УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ БЕССТУПЕНЧАТОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИЕЙ МНОГОПРИВОДНОГО КОЛЕСНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
DEVICE FOR AUTOMATIC ADAPTIVE CONTROL OVER STEPLESS ELECTRIC TRANSMISSION OF MULTI-DRIVE WHEELED VEHICLE

Изобретение относится к области транспортного машиностроения и предназначено для использования в различных многоприводных транспортных средствах с бесступенчатой электрической трансмиссией: автомобилях всех видов, тракторах, строительно-дорожных машинах и прочих транспортных и/или тяговых средствах, предназначено преимущественно для многоосных машин, эксплуатируемых в тяжелых условиях.
Известно устройство управления бесступенчатой трансмиссией транспортного средства, например шестиколесного, с помощью пороговых регулирующих элементов, команды на которые поступают с водительского места машины, и датчиков продольного и поперечного кренов, сигналы с которых поступают на органы регулирования исполнительных механизмов, в частности насосов и гидромоторов (RU 2264572, 2005 г.). Уровень адаптивности работы трансмиссии к условиям изменения нагрузки и параметров движения в этом аналоге незначителен, к тому же его применение ограничено, в основном гидрообъемной трансмиссией.
Известно устройство автоматического адаптивного управления разнотипными бесступенчатыми трансмиссиями многоприводного колесного транспортного средства, в том числе электрической, включающей в себя не менее двух электроприводов с независимым управлением, каждый из которых образован электромотором, связанным со своим ведущим колесом машины, и системой управления питанием этого электромотора (RU 35291 U1, 2003 г.).
Это устройство является наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения, содержащим систему измерения параметров нагрузки, управления и характеристик движения машины и преобразования их в электрические сигналы, подключенную к управляющей вычислительной системе (УВС). В нем система измерений имеет, как минимум, датчики частот вращения ведущих колес, положения педали акселератора и угла поворота рулевого колеса, а также так называемые датчики буксования по числу приводимых движителей. УВС содержит вычислитель рассогласований сигналов, полученных от системы измерения и базовых сигналов, и функциональный блок формирования сигналов управления. И вычислитель рассогласований сигналов и функциональный блок формирования сигналов управления в прототипе выполнены в виде комплекса блоков, так последний содержит еще и функциональный блок формирования сигналов задания, при этом выходы обоих функциональных блоков подключены к дополнительному блоку сравнения, управляющий сигнал с которого подается на регуляторы, связанные с объектами регулирования в трансмиссии, например с системами управления питанием электромоторов.
факт
факт
упр
зад
max
На регуляторы в этом устройстве подаются результирующие сигналы управления, формируемые не напрямую по данным измерений перечисленных выше параметров, а путем сопоставления установленного сначала по F и δ расчетного (предварительного) сигнала управления - i с сигналом задания - i, определяемым базовыми уставками по F (технический так называемый «заводской» параметр трансмиссии) и по заданному предварительно расчетному диапазону номинального буксования δ.
К недостаткам прототипа следует отнести ограниченность функций и громоздкость взамосвязей между блоками в вычислителе рассогласования сигналов и функциональном блоке и их усложненную функциональную связь между собой, что обуславливает низкую эффективность устройства, снижает оперативность его срабатывания.
В прототипе также недостаточно учтены свойства, присущие тяговым электроприводам ведущих колес транспортных машин. К ним относятся значительная инерционность привода и связанное с этим существенное запаздывание в отработке приводом управляющего сигнала, а также свойство систем управления питанием электромоторов, которые стремятся в конкретных условиях при определенном моменте сопротивления на валу обеспечить максимальную частоту вращения вала электромотора. Последнее обстоятельство при ухудшении условий взаимодействия ведущих колес с опорной поверхностью приводит к срыву этого контакта и существенному возрастанию частоты вращения этого колеса. Это снижает эффективность привода колеса и может стать причиной потери проходимости машины.
Задача, решаемая изобретением, направлена на повышение точности и оперативности автоматического адаптивного управления бесступенчатой электрической трансмиссией многоприводного транспортного средства, снижающего вероятность возникновения срывов в контактах ведущих колес машины с опорной поверхностью и за счет этого позволяющего снизить потери энергии на движение машины.
Технический результат, получаемый от реализации изобретения, состоит в уменьшении величины кинематической рассогласованности в работе ведущих колес транспортного средства при изменении условий его движения.
