1. Техническое задание на разработку СУ

1.1 Общие требования

Полное наименование системы: “Система управления электроусилителем руля”.

Система создается на основании статей и Internet сайтов, а так же литературы указанной в перечне.

Результаты проделанной работы по созданию системы (её частей), оформляется в качестве курсовой работы по предмету ”Технология проектирования и производства автоматизированных систем управления”.

1.2 Назначение и цели создания системы

Назначение системы. Разрабатываемая система управления электроусилителем руля (именуемая в дальнейшем – система) относится к классу бортовых систем и предназначена для установки в автомобилях отечественного и зарубежного производства в качестве дополнительного оборудования.

Данную систему можно использовать для уменьшения прилагаемых усилий по управлению автомобилем и в других областях, где требуется уменьшение усилия, прилагаемого человеком для осуществления вращения механизма в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Объекты управления: колеса.

Цели создания системы. Целью курсового проекта по созданию системы является приобретение навыков разработки конструкторской документации на конкурентно способное изделие, реализация которого ориентирована на рынок.

Показатели объекта автоматизации (электроусилитель руля), которые должны быть достигнуты в результате создания системы:

— диапазон вращения руля ± 360 0

— точность отработки вращения руля ± 0,1 0

1.3 Характеристика объекта управления.

Система должна обеспечивать управление углом поворота колес ав-томобиля через электропривод с помощью рулевого колеса. Электропривод рулевого управления в России производится относительно недавно компанией ЗАО «АВИААГРЕГАТ-Т». Заграничных аналогов пока мало, но есть тенденция на рост количества компаний, занимающихся выпуском и разработкой ЭУР.

При разработке системы учесть, что в процессе движения автомобиля нагрузка на рулевое управление изменяется в зависимости от скорости, угла поворота, качества дорожного покрытия.

1.4 Требования к системе управления

Требования к системе в целом. Система управления должна обеспечивать управление электроприводом для уменьшения усилия, прилагаемого человеком, с целью осуществления вращения рулевого механизма автомобилей легкового типа.

Требования к надёжности:

— наработка на отказ – 800 часов;

— гарантийный срок 1,5 года;

— долговечность (срок службы)- 10 лет;

— должна быть обеспечена ремонтопригодность, при этом среднее время восстановления не более 1 часа.

Требования к методам оценки и контроля показателей надёжности на разных стадиях создания системы в соответствии с действующими нормативно-техническими документами (курс – «Надёжность технических систем»).

Требования безопасности:

— требования к системе по электробезопасности не предъявляются;

— обеспечить пожаробезопасность.

Требования к эргономике и технической эстетике. Система должна удовлетворять современным требованиям технической эстетики и быть удобной в управлении.

Требования к эксплуатации, техническому обслуживанию,ре-монту и хранению системы:

— эксплуатация системы должна осуществляться автономно;

— предусмотреть возможность проведения ежегодных регламентных работ при прохождении автомобилем периодического технического осмотра;

— ремонт системы в условиях специализированной мастерской ;

— хранение в соответствие с ГОСТ 15150-80.

Требования по сохранности информации при авариях: не предъ-являются.

Требования к защите от влияния внешних воздействий:

— температура окружающей среды от минус 50 до + 70 С

— влажность 98 % при температуре + 35 С;

— давление 760 + 140 мм. рт. ст;

— вибрация от 1 до 150 Гц с ускорением до 6g (60 м/c²);

— удары до 50g при 2-6 мс.;

— пыль, капли дождя, брызги, пары бензина;

Система должна функционировать в условиях воздействия радиопомех, электрических, магнитных и электромагнитных полей создаваемых электрическим оборудованием автомобиля.

Требования к аппаратуре системы управления с точки зрения воздействия на смежные системы. Система не должна греть смежные системы, не создавать вибрационные и ударные перегрузки, не шуметь, не излучать и т.д.

Патентно-правовые требования. Патентная чистота системы и её частей должна быть обеспечена в отношении стран: Россия, Велико-британия, Германия, Япония, США, Франция, т.к. разработки именно этих стран в большинстве случаев используются при изготовлении электроусилителя руля в отечественной и зарубежной промышленности.

Требования технологичности, стандартизации и унификации. Разработка КД системы должна проводиться в соответствие с требованиями нормативно-технических документов, устанавливающих степень использования стандартных, унифицированных методов реализации функций (задач) системы, поставляемых программных средств, типовых математических методов и моделей, типовых проектных решений и т.п.

Дополнительные требования:

— требованиякупаковке,маркировке,транспортированиюихране-нию,

— требованиякконструкторской, эксплуатационной и ремонтной доку-ментации;

— комплектность ЗИП, специнструмент и приспособления;

— экономические показатели и др. (в соответствии с нормативно-техническими документами и в рамках данного курсового проекта не рас-сматриваются ).

Технические требования к параметрам и характеристикам системы управления:

— диапазон вращения руля ± 360 0

— точность отработки вращения руля ± 0,1 0

— параметры питающей сети — аккумуляторная батарея 12 В;

— двигатель 12В, 30А;

— в случае выхода системы из строя питающая сеть не должна закора-чиваться;

— габаритно-массовые характеристики должны быть минимальными.

— элементы диагностики.

Система управления должна иметь ограничитель поворота руля по достижению объектом управления конечных пределов регулирования(1 оборот руля влево, 1 оборот – вправо от прямого положения колес).

