RU2158692C2 - Automobile steering electric servo - Google Patents
Automobile steering electric servo Download PDFInfo
- Publication number
- RU2158692C2 RU2158692C2 RU99100542A RU99100542A RU2158692C2 RU 2158692 C2 RU2158692 C2 RU 2158692C2 RU 99100542 A RU99100542 A RU 99100542A RU 99100542 A RU99100542 A RU 99100542A RU 2158692 C2 RU2158692 C2 RU 2158692C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotor
- electric motor
- stator
- steering wheel
- teeth
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Power Steering Mechanism (AREA)
- Steering Control In Accordance With Driving Conditions (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к средствам управления автомобиля и может быть использовано для снижения усилия на руле, в частности при маневрах на малых скоростях и повороте колес на неподвижном автомобиле. The invention relates to vehicle controls and can be used to reduce steering wheel forces, in particular when maneuvering at low speeds and turning wheels on a stationary car.
Известно техническое решение, содержащее датчик момента на руле, редуктор, электромагнитную муфту, электродвигатель постоянного тока, управляемый от блока управления по сигналу датчика момента на руле, систему диагностики (патент США N 4660671). A known technical solution containing a torque sensor on the steering wheel, gearbox, electromagnetic clutch, DC motor controlled from the control unit by the signal of the torque sensor on the steering wheel, diagnostic system (US patent N 4660671).
Недостатком данного технического решения является необходимость применения электромагнитной муфты, а также плохое охлаждение двигателя постоянного тока вследствие закрытого исполнения. The disadvantage of this technical solution is the need to use an electromagnetic clutch, as well as poor cooling of the DC motor due to the closed design.
Известно техническое решение, содержащее датчик момента, измеряющий момент на руле и обеспечивающий соответствующие выходные сигналы, средство для обеспечения сигнала требуемого компенсирующего момента, имеющего величину, функционально связанную с моментом, приложенным к рулю, электродвигатель, содержащий зубчатый статор с обмотками и зубчатый безобмоточный ротор, кинематически связанный с рулем и способный, при необходимости, создать требуемый компенсирующий момент для снижения усилия на руле, датчик скорости автомобиля, измеряющий скорость автомобиля и обеспечивающий соответствующие выходные сигналы, датчик положения ротора электродвигателя, регистрирующий угловое положение ротора относительно статора и обеспечивающий соответствующие выходные сигналы, датчик скорости вращения ротора электродвигателя, измеряющий скорость вращения и обеспечивающий соответствующие выходные сигналы, блок управления электродвигателем, вырабатывающий на основе поступающих в него сигналов от датчика скорости вращения ротора, датчика положения ротора, датчика скорости движения автомобиля и датчика момента силовых управляющих сигналов для обмоток электродвигателя. С использованием обратной связи по скорости вращения ротора реализуется управление токами электродвигателя, обеспечивающее высокий уровень выходных характеристик. В частности, таким образом решается проблема значительного снижения пульсации момента на валу четырехфазного реактивного индукторного электродвигателя и соответствующих вибраций руля (патент США N 5623409). A technical solution is known, comprising a torque sensor measuring the moment on the steering wheel and providing corresponding output signals, means for providing a signal of the required compensating moment having a value functionally related to the moment applied to the steering wheel, an electric motor containing a gear stator with windings and a gear windingless rotor, kinematically connected with the steering wheel and able, if necessary, to create the required compensating moment to reduce the force on the steering wheel, a vehicle speed sensor, measuring motor speed and providing the corresponding output signals, the rotor position sensor of the electric motor, recording the angular position of the rotor relative to the stator and providing the corresponding output signals, the rotor speed sensor of the electric motor rotor, measuring the rotation speed and providing the corresponding output signals, the electric motor control unit that generates based on signals from the rotor speed sensor, rotor position sensor, motion speed sensor I have a car and a torque sensor of power control signals for the motor windings. Using feedback on the speed of rotation of the rotor, current control of the electric motor is implemented, providing a high level of output characteristics. In particular, this solves the problem of significantly reducing the ripple of the torque on the shaft of a four-phase jet induction electric motor and the corresponding steering vibrations (US Pat. No. 5,623,409).
