Устройство для управления электродвигателем электромеханического усилителя рулевого управления

Авторы патента:

Полезная модель относится к электромеханическим системам транспортных средств и предназначена для использования в рулевом управлении с целью снижения усилия на руле, например, при маневрах на малых скоростях и повороте колес неподвижного автомобиля. Технический результат заключается в повышении К.П.Д. устройства и обеспечении возможности его миниатюризации. Указанный технический результат достигается тем, что устройство для управления электродвигателем электромеханического рулевого управления, содержит блок управления инвертором, первый измерительный и сигнальные входы которого подключены соответственно к «плюсовому» выводу питания устройства и через узлы сопряжения к выводам устройства, предназначенным для подключения к датчику положения ротора электродвигателя, датчику скорости, датчику момента, тахометру. Силовой инвертор, выходы которого через два датчика тока связаны с выводами устройства, предназначенными для подключения к обмоткам трехфазного синхронного электродвигателя, а входы через узел драйверов взаимосвязаны с выходами блока управления инвертором. Узел управления питанием инвертора, содержащий первый и второй фильтры и подключенный управляющим входом к соответствующему выходу блока управления инвертором. Блок управления инвертором выполнен по первому измерительному входу с возможностью измерения размаха пульсаций напряжения питания устройства, а узел управления питанием инвертора снабжен ограничительным диодом и выполнен в виде силового электромагнитного ключа с двумя нормально разомкнутыми контактами, подключенными через первый и второй фильтр соответственно к «плюсовому» выводу питания устройства и к питающему выводу инвертора. 4 з.п. ф-лы, 3 илл.

Известны управляющие устройства для электромеханического усилителя рулевого управления (ЭМУРУ), содержащие взаимосвязанные микропроцессор и трехфазный инвертор, блок управления питанием инвертора, датчики тока, узлы сопряжения, включенные между сигнальными входами микропроцессора и выходами датчиков режимных параметров (RU 36805 U1, B62D 5/04, 27.03.2004; RU 2304062 C1, B62D 5/04, 10.08.2007).

Недостатки известных устройств связаны с использованием во входящих в их состав инверторах высоковольтных силовых транзисторов с достаточно большим активным сопротивлением сток-исток в открытом состоянии. Это предопределяет повышенные потери мощности в инверторах и низкую эксплуатационную надежность устройств в целом.

Наиболее близким к предложенному является выбранное в качестве прототипа устройство для управления электродвигателем электромеханического усилителя рулевого управления, содержащее, в частности, микропроцессорный блок управления инвертором с измерительными и сигнальными входами, последние из которых через узлы сопряжения соединены с выводами устройства, предназначенными для подключения к датчику положения ротора электродвигателя, датчику скорости, датчику момента, тахометру, силовой инвертор постоянного напряжения в трехфазное переменное, выходы которого через два датчика тока связаны с выводами устройства, предназначенными для подключения к обмоткам трехфазного синхронного электродвигателя, а входы через узел драйверов взаимосвязаны с выходами блока управления инвертором, узел управления питанием инвертора в виде электромагнитного двухполюсного переключателя, подключенного первым входным выводом через первый фильтр к «плюсу» бортовой сети, вторым входным выводом - к выходному выводу схемы вольтодобавки, выходным выводом через второй фильтр - к питающему выводу инвертора, управляющим входом - к соответствующему выходу блока управления инвертором (JP 2007300737 A, B62D 5/04, 15.11.2007).

Однако в указанном устройстве не предусмотрена ни аппаратная, ни программная защита транзисторов инвертора и устройства в целом от повышенного уровня напряжения бортовой сети, а также от существенного ухудшения качества указанного напряжения при аномальном увеличении переходного сопротивления в цепях аккумуляторных клемм «плюс», «минус».

Данный недостаток в конечном счете снижает К.П.Д. и эксплуатационную надежность прототипа, а также повышает его стоимость.

Задачей полезной модели является создание схемотехнического решения подобного устройства, характеризующегося повышенной эксплуатационной надежностью и меньшей стоимостью.