Для достижения технического результата в устройстве адаптивного автоматического управления электрической трансмиссией многоприводного колесного транспортного средства, включающей в себя не менее двух электроприводов ведущих колес с независимым управлением, каждый из которых образован электромотором, связанным со своим ведущим колесом машины, и системой управления питанием этого электромотора, содержащем систему измерения параметров, характеризующих режим работы каждого электропривода и условия движения транспортного средства, с преобразованием их в соответствующие сигналы, имеющую средства измерения частот вращения ведущих колес, положения педали акселератора и угла поворота рулевого колеса, подключенную к управляющей вычислительной системе, содержащей вычислитель рассогласований сигналов, полученных от системы измерения, и базовых сигналов, и функциональный блок формирования сигналов управления, согласно изобретению система измерения выполнена с возможностью определения тока фазы в каждом электромоторе и параметров, характеризующих нормальные усилия в пятне контакта ведущих колес с опорной поверхностью, вычислитель рассогласований выполнен с возможностью усреднения сигналов по каждому из измеренных параметров за установленный операционный промежуток времени, определения для каждого ведущего колеса сигнала, соответствующего его усредненному угловому ускорению за установленный операционный промежуток времени, получения для трансмиссии в целом средних значений усредненных сигналов, характеризующих токи фазы в электромоторах, нормальные усилия в пятне контакта ведущих колес с опорной поверхностью и частоты вращения этих колес, вычисления рассогласований текущих сигналов, характеризующих ток фазы в каждом электромоторе, частоту вращения каждого ведущего колеса, и соответствующих одноименных сигналов, принятых за базовые, а функциональный блок формирования сигналов управления, входы которого связаны с выходами вычислителя рассогласований, выполнен реализующим функции коррекции значений сигналов управления по предварительно вычисленным приращениям для каждого сигнала управления, при этом его выходы являются выходами управляющей вычислительной системы, к которым подключены своими входами системы управления питанием электромоторов.
Дополнительные существенные отличия устройства состоят в том, что в нем:
- для определения параметра, характеризующего нормальное усилие в пятне контакта ведущих колес с опорной поверхностью система измерения содержит средства измерения величины деформации упругих элементов подвески этих колес;
- вычислитель рассогласований сигналов выполнен реализующим функции получения средних значений усредненных сигналов по следующим соотношениям:
ij
где: ΔIф - величина сигнала рассогласования, характеризующая ток фазы в электромоторе каждого ведущего колеса;
- сигнал, характеризующий усредненное значение тока фазы в каждом электромоторе;
- сигнал, характеризующий среднее значение тока фазы в электромоторах;
- сигнал, характеризующий усредненное значение нормального усилия в пятне контакта ведущего колеса с опорной поверхностью;
- сигнал, характеризующий среднее значение нормальных усилий в пятне контакта ведущих колес с опорной поверхностью;
ij
Δω - величина сигнала рассогласования, характеризующая частоту вращения j-ого ведущего колеса i-ой оси;
- сигнал, характеризующий усредненную частоту вращения j-ого ведущего колеса i-ой оси;
- сигнал, характеризующий среднее значение частот вращения ведущих колес;
- коэффициент, корректирующий значение сигнала  для j-ого ведущего колеса i-ой оси машины при криволинейном движении в зависимости от положения этого колеса по отношению к полюсу поворота, при прямолинейном движении
- вычислитель рассогласований сигналов выполнен реализующим функцию определения усредненного углового ускорения для каждого ведущего колеса по следующему соотношению:
где:  - сигнал, характеризующий среднее угловое ускорение j-ого ведущего колеса i-ой оси за установленный операционный промежуток времени;
- сигнал, характеризующий усредненную частоту вращения j-ого ведущего колеса i-ой оси в рассматриваемый промежуток времени;
- сигнал, характеризующий усредненную частоту вращения этого же ведущего колеса в предыдущий промежуток времени;
t - установленный операционный промежуток времени;
- в функциональном блоке формирования сигналов управления функция упомянутой корректировки этого сигнала для системы управления питанием каждого электромотора осуществляется по следующему соотношению:
ij
где: U - сигнал управления для системы управления питанием электромотора j-ого ведущего колеса i-ой оси;
0
U - значение сигнала управления для системы управления питанием, одинаковое для всех электромоторов, определяющееся на основании значения усредненного сигнала, характеризующего положение педали акселератора;
I
k - коэффициент, характеризующий чувствительность системы управления к сигналу рассогласования
ω
k- коэффициент, характеризующий чувствительность системы управления к сигналу рассогласования
ε
k- коэффициент, характеризующий чувствительность системы управления к сигналу, характеризующему угловое ускорение  ведущего колеса машины.