Недостатком данного технического решения является необходимость применения в данном электроусилителе датчика скорости вращения ротора электродвигателя, обеспечивающего измерение текущих значений скорости вращения в любой момент времени. Датчик скорости вращения представляет из себя достаточно сложный узел, к точности и качеству выходных сигналов которого предъявляются высокие требования. Его применение увеличивает габариты электроусилителя и повышает его стоимость. The disadvantage of this technical solution is the need to use in this electric amplifier a rotational speed sensor of the rotor of the electric motor, providing a measurement of the current values of the rotation speed at any time. The rotation speed sensor is a rather complex unit, high demands are placed on the accuracy and quality of the output signals of which. Its use increases the dimensions of the electric amplifier and increases its cost.
Предлагаемое изобретение направлено на упрощение конструкции электроусилителя за счет применения трехфазного реактивного индукторного электродвигателя со специально сформированной геометрией зубцовой зоны. The present invention is aimed at simplifying the design of the electric amplifier due to the use of a three-phase reactive induction electric motor with a specially formed tooth zone geometry.
Решение указанной задачи обеспечивается устройством электроусилителя руля автомобиля, содержащего датчик момента на руле, датчик скорости автомобиля, электродвигатель, механически связанный с рулем и содержащий зубчатый статор с обмоткой и зубчатый безобмоточный ротор, датчик положения ротора электродвигателя, блок управления электродвигателем, в котором согласно данному заявлению электродвигатель выполнен трехфазным с числом зубцов на статоре - 12, на роторе - 8, магнитная система электродвигателя выполнена со взаимным скосом зубцов ротора и статора на величину β = (0,075...0,15)t2, при этом ширина коронки зубцов статора по воздушному зазору bz1=(0,31.... 0,35)t2, а ротора - bz2 = (0,41....0,44)t2, где t2 - зубцовый шаг по ротору. Кроме того, блок управления функционально связан с датчиком режима работы автомобиля, регистрирующим режим работы автомобиля и обеспечивающим соответствующий выходной сигнал.The solution to this problem is provided by the device of the electric power steering wheel of the car, containing a torque sensor on the steering wheel, a vehicle speed sensor, an electric motor mechanically connected to the steering wheel and containing a gear stator with a winding and a gearless rotorless rotor, an electric motor rotor position sensor, an electric motor control unit, in which according to this application the electric motor is made three-phase with the number of teeth on the stator - 12, on the rotor - 8, the magnetic system of the electric motor is made with a mutual bevel of the teeth rotor and stator by β = (0,075 ... 0,15) t 2 , while the width of the crown of the stator teeth in the air gap b z1 = (0,31 ... 0,35) t 2 , and the rotor - b z2 = (0.41 .... 0.44) t 2 , where t 2 is the tooth pitch along the rotor. In addition, the control unit is functionally connected to a vehicle operation mode sensor, which registers the vehicle operation mode and provides a corresponding output signal.