Требования к видам обеспечения. В пояснительной записке к кур-совому проекту должны быть приведены:

— в рамках математического обеспечения системы формулы и алгоритмы законов управления системы;

— в рамках информационного обеспечения системы должны быть приведены параметры информационного обмена между компонентами системы;

— в рамках технического обеспечения система должна строиться на отечетст-венной элементной базе и только в технически обосновонном случае допускается применение зарубежной элементной базы;

1.5 Состав и содержание работ по созданию системы

В процессе выполнения курсовой работы (в течение 8-го семестра) должны быть разработаны: структурная, функциональная и электрическая схема системы.

1.6 Порядок контроля и приёмки системы

Защита курсовой работы проводится после 8-го семестра.

Требования к документации. Материалы курсовой работы должны быть оформлены в соответствие с требованиями к курсовой работе по курсу «Проектирование аппаратуры СУ»

1.7 Источники разработки

Конспекты лекций по ТАУ и ЦСУ, метрологии, схемотехнике, микропроцессоры и программирование, надежности , передача данных, автоматизированное проектирование систем и средств управления, фонд библиотеки МФ ЮурГУ и информационных сайтов системы Internet.

1.8 Другие требования

В пояснительной записке должен быть произведен расчет калькуля-ции электронного блока и ориентировочная себестоимость изготовления.

Внимание!

Это ОЗНАКОМИТЕЛЬНАЯ ВЕРСИЯ работы №3521 цена оригинала 1000 рублей. Оформлена в программе Microsoft Word.

Оплата. Контакты.

Содержание

Введение.3

1. Техническое задание на разработку СУ.8

2. Выбор и описание структурной схемы12

3. Разработка и описание функциональной схемы15

4. Разработка электрической (принципиальной) схемы.27

Заключение.28

Список литературы.29

Приложение 130

Блок-схема алгоритма работы программы 31

1. ВВЕДЕНИЕ

Тема курсового проекта –разработка электромеханического усилителя рулевого управления (ЭУРУ). Электромеханический усилитель рулевого управления – это система, благодаря которой водитель прикладывает меньшее усилие для управления автомобилем, повышающая безопасность движения. Особенно это актуально для средних, грузовых автомобилей и автобусов. ЭУР предназначен для:

• снижения управляющего усилия, прилагаемого водителем к рулевому колесу при парковке и низких скоростях движения автомобиля;

• обеспечения возврата управляемых колес и рулевого колеса в центральное (соответствующее прямолинейному движению) положение при снятии управляющего воздействия с рулевого колеса.

Основных требований, предъявляемых к рулевому управлению Европейскими директивами 70/311/EWG, не много: усилие на рулевом колесе легкового автомобиля не должно превышать 15 кг для полностью работоспособной и 30 кг – для неисправной системы рулевого управления, а быстродействие усилителя должно быть таким, чтобы при скорости вращения руля не менее полутора оборотов в секунду силовые устройства успевали помогать водителю, то есть руль не должно «закусывать».

Вписываться в нужные цифры уже много лет позволяет хорошо известный гидроусилитель руля, принцип действия которого довольно прост. Поворачивая руль, водитель закручивает специальный пружину – торсион, который связан со специальным клапаном – золотником. В корпусе золотника прорезаны перепускные отверстия, которые распределяют рабочую жидкость в нужные полости рулевого механизма. Давление жидкости (как правило, это трансмиссионное масло) и помогает рукам водителя поворачивать колеса. Соответственно, чем больше скручен торсион, тем на большую величину перемещается золотник и тем большим оказывается сечение перепускного отверстия, через которое рабочая жидкость, накачанная насосом до давления в 7–15 бар, поступает к силовому цилиндру. Сам же силовой цилиндр толкает нужные детали рулевого механизма. Когда усилие на руле пропадает, торсион раскручивается, золотник закрывается, а жидкость перепускается обратно в насос.

Впрочем, принципиальная простота классического гидроусилителя не лишает это устройство целого ряда недостатков. Прежде всего гидроусилитель – изделие достаточно сложное, высокотехнологическое и требующее большой точности изготовления. Соответственно, дешевым руль с гидравликой быть просто не может. Кроме того, использование насоса усилителя с постоянным приводом от двигателя – это всегда лишние потери мощности. Ведь производительность насоса усилителя рассчитывают из условий поворота колес неподвижно стоящего автомобиля: когда обороты двигателя минимальны, а сопротивление колес повороту, наоборот, максимально. А потому во время движения машины, когда и частота вращения двигателя повышена, и от самого усилителя не требуется особой мощности, львиную долю масла насос перекачивает вхолостую, понапрасну тратя на эту работу топливо. Еще один минус – невозможность сочетать высокий усиливающий момент с хорошей информативностью руля. Получается одно из двух: либо водитель без проблем выворачивает колеса автомобиля, попавшего в колею, а затем, разогнавшись на шоссе, сжимает в руках «ватный» руль, либо чувствует все нюансы скоростной трассы, расплачиваясь за это легкостью движения по бездорожью.

Поначалу с такими недостатками мирились, однако возросшие скорости и стремление сделать автомобиль более безопасным и комфортным заставили конструкторов поломать голову над оптимизацией работы обычного гидроусилителя, или вообще изобретать устройства, заменяющие привычную гидравлику.

