Сервопривод рулевого механизма автомобиля и регулятор тока электродвигателя

 

Изобретение относится к электромеханическим системам транспортных средств. Сервопривод рулевого механизма автомобиля содержит электродвигатель, датчик момента, прикладываемого водителем к рулевому колесу, датчик скорости движения автомобиля, датчик и регулятор тока электродвигателя. Отличие состоит в том, что для улучшения качества регулирования и упрощения схемы регулятор момента выполнен в виде ПИД-регулятора, коэффициенты усиления которого зависят от скорости движения автомобиля, а регулятор тока выполнен релейным, на базе компаратора, ширина петли гистерезиса которого пропорциональна заданному значению тока электродвигателя. Технический результат - улучшение качества регулирования и упрощение конструкции. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электромеханическим системам транспортных средств и может быть использовано при разработке рулевых механизмов автомобилей.

Известны способ и устройство, патент США 5428537, кл. B 62 D 5/04, 1995, в котором для формирования сигнала управления электродвигателем электромеханического усилителя рулевого механизма используется информация о первой и второй производных регулируемой переменной.

Недостатком этого устройства является сложность его практической реализации, обусловленная необходимостью измерять или вычислять скорость и ускорение регулируемой переменной.

Наиболее близким техническим решением является устройство, патент США 5482129, кл. B 62 D 5/04, 1996, (прототип), в котором для формирования сигнала управления электродвигателем электромеханического усилителя рулевого механизма используется пропорционально-интегральный регулятор тока (ПИ-регулятор), коэффициенты которого выбираются в зависимости от скорости движения автомобиля.

Недостатком этого устройства является отсутствие дифференциальной составляющей в управлении, т.к. рулевой механизм с электромеханическим усилителем с точки зрения теории автоматического управления является объектом второго порядка (см. [1], стр.27), а следовательно, при этом требуется не "ПИ-регулятор", а "ПИД-регулятор" (см. [2], стр.64, 65). Кроме того, необходимо в максимально возможной степени скомпенсировать инерционность электродвигателя как источника момента, т.е. чтобы частотные свойства контура регулирования тока в отношении контура регулирования момента (ПИД-регулятор) были как можно выше (отличались более чем на порядок), т.к. только при этом условии процессы регулирования в них можно считать независимыми и рассматривать по отдельности. Это обстоятельство требует синтеза регулятора тока, обладающего максимальным быстродействием при отсутствии перерегулирования.

Решение технической задачи направлено на улучшение качества регулирования и упрощение схемы.

Для решения технической задачи в известный сервопривод рулевого механизма автомобиля содержащий электродвигатель; датчик тока; датчик момента, прикладываемого водителем к рулевому колесу, выход которого подключен к первому входу первого суммирующего элемента; пропорциональный и интегральный усилители, первые входы которых подключены к выходу первого суммирующего элемента, а вторые входы через первый и второй формирователи пропорционального и интегрального коэффициентов усиления подключены к выходу датчика скорости автомобиля, при этом выходы пропорционального и интегрального усилителей подключены соответственно к первому и второму входам второго суммирующего элемента, выход которого подключен ко входу регулятора тока электродвигателя, введены первый дифференциальный усилитель, первый вход которого подключен к выходу первого суммирующего элемента, второй вход через вновь введенный третий формирователь коэффициента усиления подключен к выходу датчика скорости автомобиля, а выход подключен к третьему входу второго суммирующего элемента; второй дифференциальный усилитель, вход которого подключен к выходу датчика момента, а выход подключен ко второму входу первого суммирующего элемента; формирователь заданного значения момента на рулевом колесе, вход которого подключен к выходу датчика скорости автомобиля, а выход подключен к третьему входу первого суммирующего элемента; силовой преобразователь, подключенный к бортовому источнику питания через датчик тока; распределитель импульсов, у которого первый вход подключен к выходу регулятора тока электродвигателя, вторые шесть входов подключены к выходам датчика положения ротора электродвигателя, а выходы подключены к соответствующим входам силового преобразователя, выходы которого, в свою очередь, подключены к выводам якорной обмотки электродвигателя, при этом регулятор тока электродвигателя выполнен имеющим второй вход, подключенный к выходу датчика тока.

