Моделирование и микропроцессорное управление электроприводом предельного быстродействия: На примере электромеханического усилителя рулевого управления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Таратынов, Олег Юрьевич

• Таратынов, Олег Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2001

Оглавление диссертации кандидат технических наук Таратынов, Олег Юрьевич

Введение.

Глава 1. Анализ основных направлений построения электромеханических систем предельного быстродействия с цифровым управлением.

1.1. Методы анализа электромеханических систем с предельными показателями быстродействия.

1.2. Особенности микропроцессорного управления.

1.3. Особенности проектирования электромеханических систем предельного быстродействия

1.4. Цель работы и задачи исследования.

Глава 2. Модель электромеханической системы воспроизведения движений.

2.1. Математическая модель системы.

2.1.1. Математическая модель рулевого управления автомобиля

2.1.2. Математическая модель бесконтактного двигателя постоянного тока.

2.2. Моделирование системы рулевого управления в среде MATLAB®.

2.3. Результаты исследования свойств модели.

Выводы.

Глава 3. Синтез законов управления с предельным быстродействием.

3.1. Проектирование цифрового регулятора тока методом корневого годографа.

3.2. Имитационное моделирование процессов в контуре тока

3.3. Особенности проектирования регулятора тока бесконтактного двигателя.

3.4. Идентификация объектов канала управления по моменту с учетом спроектированных регуляторов тока и синтез регулятора момента.

3.5. Исследование совместного влияния эффектов квантования по времени и по уровню на основные показатели качества . . 81 Выводы.

Глава 4. Практическая реализация цифровых регуляторов и результаты экспериментальных исследований

4.1. Аппаратная реализация электромеханического усилителя рулевого механизма.

4.2. Алгоритмическое и программное обеспечение цифровых регуляторов системы.

4.2.1. Алгоритмы и программная реализация контроллера электропривода с ДПТ.

4.2.2. Алгоритмы и программная реализация контроллера электропривода с БДПТ.

4.3. Учет теплового токоограничения предельных возможностей

4.4. Описание экспериментальной установки и разработанных средств программирования контроллеров, средств визуализации и архивирования данных натурных экспериментов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование и микропроцессорное управление электроприводом предельного быстродействия: На примере электромеханического усилителя рулевого управления»

Актуальность работы.

Одним из важнейших требований к системам автоматического управления является быстродействие, а для электромеханических систем (ЭМС) воспроизведения движений, как правило - определяющим. Большинство примеров практической реализации законов оптимального по быстродействию управления относится к линейным объектам невысокого порядка. Основные трудности синтеза систем оптимального быстродействия связаны с повышением размерности математических моделей и их качественного содержания при рассмотрении реальных, нелинейных объектов, с учетом ограничений и разнообразных требований к синтезируемой системе управления. Приближенность исходных математических моделей объектов и техническая реализуемость управляющего устройства позволяют вести речь не об оптимальных, а неких квазиоптимальных законах управления.

Методика синтеза оптимальных и квазиоптимальных по быстродействию систем подразумевает минимизацию некоторого функционала показателей быстродействия и энергетических затрат. Как правило, для удобства математических выкладок - это квадратичный функционал. Расчеты в реальном масштабе времени оптимальных управляющих воздействий, минимизирующих заданный функционал, требуют немалых вычислительных ресурсов. В результате возникла потребность в разработке новых методик синтеза быстродействующих систем, максимально использующих свои материально-энергетические ресурсы, - систем предельного быстродействия, что обуславливает актуальность тематики диссертационной работы.

Тема диссертации соответствует одному из основных направлений Воронежского государственного технического университета "Робото-технические системы, электрические машины и технологии электронного переноса энергии".

Объектом исследования является электромеханический усилитель рулевого управления автомобиля (ЭМУР). Двигатель постоянного тока (исследуются два варианта - коллекторный и бесконтактный) через редуктор воспроизводит момент, заданный водителем.

Целью работы является-синтез цифровых регуляторов ЭМС предельного быстродействия с микропроцессорным управлением на основе моделирования и исследования влияния эффектов дискретизации и квантования на показатели быстродействия.

Методы исследования. В работе использованы методы теории математического моделирования, теории автоматического управления, теории электропривода.