Сегодня самой технически передовой и изощренной схемой рулевого управления с гидроусилителем можно считать систему AFS (Active Front Steering, активное рулевое усиление). Рулевой вал автомобиля разрезан, и связь между ним и рулевым механизмом с гидроусилителем осуществлена через планетарный редуктор. Корпус редуктора (водило) может поворачиваться по оси встроенным электромотором. В зависимости от скорости движения машины и поворота руля водило подкручивается в ту или иную сторону и меняется передаточное отношение между рулем и рулевым механизмом. Выходит, изменяется и соотношение между углом поворота руля и углом поворота передних колес автомобиля. От этого у рулевого управления возникают интересные особенности. Например, при езде с минимальной скоростью для поворота колес «до упора» требуется менее одного оборота руля, а при скоростной езде, напротив, руль становится более «тонким». К тому же «развязка» руля и рулевого механизма позволяет существенно уменьшить шум в салоне. Помимо удобства и комфорта AFS может корректировать действия водителя в критических ситуациях, слегка доворачивая управляемые колеса в нужную сторону. Кстати говоря, выход из строя сервотроника и AFS не означает, что на машине нельзя ездить: в первом случае управление становится таким же, как и на автомобилях с классическим гидроусилителем, а если отказывает AFS, водило планетарного редуктора блокируется и передаточное отношение между рулем и валом принимает среднюю величину относительно исправного устройства.

Теоретически минимизировать потери на бесполезную перекачку жидкости в гидроусилителе довольно просто. Для этого нужно заставить вращаться вал насоса с такой скоростью и под такой нагрузкой, которая требуется в каждом конкретном случае, т. е. сделать его привод автономным, не зависящим от оборотов двигателя. Практически эта задача решена на электрогидравлических системах усилителей руля, представляющих собой обычный гидроусилитель с насосом, приводимым в движение электромотором. По утверждениям разработчиков, жидкостные усилители с электроприводом на 60–80% экономичнее тех, что приводятся в действие коленвалом: в конечном итоге переход с ремня на электродвигатель позволяет сохранять в баке до 0,2 л топлива на каждые 100 км пути. Впрочем, и тут все непросто. Во-первых, такая схема достаточно инерционна. Электромотор не может мгновенно поднять давление и производительность насоса, что бывает необходимо при резком маневре рулем или ударе по колесу автомобиля со стороны дороги. Во-вторых, усилитель требует достаточно больших затрат электроэнергии, измеряемых сотнями ватт. Естественно, это бремя ложится на генератор, и без того нагруженный массой потребителей. Тем не менее электрогидравлические усилители на небольших машинах постепенно вытесняют традиционные усилители с приводом от основного мотора.

Однако наиболее перспективным, как считают специалисты, является полностью электрический усилитель руля. В этом случае поворачивать руль помогает электромотор, вращающий рулевой вал через червячный редуктор. Плюсы такого решения очевидны. Как и в гидроусилителе, в качестве устройства, контролирующего степень усилия на руле, служит торсион. Только вместо хитроумного клапана он связан с датчиками (оптическими или индукционными), сигнализирующими электронному блоку (контроллеру), на какой угол закручен торсион. Как и сервотроник, контроллер электроусилителя, анализируя данные, полученные с датчика скорости, может изменять усилие, помогающее водителю поворачивать рулевое колесо. Только вместо многоступенчатой электрогидравлической схемы все функции сервотроника выполняет электроника. А на автомобиль взамен громоздкого и сложного устройства со шлангами и бачками устанавливается небольшой механизм, причем расположен он обычно не в тесном подкапотном пространстве, а в салоне, на рулевом валу, под приборной панелью.

Еще одно преимущество электроусилителя – низкая цена.

Так, например, стоимость механизма электроусилителя на современную Toyota Avensis составляет $483, плюс $1390 рулевая рейка, тогда как на модификациях с жидкостными усилителями комплект оборудования обойдется на $338 дороже.

Принципиальные недостатки электроусилителя назвать сложно. Жалобы людей на то, что электрический руль того же «Авенсиса» менее информативен, чем гидравлический, не в счет: дело тут не в устройстве, а в настройках и вкусах водителя. Тем более, что электрические и электрогидравлические усилители современных машин, например VW Golf V, чаще всего имеют несколько вариантов настройки. Изменение характеристик на сервисе занимает несколько минут, и жаль, что в автосалонах не всегда предупреждают покупателя о возможности настроить руль машины под себя.

Определить степень надежности устройства тоже непросто – пока еще не существует достаточно объемной статистики отказов. Что же касается наиболее нагруженной и, по сути, единственной изнашиваемой части механизма – червячной передачи, то сделать срок ее службы сопоставимым со сроком службы всего автомобиля можно. Трудность в другом. Существенной разницы в затратах энергии на поворот колес с электрогидравлическим усилителем и просто электроусилителем нет, и в том, и в другом случае необходим мощный генератор. Однако в варианте с электроусилителем возникает еще одна проблема: вращать вал жидкостного насоса может двигатель любой конструкции. А для вращения сервомеханизма, расположенного на рулевой колонке, необходим двигатель компактный и легкий, в противном случае устройство будет трудно интегрировать, а его инерционность будет слишком велика. Учитывая большую мощность и, соответственно, токи величиной в полсотни ампер, обычный коллекторный двигатель здесь не годится.

Снизить потребляемые токи можно, перейдя на более высокое напряжение в автомобильной сети. Что, собственно, и собираются сделать в перспективе автопроизводители, подняв бортовое напряжение машин до 42 вольт. Очевидно, в этом случае электроусилители заменят все прочие системы серворулей. Пока же электроусилители устанавливают на небольшие машины, там, где на поворот управляемых колес не нужно тратить слишком много энергии.

