Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ». Электроусилитель рулевого управления легкового автомобиля на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами Марков В.В., к.т.н., доцент Прохоров В.А., Урдин Д.А. МГТУ «МАМИ» В настоящее время в автомобилестроении идет интенсивный процесс оснащения машин новыми средствами электрооборудования и электроники. Они используются для повышения комфортности автомобиля (стеклоподъемники, стеклоочистители, вентиляторы, электрические зеркала т.п.), в системе топливоподачи (бензонасос, электромеханизмы подготовки и впрыска топлива), в системах смазки и охлаждения, а также и в системах управления движением автомобиля. В современных автомобилях может устанавливаться уже более тридцати различных электроприводов. К ним, в частности, относится электроусилитель рулевого управления (ЭУРУ). Его также называют и электромеханическим усилителем рулевого управления (ЭМРУ) – это вариант ЭУРУ изготовленный по без использования редуктора. На сегодняшний день известны три основных усилителя рулевого управления автомобилем: механический, гидравлический и электрический. Механический усилитель руля предназначен для уменьшения усилия на рулевом колесе при маневрировании. В автомобиль с повышенной проходимостью, наиболее целесообразна установка механического усилителя руля, принципом работы которого основан на изменении передаточного отношения в рулевом механизме. Это модернизированный штатный рулевой механизм, не оснащенный каким-либо дополнительным приводом. Достоинства: снижает усилия на руле почти в два раза, не требует особых навыков при установке и не вносит видимых изменений в конструкцию машины. Не требует дополнительного обслуживания в течение длительного времени эксплуатации. Недостатки: мало заметна работа при парковке. Общая оценка: приятные изменения за небольшую стоимость, не заметна роль при паркинге. Гидравлический усилитель рулевого управления (ГУРУ) - это устройство состоит из насоса (обычно ротационного типа), шлангов, трубок, масляного резервуара и собственно рабочего тела – масла. Простотой ГУРУ не отличается, кроме того, требует периодического обслуживания. Сложность конструкции и трудоемкий монтаж сказываются на цене данного оборудования. Она высока, поэтому редко кто устанавливает гидроусилитель на автомобиль, где он не предусмотрен стандартной комплектацией. Наиболее целесообразно установка гидроусилителя в автомобиль с повышенной проходимостью. Существуют модели гидроусилителей с возвратным эффектом или без него. Достоинства: значительное снижение усилия на рулевом колесе (особенно при маневрировании на месте); уменьшение общего числа оборотов рулевого колеса. Недостатки: большие сложности при установке, существенно изменяет рулевую систему автомобиля, при эксплуатации требует своевременного обслуживания и внимания, высокая стоимость. Общая оценка: ощутимое снижение усилия на рулевом колесе, сложность монтажа. Электроусилитель рулевого управления (ЭУРУ) - это устройство, предназначенное для снижения управляющего усилия, прикладываемого водителем к рулевому колесу, а также для активного возврата управляемых колес и рулевого колеса в положение, Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ». 77 Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ». соответствующее прямолинейному движению после снятия управляющего воздействия с рулевого колеса. Применение этого устройства на борту автомобиля позволяет не только облегчить управление автомобилем, но и получить ряд преимуществ, таких как: • повышение эксплуатационных, экономических и экологических показателей автомобиля; • по сравнению с гидроусилителем, электроусилитель позволяет экономить 3—5 % топлива; • снижение момента, прикладываемого к рулевому колесу при парковке и прохождении затяжных поворотов, а также при прохождении поворотов на малых скоростях движения; • служит демпфером, гасящим удары и вибрации, возникающие от контакта колес с дорогой; • создает противодействующий момент при высокой скорости движения, повышая тем самым безопасность движения, т.к. при высоких скоростях рулевое управление становится очень чувствительным; • имеется возможность подстройки усилия под себя, благодаря т.н. «умной» электронике; • малое время монтажа; • снижение нагрузки на рулевое колесо более чем в шесть раз и т.д. В общем случае ЭУРУ может быть реализован по двум принципиальным схемами: с разрывом механической связи между рулем и управляемыми колесами и с сохранением такой связи. Для дальнейшей проработки выбран вариант с сохранение механической связи, т.