Научную новизну полученных результатов представляют: математическая модель в форме структурной схемы системы рулевого управления автомобиля с электроприводами постоянного тока в двух вариантах: с коллекторным (ДПТ) и бесконтактным (БДПТ) исполнительными двигателями; методика синтеза цифровых регуляторов тока электропривода с БДПТ с введением дополнительного канала управления по углу опережения поля ротора, что позволяет компенсировать влияние ЭДС вращения во всем диапазоне скоростей и исключает появление высших гармоник тока якоря (дополнительные пульсации момента) из-за режима насыщения регуляторов; зависимости, характеризующие влияние эффектов дискретизации и квантования на максимальную скорость ДПТ и БДПТ при ограниченном управляющем воздействии, на основе которых доказано, что для ДПТ существенно квантование по уровню, а для БДПТ, напротив, существенна дискретизация по времени; зависимости, характеризующие влияние эффектов дискретизации и квантования на пульсации момента ДПТ и БДПТ, позволившие сделать выводы о том, что пульсации момента в ДПТ в основном вызваны квантованием по уровню, а в БДПТ эффекты дискретизации и квантования действуют мультипликативно, следовательно, их влияние на пульсации момента БДПТ следует учитывать совместно.

Практическая ценность диссертационной работы: компьютерная модель рулевого управления автомобиля с электроприводами постоянного тока, послужившая основой для построения микропроцессорных систем управления ЭМУР различных модификаций на базе недорогих 8-разрядных микроконтроллеров; программы визуализации и архивирования данных натурных экспериментов и внутрисхемного программирования контроллера, значительно расширяющие возможности для исследования системы и сокращающие время отладки программного обеспечения контроллеров; алгоритмы, программы и схемотехнические решения, использованные при разработке и изготовлении опытных образцов контроллеров ЭМУР с ДПТ и БДПТ. Проведенные испытания на автомобилях BA3-2123, BA3-2131, ВАЗ-2110 дали положительные результаты. Разработки приняты в производство.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на III - IV международных электронных научно-технических конференциях "Современные проблемы информатизации" (Воронеж, 1998-1999 гг.); на межрегиональных научно-технических конференциях "Автоматизация и роботизация технологических процессов" (Воронеж, 2000-2001 гг.), на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и аспирантов ВГТУ (1995-2001 гг.).

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 13 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа со

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Таратынов, Олег Юрьевич

Выводы

1. Установлена зависимость предельного быстродействия системы электропривода от интервала дискретизации. Практически полное использование энергетических ресурсов двигателя возможно при соотношении минимальной постоянной времени к интервалу дискретизации до единицы.

2. Установлено влияние эффектов дискретизации и квантования на максимальную скорость коллекторного и бесконтактного двигателей постоянного тока (ДПТ и БДПТ) при ограниченном напряжении питания. Максимальная скорость ДПТ существенно снижается с увеличением шага квантования по уровню и почти не зависит от периода дискретизации. Скорость БДПТ, напротив, в большей мере снижается с увеличением периода дискретизации и почти не зависит от величины шага квантования по уровню.

3. Установлено влияние эффектов дискретизации и квантования на пульсации момента ДПТ и БДПТ. Пульсации момента в ДПТ в основном вызваны квантованием по уровню. На БДПТ эффекты дискретизации и квантования оказывают мультипликативное действие, следовательно, их влияние на пульсации момента надо учитывать совместно.

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ЦИФРОВЫХ РЕГУЛЯТОРОВ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Аппаратная реализация электромеханического усилителя рулевого управления

Требуемый алгоритм управления может быть реализован как аппарат-но, так и программно. В данном случае разнообразие сигналов, которые определяют требуемый от усилителя момент, необходимость постоянной самодиагностики устройства для обеспечения безаварийности и значительная исходная неопределенность требований к компенсирующему моменту делают программную реализацию алгоритма управления предпочтительной. При этом свойства системы могут легко изменяться без изменения аппаратуры.

Аппаратные возможности микропроцессора (система команд, производительность, разрядность представления данных, характеристики периферийных устройств ввода-вывода и т.д.) существенным образом влияют на выбор алгоритмов управления, реализующих предельные возможности конкретного конструкторского решения. Чтобы проектируемое изделие было конкурентоспособным, т.е. выгодным для потребителя по цене и в то же время наилучшим образом удовлетворяло техническим требованиям, разработчики стремятся использовать по возможности недорогие комплектующие.

Коллективом авторов разработаны несколько вариантов принципиальных схем контроллеров систем с ДПТ и БДПТ [31]. Один из вариантов контроллера ДПТ, прошедший стадии испытаний на стенде и на автомобиле, приведен в данной работе. Контроллер БДПТ реализован на тех же принципах.

Принципиальная электрическая схема контроллера ДПТ приведена в приложении 1. Далее следует краткое описание основных узлов контроллера.

