Electric power steering for a car

Full Text

Современные автомобили оснащаются усилителями рулевого управления различного типа, в том числе и электромеханическими (ЭУРУ). Последние могут быть реализованы на базе электродвигателей различного типа , в том числе и асинхронных. Двигатели этого типа самые простые по конструкции, надёжные, дешёвые и не требуют обслуживания. Главным их недостатком является малый пусковой момент по сравнению с максимально возможным. Но если в них применять метод частотного управления, то от этого недостатка можно избавиться. В статье рассматривается ЭУРУ, реализуемый на базе частотно-управляемого асинхронного двигателя. Полная развёрнутая блок-схема ЭУРУ в системе рулевого управления автомобиля представлена на рисунке 1. Рисунокм1. Развёрнутая блок-схема ЭУРУ в системе рулевого управления автомобиля: 1 - рулевое колесо (РК); 2 - датчик момента (ДМ);, 3 кинематическая передача (КП); 4 - рулевой механизм (РМ); 5 - управляемое колесо (УК);, 6 - исполнительный асинхронный двигатель (АД); 6' - ЭУРУ,;7 - инвертор (И); 8 - датчик тока (ДТ); 9 - бортовой источник питания (БИП); 10 - формирователь напряжения управления (ФНУ); 11блок реверса (БР); 12 - компаратор (К); 13 - задатчик токоограничения (Iогр); 14 - датчик частоты вращения исполнительного двигателя (ДЧВ); 15 - датчик скорости движения автомобиля (ДС); 16 - управляемый задающий генератор (УЗГ); 17 - формирователь закона управления исполнительным двигателем (ФЗУ); 18 - регулятор напряжения на обмотках двигателя (РН); 19 - частотно импульсный модулятор (ЧИМ); 20 - трёхфазный распределитель импульсов (РИ) При повороте рулевого колеса в ту или иную сторону датчик момента ДМ вырабатывает сигнал на формирователь напряжения управления ФНУ задающим генератором УЗГ. Генератор включается и выдаёт последовательность импульсов, поступающих на трёхфазный интегральный распределитель импульсов РИ. Импульсы РИ через интегральный логический регулятор напряжения РН и блок реверса БР управляют транзисторными ключами инвертора И, преобразующего постоянное напряжение бортового источника питания БИП в переменное трёхфазное. Под действием этого напряжения электродвигатель через кинематическую передачу КП и рулевой механизм РМ отрабатывает заданный датчиком момента угол поворота колёс и останавливается. При повороте рулевого колеса в другую сторону логика работы ЭУРУ меняется. В результате две из трёх фаз асинхронного двигателя меняются местами и он вращается в обратном направлении, а управляемые колёса возвращаются в исходное положение (или поворачиваются в другую сторону). Происходит это следующим образом. При повороте рулевого колеса в другую сторону на дополнительном выходе формирователя напряжения управления ФНУ изменяется логическое состояние, например, с логической единицы «1» на логический ноль «0». При этом блок реверса БР по слаботочной цепи управления инвертором меняет две его выходные фазы местами и двигатель начинает вращаться в другом направлении. Так как вся система постоянно работает в переходных режимах пуска и остановки двигателя, то для получения максимального пускового момента на валу исполнительного асинхронного двигателя его пуск осуществляется частотным методом. Для этого в систему введена обратная связь по частоте вращения вала двигателя, включающая в себя датчик частоты вращения двигателя ДЧВ и формирователь закона управления ФЗУ управляемого задающего генератора УЗГ. Поэтому начальный пуск двигателя начинается практически с частоты, близкой к нулевой с максимально возможным моментом. Так как исполнительный двигатель АД работает в постоянном режиме пусков и остановок, то при этом могут возникнуть недопустимо большие для ключей инвертора и обмоток двигателя пусковые токи. Следовательно, эти токи необходимо ограничивать. Эту функцию выполняют узлы: датчик тока ДТ, задатчик токоограничения Iогр, компаратор К, частотно-импульсный модулятор ЧИМ. Выходной модулированный сигнал ЧИМ поступает на регулятор напряжения РН, который, в свою очередь, воздействует на ключи инвертора таким образом, что ток в системе не превышает допустимого значения Iогр. Принципиальная электрическая схема системы ЭУРУ показана на рисунке 2. Рисунок 2. Принципиальная электрическая схема системы ЭУРУ Управляемый задающий генератор УЗГ реализован на транзисторах VT7 - VT9. Его выходные импульсы поступают синхронно на счётные входы интегральных JK триггеров распределителя DD4 - DD6, соединённых между собой в пересчётное кольцо. Выходные сигналы распределителя следуют со 180º коммутацией. Они сдвинуты по отношению друг к другу по фазе на 120º и через регулятор напряжения и блок реверса управляют шестью ключами инвертора VT1 - VT6. Принципы работы управляемого задающего генератора, распределителя импульсов и инвертора известны и описаны, в частности, в [1, 2]. Регулятор напряжения РН реализован на элементах логики DD2.1 - DD2.3 и работает следующим образом. Так как эти элементы представляют собой ячейки логики типа «И», то на их выходах появляется логическая «1» только тогда, когда на обоих входах имеют место также логические «1». Так как на один из входов всех трёх ячеек поступает сигнал со 1800 коммутацией с выходов распределителей импульсов, а на другой - сигналы с выходов компаратора К, то до тех пор, пока потребляемый системой ток не превышает порога ограничения Iогр, на выходе компаратора имеет место логическая «1» и он не вмешивается в работу ячеек DD2.1-DD2.3. Как только потребляемый ток превысит значение Iогр, на выходе компаратора появляется последовательность чередующихся с повышенной частотой модулирующих импульсов. Они начинают модулировать выходные низкочастотные импульсы ячеек регулятора напряжения, а, следовательно, влияют на работу ключей инвертора таким образом, что потребляемый системой ток ограничивается на заданном уровне. Блок реверса БР выполнен на ячейках логики DD1.1 - DD1.4 и ячейке DD3.2. При повороте руля в ту или иную сторону на выходе ФНУ соответственно формируются логические «1» или «0». Если это логическая «1», то, поступая на один из входов ячеек DD1.1 и DD1.3, они разрешают прямому прохождению импульсов управления фазами В и С инвертора, а, следовательно, и вращению двигателя в прямом направлении. Если же на выходе ФНУ имеет место логический «0», то указанное прямое прохождение импульсов управления ключами инвертора оказывается под запретом, а процесс управления через инвертирующую ячейку DD3.2 переходит к элементам блока реверса DD1.2, DD1.4. В итоге фазы двигателя B и С меняются местами и сам двигатель начинает вращаться в другую сторону. Логика управления стойкой инвертора VT1VT2, формирующей фазу питания двигателя А, остаётся неизменной.

About the authors

V. A Prokhorov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: vitya.push@yandex.ru
Ph.D.; +7 499 762-09-76, +7 495 474 -62-00

O. V Devochkin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: devochkin.oleg@yandex/ru
Ph.D., Prof.; +7 499 762-09-76, +7 495 474 -62-00

References

Supplementary files