Анализ и синтез систем управления электромеханическим усилителем руля Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ЭНЕРГЕТИКА

УДК 621.3.076.5

В. И. ДОМАНОВ, А. В. ДОМАЫОВ

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ УСИЛИТЕЛЕМ РУЛЯ

Проведён анализ электромеханического усилители руля как объекта управления. Сформированы требования к его характеристикам. Выполнен синтез различных структур на базе ЭУР. Показано преимущество системы с упреждающей коррекцией.

Ключевые слова: усилитель руля, система управления, упреждающая коррекция.

Современные электромеханические системы всё более широко внедряются в новые объекты или области применения, в частности, в автомобильное электрооборудование.

Одним из наиболее перспективных с точки зрения повышения надёжности управления автомобилем является электромеханический усилитель руля (ЭУР), которому в последнее время отдаётся предпочтение по сравнению с гидравлическим усилителем руля (ГУР) практически всеми известными в мире производителями автомобилей.

На рулевой механизм действуют различные моменты: управляющие - действия водителя (МП{)щ

автоматический возврат рулевого колеса АВРК (МЛт>к), возмущения со стороны дороги (М( ).

При этом все моменты прикладываются к торсиону, который является основным элементом датчика измерения момента. На рис. 1 приведена схема распределения действующих на рулевой механизм моментов.

Рис. 1. Схема распределения моментов, действующих на рулевой механизм

'V

Приведённая схема составлена на основе уравнения баланса моментов рулевого управления с

ЭУР.

U + A4 — M —M - M = M (1)

m рн -Г m эур IV1 c m AHnK 1VI ynp m Jm , v ;

где M3yp = AçK^ - момент, развиваемый ЭУР; Aç> -угол скручивания торсиона; Кл - статический коэффициент усиления ЭУР; M УПР = Л (рС - упругий момент; С - коэффициент жёсткости торсиона; MДИН - динамический момент рулевой системы.

Для выполнения требований, предъявляемых к ЭУР, необходимо высокое быстродействие и большой коэффициент усиления в контуре системы. Это позволяет снизить нагрузку на водителя и демпфировать моментные возмущения, поступающие со стороны нагрузки. Автоматический возврат рулевого колеса в нейтральное положение происходит за счёт сил динамической пассивной стабилизации управляемых колёс. При этом руль находится в свободном состоянии. Для того чтобы АВРК не был воспринят как возмущение, торсион в этом режиме не должен подвергаться скручиванию.

О В. И. Доманов, А. В. Доманов, 2008

Из выражения (1) видно, что с ростом К] снижается нагрузка на водителя:

М ,п = М с + М АНГК + М тн - Д р (К, - С).

(2)

В режиме АВРК руль находится в свободном состоянии, т. е. М РИ = 0. при этом выражение (I) принимает вид:

мг + м ш-к = -С). (3)

В исследуемом режиме ускорение на рулевом колесе близко к нулю, поэтому можно считать, что М ип{ ~ 0. Для предотвращения реакции ЭУР на АВРК необходимо, чтобы А(р = 0 (отсутствовало скручивание торсиома). Для выполнения этого требования необходимо, чтобы трение и момент инерции на рулевом валу были минимальными. Скорость возврата руля в системе с ЭУР должна быть ограничена.

Проведённый анализ позволяет сформулировать требования к жёсткости торсиона, коэффициенту усиления системы, моменту инерции и трению на рулевом валу. Характеристика «торсион - датчик»

должна иметь зону нечувствительности Дм7 . Её можно определить из уравнения баланса моментов

ШТ = (4)

ск

1 Зй), д ,

где сУ, - момент инерции рулевого вала; -—ускорение АВРК; М тр - момент трения на рулевом

Ж

валу.

Исходя из условий работы ЭУР (невысокая скорость вращения рулевого колеса, малый момент его инерции),выражение (4) принимает вид

АМТ « Мгр . (5)

В процессе движения на рулевое колесо действуют различные моменты. Первая группа моментов создаёт сопротивление управляющим действиям, вторая - отражает возмущающие воздействия со стороны дороги. Для обеспечения требуемых законов управления необходимо определить зависимость М(. от различных факторов: управляющих, возмущающих, эксплуатационных. При выполнении маневра (поворота) расстояния от центра поворота до различных точек контактной площадки колеса различны. При этом линейные скорости этих точек одинаковы. В результате этого в контактной площадке возникают упругие деформации, создающие составляющую момента сопротивления

при повороте Мсп . Значение Мсп резко возрастает при малых значениях радиуса кривизны траектории колеса рк .

