RU2185301C2

RU2185301C2 - Car steering mechanism servodrive and electric motor current regulator

Info

Publication number: RU2185301C2
Application number: RU2000110825/28A
Authority: RU
Inventors: В.В. Кашканов
Original assignee: Открытое акционерное общество "АВТОВАЗ"
Priority date: 2000-04-26
Filing date: 2000-04-26
Publication date: 2002-07-20

Abstract

FIELD: transport engineering; steering gears. SUBSTANCE: steering mechanism servodrive has DC motor, pickup of torque applied by driver to steering wheel, car speed transmitter, electric motor current sensor and regulator. To improve control and simplify control circuit, torque control is made in form of proportional-integral differential control device whose gain factors depend on car driving speed, and current regulator is of relay type on basis of comparator whose width of loop of hysteresis is proportional to preset value of electric motor current. EFFECT: improved control, simplified circuit. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электромеханическим системам транспортных средств и может быть использовано при разработке рулевых механизмов автомобилей. The invention relates to electromechanical systems of vehicles and can be used in the development of steering mechanisms of vehicles.

Известны способ и устройство, патент США 5428537, кл. В 62 D 5/04, 1995, в котором для формирования сигнала управления электродвигателем электромеханического усилителя рулевого механизма используется информация о первой и второй производных регулируемой переменной. A known method and device, US patent 5428537, CL. In 62 D 5/04, 1995, in which information on the first and second derivatives of an adjustable variable is used to generate a motor control signal for an electromechanical power steering amplifier.

Недостатком этого устройства является сложность его практической реализации, обусловленная необходимостью измерять или вычислять скорость и ускорение регулируемой переменной. The disadvantage of this device is the difficulty of its practical implementation, due to the need to measure or calculate the speed and acceleration of the controlled variable.

Наиболее близким техническим решением является устройство, патент США 5482129, кл. B 62 D5/04, 1996, (прототип), в котором для формирования сигнала управления электродвигателем электромеханического усилителя рулевого механизма используется пропорционально-интегральный регулятор тока (ПИ-регулятор), коэффициенты которого выбираются в зависимости от скорости движения автомобиля. The closest technical solution is the device, US patent 5482129, CL. B 62 D5 / 04, 1996, (prototype), in which a proportional-integral current controller (PI controller) is used to generate a motor control signal for an electromechanical power steering amplifier, the coefficients of which are selected depending on the vehicle speed.

Недостатком этого устройства является отсутствие дифференциальной составляющей в управлении, т.к. рулевой механизм с электромеханическим усилителем с точки зрения теории автоматического управления является объектом второго порядка (см. [1], стр. 27 ), а следовательно, при этом требуется не "ПИ-регулятор", а "ПИД-регулятор" (см. [2], стр. 64, 65 ). Кроме того, необходимо в максимально возможной степени скомпенсировать инерционность электродвигателя как источника момента, т.е. чтобы частотные свойства контура регулирования тока в отношении контура регулирования момента (ПИД-регулятор) были как можно выше (отличались более чем на порядок), т.к. только при этом условии процессы регулирования в них можно считать независимыми и рассматривать по отдельности. Это обстоятельство требует синтеза регулятора тока, обладающего максимальным быстродействием при отсутствии перерегулирования. The disadvantage of this device is the lack of a differential component in the control, because from the point of view of the theory of automatic control, the steering mechanism with an electromechanical amplifier is a second-order object (see [1], p. 27), and therefore, it is not the PI controller that is required, but the PID controller (see [ 2], p. 64, 65). In addition, it is necessary to compensate as much as possible the inertia of the electric motor as a source of torque, i.e. so that the frequency properties of the current control loop with respect to the torque control loop (PID controller) are as high as possible (differ by more than an order of magnitude), because only under this condition the regulatory processes in them can be considered independent and considered separately. This circumstance requires the synthesis of a current controller with maximum speed in the absence of overshoot.

Решение технической задачи направлено на улучшение качества регулирования и упрощение схемы. The solution to the technical problem is aimed at improving the quality of regulation and simplifying the scheme.