Резистор R8, диод VD4 и транзистор VT2 ограничивают входное напряжение стабилизатора DA1 на уровне (15. 18) вольт. Стабилизатор DA1 и конденсаторы С12, С16 обеспечивают питание информационной части напряжением 5В ± 0,1В.

R21, R23 и VT4 обеспечивают запуск микроконтроллера при включении питания и формирование сигнала "сброс" при снижении напряжения питания до уровня 8 В. Резистор R28 обеспечивает низкий уровень на входе "сброс" микроконтроллера при запертом VT4. Подача низкого уровня в точку R от программатора через разъем и резистор R5 переводит микроконтроллер в режим программирования, в котором доступны содержимое памяти программ и данных.

Резистор Rl 1 обеспечивает необходимое смещение для выхода датчика оборотов двигателя внутреннего сгорания, когда этот датчик имеет открытый коллекторный выход (от контроллера управления впрыском при инжекторном питании двигателя). Требуемая величина сопротивления определяется свойствами выходной цепи датчика. Для карбюраторного двигателя обороты контролируются по импульсам напряжения с катушки зажигания. Амплитуда этих импульсов составляет сотни вольт, что вызывает значительные потери в резисторе. Чтобы использовать один и тот же вход для обоих видов датчиков оборотов, введен диод VD6 и делитель напряжения R12, R13. Конденсатор С6 защищает вход микроконтроллера от воздействия кратковременных импульсных помех.

Диод VD2 защищает схему от напряжения обратной полярности.

Резистор R24 обеспечивает смещение для открытого коллекторного выхода датчика скорости автомобиля. Фильтр R27, С11 обеспечивает ослабление импульсных помех и ограничение амплитуды входного тока порта PD6 микроконтроллера.

Питание силовой части контроллера включается контактом внешнего реле после проверки полярности. VT1 усиливает по мощности выходной сигнал порта микроконтроллера, VD3 защищает цепь управления реле от напряжения обратной полярности, VD1 устраняет перенапряжения при выключении реле.

Транзистор VT3 усиливает по мощности сигнал управления индикатором неисправности. Резистор R19 ограничивает ток холодной нити лампы накаливания, позволяя также защитить транзистор при коротком замыкании цепи индикатора. Резистор R29 обеспечивает базовый ток VT3, достаточный для его насыщения. При неработающем микроконтроллере все порты находятся в состоянии с высоким сопротивлением, и индикатор неисправности включен. Через R18 в порт микроконтроллера поступает сигнал о состоянии индикатора. Высокий уровень напряжения после включения транзистора сообщает о неисправности цепи.

Выходные сигналы датчиков момента на рулевом колесе и положения рулевого вала от узла питания датчиков поступают на входы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) через фильтры для ослабления импульсных помех R9, С4, R26, СЮ. Делители напряжения R16, R20, R22, R31 поддерживают начальный уровень напряжения на входах от датчиков при обрыве внешних цепей. При этом сигналы момента и положения воспринимаются как нулевые, и усилитель руля не создает вращающего момента.

Напряжение питания силовой части и выходные напряжения стоек усилителя мощности поступают на соответствующие входы АЦП РАЗ, РА4, РА5 через резистивные делители напряжения. Конденсаторы СЗ, С7, С9 сглаживают пульсации контролируемых напряжений.

Резисторы R1.R7 ограничивают токи портов микроконтроллера при воздействии кратковременных импульсных помех во внешних цепях.

CI, С2 и кварцевый резонатор BQ1 являются внешними частотозадаю-щими элементами тактового генератора микроконтроллера.

Фильтры нижних частот R32, С15, R33,C13, R34, С14 ослабляют импульсные помехи в цепях контроля тока якоря, опорного напряжения АЦП и аналогового напряжения питания соответственно.

Силовая часть контроллера (рис.4.2) получает питание от бортовой сети автомобиля через фильтр L2, С22.С26, С28. Конденсаторы С22.С25 должны иметь допустимый импульсный ток не менее 40 А и последовательное сопротивление на частоте 250 кГц не более 0,02 Ома.

Усилитель мощности выполнен на транзисторах VT22.VT25, работающих в режиме переключения. Дроссель L1 ограничивает скорость нарастания тока при рассасывании диодных структур силовых транзисторов, которые смещаются в прямом направлении вследствие индуктивной нагрузки. Дроссель должен иметь индуктивность не менее 0,16 мкГн при токе 50 А. Диод VD26 ограничивает ЭДС самоиндукции дросселя при спаде тока и должен иметь время выключения не более 10 не при допустимом среднем значении прямого тока не менее 12 А.

