Название: Вестник Ульяновского государственного технического университета (В.В. Ефимов)

Жанр: Гуманитарный

Просмотров: 1147


Вопросы построения автомобильного вентильного электропривода с микроконтроллерной системой управления

 

Обсуждаются вопросы построения автомобильного вентильного электропривода с микроконтроллерной системой  управления. Приводится метод  оптимального выбора двигателя по комплексу предъявляемых требований. Обосновывается структура электропривода и системы микроконтроллерного управления. Определяются основные узлы системы. Обосновывается выбор микроконтроллера.

 

Развитие автомобилестроения и электроники расширяет количество электромеханических систем, используемых в автомобиле. Одной из таких систем является электромеханический усилитель руля (ЭМУР). Он предна- значен для снижения силовых нагрузок на водителя, повышения комфорт- ности, снижения утомляемости и т.д.

До настоящего времени был достаточно широко распространен гидрав- лический усилитель руля (ГУР). Однако преимущества ЭМУР: более вы- сокая надежность; возможность работы при выключенном ДВС; более вы-

сокая экологичность и другие говорят о широкой перспективе использова- ния ЭМУР. Сейчас в автомобильных системах автоматики широко приме- няется двигатель постоянного тока (ДПТ) из-за возможности создавать достаточно большие моменты и простоты управления. Реальную альтерна- тиву ДПТ составляют моментные вентильные двигатели (ВД), которые имеют более высокую надежность и могут развивать моменты выше, чем у

ДПТ. Для легковых автомобилей сформировался ряд требований, предъяв-

ляемых к ЭМУР. Основные из них следующие:

            максимальная минимизация массогабаритных показателей;

            обеспечение высокого развиваемого момента двигателя (15-25 Нм);

            минимальное потребление мощности;

            высокая устойчивость к ударам, тряске, вибрациям и температур-

ным перепадам;

            сохранение  работоспособности  механизма  при  выходе  из  строя электрической части (с возможным ухудшением характеристик).

Особенностью работы ЭМУР является то, что скорость вращения руле-

вой колонки (РК) по «меркам электропривода» близка к нулю, т.е. практи-

чески рабочая точка механической характеристики близка к пусковой. Эта особенность соответствующим образом отражается на структуре электро-

привода.

Выбор двигателя зависит от множества показателей, разных по своей значимости. С учетом этого формула обобщенного критерия выбора дви- гателя имеет вид:

n          А

Ф   Кi       i            

,           (1)

 

 

где Ф - обобщенный показатель;

i 1

Аi 0

Кi   - весовой коэффициент показателя;

Аi   - показатель качества;

Аi0 - нормирующий (эталонный) показатель качества.

Применительно к ЭМУР выражение (1) может быть представлено в

следующем виде:

Ф      K1

M

 K 2

 

C

 
 K3      M

  K 4                K5

 

,           (2)

C C0

M 0      CM 0

V V0

B B0

где С и С0 - стоимости выбранного и сопоставимого двигателей; М и М0  - пуск. моменты выбранного и сопоставимого двигателей; СМ  и СМ0  - коэф. моментов выбранного и сопоставимого двигателей; V и V0 - объемы вы- бранного и сопоставимого двигателей; В и В0 - массы выбранного и сопос- тавимого двигателей.

Для выбора конкретного двигателя необходимо найти экстремум (мак- симум) обобщенного показателя Ф, полученного по формуле (2). В табли- це 1 приведены параметры некоторых ВД, которые могут применяться в ЭМУР.

 

 

 

Параметры вентильных двигателей

Таблица 1.

 

Двигатель

С, тыс.руб.