Технический результат заключается в повышении К.П.Д. устройства и обеспечении возможности его миниатюризации.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для управления электродвигателем электромеханического усилителя рулевого управления, содержащем блок управления инвертором, первый измерительный и сигнальные входы которого подключены соответственно к «плюсовому» выводу питания устройства и через узлы сопряжения к выводам устройства, предназначенным для подключения к датчику положения ротора электродвигателя, датчику скорости, датчику момента, тахометру, силовой инвертор постоянного напряжения в трехфазное переменное, выходы которого через по меньшей мере два датчика тока связаны с выводами устройства, предназначенными для подключения к обмоткам трехфазного синхронного электродвигателя, а входы через узел драйверов взаимосвязаны с выходами блока управления инвертором, ко второму и третьему измерительным входам которого подключены выходами упомянутые датчики тока, узел управления питанием инвертора, содержащий первый и второй фильтры и подключенный управляющим входом к соответствующему выходу блока управления инвертором, блок управления инвертором выполнен по первому измерительному входу с возможностью измерения размаха пульсаций напряжения питания устройства, а узел управления питанием инвертора снабжен ограничительным диодом и выполнен в виде силового электромагнитного ключа с двумя нормально разомкнутыми контактами, первый из которых через первый фильтр подключен к «плюсовому» выводу питания устройства, а второй через второй фильтр подключен к питающему выводу инвертора, при этом ограничительный диод связан одним выводом со вторым контактом силового электромагнитного ключа до или после второго фильтра, а другим выводом подключен к «минусовому» выводу питания устройства.

Решению поставленной задачи способствует также то, что информация с датчиков тока используется для оптимального распределения мощности между транзисторами одного полумоста инвертора, что ведет к уменьшению температуры кристаллов указанных транзисторов и соответствующему уменьшению их активного сопротивления в открытом состоянии.

На фиг.1 представлена функциональная схема предложенного устройства; на фиг.2 и фиг.3 показаны примеры конкретной схемотехнической реализации узла управления питанием инвертора; на фиг.4 показаны эпюры напряжения бортовой сети с подключенной (фиг.4,а) и отключенной (фиг.4,в) аккумуляторной батареей.

В состав устройства входят следующие элементы. Блок 1 управления инвертором 1, выполненный, например, с использованием микроконтроллера типа STM32F103, первый измерительный и сигнальные входы которого подключены соответственно к «плюсовому» выводу 2 питания устройства и через узлы сопряжения 3-6 к выводам устройства, предназначенным для подключения к датчику положения ротора электродвигателя, датчику скорости, датчику момента, тахометру (не показаны). Блок 1 управления инвертором выполнен по первому измерительному входу с возможностью измерения размаха пульсаций напряжения бортовой сети. Силовой инвертор 7 постоянного напряжения в трехфазное переменное, выполненный, например, в виде мостовой схемы с использованием низковольтных полевых транзисторов типа IRF6727. Выходы указанного инвертора 7 через первый 8 и второй 9 датчики тока, выполненные, например, с использованием микросхемы МАХ9918 и резистивного шунта, связаны с выводами устройства F1, F2, F3, предназначенными для подключения к обмоткам трехфазного синхронного электродвигателя (не показан), а входы через узел 10 драйверов, выполненных, например, с использованием микросхемы А4935, взаимосвязаны с выходами блока 1 управления инвертором. Ко второму и третьему измерительным входам блока 1 управления инвертором подключены выходами датчики тока 8 и 9. Узел 11 управления питанием инвертора, подключенный управляющим входом к выходу блока 1 управления инвертором. Упомянутый узел 11 (фиг.2, фиг.3) снабжен ограничительным диодом 12 и выполнен в виде силового электромагнитного ключа 13 с двумя нормально разомкнутыми контактами, первый из которых через первый фильтр 14 подключен к «плюсовому» выводу 2 питания устройства, а второй через второй фильтр 15 подключен к питающему выводу инвертора 7. Контакты силового электромагнитного ключа могут быть зашунтированы цепью (фиг.2) из последовательно соединенных резистора и прямо включенного диода. Выполнение первого 14 и второго 15 фильтров на индуктивных и емкостных элементах позволяет сохранить уровень помех на допустимом по РД 3174.37.101.002-2003 уровне.