В частных случаях реализации изобретения управляющая вычислительная система выполнена в виде комплекса вычислительных блоков, в котором вычислитель рассогласований сигналов содержит интегрирующие блоки по одному на каждый сигнал, поступающий от системы измерения, блок вычисления сигнала, соответствующего среднему току фазы в электромоторах, блок вычисления сигнала, соответствующего среднему нормальному усилию в пятне контакта ведущих колес транспортного средства с опорной поверхностью, блок вычисления сигнала, соответствующего средней частоте вращения ведущих колес транспортного средства, блоки вычисления сигналов, соответствующих усредненным значениям угловых ускорений ведущих колес за установленный операционный промежуток времени, по формуле:  - по одному на каждое ведущее колесо, блоки вычисления величины рассогласования между сигналами, характеризующими усредненный ток фазы в каждом электромоторе, и соответствующим базовым сигналом, за который принимается их скорректированное среднее значение, по формуле:  - по одному на каждый электромотор, блоки вычисления величины рассогласования между сигналами, характеризующими усредненную частоту вращения каждого ведущего колеса, и соответствующим базовым сигналом, за который принимается их скорректированное среднее значение, по формуле:  - по одному на каждое ведущее колесо, а функциональный блок формирования сигналов управления выполнен реализующим функцию вычисления их величины по формуле:  при этом входы блока вычисления сигнала, соответствующего среднему току фазы в электромоторах, связаны с выходами соответствующих интегрирующих блоков усреднения, входы блока вычисления сигнала, соответствующего среднему нормальному усилию в пятне контакта ведущих колес с опорной поверхностью, связаны с выходами соответствующих интегрирующих блоков усреднения, входы блока вычисления сигнала, соответствующего средней частоте вращения ведущих колес, связаны с выходами соответствующих интегрирующих блоков усреднения, входы блоков вычисления сигналов, характеризующих усредненные значения угловых ускорений ведущих колес за установленный операционный промежуток времени, связаны с выходами интегрирующих блоков усреднения сигналов, характеризующих частоты вращения соответствующих ведущих колес, входы блоков вычисления рассогласований по значению токов фазы в электромоторах связаны с выходами интегрирующих блоков усреднения сигналов, характеризующих ток фазы в каждом электромоторе и нормальное усилие в пятне контакта соответствующего ведущего колеса с опорной поверхностью, и выходами блоков вычисления сигналов, характеризующих среднее нормальное усилие в пятне контакта всех ведущих колес с опорной поверхностью и среднее значения токов фазы во всех электромоторах, входы блоков вычисления рассогласований по значению частот вращения ведущих колес связаны с выходами интегрирующих блоков усреднения сигналов, характеризующих частоты вращения ведущих колес и угол поворота рулевого колеса, и выходом блока вычисления сигнала, соответствующего средней частоте вращения ведущих колес транспортного средства, к входам функционального блока формирования сигналов управления подключены выход интегрирующего блока усреднения сигнала, характеризующего положение педали акселератора, выходы блоков вычисления сигналов, характеризующих усредненные значения угловых ускорений ведущих колес за установленный операционный промежуток времени, и выходы блоков вычисления рассогласований по значениям токов фазы в электромоторах и частот вращения ведущих колес.
Управляющей вычислительной системой может также служить бортовой компьютер машины, с программным продуктом, обеспечивающим реализацию всех оговоренных выше функций и связей вычислителя рассогласований и функционального блока формирования сигналов управления.
Система автоматического адаптивного управления электрической трансмиссией (ЭТ) предлагаемой конструкции, благодаря наличию необходимых технических средств и их выполнению с возможностью реализации расширенного диапазона функций, постоянно в процессе движения транспортного средства определяет параметры, характеризующие режим работы каждого электропривода, входящего в ЭТ, и каждого ведущего колеса, сравнивает их с базовыми, за которые принимаются их скорректированные средние значения для всего транспортного средства. Используя результаты этого сравнения, система управления формирует управляющие сигналы, которые изменяют частоту вращения ведущих колес машины таким образом, что обеспечивается уменьшение кинематических рассогласований в их работе и тем самым уменьшается вероятность возникновения срывов в контактах ведущих колес машины с опорной поверхностью. Работа электроприводов, входящих в ЭТ, при этом соответствует режиму, необходимому для эффективной работы каждого ведущего колеса в конкретных условиях движения. Благодаря этому обеспечивается уменьшение неэффективных затрат энергии на движение транспортного средства (ТС).
