автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение эффективности безредукторного электромеханического усилителя рулевого управления автомобиля

На правах рукописи

ООУ'Юч— ■

ТЮРИН Максим Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ БЕЗРЕДУКТОРНОГО ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО УСИЛИТЕЛЯ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ АВТОМОБИЛЯ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 НОЯ 2009

НОВОСИБИРСК - 2009

003484364

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Новосибирский государственный технический университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Боченков Борис Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Малинин Леонид Иванович

доктор технических наук, профессор Пантелеев Василий Иванович

Ведущая организация: ФГУП ПО «Север», г. Новосибирск

Защита состоится «17» декабря 2009 г., в 10-00 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.173.04 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета

Автореферат разослан «16» ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

Н. И. Бородин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность темы. За последние десять лет в мировой и в отечественной автомобильной промышленности наметилась тенденция к использованию в системе рулевого управления автомобилей электромеханических усилителей. По сравнению с гидравлическими усилителями они обладают рядом преимуществ, основными из которых являются следующие: лучшие массогабаритные показатели, гибкость управления и экономичность.

Среди многочисленных типов электромеханических усилителей рулевого управления (ЭМУР) для легковых автомобилей массой до 1,5 т. наиболее широкое распространение получили усилители «колончатого» типа, которые встраиваются непосредственно в рулевую колонку автомобиля. Как правило, усилители данного типа изготавливаются на базе высокоскоростного двигателя и редуктора. Исследование ЭМУР данного типа ведется с начала 90-х годов, что находит свое отражение в большом количестве патентов на конструкцию ЭМУР и способ управления. К числу инновационных можно отнести разработки японских исследователей Yasuo Shimizu, Atsuhiko Yoneda, Hitoshi Shiobara, Takashi Kuribayashi, Hirofumi Matsuoka. Серийное производство автомобилей с ЭМУР этого типа ведется уже более 10 лет следующими автопроизводителями: Renault, Citroen, Opel, Fiat, Toyota, Honda. В РФ исследованием и разработкой редукторных ЭМУР «колончатого» типа совместно с ОАО «АВТОВАЗ» занимаются с конца 90-х НПП «Эметрон» и «Авиаагрегат» г. Новочеркасск, и НПК «Энергия» г. Воронеж.

Однако, для ряда применений наиболее предпочтительным является использование безредукторного ЭМУР, разработанного группой новосибирских ученых. Отсутствие редуктора позволяет исключить необходимость компенсации сухого и вязкого трения в редукторе, необходимость реализовывать активный самовозврат в алгоритме управления ЭМУР, а также повышает безопасность системы рулевого управления, так как по сравнению с редукторным вариантом, в случае выхода из строя ЭМУР, на рулевой колонке не возникает дополнительного момента сопротивления. Безредукторный ЭМУР представляет собой мехатронный модуль, выполненный на базе синхронного двигателя магнитоэлектрического возбуждения с интегрированным в корпус двигателя датчиком момента. Безредукторный ЭМУР впервые разрабатывается в России и не имеет аналогов в мире. Опытный образец вышел в 2000 г., а серийное производство началось только в 2007. Исходя из этого, в мировой практике еще не накоплен большой опыт, и имеется ряд проблем требующих своего решения.

На стадии первичной разработки, одним из основных требований, предъявляемых к ЭМУР, являлось обеспечение пропорциональности между моментом, прикладываемым к рулевому колесу водителем, и выходным моментом, вырабатываемым электродвигателем. Не имея в своем составе редуктора, безредукторный ЭМУР представлялся настолько простым объектом управления, что его собственные конструктивные особенности и динамические

свойства не были исследованы в полном объеме. В последующем это требование преобразовалось в следующую форму: во всем диапазоне рабочих частот должна сохраняется пропорциональность между моментом, прикладываемым водителем к рулевому колесу, и моментом на выходном валу ЭМУРа. От точности выполнения данного требования зависит сохранение так называемого «чувства дороги», непосредственно сама точность управления автомобилем и, как следствие, безопасность движения.

Основным ограничением в выполнении данного условия является сложность прямого измерения момента, прикладываемого водителем к рулевому колесу. В связи с этим, пропорциональность измеренного момента с моментом, создаваемым электродвигателем, не может обеспечить требуемой точности управления, которая обеспечивается только в статических режимах. В настоящее время для измерения момента, как в редукторном, так и в безредукторном варианте ЭМУР, используется датчик момента, принцип действия которого основан на измерении угла скручивания относительно нежесткого торсиона. Выходной сигнал с этого датчика пропорционален моменту, прикладываемому к рулевому колесу водителем только в статических режимах. Данное ограничение приводит к необходимости косвенным путем восстанавливать достоверную информацию о моменте, прикладываемом к рулевому колесу водителем в динамических режимах, и формировать требуемый сигнал на выработку момента электродвигателя.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является повышение эффективности функционирования безредукторного ЭМУР на основе высокоточных элементов измерительной системы и алгоритмов формирования сигнала на выработку выходного момента, обеспечивающих высокую статическую и динамическую точность.

Для достижения сформулированной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработана классификация систем управления синхронными двигателями магнитоэлектрического возбуждения (СДМВ), позволяющая получить наглядное представление о возможных вариантах построения систем векторного управления СДМВ и провести рациональный выбор системы управления электродвигателем в составе ЭМУР.

2. Проведен анализ математической модели системы рулевого управления автомобиля с безредукторным ЭМУР, на основании которого сформулировано требование к моменту, вырабатываемому ЭМУР.

3. Проведен анализ динамических свойств системы рулевого управления с ЭМУР и выявлены факторы, ухудшающие динамическую точность.

4. Разработан алгоритм формирования сигнала на выработку выходного момента безредукторного ЭМУР, обеспечивающего высокую статическую и динамическую точность.

5. Разработаны элементы измерительной системы безредукторного ЭМУР, обеспечивающие высокое качество управления и упрощающие алгоритм формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР.

Методы исследований. Для достижения поставленной цели в работе использовались методы теории электропривода, теории автоматического управления, системного анализа, математического и имитационного моделирования, а также экспериментальные исследования.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

• Сформулированное требование к выходному моменту ЭМУР, выполнение которого позволяет провести декомпозицию, выделив ЭМУР из общей структурной схемы системы рулевого управления как подсистему, не влияющую на динамические свойства системы рулевого управления, что также допускает проведение синтеза алгоритма формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР по математической модели непосредственно самого ЭМУР.

• Предложенный алгоритм формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР, обеспечивающий высокую статическую и динамическую точность.

• Разработанные элементы измерительной системы ЭМУР:

- датчик крутящего момента, применение которого позволяет обеспечить

высокое качество управления.

- датчик углового ускорения, позволяющий упростить реализацию

алгоритма формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР.

Научная новизна основных результатов диссертации заключается в следующем:

1. Предложен алгоритм формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР, дополнительно учитывающий компенсацию погрешности измерений датчика момента в динамических режимах и компенсацию динамического момента самого ЭМУР, что обеспечивает высокую статическую и динамическую точность.

2. Сформулировано требование к выходному моменту ЭМУР, являющееся, по своей сути, новой постановкой задачи управления. Выполнение данного требования позволяет рассматривать ЭМУР как отдельную подсистему, не влияющую на динамические свойства системы рулевого управления, и допускает проведение синтеза алгоритма формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР по математической модели непосредственно самого ЭМУР.

Практическая значимость результатов работы:

1. Определен критерий оценки качества ЭМУР при проведении сравнительных испытаний, основой которого является динамическая погрешность в заданном диапазоне частот. Предложенный критерий дает возможность провести сравнительные оценки на этапе исследования новых типов ЭМУР и их алгоритмов.

2. Предложен алгоритм формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР, позволяющий исключить влияние ЭМУР на динамические свойства системы рулевого управления.

3. Предложена конструкция ЭМУР с датчиком момента на основе магнитоупругого эффекта, в результате применения которого повышается точность измерения момента и до 20% повышается точность воспроизведения выходного момента при отработке реакции со стороны дороги с частотой до 20 Гц по сравнению с датчиком момента, имеющим относительно нежесткий торсион.