Для решения технической задачи в известный сервопривод рулевого механизма автомобиля, содержащий: электродвигатель; датчик тока электродвигателя; датчик момента, прикладываемого водителем к рулевому колесу, выход которого подключен к первому входу первого суммирующего элемента; пропорциональный и интегральный усилители, первые входы которых подключены к выходу первого суммирующего элемента, а вторые входы через первый и второй формирователи пропорционального и интегрального коэффициентов усиления подключены к выходу датчика скорости автомобиля, при этом выходы пропорционального и интегрального усилителей подключены соответственно к первому и второму входам второго суммирующего элемента, выход которого подключен ко входу регулятора тока электродвигателя, введены: первый дифференциальный усилитель, первый вход которого подключен к выходу первого суммирующего элемента, второй вход через вновь введенный третий формирователь коэффициента усиления подключен к выходу датчика скорости автомобиля, а выход подключен к третьему входу второго суммирующего элемента; второй дифференциальный усилитель, вход которого подключен к выходу датчика момента, а выход подключен ко второму входу первого суммирующего элемента; формирователь заданного значения момента на рулевом колесе, вход которого подключен к выходу датчика скорости автомобиля, а выход подключен к третьему входу первого суммирующего элемента; силовой преобразователь, к выходу которого подключены последовательно соединенные электродвигатель и датчик тока электродвигателя, а ко входу подключен выход регулятора тока электродвигателя, при этом регулятор тока электродвигателя выполнен имеющим второй вход, подключенный к выходу датчика тока электродвигателя. To solve a technical problem in a known servo steering mechanism of a car, comprising: an electric motor; motor current sensor; a torque sensor applied by the driver to the steering wheel, the output of which is connected to the first input of the first summing element; proportional and integral amplifiers, the first inputs of which are connected to the output of the first summing element, and the second inputs through the first and second formers of proportional and integral gain factors are connected to the output of the vehicle speed sensor, while the outputs of the proportional and integral amplifiers are connected respectively to the first and second inputs of the second summing element, the output of which is connected to the input of the motor current regulator, the following are introduced: the first differential amplifier, the first whose first input is connected to the output of the first summing element, the second input through the newly introduced third gain driver is connected to the output of the vehicle’s speed sensor, and the output is connected to the third input of the second summing element; a second differential amplifier, the input of which is connected to the output of the torque sensor, and the output is connected to the second input of the first summing element; a driver of a predetermined value of the moment on the steering wheel, the input of which is connected to the output of the vehicle’s speed sensor, and the output is connected to the third input of the first summing element; a power converter, the output of which is connected in series to the electric motor and the current sensor of the electric motor, and the output of the current regulator of the electric motor is connected to the input, while the current regulator of the electric motor is made having a second input connected to the output of the electric current sensor.

Регулятор тока электродвигателя, в составе описанного сервопривода, является оригинальным техническим решением, т.к. содержит: элемент сравнения, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входами регулятора тока электродвигателя; компаратор с гистерезисной характеристикой, ширина петли которой зависит от сигнала на втором входе компаратора, и регулятор величины пульсаций, выполненный в виде резистивного делителя, вход которого подключен к первому входу регулятора тока электродвигателя, а выход - ко второму входу компаратора, при этом первый вход компаратора подключен к выходу элемента сравнения, а выход компаратора является выходом регулятора тока электродвигателя. The motor current regulator, as part of the described servo drive, is an original technical solution, because contains: a comparison element, the first and second inputs of which are respectively the first and second inputs of the motor current controller; a comparator with a hysteresis characteristic, the loop width of which depends on the signal at the second input of the comparator, and a ripple regulator made in the form of a resistive divider, the input of which is connected to the first input of the motor current regulator, and the output to the second input of the comparator, while the first input of the comparator connected to the output of the comparison element, and the output of the comparator is the output of the motor current regulator.

На фиг.1. схематично показано предлагаемое устройство, на фиг.2. схематично показана практическая реализация регулятора тока электродвигателя. In figure 1. schematically shows the proposed device, figure 2. The practical implementation of the motor current regulator is schematically shown.

