БЛОК УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО УСИЛИТЕЛЯ РУЛЕВОГО МЕХАНИЗМА

БЛОК УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО УСИЛИТЕЛЯ
РУЛЕЮГО МЕХАНИЗМА
Полезная модель относится к области транспортного машиностроения и может быть использована для создания системы автоматического управления электромеханическим усилителем рулевого механизма автомобиля.
Известен электропривод электромеханического усилителя рулевого управления 13 содержащий мостовой однофазный транзисторный силовой преобразователь с соответствующими датчиками и блоком управления, к выходным клеммам которого подключена якорная цепь электродвигателя постоянного тока.
К недостаткам такого электропривода можно отнести: негибкость управления, невозможность осуществления определенных режимов работы, а также недостаточно полное использованию мощности электродвигателя.
Также известен электрический блок усилителя рулевого управления С23, принятый в качестве прототипа. Электрический блок содержит реверсивный электродвигатель, силовую мостоЪую схему его включения, систему управления и замкнутый (Электрический контур с датчиком тока электродвигателя. Входы системы управления предназначены для подключения датчика крутящего момента на рулевом валу, датчика скорости транспортного средства, датчика положения колес, датчика оборотов электродвигателя, а также к силовой мостовой схеме. Система управления включает в себя микропроцессор, на который подают сигналы датчиков, и аналоговую часть, с выходов которой снимают управляющий сигнал.
Наиболее существенными недостатками прототипа являются:
-недостаточная гибкость реализации различных алгоритмов управления электромеханического усилителя руля;
-низкая стабильность обратной связи по датчику тока;
-ограниченное использование мощности электродвигателя;
-недостаточная надежность работы при различных сбоях в системе управления.
Задачей, на решение которой направлено создание полезной модели, является расщирение технологических возможностей блока управления системы электромеханического усилителя рулевого механизма транспортного средства, увеличение степени использования мощности электродвигателя, а также повышение надежности раг 1 2
боты блока упр авленияПоставленная задача решается тем, что в блок управления системы электромеханического усилителя рулевого механизма (БУ), содержащий цифровую систему управления (ЦСУ), часть входов которой предназначены для подключения датчика момента, датчика положения, датчика оборотов и датчика скорости, а ее выход соединен через блок драйверов с блоком усилителя мощности, который связан с блоком датчика тока и клеммой для подключения электродвигателя, блок включения/выключения силового питания, подключенный к клемме силового питания, а также блок преобразования сигнала датчика тока, выход которого связан с ЦСУ, а вход соединен с блоком датчика тока, ДОПОЛНИТЕЛЬНО введен блок сопряжения с внешним диагностическим устройством, входы которого подключены к ЦСУ и блоку обработки сигналов бортовой сети автомобиля, который соединен с клеммой слаботочного питания, датчиком оборотов, датчиком скорости, с ЦСУ, с выводами диагностики и индикации, с блоком формирования и защиты слаботочного питания, который подключен к клемме слаботочного питания, к блоку драйверов, к блоку сопряжения с внешним диагностическим устройством, к блоку включения/выключения силового питания, к блоку формирования сигнала индикации неисправности, который соединен с ЦСУ и блоком обработки сигналов бортовой сети автомобиля, при этом блок включения/выключения силового питания подключен к ЦСУ, а блок датчика тока соединен с клеммой для подключения электродвигателя.
В блок управления также входят соединенный с ЦСУ блок ввода уставок и мониторинга внутренних сигналов, вход которого предназначен для подключения к персональному компьютеру, блок обработки сигналов с датчика положения и датчика момента, входы которого соединены с датчиком положения, датчиком момента и блоком формирования и защиты слаботочного питания, а выход - с ЦСУ. Входы блока формирования сигнала внешнего сброса соединены с блоком ввода уставок и мониторинга внутренних сигналов и блоком формирования и защиты слаботочного питания, а его вход подключен к ЦСУ. Предусмотрено, что в блок управления входит блок плавного выключения, входы которого подключены к клемме силового питания, к клемме слаботочного питания и к ЦСУ, а выход - к блоку формирования и защиты слаботочного питания, который соединен с блоком формирования опорного напряжения,  которого подключен ЦСУ, с блоком гальванически развязанного питания, который подлючен к ЦСУ,
Sjoo/./i/(
- 2 U/Vov.
