Вопросы построения автомобильного вентильного электропривода с микроконтроллерной системой управления

УДК 621.83

М. А. БОРОВИКОВ, В. И. ДОМАНОВ, А. В. ДОМАНОВ

ВОПРОСЫ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМОБИЛЬНОГО ВЕНТИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С МИКРОКОНТРОЛЛЕРНОЙ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ

Обсуждаются вопросы построения автомобильного вентильного электропривода с микроконтроллерной системой управления. Приводится метод оптимального выбора двигателя по комплексу предъявляемых требований. Обосновывается структура электропривода и системы микроконтроллерного управления. Определяются основные узлы системы. Обосновывается выбор микроконтроллера.

Развитие автомобилестроения и электроники расширяет количество электромеханических систем, используемых в автомобиле. Одной из таких систем является электромеханический усилитель руля (ЭМУР). Он предназначен для снижения силовых нагрузок на водителя, повышения комфортности, снижения утомляемости и т.д.

До настоящего времени был достаточно широко распространен гидравлический усилитель руля (ГУР). Однако преимущества ЭМУР: более высокая надежность; возможность работы при выключенном ДВС; более высокая экологичность и другие говорят о широкой перспективе использования ЭМУР. Сейчас в автомобильных системах автоматики широко применяется двигатель постоянного тока (ДПТ) из-за возможности создавать достаточно большие моменты и простоты управления. Реальную альтернативу ДПТ составляют моментные вентильные двигатели (ВД), которые имеют более высокую надежность и могут развивать моменты выше, чем у ДПТ. Для легковых автомобилей сформировался ряд требований, предъявляемых к ЭМУР. Основные из них следующие:

- максимальная минимизация массогабаритных показателей;

- обеспечение высокого развиваемого момента двигателя (15-25 Нм);

- минимальное потребление мощности;

- высокая устойчивость к ударам, тряске, вибрациям и температурным перепадам;

- сохранение работоспособности механизма при выходе из строя электрической части (с возможным ухудшением характеристик).

Особенностью работы ЭМУР является то, что скорость вращения рулевой колонки (РК) по «меркам электропривода» близка к нулю, т.е. практически рабочая точка механической характеристики близка к пусковой. Эта особенность соответствующим образом отражается на структуре электропривода.

Выбор двигателя зависит от множества показателей, разных по своей значимости. С учетом этого формула обобщенного критерия выбора двигателя имеет вид:

Ф = Х КА ,

I=1 А10

где Ф - обобщенный показатель;

К - весовой коэффициент показателя;

Аi - показатель качества;

Аю - нормирующий (эталонный) показатель качества.

Применительно к ЭМУР выражение (1) может быть представлено в следующем виде:

Ф = + К2 М + К3 + + ,

с/с 2 М0 3 См0 У/У0 Б/Б0 К '

где С и С0 - стоимости выбранного и сопоставимого двигателей; М и М0 -пуск. моменты выбранного и сопоставимого двигателей; СМ и СМ0 - коэф. моментов выбранного и сопоставимого двигателей; V и VI) - объемы выбранного и сопоставимого двигателей; В и В0 - массы выбранного и сопоставимого двигателей.

Для выбора конкретного двигателя необходимо найти экстремум (максимум) обобщенного показателя Ф, полученного по формуле (2). В таблице 1 приведены параметры некоторых ВД, которые могут применяться в ЭМУР.

Таблица 1.

Параметры вентильных двигателей

Двигатель С, тыс.руб. М, Нм СМ, Н-м/А V, см3 В, кг

150-4-0,6-2 4,5 16,3 0,187 1350 3,00

185-6-0,4-2 7,1 25,2 0,300 2225 5,40

185-16-0,15-2 9,8 29,2 0,800 3080 9,25

185-16-0,3-2 9,9 56,8 0,400 3080 9,25

Указанные ранее показатели качества можно отнести в одну группу по важности, поэтому весовые коэффициенты (К1-К5) будут различаться не более чем на один порядок. Все отмеченные показатели можно разделить на три группы: экономические (С), технические (М, СМ), конструктивные (V, В).

Анализ показывает, что влияние весовых коэффициентов (требования конкретного потребителя) может существенно менять выбор двигателя. Приведенный метод позволяет привести комплексное сравнение рассматриваемых машин в зависимости от предъявляемых требований.

