ЭЛЕКТРОПРИВОД СИСТЕМЫ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК B62D5/04 

Изобретение относится к области автомобилестроения и предназначено для применения в электромеханических системах рулевого управления транспортных средств, работающих преимущественно в маневровом режиме.

Известен электропривод системы рулевого управления [1], в котором сигнал с датчика момента на входе рулевого механизма с помощью нелинейного звена преобразуется в задающее значение вращающего момента привода, из него в элементе сравнения вычитается сигнал от измерителя фактического значения момента, получаемого с помощью датчиков тока и частоты вращения электродвигателя, и полученная разность подается на блок управления электродвигателем.

Недостаток этого электропривода заключается в том, что желаемая функция изменения во времени угла поворота управляемых колес существенно отличается от необходимого для реализации этой функции закона изменения во времени вращающего момента, прикладываемого водителем к рулевому колесу.

Наличие указанного недостатка приводит к тому, что в автомобилях с кинематическим (позиционным) способом управления при отсутствии визуального контроля за угловым положением управляемых колес водитель, оценивающий предстоящие изменения в движении автомобиля по упреждающей реакции на его руки вращающего момента со стороны рулевого колеса, может получить ошибочное представление о текущем угловом положении управляемых колес, что значительно снижает точность маневрирования.

Задачей, на решение которой направлено создание предлагаемого изобретения, является повышение точности управления автомобилем при маневрировании.

Для решения этой задачи в электропривод системы рулевого управления, включающий в себя последовательно соединенные датчик момента на входе рулевого механизма, нелинейный формирователь основной составляющей задающего воздействия вращающего момента привода, связанный своим выходом с первым положительным входом сумматора, блок управления электродвигателем и электродвигатель, снабженный датчиками тока и частоты вращения, подключенными к измерителю фактического момента привода, выход которого связан с отрицательным входом сумматора, введен наблюдатель второй производной угла поворота рулевого колеса, связанный своими входами с датчиком момента на входе рулевого механизма и датчиком частоты вращения электродвигателя, а выходом - со вторым положительным входом сумматора.

Как известно, наблюдателем называют устройство, обеспечивающее восстановление значения сигнала координаты по измеренным значениям других координат (см. , например, Теория автоматического управления. Учебник для вузов. Ч.2. /Под ред. А.А. Воронова. М.: Высш. шк., 1986, 504 с.).

В предлагаемом электроприводе предусмотрено, что наблюдатель содержит в себе сумматор, первый вход которого через два последовательно соединенных дифференцирующих звена соединен с выходом датчика момента, а второй вход через последовательно включенные третье дифференцирующее и первое усилительное звенья - с датчиком частоты вращения электродвигателя, при этом выход сумматора через второе усилительное звено подключен к выходу наблюдателя.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого электропривода системы рулевого управления со следующими обозначениями:
1 - датчик момента Т_вх на входе рулевого механизма;
2 - нелинейный формирователь основной составляющей Т_{зад.осн} задающего значения вращающего момента привода в соответствии с заданной функцией Т_{зад.осн} = F(T_вx);
3 - наблюдатель второй производной угла поворота рулевого колеса, вырабатывающий дополнительную составляющую Т_{зад.под.} задающего значения момента привода;
4 - сумматор;
5 - блок управления электродвигателем;
6 - электродвигатель привода;
7 - датчик частоты вращения электродвигателя;
8 - датчик тока I электродвигателя;
9 - измеритель фактического момента Т_ф привода.

Схема работает следующим образом.

Водитель, поворачивая рулевое колесо, прикладывает к нему вращающий момент

в выражении для которого
Т_вх - вращающий момент на входном валу рулевого механизма, измеряемый датчиком 1;
J _р.к. - момент инерции рулевого колеса;
- вторая производная угла поворота рулевого колеса.

Момент Т_вх с помощью нелинейного формирователя 2 преобразуется в основную составляющую Т_зaд.ocн = F(T_вх) задающего значения вращающего момента, подаваемую на первый положительный вход сумматора 4, на второй положительный вход которого с наблюдателя 3 поступает дополнительная составляющая задающего значения вращающего момента, где m - постоянный множитель. В результате полное задающее значение момента привода определится как Т_зад = Т_{зад.осн} + Т_{зад.доп}, или

Таким образом, задающий вращающий момент в предлагаемом приводе повторяет закон изменения момента М_р.к., прикладываемого водителем к рулевому колесу более точно, чем в известном приводе [1], в котором Т_зад= F(T_вх).

В свою очередь, блок управления 5 электродвигателем 6, охваченный отрицательной обратной связью с помощью датчиков тока 8 и частоты вращения 7 электродвигателя 6, подключенных через измеритель 9 фактического момента Т_ф к отрицательному входу сумматора 4, обеспечивает воспроизведение приводом задающего момента Т_зад и, как следствие, совпадение с точностью до постоянного множителя фактического значения Т_ф момента привода с моментом М_р.к. на рулевом колесе.

