СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО УСИЛИТЕЛЯ РУЛЯ

Полезная модель относится к автомобильной промышленности и предназначена для применения в электромеханическом усилителе рулевого управления.
Известна система управления электромеханическим усилителем рулевой колонки по патенту США №2002/0173890, В 62 D 5/04, Electric power assisted steering system having a single integrated circuit with two processors. Электроусилитель включает рулевую передачу, имеющую зубчатую рейку и корпус. Зубчатая рейка перемещается линейно относительно корпуса. Электродвигатель связан с зубчатой рейкой и вызывает перемещение зубчатой рейки согласно показаниям датчика угла поворота относительно кожуха. Датчик угла поворота рулевого колеса генерирует сигнал, характеризующий фактическое положение рулевого колеса. Датчик тока электродвигателя генерирует сигнал, соответствующий току электродвигателя. Интегральная схема включает основной микропроцессор и контролирующий микропроцессор. Основной микропроцессор управляет фактическим током, поступающим на электродвигатель. Контролирующий микропроцессор определяет, функционирует ли основной микропроцессор должным образом.
Известна также система электромеханического усилителя руля по патенту США №2002/0125063, В 62 D 5/04, Electric power steering controller. Система включает в себя датчик момента, датчик углового положения рулевого колеса, управляющее устройство, датчик напряжения электродвигателя, датчик тока электродвигателя, электродвигатель.
Наиболее близким к заявляемой системе управления усилителя руля является сервопривод системы рулевого управления по патенту Российской Федерации №2185989, МПК 7 В 62 D 5/ 04, содержащий датчик момента на рулевом колесе, последовательно соединенные элемент сравнения, регулятор тока и электродвигатель, при этом выход регулятора тока связан с входом измерителя фактического значения тока электродвигателя, выход которого подключен к первому входу элемента сравнения, а выход датчика момента через нелинейное звено соединен с пропорционально-интегральным регулятором, выход которого связан со вторым входом элемента сравнения и вторым входом нелинейного звена. Указанное нелинейное звено включает в себя три параллельных канала и сумматор, каждый канал содержит компаратор, усилительное звено и множительное устройство с двумя входами, причем в каждом указанном канале выходы усилительного звена и компаратора соединены с соответствующими входами множительного устройства, входы всех усилительных звеньев соединены и являются входом нелинейного звена, выходы всех множительных устройств соединены со
входами сумматора, выход которого является выходом нелинейного звена, причем в первом канале усилительное звено имеет зону нечувствительности, равную заданному установившемуся значению момента, прикладываемому водителем к рулевому колесу, передаточная характеристика компаратора такова, что единичный уровень на его выходе соответствует входному сигналу, абсолютное значение которого меньше установленного порога срабатывания, определяемого уровнем собственных шумов и дрейфа нуля схемы, во втором и третьем каналах усилительные звенья имеют линейные передаточные характеристики, смещенные по оси абсцисс на значение, равное указанной зоне нечувствительности, соответственно в положительную и отрицательную стороны, а передаточные характеристики компараторов таковы, что единичный уровень на выходе соответствует входному сигналу, большему положительного значения упомянутого порога срабатывания и меньшему отрицательного значения этого порога соответственно.
К недостаткам описанного сервопривода можно отнести наличие в системе момента страгивания, обусловленного присутствием в системе электродвигателя с редуктором, а также свойствами рулевого механизма, шасси подвески автомобиля и шинного покрытия колес, что снижает потребительские свойства рулевого управления, отсутствие в системе ограничения компенсирующего момента в крайних положениях рулевого колеса, приводящее к механическим ударам рейки рулевого механизма, которые снижают срок эксплуатации рулевой системы и снижают потребительские свойства управления транспортным средством.
Задачей, на решение которой направлено настоящая полезная модель является повышение надежности, безопасности и потребительских свойств системы электромеханического руля.