Итак, подведем итоги – преимущества электроусилителя налицо:

• независимость работы усилителя от оборотов двигателя автомобиля,

• информативность (самонастройка усилителя руля к скорости автомобиля),

• независимость работы усилителя руля от температурных перепадов,

• экономичность: а) усилитель руля потребляет энергию только при

вращении руля, в отличие от гидроусилителя, когда рабочая жидкость всегда гоняется по трубам, на что тратится дополнительная энергия. б) Коэффициент полезного действия электродвигателя намного выше КПД гидронасоса.

• надежность (отсутствие шлангов, ремней, прокладок, сальников,

жидкостей),

• не требует обслуживания (замены, доливки рабочей жидкости),

• на порядок выше симметричность руля (отсутствие разницы вращающего

усилия в левом и правом вращениях руля)

Пример аналога ЭУР :

ЗАО «АВИААГРЕГАТ-Т», Россия, Самарская область, г.Тольятти

ЭУР успешно прошел испытания на автомобилях ВАЗ-2123, 21213, 21218, 2110 и защищен патентом на изобретение.

Технические характеристики:

• ЭУР обеспечивает уменьшение усилия на рулевом колесе с 22 кГс до 3,5 кГс.

• напряжение питания (номинальное) – 12 В

• максимальный компенсирующий момент Mk, MAX – 35 Нм (соответствует уменьшению усилия на руле с 22 кГс до 3,5 кГс)

• максимальный ток потребления – 55 АРисунок 1.1

• масса электромеханизма – 10,5 кг

• скорость вращения руля, об/сек – до 2

Примененный регулируемый бесколлекторный электропривод редуктивно-индукторного типа позволил создать конкурентоспособную конструкцию наиболее распространенным двигателям постоянного тока благодаря простоте устройства, повышенной надежности, низкой цене и высокому КПД.

На рисунке 1.1 изображен ЭУР фирмы АВИААГРЕГАТ-Т

На основе этого можно сделать вывод, что электроусилитель руля надежен, информативен, безопасен, прост в обращении и имеет более низкую цену, чем другие.

ЭУР состоит из следующих основных компонентов:

• электромеханизма;

• электронного блока управления;

• датчика скорости движения автомобиля;

• датчика оборотов двигателя автомобиля;

• индикатора неисправности («отказа») системы;

• червячного редуктора;

• датчика величины крутящего момента;

• коммутационных проводов.

Разработка электроусилителя руля является в наше время актуальной. Эта область разработок является малоосвоенной и достаточно востребованной. Как показывают тенденции, производители автомобилей постепенно переходят от гидроусилителя рулевого управления и его гибридов к электроусилителю.

2. ВЫБОР И ОПИСАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Схема структурная электрическая предназначена для:

1 — на этапе проектирования – для выявления структуры будущего изделия и дальнейшей конструкторской проработки;

2 — на этапе производства – для ознакомления с конструкцией изделия, разработки технологических процессов изготовления и контроля;

3 — на этапе эксплуатации – для выявления неисправностей и технического обслуживания.

Структурная схема определяет основные функции и части изделия, их назначение и взаимосвязи. Структурная схема должна отображать принцип работы изделия в самом общем виде. На схеме отображают функциональные части изделия, а также основные взаимосвязи между ними. Построение схемы должно давать наглядное представление о последовательности взаимодействия функциональных частей изделия. Направление хода процесса обозначается стрелками.

На рисунке 2.1 изображена типичная структурная схема системы управления по замкнутому циклу.

Рисунок 2.1 Структурная схема СУ по замкнутому циклу

Разрабатываемая система электроусилителя руля предназначена для установки в легковых автомобилях отечественного производства в качестве опции (дополнительного оборудования). Система должна обеспечивать мгновенную реакцию на изменение угла колес в зависимости от угла поворота руля, быть максимально точной и устойчивой к сбоям, так как от этого зависит безопасность людей в автомобиле.

В состав структурной схемы входят такие элементы, как:

– Сравнивающие устройства, которые определяют рассогласование между входными и выходными значениями регулируемой величины.

КК – корректирующий контур – обеспечивает разные законы управления исполнительным органом, стремясь уменьшить ошибку рассогласования регулируемой величины.

Усилитель – это устройство, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности).

Объект управления –объект на который необходимо оказывать управ-ляющее воздействие.

Датчики – первичные измерительные преобразователи, позволяющие контролировать и получать сигнал измерительной информации различных состояний сред и объектов.

Классификация систем автоматического управления:

Структурные схемы различают по типу цикла управления: разомкнутые и замкнутые.

В системе необходима обратная связь и контроль, поэтому разомкнутые структурные схемы рассматривать не будем.

СУ делят на:

1. СУ автоматической стабилизации управляющего воздействия, которое заранее задано определённой величиной. x – const.

2. СУ автоматической стабилизации управляющего воздействия, являющегося известной функцией времени. x = x(t).

3. Следящие СУ. Управляющее воздействие — функция времени заранее неизвестна.

Более просто принцип работы электроусилителя руля можно понять из

рисунка 2.2.

Рисунок 2.2 Принцип работы электроусилителя руля

Разрабатываемая система усилителя рулевого управления изображена на ри-сунке 2.3

Рисунок 2.3 Структурная схема электроусилителя руля

Структурная схема усилителя рулевого управления содержит корректирующий контур, усилитель мощности, электродвигатель, датчик угла, датчик скорости и редуктор. Обратная связь (возвращение руля в начальное положение) осуществляется через торсион.

3. РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ

Схема функциональная электрическая Э2 предназначена для описания принципа действия системы усилителя рулевого управления. На функциональной схеме изображают функциональные части изделия (элементы, устройства и функциональные группы), участвующие в процессе, иллюстрируемой схемой, и связи между этими частями. Функциональная схема разрабатывается на основании структурной схемы. Выбор элементов функциональной схемы осуществляется на основании требований, предусмотренных техническим заданием.