Сервопривод рулевого механизма автомобиля содержит: электродвигатель 1; датчик 2 тока электродвигателя; датчик 3 момента, прикладываемого водителем к рулевому колесу, выход которого подключен к первому входу первого суммирующего элемента 4; пропорциональный 5 и интегральный 6 усилители, первые входы которых подключены к выходу первого суммирующего элемента 4, а вторые входы через первый 7 и второй 8 формирователи пропорционального и интегрального коэффициентов усиления подключены к выходу датчика 9 скорости автомобиля, при этом выходы пропорционального 5 и интегрального 6 усилителей подключены соответственно к первому и второму входам второго суммирующего элемента 10, выход которого подключен ко входу регулятора 11 тока электродвигателя; первый дифференциальный усилитель 12, первый вход которого подключен к выходу первого суммирующего элемента 4, второй вход через вновь введенный третий формирователь 13 коэффициента усиления подключен к выходу датчика 9 скорости автомобиля, а выход подключен к третьему входу второго суммирующего элемента 10; второй дифференциальный усилитель 14, вход которого подключен к выходу датчика 3 момента, а выход подключен ко второму входу первого суммирующего элемента 4; формирователь 15 заданного значения момента на рулевом колесе, вход которого подключен к выходу датчика 9 скорости автомобиля, а выход подключен к третьему входу первого суммирующего элемента 4; силовой преобразователь 16, к выходу которого подключены последовательно соединенные электродвигатель 1 и датчик 2 тока электродвигателя, а ко входу подключен выход регулятора 11 тока электродвигателя, при этом регулятор тока электродвигателя выполнен имеющим второй вход, подключенный к выходу датчика 2 тока электродвигателя. The servo steering mechanism of a vehicle comprises: an electric motor 1; motor current sensor 2; a sensor 3 of the moment applied by the driver to the steering wheel, the output of which is connected to the first input of the first summing element 4; proportional to 5 and integral 6 amplifiers, the first inputs of which are connected to the output of the first summing element 4, and the second inputs through the first 7 and second 8 shapers of proportional and integral gain are connected to the output of the vehicle speed sensor 9, while the outputs are proportional to 5 and integral 6 amplifiers connected respectively to the first and second inputs of the second summing element 10, the output of which is connected to the input of the motor current regulator 11; a first differential amplifier 12, the first input of which is connected to the output of the first summing element 4, the second input through the newly introduced third gain driver 13 is connected to the output of the vehicle speed sensor 9, and the output is connected to the third input of the second summing element 10; a second differential amplifier 14, the input of which is connected to the output of the moment sensor 3, and the output is connected to the second input of the first summing element 4; shaper 15 of the set value of the moment on the steering wheel, the input of which is connected to the output of the vehicle speed sensor 9, and the output is connected to the third input of the first summing element 4; a power converter 16, the output of which is connected in series with the electric motor 1 and the motor current sensor 2, and the output of the electric motor current controller 11 is connected to the input, the electric motor current regulator having a second input connected to the output of the motor current sensor 2.

Регулятор 11 тока электродвигателя содержит элемент 17 сравнения, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входами регулятора 11 тока электродвигателя; компаратор 18 с гистерезисной характеристикой, ширина петли которой зависит от сигнала на втором входе компаратора 18, и регулятор 19 величины пульсаций, выполненный в виде резистивного делителя, вход которого подключен к первому входу регулятора 11 тока электродвигателя, а выход - ко второму входу компаратора 18, при этом первый вход компаратора 18 подключен к выходу элемента 17 сравнения, а выход компаратора 18 является выходом регулятора 11 тока электродвигателя. The motor current controller 11 comprises a comparison element 17, the first and second inputs of which are respectively the first and second inputs of the motor current controller 11; a comparator 18 with a hysteresis characteristic, the loop width of which depends on the signal at the second input of the comparator 18, and a ripple regulator 19 made in the form of a resistive divider, the input of which is connected to the first input of the motor current controller 11, and the output to the second input of the comparator 18, wherein the first input of the comparator 18 is connected to the output of the comparison element 17, and the output of the comparator 18 is the output of the motor current controller 11.