Регулятор тока электродвигателя в составе описанного сервопривода является оригинальным техническим решением, т.к. содержит элемент сравнения, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входами регулятора тока электродвигателя; компаратор с гистерезисной характеристикой, ширина петли которой зависит от сигнала на втором входе компаратора, и регулятор величины пульсаций, выполненный в виде резистивного делителя, вход которого подключен к первому входу регулятора тока электродвигателя, а выход - ко второму входу компаратора, при этом первый вход компаратора подключен к выходу элемента сравнения, а выход компаратора является выходом регулятора тока электродвигателя.

На фиг.1 и 2 схематично показано предлагаемое устройство.

Сервопривод рулевого механизма автомобиля содержит электродвигатель 1; датчик 2 тока; датчик 3 момента, прикладываемого водителем к рулевому колесу, выход которого подключен к первому входу первого суммирующего элемента 4; пропорциональный 5 и интегральный 6 усилители, первые входы которых подключены к выходу первого суммирующего элемента 4, а вторые входы через первый 7 и второй 8 формирователи пропорционального и интегрального коэффициентов усиления подключены к выходу датчика 9 скорости автомобиля, при этом выходы пропорционального 5 и интегрального 6 усилителей подключены соответственно к первому и второму входам второго суммирующего элемента 10, выход которого подключен ко входу регулятора 11 тока электродвигателя; первый дифференциальный усилитель 12, первый вход которого подключен к выходу первого суммирующего элемента 4, второй вход через вновь введенный третий формирователь 13 коэффициента усиления подключен к выходу датчика 9 скорости автомобиля, а выход подключен к третьему входу второго суммирующего элемента 10; второй дифференциальный усилитель 14, вход которого подключен к выходу датчика 3 момента, а выход подключен ко второму входу первого суммирующего элемента 4; формирователь 15 заданного значения момента на рулевом колесе, вход которого подключен к выходу датчика 9 скорости автомобиля, а выход подключен к третьему входу первого суммирующего элемента 4; силовой преобразователь 16, подключенный к бортовому источнику питания 17 через датчик 2 тока; распределитель импульсов 18, у которого первый вход подключен к выходу регулятора 11 тока электродвигателя, вторые шесть входов подключены к выходам датчика 19 положения ротора электродвигателя 1, а выходы подключены к соответствующим входам силового преобразователя 16, выходы которого, в свою очередь, подключены к выводам якорной обмотки электродвигателя 1, при этом регулятор 11 тока электродвигателя выполнен имеющим второй вход, подключенный к выходу датчика 2 тока.

Регулятор 11 тока электродвигателя содержит элемент 20 сравнения, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входами регулятора 11 тока электродвигателя; компаратор 21 с гистерезисной характеристикой, ширина петли которой зависит от сигнала на втором входе компаратора 21, и регулятор 22 величины пульсаций, выполненный в виде резистивного делителя, вход которого подключен к первому входу регулятора 11 тока электродвигателя, а выход - ко второму входу компаратора 21, при этом первый вход компаратора 21 подключен к выходу элемента 20 сравнения, а выход компаратора 21 является выходом регулятора 11 тока электродвигателя.

Сервопривод работает следующим образом. Сигнал с выхода датчика 3 момента поступает на первый вход первого суммирующего элемента 4 и на вход второго дифференциального усилителя 14, который служит для компенсации фазового сдвига выходного сигнала датчика 3 момента, обусловленного его внутренними инерционностями. Из суммарной величины сигналов, поступивших на первый и второй входы первого суммирующего элемента 4, вычитается сигнал, поступающий с выхода формирователя 15 заданного значения момента на рулевом колесе. Этот сигнал формируется в зависимости от текущего значения скорости движения автомобиля. Разностный сигнал с выхода первого суммирующего элемента 4 поступает на входы каждого из усилителей "ПИД-регулятора" (усилители 5, 6 и 12). Коэффициенты усиления по каждой из компонент "ПИД-регулятора" также формируются в зависимости от текущего значения скорости, потому что динамические свойства рулевого механизма как объекта управления существенно зависят от скорости движения автомобиля. Результирующий сигнал (например положительный) с выхода второго суммирующего элемента 10 поступает на вход регулятора 11 тока электродвигателя, при этом компаратор 21 переключится в верхнее положение. Пусть в данный момент времени положение ротора электродвигателя 1, а следовательно, и комбинация логических сигналов на входе постоянного запоминающего устройства будет такова, что это приведет к включению, например, первого Т1 и четвертого Т4 транзисторов силового преобразователя 16. Сигнал на инверсном входе элемента 20 сравнения начинает возрастать в соответствии с возрастанием тока в якорных обмотках электродвигателя 1, что вызывает уменьшение сигнала на входе компаратора 21. В момент, когда ток в якорных обмотках электродвигателя 1 достигнет значения, при котором сигнал на входе компаратора 21 становится отрицательным и по величине равным сигналу, поступающему с регулятора 22 величины пульсаций, выходное напряжение компаратора 21 сменится на отрицательное, что приведет к выключению первого Т1 и четвертого Т4 транзисторов силового преобразователя 16. Ток в якорных обмотках электродвигателя 1 начнет уменьшаться, протекая через соответствующие диоды силового преобразователя 16. Когда ток в якорных обмотках электродвигателя 1 спадет настолько, что сигнал на входе компаратора 21 станет положительным и равным по величине напряжению, поступающему с регулятора 22 величины пульсаций, выходное напряжение компаратора 21 сменится на положительное и повторится описанный процесс, приводящий к возрастанию тока в якорных обмотках электродвигателя 1. Таким образом, ток в якорных обмотках электродвигателя 1 пульсирует относительно среднего значения, пропорционального величине результирующего сигнала на выходе второго суммирующего элемента 10, причем относительная величина пульсаций остается постоянной и не зависит от величины этого сигнала, скорости вращения электродвигателя 1 и величины напряжения бортовой сети автомобиля. То же относится и к среднему значению тока, а следовательно, и к величине момента, развиваемого электродвигателем 1.