Все элементы функциональной схемы заявляемого устройства, не раскрытые в настоящей заявке, являются известными для специалистов и поэтому нет необходимости в их подробном описании.

Устройство для управления электродвигателем электромеханического усилителя рулевого управления работает следующим образом.

В нормальном режиме эксплуатации при подаче напряжения на «плюсовой» вывод 2 питания устройства (фиг.1) блок 1 управления инвертором тестирует внутренние ресурсы и параметры внешних сигналов от датчиков режимных параметров, поступающие через узлы 3-6 сопряжения, которые выполняют функции согласования и нормализации сигналов. В случае обнаружения ошибок зажигается лампа «Отказ» (не показана) и инвертор 7 автоматически остается обесточенным.

При отсутствии ошибок включается узел 11 управления питанием инвертора и силовое питание подается на инвертор 7. Далее блок 1 анализирует сигнал от датчика момента (не показан). При приложении водителем усилия к рулевому колесу возникает разность моментов между входным и выходным валами электродвигателя (не показаны), соединенными через торсион. Эта разность моментов приводит к скручиванию торсиона и появлению сигнала от датчика момента. Блок 1, учитывая информационные сигналы автомобиля (от замка зажигания, датчика скорости автомобиля, от тахометра и т.п.), а также сигналы состояния электродвигателя (например, от датчика положения его ротора), под воздействием сигнала с выхода датчика момента формирует соответствующие управляющие сигналы для инвертора 7. В результате на выходах F1, F2, F3 инвертора 7 вырабатывается необходимое трехфазное напряжение и электродвигатель поворачивает выходной вал (колеса) в ту же сторону, в которую водитель поворачивает рулевое колесо. Совпадение положений входного и выходного валов приводит к исчезновению сигнала на выходе датчика момента и устройство переходит в режим ожидания.

Для улучшения динамических характеристик в алгоритме функционирования блока 1 управления инвертором предусмотрено использование информации от датчиков 8 и 9 тока двигателя, а также информации, содержащейся в сигналах датчиков режимных параметров и их производных по времени. Датчики тока 8 и 9 кроме этого обеспечивают выявление аварийных ситуаций, таких, например, как к.з., перегрузка по току и т.п.

В упомянутом выше алгоритме предусмотрен также анализ информации от датчика скорости с учетом информации от тахометра. Это позволяет существенно повысить достоверность результатов диагностирования датчика скорости. Например, если датчик скорости вырабатывает сигнал, соответствующий 0 км/ч (либо автомобиль стоит, либо обрыв цепи), а обороты двигателя изменяются в течение заданного в алгоритме времени, то диагностируется обрыв цепи датчика скорости. При этом загорается лампа «Отказ» и инвертор обесточивается.

В аномальном режиме эксплуатации в случае подачи на «плюсовой» вывод 2 питания устройства повышенного напряжения, например, в условиях пониженной температуры окружающей среды и при остановленном автомобиле, блок 1 управления инвертором анализирует уровень приложенного к его первому измерительному входу напряжения и в соответствии с заданным алгоритмом вырабатывает сигнал «Отказ». Кроме указанного сигнала блок 1 формирует команду, запрещающую подачу напряжения на инвертор 7. При этом на начальном этапе подачи на «плюсовой» вывод 2 питания устройства повышенного напряжения оно ограничивается диодом 12, например, до 24 В, а затем размыкаются контакты силового электромагнитного ключа 13 и напряжение с питающего вывода инвертора 7 снимается.