Поставленная задача решается тем, что система управления электромеханического усилителя руля, содержащая датчик момента, прилагаемого к рулевому колесу, блок управления, сервопривод, в состав которого входят исполнительный электродвигатель постоянного тока с червячным редуктором и датчик тока якорной цепи электродвигателя, причем первый и второй входы блока управления предназначены для подключения датчика скорости автомобиля и датчика оборотов двигателя внутреннего сгорания, к третьему его входу подключен преобразователь сигнала датчика момента, прилагаемого к рулевому колесу, вход которого является выходом датчика момента, прилагаемого к рулевому колесу, к четвертому входу подключен датчик тока якорной цепи электродвигателя, при этом блок управления включает элемент сравнения, входы которого связаны с первым, вторым, третьим и четвертым входами блока управления, регулятор тока, выход которого подключен к входу усилителя мощности, выход которого является выходом блока управления и соединен с входом исполнительного электродвигателя постоянного тока, что она дополнительно содержит многооборотный датчик углового положения рулевого вала, соединенный с валом рулевой колонки, выход которого является входом
преобразователя сигнала датчика углового положения рулевого вала, выход которого является пятым входом блока управления, блок компенсации момента страгивания, первый вход которого является пятым входом блока управления, второй, третий и четвертый входы являются первым, вторым и третьим входами блока управления, выход которого является вторым входом сумматора, первый вход которого соединен с выходом элемента сравнения, блок снижения момента компенсации в крайних положениях рулевого вала, первый вход которого соединен с выходом элемента сравнения, второй вход является пятым входом блока управления, выход которого подключен к второму входу умножителя, первый вход которого соединен с выходом сумматора, выход умножителя является входом регулятора тока.
Предусмотрено, что указанный блок компенсации момента страгивания включает компаратор сигнала датчика углового положения, вход которого есть первый вход блока компенсации момента страгивания, формирователь добавочного момента, первый вход которого является первым входом блока компенсации момента страгивания, второй вход подключен к выходу компаратора сигнала датчика углового положения, третий, четвертый и пятый входы соединены с первым, вторым и третьим входами блока управления, выход формирователя добавочного момента является выходом блока компенсации момента страгивания.
На фиг.1 представлена структурная схема управления усилителя руля, на фиг.2 показана зависимость коэффициента усиления от момента, приложенного к рулевому колесу и зависимость весового коэффициента от скорости движения автомобиля, на фиг.3 показана скважность широтно-импульсного сигнала как функция от сигнала управления электродвигателем, на фиг.4 представлена многомерная функция формирования добавочного момента, на фиг.5 представлена функциональная зависимость понижающего коэффициента от положения рулевого колеса.
Система управления усилителя руля содержит:
1 - датчик момента, прилагаемого к рулевому колесу (датчик момента 1),
2 - блок управления,
3.1 - исполнительный электродвигатель постоянного тока,
3.2 - червячный редуктор,
3.3 - датчик тока якорной цепи электродвигателя (датчик тока 3.3).
4 - датчик скорости автомобиля и датчик оборотов двигателя внутреннего сгорания автомобиля (датчик скорости и оборотов ДВС 4),
5 - преобразователь сигнала датчика момента 1 (преобразователь момента 5),
6 - элемент сравнения,
7 - регулятор тока,
8 - усилитель мощности,
9 - многооборотный датчик углового положения рулевого вала (датчик углового положения 9),
10 - вал рулевой колонки,
11 - преобразователь сигнала датчика углового положения рулевого вала в аналоговое напряжение (преобразователь сигнала 11),
12 - блок компенсации момента страгивания (блок компенсации 12);
13 - сумматор,
14 - блок снижения момента компенсации в крайних положениях рулевого вала (блок снижения момента 14),
15 - умножитель,
16 - компаратор сигнала с датчика углового положения (компаратор 16),
17 - формирователь добавочного момента. Система работает следующим образом. Система управления реализована в виде устройства состоящего из рулевой колонки с электроприводом, включающем электродвигатель постоянного тока и червячный редуктор, и электронного блока управления. Структурная схема системы управления электромеханическим усилителем руля представлена на фиг.1. В состав рулевой колонки входят рулевой вал с датчиками момента и положения, червячный редуктор, блоки преобразования сигналов датчиков момента и положения, выполненных в виде единого электронного блока и исполнительный электродвигатель. Датчик момента 1, приложенного к рулевому колесу, представляет собой бесконтактный дифференциальный измеритель деформации торсионного вала индуктивного типа, встроенный в разрыв рулевой колонки. Преобразователь сигнала датчика момента 5 является измерительным полумостом переменного тока с дальнейшим выпрямлением и усилением полезного сигнала. Индуктивности датчика 1 и полумост преобразователя 5 образуют полный мост. При приложении усилия к рулевому колесу происходит