ДАТЧИК МОМЕНТА ДЛЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО УСИЛИТЕЛЯ РУЛЯ

Предлагаемое решение относится к автомобилестроению, а именно к рулевым приводам с сервомеханизмами, и может использоваться в качестве датчика для бесконтактного измерения крутящего момента рулевого вала в системе управления электромеханическим усилителем руля.
Известен сервомеханизм электроусилителя руля, описанный в заявке Великобритании N 1395954 (опубл. 29.05.1975 г.), содержащий торсионный элемент, соединяющий две части рулевого вала. Крутящий момент замеряется на торсионном элементе посредством следящего выключателя, выполненного в виде потенциометра, установленного на частях рулевого вала.
Недостатком конструкции является ее малая надежность, обусловленная наличием подвижного контакта в потенциометре. Кроме того, чувствительность потенциометра не позволяет производить точное измерение малых углов перемещения, характерных для датчика момента электромеханического усилителя руля.
Известно устройство из патента США №4173265 (опубл. 06.11.1979 г.) для измерения крутящего момента на валу, содержащее вал, состоящий из 2-х частей, втулки, соединяющей обе части вала посредством упругого тела, на одной части вала закреплен постоянный магнит, на другой части вала напротив магнита расположен датчик величины магнитного поля, корпус с закрепленными контактами. При приложении крутящего момента к одной из частей вала вследствие деформации упругого тела магнит перемещается относительно датчика, который детектирует изменение магнитного поля, а угловое перемещение частей вала друг относительно друга является функцией приложенного крутящего момента и упругости упругого тела.
Недостатками этого устройства являются наличие проводов между вращающимся датчиком и выходными контактами, которые подвергаются многократному механическому воздействию, ограничение количества оборотов в одну сторону петлями проводов, необходимость настройки центра датчика и центра магнитного поля на магните механическим путем, недостаточная чувствительность устройства по причине того, что измерения осуществляются в зоне малых изменений магнитного поля через датчик при малых поворотах частей вала друг относительно друга, а также большой технологический разброс параметров постоянных магнитов.
Известны датчики крутящего момента, описанные в ряде заявок, например US 5394760 (опубл. 07.03.1995 г.). Указанные датчики состоят из входного кольцевого
трансформатора и вращающегося дискового передатчика с рядом катушек, установленных на входной части вала, и вращающегося дискового приемника с рядом катушек и выходных кольцевых трансформаторов, установленных на выходной части вала, схемного устройства для обработки выходного сигнала. Так же содержат опорные плиты для ограничения пути потока магнитной цепи и защитные экраны.
Недостатками датчиков являются их конструктивная и технологическая сложность из-за большого числа деталей, необходимость прецизионной сборки для обеспечения параллельности дисков, экранов, наличие трущихся частей, снижающих эксплуатационную надежность датчиков.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для бесконтактного измерения крутящего момента из изобретения по авторскому свидетельству N 175275 (опубл. 21.09.1965 г.), взятое за прототип. Датчик крутящего момента включает торсионный вал, входной и выходной вращающиеся трансформаторы, выпрямительный мост, выполняющий роль преобразователя.
Недостатками датчика крутящего момента, взятого за прототип, являются его недостаточные точность измерения и помехоустойчивость.
Технический результат предлагаемого решения - повышение точности измерения и помехоустойчивости и, как следствие, повышение эксплуатационной надежности.
пр
Указанный технический результат достигается тем, что в датчике крутящего момента для электромеханического усилителя руля, составленного из упругого элемента с предельным углом скручивания δ, связывающего входной вал электромеханического усилителя руля с выходным валом, входного и выходного вращающихся трансформаторов, которые включают неподвижные статорные обмотки с числом пар полюсов р, расположенные на электроизоляционных каркасах и закрепленные на корпусе усилителя руля и вращающиеся роторные обмотки с числом пар полюсов р, расположенные на электроизоляционных каркасах и связанные соответственно с входным и выходным валами, электронного преобразователя в виде печатной платы, при чем электронный преобразователь включает в себя генератор последовательности входных сигналов, соединенный через первый и второй фильтры низких частот с обмотками входного вращающего трансформатора, триггер Шмидта, вход которого соединен с одной из обмоток выходного вращающегося трансформатора, а выход триггера Шмидта соединен с входом синхронного детектора, далее третий фильтр низких частот, соединенный с выходным усилителем, диагностический блок, электроизоляционные каркасы с неподвижными статорными обмотками соосно закреплены друг с другом посредством печатной платы и расположены с двух ее сторон, обмотки вращающихся
пр
эл max
пр
эл max
трансформаторов расположены в продольных пазах на внешних цилиндрических поверхностях электроизоляционных каркасов, диагностический блок состоит из сумматора сигналов статорных обмоток выходного вращающегося трансформатора, выпрямителя сигналов сумматора, четвертого фильтра низких частот, компаратора и выходного ключа; число полюсов обмоток вращающихся трансформаторов 2р выбирается при заданном предельном угле скручивания δ=3,5° и определяется из соотношения p≤δ/δ, где максимальный угол скручивания в электрических градусах δ≈30°; так же в частном случае, электронный преобразователь выполнен в виде микроконтроллера, имеющего, по крайней мере, двухканальный аналого-цифровой преобразователь, четыре входных ключа и выходной цифро-аналоговый преобразователь.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что за счет выполнения преобразователя определенным образом и выбора величины сдвига фаз между входным и выходным напряжением входного и выходного вращающихся трансформаторов, соответственно, в качестве параметра измерения, а не величины выходного напряжения, как в прототипе, удалось повысить точность измерения крутящего момента и помехоустойчивость датчика крутящего момента.