Другой аномальный режим эксплуатации связан с ухудшением качества напряжения бортовой сети U_БС из-за увеличения переходного сопротивления в цепях аккумуляторных клемм «плюс», «минус», например, вследствие ослабления их крепления или вследствие сульфатации. В данном случае размах пульсаций напряжения, измеряемого на «плюсовом» выводе 2 устройства может произвольно изменяться, например, от 0,2 В (фиг.4,а), что соответствует норме с подключенной аккумуляторной батареей, до 6 В (фиг.4,в), что соответствует отключенному состоянию аккумуляторной батареи. Учитывая, что блок 1 по первому измерительному входу непрерывно измеряет размах пульсаций как на стадии тестирования внутренних ресурсов и параметров внешних сигналов, так и на стадии управления крутящим моментом на выходном валу электродвигателя, при превышении пульсациями допустимого значения упомянутый блок 1 в соответствии с заданным алгоритмом вырабатывает сигнал «Отказ». Кроме указанного сигнала блок 1 формирует одну из двух команд, первая из которых используется при остановленном автомобиле и осуществляет немедленный запрет на подачу силового напряжения на питающий вывод инвертора 7, а вторая используется при движущемся автомобиле и осуществляет запрет на подачу силового напряжения на питающий вывод инвертора 7 после прекращения движения автомобиля. При этом снятие напряжения с питающего инвертор 7 вывода осуществляется аналогично случаю подачи повышенного напряжения на «плюсовой» вывод 2 устройства.

Таким образом, предложенное устройство для управления электродвигателем электромеханического усилителя рулевого управления выгодно отличается от прототипа расширенными функциональными возможностями и улучшенными потребительскими свойствами, благодаря введению в узел управления питанием инвертора ограничительного диода и измененному алгоритму работы блока управления инвертором в аномальных режимах эксплуатации. К новым свойствам заявляемой полезной модели можно отнести:

- повышенный КПД, обеспеченный возможностью использования в схеме инвертора низковольтных полевых транзисторов с малым активным сопротивлением сток-исток в открытом состоянии и, как следствие, с малой рассеиваемой на них мощностью;

- уменьшенные габариты и массу как следствие снижения рассеиваемой устройством мощности;

- повышенную выходную мощность и, как следствие, повышенный момент на валу электродвигателя ЭМУРУ.

- повышенную надежность, обеспечиваемую ограничительным диодом и алгоритмом своевременного снятия силового напряжения с питающего вывода инвертора в аномальных режимах эксплуатации устройства;

Проведенные ОАО «Автоэлектроника» лабораторные и эксплуатационные испытания показали высокую надежность заявленного технического решения и приемлемость его использования в составе ЭМУРУ как на легковых, так и на грузовых автомобилях.

1. Устройство для управления электродвигателем электромеханического усилителя рулевого управления, содержащее блок управления инвертором, первый измерительный и сигнальные входы которого подключены соответственно к «плюсовому» выводу питания устройства и через узлы сопряжения к выводам устройства, предназначенным для подключения к датчику положения ротора электродвигателя, датчику скорости, датчику момента, тахометру, силовой инвертор постоянного напряжения в трехфазное переменное, выходы которого через по меньшей мере два датчика тока связаны с выводами устройства, предназначенными для подключения к обмоткам трехфазного синхронного электродвигателя, а входы через узел драйверов взаимосвязаны с выходами блока управления инвертором, ко второму и третьему измерительным входам которого подключены выходами упомянутые датчики тока, узел управления питанием инвертора, содержащий первый и второй фильтры и подключенный управляющим входом к соответствующему выходу блока управления инвертором, отличающееся тем, что блок управления инвертором выполнен по первому измерительному входу с возможностью измерения размаха пульсаций напряжения питания устройства, а узел управления питанием инвертора снабжен ограничительным диодом и выполнен в виде силового электромагнитного ключа с двумя нормально разомкнутыми контактами, первый из которых через первый фильтр подключен к «плюсовому» выводу питания устройства, а второй через второй фильтр подключен к питающему выводу инвертора, при этом ограничительный диод связан одним выводом со вторым контактом силового электромагнитного ключа до или после второго фильтра, а другим выводом подключен к «минусовому» выводу питания устройства.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый и второй нормально разомкнутые контакты силового электромагнитного ключа зашунтированы соединенными последовательно ограничительным резистором и прямо включенным диодом.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый фильтр выполнен в виде однозвенного Г-образного LC фильтра.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что второй фильтр выполнен в виде однозвенного П-образного LC фильтра.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что второй фильтр выполнен в виде двухзвенного П-образного LC фильтра.