Функции широтно-импульсного модулятора выполняются программно микроконтроллером. Для согласования портов микроконтроллера и управляющих входов силовых транзисторов по уровням напряжения и мощности между выходами микроконтроллера PC0. .РСЗ и цепями затвор - исток транзисторов включен драйвер. Схема драйвера состоит из четырех однотипных каналов, отличающихся только способом подачи питания.

Каждый канал содержит схему развязки силовой и информационной частей (транзисторы VT5, VT7, VT13, VT18) и усилитель мощности. Схема развязки обеспечивает устранение влияния разности потенциалов между силовой и сигнальной "землей" благодаря включению транзисторов с общей базой. Для устранения возможности одновременного включения всех силовых транзисторов при аномальном повышении потенциала силовой "земли" относительно сигнальной (на этапе заряда емкостей фильтра или при ухудшении контакта с минусовой клеммой аккумулятора) между схемами развязки и входами усилителей включены диоды VD7, VD8, VD17, VD18.

Усилители выполнены по двухтактной схеме с последовательным по питанию включением транзисторов. Для ограничения тока заряда входной емкости и скорости нарастания напряжения на затворах в цепи эмиттеров "верхних" транзисторов включены резисторы R53, R54, R70, R71. Токи разряда входных емкостей ограничиваются резисторами R79, R81, R82, R84. Амплитуда импульса тока транзисторов VT9, VT10, VT15, YT16 не превышает 1 А. Для получения достаточно большого диапазона регулирования коэффициента заполнения ШИМ эти транзисторы должны иметь время рассасывания не более 100 не.

Схема драйвера дополнена узлами защиты от несанкционированного включения силовых транзисторов при отказе микроконтроллера, ошибках программирования, отказах транзисторов драйвера и снижении напряжения питания. Одновременное включение транзисторов стойки запрещается цепями VD9, R38, VD10, R41,VD20, R59, VD21, R62. Включение силовых транзисторов запрещается при открытом транзисторе VT12. Этот транзистор запирается при правильно функционирующем микроконтроллере переменным напряжением на РС7, если одновременно заперт VT6, что происходит при напряжении питания больше 10 В.

Ток нагрузки (якоря двигателя) контролируется по падению напряжения на шунте R96. Это напряжение, изменяющееся в пределах от -0,1 В до +0,1 В, суммируется с постоянным напряжением смещения и напряжением отрицательной обратной связи резисторами R75, R76, R77. Напряжение смещения задается стабилитроном VD25, напряжение обратной связи пропорционально току эмиттера VT20. Полученная сумма усиливается операционным усилителем DA2 и поступает на базу VT20. В результате при достаточно больших значениях коэффициентов передачи транзистора и операционного усилителя ток коллектора VT20 пропорционален сумме напряжения смещения и напряжения шунта. Напряжение смещения, приведенное к выходу усилителя, должно быть несколько больше, чем максимальное напряжение шунта. Операционный усилитель и источник напряжения смещения получают питание от "подвешенных" источников, образованных конденсаторами С18 и

С19. Эти конденсаторы подзаряжаются через диоды VD24 и VD19 при каждом переключении стойки усилителя мощности. Ток коллектора VT20 через токовое зеркало на VT19, VT21 передается в резистор R95, связанный с "информационной землей". Напряжение с этого резистора поступает на сглаживающий фильтр и вход соответствующего канала АЦП.

4.2. Алгоритмическое и программное обеспечение цифровых регуляторов системы

Система управления выполняет ряд функций, различающихся по характеру. Удобно разбить общий алгоритм на части по признаку цели. Тогда общий алгоритм состоит из следующих частей: инициализация; регулирование момента на рулевом валу; самодиагностика; интерфейс с внешними устройствами.

Потребность в программных и временных ресурсах микроконтроллера определяется всеми составляющими алгоритма. Наиболее критичным к ресурсам является алгоритм регулирования, так как здесь требуется широтно-импульсная модуляция при тактовом периоде порядка (40.60) мкс и быстрая реакция на воздействия по заданию и по нагрузке (возмущению).

Программы контроллеров написаны на языке ассемблера микропроцессоров семейства AVR (разработчик фирма Atmel). Распечатка полного листинга программ контроллеров ДПТ И БДПТ занимает большой объем, поэтому в приложениях 2 и 3 приведены только фрагменты программ, касающиеся алгоритмов цифровых регуляторов, в приложении 2 - для ДПТ, в приложении 3 - для БДПТ.