Реализация результатов работы. Результаты исследований в виде алгоритмов повышения динамической точности безредукторного ЭМУР используются в ООО «НИИ Автоматики и силовой электроники». Получен акт о применении результатов, а также справка об использовании результатов диссертации в учебном процессе при подготовке инженеров, бакалавров, магистрантов на кафедре ЭАПУ Новосибирского государственного технического университета.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XIII Международной научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» ЭППТ-05 (Екатеринбург, 2005); на II Международной научно - технической конференции «Электротехника, Электромеханика, Электротехнологии» ЭЭЭ-05 (Новосибирск, 2005); на Международной конференции IFOST-2006 (Улсан, Корея, 2006) на научных семинарах кафедры автоматики и кафедры ЭАПУ НГТУ (2003-2009).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6 печатных работах, в том числе одна работа в журнале, входящем в перечень ВАК, 3 статьи в трудах международных конференций и 2 в научных сборниках.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 112 наименований и 5 приложений. Работа содержит 162 страницы основного текста, 70 рисунков, 13 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Отражены суть проблемы, актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, описаны методы исследований. Приведены основные положения, выносимые на защиту, изложены сведения о научной значимости и практической ценности, реализации и апробации работы.

В первой главе освещено современное состояние и тенденции развития разработок усилителей рулевого управления. Проведен обзор возможных вариантов построения систем рулевого управления с электромеханическими усилителями рулевого управления. Проведен анализ возможных вариантов датчика момента и типов электродвигателя для применения в составе ЭМУР.

Во второй главе приведено математическое описание СДМВ и полученные на его основе структурные схемы, позволяющие анализировать режимы его работы.

Мехатронные системы представляют собой синергию взаимно интегрированных электромеханических и электронных элементов формирующих систему управления движением, и, как правило, обозначенные элементы обладают предельными показателями. Наибольшее распространение в таких системах получили синхронные двигатели с магнитоэлектрическим возбуждением (СДМВ), обладающие наилучшими удельными и эксплуатационными показателями благодаря отсутствию скользящих контактов и потерь в роторе, а также лучшему использованию материалов по моменту.

Для управления моментом бесколлекторного двигателя необходима система управления, преобразующая сигнал задания требуемого момента и информацию о состоянии двигателя в сигналы задания управляющих воздействий, воспринимаемых двигателем. Причём на показатели качества электропривода решающее значение оказывает принцип построения этой системы управления.

Существует большое количество возможных вариантов построения систем управления. Многообразие применяемых систем управления объясняется вариацией возможных исполнений отдельных элементов этих систем. Практически все системы включают в себя регулятор тока, преобразователь координат, инвертор напряжения с ШИМ, формирователь сигнала положения вращающейся системы координат, ш-фазный двигатель. Наиболее часто варьируются типы и принцип построения первых трех элементов.

На основе вышесказанного составлена таблица 1 для систем векторного управления СДМВ. В качестве классификационных признаков используется следующее: 1. тип регулятора, 2. тип ШИМ, 3. тип системы координат, в которой ведется регулирование тока. Таблица может быть расширена путем вариации и других элементов системы, например, типов формирователей сигнала положения вращающейся системы координат, количества фаз двигателя и т.п.

Таблица 1

Классификация систем векторного управления СДМВ_

Тип регулятора тока Тип ШИМ Тип системы координат, в которой ведется регулирование тока

Вращающая ортогональная М Неподвижная ортогональная а,р Неподвижная трехосевая а, в, с Полярная Р

Двухпози-ционный 1 2 3 4

Квазинепрерывный Векторная 5 6 7 8

Пофазная 9 10 11 12

Под номерами с 1-го по 12-ый подразумеваются схемы, отвечающие совокупности пересекающихся признаков. Все схемы также приведены во второй главе.

Безусловно, для обоснованного выбора той или иной системы управления необходимо иметь представление о преимуществах и недостатках, которые присущи как отдельным элементам, так и их комбинации. В данной главе приведены некоторые особенности составных элементов систем управления.

Ряд схем, полученных путем синтеза по предложенной классификационной таблице, не был реализован ранее. Но, не исключено, что для каких либо приложений именно они будут наиболее удобны для применения.

При анализе различных функциональных схем можно сделать вывод о том, что для системы управления ЭМУР наиболее предпочтительна схема с формированием токов в полярной системе координат с векторной модуляцией и квазинепрерывными регуляторами тока (рис. 1).

Рис. 1. Функциональная схема системы управления с векторной модуляцией в полярной системе координат

Состав системы: РТ - регуляторы тока, РФ - регулятор фазы, ВМ - векторный модулятор, ИН- инвертор напряжения, СДПМ - синхронный двигатель с постоянными магнитами, ДПР - датчик положения ротора, ПК-преобразователь координат.

Третья глава посвящена анализу математической модели системы рулевого управления автомобилем и анализу режимов работы ЭМУР; сформулировано требование к выходному моменту ЭМУР; выявлены факторы, влияющие на динамическую точность управления.

Рис.2. Структурная схема рулевого управления с ЭМУР

Структурная схема, соответствующая системе уравнений описывающих систему рулевого управления с ЭМУР приведена на рис. 2.

На структурной схеме (рис. 2) приняты следующие обозначения:

М1 - момент, создаваемый водителем на рулевом колесе;

М2 - выходной момент, создаваемый двигателем ЭМУР;

М3 - приведенный момент от воздействия микропрофиля дороги;

М4 -момент сопротивления среды;

С) - жесткость торсиона ЭМУР;

С2 - жесткость эластичной муфты и рулевых тяг;

Сз - крутильная жесткость шин;

С4 - приведенная боковая жесткость шин и жесткость рычагов подвески;

МУ| - момент упругий, порождаемый относительной нежесткостью торсиона в составе датчика момента;

МУ2 - момент упругий, порождаемый нежесткостью эластичной муфты и рулевых тяг;

Муз - момент упругий, возникающий вследствие нежесткости шин при кручении;

Му4 - момент упругий, возникающий вследствие боковой нежесткости шин и рычагов подвески;

.1, - момент инерции рулевого колеса;

]2 - момент инерции ротора электродвигателя ЭМУР;

•Ь - приведенный момент инерции колес относительно оси поворота; - приведенный момент инерции носителя;

0)| - частота вращения рулевого колеса;

а»2 - частота вращения выходного вала ЭМУР;

Из - угловая частота поворота колес;

(04 - приведенная угловая частота вращения носителя.

\Vitp) - передаточная функция электропривода ЭМУР, формирующего момент М2 в функции угла скручивания торсиона (ф|).

На рисунке 2. пунктирными линиями выделены две подсистемы 1-двухмассовая модель самого ЭМУР, 2 - модель системы рулевого управления без ЭМУР, в которой момент инерции ротора двигателя ЭМУР условно является моментом инерции рулевого колеса. Представленная в таком виде математическая модель безредукторного ЭМУР дает наглядное представление того, что чтобы ЭМУР не влиял на свойства системы в целом нужно обеспечить пропорциональность между моментом на рулевом колесе М] и моментом на выходном валу ЭМУР, представляющим собой сумму момента, вырабатываемого электродвигателем ЭМУР, и момента упругого МуЬ

Таким образом, для адаптации ЭМУР в существующую кинематическую схему рулевого управления и для устранения влияния ЭМУР на динамические характеристики системы «автомобиль» необходимо, чтобы при формировании выходного момента во всем диапазоне рабочих скоростей и частот изменения момента выполнялось следующее условие:

М2+Му1=кМ, (1),

где к>1 - коэффициент пропорциональности (являющийся функцией скорости движения автомобиля).

Выполнение условия (1) является одним из основных требований, предъявляемых к ЭМУР, а точность его выполнения в заданном диапазоне частот является важным критерием оценки ЭМУР при проведении сравнительных испытаний.

Для анализа динамических свойств ЭМУР и синтеза алгоритма формирования сигнала задания на выработку выходного момента ЭМУР составлена математическая модель самого ЭМУР. Существующая на сегодняшний день конструкция ЭМУР предполагает наличие относительно нежесткого торсиона в составе датчика момента, соединяющего вал рулевого колеса и выходной вал ЭМУР. Данное обстоятельство приводит к тому, что система носит характер двухмассовой.