блоку драйверов и блоку преобразования сигнала датчика тока, с блоком защиты от сквозных токов, который подключен к ЦСУ, с блоком защиты от сбоев алгоритма работы и неисправностей, который подключен к ЦСУ. Входы блока разрешения работы драйверов подключены к блоку защиты от сбоев алгоритма работы и неисправностей и к ЦСУ, а выход соединен с блоком драйверов. Вход блока фильтров питания силовой части соединен с блоком включения/выключения силового питания, а выходы подключены к блоку защиты от сквозных токов и входу блока ограничения нарастания тока силового питания. Вход блока датчика тока силового прттания подключен к блоку ограничения нарастания тока силового питания, а его выходы соединены с блоком усилителя мощности и блоком формирования сигнала напряжения силового питания, выход которого подключен к ЦСУ. Входы блока преобразования сигнала датчика тока силового питания соединены с блоком датчика тока силового питания и блоком гальванически развязанного питания, а его входы подключены к ЦСУ и блоку разрешения работы драйверов. В состав блока управления также включен блок формирования сигналов напряжения со стоек усилителя мощности, вход которого соединен с ЦСУ, а входы - с блоком усршителя мощности. Цифровая система управления (ЦСУ.) включает в себя блок электрически перепрограммируемой памяти данных, блок электрически перепрограммируемой памяти программ, блок аналого-цифрового преобразователя, блок формирования внутреннего питания ЦСУ, блок ввода дискретных сигналов, блок вывода дискретных сигналов, блок осцилляторов, блок обмена информацией с внещними устройстваи и блок вычислений и управления работой ЦСУ, связанный с блоком перепрограммирования памяти данны :, с блоком перепрограммирования памяти программ и с блоком осцилляторов, при этом входы блока аналогоцифрового преобразователя соединены с блоком обработки сигналов с датчика положения и датчика момента, с блоком датчика тока силового питания, с блоком преобразования сигнала датчика тока, с блоком преобразования сигнала датчика тока силового питания, с блоком формирования сигналов напряжения со стоек усилителя мощности и с блоком вычислений и управления работой ЦСУ, блок формирования внутреннего питания ЦСУ подключен к блоку формирования опорного напряжения и к блоку вычислений и управления арботой ЦСУ, входы блока ввода дискретных сигналов соединены с блоком защиты от сквозных токов, с блоком обработки сигналов бортовой сети автомобиля, с блоком формированргя сигнала снешнего сброса, с блоком плавного выключения и с блоком вычислений и
- 3 -
управления работой ЦСУ, выходы блока вывода дискретных сигналов подключены к блоку включения/выключения силового питания, блоку формирования сигнала индикации неисправности, блоку плавного выключения, блоку защиты от сбоев алгоритма работы и неисправнотей, блоку разрешения работы драйверов, блоку драйверов, блоку гальванически развязанного питания и блоку вычислений и управления работой ЦСУ, а блок обмена информацией с внешними устройствами соединен с блоком ввода уставок и мониторинга внешних сигналов, блоком сопряжения с внешним диагностическим устройством и блоком вычислений и управления работой ЦСУ.
На фиг.1 представлена схема заявляемого устройства.
Блок управления системы электромеханического усилителя рулевого механизма включает в себя такие элементы как: цифровая система управления (ЦСУ) 1, блок ограничения нарастания тока силового питания 11, блок обработки сигналов бортовой сети автомобиля 12, блок сопряжения с внешним диагностическим устройством 13, блок формирования сигнала индикации неисправности 14, блок формирования и защиты слаботочного питания 15, блок ввода уставок и мониторинга внутренних сигналов 16, блок обработки сигналов с датчика положения и датчика момента 17, блок формирования сигнала внешнего сброса 18, блок плавного выключения 19, блок формирования опорного напряжения 20, блок гальванически развязанного питания 21, блок включения/выключения силового питания 22, блок драйверов 23, блок преобразования сигнала датчика тока 24, блок зашиты от сквозных токов 25, блок защиты от сбоев алгоритма работы и неисправностей 26, блок фильтров питания силовой части 27, блок датчика тока силового питания 28,  усилителя мощности 29, блок формргрования сигнала напряжения силового питания 30, блок формирования сигнала напряжения со стоек усилителя мощности 31, блок датчика ока 32, блок разрешения работы драйверов 33, блок преобразования сигнала датчика тока силового питания 34.