Сразу следует оговорить, что приведенные фрагменты программ недостаточны для воссоздания рабочих версий программ контроллеров.

Процедуры инициализации, диагностики оборудования, обмена с внешними устройствами и т.д., подробно рассматриваться не будут, как не имеющие непосредственного отношения к теме диссертации.

Производительность микропроцессора определяется его системой команд, разрядной сеткой и частотой осциллятора [24]. В обоих контроллерах (электроприводы с ДПТ и БДПТ) используются микропроцессоры AT90S8535 фирмы Atmel с кварцами на 6,4 Мгц. Один машинный цикл при этом составляет 0,156 мкс. Все интервалы времени, формируемые в программах, кратны этой величине.

Дальнейшее описание программ удобно вести раздельно. В начале -алгоритмы и программная реализация контроллера электропривода с ДПТ.

4.2.1. Алгоритмы и программная реализация контроллера электропривода с ДПТ

В программе задействованы три таймера. Восьмиразрядный таймер 72 вызывает прерывание программы по своему переполнению (TIM2 0VF) каждые 40 мкс. При этом происходит очередное переключение силовых ключей усилителя. Восьмиразрядный таймер ТО формирует временные интервалы, пропорциональные заданной скважности ШИМ. Частота переключений равна 25 кГц. Шестнадцатиразрядный таймер 71 используется в режиме захвата для измерения длительности импульсов, поступающих от датчика скорости (процедура MeasSpeed).

Переменная Time инкрементируется каждый раз, по прерыванию от Т2. Таким образом, тик системных часов равен 40 мкс. Анализируя величину переменной Time, определяем четный или нечетный период коммутации ШИМ и формируем временные интервалы, кратные 40 мкс. Каждые 80 мкс происходит опрос аналоговых входов в подпрограмме ADC Scan. Каждые 160 мкс вызывается процедура регулятора тока Regulator/. Каждые 640 мкс в процедуре CalcJZ по показаниям датчиков момента, положения и скорости движения автомобиля формируется новое значение заданного тока (момента). Процедура передачи в компьютер переменных состояния контроллера PrdPC повторяется через 2,56 мс.

В программе разрешены два источника прерываний. Кроме упомянутого таймера 72, разрешены прерывания по нарастающему фронту сигнала на дискретном входе IntO (PD2). Этот сигнал формируется аппаратно при превышении питания на борту свыше допустимого уровня. Снижение уровня питающего напряжения контролируется программно путем опроса аналогового сигнала с датчика напряжения на борту. Если напряжение не удовлетворяет установленной норме - усилитель не включается до тех пор, пока питание не восстановится (подпрограмма testJUB).

Основная программа начинается с подпрограммы инициализации портов, оперативной памяти, служебных регистров (InitJPorts). Здесь же вызываются процедуры и диагностики оборудования и начальной установки: контроль напряжения борта {testJUB), тест датчика момента (testDM), установка нуля датчика тока (SetJjml), разрешается работа сторожевого таймера, запускаются таймеры ТО, 71, 72. Включается индикатор неисправности и выключается при успешном прохождении всех тестов, либо при обнаружении короткого замыкания в самом индикаторе.

После нормального завершения всех тестов программа попадает в непрерывный фоновый цикл (основная программа), в котором анализируются флаги регистра режимов (fjnode), флаг возникновения прерывания от датчика скорости (ICF1) и сбрасывается сторожевой таймер. Структурная схема алгоритма основной программы изображена на рис.4.1.

Устанавливаются флаги режимов в подпрограмме обработки прерывания по таймеру 72, сбрасываются - при вызове соответствующих процедур из основной программы. Структурная схема алгоритма подпрограммы обработки прерываний по таймеру 72 изображена на рис 4.2. cmavm

Рис.4.1. Структурная схема алгоритма основной программы

Рис.4.2. Структурная схема алгоритма подпрограммы обработки прерываний от таймера 12

Процедура Regulator I реализует ПИД-регулятор тока в соответствии с выражением:

UZ=UZ+ ((IZ-Inew) * 3/8) + ((Iold-Inew) * 5/8), (4.1) где UZ - заданное значение напряжения якоря двигателя;

IZ - заданное значение тока якоря двигателя;

Inew - текущее показание датчика тока;

Iold - предыдущее показание датчика тока.