Рисунок 3.1 Схема функциональная электроусилителя руля

3.1 Выбор двигателя

Из вариантов выбора двигателя придется исключить двигатели переменного тока, так как для получения переменного тока из аккумуляторных батарей понадобится дополнительный преобразователь постоянного тока в переменный, что ведет к усложнению схемы и увеличению энергопотребления. Так же двигатели переменного тока имеют высокие обороты при малых моментах, что делает их непригодными для использования в данном проекте.

Свойства двигателей постоянного тока определяются способом возбуждения и схемой включения обмоток. По способу возбуждения различают двигатели с электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением. Электрические двигатели с электромагнитным возбуждением делятся на двигатели с параллельным, последовательным, смешанным и независимым возбуждением.

Свойства электрических двигателей, определяются пусковыми, рабочими, механическими и регулировочными характеристиками.

Двигатели делятся на : коллекторные и бесколлекторные.

При выборе типа двигателя необходимо учитывать следующие факторы:

— функциональное назначение (исполнительный в системе автоматического исполнения, силовой приводной, приводной в программно-временном устройстве);

— тип двигателя, возможности ограничения источника питания двигателя и усилителя мощности;

— тип системы управления и требования к ее статическим и динамическим характеристикам;

— конструкция, величина и характер нагрузок, а также движения органа управления, с которым сочленяется двигатель;

— условия среды работы двигателя, время работы двигателя и требуемый ресурс безотказной работы в заданных условиях;

— ориентировочное значение предполагаемой выходной мощности и требуемый КПД, мощность, необходимая для управления;

— стоимость и эксплуатационные расходы.

Достоинствами БДПТ являются высокая надежность и долговечность, что объясняется отсутствием у них щеточно-коллекторного узла, то есть их бесконтактностью. Двигатели могут работать в условиях широкого диапазона температур окружающей среды, в вакууме, в средах с большой влажностью и т.п., где применение коллекторных двигателей недопустимо из-за неработоспособности щеточно-коллекторного узла.

Бесколлекторные двигатели постоянного тока имеют большой недостаток: сложная схема управления.

На основании всего этого, был выбран коллекторный двигатель постоянного тока с независимым возбуждением.

Рисунок 3.2 Схема ДПТ с независимым возбуждением

Двигатели независимого возбуждения удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым к исполнительному органу: линейность механических и регулировочных характеристик, малая мощность управления, быстродействие, широкий диапазон регулирования частоты вращения, отсутствие самохода, устойчивость во всем диапазоне частот вращения, большой пусковой момент, надежность работы, малые габариты и массу. Но есть один большой недостаток: щеточно-коллекторный узел, из-за которого может возникнуть искрение, искрение перейти в дугу, а дуга при больших оборотах может замкнуть источник питания; малый срок службы щеточного устройства. Но несмотря на все свои недостатки коллекторный двигатель, обладает одним достоинством, которое и повлияло на выбор этого двигателя — это простая схема управления.

Выход из строя системы рулевого управления приводит к аварийной ситуации, то есть не отвечает требованиям безопасности, но в рамках учебного курсового проекта выбираем коллекторный электродвигатель постоянного тока.

Согласно ТЗ двигатель должен питаться от 12 В, максимальный ток потребления — 30 А.

Наиболее простой способ управления двигателем постоянного тока с возможностью выбора направления вращения – является Н-мост (H-Bridge). Конструктивные решения схемы могут быть разными, но принцип работы у них один и тот же. На рисунке 3.3 изображен Н-мост:

Рисунок 3.3 H-Мост

Н-мост имеет четыре ключа (реле, транзистора и т.п.), обозначенных на рисунке А1, В1, А2, В2. Состояния ключей могут иметь разные комбинации, но для нас самые важные это:

ВКЛЮЧЕНЫ ВЫКЛЮЧЕНЫ РЕЗУЛЬТАТ

А1 и А2 В1 и В2 Вращение вперед

В1 и В2 А1 и А2 Вращение назад

Другие комбинации нам неинтересны, а некоторые могут вызвать короткое замыкание, поэтому практические схемы обычно содержат элементы защиты в виде диодов.

Н-мосты распространены очень широко, поэтому доступны в виде готовых модулей, микросборок и интегральных схем. Выбираем микросхему AN531, которая уже содержит в себе операционные усилители(драйверы).

Рисунок 3.4 Микросхема AN531

3.2 Выбор датчика

Датчики – первичные измерительные преобразователи, позволяющие контролировать и получать сигнал измерительной информации различных состояний сред и объектов. Датчики предназначены для преобразования различных физических величин в электрические сигналы. В зависимости от характера сигналов с выхода датчика различают: резистивные датчики, контактные, генераторные, емкостные, индуктивные, тензометрические, фотоимпульсные, оптоэлектронные и другие.

Более распространенными являются резистивные датчики. Они изменяют выходное сопротивление в зависимости от изменения входных физических параметров.

Преимущества: резистивные датчики основаны на простом принципе действия, что приводит к доступности и низкой стоимости датчика; измеряемый сигнал имеет достаточно высокий уровень и линейность, не требует дополнительной электрической схемы обработки.

Недостатки: такой датчик обладает внутренним трением, вследствие чего низкая надежность, сильное влияние механических воздействий (нарушает контакты), ступенчатое изменение сигнала, большой момент сдвига с места. Все это влечёт за собой ухудшение характеристик (линейности, точности) и устанавливает предел количества измерений, которое датчик может выдержать.

