математических моделей с экспериментальными данными;
- результатами наблюдений за эксплуатацией системы ЭМУР,
разработанной с применением основных положений диссертационной
работы.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
Разработанная система электромеханического усилителя рулевого управления (ЭМУР) позволяет повысить технико-эксплуатационные свойства автомобиля в целом и рулевого управления в частности за счет улучшения комфортности и снижения безопасности управления транспортным средством.
Разработана система электромеханического усилителя рулевого управления с более перспективным вентильно-индукторным двигателем, позволяющим улучшить технико-экономические показатели электропривода по сравнению с наиболее часто встречающимися на автомобиле двигателями постоянного тока.
Разработан алгоритм работы контроллера электромеханического усилителя руля, который можно использовать при разработке, проектировании и усовершенствовании систем электромеханических усилителей.
Рекомендовано использование вентильно-индукторного электропривода в системах вспомогательного электрооборудования автомобиля.
I 5. Рекомендовано использование датчика момента в
электротехнических комплексах и системах автомобильного и неавтомобильного направления.
Работа была выполнена в соответствии с договором о сотрудничестве между ОАО «АвтоВАЗ» и Тольяттинским государственным университетом.
Материалы работы могут быть рекомендованы для специалистов в
области конструкций автомобиля, специалистов автомобильного
электрооборудования, специалистов в области электроприводов и
электрических машин. Полученные результаты можно рекомендовать для
ж доводки перспективных автомобилей и систем электромеханического
усиления рулевого управления.
Апробация работы. Основные положения и результаты были доложены и одобрены на 3 Всероссийской научно-технической конференции (1 с международным участием) «Современные тенденции развития автомобилестроения в России», Всероссийской научно-технической' конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», Международном научном симпозиуме, 49-ой Международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров».
Публикации.
Основные положения диссертации опубликованы в 13 печатных работах. Основные результаты исследований докладывались на 9 научно-технических и научно-практических конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 135 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 168 страницах машинописного текста. Работа содержит 68 рисунков.
Анализ современного состояния усилителей рулевого управления транспортных средств
В последнее десятилетие усилители руля все меньше воспринимаются автолюбителями как признак роскоши и все чаще - как обязательное средство облегчения работы водителя и повышения активной безопасности.
Одним из основных и неоспоримых преимуществ рулевого усилителя является облегчение работы рук при парковочных маневрах, когда приходится совершать большое количество оборотов рулевого колеса при максимальном усилии, а также в случаях, когда автомобиль преодолевает затяжной поворот.
Помимо этого рулевой усилитель обладает еще одним полезным свойством. При прохождении участков дорог с множеством неровностей на руль передаются удары, которые и вызываются этими неровностями. Рулевой усилитель в этих случаях является неким демпфером, устройством, гасящим такие удары.
Легкость управления, правильность и точность поворота колес, способность возвращаться в исходное положение и сохранять заданное направление движения автомобиля, минимальная передача обратных ударов на рулевое колесо, полная надежность механизмов рулевого управления в работе, долговечность и безотказность действия в течение всего срока службы автомобиля, удобство в эксплуатации - таковы основные требования, которым должно отвечать рулевое управление. Решением поставленных задач может выступать применение на автомобиле усилителя. Первоначально применение усилителей в рулевом управлении транспортных средств было вызвано только стремлением снизить момент прикладываемый водителем к рулевому колесу грузовых автомобилей большой грузоподъемности, многоместных автобусов и троллейбусов. В настоящее время усилители являются не только средством облегчения управления, но и инструментом улучшения ряда эксплуатационных характеристик автомобиля. Применение усилителей на современных легковых автомобилях обеспечивает значительное снижение усилия на руле автомобиля при низких скоростях движения, сменах типа дорожного покрытия и парковке. Усилитель создает противодействующий момент, нагружая рулевое колесо, при высоких скоростях движения обеспечивая таким образом безопасность движения, т.к. на высоких скоростях рулевое управление становится слишком чувствительным к поворотам руля. Повышается комфортность управления автомобилем.