к. варианты без сохранения механической связи не имеют широкой практической реализации. Управляемый электропривод ЭУРУ может быть реализован на базе электрических машин различного типа. В силу вышесказанного был проведен патентный поиск и анализ систем реализации ЭУРУ. В настоящее время существуют схемы ЭУРУ, выполненные на базе двигателей постоянного тока с независимым возбуждением (ДПТ НВ). Варианты реализации подобных схем представлены на рисунке 1. Рисунок 1 - Электроусилитель рулевого управления на базе ДПТ НВ Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ». 78 Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ». Главным общим недостатком этой и подобной этой схем является наличие в них щеточно-коллекторного узла. Т.к. при движении автомобиля рулевое управление работает непрерывно при постоянных пусках и остановках двигателя, то этот узел быстро изнашивается и требует постоянного профилактического обслуживания. На основании этого был сделан вывод о необходимости применения его бесконтактного варианта: асинхронного или синхронного двигателя. Для дальнейшего рассмотрения и проработки был выбран вариант ЭУРУ на базе синхронного двигателя, как наиболее простого и надежного, блок-схема которого представлена на рисунке 2. Рисунок 2 - Блок-схема электроусилителя рулевого управления легковым автомобилем на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами Работает система следующим образом. Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ». 79 Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ». При повороте руля в одну сторону сигнал определенной полярности с датчика угла поворота руля ДУПР (датчик момента) поступает на один из входов формирователя напряжения управления ФНУ, на второй его вход поступает сигнал с датчика угла поворота колес ДУПК, где происходит их сравнение. С выхода ФНУ поступает сигнал на блок логики БЛ, который через замкнутый ключ Кл управляет датчиком положения ротора ДПР. Последний, в свою очередь, через формирователь импульсов управления ФИУ, связан с распределителем импульсов РИ, на выходе которого формируются шесть сигналов управления шестью ключами коммутатора К, к выходу которого подключен исполнительный синхронный двигатель СД, который отрабатывает заданный угол поворота колес. Если руль поворачивается в обратную сторону или возвращается в исходное положение, то сигнал с ДУПР меняется на противоположный и дополнительно воздействует на ФИУ, на выходе которого два слаботочных сигнала управления по фазам двигателя меняются местами, что приводит к вращению исполнительного двигателя в обратную сторону. После каждой отработки заданного рулем угла поворота колес Кл разрывает связь идущую к ДПР и двигатель останавливается, фиксируя колеса в заданном положении. Так как исполнительный двигатель постоянно работает в режиме пуска и торможения, то необходимо ограничить большие пусковые токи, потребляемые двигателем. Эту функцию выполняют следующие узлы: • Датчик тока ДТ, • Узел сравнения УС, • Усилитель рассогласования УР, • Задающий генератор ЗГ, • Широтно-импульсный модулятор ШИМ. Сигнал с ШИМ через РИ осуществляет дополнительную коммутацию ключей К на повышенной частоте, что снижает его выходное напряжение, а следовательно ток двигателя остается на заданном уровне, который устанавливается в виде Iогр вводимого в систему регулирования. Ввиду того, что скорость поворота колес автомобиля должна соответствовать скорости его движения, то в системе предусмотрена связь по скорости, осуществляемая через датчик скорости ДС. Его сигнал дополнительно поступает на БЛ, обрабатывается и осуществляется соответствующее воздействие на систему. Так как источником питания системы является бортовая сеть автомобиля с довольно низким напряжением 12 В, то дополнительно встает вопрос о выборе силовых ключей коммутатора. Роль таких ключей могут выполнить как биполярные транзисторы, так и IGBT. Падение напряжения на ключах коммутатора в открытом состоянии может составлять от долей вольта до нескольких единиц вольт. И чем более это падения напряжения, тем меньше КПД получится у всей системы в целом. Именно с этих позиций и требуется особо тщательно подходить к выбору транзисторов. На данном уровне развития элементной базы наиболее предпочтительными могут оказаться биполярные транзисторы. Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ». 80