Выполнением взаимосвязей всех систем устройства между собой напрямую (без промежуточных звеньев и связей как в прототипе) с расширением функциональных диапазонов этих систем обеспечивается оперативность и точность срабатывания устройства.
На представленных чертежах: на фиг.1 дана схема ЭТ (пример) с управляющей вычислительной системой и средствами измерения параметров, характеризующих режим работы ведущих колес ТС и электроприводов, входящих в ЭТ; на фиг.2 - примерная схема УВС, выполненной в виде комплекса вычислительных блоков; на фиг.3 приведены результаты математического моделирования, характеризующие эффективность работы предлагаемого устройства (а - график изменения частот вращения валов электромоторов [рад/с], связанных с ведущими колесами четырехосного полноприводного транспортного средства без предлагаемой адаптивной системы управления при переезде им через единичную синусоидальную неровность, в функции пути [м], пройденном транспортным средством; б - график изменения тех же параметров при работе предлагаемой адаптивной системы управления).
ij
ij
zij
zij
Сущность изобретения поясняется на конкретном примере исполнения устройства автоматического адаптивного управления электрической трансмиссией (фиг.1) с четырьмя электроприводами 1, 1' и 2, 2' ведущих колес (по два на каждую ось машины). Каждый из электроприводов образован электромотором, соответственно 3, 3', 4, 4', связанным со своим ведущим колесом, соответственно 5, 5', 6, 6', и системой, соответственно 7, 7', 8, 8' управления его питанием, в котором система измерения параметров, характеризующих режим работы каждого электропривода и условия движения ТС, с преобразованием их в соответствующие сигналы включает в себя: датчик положения α педали акселератора и датчик угла θ поворота рулевого колеса (на схеме условно не показаны), датчики 9 токов фазы Iф в электромоторах каждого электропривода; датчики 10 частот вращения ωведущих колес и средства измерения 11 параметров, характеризующих либо непосредственно нормальные усилия R в пятне контакта ведущих колес с опорной поверхностью, либо величины деформации упругих элементов подвесок этих колес, которые затем расчетным путем преобразуются в значения R.
ij
Система измерения подключена известным образом к управляющей вычислительной системе (УВС) 12, выполняющей функции: усреднения измеренных сигналов, вычисления их средних значений для электроприводов ведущих колес машины в целом, вычисления сигналов рассогласования и формирования сигналов управления U. Выполнение УВС 12 вариантно: она может быть выполнена в виде комплекса вычислительных блоков, в соответствии с приведенными выше функциями, или в качестве ее может быть использован бортовой компьютер с соответствующей программой, обеспечивающей выполнение всех тех же функций.
При выполнении УВС 12 в виде комплекса вычислительных блоков (фиг.2) вычислитель рассогласований 13 в ней содержит:
интегрирующие блоки 14 по одному на каждый сигнал, поступающий от системы измерения, по пяти вышеназванным параметрам,
блок 15 вычисления сигнала, соответствующего среднему току фазы в электромоторах,
блок 16 вычисления сигнала, соответствующего среднему нормальному усилию в пятне контакта всех ведущих колес транспортного средства с опорной поверхностью,
блок 17 вычисления сигнала, соответствующего средней частоте вращения всех ведущих колес транспортного средства,
блоки 18 вычисления сигналов, соответствующих усредненным значениям угловых ускорений ведущих колес за установленный операционный промежуток времени, по формуле:  - по одному на каждое ведущее колесо,
блоки 19 вычисления величины рассогласования между усредненными сигналами, характеризующими ток фазы в каждом электромоторе, и соответствующим базовым сигналом, за который принимается их скорректированное среднее значение, по формуле:  - по одному на каждый электромотор,
блоки 20 вычисления величины рассогласования между усредненными сигналами, характеризующими частоту вращения каждого ведущего колеса, и соответствующим базовым сигналом, за который принимается их скорректированное среднее значение, по формуле:  - по одному на каждое ведущее колесо.