Сервопривод работает следующим образом. Сигнал с выхода датчика 3 момента поступает на первый вход первого суммирующего элемента 4 и на вход второго дифференциального усилителя 14, который служит для компенсации фазового сдвига выходного сигнала датчика 3 момента, обусловленного его внутренними инерционностями. Из суммарной величины сигналов, поступивших на первый и второй входы первого суммирующего элемента 4, вычитается сигнал, поступающий с выхода формирователя 15 заданного значения момента на рулевом колесе. Этот сигнал формируется в зависимости от текущего значения скорости движения автомобиля. Разностный сигнал с выхода первого суммирующего элемента 4 поступает на входы каждого из усилителей "ПИД-регулятора" (усилители 5, 6 и 12). Коэффициенты усиления по каждой из компонент "ПИД-регулятора" также формируются в зависимости от текущего значения скорости, потому что динамические свойства рулевого механизма как объекта управления существенно зависят от скорости движения автомобиля. Результирующий сигнал (например, положительный) с выхода второго суммирующего элемента 10 поступает на вход регулятора 11 тока электродвигателя, при этом компаратор 18 переключится в верхнее положение, что приведет к включению первого Т1 и четвертого Т4 транзисторов силового преобразователя 16. Сигнал на инверсном входе элемента 17 сравнения начинает возрастать в соответствии с возрастанием тока в якоре электродвигателя 1, что вызывает уменьшение сигнала на входе компаратора 18. В момент, когда ток в якоре электродвигателя 1 достигнет значения, при котором сигнал на входе компаратора 18 становится отрицательным и по величине равным сигналу, поступающему с регулятора 19 величины пульсаций, выходное напряжение компаратора 18 сменится на отрицательное, что приведет к выключению первого Т1, четвертого Т4 транзисторов и включению второго Т2 и третьего Т3 транзисторов силового преобразователя 16. Ток в якоре электродвигателя 1 начнет уменьшаться, протекая через соответствующие диоды силового преобразователя 16. Когда ток в якоре электродвигателя 1 спадет настолько, что сигнал на входе компаратора 18 станет положительным и равным по величине напряжению, поступающему с регулятора 19 величины пульсаций, выходное напряжение компаратора 18 сменится на положительное и повторится описанный процесс, приводящий к возрастанию тока в якоре электродвигателя 1. Таким образом, ток в якоре электродвигателя 1 пульсирует относительно среднего значения, пропорционального величине результирующего сигнала на выходе второго суммирующего элемента 10, причем относительная величина пульсаций остается постоянной и не зависит от величины этого сигнала, скорости вращения электродвигателя 1 и величины напряжения бортовой сети автомобиля. То же относится и к среднему значению тока якоря, а следовательно, и к величине момента, развиваемого электродвигателем 1. The servo operates as follows. The signal from the output of the torque sensor 3 is fed to the first input of the first summing element 4 and to the input of the second differential amplifier 14, which serves to compensate for the phase shift of the output signal of the torque sensor 3 due to its internal inertia. From the total value of the signals received at the first and second inputs of the first summing element 4, the signal coming from the output of the driver 15 of the set value of the moment on the steering wheel is subtracted. This signal is generated depending on the current value of the vehicle speed. The difference signal from the output of the first summing element 4 is fed to the inputs of each of the amplifiers of the "PID controller" (amplifiers 5, 6 and 12). The gain factors for each of the components of the "PID controller" are also formed depending on the current speed value, because the dynamic properties of the steering mechanism as a control object substantially depend on the vehicle speed. The resulting signal (for example, positive) from the output of the second summing element 10 is fed to the input of the motor current controller 11, while the comparator 18 will switch to the upper position, which will turn on the first T1 and fourth T4 transistors of the power converter 16. The signal at the inverse input of the element 17 of comparison begins to increase in accordance with an increase in the current in the armature of the motor 1, which causes a decrease in the signal at the input of the comparator 18. At the moment when the current in the armature of the motor 1 reaches in which the signal at the input of the comparator 18 becomes negative and equal in magnitude to the signal coming from the ripple controller 19, the output voltage of the comparator 18 changes to negative, which will turn off the first T1, fourth T4 transistors and turn on the second T2 and third T3 power transistors converter 16. The current in the armature of the motor 1 will begin to decrease, flowing through the corresponding diodes of the power converter 16. When the current in the armature of the motor 1 drops so much that the signal at the input to of the parator 18 will become positive and equal in magnitude to the voltage coming from the ripple regulator 19, the output voltage of the comparator 18 will change to positive and the described process will be repeated, leading to an increase in the current in the armature of the motor 1. Thus, the current in the armature of the motor 1 pulsates relative to the average value proportional to the value of the resulting signal at the output of the second summing element 10, and the relative value of the ripple remains constant and does not depend on the magnitude of this Igna, the rotation speed of the motor 1 and the value of the vehicle electrical system voltage. The same applies to the average value of the armature current, and therefore to the magnitude of the moment developed by the electric motor 1.

Таким образом, при работе устройства, использующего регулятор 11 тока электродвигателя, содержащий компаратор 18 с изменяемой шириной петли гистерезиса, обеспечивается полная независимость момента, развиваемого электродвигателем 1 от величины напряжения бортовой сети автомобиля и принципиальное отсутствие перерегулирования среднего значения момента при максимальном быстродействии. Thus, when operating a device using a motor current controller 11 containing a comparator 18 with a variable width of the hysteresis loop, the moment developed by the electric motor 1 is completely independent of the voltage value of the vehicle electrical system and the fundamental absence of overshoot of the average moment value at maximum speed.