С учетом допущения, что угол скручивания торсиона не ограничен, по приведенным в данной главе дифференциальным уравнениям, описывающим динамику двухмассовой системы, составлена структурная схема (рис. 3), отражающая алгоритм формирование сигнала задания на выработку выходного момента электродвигателя пропорционального моменту, измеряемому датчиком момента, т.е. углу скручивания торсиона:

(2),

где к — коэффициент усиления, зависящий от скорости движения автомобиля, ^^ - угол скручивания торсиона.

Рис. 3. Структурная схема алгоритма работы ЭМУР

Натурные испытания ЭМУР с таким алгоритмом наряду с высокими моментными показателями выявили ряд недостатков, таких как появление посторонних пульсаций на рулевом колесе и ухудшение самовозврата колес в исходное положение при выходе из поворота.

Для определения природы выявленных недостатков проведен анализ динамических свойств системы.

Для анализа динамических свойств системы было проведено моделирование исходной структурной схемы с использованием пакета БтшНпк в структуре МаЛЬаЬ. Моделирование было проведено при характерных частотах по управляющему и возмущающему воздействию.

Из проведенных предварительных расчетов приняты следующие значения моментов инерции рулевого колеса, двигателя и жесткости торсиона: .Ь=0,006 кг.м2; 12=0,000756 кг.м2; С =95 Н/м.

Рис. 4. Процессы, проходящие в системе при гармоническом управляющем воздействии с частотой 1 Гц, алгоритм соответствующий

условию Мдв ~ к' По виду переходных процессов были сделаны следующие выводы: В соответствии с существующим алгоритмом формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР, выходной момент Мвых представляет собой сумму момента вырабатываемого ЭМУР - Мдв и момента упругого -Мупр. При этом пропорциональность момента на рулевом колесе и моментом на выходном валу ЭМУР нарушается с увеличением частоты задающего сигнала. Особенно характерно это появляется в верхнем диапазоне рабочих частот. Так при частоте в 20 Гц погрешность в требуемой пропорциональности составляет 20%.

Кроме того, данный алгоритм негативно показал себя при анализе системы по возмущающему воздействию, когда водитель не прикладывает к рулевому колесу усилия, что, в частном случае, может происходить при

самовозврате колес в исходное центральное положение при выходе из поворота. В этом случае вырабатываемый двигателем момент препятствует самовозврату. На рис. 5 представлено, что момент двигателя Мдв -пропорционален моменту упругому (в данном примере с коэффициентом 4). В результате чего ЭМУР гасит 4/5 момента самовозврата Мс, и на выходе остается только 1/5 его часть Мвых.

Рис. 5. Процессы, проходящие в системе при гармоническом возмущающем воздействии с частотой 1 Гц , алгоритм соответствующий

условию Мдв = кш

В режимах, когда водитель не прикладывает к рулевому колесу усилий, например, при выходе автомобиля из поворота, вал рулевой колонки, тем не менее, испытывает механическую нагрузку от стабилизирующего момента, и датчик момента выдает соответствующий сигнал, воспринимаемый системой управления, как сигнал на выработку момента электродвигателем ЭМУР. И происходит это при данном алгоритме в любом случае, вне зависимости от того, какую жесткость имеет скручивающийся элемент датчика момента.

Проведенный анализ показал, что для обеспечения высокой динамической точности управления и сохранения самовозврата за счет свойств подвески необходимо внести корректировки в алгоритм формирования задания на выработку выходного момента ЭМУР.

В четвертой главе выявлено влияние на выходной момент изменения соотношений между моментами инерции рулевого колеса и самого ЭМУР.

Также выявлено влияние жесткости торсиона на точность воспроизведения выходного момента при управляющем и возмущающем воздействии. Предложен алгоритм формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР и реализующая его структура, позволяющие обеспечить высокую статическую и динамическую точность.

Для обеспечения пропорциональности между моментом, прикладываемым к рулевому колесу водителем, и моментом вырабатываемы электродвигателем ЭМУР, необходимо косвенным путем получить оценку момента, прикладываемого к рулевому колесу водителем Мрк*, которая отличается от момента упругого Мупр, измеряемого датчиком момента на величину динамического момента рулевого колеса .^(ЛрШ! 2. Этому соответствуют уравнения (3) и (4):

Мрк* = Мупр+1,с12(рЩ12 (3);

Мдв= К*(Мупр+ 1,ё2Ф1/с112) (4);

где Мрк* - оценка момента, прикладываемого водителем к рулевому колесу, К - коэффициент усиления, задаваемый формирователем тока на выработку момента электродвигателя.

Для реализации данного алгоритма, помимо информации об угле скручивания торсиона Лф, получаемой с датчика момента, необходимо использовать информацию об угле поворота выходного вала ЭМУР ф2, которая соответствует информации об угле положения ротора, измеряемого датчиками Холла для нужд системы управления электродвигателя ЭМУР. По уравнениям, (3) и (4), и с учетом того, что Дф = ф 1- ф2, составлена структура алгоритма, обеспечивающего пропорциональность между моментом, прикладываемым к рулевому колесу водителем и моментом, создаваемым электродвигателем (рис. 6).

Из данной структурной схемы (рис. 6) видно, что на двигатель приходит оценка момента непосредственно прикладываемого к рулевому колесу водителем, а не момент упругий как было в исходной структурной схеме.

Рис. 6. Структурная схема алгоритма управления, обеспечивающего пропорциональность момента электродвигателя ЭМУР с моментом на

рулевом колесе ~ к

Данный алгоритм показал высокую динамическую точность при анализе по управляющему воздействию, как при заданных параметрах моментов инерции рулевого колеса и самого ЭМУР, так и при их вариации.

Анализ полученных результатов моделирования по возмущающему воздействию показал, что дополнительный момент инерции, привносимый самим ЭМУР, в динамических режимах воспринимается системой управления как часть нагрузки со стороны дороги, которая подлежит компенсации. В результате чего, в режиме самовозврата руля, когда водитель не прикладывает к рулевому колесу никакого усилия, динамический момент самого ЭМУР препятствует самовозврату руля.

Для устранения выявленных недостатков предложен алгоритм формирования сигнала на выработку выходного момента электродвигателя с компенсацией динамического момента ЭМУР. Компенсационная добавка динамического момента, складываясь с восстановленной оценкой момента, приложенного к рулевому колесу водителем, формирует, требуемый для обеспечения пропорциональности между моментом на рулевом колесе и на выходном валу ЭМУР, момент электродвигателя:

мдв=к(мр;+^2^) (5).

Таким образом, в режиме самовозврата, когда водитель не прикладывает момента к рулевому колесу Мрк=0, двигатель будет вырабатывать момент равный динамическому моменту ЭМУР, что сохраняет естественный самовозврат руля и повышает динамическую точность управления.

Рис. 7. Структурная схема формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР, отвечающего условию ^дв

На рис. 7 приведена структурная схема, показывающая реализацию алгоритма формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР соответствующую уравнению (5), где цифрой 1 обозначен идеализированный наблюдатель динамического момента рулевого колеса, а цифрой 2 -идеализированный наблюдатель динамического момента электродвигателя.

Количественная оценка результатов моделирования всех трех алгоритмов при измени соотношения между моментами инерции рулевого колеса и ротора электродвигателя ЭМУР, при изменении жесткости торсиона и при изменении частоты управляющего и возмущающего воздействия сведены в сравнительные таблицы. Сокращенный вариант одной из этих таблиц, отражающий погрешность выходного момента ЭМУР в процентном отношении от требуемого значения при возмущающем воздействии с частотой 10 Гц представлен в виде таблицы 2. За требуемое значение принят эталонный выходной момент, соответствующий полной пропорциональности момента, прикладываемого к рулевому колесу водителем и выходного момента ЭМУР при заданном коэффициенте усиления.

Таблица 2 демонстрирует, что динамическая погрешность при известном

алгоритме (Мдв ~ к Л^ составляет 80%, что подтверждается соответствующим ухудшением самовозврата. Усовершенствованный алгоритм (Мдв ~ к М^ ) позволяет снизить эту погрешность до 12 %, но при увеличении

момента инерции ротора двигателя эта погрешность возрастает. При алгоритме с компенсацией динамического момента погрешность находится в пределах 0,5% при расчетном значении момента инерции ротора (для применяемого в настоящий момент электродвигателя в составе безредукторного ЭМУР) и в пределах 2% при увеличении момента инерции ротора электродвигателя в 10 раз.