Если поворот колеса 0 происходит при движении автомобиля, то значение момента сопротивления уменьшается. Общее выражение для этой составляющей момента сопротивления при движении

м имеет вид [1]

/ ОС

М (6)

у

где в - угловая скорость поворота колеса; 1Ш - размер шины; Сы - угловая жёсткость шины;

V - линейная скорость автомобиля.

Из формулы (6) видно, что Мш принимает большие значения при малых скоростях движения V

и больших угловых скоростях поворота 0.

Действие момента Ма представлено на структурной схеме звеном Ж6(р).

При управлении автомобилем обязательно присутствует момент, вызванный ЛВРК, задача которого заключается в возврате колёс в нейтральное положение. Величина этого момента пропорциональна углу поворота колёс и обратно пропорциональна скорости движения автомобиля. Была составлена структурная схема, которая представлена на рис. 2. Действие АВРК описывается на структурной схеме звеном Ж7 (/?).

Рис. 2. Структурная схема системы управления

При использовании ЭУР момент, прикладываемый водителем к рулю, воздействует на датчик момента (торсион), сигнал с которого поступает как задающий на ЭУР, который при этом создаёт дополнительный момент. На структурной схеме это можно представить добавлением звена IV, {р).

В первом приближении в линейной зоне работы его можно представить апериодическим звеном первого порядка [2,3]. Особенностью рассматриваемой структуры является следующее:

- звенья И^ (р) и (р) зависят от свойств и особенностей водителя;

- звенья IV. (р) и 1Ув(р) зависят от условий эксплуатации, в частности, от скорости движения автомобиля.

Описание действия моментов позволяет получить формулы

Г^ /

АГб' К'* —

6 V 1 V

(7)

Рассмотрим передаточную функцию управления без ЭУР

1 1 КАК5У

РАЗТ]Р + 1 Т2р + 1 р^р + к.к^ + к.к.к,

(8)

Применение ЭУР можно учесть следующим выражением:

КЛр) = КАР№эуЛР)- <«>

Если рассматривать систему управления с конкретным водителем, то для первоначального анализа можно принять, что {Т{; Т2} = СОП31. Очевидно, что существует граница устойчивости, зависящая от скорости движения автомобиля V. На практике постоянные и Т2 трудно разделимы, поэтому проведём замену

тх + т2 = з. (ю)

Подставим (10) в выражение (8) и получим

¡V 1ЧЗ(Р) =-1-----------(II)

РЛЗУИ' (ф + 1) (Ур1 + К4К6р + К,К5К1)

Видно, что переходный процесс зависит от времени реакции водителя 3 и скорости движения автомобиля V . На рис. 3 приведено О-разбиение по параметрам V и 8.

Можно заметить, что с увеличением скорости ужесточаются требования к времени реакции водителя. В то же время при низких значениях скорости требования к водителю резко снижаются. Качественная картина О-разбиения сохраняется при вариации значений Тм . Однако анализ показывает, что вязкое трение (К6) существенно влияет не границу устойчивости. С уменьшением К(х резко снижается допустимое значение д при одних и тех же величинах V .

Рис. 3. О-разбиение; 1 - система без ЭУР; 2 - система с ЭУР без коррекции; 3 - система с ЭУР и последовательной коррекцией; 4 - система с ЭУР и упреждающей коррекцией

Рассмотрим влияние усилителя руля на характеристику 1)-разбиения.

На рис. 3 показано О-разбиение для системы с ЭУР.

Сравнивая Э-разбиения на рис. 3, можно видеть, что без применения специальных корректирующих устройств ЭУР уменьшает допустимые значения 5, т. е. ужесточаются требования к-, быстроте реакции водителя. Таким образом, становится необходимым синтезировать (скорректировать) систему управления, в которой устранялось бы это противоречие.

Для активной коррекции системы используем в качестве подстроечного сигнал, пропорциональный скорости автомобиля

и^К.У (12)

и сигнал индивидуальной настройки

V н - Кн3, (13)

где Ку и Ки - коэффициенты пропорциональности.

Введём в систему управления узел коррекции ¡Ук(р) (рис. 4). В его состав входят три звена. Входной фильтр имеет передаточную функцию вида

04)

ТРр + 1

где 5¡. - настроечное (компенсирующее) значение постоянной времени; Т/: - постоянная времени фильтра.