На фиг.1 показан предложенный датчик крутящего момента в разрезе, на фиг.2 показан фрагмент электроизоляционного каркаса с обмотками, на фиг.3 показана электрическая-функциональная схема датчика крутящего момента, на фиг.4 показана электрическая-функциональная схема варианта исполнения датчика крутящего момента, когда электронным преобразователем является микроконтроллер, на фиг.5 показана графическая зависимость выходного сигнала датчика крутящего момента от величины угла скручивания (в электрических градусах) между входным и выходным валами, на фиг.6 показана графическая зависимость выходного сигнала датчика крутящего момента от величины крутящего момента, приложенного к входному валу
Датчик крутящего момента для электромеханического усилителя руля состоит из следующих узлов и деталей. Датчик крутящего момента 1 содержит упругий элемент 2, связанный соответственно с входным 3 и выходным 4 валами. Так же датчик момента 1 содержит входной ВТ1 5 и выходной ВТ2 6 вращающиеся трансформаторы, работающие в синусно-косинусном режиме, электронный преобразователь 7 для подачи питания и обработки выходных сигналов вращающихся трансформаторов,. ВТ1 5 состоит из неподвижных статорных обмоток 8 (обмотка возбуждения F1 и квадратурная обмотка КЛ) на электроизоляционном каркасе 9, расположенном на корпусе усилителя руля и вращающихся роторных обмоток 10 (sin-обмотка SI и cos-обмотка С1) на электроизоляционном каркасе 9, расположенном на упругом элементе 2, связанном с
входным валом 3, причем все обмотки соосные и симметричные относительно общей оси. ВТ2 6 состоит из неподвижных статорных обмоток 11 (sin-обмотка S2 и cos-обмотка С2) на электроизоляционном каркасе 9, расположенном на корпусе усилителя руля и вращающихся роторных обмоток 12 (обмотка возбуждения F2 и квадратурная обмотка К2) на электроизоляционном каркасе 9, расположенном на упругом элементе 2, связанном с выходным валом 4, причем все обмотки соосные и симметричные относительно общей оси. Обмотки вращающихся трансформаторов размещены в продольных пазах 13 на внешних цилиндрических поверхностях электроизоляционных каркасов 9. Электронный преобразователь 7 выполнен в виде печатной платы с элементами и выполняет функции питания обмоток входного вращающегося трансформатора «sin-cos» напряжением и обработки сигналов выходного вращающегося трансформатора с целью получения информации о вращающем моменте. Неподвижные обмотки 8, 11 входного 5 и выходного 6 вращающихся трансформаторов с каркасами 9 жестко соосно соединены друг с другом посредством печатной платы 7 и расположены по разные ее стороны. Каркасы 9 с вращающимися обмотками 10, 12 входного 5 и выходного 6 вращающихся трансформаторов расположены концентрически внутри каркасов 9 с неподвижными обмотками 8, 11 на упругом элементе 2, связанном соответственно с входным 3 и выходным 4 валами. Вращающиеся обмотки 10, 12 вращающихся трансформаторов соединены согласно.
Электронный преобразователь 7 состоит из генератора последовательности входных сигналов 14, выдающего три последовательности прямоугольных импульсов одинаковой частоты и синхронизированные друг с другом, первый выход которого соединен с первым фильтром низких частот 15, второй выход - со вторым фильтром низких частот 16, выходы фильтров соединены с обмоткой возбуждения F1 и квадратурной обмоткой К1 (статорными обмотками 8) ВТ1, соответственно. Электронный преобразователь включает в себя также триггер Шмидта 17 вход, которого соединен с sin-обмоткой S2 (одной из статорных обмоток 11) ВТ2, а выход соединен с первым входом синхронного детектора 18, второй вход которого соединен с третьим выходом генератора 14. Выход синхронного детектора 18 соединен с третьим фильтром низких частот 19, выход которого соединен с выходным усилителем 20 преобразователя.