Таблица 2

Количественная оценка результатов моделирования

момент инерции ^ротора расчетный ]2 увеличенный в 10 раз 10 52

Алгоритм

М дв = к*Мупр М дв = к*Мрк С комп. Мдин2 М дв = к*Мупр М дв = к*Мрк С комп. Мдин2

частота тип датчика\

10 Гц Торсион. 80,50% 12,40% 0,50% 84,50% 56,00% 2,00%

Магнитоупр. 80,00% 11,80% 0,45% 84,03% 51,00% 1,50%

Также в четвертой главе приведены результаты моделирования структурной схемы системы рулевого управления (рис.2.) с известным и предложенными алгоритмами формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР, подтверждающие обоснованность проведенной декомпозиции (выделения ЭМУР в отдельную подсистему).

Исходя из проведенного анализа, можно сделать следующие выводы:

1. Предложен алгоритм формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР, который позволяет на основе имеющейся информации обеспечить высокую динамическую точность управления во всем диапазоне рабочих частот.

2. Для обеспечения пропорциональности между моментом, прикладываемым к рулевому колесу водителем, и моментом на выходном валу ЭМУР помимо восстановления достоверной информации о моменте на рулевом колесе необходимо обеспечивать компенсацию динамического момента самого ЭМУР.

3. Исследование предложенных алгоритмов формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР позволило выявить, что увеличение жесткости торсиона позволяет повысить динамическую точность управления. Этот факт, в свою очередь, говорит о том, что усовершенствование измерительной системы ЭМУР, в частности, разработка и адаптация для данной системы датчика момента, обладающего высокой жесткостью, является актуальным направлением повышения эффективности функционирования электромеханического усилителя рулевого управления автомобиля.

В пятой главе предложены пути повышения качества управления и упрощения алгоритма формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР за счет усовершенствования измерительной системы; разработаны датчик момента и датчик углового ускорения, работающие на принципе «эффекта Виллари»; представлены результаты экспериментальных исследований разработанного датчика момента.

Конструкция и внешний вид разработанного датчика момента представлены на рис. 8.

Рис. 8. Конструкция и внешний вид магнитоупругого датчика момента

На рис. 8. приняты следующие обозначения: 1 - вал рулевой колонки, 2-медная подложка, 3 - чувствительная пленка, 4- измерительные катушки.

Рис. 9. Характеристика и = А (М)

образец №6

1

♦ образец №6

Рис. 10. Лепестковая диаграмма чувствительности образца №6

Проведенные испытания макетных образцов магнитоупругих датчиков крутящего момента показали соответствие их характеристик основным техническим требованиям.

Разработанный датчик обеспечивают высокую чувствительность, высокую стабильность, низкий уровень пульсаций выходного сигнала при вращении вала, низкую чувствительность к деформациям изгиба и сжатия,

высокую механическую жёсткость кинематической цепи, в которой производится измерение момента, простоту и невысокую стоимость изготовления.

Всё это позволяет сделать вывод о целесообразности продолжения работ, направленных на создание электромеханического усилителя руля с бесторсионным датчиком крутящего момента.

Разрез безредукторного ЭМУР с датчиком момента на основе магнитоупругого эффекта представлен на рис. 11.

Рис. 11. Разрез безредукторного ЭМУР

На рис. 11. приняты следующие обозначения: 1 - статор, являющийся корпусом, 2- цельный вал, 3 - закрепленный на нем ротор, 4- датчик крутящего момента.

Анализ динамических режимов работы ЭМУР с датчиком момента на основе магнитоупругого эффекта показал, что изменение конструкции, содержащей упругий элемент на конструкцию с цельным жестким валом, не исключает необходимость корректировки компенсирующего момента, вырабатываемого электродвигателем, на величину динамического момента электропривода. Так как измерению подлежит только угол поворота, а для корректной компенсации необходимо иметь информацию об ускорении рулевого колеса, то в алгоритме формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР, будет необходимым введение описанного выше наблюдателя динамического момента, который содержит два последовательно соединенных дифференцирующих звена. Данная процедура представляет собой определенную сложность, так как операция дифференцирования неизбежно приводит к усилению помех, и сопряжена с поиском компромисса заключающегося в подборе коэффициентов передаточной функции наблюдателя подавляющих помехи и обеспечивающих при этом требуемое быстродействие.

Устранить данный недостаток позволяет применение разработанного датчика углового ускорения, основанного так же на магнитоупругом эффекте.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных теоретических и экспериментальных

исследований в работе получены следующие основные результаты:

1. Предложена математическая модель системы рулевого управления автомобиля с ЭМУР, позволяющая провести декомпозицию, выделив ЭМУР в подсистему, не влияющую на динамические свойства системы рулевого управления. Проведен анализ динамических свойств системы рулевого управления по предложенной математической модели. Выявлены причины, ухудшающие динамическую точность управления и препятствующие самовозврату руля.

2. Сформулировано требование к выходному моменту ЭМУР, являющееся уточненной задачей управления, заключающееся в обеспечении пропорциональности между моментом, приложенным к рулевому колесу водителем, и моментом на выходном валу ЭМУР во всем диапазоне рабочих частот. Выполнение этого требование допускает проведение синтеза алгоритма формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР по математической модели непосредственно самого ЭМУР.

3. Предложен алгоритм формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР, который, на основе имеющейся информации из существующей измерительной системы, позволяет получить высокую статическую и динамическую точность управления.

4. Определен критерий оценки качества ЭМУР при проведении сравнительных испытаний, основой которого является динамическая погрешность в заданном диапазоне частот. Предложенный критерий дает возможность провести сравнительные оценки на этапе исследования новых типов ЭМУР и их алгоритмов. На основе этого критерия проведен сравнительный анализ предложенного алгоритма формирования сигнала на выработку выходного момента с известными алгоритмами.

5. Проведена разработка и исследование датчика момента на основе магнитоупругого эффекта. Предложена конструкция ЭМУР с датчиком момента на основе магнитоупругого эффекта, в результате применения которого повышается точность измерения момента, приложенного к рулевому колесу водителем, и повышается точность воспроизведения выходного момента ЭМУР.

6. Предложена конструкция датчика углового ускорения, позволяющая упростить реализацию алгоритма формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Тюрин М.В. Разработка и исследование алгоритмов управления электромеханическим усилителем руля / Боченков Б.М., Тюрин М.В. // Электроприводы переменного тока: Материалы международной научно-технической конференции, Екатеринбург: УГТУ, 2005. С. 215-219.

2. Тюрин М.В. Способы формирования сигнала на выработку компенсирующего момента электромеханического усилителя руля автомобиля / Боченков Б.М., Тюрин М.В. // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2006. - № 10. - С. 31-35.

3. Тюрин М.В. Пути повышения динамической точности управления электромеханическим усилителем руля автомобиля. / Боченков Б.М., Тюрин М.В. // Сборник научных трудов НГТУ.-2006.-№3(45). С.3-10.

4. Maksim Tyurin. То a question about ways of forming a signal for producing additional torque of electric power steering system /Boris Bochenkov, Maksim Tyurin, Vasiliy Krinichnyi. //IFOST 2006. Uslan. P. 272-273. [К вопросам о способах формирования компенсирующего момента системы рулевого управления с электромеханическим усилителем].

5. Тюрин М.В. Классификация систем управления синхронными двигателями магнитоэлектрического возбуждения / Боченков Б.М., Тюрин М.В. // Автоматизированные электромеханические системы: сб. научных трудов; под общ. ред. В.Н. Аносова. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2008. - С. 46-55.

6. Тюрин М.В., Анализ динамических свойств мехатронного безредукторного усилителя рулевого управления / Боченков Б.М., Тюрин М.В. Судак А.Г., Сысенко В.Т. // Автоматизированные электромеханические системы: сб. научных трудов; под общ. ред. В.Н. Аносова. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2008. - С. 168-179.

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20 тел./факс (383) 346-08-57 Формат 60 X 84/16, объем 1.0 пл., тираж 100 экз. заказ № 1578 подписано в печать 12.11.09 г.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ АВТОМОБИЛЕЙ.

1.1. Анализ современного состояния систем рулевого управления легковых автомобилей.