Таким образом, при работе устройства использующего регулятор 11 тока электродвигателя, содержащий компаратор 21 с изменяемой шириной петли гистерезиса, обеспечивается полная независимость момента, развиваемого электродвигателем 1, от величины напряжения бортовой сети автомобиля и принципиальное отсутствие перерегулирования среднего значения момента при максимальном быстродействии.

Источники информации 1. "Automotive Engineering", 1998, 9, с.25-31 (см. Прил.1).

2. Слежановский О.В. и др. "Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями", - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 256 с.

Формула изобретения

1. Сервопривод рулевого механизма автомобиля, содержащий электродвигатель, датчик тока, датчик момента, прикладываемого водителем к рулевому колесу, выход которого подключен к первому входу первого суммирующего элемента, пропорциональный и интегральный усилители, первые входы которых подключены к выходу первого суммирующего элемента, а вторые входы, через первый и второй формирователи пропорционального и интегрального коэффициентов усиления подключены к выходу датчика скорости автомобиля, при этом выходы пропорционального и интегрального усилителей подключены соответственно к первому и второму входам второго суммирующего элемента, выход которого подключен ко входу регулятора тока электродвигателя, отличающийся тем, что в него введены первый дифференциальный усилитель, первый вход которого подключен к выходу первого суммирующего элемента, второй вход через вновь введенный третий формирователь коэффициента усиления подключен к выходу датчика скорости автомобиля, а выход - к третьему входу второго суммирующего элемента, второй дифференциальный усилитель, вход которого подключен к выходу датчика момента, а выход - ко второму входу первого суммирующего элемента, формирователь заданного значения момента на рулевом колесе, вход которого подключен к выходу датчика скорости автомобиля, а выход - к третьему входу первого суммирующего элемента, силовой преобразователь, подключенный к бортовому источнику питания через датчик тока, распределитель импульсов, у которого первый вход подключен к выходу регулятора тока электродвигателя, вторые шесть входов - к выходам датчика положения ротора электродвигателя, а выходы - к соответствующим входам силового преобразователя, выходы которого подключены к выводам якорной обмотки электродвигателя, при этом регулятор тока электродвигателя выполнен имеющим второй вход, подключенный к выходу датчика тока.

2. Регулятор тока электродвигателя для сервопривода рулевого механизма автомобиля, первый вход которого подключен к выходу второго суммирующего элемента, второй вход - к выходу датчика тока, а выход подключен к первому входу распределителя импульсов, отличающийся тем, что он содержит элемент сравнения, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входами регулятора тока электродвигателя, компаратор с гистерезисной характеристикой, ширина петли которой зависит от сигнала на втором входе компаратора, и регулятор величины пульсаций, выполненный в виде резистивного делителя, вход которого подключен к первому входу регулятора тока электродвигателя, а выход - ко второму входу компаратора, при этом первый вход компаратора подключен к выходу элемента сравнения, а выход компаратора является выходом регулятора тока электродвигателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2