Поскольку в режиме маневрирования фактические значения момента Т_ф, требуемые для поворота управляемых колес, определяются, главным образом, стабилизирующим моментом, действующим на управляемые колеса со стороны дороги, значение которого пропорционально углу поворота управляемых колес, то отмеченное выше совпадение Т_ф и М_р.к. означает, что желаемая функция изменения во времени угла поворота ϕ_у.к. управляемых колес будет совпадать с необходимым для реализации этой функции законом изменения во времени момента М_р.к., прикладываемого водителем к рулевому колесу, т.е. будет достигнута цель изобретения.

На фиг.2 представлен пример построения схемы наблюдателя 3 второй производной угла поворота рулевого колеса, на которой 10, 11, 14 - дифференцирующие устройства, 12 - сумматор, 13, 15 - блоки усиления.

Принципиальная возможность наблюдения, т.е. косвенного восстановления обусловлена тем, что сигнал Т_вх, соответствующий моменту на входе рулевого механизма, формируется как результат измерения угла скручивания упругого торсиона, соединяющего входной и выходной валы рулевого механизма, а именно:
T_вх = c•(ϕ_p.к.- ϕ_вых),
где ϕ_p.к. и ϕ_вых - углы поворота входного (с рулевым колесом) и выходного валов рулевого механизма соответственно;
С - коэффициент жесткости торсиона.

В наблюдателе сигнал Т_вх, пройдя через дифференцирующие звенья 10 и 11, получит вид

содержащий искомую вторую производную угла поворота рулевого колеса.

Аналогично, сигнал полученный с датчика частоты вращения электродвигателя, после дифференцирования в блоке 14 и умножения на отношение С/i в усилителе 13 будет нести информацию о второй производной угла поворота выходного вала рулевого механизма:

где i - передаточное число редуктора, установленного между электродвигателем и выходным валом рулевого механизма.

В результате сложения сигналов, полученных с блоков 11 и 13, на выходе сумматора 12 получается наблюдаемая величина , из которой в усилителе 15 формируется дополнительная составляющая задающего значения вращающего момента привода
На фиг. 3 приведены результаты экспериментальной проверки эффективности предложенного привода, проведенной авторами на математической модели полной системы рулевого управления автомобиля ВАЗ 2123. Из графиков следует, что по сравнению с моментом М_р.к.[1] на рулевом колесе в известном приводе [1] в системе с предлагаемым электроприводом закон изменения во времени момента М_р.к., прикладываемого водителем к рулевому колесу, в большей степени совпадает с функцией угла поворота ϕ_у.к. управляемых колес, что отвечает поставленной цели изобретения.

Источники информации
1. Патент США 5473539, кл. B 62 D 5/04, 5.12.95, Shimizu и др.

Изобретение относится к области автомобилестроения и предназначено для применения в электромеханических системах рулевого управления транспортных средств, работающих преимущественно в маневровом режиме. Электропривод включает в себя последовательно соединенные датчик момента на входе рулевого механизма, нелинейный формирователь основной составляющей задающего воздействия вращающего момента привода, связанный своим выходом с первым положительным входом сумматора, блок управления электродвигателем и электродвигатель, снабженный датчиками тока и частоты вращения, подключенными к измерителю фактического момента привода, выход которого связан с отрицательным входом сумматора. Электропривод дополнительно содержит наблюдатель второй производной угла поворота рулевого колеса, связанный своими входами с датчиком момента на входе рулевого механизма и датчиком частоты вращения электродвигателя, а выходом - со вторым положительным входом сумматора. Указанный наблюдатель содержит сумматор, первый вход которого через два последовательно соединенных дифференцирующих звена соединен с выходом датчика момента, а второй вход через последовательно включенные третье дифференцирующее и первое усилительное звенья - с датчиком частоты вращения электродвигателя, при этом выход сумматора через второе усилительное звено подключен к выходу наблюдателя. Технический результат заключается в повышении точности управления автомобилем при маневрировании. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электропривод системы рулевого управления, включающий в себя последовательно соединенные датчик момента на входе рулевого механизма, нелинейный формирователь основной составляющей задающего воздействия вращающего момента привода, связанный своим выходом с первым положительным входом сумматора, блок управления электродвигателем и электродвигатель, снабженный датчиками тока и частоты вращения, подключенными к измерителю фактического момента привода, выход которого связан с отрицательным входом сумматора, отличающийся тем, что в электропривод введен наблюдатель второй производной угла поворота рулевого колеса, связанный своими входами с датчиком момента на входе рулевого механизма и датчиком частоты вращения электродвигателя, а выходом - со вторым положительным входом сумматора. 2. Электропривод по п. 1, отличающийся тем, что указанный наблюдатель содержит в себе сумматор, первый вход которого через два последовательно соединенных дифференцирующих звена соединен с выходом датчика момента, а второй вход - через последовательно включенные третье дифференцирующее и первое усилительное звенья - с датчиком частоты вращения электродвигателя, при этом выход сумматора через второе усилительное звено подключен к выходу наблюдателя.