1.2. Анализ датчиков момента, применяемых и подходящих для применения в ЭМУРа.

1.3. Анализ электродвигателей для применения в составе безредукторного ЭМУРа.

1.4. Цель работы и задачи исследований.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

2.1. Математическое описание синхронного двигателя магнитоэлектрического возбуждения.

2.2. Упрощённая математическая модель СДМВ.

2.3. Разработка классификации систем управления СДМВ.

2.4. Выводы по главе

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ В СИСТЕМЕ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ АВТОМОБИЛЯ . 64 3.1. Разработка и анализ математической модели системы рулевого управления автомобиля с электромеханическим усилителем.

3.2. Описание конструкции безредукторного ЭМУРа

3.3. Анализ математической модели безредукторного ЭМУРа.

3.4.—Анализ динамических-свойств-системы.-.

3.5. Выводы по главе.

4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА НА ВЫРАБОТКУ ВЫХОДНОГО МОМЕНТА БЕЗРЕДУКТОРНОГО ЭМУРа,

ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ВЫСОКУЮ СТАТИЧЕСКУЮ И ДИНАМИЧЕСКУЮ ТОЧНОСТЬ.

4.1. Пути повышения динамической точности управления.

4.2. Разработка алгоритма управления, обеспечивающего пропорциональность момента электродвигателя ЭМУРа с моментом на рулевом колесе.

4.3. Разработка алгоритма формирования сигнала на выработку выходного момента безредукторного ЭМУРа с компенсацией динамического момента электродвигателя.

4.4. Сравнительный анализ исходного и предложенных алгоритмов формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУРа.

4.4. Выводы по главе.

5. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДАТЧИКА МОМЕНТА НА ОСНОВЕ МАГНИТОУПРУГОГО ЭФФЕКТА.

5.1. Предпосылки к созданию датчика момента на основе магнитоупругого эффекта.

5.2. Технические требования к датчику момента.

5.3. Конструктивные схемы магнитоупругих датчиков момента.

5.3. Разработка и исследование магнитоупругого датчика момента на применения в составе ЭМУРа.

5.5. Предпосылки к разработке датчика углового ускорения для применения в составе ЭМУР.

Автомобильная промышленность является одной из приоритетных отраслей экономики Российской Федерации. На поддержание конкурентоспособности данной отрасли работает законодательная база, выделяются существенные средства из федерального бюджета. В 2008г. с конвейера самого крупного отечественного производителя легковых автомобилей - АВТОВАЗ сошло более 600 тысяч машин. В процессе производства на АВТОВАЗе задействовано более 100 тысяч человек. Однако, не всякий, даже очень патриотически настроенный, гражданин готов приобрести отечественный автомобиль и отдает предпочтение импортному. На что, безусловно, имеются обоснованные причины. Тратя свои деньги и имея достаточно широкий выбор, человек, помимо средства передвижения, отвечающего его потребностям, хочет получить максимум комфорта и безопасности, а также сбалансированность затрат на покупку и текущую эксплуатацию автомобиля, т.е. стоимость владения.

Одним из направлений повышения конкурентоспособности отечественных автомобилей является использование в составе системы рулевого управления электромеханического усилителя (ЭМУР).

В мировой практике существует несколько концепций построения электромеханических систем рулевого управления. В качестве основных можно выделить три: 1) «колоночного» типа (Column — type), где элекропривод расположен на рулевой колонке; 2) «шестерёночного» типа (Pinion — type), в котором электропривод прикреплён к шестерне стойки и к шестерёночному узлу (к данному типу можно отнести и электроприводы с переменным1 передаточным числом реечного механизма); 3) так называемое «управление по проводам» (Steer-by-wire), следящая система с двумя согласованными электроприводами - на рулевом колесе и рулевой рейке, не имеющими между собой механического соединения.

На сегодняшний день у большинства иностранных производителей автомобилей, таких как Renault, Citroen, Opel, Fiat, Toyota, Honda, а также у отечественных автопроизводителей, в частности, на АВТОВАЗе, свое развитие получила концепция построения электромеханической системы рулевого управления «колоночного» типа. Основным преимуществом такого варианта построения является минимальное изменение в конструкции системы рулевого управления в целом. Одним из возможных вариантов построения системы «колоночного» типа является ставший уже классическим редукторный электропривод. Для формирования дополнительного момента на рулевой колонке используется небольших размеров высокоскоростной двигатель и редуктор. Именно такая конструкция, используемая европейскими автопроизводителями Fiat и Renault, стала прототипом первых отечественных разработок. Редукторный вариант ЭМУР для обеспечения своей функциональности требует реализации несвойственных для стандартной подвески режимов, таких как «активный самовозврат», а в случае отказа такого ЭМУР появляется дополнительный момент сопротивления, что снижает безопасность движения.

Альтернативным вариантом, исключающим недостатки редукторного ЭМУР, стал безредукторный ЭМУР, разработанный в Новосибирском Государственном Техническом, Университете (НГТУ). Безредукторный ЭМУР представляет собой мехатронный узел, выполненный на базе синхронного двигателя с возбуждением от постоянных высокоэнергетических магнитов [86]. Измерительная система данного ЭМУР расположена внутри самого электродвигателя.

К системе ЭМУР предъявляются весьма жесткие требования по безопасности, комфортности и надежности функционирования. Не последнее место в комплексе общих требований занимают показатели качества системы управления, которые являются базисными для формирования общей цели управления, структуры алгоритма и оптимизации его параметров.

Одним из основных требований, предъявляемых в настоящее время к ЭМУР, является обеспечение пропорциональности между моментом, прикладываемым к рулевому колесу водителем, и моментом на выходном валу ЭМУР. От точности выполнения данного требования зависит сохранение так называемого «чувства дороги», непосредственно сама точность управления автомобилем и, как следствие, безопасность движения. Основным ограничением в выполнении данного условия является сложность прямого измерения момента, прикладываемого водителем к рулевому колесу. Соответственно, пропорциональность измеренного момента с моментом, создаваемым электродвигателем не может обеспечить требуемой точности управления. В настоящее время для измерения момента, как в редукторном, так и в безредукторном варианте ЭМУР используется датчик момента, принцип действия которого основан на измерении угла скручивания относительно нежесткого торсиона, встроенного в рулевую колонку. Выходной сигнал с датчика пропорционален моменту, прикладываемому к рулевому колесу водителем, только в статических режимах. Данное ограничение приводит к необходимости косвенным путем восстанавливать достоверную информацию о моменте, прикладываемом к рулевому колесу водителем, в динамических режимах и формировать требуемый сигнал на выработку выходного момента электродвигателя.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является повышение эффективности функционирования безредукторного ЭМУР на основе высокоточных элементов измерительной системы и алгоритмов формирования сигнала на выработку выходного момента, обеспечивающих высокую статическую и динамическую точность.

Для достижения цели поставлены следующие задачи, решение которых отраженно в диссертационной работе.

1. Разработать классификацию систем управления синхронными двигателями магнитоэлектрического возбуждения (СДМВ), позволяющую получить наглядное представление о возможных вариантах построения систем векторного управления СДМВ, и провести рациональный выбор системы управления электродвигателем в составе ЭМУР.

2. Провести анализ математической модели системы рулевого управления автомобиля с безредукторным ЭМУР, на основании которого внести корректировки в задачу управления (требование к выходному моменту, вырабатываемому ЭМУР).

3. Провести анализ динамических свойств системы рулевого управления с ЭМУР и выявить факторы, ухудшающие динамическую точность.

4. Разработать алгоритм формирования сигнала на выработку выходного момента безредукторного ЭМУР, обеспечивающий высокую статическую и динамическую точность.

5. Разработать элементы измерительной системы безредукторного ЭМУР, обеспечивающие высокое качество регулирования и упрощающие алгоритм формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР. Рассмотрению этих вопросов и посвящена данная диссертационная работа.

Основной материал работы изложен в пяти главах. В первой главе освещено современное состояние и тенденции развития разработок усилителей рулевого управления. Проведен обзор возможных вариантов построения* систем рулевого управления с электромеханическими усилителями рулевого управления. Проведен анализ возможных вариантов датчика момента и типов электродвигателя для применения в составе ЭМУР.