В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером выполнения со ссылкой на чертежи, на которых показаны:
- фиг. 1 - структурная схема электроусилителя руля автомобиля;
- фиг. 2 - электроусилитель руля в разрезе;
- фиг. 3 - поперечное сечение трехфазного реактивного индукторного электродвигателя;
- фиг. 4 - фрагмент зубцовой зоны электродвигателя;
- фиг. 5 - продольный вид ротора со скосом зубцов;
- фиг. 6 - зависимость требуемого компенсирующего момента от момента на руле при разных значениях скорости автомобиля;
- фиг. 7 - диск датчика положения ротора;
- фиг. 8 - диаграммы фазных токов и сигналов датчика положения ротора;
- фиг. 9 - диаграммы результирующего и фазных составляющих момента двигателя.The invention is further illustrated by a specific exemplary embodiment with reference to the drawings, in which are shown:
- FIG. 1 is a structural diagram of an electric power steering car;
- FIG. 2 - electric power steering in the context;
- FIG. 3 is a cross section of a three-phase reactive induction electric motor;
- FIG. 4 - a fragment of the tooth zone of the electric motor;
- FIG. 5 is a longitudinal view of a rotor with bevel teeth;
- FIG. 6 - dependence of the required compensating moment on the moment on the steering wheel at different values of the vehicle speed;
- FIG. 7 - a disk of the rotor position sensor;
- FIG. 8 is a diagram of phase currents and signals of the rotor position sensor;
- FIG. 9 is a diagram of the resulting and phase components of the engine torque.
Электроусилитель руля автомобиля, структурная схема которого показана на фиг. 1, состоит из датчика момента 11, измеряющего приложенный к рулю 14 момент и формирующего соответствующие выходные сигналы, датчика скорости 2 автомобиля, измеряющего скорость движения автомобиля и формирующего соответствующие выходные сигналы, электродвигателя 10, связанного с рулем 14 через червячный редуктор 12, датчика положения ротора ДПР 9, регистрирующего положение ротора относительно статора и формирующего соответствующие выходные сигналы, датчика режима работы автомобиля 1, регистрирующего режим работы автомобиля и обеспечивающего соответствующий выходной сигнал, блока управления электродвигателем, включающего в себя формирователи 3, 4, процессор 5, драйверы ключей 6, 3-фазный мостовой инвертор, реле 8 и формирующего силовые сигналы на обмотках электродвигателя с учетом сигналов датчиков момента 11, скорости автомобиля 2, датчика положения ротора 9, датчика режима работы автомобиля 1. The electric power steering of a car, the structural diagram of which is shown in FIG. 1, consists of a
Компоновка электроусилителя показана на фиг. 2. Датчик момента размещен внутри корпуса электроусилителя и состоит из индуктивной катушки 1, перфорированных электропроводящих цилиндров 2 и 3 и торсионного вала 4. Торсионный вал 4 является упругим элементом, работающим на скручивание и служит для преобразования момента, приложенного к рулю, в угловое перемещение цилиндров 2 и 3 относительно друг друга. Угловое перемещение регистрируется посредством измерения параметров катушки. Электродвигатель состоит из зубчатого безобмоточного ротора 5 и зубчатого статора 6 с обмотками 7. Внутри электродвигателя установлен датчик положения ротора, состоящий из перфорированного диска 8 и смещенных на 120 электрических градусов датчиков 9. Вал ротора соединен шлицевым соединением с червяком 10 редуктора 11. Вращающий момент электродвигателя передается червяком 10 на зубчатое колесо 11 редуктора и далее на торсионный вал 4 и рулевую колонку 12. The arrangement of the electric amplifier is shown in FIG. 2. The torque sensor is located inside the electric booster housing and consists of an
Электродвигатель (фиг. 3) выполняется трехфазным с числом зубцов на статоре - 12, на роторе - 8. Зубцовая зона (фиг. 4) выполнена с разной шириной коронок зубцов статора 13 и ротора 14: для зубцов статора - bz1 = (0,31...0,35)t2, зубцов ротора - bz2 = (0,41...0,44)t2. На роторе, показанном на фиг. 5, выполнен скос зубцов ротора относительно зубцов статора на величину β = (0,075....0,15)t2.The electric motor (Fig. 3) is three-phase with the number of teeth on the stator - 12, on the rotor - 8. The tooth zone (Fig. 4) is made with different widths of the crowns of the teeth of the
Основной алгоритм работы электроусилителя подчинен реализации характеристик, показанных на фиг. 6 и связывающих момент на руле Mp с требуемым моментом компенсации Mk который должен быть обеспечен электроусилителем, при разных значениях скорости движения автомобиля. По мере роста момента на руле Mp увеличивается момент компенсации Mk со стороны электроусилителя. В то же время при увеличении скорости движения автомобиля эффективность работы электроусилителя должна быть снижена в соответствии с заданной характеристикой (см. фиг. 6), то есть необходимый момент компенсации Mk снижается. Это связано с тем, что наибольшие усилия к рулю прикладываются водителем при неподвижном автомобиле и во время движения с малой скоростью.The main operation algorithm of the electric amplifier is subordinate to the implementation of the characteristics shown in FIG. 6 and linking the moment on the steering wheel M p with the required compensation moment M k which must be provided by the electric amplifier, at different values of the vehicle speed. As the moment on the steering wheel M p increases, the moment of compensation M k from the electric power amplifier increases. At the same time, with increasing vehicle speed, the efficiency of the electric amplifier should be reduced in accordance with a given characteristic (see Fig. 6), that is, the necessary compensation moment M k decreases. This is due to the fact that the driver exerts the greatest effort on the steering wheel while the vehicle is stationary and while driving at low speed.