Для реализации требований, предъявляемых к рулевому управлению, усилитель должен обеспечивать оптимальные нагрузочные и скоростные характеристики системы управления автомобилем. К рулевым усилителям (всех типов) предъявляются следующие требования: 1. Снижение энергетических затрат водителя при маневрировании с низкими скоростями или повороте управляемых колес (звеньев сочлененного автомобиля) на месте на поверхностях с высокими сцепными свойствами. При этом должна достигаться требуемая эффективность усилителя независимо от режима работы двигателя при угловой скорости рулевого колеса до 10 рад/с. [28] 2. Обеспечение оптимальных по эргономическим условиям нагрузочных и скоростных характеристик рулевого управления при движении с высокими и средними скоростями, то есть таких усилий на рулевом колесе, при которых чувствительность водителя и точность дозирования управляющих воздействий наибольшие, а утомляемость наименьшая. Ввиду того, что требуемая эффективность усилия определяется по наиболее трудному режиму поворота колес на месте, при движении на высоких скоростях она оказывается завышенной. Вследствие этого усилия на рулевом колесе снижаются настолько, что значительно уменьшается точность управления и ухудшается безопасность движения. Поэтому целесообразно, чтобы с увеличением скорости автомобиля эффективность усилителя снижалась в пределах допустимых усилий на рулевом колесе. 3. Обеспечение удержания автомобиля на дороге при повреждении шин или подвески, а также возможности управления автомобилем при отказе усилителя. Целесообразно применение устройств, сигнализирующих при отказе элементов усилителя. 4. Сохранение стабилизации колес (то есть способность удерживать их в нейтральном положении при воздействии различных возмущающих факторов и автоматически возвращаться в нейтральное положение), эффективное гашение толчков и ударов со стороны дороги, исключение возможности автоколебаний управляемых колес. Желательно использовать усилители для принудительного возвращения управляемых колес в положение прямолинейного движения при освобождении рулевого колеса. 5. Снижение непроизводительных энергетических затрат на работу усилителя. Для удовлетворения всех выше перечисленных требований были разработаны усилители различных типов. Классификационными признаками усилителей являются компоновочные и конструктивные особенности, особенности их узлов и агрегатов. По виду используемой энергии усилители разделяют на гидравлические, пневматические, электрические, вакуумные, механические и комбинированные. Механические и вакуумные усилители выпускались мелкими сериями. Они известны также по патентам и отдельным опытным образцам. В настоящее время эти усилители не применяются из-за сложности и ненадежности конструкции по сравнению с другими вариантами, шумности в работе. Пневматические усилители получили вначале широкое распространение ввиду сравнительной простоты конструкции и невысокой ее стоимости, а также возможности использовать имеющиеся на автомобиле пневмоаппараты тормозной системы для питания сжатым воздухом. Пневматические усилители уже не удовлетворяют требованиям по массогабаритным показателям, эффективности, быстродействию демпфирующим свойствам, уровню шума, трудоемкости обслуживания и надежности, особенно в эксплуатации при низких температурах, и не применяются. Они были вытеснены гидравлическими.
Гидроусилители имели лучшие массогабаритные характеристики [23]. В зависимости от размещения основных элементов усилителя -гидроцилиндра, распределителя и рулевого механизма выделяют четыре компоновочные схемы: встроенный рулевой усилитель с совместным размещением распределителя, гидроцилиндра и рулевого механизма (рулевой механизм интегрального типа); раздельный рулевой усилитель, элементы которого представляют собой самостоятельные узлы, расположенные вне рулевого механизма (в настоящее время не применяется); полувстроенный усилитель с совместным размещением распределителя и рулевого механизма отдельно от гидроцилиндра (рулевой механизм полуинтегрального типа); объединенный усилитель с совместным размещением распределителя и гидроцилиндра отдельно от рулевого механизма.
Математическое моделирование поворота управляемых колес на месте
Схемы с разомкнутой структурой характеризуются тем, что двигатель работает в разомкнутой системе, не получая информации о положения ротора, то есть работая с частотой подаваемых на ключи импульсов, в так называемом шаговом режиме. При этом вспомогательными средствами осуществляется стабилизация момента, без которой двигатель работает неустойчиво, вследствие большого угла между полюсами и плохим демпфированием. Обычно реализуются схемы регулирования угла работы или угла коммутации для осуществления максимально эффективного использования синхронизирующего момента.
Известно [2], что максимум синхронизирующего момента пропорционален интервалу работы фазы, а КПД обратно пропорционален этому интервалу. Кроме того, оба максимума находятся в районе одного и того же угла отключения фазы. Таким образом, интервал работы фазы можно целенаправленно изменять для компенсации действия момента нагрузки и получения постоянства угла отключения фазы. Существует метод [3], основное отличие которого в том, что интервал работы не изменяется, а регулируется угол опережения при включении фазы. К основным достоинствам данных способов можно отнести достаточно низкую стоимость, а также простоту реализации. Основным недостатком метода являются плохие динамические показатели, также достаточно сложно создать унифицированную настройку, то есть для каждого конкретного случая нужен свой подход.