деформация торсионного вала, которая преобразуется в разность индуктивностей датчика момента, вызывая разбаланс измерительного моста. Сигнал переменного тока, полученный при разбалансе измерительного моста, выпрямляется, усиливается и подается на вход блока управления 2, где происходит аналого-цифровое преобразование сигнала для дальнейшей логико-арифметической обработки. Датчики скорости и оборотов ДВС автомобиля 4 являются частью автомобиля, выходной сигнал которых есть последовательность импульсов с частотно-импульсной модуляцией, которая подается на вход блока управления 2. Многооборотный датчик углового положения рулевого вала 9 есть бесконтактный дифференциальный измеритель углового перемещения, предварительно преобразованного в линейно-поступательное перемещение, индуктивного типа. Преобразователь сигнала датчика углового положения 11 является измерительным полумостом переменного тока, составляющий с обмотками датчика углового положения полный измерительный мост с дальнейшим выпрямлением и усилением полезного сигнала. При повороте рулевого колеса угловое перемещение предварительно преобразуется в линейно-поступательное перемещение,
которое затем преобразуется в разность индуктивностей, что приводит к разбалансу измерительного моста, сигнал с которого выпрямляется, усиливается и подается на вход блока управления 2. В блоке управления происходит аналого-цифровое преобразование сигнала для дальнейшего логико-арифметической обработки. Элемент сравнения 6 представляет собой функциональный электронный блок, входящий в электронный блок управления системы и реализован в виде аналого-цифрового устройства с аппаратной и программной обработкой входных сигналов и выдачей результата обработки в виде цифрового сигнала. В элемент сравнения 6, входящем в блок управления 2, поступают сигналы датчика момента 1, скорости автомобиля и оборотов ДВС 4 и датчика тока 3.3. По значениям этих сигналов формируется значение момента компенсации нагрузки на управляемые колеса автомобиля следующим образом:
Если
авт
V, σ - показания датчиков скорости автомобиля и оборотов ДВС соответственно;
Σ - пороговое значение показаний датчика оборотов ДВС автомобиля;
р
М- измеренный момент на рулевом колесе;
k
М - момент компенсации нагрузки на управляемые колеса автомобиля;
р
К(М) - зависимость коэффициента усиления от момента приложенного к рулевому колесу;
авт
Р(V) - зависимость весового коэффициента от скорости движения автомобиля.
р
авт
Функциональная зависимость К(М) и Р(V) представлены на фиг.2.
Обозначения, принятые на фиг.2:
max
K - максимальный коэффициент усиления;
2*а - зона нечувствительности датчика момента;
0
М - значение датчика момента, соответствующее нулевому;
0
V - показание скорости, до которой коэффициент усиления является максимальным.
min
авт
F - минимальное значение функции Р(V) обеспечивающее компенсацию «зажатости» на рулевом колесе, вызванной свойствами электропривода системы.
р
авт
Параметры функции К(М) и Р(V) могут меняться в зависимости от класса транспортного средства на котором установлен усилитель руля.
Kфакт
Датчик тока 3.3 представляет собой измеритель тока с последующим усилением аналогового сигнала и реализован в виде электронного блока входящего в состав блока управления системы. В элементе сравнения 6 этот сигнал подвергается аналого-цифровому преобразованию, после чего вычисляется значение фактического момента, который вырабатывает исполнительный электродвигатель М:
Кфакт
где М - момент компенсации, выработанный исполнительным
электродвигателем,
a
I - ток в якорной цепи исполнительного электродвигателя, А,
пр
К - коэффициент пропорциональности, являющийся электромеханическим параметром электропривода, в который включены электромагнитная и электромеханическая постоянные электродвигателя и коэффициент передачи червячного редуктора.
В дальнейшем в элементе сравнения 6 формируется разность:
а
которая преобразуется в сигнал ΔI согласно зависимости:
a
а
а
упр
который поступает на первый вход сумматора 13. В основном диапазоне функционирования системы на выход сумматора 13 сигнал ΔI поступает без изменений, поскольку на второй вход сумматора подается нулевое значение, и передается на первый вход умножителя 15, на выходе которого сигнал ΔI в основном диапазоне функционирования не меняется, поскольку на второй вход умножителя 15 подается единица. С выхода умножителя сигнал ΔI поступает в регулятор тока 7. Регулятор тока 7 является функциональным электронным блоком, который входит в состав электронного блока управления, и реализован в виде аналого-цифрового устройства с аппаратной и программной обработкой входных сигналов и выдачей результата обработки в виде управляющего напряжения. Регулятор тока 7 представляет собой пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор), который формирует сигнал управления электродвигателем I с учетом заданного момента на руле и фактического момента компенсации следующим образом:
n
u
у
где k, k, k - параметры ПИД-регулятора доставляющие в системе управления оптимальных показателей качества переходных процессов:
упр
коэффициент усиления, время изодрома и время упреждения соответственно. Сигнал I является выходным сигналом регулятора тока 7 и первым входным сигналом усилителя мощности 8.