Функциональный блок 21 формирования сигналов управления выполнен реализующим функцию вычисления их величины по формуле
Блоки вычислителя 13 взаимосвязаны таким образом, что сигналы с выходов соответствующих интегрирующих блоков усреднения 14 подаются на входы блоков 15, 16, 17 и 18, где на их основании в соответствии с функциональным назначением того или иного из этих блоков, вычисляются значения: сигнала, соответствующего среднему току фазы в электромоторах, сигнала, соответствующего среднему нормальному усилию в пятне контакта ведущих колес с опорной поверхностью, сигнала, соответствующего средней частоте вращения ведущих колес, сигналов, характеризующих усредненные значения угловых ускорений ведущих колес за установленный операционный промежуток времени.
Входы блоков 19 вычисления рассогласований по значению токов фазы в электромоторах связаны с выходами интегрирующих блоков усреднения сигналов 14, характеризующих ток фазы в каждом электромоторе и нормальное усилие в пятне контакта соответствующего ведущего колеса с опорной поверхностью, и выходами блоков 15 и 16 вычисления сигналов, характеризующих среднее значения токов фазы во всех электромоторах и среднее нормальное усилие в пятне контакта всех ведущих колес с опорной поверхностью.
Входы блоков 20 вычисления рассогласований по значению частот вращения ведущих колес связаны с выходами интегрирующих блоков усреднения сигналов 14, характеризующих частоты вращения ведущих колес и угол поворота рулевого колеса, и выходом блока 17 вычисления сигнала, соответствующего средней частоте вращения ведущих колес транспортного средства.
При этом к входам функционального блока 21 формирования сигналов управления подключены выходы вычислителя рассогласований 13: выход интегрирующего блока 14 усреднения сигнала, характеризующего положение педали акселератора и выходы блоков 18 вычисления сигналов, характеризующих усредненные значения угловых ускорений ведущих колес за установленный операционный промежуток времени, и выходы блоков 19 и 20 вычисления рассогласований по значениям токов фазы в электромоторах и частот вращения ведущих колес.
Выходы функционального блока 21 формирования сигналов управления в таком устройстве являются выходами УВС 12, и к ним подключены своими входами системы 7, 7', 8, 8' управления питанием каждого из электромоторов с тем, чтобы подачей управляющего сигнала с блока 21 при необходимости корректировать ток фазы в системах.
Предлагаемое выполнение устройства позволяет реализовать способ управления ЭТ, адаптивный в режиме «он-лайн» к текущим условиям движения машины, основанный на том, что в нем за каждый определенный оперативный промежуток времени УВС определяет базовые сигналы по каждому из измеренных параметров (перечисленых выше), сравнивает в процессе движения транспортного средства параметры, характеризующие текущий режим работы электроприводов, входящих в ЭТ, с их базовыми значениями, чтобы в результате обеспечить требуемый режим работы этих электроприводов в данных условиях движения машины.
Эффективность работы предлагаемого устройства автоматического адаптивного управления ЭТ предварительно была проверена путем математического моделирования движения четырехосного полноприводного автомобиля. ЭТ этого автомобиля содержит восемь электроприводов, каждый из которых включает электромотор, связанный со своим колесом, и систему управления питанием этого электромотора. Адекватность математической модели подтверждена результатами проведенных полигонных испытаний такого автомобиля.
На фиг.3 приведены графики, получены в результате упомянутого математического моделирования. При этом моделировалось прямолинейное движение названного автомобиля при переезде им через единичную синусоидальную неровность высотой 20 см и длиной 1 м с начальной продольной скоростью 3,6 км/час.
Из графиков на фиг.3а видно, что при этом, если не используется предлагаемое устройство адаптивного автоматического управления, то имеет место существенное увеличение частот вращения ведущих колес автомобиля (ОМ1, ОМ2, ОМ3, ОМ4). Объясняется это последовательной разгрузкой колес данной оси автомобиля при переезде им через неровность. Последующий за этой разгрузкой контакт раскрученного колеса с опорной поверхностью сопровождается повышенным буксованием и динамическими перегрузками в элементах его привода. Кроме этого в трансмиссии автомобиля возрастают непроизводительные потери мощности.
Из графика на фиг.3б видно: при использовании на автомобиле предлагаемого устройства адаптивного автоматического управления при переезде им через ту же неровность возрастание частот вращения ведущих колес происходит в гораздо меньшей степени, что и подтверждает эффективность работы такого устройства.