Процедура Calc IZ вычисляет заданное значение тока якоря двигателя. Значение сигнала с датчика момента центрируется относительно его нулевого уровня (значения соответствующего отсутствию прикладываемого к рулю момента) и сравнивается заданной зоной нечувствительности. Если полученная величина не превышает зону нечувствительности - реализуем самовозврат, т.е. создается момент на валу двигателя в сторону возращения колес в нейтральное положение (контролируется датчиком положения). В пределах заданной зоны нечувствительности по углу поворота заданное значение тока равно нулю (при самовозврате). Если значение сигнала датчика момента превышает зону нечувствительности - вызывается процедура MulIZ, в которой вычитаем из значения сигнала датчика момента величину зоны нечувствительности и полученный результат умножаем на некий коэффициент усиления (в данной версии программы он равен 2) и на значение коэффициента Kspeed, зависящего от скорости автомобиля (задается в табличной форме). По мере увеличения скорости автомобиля значение коэффициента Kspeed уменьшается. Для устранения склонности системы к колебаниям при больших коэффициентах усиления к полученному значению заданного тока добавляем форсирующую составляющую (процедура Forsag). Величина форсирующей составляющей вычисляется по выражению: dM = dM *3/4 + (М - Мрг) *4, (4.2) где dM- форсирующая составляющая заданного тока якоря;

М- текущее значение сигнала датчика момента;

Мрг - предыдущее значение сигнала датчика момента.

После всех арифметических операций результат проверяется на превышение разрядной сетки, т.е. величина со знаком в пределах байта не должна выходить за пределы +/-127 дискрет.

Процедура измерения скорости движения автомобиля MeasSpeed вызывается из основной программы после аппаратного обнаружения импульса таймером Т\ в режиме захвата. В режиме захвата шестнадцатиразрядный таймер 71 фиксирует в паре регистров ICR1L, ICR1H время обнаружения положительного фронта импульса на входе PD6 и устанавливает флаг требования прерывания ICFX. Делитель таймера Т\ принят равным 1024, поэтому дискретность таймера равна 160 мкс. Известно, что при скорости движения автомобиля равной 180 км/час частота импульсов датчика скорости достигает 300 Гц. Следовательно, при дискретности таймера 160 мкс, нижняя граница скорости движения автомобиля будет равна 3,5 км/час, если зафиксированную длительность импульса датчика скорости поделить на 4. Самовозврат руля в сторону нейтрального положения включается при скорости превышающей 3,5 км/час, если момент на руле не превышает установленной зоны нечувствительности. Полученная величина длительности импульсов датчика скорости используется как смещение от начала таблицы TabKspeed.

На скоростях свыше 25 км/час Kspeed равен 40. Это означает, что создаваемый электроусилителем момент на рулевом валу при прочих равных условиях будет составлять 40/256 по сравнению с неподвижным автомобилем, т.е. меньше в 6,4 раза.

Процедура PrdPC также вызывается из основной программы. Параллельным кодом в порт В (РВ4.РВ7), поочередно, сначала младшая тетрада, затем - старшая, передаются 6 байт информации. Передача каждой тетрады сопровождается стробом (PD0). При нарастающем фронте строба на шину данных выставлен номер тетрады (1.12), по спадающему фронту строба данные. Данные могут выводиться любые и в произвольной последовательности. Один из возможных вариантов:

1) показания датчика момента (.InputO);

2) заданный ток якоря двигателя (/Z);

3) показания датчика тока ('Input2)\

4) показания датчика положения (Input 1);

5) коэффициент скорости (Kspeed);

6) коэффициент скважности напряжения якоря двигателя (Gamma). Информация о состоянии регулируемого объекта и задающих сигналах в контроллере преобразуется из аналоговой формы в цифровую встроенным восьмиканальным десятиразрядным аналогово-цифровым преобразователем (АЦП). Каналы АЦП мультиплексируются, т.е. в каждом такте может быть опрошен только один из каналов. Поэтому в быстродействующих системах важно рационально расставить по уровням приоритета каналы с быстро и сравнительно медленно меняющимися сигналами датчиков.

Цикл опроса датчиков АЦП контроллера ДПТ представлен в табл.4.1. Назначение каналов АЦП контроллера ДПТ: канал 0 - датчик момента; канал 1 - датчик угла поворота рулевого вала; канал 2 - датчик тока; канал 3 - датчик напряжения питания борта; канал 4 - датчик напряжения стойки 0; канал 5 - датчик напряжения стойки 1; канал 6 - резерв; канал 7 - резерв.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе проведенных в работе в работе исследований в области анализа и синтеза системы управления электроприводом предельного быстродействия получены следующие основные результаты:

1. Разработаны компьютерные модели системы рулевого управления автомобиля, электроприводов постоянного тока с коллекторным и бесконтактным двигателями.