Во второй главе приведено математическое описание СДМВ и полученные на его основе структурные схемы, позволяющие анализировать режимы его работы. Предложена классификация систем управления СДВМ, позволяющая провести обоснованный выбор системы управления электродвигателем ЭМУР.

Третья глава посвящена анализу математической модели системы рулевого управления автомобилем и анализу режимов работы ЭМУР; сформулировано требование к выходному моменту ЭМУР; выявлены факторы, влияющие на динамическую точность управления.

В четвертой главе выявлено влияние на выходной момент изменения соотношений между моментами инерции рулевого колеса и самого ЭМУР. Также выявлено влияние жесткости торсиона на точность воспроизведения выходного момента при управляющем и возмущающем воздействии. Предложен алгоритм формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР и реализующая его структура, позволяющие обеспечить высокую статическую и динамическую точность. Проведен сравнительный анализ предложенных алгоритмов и известного алгоритма.

В пятой главе предложены пути повышения качества регулирования и упрощения алгоритма формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР за счет совершенствования измерительной системы; разработаны датчик момента и датчик углового ускорения, работающие на принципе «эффекта Виллари»; представлены результаты экспериментальных исследований разработанного датчика крутящего момента.

В Заключении сформулированы общие выводы по работе.

Диссертационная работа выполнена на кафедре Электропривода и автоматизации промышленных установок Новосибирского государственного технического университета.

Методы исследований. Для достижения поставленной цели в работе использовались методы теории электропривода, теории автоматического управления, системного анализа,'"" математического и имитационного моделирования, а также экспериментальные исследования. Основные результаты, выносимые на защиту.

• Сформулированное требование к выходному моменту ЭМУР, выполнение которого позволяет провести декомпозицию, выделив ЭМУР из общей структурной схемы системы рулевого управления как подсистему, не влияющую на динамические свойства системы рулевого управления, что также допускает проведение синтеза алгоритма формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР по математической модели непосредственно самого ЭМУР.

• Предложенный алгоритм формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР, обеспечивающий высокую статическую и динамическую точность.

• Разработанные элементы измерительной системы ЭМУР:

- датчик крутящего момента, применение которого позволяет обеспечить высокое качество управления. - датчик углового ускорения, позволяющий упростить реализацию алгоритма формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР Научная новизна основных результатов диссертации.

• Предложен алгоритм формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР, дополнительно учитывающий компенсацию погрешности измерений' датчика момента в динамических режимах и компенсацию динамического момента самого ЭМУР, что обеспечивает высокую статическую и динамическую точность.

• Сформулировано требование к выходному моменту ЭМУР, являющееся, по своей сути, новой постановкой задачи управления. Выполнение данного требования позволяет рассматривать ЭМУР как отдельную подсистему, не влияющую на динамические свойства системы рулевого управления, и допускает проведение синтеза алгоритма формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР по математической модели непосредственно самого ЭМУР.

Практическая значимость результатов работы.

• Определен критерий оценки качества ЭМУР при проведении сравнительных испытаний, основой которого является динамическая погрешность в заданном диапазоне частот. Предложенный критерий дает возможность провести сравнительные оценки на этапе исследования новых типов ЭМУР и их алгоритмов.

• Предложен алгоритм формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУР, позволяющий исключить влияние ЭМУР на динамические свойства системы рулевого управления.

• Предложена конструкция ЭМУР с датчиком момента на основе магнитоупругого эффекта, в результате применения которого повышается точность измерения момента и до 20% повышается точность воспроизведения выходного момента при отработке реакции со стороны дороги с частотой до 20 Гц по сравнению с датчиком момента, имеющим относительно нежесткий торсион.

Реализация результатов работы. Результаты исследований в виде алгоритмов повышения динамической точности безредукторного ЭМУР используются в ООО «НИИ Автоматики и силовой электроники». Получен акт о применении результатов, а также справка об использовании результатов диссертации в учебном процессе при подготовке инженеров, бакалавров, магистрантов на кафедре ЭАПУ Новосибирского государственного технического университета.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XIII Международной научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» ЭППТ-05 (Екатеринбург, 2005); на II Международной научно — технической конференции «Электротехника, Электромеханика, Электротехнологии» ЭЭЭ-06 (Новосибирск, 2006); на Международной конференции 1Р08Т-2006 (Улсан, Корея, 2006); на научных семинарах кафедры автоматики и кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок НГТУ (2003-2009).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6-ти печатных работах, в том числе одна работа в журнале, входящем в перечень ВАК, 3 статьи в трудах международных конференций и 2 в научных сборниках.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 112-ти наименований и 5-ти приложений. Работа содержит 162 страницы основного текста, 74 рисунка, 13 таблиц.

5.5. Выводы по главе

1. Проведенные испытания макетных образцов магнитоупругих датчиков крутящего момента показали соответствие их характеристик основным техническим требованиям.

Разработанные датчики обеспечивают: высокую чувствительность; высокую стабильность; низкий уровень пульсаций выходного сигнала при вращении вала; низкую чувствительность к деформациям изгиба и сжатия; высокую механическую жёсткость кинематической цепи в которой производится измерение момента; простоту и невысокую стоимость изготовления.

Всё это позволяет сделать вывод о целесообразности продолжения работ, направленных на создание электромеханического усилителя руля с бесторсионным датчиком крутящего момента.

2. Анализ динамических режимов работы ЭМУРа с датчиком момента на основе магнитоупругого эффекта показал, что изменение конструкции, содержащей упругий элемент, на конструкцию с цельным жестким валом не исключает необходимость корректировки сигнала задания на выработку выходного момента ЭМУРа на величину динамического момента электропривода.

148

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с поставленными задачами в диссертационной работе получены следующие основные результаты.

1. Предложена математическая модель системы рулевого управления автомобиля с ЭМУРом, позволяющая провести декомпозицию, выделив ЭМУР в подсистему, не влияющую на динамические свойства системы рулевого управления. Проведен анализ динамических свойств системы рулевого управления по предложенной математической модели. Выявлены причины, ухудшающие динамическую точность управления и препятствующие самовозврату руля.

2. Сформулировано требование к выходному моменту ЭМУРа, являющееся уточненной задачей управления, заключающееся в обеспечении пропорциональности между моментом, прикладываемым к рулевому колесу водителем, и моментом на выходном валу ЭМУРа во всем диапазоне рабочих частот. Выполнение этого требования допускает проведение синтеза алгоритма формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУРа по математической модели непосредственно самого ЭМУРа.

3. Предложен алгоритм формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУРа, который, на основе имеющейся информации из существующей измерительной системы, позволяет получить высокую статическую и динамическую точность управления.

4. Определен критерий оценки качества ЭМУРа при проведении сравнительных испытаний, основой которого является динамическая погрешность в заданном диапазоне частот. Предложенный критерий дает возможность провести сравнительные оценки на этапе исследования новых типов ЭМУРов и их алгоритмов. На основе этого критерия проведен сравнительный анализ предложенного алгоритма формирования сигнала на выработку выходного момента с известными алгоритмами.

5. Проведена разработка и исследование датчика момента на основе магнитоупругого эффекта. Предложена конструкция ЭМУР с датчиком момента на основе магнитоупругого эффекта, в результате применения которого повышается точность измерения момента, прикладываемого к рулевому колесу водителем, и повышается точность воспроизведения выходного момента ЭМУРа.

6. Предложена конструкция датчика углового ускорения, позволяющая упростить реализацию алгоритма формирования сигнала на выработку выходного момента ЭМУРа.

1. Андреенко С.Н., Ворошилов М.С., Петров Б. А. Проектирование приводов манипуляторов. — Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1975. 312 с.

2. Беллман Р., Заде Л. Принятие решений в расплывчатых условиях // Вопросы анализа и процедуры принятия решений : Сб. М.: Мир, 1976. -С. 172-215.

3. Бесекерский В. А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. - 768 с.

4. Бесекерский В.А. Цифровые автоматические системы. М.: Наука, 1976. - 576 с.

5. Боченков Б.М. Бесконтактные двухзонные электроприводы с синхронными двигателями магнитоэлектрического возбуждения для металлорежущих станков: Диссертация канд. техн. наук: 05.09.03 / Боченков Борис Михайлович Новосибирск, 1988 г. -177 с.