Вторая группа методов использует данные о токе и напряжении в фазе, создающей рабочий момент, для косвенного определения положения ротора.
Детектирование изменений в форме тока. Существует несколько реализаций данного метода. Простейшим является метод, при котором контролируется степень изменения формы тока в работающей фазе и в зависимости от результата осуществляется коррекция значения угла. В данном методе не определяется конкретное положение ротора, а происходит сравнение текущей формы кривой тока с заданной. При наличии рассогласования корректируется значение угла включения фаз. Главный недостаток метода - зависимость формы тока от скорости, что может потребовать большого количества данных для каждого конкретного двигателя до начала его работы.
Лучшие результаты позволяют получить следующие методы: градиента тока - current gradient sensorless method (CGSM) и величины напряжения -voltage magnitude sensorless method (VMSM). CGSM применяется в режиме ШИМ-регулируемого напряжения и основан на определении изменения производной di/dt в момент начала перекрытия зубцов. VMSM применяется в режиме питания от источника тока и основан на определении изменения среднего значения напряжения в момент начала перекрытия зубцов. К достоинствам этих методов относится то, что не требуется предварительное знание каких-либо параметров двигателя, кроме конфигурации зубцов. Однако CGSM не может быть применен при низких угловых скоростях, а VMSM - при высоких, то есть методы должны добавлять друг друга. Но динамика перехода от одного режима к другому не исследована в должной мере. К недостаткам метода относится также то, что оба метода требуют процедуры начального пуска. Кроме того, необходимым условием является включение фазы до начала перекрытия. Метод чувствителен к погрешностям измерения скорости и резким изменениям нагрузки.
Метод регенеративного тока основан на детектировании момента перехода в генераторный режим. При переходе в генераторный режим изменяется знак производной индуктивности. Метод достаточно прост в реализации, но очевидным недостатком является отключение фазы после согласованного положения, что вызывает тормозной момент и снижает эффективность работы привода. Кроме того, нельзя получить опережающий угол коммутации. Область применения ограничивается низкими скоростями.
В ВИЛ позиция ротора непосредственно связана со значением потокосцепления, в связи с чем существует несколько методов, основанных на детектировании положения ротора по совпадению мгновенного значения потокосцепления измеренного косвенным методом, с заданным значением РЗАД- Другие способы используют семейство кривых намагничивания, хранящиеся в многомерной таблице, для непрерывного определения текущего положения ротора. Измерения напряжений и токов в каждой фазе производятся непрерывно. По значениям потоков и токов, являющихся входными величинами для многомерной таблицы, положение ротора определяется с учетом эффектов взаимоиндукции. Для минимизации объема хранящихся данных возможно хранить только одну кривую намагничивания, которая соответствует заданному положению взад Основным недостатком всех методов этой группы являются ошибки вычисления потокосцепления при интегрировании фазного напряжения. Кроме того, необходимость получения и хранения предварительно полученных данных о кривых намагничивания увеличивает число вычислительных операций. С другой стороны, преимущества этих методов: нечувствительность к эффекту насыщения, применимость во всем диапазоне скоростей, хорошая точность.
Неоднородность в полюсах статора и ротора (рис. 3.11) вызывает искажение формы фазного тока, таким образом появляется хорошо различимая «метка». Это достигается, например, проточкой в пакетах полюсов ротора и статора, при совпадении которых появляется узкий провал в форме тока. Такие методы применимы при выпуске значительной партии приводов с вполне конкретным назначением.
Дискретная математическая модель вентильно-индукторного двигателя
Рассмотрим перечисленные выше режимы работы электронного блока подробнее. Режим "Инициализация" (рис. 4.9) проводится после подачи на электромеханический усилитель руля питающего напряжения и одновременно с режимами "Ожидание", "Компенсация", "Стабилизация". В этом режиме проверяется напряжение бортовой сети +14В, стабилизированные источники питания +14 вольт, сигналы датчика скорости автомобиля и частоты вращения двигателя, исправность датчика момента, исправность цепи питания электродвигателя и цепи питания расцепителя. В случае обнаружения признаков отказа электронный блок должен перейти в режим "Ошибка". Индикатор отказа системы не светится.