Емкостные датчики изменяют электрическую емкость под воздействием внешних факторов. Их используют для регистрации изменения объема, угла и др. Емкостной датчик представляет собой пластины, установленные таким образом, чтобы электрическая емкость между ними менялась в соответствии с изменением внешнего фактора.

Достоинства: отсутствие трения и тяжения; надежность; дешевизна.

Недостатки: нелинейность; сложность обработки сигнала; низкая точность; средняя чувствительность.

Индуктивность – физическая величина, характеризующая магнитные свойства электрической цепи. Ток, протекающий по проводнику, создает в окружающем пространстве магнитное поле. Индуктивные датчики основаны на том, что в перемещение, которое предполагается измерить, вовлекается один из элементов магнитного контура, вызывает изменение потока через измерительную обмотку и соответствующий электрический сигнал.

Достоинства: простота конструкции; высокая точность; высокая линейность; надежность.

Недостатки: сложность обработки сигнала; большие габариты и масса; наличие тяжения.

Датчик угла нужен для определения текущего положения руля. Для определения угла можно применять емкостные, индуктивные, потенциометрические и фотоэлектрические датчики.

В разрабатываемой системе в качестве датчика угла выбираем оптический датчик. Принцип работы последнего основан на частоте прерывания луча в зависимости от частоты скорости вращения диска с отверстиями насажанного на валу привода автомобиля.

Датчиками угла поворота или энкодерами называют устройства, при помощи которых можно определять положение вращающихся валов. Различают инкрементальные (инкрементные) энкодеры и абсолютные энкодеры.

Инкрементальные энкодеры имеют импульсные выход, при повороте на определённый угол на выходе генерируется импульс напряжения.

Под абсолютными энкодерами подразумевают датчики угла поворота каждому положению вала которых соответствует определённый уникальный код, формируемый на его выходе. Отслеживание положения вала происходит даже при отсутствии напряжения питания, а сигнал положения передаётся в виде цифрового кода. Способность контроля положения вала даже при выключенном напряжении питания является основной причиной использования абсолютных датчиков угла положения в системах с высокими требованиями точности и безопасности. Абсолютные энкодеры, кодирующие положение в пределах одного оборота называются однооборотными, а энкодеры с счётчиком оборотов называются многооборотными. По принципу действия различают магнитные энкодеры и оптические. Последние, также как и инкрементальные энкодеры, фиксируют вращение оптического диска, а магнитные регистрируют прохождение магнитных полюсов мимо чувствительного элемента датчика. Встроенный аккумулятор позволяет энкодеру отслеживать положение вала при выключенном питании, однако передача кода положения происходит только при наличии питания.

Существуют однооборотные и многооборотные абсолютные энкодеры. Вывод сигналов с энкодера и его программирование осуществляются по SSI интерфейсу, возможна связь с внешними устройствами по Profibus, Device Net или CANopen. Поставляются комбинированные устройства с абсолютной и инкрементальной частями.

Абсолютный энкодер серия EP50S8 с диаметром корпуса 50мм. Питание: 5-24 VDC. Диаметр выходного вала 8мм NPN или PNP выход. Возможное количество импульсов на оборот 45, 64, 90, 128, 180, 256, 360, 512, 720 или 1024. BCD, Бинарный или Код Грея на выходе Отсчет импульсов по часовой или против часовой стрелки.

Так как у нас угол поворота колес влево и вправо не более 45 градусов, то максимальный угол из крайне правого положения в крайне левое составляет не более 900. Согласно требованиям технического задания: точность отработки угла поворота колес 0,10. Следовательно, для обеспечения точности с запасом, достаточно 512 импульсов влево и 512 импульсов вправо. Энкодер измеряет один оборот, то есть 3600 и имеет функцию отслеживания положения вала при отсутствии напряжения питания, следовательно, выставление колес в начальное положение (прямо), будет соответствовать положению датчика, равному 1800.

Рисунок 3.5 Инкрементальный энкодер EP50S8

Датчик угловой скорости.

Для осуществления обратной связи в цепи управления двигателем по скорости вращения вала двигателя необходим датчик угловой скорости. В автоматических системах применяют тахогенераторы постоянного и переменного тока, электромагнитные датчики и оптоэлектрические датчики.

Тахогенераторы представляют собой электрические генераторы небольшой мощности для преобразования частоты вращения в электрический сигнал. Выходное напряжение может достигать 50 В, нелинейность характеристики – не более 2%.

Магнитные датчики содержат установленную на вал двигателя шестеренку из ферромагнитного материала, рядом с которой крепится магнитная головка. При вращении шестеренки на выводах головки появляется переменное напряжение с частотой, равной частоте вращения двигателя, умноженной на количество зубьев на шестеренке. Так же можно использовать электромагнитный датчик, работа которого построена на эффекте Холла.

Оптоэлектрический датчик (фотоэлектрический преобразователь вращения) включает в себя оптопару, световой поток которой прерывается диском с отверстиями, который насаживается на вал двигателя. Диск с отверстиями прерывает световой поток, и на выходе оптопары формируются импульсы с частотой вращения двигателя, умноженной на количество прорезей в диске.

Для данной системы предпочтителен магнитный датчик, в связи с надежностью и более высоким ресурсом в агрессивной среде.

3.3 Выбор усилителя

Усилитель — устройство, предназначенное для усиления входного электрического сигнала по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Усилитель усиливает сигнал рассогласования до величины, достаточной для управления исполнительным двигателем и отработки угла рассогласования с необходимой чувствительностью.