6. Боченков Б.М., Тюрин М.В. Разработка и исследование алгоритмов управления электромеханическим усилителем руля. //Электроприводы переменного тока: Материалы международной научно-технической конференции, Екатеринбург: УГТУ, 2005. С. 215-219.

7. Боченков Б.М., Тюрин М.В. Способы формирования сигнала на выработку компенсирующего момента электромеханического усилителяруля автомобиля. // Мехатроника, автоматизация, управление. 2006. -№ 10.-С. 31-35.

8. Боченков Б.М., Тюрин М.В. Пути повышения динамической точности управления электромеханическим усилителем руля автомобиля // Сборник научных трудов НГТУ.-2006.-№3(45). С.3-10.

9. Брованов C.B., Харитонов С.А. Реализация векторной ШИМ в трехфазном трехуровневом выпрямителе // Электротехника, 2008.-№ 6.-С. 33-38.

10. Бродовский В.Н., Иванов Е.С. Приводы с частотнотоковым управлением. Москва «Энергия» 1974 169 с.

11. Бургин Б.Ш. Анализ и синтез двухмассовых электромеханических систем.//Новосибирск 1992 200 с.

12. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. Д.: Энергия, 1980.-256 с.

13. Варламов A.B. Автомобиль. М.: Машиностроение, 1992. - 353с.

14. Вейнгер А.М. Регулируемые синхронные электроприводы. М.: Энергоатомиздат, 1985.-224с.

15. Воевода A.A. Синтез дискретных ПИД регуляторов методом разделения движений // Автоматика. 1992. - №4. - С.68 - 73.

16. Вольдек А.И., Электрические машины. М.: Энергия, 1974. - 839 с.

17. Востриков A.C. Управление динамическими объектами: Учеб. пособие. Новосибирск: Новосиб. электротехн. ин-т., 1979. 112 с.

18. Востриков A.C. Теория автоматического управления. Принцип локализации: Учеб. пособие. Новосибирск: Новосиб. электротехн. ин-т., 1988. 79 с.

19. Вукобратович М., Стокич Д., Кирчански Н. Неадаптивное и адаптивное управление манипуляционными роботами: Пер. с англ. М.: Мир, 1989. -376 с.

20. Гуманюк М.Н. Магнито-упругие датчики в автоматике. — Киев: Техника, 1965 г. 130 с.

21. Гинзбург В.Б. Магнитоупругие датчики. М.: Энергия. 1970 г. - 71 с.

22. Гицбург JI.JI. Гидравлические усилители рулевого управления автомобилей. М.: Машиностроение, 1972г. -121с.

23. Данов Б. А., Рогачев В.Д. Электронные приборы автомобилей. М.: Транспорт, 1985. - 96с.

24. Данов Б. А., Рогачев В.Д. Электронные приборы автомобилей 2. — М.: Транспорт, 1985.-96с.

25. Динамика системы дорога дорога - шина - автомобиль - водитель. Под ред. A.A. Хачатурова. М.: Машиностроение, 1976. - 535 с.

26. Зайцев Н.В. Справочник автомеханика (легковые автомобили). — М.: Транспорт, 1993. 191с.

27. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учебник. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999.41 - 199с.

28. Каган В.Г. Электроприводы с предельным быстродействием для систем воспроизведения движений. М.: Энергия, 1975. - 240 с.

29. Квартальнов Б.В. Динамика автоматизированных электроприводов с упругими механическими связями. — М.: Энергия, 1965. 88 с.

30. Ключев В.И., Терехов В.М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов: Учебник для вузов. М.: Энергия, 1980.-360 с.

31. Колесников A.A. Последовательная оптимизация нелинейных агрегированных систем управления. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 160 с.

32. Коренев Г.В. Введение в механику человека. М.: Наука, 1977. - 264с.

33. Крутько П. Д. Обратные задачи динамики управляемых систем: Нелинейные модели. М.: Наука, 1988. — 328 с.

34. Кузовков Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства. М.: Машиностроение, 1976. - 184 с.

35. Кулешов B.C., Лакота H.A. Динамика систем управления манипуляторами.- М.: Энергия, 1971. 304 с.

36. Кулюткин Ю.Н. Эвристические методы в структуре решений. М.: Педагогика, 1970. - 231 с.

37. Лысов М.И. Рулевое управление автомобилей. М.: Машиностроение, 1972.-344 с.

38. MATLAB. Имитационное моделирование в среде Windows: Практ. пособие. СПб.: КОРОНА принт, 1999. - 288 с.

39. Малинин Л. И. Динамические силы в электромеханических системах / Л. И. Малинин, В. Ю. Нейман // Доклады АН ВШ РФ. -2004. № 1(2). -С.53-66.

40. Мееров М.В. Синтез структур систем автоматического регулирования высокой точности. — М.: Гос. Изд.-во физ.-мат. Лит., 1959. — 284 с.

41. Мелихов А.Н., Баронец В.М. Проектирование микропроцессорных средств обработки нечеткой информации. Ростов-н/Д: Изд - во Рост. Университета, 1990г.— 125 с.

42. Менский Б.М. Принцип инвариантности в автоматическом регулировании и управлении. М.: Машиностроение, 1972. - 248 с.

43. Методы анализа, синтеза и оптимизации нестандартных систем автоматического управления: Учеб. Пособие / Под ред. Н.Д. Егупова. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. 684 с.

44. Методы робастного, нейро-нечеткого и адаптивного управления / Под ред. Н.Д. Егупова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 744 с.

45. Мирошкин И.В., Никифоров В.О., Фрадков A.JL Нелинейное и адаптивное управление сложными динамическими системами. — СПб.: Наука, 200. 549 с.

46. Монмолен М.Д. Системы «человек машина»: Пер. с фр. / Под. Д.А. Ошанина. - М.: Мир, 1973. - 256 с.

47. Мучкин B.C. Расчет структур дискретного управления на основе принципа локализации // Автоматическое управление объектами с переменными характеристиками. Новосибирск: Новосиб. электротехн. ин-т, 1989. С.94-98.

48. Никулин Г.Д., Французова Г.А. Преобразование математической модели электроусилителя руля автомобиля // Сборник научных трудов НГТУ.-2005.-№3(41). -С.11-16.

49. Никулин Г.Л., Французова Г.А. Упрощенная математическая модель электроусилителя руля автомобиля // Сборник научных трудов НГТУ.-2005.-№1(39). С.15-20.

50. Никулин Г.Л., Французова Г.А. Система управления для электромеханического усилителя рулевого управления // Мехатроника, автоматизация, управление. 2006. - № 10. - С. 21-26.

51. Помизовский А.Н. Краткий автомобильный справочник. — М.: Транспорт, 1984. 270 с.

52. Раймпель Й. Шасси автомобиля. М.: Машиностроение, 1983. -356 с.

53. Раймпель И. Шасси автомобиля: Рулевое управление. М.: Машиностроение, 1987. -227 с.

54. Раймпель Й. Шасси автомобиля: Элементы подвески. М.: Машиностроение, 1987. -288 с.

55. Рудаков В.В., Столяров И.М. Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. Л.: Энергоатомиздат, 1987. -136 с.

56. Соколов H.H. Аналитический метод синтеза линеаризованных систем автоматического регулирования. М.: Машиностроение, 1966. — 328 с.

57. Справочник по теории автоматического управления / Под ред. A.A. Красовского. М.: Наука, 1987. 712 с.

58. Синтез систем управления в условиях неполной информации / http://avt.cs.nstu.ru/~yurkev.

59. Таран A.B., Г.Л. Французова Г.А. Подход к построению математической модели электромеханического усилителя руля // Сборник научных трудов НГТУ.-2003.-№2(32). С.47-60.

60. Таран А. В., Французова Г.А., Харитонов С.А. Двухконтурная система управления ЭМУРом рулевой колонки автомобиля // Тр. межд. научно-техн. конф. Информационные Системы и Технологии (ИСТ2003).- Т.1

61. Теория автоматического управления: Нелинейные системы, управления при случайных воздействиях: Учебник для вузов / Под ред. A.B. Нетушила. М.: Высшая школа, 1983. - 432 с.

62. Теория систем с переменной структурой / Под ред. C.B. Емельянова. -М.: Наука, 1970.-592 с.

63. Уланов Г.М. Динамическая точность и компенсация возмущений в системах автоматического управления. -М.: Машиностроение, 1970. -260 с.