М, Н⋅м

СМ, Н⋅м/А

3

V, см

В, кг

150-4-0,6-2

185-6-0,4-2

185-16-0,15-2

185-16-0,3-2

4,5

7,1

9,8

9,9

16,3

25,2

29,2

56,8

0,187

0,300

0,800

0,400

1350

2225

3080

3080

3,00

5,40

9,25

9,25

 

Указанные ранее показатели качества можно отнести в одну группу по важности, поэтому весовые коэффициенты (К1-К5) будут различаться не более чем на один порядок. Все отмеченные показатели можно разделить на три группы: экономические (С), технические (М, СМ), конструктивные (V, В).

Анализ показывает, что влияние весовых коэффициентов (требования конкретного потребителя) может существенно менять выбор двигателя. Приведенный метод позволяет привести комплексное сравнение рассмат- риваемых машин в зависимости от предъявляемых требований.

В работе [1] приведена функциональная схема вентильного двигателя.

Функциональная схема электропривода на основе вентильного двигателя

при управлении от микроконтроллера принимает вид, представленный на рис.1:

 

UПР

МК      Др       УП

 

 

БНС    УС

 

Uу        UI

 

UДПР

 

ДПР    СД       РО

 

 

Рис. 1. Функциональная схема ЭП

 

Из рис. 1 видно, что можно выделить две группы сигналов: поступаю- щие на микроконтроллер (МК) - Uу, UДПР, UI и выходящие с МК - UПР, UВ; где UДПР - сигнал, вырабатываемый ДПР;

Uу        - сигнал управления;

UI        - сигнал датчика тока ВД;

UВ       - напряжение возбуждения ДПР;

UПР    - напряжение управления преобразователем.

Сигналы,  поступающие  на  МК,  проходят  через  блок  нормирования

сигналов (БНС), т.к. уровни напряжений различны. Напряжение возбужде- ния ДПР поступает на усилитель сигнала (УС), т.к. МК не может обеспе- чить требуемую мощность. Напряжение управления преобразователем по- ступает на драйверы (Др), которые выполняют роль согласующих элемен- тов между МК и УП.

Система управления должна обеспечивать анализ сигналов, снимаемых с датчиков системы и синтезировать сигналы управления электрическими ключами для питания двигателя. Целесообразно проектировать систему управления электропривода в виде двух структурных блоков, один из ко- торых содержит силовую электронику, непосредственно подающую сигна- лы управления на двигатель, а второй - схему предварительной обработки

сигналов датчиков, схему защиты и аварийного выключения электропри-

вода и непосредственно схему управления работой первого блока (рис. 2).

 

 

 

ДАТЧИКИ

НОРМИРОВАНИЕ

 

 

СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ

 

СИЛОВАЯ ЧАСТЬ

 

СХЕМА ЗАЩИТЫ

 

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

 

Рис. 2. Структурная схема системы управления

 

Схема предварительной обработки необходима для нормирования по- ступающих с датчиков сигналов. Схема управления реализуется на основе современного микроконтроллера, имеющего интегрированные блоки АЦП, таймеров, памяти и т.п. Схема цифровой системы управления значительно упрощается, ремонт отдельных элементов меняется на замену микросхе- мы, осуществляемую за несколько минут, цена системы управления суще- ственно падает. С точки зрения авторов при проектировании схемы управ- ления представляет большой интерес семейство микроконтроллеров АТ90 фирмы ATMEL, обладающее следующими особенностями [2,3]:

            выполнение  большинства  команд  за  один  такт,  что  обеспечивает наиболее высокую производительность в своем классе;

            наличие 10-битного 8-канального АЦП, способного работать в «фо-

новом» режиме преобразования;

            наличие 32 программируемых линий ввода/вывода;

            потребляемый ток до 10 мА, наличие трех режимов энергосбереже- ния, при которых потребление тока падает до нескольких десятков микроампер;

            наличие одного 16-ти и  двух  8-битных  программируемых  тайме-

ров/счетчиков с масштабированием и режимом сравнения, способ-

ных работать в режиме ШИМ.

Приведенный метод выбора двигателя был использован при создании ЭМУР для Горьковского автозавода. Предложенная структура ЭП с ВД взята за основу при проектировании ЭМУР для ГАЗа.