Элементом узла коррекции является делительное звено УУдщ, (р) ■ Сигнал Xъ на выходе звена деления находится следующим образом:

Х2(р) (8Рр + \)Хк{р) (|5)

Х4(р) (Те р + 1)( КУ + 1)

В соответствии с (15) передаточная функция разомкнутой скорректированной системы принимает вид

___йг1±1___^____. (16)

5р + 1 (ТЕр + \)(КУ +1) Т3р + 1 Ур2 + К4Квр + К4К5К7

и

н

1 1 V ' 1 ь> К{ р) X, • »'.„Ар) 1 1.А', А',

5р +1 1 1 | ^ 1 + 1

Узел коррекции

V

Рис. 4. Схема включения узла последовательной коррекции в систему

Предположим, что и 8 ~ 6, , тогда после упрощения (16) принимает вид

Щр)

1

Т'Рр + \ Ур2 +К,К6р + К,К,К1'

(17)

где Т\: = Г/г + Г3.

График О-разбиения для системы с коррекцией представлен на рис. 3. Видно, что область устойчивости позволяет работать при более высоких значениях скорости V автомобиля по сравнению с предыдущем случаем.

Приведённые расчёты показывают, что предлагаемый узел коррекции не позволяет полностью решить задачу получения большого контурного коэффициента.

Проведённые исследования рулевого управления показали, что демпфирующие сигналы со звеньев \¥ь и У/п структурной схемы (рис. 2) зависят от скорости движения автомобиля. Это затрудняет

настройку системы традиционными методами (подчинённое регулирование, компенсация сигнала и т. д.). Применение упреждающей коррекции позволяет более просто решить эту задачу.

I

Сущность метода упреждающей коррекции подробна описана в литературе [4]. Такое построение схемы позволяет добиться высокого быстродействия и качества переходного процесса. Кроме того, при правильном применении метод упреждающей коррекции позволяет получить системы с пониженной чувствительностью к вариациям параметров объекта и внешних возмущений, при этом обеспечивает более высокое быстродействие, чем метод последовательной коррекции. Это свойство упреждающей коррекции особенно важно в системе управления ЭУР.

Система ЭУР (рис. 2) отличается от типовой схемы для построения упреждающей коррекции. Используя известную методику [4], можно синтезировать структуру ЭУР с упреждающей коррекцией (рис. 5).

Для соблюдения настройки упреждающей коррекции должны выполняться условия

(I 8Ч

Передаточная функция звена IVх (р) определяется выражением

IV, (р) =

Щр)

1 + УГАрУГЛР)

В соответствии с выражением (18) получаем

КЛР) =

к,,

V

(19)

(20)

при условии Кр = К1. При такой настройке 1Уг(р) одновременно компенсируется изменение параметров звена И/6(р).

М'

1

1 /./>+1

1 к т

/,/) + ! г,р* 1

Рис. 5. Структурная схема ЭУР с упреждающей коррекцией

Рассмотрим систему управления ЭУР, когда полностью соблюдаются условия (20). Для этого варианта передаточная функция замкнутой системы принимает вид

IV ( Р) =

г 'имК V/ '

КАК5КГ

(¿Р + 1УУР+к,К,)Р + К,К,Кг

(21)

Проведём О-разбиение по координатам V — 5 (рис. 3).

Из графика О-разбиения видно, что область устойчивости больше, чем в системе без УК.

Сравнение двух структур построения ЭУР позволяет сделать следующие выводы:

- установка ЭУР без применения специальных корректирующих звеньев может ухудшить управляемость автомобиля;

- в коррекции системы ЭУР необходимо применять сигнал, пропорциональный скорости автомобиля;

- применение упреждающей коррекции позволяет более чем в два раза расширить область устойчивости по сравнению с традиционной структурой.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Литвинов, А. С. Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств/ А. С. Литвинов, Я. Е. Фаро-бин. - М.: Машиностроение, 1989. - 237 с.

2. Боровиков, М. А. Вопросы построения автомобильного вентильного электропривода с микроконтроллерной системой управления / М. А. Боровиков, В. И. Доманов, А. В. Доманов // Вестник УлГТУ. - №1. -С. 66-70.

3. Доманов, В. И. Разработка и исследование микропроцессорной системы управления момент-ного электропривода рулевого механизма / В. И. Доманов, А. В. Доманов // Электротехника. - 2001. -№5.-С. 35-38.

4. Боровиков, М. А. Расчёт быстродействующих систем автоматизированного электропривода и автоматики / М. А. Боровиков. - Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 1980. - 389 с.

ООО

ООО

Доманов Виктор Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электропривод и автоматизации промышленных установок» энергетического факультета УлГТУ. Имеет статьи и док-лады по вопросам повышения качества автоматизированных электроприводов. Автор 7 изобретении.

Доманов Андрей Викторович, кандидат технических наук. доцент кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» энергетического факультета УлГТУ\ Имеет статьи и доклады по исследованию вентильных двигателей и оптимальному управлению.