Цифровая система управления 1 содержит блок электрически перепрограммируемой памяти данных 2, блок электрически перепрограммируемой памяти программ 3, блок цифро-аналогового преобразователя 4, блок формирования внутреннего питания ЦСУ 5, блок ввода дискретных сигналов 6, блок вывода дискретных сигналов 7, блок осцилляторов 8, блок обмена информацией с внешними устройствами 9 и блок вычислений и управления работой ЦСУ 10, уоторы г подключен к блокам 1-9.
4  усилителя рулевого механизма работает следующим образом.
Общий принцип работы заключается в том, что в соответствии с поступающими сигналами с датчртка момента рулевого колеса, датчика положения рулевого колеса, датчика оборотов двигателя внутреннего сгорания, датчика скорости автомобиля, а также сигналом с замка зажигания, сигналом уровня напряжения сильноточного питания, сигналами напряжения со стоек усилителя мощности, сигналом о токе сильноточного питания, сигналом о токе в якоре (фазе) электродвигателя, являющемся локальной обратной связью, блок управления БУ) через цифровую систему управления в соответствии с заложенным в ней законом управления вырабатывает сигналы, обеспечивающие подключение блока усилителя мощности к силовому питанию и подачу управляющих ШИМ-сигналов на блок усилителя мощности через блок драйверов. Блок усилителя мощности управляет реверсивным электродвигателем, который обеспечивает необходимую гибкую ( в зависимости от различных условий - скорость движения автомобиля, угол поворота рулевого колеса, состояние дорожного покрытия, скорость вращения рулевого колеса и др.) компенсацию части усилия на руле для водителя транспортного срндства, а также обеспечивает различные режимы функционирования, повыщающие степень комфортности внещних условий для водителя - активное гашение ударов со стороны неровностей дороги на рулевое колесо, гибкий ( в зависимости от различных условий) самовозврат рулевого колеса и управляемых колес в центральное положение при отсутствии сигнала с датчика момента.
При включении замка зажигания слаботочное питание поступает на блок обработки сигналов бортовой сети автомобиля 12, а аткже на блок формирования и защиты слаботочного питания 15, который формирует несколько разноуровневых сигналов стабилизированного питания и осуществляет защиту слаботочной части по напряжению и току на каждом из своих выходов.
На основании сигналов, приходящих с датчика момента и датчика положения, преобразованных блоком обработки сигналов с датчика положения и датчика момента 17 и поступающих на блок аналого-цифрового преобразователя 4, сигналов с датчика оборотов две и датчика скорости движения автомобиля, преобразованных блоком обработки сигналов бортовой сети автомобиля 12 и поступающих на вход блока ввода дискретных сигналов 6, сигналов о напряжении силового питания, поступающих с блока формирования сигнала напряжения силового питания 30 на блок аналого-цифрового преобразователя 4, сигнала о токе силового питания, поступа( 5 ющего с блока преобразования сигнала датчика тока силового питания 34 на блок аналого-цифрового преобразователя 4, сигналов напряжения со стоек усилителя мощности, поступающих с блока формирования сигналов напряжения со стоек усилителя мощности 31 на блок аналого-цифрового преобразователя 4, а также сигнала о токе якорной (фазной) цепи усилителя мощности, поступающего с блока преобразования сигнала датчика тока 24 на блок аналого-цифрового преобразователя 4 цифровая система управления 1 с помощью блока электрически перепрограммируемой памяти данных 2 и блока вычислений и управления работой ЦСУ 10 через блок вывода дискретных сигналов 7 формирует сигналы управления блоком драйверов 23, который при наличии сигнала с блока разрешения работы драйверов 33 усилителя мощности вырабатывает управляющие сигналы для блока усилителя мощности 29, который управляет работой реверсивного электродвигателя, обеспечивая необходимую компенсацию части усилия на рулевом колесе автомобршя в соответствии с определенным законом управления, заложенным в блоке электрически перепрограммируемой памяти nporpeiMM 3.