Классификация усилителей:

по виду усиливаемого сигнала (усилители гармонических и импульсных сигналов); по типу усиливаемой величины (усилители напряжения, тока и мощности);

по диапазону усиливаемых частот (усилители постоянного и переменного тока).

Для управления исполнительным органом используются линейные и импульсные усилители.

Достоинствами линейного усилителя являются быстродействие, линейность, простота реализации, высокая надежность. Однако его серьезный недостаток — низкий КПД.

Известны различные типы усилителей: полупроводниковые, магнитные, электромашинные, релейные и т.д.

Интенсивное развитие автоматизированных систем управления технологическими процессами привело разработке и использованию систем, работа которых связана с воздействием, передачей и преобразованием последовательности импульсов.

При дискретном способе процесс преобразования непрерывного сигнала в импульсную последовательность осуществляется в два этапа. На первом этапе происходит квантование по времени или по уровню, или одновременно и по времени и по уровню. На втором этапе квантованный сигнал в соответствии с одним из законов модуляции преобразуется в импульсную последовательность, воздействующую на объект управления. В системах автоматического управления наиболее часто используются следующие виды модуляции:

— Амплитудно – импульсная модуляция (АИМ);

— Импульсная модуляция (ИМ);

— Широтно – импульсная модуляция (ШИМ);

— Частотно – импульсная модуляция (ЧИМ);

— Импульсно – кодовая модуляция (ИКМ).

Широкое распространение систем управления с различными видами модуляции сигналов объясняется рядом их достоинств, таких как возможность многоканального управления, возможность стыковки с цифровыми вычислительными устройствами, возможность длительного хранения и запоминания информации, повышенная точность и помехозащищенность.

Усилитель имеет коэффициент усиления равный 12/5 = 2.4 , так как 12 В — аккумулятор, а 5 В – наиболее часто встречающееся напряжение питания.

Произведем примерный расчет линейного и импульсного усилителя:

Линейный усилитель.

k = 2,4;

Рассчитаем мощность, рассеиваемую на транзисторе при изменении напряжения питания: 0В; 0,5В; 1В; 2В; 3В; 5В; 6В; 7В; 8В; 9В; 10В; 12В.

Pтр = (Епит – iк*Rн ) * iк;

Рисунок 3.6 Рассеиваемая мощность(линейный усилитель)

Из графика видно, что мощность рассеиваемая на транзисторе зависит от тока iк , а это значительно снижает КПД. При большой рассеиваемой мощности необходимо отводить тепло.

Импульсный усилитель.

Возьмем усилитель на МОП транзисторах, так как у него рассеиваемая мощность существенно меньше, чем у усилителя на полевых транзисторах.

Рассчитаем мощность, рассеиваемую на транзисторе:

Uds=0,05*10-3Ом*30A=1,5мВ

Pтр =1,5мВ*30А=45мВт

Рисунок 3.7 Рассеиваемая мощность(импульсный усилитель)

На основе всего вышесказанного, для разрабатываемой системы управления в качестве преобразовательного элемента усилителя выбираем широтно–импульсный модулятор, так как он обладает низкой мощностью рассеивания, что существенно экономит электрическую энергию.

3.4 Выбор схемы вычитания

Вычитающее устройство предназначено для получения рассогласования между заданным и текущим значением. Вычитающие устройства можно разделить на аналоговые и цифровые. Аналоговые устройства выгодно отличаются от цифровых тем, что выдают результат без задержки. Цифровые же преобразовывают сигнал в код. Ниже приведен пример аналогового вычитающего устройства.

Рисунок 3.8 Схема вычитания на ОУ

3.5 Выбор микроконтроллера

При проектировании функциональной схемы электроусилителя руля многие элементы можно выполнить как в аналоговом виде, так и в цифровом. В наше время распространены и широко применяются цифровые элементы.

Достоинства цифровых систем управления:

-отсутствие дрейфа нуля;

-возможность запоминания и изменения измеряемых значений управляемых и управляющих величин;

-возможность реализации линейных и нелинейных законов управления;

-возможность многоконтурного управления без наращивания аппаратуры.

Наша система(ЭУР) будет проектироваться в основном на цифровых элементах. Следовательно, часть элементов функциональной схемы мы заменим одним устройством – микроконтроллером.

Данное устройство отличаются тем, что содержит в своем составе оперативное запоминающее устройство(ОЗУ), постоянное запоминающее устройство(ПЗУ), таймеры, порты, генераторы, аналого-цифровые преобразователи и т.п.

Наибольшее распространение получили микроконтроллеры таких фирм как “Microchip”, ”Atmel”. В курсовом проекте будет использоваться микроконтроллер фирмы “Microchip”, США, называемые «периферийными интерфейсными контроллерами» — PIC.

Отличительными особенностями данных микросхем являются:

— низкая цена (2-10$);

— развитая периферия;

— высокое быстродействие (100-200 нсек время выполнения команды).

Данные преимущества складываются исходя из особенностей архитектуры контроллеров фирмы “Microchip”, США — разделения шины и области памяти для команд и данных (Гарвардская архитектура). Любая команда имеет постоянную длину и выполняется за один такт контроллера (кроме команд перехода, требующих 2 такта).

Практика применения этих микроконтроллеров показывает их большую надежность в сравнении с аналогичной продукцией других фирм.

Для обеспечения работы электроусилителя руля выбираем микроконтроллер серии PIC16F877 – контроллер среднего класса, обладает широкой номенклатурой периферийных устройств. Данная серия удовлетворяет всем требованиям, предусмотренным в ТЗ.