В работе [1] приведена функциональная схема вентильного двигателя. Функциональная схема электропривода на основе вентильного двигателя

при управлении от микроконтроллера принимает вид, представленный на

Из рис. 1 видно, что можно выделить две группы сигналов: поступающие на микроконтроллер (МК) - иу, ИдпР, и и выходящие с МК - иПР, иВ; где ИдПР - сигнал, вырабатываемый ДПР; иу - сигнал управления; и - сигнал датчика тока ВД; иВ - напряжение возбуждения ДПР; иПР - напряжение управления преобразователем. Сигналы, поступающие на МК, проходят через блок нормирования сигналов (БНС), т.к. уровни напряжений различны. Напряжение возбуждения ДПР поступает на усилитель сигнала (УС), т.к. МК не может обеспечить требуемую мощность. Напряжение управления преобразователем поступает на драйверы (Др), которые выполняют роль согласующих элементов между МК и УП.

Система управления должна обеспечивать анализ сигналов, снимаемых с датчиков системы и синтезировать сигналы управления электрическими ключами для питания двигателя. Целесообразно проектировать систему управления электропривода в виде двух структурных блоков, один из которых содержит силовую электронику, непосредственно подающую сигналы управления на двигатель, а второй - схему предварительной обработки сигналов датчиков, схему защиты и аварийного выключения электропривода и непосредственно схему управления работой первого блока (рис. 2).

СИЛОВАЯ ЧАСТЬ

С:

С:

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

НОРМИРОВАНИЕ

12

СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ

12

СХЕМА ЗАЩИТЫ

Рис. 2. Структурная схема системы управления

Схема предварительной обработки необходима для нормирования поступающих с датчиков сигналов. Схема управления реализуется на основе современного микроконтроллера, имеющего интегрированные блоки АЦП, таймеров, памяти и т.п. Схема цифровой системы управления значительно упрощается, ремонт отдельных элементов меняется на замену микросхемы, осуществляемую за несколько минут, цена системы управления существенно падает. С точки зрения авторов при проектировании схемы управления представляет большой интерес семейство микроконтроллеров АТ90 фирмы ЛТМБЬ, обладающее следующими особенностями [2,3]:

- выполнение большинства команд за один такт, что обеспечивает наиболее высокую производительность в своем классе;

- наличие 10-битного 8-канального АЦП, способного работать в «фоновом» режиме преобразования;

- наличие 32 программируемых линий ввода/вывода;

- потребляемый ток до 10 мА, наличие трех режимов энергосбережения, при которых потребление тока падает до нескольких десятков микроампер;

- наличие одного 16-ти и двух 8-битных программируемых таймеров/счетчиков с масштабированием и режимом сравнения, способных работать в режиме ШИМ.

Приведенный метод выбора двигателя был использован при создании ЭМУР для Горьковского автозавода. Предложенная структура ЭП с ВД взята за основу при проектировании ЭМУР для ГАЗа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Боровиков М.А., Гагушин Д.А., Доманов В.И., Пашинин С.В., Сатдинов М.Ф. Вопросы построения электропривода по системе «Вентильный двигатель» и элементы его теории //Вестник УлГТУ. 1998. №4. С.62-67.

2. Atmel corporation. AVR Enhanced RISC Microcontrollers, 1996.

3. Atmel corporation. AT90S4434/LS4434/S8535/LS8535 Preliminary, 1999.

Боровиков Михаил Алексеевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электропривод и автоматизация промышленных установок» УлГТУ, действительный член Академии электротехнических наук РФ. Окончил Томский политехнический институт. Имеет статьи и монографии по вопросам повышения качества автоматизированных электроприводов разных классов.

Доманов Виктор Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» УлГТУ. Окончил Ульяновский политехнический институт. Имеет статьи и доклады по вопросам повышения качества автоматизированных электроприводов. Автор 7 изобретений.

Доманов Андрей Викторович, аспирант кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» УлГТУ. Окончил Ульяновский государственный технический университет. Имеет статьи и доклады по исследованию вентильных двигателей и оптимальному управлению.

УДК 62-52.001.5

М.А.БОРОВИКОВ, Д.А.ГАГУШИН, С.В.ПАШИНИН, М.Ф.САТДИНОВ

ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ УПРЕЖДАЮЩЕЙ КОРРЕКЦИИ НА СОВРЕМЕННОЙ ЭЛЕМЕНТАРНОЙ БАЗЕ

Обсуждаются вопросы реализации метода упреждающей коррекции для построения систем автоматического управления (САУ) с пониженной чувствительностью к вариациям параметров объекта и влияниям внешних возмущений. Обосновывается необходимость построения специализированных элементов для облегчения решения задач применения метода при аппаратном подходе, а также возможности их программного воплощения.

Метод упреждающей коррекции (УК), представляющий собой совокупность структурных приемов построения замкнутых заведомо устойчивых САУ, имеющих заданные динамические показатели, является достаточно универсальным методом снижения чувствительности систем к ва-