При возникновении момента на руле Mp, превышающего заданный минимальный момент Mmin, блок управления электродвигателем вырабатывает силовой управляющий сигнал, приложенный к обмоткам электродвигателя, для создания на рулевой колонке требуемого компенсирующего момента Mk в соответствии с характеристиками, показанными на фиг. 6. При этом величина сигнала на обмотке формируется с учетом сигнала датчика скорости автомобиля (см. фиг. 6), а также сигналов датчика положения ротора и датчика момента на руле Mp. Для защиты аккумулятора от разряда электроусилитель не включается при неработающем двигателе автомобиля. Для этого в блок управления введен сигнал датчика режима работы автомобиля. Электроусилитель выполняется реверсивным в соответствии с требуемыми характеристиками (см. фиг. 6). Приведенные характеристики реализуются с помощью программного обеспечения процессора (см. фиг. 1).When a steering moment M p exceeds a predetermined minimum moment M min , the electric motor control unit generates a power control signal applied to the motor windings to create the required compensating moment M k on the steering column in accordance with the characteristics shown in FIG. 6. In this case, the signal value on the winding is formed taking into account the signal of the vehicle’s speed sensor (see Fig. 6), as well as the signals of the rotor position sensor and the moment sensor on the steering wheel M p . To protect the battery from discharge, the electric amplifier does not turn on when the car engine is not running. For this, a signal from the vehicle operating mode sensor is entered into the control unit. The electric amplifier is reversible in accordance with the required characteristics (see Fig. 6). The above characteristics are implemented using processor software (see Fig. 1).
Датчик положения имеет наиболее простое исполнение в виде сдвинутых друг относительно друга на 120 электрических градусов трех датчиков на основе эффекта Холла и, показанного на фиг. 7 перфорированного цилиндра с числом перфораций, равным числу зубцов ротора, в данном случае - 8. При вращении ротора датчик положения выдает три сигнала d-A, d-B и d-C, сдвинутые также на 120 электрических градусов или 1/3 периода (см. фиг. 8). The position sensor has the simplest version in the form of three sensors shifted relative to each other by 120 electrical degrees based on the Hall effect and shown in FIG. 7 of the perforated cylinder with the number of perforations equal to the number of teeth of the rotor, in this case 8. When the rotor rotates, the position sensor generates three signals dA, dB and dC, also shifted by 120 electrical degrees or 1/3 of the period (see Fig. 8) .