3.6 Выбор корректирующего контура

Регулятор можно построить как аналоговое устройство, и описать программно для реализации на основе микропроцессора. При реализации регулятора аналоговым устройством, у него появляются существенные недостатки: Присутствие дрейфа параметров от воздействия температуры и времени. Еще на регулятор будут действовать внешние излучения. Поэтому целесообразно реализовать регулятор программно.

Выбор регулятора:

П – регулятор

– это линейный усилитель, фазовый сдвиг которого в частотном диапазоне входных воздействий пренебрежимо мал, а коэффициент усиления в цепи ОС контура регулирования больше 1. П – регулятор позволяет добиться затухания колебаний при расходящемся переходном процессе. В то же время нельзя добиться отсутствия статической ошибки и уменьшения времени переходного процесса.

Рисунок 3.9 – П — регулятор

ПИ – регулятор

Если применить «ПИ» регулятор, то астатизм системы увеличится до первого порядка, уменьшиться ошибка по положению, но возникает ошибка по ускорению (уменьшается быстродействие).

Рис. 3.10 – ПИ — регулятор

Эти проблемы устраняет «ПИД» регулятор. ПИД — регулятор также обеспечивает астатическое регулирование, при этом наблюдается отсутствие статической и скоростной ошибки за счет использования трех звеньев.

Рис. 3.11 – ПИД — регулятор

За счет ПИД – регулятора увеличивается качество процесса регулирования. ПИД-регулятор вырабатывает на своем выходе управляющий сигнал в соответствии с пропорционально — интегрально-дифференциальным законом (ПИД), направленный на плавное уменьшение отклонения регулируемой величины от заданной установки. Наиболее точное регулирование, то есть отсутствие не только статической, но и скоростной ошибки, обеспечивает ПИД регулятор.

После моделирования системы в ПО Vissim согласно курсу лекций «Автоматизированное проектирование систем и средств управления», преподаватель Белугин В.Б., произвожу настройку корректирующего контура.

Окончательно, функциональная схема электроусилителя руля примет вид:

Рис. 3.12 Схема функциональная электроусилителя руля

4. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ(ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ) СХЕМЫ

Схема электрическая принципиальная разработана в соответствии с функциональной схемой, определяет полный состав элементов и связей между ними и, как правило, дает детальное представление о принципах работы устройства. Принципиальные схемы служат основанием для разработки других конструкторских документов, например, схем соединений (монтажных) и чертежей.

Схему электрическую (принципиальную) можно реализовать как на аналоговых, так и на цифровых микросхемах.

Аналоговые схемы.

Достоинства: линейность, процессы хорошо моделируются, точность, высокое быстродействие по сравнению с цифровыми, простота обработки информации.

Недостатки: температурная нестабильность, смещения ноля, старение элементов, влияние технологических параметров, механических воздействий (вибрации), высокое потребление мощности.

Цифровые схемы.

Достоинства: стабильность параметров во времени, не зависят от температуры, не реагируют на положения в пространстве (не зависят от высоты), на механические воздействия.

Недостатки: все сигналы подвергаются квантованию (дискретизации).

Схема электрическая принципиальная приведена в приложении 3. Некоторые функциональные элементы реализованы программным путём, с помощью микроконтроллера PIC16F877. Так корректирующий контур и блок логики реализованы программно. Линейный стабилизатор напряжения 142ЕН5А формирует напряжение питания микроконтроллера. Тактовая частота микроконтроллера формируется кварцевым резонатором.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученный электроусилитель руля обеспечивает весь требуемый набор функций, а именно: возможность управления углом поворота колес в горизонтальной плоскости с заданной точностью, обеспечивает уменьшение усилия на рулевом колесе, сохранение и воспроизведение текущего угла положения колес. При разработке электромеханического усилителя рулевого управления, часть устройств была реализована программным путём, это значительно удешевило и упростило систему в целом. Использование цифровых методов управления снижает энергопотребление системы, и обеспечивает экономию ограниченных энергоресурсов. Были использованы современные методы управления бесколлекторными двигателями постоянного тока, на основе ШИМ-модуляции. Использованы импульсные усилители мощности, что значительно увеличивает КПД системы в целом. В целом система отвечает своему функциональному назначению.

Итак, подведем итоги – преимущества электроусилителя руля:

— независимость работы усилителя от оборотов двигателя автомобиля;

— независимость работы усилителя руля от температурных перепадов;

— экономичность: 1) усилитель руля потребляет энергию только при

вращении руля, в отличие от гидроусилителя, когда рабочая жидкость всегда гоняется по трубам. 2) КПД электродвигателя намного выше КПД гидронасоса;

— надежность(отсутствие шлангов, ремней, прокладок, сальников,

жидкостей);

— на порядок выше симметричность руля (отсутствие разницы вра-щающего усилия в левом и правом вращениях руля);

— высокая точность отработки угла поворота колес.

В данном курсовом проекте разработан электромеханический усили-тель рулевого управления. Представлены структурная, функциональная и электрическая (принципиальная) схемы, обоснование и вывод функциональной схемы.

Все требования ТЗ выполнены в полном объеме.

Список литературы

1. Опадчий Ю.Ф.,Глудкин О.П. Аналоговая и цифровая электроника. — М.: Горячая Линия – Телеком, 1999. — 768 с.

2. Лекции курса «Компьютерная графика» (1-й курс).

3. Лекции курса «Автоматизированное проектирование систем и средств управления» (4-й курс).

4. Лекции курса «Метрология»(2-й курс).