2. Разработана методика синтеза регулятора тока БДПТ с учетом возмущающего воздействия в виде ЭДС вращения.

3. Исследовано влияние дискретизации и квантования сигналов, характерных для микропроцессорного управления, на показатели быстродействия систем воспроизведения движений.

4. Разработаны программы визуализации и архивирования данных натурных экспериментов, а также средства внутрисхемного программирования контроллера.

5. Разработаны программы контроллеров электроприводов с коллекторным и бесконтактным двигателями постоянного тока электромеханического усилителя рулевого управления автомобиля.

6. Разработаны и изготовлены опытные образцы контроллеров электромеханического усилителя рулевого управления с ДПТ и БДПТ. Серия испытаний на автомобилях показала положительные результаты. Разработки приняты в производство.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Таратынов, Олег Юрьевич, 2001 год

1. Абдулаев Н. Д., Петров Ю. П. Теория и методы проектирования оптимальных регуляторов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. -240 с.

2. Акимов Л.А., Колотило В.И. Формирование сигнала, пропорционального моменту нагрузки, в электроприводах с системами подчиненного регулирования и наблюдателями состояния // Электротехника, № 2, 1998. С. 29-35.

3. Алферов В.Г., Ха Куанг Фук Использование метода корневого годографа и пары доминирующих корней при оценке динамических свойств // Электротехника, № 6,1993. С. 29-32.

4. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г. М. Численные методы. М.: Наука, 1987. 600 с.

5. Башарин А.В., Башарин И.А. Динамика нелинейных систем управ-ления.-Л.: Энергия, 1974.-200 с.

6. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учеб. пособие для вузов. Л.: Энергоиздат, 1982. 392 с.

7. Башарин А.В., Постников Ю.В. Примеры расчета автоматизированного электропривода на ЭВМ. Учебное пособие для вузов. 3-е изд-Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1987.

8. Бесекерский В.А. Цифровые автоматические системы. М.: Наука, 1976. 576 с.

9. Бесекерский В.А., Изранцев В.В. Системы автоматического управления с микроЭВМ. М:. Наука. Гл.ред.физ.-мат.лит., 1987 - 320 с.

10. Бессекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования-М.: Наука, 1975 768 с.

11. Васильев Е.М., Таратынов О.Ю. Синтез исполнительных электроприводов с цифровым управлением // Анализ и проектирование средств роботизации и автоматизации / Межвуз.сб., Воронеж, ВГТУ, 2001. с.56-59.

12. Васильев Е.М., Таратынов О.Ю. О необходимом разнообразии состояний регуляторов систем воспроизведения движений // Анализ и проектирование средств роботизации и автоматизации / Межвуз.сб., Воронеж, ВГТУ, 2001. с.49-51.

13. Васильев Е.М., Таратынов О.Ю. Расчет предельных значений интервалов квантования в цифровых системах регулирования электроприводов // Анализ и проектирование средств роботизации и автоматизации / Межвуз.сб., Воронеж, ВГТУ, 2001. с.52-59.

14. Вейнгер A.M. Перспективы систем подчиненного регулирования / Электротехника. 1996. № 4. с. 41-47.

15. Гельднер Г., Кубик С. Нелинейные системы управления: М.: Мир, 1987.-368 с.

16. Геминтерн В.И., Нуждин В.Н., Розенкноп В.Д. Имитационное моделирование при проектировании электромеханических объектов. М.: Ин-формэлектро, 1981. - 70 с.

17. Герман-Галкин С.Г. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями / С.Г. Герман-Галкин, В.Д. Лебедев, Б.А. Марков, Н.И. Чичерин. Л.: Энергоатомидат, 1986. 248 с.

18. Григорьев В.Л. Программирование однокристальных микропроцессоров. М.: Энергоатомиздат, 1987. 368 с.

19. Дистанционно управляемые роботы и манипуляторы/ B.C. Кулешов, Н.А.Лакота, В.В.Андрюнин и др.; Под общ. ред. Е.П.Попова. М:. Машиностроение, 1986. - 328 с.

20. Дрючин В.Г., Жиляков Н.В. Синтез оптимальных систем управления при изменении выходной координаты объекта//Изв.вузов. Электротехника. 1992. №5. С. 12-15.

21. Дьяконов В.П. Справочник по применению системы PC MathLab. М.: Наука, 1993. 112 с.