64. Уткин В.И. Скользящие режимы в задачах оптимизации и управления. -М.: Наука, 1981.-368 с.

65. Уткин В.И., Востриков A.C. К синтезу алгоритмов управления многосвязными объектами на основе принципа локализации // Исследование по теории многосвязных систем. М.: Наука, 1982. -С.36-41.

66. Уткин В.И. Скользящие режимы и их применение в системах с переменной структурой. — М.: Наука, 1974. — 272 с.

67. Фельдбаум А.А Основы теории оптимальных автоматических систем. — М.: Наука, 1966.-552 с.

68. Фрадков A.JI. Адаптивное управление в сложных системах: беспоисковые методы. — М.: Наука, 1990. — 296 с.

69. Фрадков A.JI. Разделение движений в адаптивных системах. М.: Наука, 1985.-480 с.

70. Французова Г.А. Синтез систем управления многосвязными объектами с неполной информацией // Информация, системы и моделирование: Сб. тр. Новосибирск: Новосиб. электротехн. ин-т, 1982. С. 25-32.

71. Цыпкин ЯЗ. Основы теории автоматических систем. М.: Наука, 1977. -560 с.

72. Чиликин М.Г. Сандлер А.С. Общий курс электропривода. М.: Энергоиздат, 1981.-576 с.

73. Эйкпофф П. Современные методы идентификации систем. М.: Машиностроение, 1983. -400 с.

74. Электромеханический усилитель рулевого управления с приводом, параллельным оси рулевой рейки (АРА). Программа самообучения 339 // http://volkswagen.msk.ru/steering/elmehusaparus.pdf

75. Юркевич В.Д., Французова Г.А., Востриков А.С. Об условиях организации инвариантных движений в линейных многосвязных системах // Управление при неполной информации: Межвуз. Сб. Новосибирск: Новосиб. электротехн. ин-т, 1984. С. 103-106.

76. Юркевич В.Д. Синтез нелинейных нестандартных систем управления с разнотемповыми процессами. — СПб.: Наука, 2000. — 288 с.

77. Boris Bochenkov, Maksim Tyurin, Vasiliy Krinichnyi. To a question about ways of forming a signal for producing additional torque of electric power steering system. //IFOST 2006. Uslan. P. 272-273.

78. Badawy A., Zuraski J., Bolourchi F. Modeling and analysis Electric Power Steering System //Automotive Engineering. 1998. - Septemper. — p. 25-31

79. Utkin V.I. Sliding mode control in discrete — time and difference systems // Variable Strusture ands Lyapunov Cotrol / Ed/ by A.S. Zinober. Springer/ -Verlag. - 1994.

80. Takayuki K., Shunichi W. An Electric power steering system // Technical reports. Mitsubishi Electric Advance. № 3.1997. P.20-23.

81. Yuji K., Goro H., Shoro S., Yasuhiko M. Electric power steering (ERS) // Motion & Control. № 6. 1999. P. 9 15.

82. Column type electric power steering with titl mechanism // Motion & Control. № 11.2001. P. 39-40.

83. E STEER™ electric power steering // www.delphi.com.

84. Патент US 6029767. МПК В 62 D 5/04. Electric power steering system. / Kifuku Т. Заявлено 02.21.2000. Опубл. 3.09.2002.

85. Патент ЕР 1 228 941 А2 European Patent Office. МПК В 62 D 5/04. A user configurable steering control for steer — by — wire systems / Byers, Michael D., Murray, Brian Т., Amberkar, Sanset Suresh. Заявлено 08.01.2002. Опубл. 07.08.2002. Бюл. № 2002/32.

86. Патент US 6,445,151, B1 USA. МПК В 62 D 5/04. Controller for motor -driven power steering mechanism / Jiro Nakano, Okazaki, Ichiro Nagashima, Nagoya. Заявлено 03.31.2000. Опубл. 3.09.2002.

87. Патент US 2002/0116105 A1 USA. МПК В 62 D 5/04. Controller for motor power steering system / Hui Chen, Snuji Endo. Заявлено 05.14.2001. Опубл. 22.08.2002.

88. Патент US 2003/0014169 A1 USA. МПК В 62 D 5/04. Steer by - wire drive control system with operating element home position updating function / Hironori Kato, Yoshio Sanpei, Noriyuki Fukushima. Заявлено 07.09.2002. Опубл. 16.01.2003.

89. Патент US 2002/0084137 A1 USA. МПК В 62 D 5/04. System for controlling electric power steering / Yoshiori Kogiso, Hisazumi Ishikawa. Заявлено 12.27.2001 Опубл. 04.07.2002.

90. Патент US 4862982 МПК G 01 L 3/10/ Torque detector for motor-driven power steering system / Naoki Saito (Japan)/ Mitsubishi Denki К. K. Заявлено 11.01.1988. Опубл. 05.09.1989.

91. Патент US 4885944 МПК G 01 L 3/10/ Torque sensor / Honda Giken KogyoK. К. Заявлено 28.02.1988. Опубл. 12.12.1989.

92. Патент 4966041 США №62-308650 Япония Датчик системы электрического рулевого управления, 1991 / Nippon Seiko К. К.

93. Патент 48644873 США №62-72851 Япония Датчик момента, 1991 / Toyota Koki К. К.

94. Патент 4365143 США №62-25228 Япония Датчик момента, 1991 / Aisin Seiki К. К.

95. Патент 5046372 США №62-167137 Япония Датчик электроусилителя руля, 1993 / Коуо Seiko Со, Ltd.

96. Заявка 2705449 Датчик системы управления усилителем рулевого управления, 1996 / Valeo Systèmes d'Essuyage / Франция

97. Патент 5465627 США Датчик крутящего момента, 1998 / Magnetoelastic devices, Inc.

98. Патент 5585573 США №62-76592 Датчик крутящего момента, 2000 / NCK, Ltd.

99. Патент ЕР 68789 А Оптический датчик крутящего момента / Lucas industries public limited company.

100. Патент DE 4441070 Al Емкостной датчик момента вращения / Blumenauer, Juergen.

101. Патент 4874053 США №62-155061 Япония Система замера крутящего момента, 1991 / Hitachi, Ltd.

102. Патент JP60063876 В4 Способ изготовления магнитострикционного датчика крутящего момента, 1997 / Nissan Motor.

103. Патент 4959787 США Электродвигатель рулевого управления с датчиком положения, 1990 /Mitsubishi Denki К.К.

104. Патент 5381869 США Электроусилитель с датчиками момента, 1995 / Peter Norton.

105. Патент 5481457 США Система рулевого управления автомобиля, 1996 / Honda Giken Kogyo К.К.

106. Патент 5480000 США Устройство электроусилителя рулевого управления, 1994 /Коуо Seiko Со.

107. Патент 5327986 США Электродвигатель системы рулевого управления1993 / Unisia Jesa Corp.

108. Патент 5517415 США Система управления электроусилителем руля,1994 / TRW Inc.1. И-г 1

109. На рис. П.1Л приняты следующие обозначения: 1 статор, 2 - вал рулевой колонки, 3 - ротор, 4 - датчик момента, 5 - измерительные катушки, 6 - чувствительная пленка.800

110. Рис. П.2.1. Результаты испытания макетного образца ЭМУРа с алгоритмом,отвечающим условию ^дв ~ ^ ' , при вращению рулевого колеса соскоростью 480 град/сек.моментмоме нтскоростьинамич250002000010000 15000положение300(

111. Рис. П.3.1. Результаты испытания макетного образца ЭМУРа с алгоритмом,отвечающим условию ^дв ~ & * , при вращению рулевого колеса соскоростью 120 град/сек.п1. УТВЕРЖДАЮк1. АКТоб использовании результатов кандидатской диссертационной работы

112. Генеральный директор ООО <хНИИ-Автоматики и1. У г <\ * "силоврйэлектроники»1. Е.В. Мухина11. Ж "»Ъус&Щ 2009 г.1. V " "1. АКТо внедрении результатов кандидатской диссертационной работы Тюрина Максима Владимировича

113. Научный руководитель работы К.Т.н/, ДОЦ0НТ1. Б.М. Боченков7рственныи исполнитель М.В. Тюрин

114. Заместитель генерального директора по развитию '^^И.Е. Деряжный