В соответствии с сигналами ДПР блоком управления подается силовой управляющий сигнал на обмотку и по фазным катушкам протекает ток (см. фиг. 8). Причем при работе в области малых частот вращения двигателя ток в фазную катушку подается в положении для данной фазы "зубец-паз", а отключается в положении "зубец-зубец". Таким образом, длительность токового импульса составляет 180 электрических градусов или 1/2 периода, форма импульса - прямоугольная. По мере роста частоты вращения крутизна фронтов фазного тока уменьшается. Для обеспечения при указанной форме импульса тока, минимального уровня пульсаций момента на валу электродвигателя и, соответственно, на руле специально сформирована геометрия зубцовой зоны. Ширина коронки зубцов статора - bz1 = (0,31. ..0,35)t2, ротора - bz2 = (0,41...0,44)t2. Помимо минимального уровня пульсаций выполнение зубцов с разной шириной коронок обеспечивает такую зависимость момента от угла, у которой производная момента по углу в зонах включения ("зубец-паз") и отключения тока ("зубец-зубец") наименьшая по абсолютному значению (см. фиг. 9). Это обеспечивает снижение чувствительности пульсаций момента как к неточности включения и отключения тока в указанных положениях ротора, так и к заваливанию нарастающего и спадающего фронтов тока по мере увеличения частоты вращения. Положительное влияние на снижение пульсаций имеет выполнение взаимного скоса зубцов статора и ротора на величину β = (0,075...0,15)t2 (см. фиг. 5).In accordance with the signals of the DPR, the control unit supplies a power control signal to the winding and current flows through the phase coils (see Fig. 8). Moreover, when operating in the region of low engine speeds, current is supplied to the phase coil in the position for the tooth-groove phase, and is turned off in the position "tooth-tooth". Thus, the duration of the current pulse is 180 electrical degrees or 1/2 period, the shape of the pulse is rectangular. As the rotation frequency increases, the steepness of the phases of the phase current decreases. To ensure, with the specified shape of the current pulse, the minimum level of ripple of the moment on the motor shaft and, accordingly, on the steering wheel, the tooth zone geometry is specially formed. The width of the crown of the stator teeth is b z1 = (0.31. ..0.35) t 2 , the rotor's width is b z2 = (0.41 ... 0.44) t 2 . In addition to the minimum level of ripple, the implementation of teeth with different widths of crowns provides such a dependence of the moment on the angle for which the derivative of the moment with respect to the angle in the zones of inclusion ("tooth-groove") and disconnection of current ("tooth-tooth") is the smallest in absolute value (see Fig. 9). This ensures a decrease in the sensitivity of ripples of the moment both to the inaccuracy of turning on and off the current in the indicated positions of the rotor, and to blocking the rising and falling edges of the current as the rotation frequency increases. A positive effect on the reduction of pulsations has the mutual beveling of the teeth of the stator and rotor by β = (0.075 ... 0.15) t 2 (see Fig. 5).
Для снижения акустического шума, вызванного деформациями статора электродвигателя от действия магнитных сжимающих сил, предлагается применить конструкцию магнитопровода статора повышенной жесткости за счет увеличения порядка деформаций: с число зубцов на статоре - 12, на роторе - 8 (см. фиг. 3). To reduce the acoustic noise caused by deformations of the stator of the electric motor due to magnetic compressive forces, it is proposed to use the design of the stator magnetic circuit of increased stiffness by increasing the order of deformations: with the number of teeth on the stator - 12, on the rotor - 8 (see Fig. 3).