Силовое питание на блок усилителя мощности 29 подается через блок фильтров питания силовой части 27, блок ограничения нарастания тока силового питания 11 и блок датчика тока силового питания 28 при наличии управляющего сигнала на блоке включения/выключения силового питания 22.
Блок гальванически развязанного питания 21 предназначен для поддержания надежной работы блока усилителя мощности 29, для осуществления гальванической развязки сигнала с блока датчика тока 32, поступающего через блок преобразования сигнала датчика тока 24 на блок аналого-цифрового преобразователя 4, а аткже для максимального использования КПД электродвигателя (максимально возможное открытие ШИМ-сигнала). Блок 21 вырабатывает гальванргчески развязанное питание для блока драйверов 23, блока преобразования сигнала датчика тока 24 и блока преобразования сигнала датчика тока силового питания 34.
Блок защиты от сквозных токов 25 на основании сигналов с блока фильтров питания силовой части 27 и блока формирования и защиты слаботочного питания 15 при возникновении сквозньж токов в блоке усилителя мощности 29 или замыкании силового питания или якорных (фазных) вы :одов на общий провод (на корпус, на землю) вырабатывает сигнал на блок ввода дискретных сигналов 6, который при сигнале с блока электрически перепрограммируемой памяти программ 3 обрабатывается блоком вычислений и управления
lQ(
- 6 работой ЦСУ 10 и выводится для исполнения через блок вывода дискретных сигналов 7 на блок разрешения работы драйверов 33, на блок драйверов 23 и на блок включения/выключения силового питания 22, которые обеспечивают быстрое и надежное включение БУ.
Сигналы с блока формирования и защиты слаботочного питания 15 и блока вывода дискретных сигналов 7 поступают на вход блока защиты от сбоев алгоритма работы и неисправностей 26, формирующий сигнал для блока разрешения работы драйверов 33, который приводит в рабочее состояние блок драйверов 23 и, следовательно , блок усилителя мощности 29.
Сигналы с входа силового питания (+12 В) и с клеммы слаботочного пргтания ( + 12 В) поступают в блок плавного выключения 19, где формируется сигнал на блок ввода дискретных сигналов 6. Затем блок электрически перепрограммируемой памяти программ 3 и блок вычислений и управления работой ЦСУ 10 через блок вывода дискретных сигналов 7 вырабатывают сигнал для блока плавного выключения 19, который выключает блок формирования и защиты слаботочного питания 15, вследствие чего отключается слаботочное питание; питание БУ при зтом осуществляется со входа силового питания (+ 12 В).
При кратковременном ргсчезновении слаботочного питания необходимо обеспечить нормальную работу БУ, для чего в блоке перепрограммирования памяти программ 3 реализована функция плавного выключения питания БУ в виде временной задержки.
При длительном отсутствии сигнала слаботочного питания силовое питание БУ отключается и, следовательно, БУ прекращает работу.
При нормальном функционировании ЦСУ 1 на блок защиты от сбоев алгорр1тма работы и неисправностей 26 через блок вывода дискретных сигналов 7 поступают цифровые сигналы, содержащие информацию об отсутствии сбоев в работе БУ. При наличии сбоев блок 26 вырабатывает сигнал прекращения работы БУ. Под сбоями в нашем случае можно понимать механические, термические (климатические) или электромагнитные воздействия, нарушающие структуру и связи в ЦСУ 1.
Блок преобразования сигнала датчика тока 24 на основании сигнала с блока гальванически развязанного питания 21 предварительно усиливает полезный сигнал с блока датчика тока 32, не изменяя его ср1нфазной составляющей, преобразовывает дифференциальный полезный сигнал в одноименный токовый, а затем передает
б//д
- 7 ток от источника, связанного с выходом якоря (фазы) на нагрузку, связанную с общим проводом через токовое зеркало, которое находится в блоке 24.