Для реализации функции диагностики одиночных обрывов и коротких замыканий в цепях вращающихся трансформаторов, а также исправности цепей первого и второго выходов генератора 14, в электронный преобразователь введен диагностический блок 21, состоящий из сумматора 22 сигналов «sin-cos» обмоток ВТ2, выпрямителя 23 сигналов сумматора, четвертого фильтра нижних частот 24, компаратора 25, выходного ключа 26.
Датчик момента работает следующим образом.
С выходов генератора последовательности входных сигналов 14 прямоугольные импульсы со скважностью 2, смещенные друг относительно друга на четверть периода подаются через фильтры нижних частот 15, 16 на обмотку возбуждения F1 и квадратурную обмотку К.1 (статорные обмотки 9) ВТ1. Сигнал с «sin-cos» обмоток S1, C1 (роторные обмотки) ВТ1 поступает на обмотку возбуждения F2 и квадратурную обмотку К2 (роторные обмотки 12) ВТ2.
При вращающем моменте равном нулю, роторные обмотки вращающихся трансформаторов неподвижны относительно друг друга и пары напряжений
статорных обмоток вращающихся трансформаторов совпадают по фазе, соответственно, где  - круговая частота питающего напряжения.
При возникновении крутящего момента электромеханического усилителя руля, роторные обмотки выходного вращающегося трансформатора смещаются в пределах упругой деформации упругого элемента на угол δ=γ-θ, где γ и θ углы поворота роторов выходного и входного вращающихся трансформаторов относительно их статоров, и на выходе статорных обмоток выходного вращающегося трансформатора появляются «sin-cos» напряжения:
,
сдвинутые по фазе относительно напряжений статорных обмоток входного вращающегося трансформатора. Этот сдвиг в пределах малых углов пропорционален крутящему моменту и обрабатывается электронным преобразователем.
пр
эл max
эл max
пр
Количество полюсов обмоток вращающихся трансформаторов 2р выбирается, исходя из заданной точности измерения момента и обеспечения работы на близком к линейному участке синусоиды (Фиг.5). В нашем случае, при предельном угле скручивания δ=3,5°, соответствующий угол в электрических градусах δ≈30°, что обеспечивает рабочие участки синусоиды NM от 0° до 30° и -MN от -30° до 0° близкие к линейным. Таким образом, число пар полюсов обмоток вращающихся трансформаторов определяется как р≤δ/δ, т.е. р≈9 и число полюсов 2р=18
Выходной сигнал «sin-cos» обмоток S2, С2 ВТ2 имеет синусоидальную форму и для улучшения помехоустойчивости он преобразовывается к прямоугольному виду с помощью триггера Шмидта 17. С выхода триггера Шмидта 17 сигнал поступает на
синхронный детектор 18, который управляется прямоугольными импульсами с третьего выхода генератора последовательности входных сигналов 14. В результате, на выходе синхронного детектора появляется последовательность прямоугольных импульсов со скважностью прямопропорциональной углу δ, которая после выделения постоянной составляющей фильтром низких частот 19 подается на выходной усилитель 20 преобразователя, усиливающий выходной сигнал до требуемого уровня.
Диагностический блок 21 работает следующим образом. При неисправностях в цепях первого и второго выходов генератора 14, а также ВТ1 и ВТ2, сумма напряжений на «sin-cos» обмотках S2, С2 ВТ2 будет меньше суммы этих напряжений при исправных вышеуказанных цепях. Соответственно, величина напряжения на выходе четвертого фильтра нижних частот 24 является диагностическим признаком. Это напряжение управляет через компаратор 25 ключом 26 на выходе выходного усилителя 20. При исправной работе датчика, сигнал на выходе датчика момента находится в рабочей области на графике Фиг.6, срабатывание ключа 26 выводит выходной сигнал в одну из двух областей сигналов диагностики (в нашем случае в нижнюю).
Одним из вариантов может быть исполнение части или всего электронного преобразователя в виде микроконтроллера (Фиг.4), имеющего, по крайней мере, двухканальный аналого-цифровой преобразователь, четыре входных ключа и выходной цифро-аналоговый преобразователь.
Заявляемый датчик момента для электромеханического усилителя руля позволяет при использовании всех отличительных признаков построить устройство с повышенной точностью измерения, компактное и недорогое.
Экспериментальные исследования предлагаемого датчика момента показали, что предлагаемое техническое решение промышленно применимо и может найти применение в системах электромеханического усилителя руля.