Таким образом, выполнение электродвигателя в трехфазном варианте с предложенными размерами коронок зубцов статора и ротора, а также применение скоса зубцов позволяет обеспечить низкий уровень пульсаций момента электродвигателя и, тем самым, высокое качество работы электроусилителя в целом. При этом следует отметить, что для обеспечения низкого уровня пульсаций момента в предлагаемом техническом решении достаточно применения датчика положения ротора простейшей конструкции. Кроме того, не требуется использования датчика скорости вращения электродвигателя для построения системы управления, демпфирующей пульсации момента на руле с помощью соответствующей обратной связи. Thus, the implementation of the electric motor in a three-phase version with the proposed sizes of the crowns of the stator and rotor teeth, as well as the use of bevel teeth, allows for a low level of pulsation of the motor torque and, therefore, high quality of the electric amplifier as a whole. It should be noted that to ensure a low level of pulsation of the moment in the proposed technical solution, it is sufficient to use a rotor position sensor of the simplest design. In addition, it does not require the use of a motor speed sensor to build a control system that dampens the pulsation of the moment on the steering wheel using the appropriate feedback.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99100542A RU2158692C2 (en) | 1999-01-06 | 1999-01-06 | Automobile steering electric servo |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99100542A RU2158692C2 (en) | 1999-01-06 | 1999-01-06 | Automobile steering electric servo |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU99100542A RU99100542A (en) | 2000-10-10 |
| RU2158692C2 true RU2158692C2 (en) | 2000-11-10 |
Family
ID=20214560
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99100542A RU2158692C2 (en) | 1999-01-06 | 1999-01-06 | Automobile steering electric servo |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2158692C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007024157A1 (en) | 2005-08-19 | 2007-03-01 | Otkritoe Aktsionernoe Obschestvo 'kaluzskiy Zavod Elektronnix Izdeliy' | Car steering wheel electromechanical booster |
| RU2734440C2 (en) * | 2015-11-19 | 2020-10-16 | Рено С.А.С | Method for facilitating motor vehicle control |
-
1999
- 1999-01-06 RU RU99100542A patent/RU2158692C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007024157A1 (en) | 2005-08-19 | 2007-03-01 | Otkritoe Aktsionernoe Obschestvo 'kaluzskiy Zavod Elektronnix Izdeliy' | Car steering wheel electromechanical booster |
| US8051943B2 (en) | 2005-08-19 | 2011-11-08 | Otkritoe Aktsionernoe Obschestvo “Kaluzskiy Zavod Elektronnikh Izdeliy” | Car steering wheel electromechanical booster |
| RU2734440C2 (en) * | 2015-11-19 | 2020-10-16 | Рено С.А.С | Method for facilitating motor vehicle control |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3982739B2 (en) | Electric power steering device | |
| JP4250657B2 (en) | How to calculate motor position | |
| EP1400009B1 (en) | Extended speed range operation of permanent magnet brushless machines using optimal phase angle control in the voltage mode operation | |
| EP2090494B1 (en) | Electric power steering device | |
| US6838844B2 (en) | Electric power steering apparatus | |
| CN102616272A (en) | Position control method for sensorless steering wheel | |
| US6486658B2 (en) | Encoder for a permanent magnet sinusoidal brushless motor in an electric power steering system | |
| US7196442B2 (en) | Motor encoder | |
| RU2158692C2 (en) | Automobile steering electric servo | |
| US8049449B2 (en) | Brushless motor control method and brushless motor | |
| US6926299B2 (en) | Electric steering apparatus | |
| RU2162041C2 (en) | Servo drive with low torque pulsations | |
| JP4088510B2 (en) | Motor equipment | |
| JP2006121821A (en) | Synchronous reluctance motor and electric steering device mounted with the synchronous reluctance motor | |
| JP3763536B2 (en) | Steering device | |
| US5743352A (en) | Electrically-actuated power steering system | |
| JP4005390B2 (en) | Electric power steering device | |
| EP0376458A2 (en) | Steering gear and system for automotive vehicle | |
| RU2181091C1 (en) | Automobile electromechanical steering booster | |
| JP4158243B2 (en) | Control device for electric motor for electric power steering | |
| RU11165U1 (en) | POWER STEERING VEHICLE | |
| JP5695366B2 (en) | Torque sensor for power steering and electric power steering apparatus having the same | |
| JP5695346B2 (en) | Torque sensor for power steering and electric power steering apparatus having the same | |
| RU99100542A (en) | POWER STEERING VEHICLE | |
| JP2023173527A (en) | Motor control device, electric actuator, and electric power steering device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170107 |