Режим "Ожидание" имеет место в следующих случаях после включения зажигания и подачи питающего напряжения на систему электромеханического усилителя руля: - двигатель автомобиля запущен; - положительный результат режима "Инициализация"; - отсутствие момента на рулевом валу, приложенного водителем. Индикатор отказа системы в этом режиме не светится. Контроллер переходит в режим "Компенсация" (рис. 4.10) при превышении вращающего момента на рулевом валу со стороны водителя значений +1,5Нм. Контроллер обеспечивает следящее силовое воздействие компенсирующего момента пропорционально росту момента на рулевой колонке. Устройство обеспечивает зависимость компенсирующего момента от скорости движения автомобиля. При превышении скорости автомобиля ПО км/час контроллер подает сигнал на отключение всей системы от рулевого вала. Подключение системы к рулевому валу происходит при снижении скорости ниже 90 км/час. Индикатор отказа системы не светится при всех скоростях автомобиля. Режим "Стабилизация" возникает, когда управляемые колеса автомобиля не находятся в центральном положении. При пропадании вращающего момента на рулевом валу со стороны водителя контроллер переходит в режим "Ожидание", и система не препятствует естественному возврату управляемых колес в центральное положение. Для отключения редуктора от рулевого вала в системе присутствует электромеханический расцепитель привода. С появлением возвращающего момента со стороны водителя контроллер переходит в режим "Компенсация". Режим "Ошибка" вступает в действие, если при проведении режима "Инициализация", обнаружена неисправность изделий и узлов электромеханического усилителя, произошло заклинивание или заедание редуктора. Снижение напряжения бортсети ниже 10В и уход внутренних стабилизированных источников питания за пределы допусков воспринимается как ошибка. В этом режиме контроллер подает сигналы на механическое отключение исполнительных механизмов системы от элементов рулевого управления для обеспечения беспрепятственного управления автомобилем. Запуск системы в работу после устранения ситуации, вызвавшего отказ, может происходить после снятия и повторной подачи на него питающего напряжения. При восстановлении питающих напряжений система вступает в работу без снятия и повторной подачи питающего напряжения. Отказ элементов системы электромеханического усилителя руля не должен приводить к аварийной ситуации при движении автомобиля. Отказ элементов системы выявляется по увеличению усилия на рулевом колесе при маневрировании. Индикатор отказа системы в этом режиме светится. Для проведения режима "Диагностика" в системе предусмотрено соответствующее согласующее устройство и разъем для подключения диагностического устройства. Случайное или преднамеренное включение режима не приводит к нарушению хода выполнения основного алгоритма работы контроллера, а также не приводит к созданию аварийной ситуации. Индикатор отказа системы в этом режиме светится синхронно коду сигнала диагностики. 4.4 Выводы по главе 1. Построение систем управления на базе однокристальных микроконтроллеров придает изделиям простоту, гибкость, надежность, малое энергопотребление. Все эти факторы позволяют отнести разработанный регулируемый электропривод в разряд перспективных, а их конкурентоспособность подтверждается серийной установкой электроусилителей на перспективных моделях автомобилей производства АО «АвтоВАЗ». 2. Предложенная конструкция и математическая модель датчика момента наиболее соответствует требованиям изделий автомобильного электрооборудования и оптимальна с точки зрения эксплуатации. 3. Алгоритм работы является достаточным для построения системы управления электромеханическим усилителем, учитывает основные режимы эксплуатации автомобиля и позволяет производить выбор программы для конкретной марки автомобиля.