Источники информации
1. "Automotive Engineering", 1998, 9, с.25-31.Sources of information
1. "Automotive Engineering", 1998, 9, p.25-31.

2. Слежановский О.В. и др. "Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями", - М.: Энергоатомиздат, 1983. -256 с. 2. Sledzhanovsky OV and others. "Systems of subordinate regulation of AC electric drives with valve converters", - M .: Energoatomizdat, 1983. -256 p.

Claims

1. Сервопривод рулевого механизма автомобиля, содержащий электродвигатель, датчик тока электродвигателя, датчик момента, прикладываемого водителем к рулевому колесу, выход которого подключен к первому входу первого суммирующего элемента, пропорциональный и интегральный усилители, первые входы которых подключены к выходу первого суммирующего элемента, а вторые входы через первый и второй формирователи пропорционального и интегрального коэффициентов усиления подключены к выходу датчика скорости автомобиля, при этом выходы пропорционального и интегрального усилителей подключены соответственно к первому и второму входам второго суммирующего элемента, выход которого подключен ко входу регулятора тока электродвигателя, отличающийся тем, что в него введены первый дифференциальный усилитель, первый вход которого подключен к выходу первого суммирующего элемента, второй вход через вновь введенный третий формирователь коэффициента усиления подключен к выходу датчика скорости автомобиля, а выход подключен к третьему входу второго суммирующего элемента, второй дифференциальный усилитель, вход которого подключен к выходу датчика момента, а выход подключен ко второму входу первого суммирующего элемента, формирователь заданного значения момента на рулевом колесе, вход которого подключен к выходу датчика скорости автомобиля, а выход подключен к третьему входу первого суммирующего элемента, силовой преобразователь, к выходу которого подключены последовательно соединенные электродвигатель и датчик тока электродвигателя, а ко входу подключен выход регулятора тока электродвигателя, при этом регулятор тока электродвигателя выполнен имеющим второй вход, подключенный к выходу датчика тока электродвигателя. 1. The servo-drive of the vehicle’s steering mechanism, comprising an electric motor, an electric motor current sensor, a torque sensor applied by the driver to the steering wheel, the output of which is connected to the first input of the first summing element, proportional and integral amplifiers, the first inputs of which are connected to the output of the first summing element, and the second the inputs through the first and second formers of proportional and integral gain are connected to the output of the vehicle speed sensor, while the outputs are proportional of the total and integral amplifiers are connected respectively to the first and second inputs of the second summing element, the output of which is connected to the input of the motor current regulator, characterized in that the first differential amplifier is introduced into it, the first input of which is connected to the output of the first summing element, the second input through the newly introduced the third gain driver is connected to the output of the vehicle’s speed sensor, and the output is connected to the third input of the second summing element, the second differential a social amplifier, the input of which is connected to the output of the torque sensor, and the output is connected to the second input of the first summing element, the driver of the set value of the moment on the steering wheel, the input of which is connected to the output of the vehicle’s speed sensor, and the output is connected to the third input of the first summing element, power converter the output of which is connected in series with the electric motor and the motor current sensor, and the output of the motor current regulator is connected to the input, while the regulator a motor configured having a second input connected to the output of the motor current sensor.

2. Регулятор тока электродвигателя для сервопривода рулевого механизма автомобиля, первый вход которого подключен к выходу второго суммирующего элемента, второй вход подключен к выходу датчика тока, а выход подключен ко входу силового преобразователя, отличающийся тем, что он содержит элемент сравнения, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входами регулятора тока электродвигателя, компаратор с гистерезисной характеристикой, ширина петли которой зависит от сигнала на втором входе компаратора, и регулятор величины пульсаций, выполненный в виде резистивного делителя, вход которого подключен к первому входу регулятора тока электродвигателя, а выход - ко второму входу компаратора, при этом первый вход компаратора подключен к выходу элемента сравнения, а выход компаратора является выходом регулятора тока электродвигателя. 2. The current regulator of the electric motor for the servo-drive mechanism of the car, the first input of which is connected to the output of the second summing element, the second input is connected to the output of the current sensor, and the output is connected to the input of the power converter, characterized in that it contains a comparison element, the first and second inputs which are respectively the first and second inputs of the motor current controller, a comparator with a hysteresis characteristic, the loop width of which depends on the signal at the second input of the comparator, and the op value pulsations configured as a resistive divider whose input is connected to the first input of the motor current controller, while the output - to the second input of the comparator, the first input of the comparator is connected to the output of the comparison element and the output of the comparator being the output of the motor current controller.