упр
шим
упр
го
Усилитель мощности 8 представляет собой широтно-импульсный модулятор (ШИМ) и усилительный каскад. В ШИ-модуляторе сигнал I преобразуется в широтно-импульсный сигнал 1 рода U, скважность которого - функция от I, которая показана на фиг.3, где γ - скважность
р
широтно-импульсного сигнала. Знак широтно-импульсного сигнала определяется знаком М:
шим
Сигнал U усиливается по мощности в усилительном каскаде усилителя мощности и поступает на вход управления исполнительным электродвигателем 3.1, который через червячный редуктор 3.2 вырабатывает необходимый момент компенсации.
Блок компенсации момента страгивания 12 представляет собой устройство, предназначенное для подстройки момента компенсации, при начале маневрирования водителем в зоне нейтрального положения рулевого вала, для преодоления инерционных масс как самого рулевого управления, шасси подвески автомобиля, так и инерционных свойств шин и электропривода системы 3. Блок компенсации 12 является функциональным электронным блоком, который входит в состав электронного блока управления системы, и реализован в виде аналого-цифрового устройства с аппаратной и программной обработкой входных сигналов и выдачей результата обработки в виде управляющего напряжения на второй вход сумматора 13. Блок компенсации 12 собирает информацию с датчика положения рулевого вала 9 через преобразователь 11 и передает ее на компаратор сигнала датчика положения 16 входящий в упомянутый блок коррекции 12, в котором принимается решение по показанию датчика углового положения 9 о необходимости коррекции момента компенсации. При положительном результате компаратор 16 передает команду формирователю добавочного момента компенсации 17 на вычисление добавочного воздействия и выдачу результата на второй вход сумматора 13. Вычисления в формирователе (17) производятся по следующей формуле:
Если
р
где φ - показания датчика положения,
Ω - значение околонулевой зоны рулевого вала,
р
М - измеренный момент на рулевом колесе,
авт
V - скорость движения автомобиля,
t - отсчетное время,
к
δМ - вычисленная в формирователе (15) функция
добавочного воздействия к моменту компенсации, композиционная
зависимость которой от аргументов представлена на фиг.4,
x
V - значение скорости движения автомобиля при которой
к
авт
функциональная зависимость δМ(V) достигает максимального
значения,
k - максимальное значение добавочного воздействия к моменту
компенсации,
0
к
Т, Т - временные параметры функции δМ(t),
а
a
δI - токовая добавка к основному току ΔI. Параметры функции δМ могут меняться в зависимости от класса транспортного средства.
а
р
а
-
+
Блок снижения момента компенсации 14 в крайних положениях рулевого вала представляет собой устройство, предназначенное для корректировки момента компенсации вырабатываемого усилителем руля при достижении рулевого вала своего физического ограничения по положению, в связи с конструкцией рулевого управления автомобиля. Корректировка момента компенсации приводит к снижению нежелательных ударов, ощущающихся на узлах рулевого управления при достижении крайних положений рулевого вала, что повышает комфортность управления автомобилем, а также снижает износ механических узлов рулевого механизма. Блок снижения момента 14 является функциональным электронным блоком, который входит в состав электронного блока управления системы, и реализован в виде аналого-цифрового устройства с аппаратной и программной обработкой входных сигналов и выдачей результата обработки в виде управляющего напряжения на второй вход умножителя 15. Блок снижения момента компенсации 14 получает на входе информацию о выработанном в элементе сравнения 6 заданном токе ΔI и положении рулевого вала с выхода преобразователя 11 и формирует понижающий коэффициент λ(φ), функциональная зависимость которого представлена на фиг.5. После чего заданный ток ΔI ограничивается в 1/λ, раз. На рисунке 5 φ, φ - крайние значения угла поворота рулевого вала влево и вправо соответственно, которые могут изменяться в зависимости от типа транспортного средства.
Введение блоков компенсации момента страгивания и снижения момента компенсации в крайних положениях рулевого вала позволяет обеспечить более комфортабельное управление автомобилем с одновременным повышением надежности системы управления.
Предлагаемая система управления электромеханического усилителя руля для легкового автомобиля реализована в опытно-промышленных образцах электронного блока управления. Результаты испытаний показали работоспособность и высокий показатель надежности изделия.