Разработка структурной схемы системы электромеханического усилителя рулевого управления
Для обеспечения работы системы электромеханического усилителя и возможности проведения испытаний существует стенд, структурная схема которого изображена на рис.5.2, в состав которого входят: - система, имитирующая воздействие на рулевой вал водителем; - система, имитирующая воздействие на рулевой вал со стороны дороги; - регулируемый источник напряжения для питания системы ЭМУР; - автоматизированная система измерения и управления стендом. Имитаторы выполняются на основе двух штатных двигателей ПТ-123, используемых в электроприводе электромобиля, управляемых от двух комплектов агрегатов управления АУ-26 в составе: - блок силового преобразователя БП-26; - блок системы управления БУ-26; - дроссель сглаживающего фильтра якорной цепи двигателя ДР-1-100; - блок контактора и предохранителей БП-24. Электроусилитель соединяется с двигателями имитаторов посредством карданных валов. Комплект двигателя с агрегатом управления обеспечивает следующие характеристики: максимальный тяговый момент, Н-м 100 максимальная скорость вращения двигателя, об/мин 6000 максимальная мощность, кВт 20 Питание приводов осуществляется от дополнительного источника постоянного напряжения, состоящего из силового трансформатора 380/150, 12.5 кВт, двух блоков питания БП150/80 (150В, 80А) с емкостными фильтрами 30000 мкФ. Регулирование моментов производится посредством изменения токов якорей двигателей автоматизированной системы управления. Система управления содержит аппаратное и программное обеспечение позволяющее выполнить: 1. измерение 6-ти аналоговых сигналов в диапазоне +10 В с частотой не ниже 20 Гц, а именно: 142 - ток якоря двигателя, имитирующего воздействия водителя; - ток якоря двигателя, имитирующего воздействия со стороны дороги; - ток возбуждения двигателя, имитирующего воздействия водителя; - ток возбуждения имитирующего воздействия со стороны дороги; - ток двигателя электроусилителя; - момент с торсионного датчика измерения момента. С целью повышения помехоустойчивости и исключения проникновения высоких синфазных напряжений в систему управления первые пять вышеописанных сигналов имеют обязательную гальваническую развязку. 2. управление 3-мя аналоговыми сигналами (ЦАПами) в диапазоне +10В с частотой не ниже 20 Гц, а именно: - управление током якоря, имитирующего воздействия водителя; - управление током якоря имитирующего воздействия со стороны дороги; - управление током электроусилителя. Все вышеописанные сигналы имеют гальваническую развязку. 3. управление имитатором датчика скорости движения автомобиля с частотой не ниже 20 Гц. При этом имитатор выдает сигналы формы меандр с частотой до 500 Гц и амплитудой 12 Вольт. 4. управление ШИМом (широтно-импульсным модулятором) с частотой не ниже 20 Гц, который используется для отладки модели управления электроусилителем. При этом имеется возможность программным путем изменять как период так и длительность импульса ШИМа. 5. управление гальванически развязанными ключами (управление реверсами двигателя, имитирующего воздействия водителя и двигателя, имитирующего воздействия со стороны дороги, дистанционное включение/выключение блоков питания и т.д.) с частотой не ниже 20 Гц. Ориентировочное количество ключей - не более 8-ми. 6. контроль за гальванически развязанными цифровыми входами (контроль за состоянием расцепителя, контроль за работоспособностью блока питания и т.д). 7. система управления содержит двухканальный преобразователь последовательного разностного кода с угловых датчиков в параллельный код угла поворота, причем преобразователь имеет программно управляемый коммутатор с помощью которого ПЭВМ считывает информацию о текущих углах поворота валов двигателя, имитирующего воздействия водителя и двигателя, имитирующего воздействия со стороны дороги. 8. система управления содержит ПИД-регулятор, позволяющий обеспечивать заданный закон изменения положения вала двигателя, имитирующего воздействия водителя во времени, причем в качестве входного (задающего) сигнала используется сигнал формируемый ЦАПом по закону записанному в программном обеспечении, сигнал для обратной связи поступает с преобразователя угловых датчиков, а выходной сигнал ПИД регулятора задает ток возбуждения двигателя, имитирующего воздействия водителя. Система управления предназначена для задания моментов тяговых электродвигателей, имитации сигналов датчиков автомобиля используемых ЭМУР, согласно программ испытаний, измерения и сохранения в режиме реального времени тяговых моментов на входном и выходном валах ЭМУР, текущих угловых положений входного и выходного вала ЭМУР, выходных сигналов датчика момента и датчика положения ЭМУР. В состав аппаратной части системы управления входят ПЭВМ, в которой установлены плата аналогового ввода/вывода и плата специализированных счетчиков, позволяющих независимо измерять углы поворота валов ЭМУР в любом направлении и в реальном масштабе времени. На этой плате также находится имитатор датчика скорости автомобиля и ШИМ-регулятор. Вне ПЭВМ расположены модули цифрового ввода/вывода (ключи) и гальванические развязки аналоговых сигналов управления и измерения. Система управления позволяет: - с помощью электродвигателей имитировать на ЭМУР воздействие водителя (поворот руля) и воздействие со стороны дороги (ответная реакция на поворотах и вибрация от неровностей дороги); - при помощи датчиков угловых перемещений соединенных с входным и выходным валом ЭМУР измерять текущие угловые положения входного и выходного вала ЭМУР, углы поворота валов ЭМУР; - с помощью ПИД-регулятора создавать необходимый закон угла поворота во времени вала водителя ЭМУР в условиях изменяющихся воздействий со стороны дороги (при этом зависимость угла поворота входного вала ЭМУР записана в виде файла, а в качестве обратной связи используется датчик угла поворота вала водителя).
Похожие диссертации на Система электромеханического усилителя рулевого управления автомобиля