Блок преобразованргя сигнала датчика тока 24 характеризуется невысокой чувствительностью к изменению параметров компонентов и высоким козффициентом ослабления синфазного сигнала в широком частотном диапазоне.
Блок ввода уставок и мониторинга внутренних сигналов 16 представляет собой технологический блок, позволяющий на стадии отработки законов управления и алгоритма функционирования ЦСУ 1 в процессе адаптации электроусилителя рулевого управления для различных моделей автомобилей корректировать параметры БУ, исходя из индивидуальны : особенностей потребителя. Блок 16 сопрягается: с персональрлагм компьютером по spi-интерфейсу через специальный технологический разъем и позволяет в реальных условиях ( в салоне автомобиля) менять различные уставки (параметры), определяющие алгоритм управления и законы управления, а также, изменяя калибровочные козффициенты, отлаживать функциональные характеристики злектромеханического усилителя рулевого управления. Кроме того, блок 16 позволяет на мониторе персонального компьютера осуществлять визуальный контроль за внутренним состоянием ЦСУ 1 (порты, регистры, уставки, калибровочные коэффициенты) , следить за состоянием используемых датчиков, а также производить запись (в развернутом временном интервале и одномоментно), обработку и длительное хранение информации о вышеперечисленных сигналах.
Блок обработки сигналов бортовой сети автомобиля 12 служит для приема и передачи сигналов с бортовой сети автомобиля.
Блок сопряжения с внешним диагностическим устройством 13 при наличии сигнала с ЦСУ 1 ( с блока электрически перепрограммируемой памяти программ 3 и с блока вычислений и управления работой ЦСУ 10 через блок обмена информацией с внешними устройствами 9) и с блока формирования и защиты слаботочного питания 15 позволяет реализовывать обмен информацргей между ЦСУ 1 и внешним диагностическим устройством, подключаемым через блок обработки сигналов бортовой сети автомобиля 12, на основании необходимого для конкретного автомобиля протокола обмена информацией. Этот обмен позволяет продиагностировать состояние электромеханического усилителя руля ( электрических параметров), обнаружит неисправность, выдать рекомендации по устранению неисправности, а также подстроить определенные калибровочные коэффициенты, изменяющие характеристики функционирования электромеханического усилителя под требования конкретного потребителя или круга потребителейБлок формирования сигнала индикации неисправности 14, принимая сигналы с блока формирования и эащиты слаботочного питания 15 и с блока вывода дискретных сигналов 7 через блок обработки сигналов бортовой сети автомобиля 12, вырабатывает сигнал индикации неисправности, который включает лампу индикации аварии. При нормальном функционировании БУ в блоке 14 осущствляется внутренняя защита от короткого замыкания в цепи лампы авария. Лампа авария отключается сигналом с блока 14 через блок 12.
С помощью блока 14 потребитель может самостоятельно продиагностровать состояние БУ при наличии сигнала аварии и определить неисправность. Для этого в салоне автомобиля коммутируется на общий провод один из входов диагностики, который через блок обработки сигналов бортовой сети автомобиля 12 и блок ввода дискретных сигналов 6 сообщает о режиме тестирования цифровой системе управления 1, которая, в свою очередь, на основании сигналов с блока перепрограммирования памяти программ 3 и блока вычислений и управления работой ЦСУ 10 через блок вывода дискретны : сигналов 7, блок формирования сигнала индргкации неисправности 14 и блок обработки сигналов бортовой сети автомобиля 12 сообщает с помощью цифрового кода на лампе авария (короткие и длинные сигналы) о выявленной неисправности.
Ol/l/l/Of
- 9
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1.Патент РФ N 2160204, МПК В 62 D 5/04, опубликованный
10.12.2000,бюл. N 34.
2.Патент РФ N 2164484, МПК В 62 D 5/04, опубликованньш
27.03.2001,бюл. N 9 (прототип).