22. Егоров В.Н., Шестаков В.М. Динамика систем электропривода-Л.: Энергоатомиздат, Ленигр.отд-ние, 1983- 213 с., ил.

23. Иванов В.А., Фалдин Н.В. Теория оптимальных систем автоматического управления. М.: Наука, 1981- 336 с.

24. Изерман Р. Цифровые системы управления. М.: Мир, 1984. 541 с.

25. Исследование и разработка контроллера и электропривода системы электромеханического усилителя рулевого управления легковых автомобилей ВАЗ. Научно-технический отчет, ООО "Интеграл СТ" . Воронеж, 2000. 84 с.

26. Каган Б.М., Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 304 с.

27. Каган В.Г. Электроприводы с предельным быстродействием для систем воспроизведения движений. М.: Энергия, 1975. - 242 с.

28. Клюев А.С., Колесников А.А. Оптимазация автоматических систем управления по быстродействию. -М.: Энергоиздат, 1982.- 240 с.

29. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. М.: Высшая школа. 1987. 248 с.

30. Кроз А.Г., Таратынов О.Ю. Оценка эффективности управления с упреждающей коррекцией при ограниченном управляющем воздействии // Системы управления и информационные технологии /Межвуз.сб., Воронеж, ВГТУ, 1998.-С.85-89.

31. Кроз А.Г., Таратынов О.Ю. Программное управление с упреждающей коррекцией // Современные проблемы информатизации /Тез.докл. IV МЭНК Воронеж:ВГПУ, 1999.-С.48-49.

32. Кузовков Н.Г., Карабанов С.В., Салыпев О.С. Непрерывные и дискретные системы управления и методы идентификации. М.: Машиностроение, 1978.-222 с.

33. Куо Б. Теория и проектирование цифровых систем управления. -М.: Машиностроение, 1986. 448 с.

34. Лысов М.И. Рулевые управления автомобилей. М.: Машиностроение, 1972. 344 с.

35. Мазунин В.П. Проблемы оптимального управления электроприводами / Электротехника, № 4, 1997. с. 1-6.

36. Мамедов В.М. Управление электроприводами постоянного тока: Учеб. пособие / Воронеж, политехи, ин-т. Воронеж, 1983 132 с.

37. Математическая теория оптимальных процессов / Л.С.Понтрягин, В.Г.Болтянский, Р.В.Гамкрелидзе, Е.Ф.Мищенко. М.: Физматгиз, 1961. 391 с.

38. Медведев B.C., Потемкин В.Г. Control System Toolbox. MATLAB 5 для студентов. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1999. 287 с.

39. Микропроцессорное управление электроприводами станков с ЧПУ/ Э.Л. Тихомиров, В.В. Васильев, Б.Г. Коровин, В.А.Яковлев. М.: Машиностроение, 1990. - 320 с.

40. Потемкин В.Г. Система MATLAB 5 для студентов. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1999. 448 с.

41. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap V, Изд. "Солон" М.: 1997. 280 е., ил.

42. Расчет электронных схем. Примеры и задачи: Учеб. пособие для вузов по спец. электрон, техники / Г.И. Изъюрова, Г.В. Королев, В.А. Терехов и др. М.: Высш. шк., 1987. - 335 е., ил.

43. Рыбкин С.Е., Изосимов Д.Б. Алгоритмы идентификации механических координат электропривода // Электричество. 1996. № 6. С. 26-30.

44. Садовой А.В., Сухинин Б.В., Сохина Ю.В. Системы оптимального управления прецизионными электроприводами / Киев: ИСИМО, 1996.-298 с.

45. Синтез электромеханических приводов с цифровым управлением/ Вейц В.Л., Вербовой П.Ф., Больберг О.Л., Съянов A.M.; Отв.ред. Войтех А.А.; АН Украины. Ин-т электродинамики. Киев: Наук.думка, 1991. 232 с.

46. Смит Д.М. Математическое и цифровое моделирование для инженеров и исследователей. М.Машиностроение, 1980. - 271 с.

47. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. Т. 2 / Под общ. ред. Копылова И.П., Клокова Б.К. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 688 е., ил.

48. Таратынов О.Ю. Адаптивный метод дискретного циклического управления // Проблемы информатизации и управления / Межвуз.сб., Воронеж, ВГТУ, 1996. с.12-17.

49. Таратынов О.Ю., Кроз А.Г. Моделирование и управление адаптивным следящим электроприводом с числовым программным управлением // Деп. в ВИНИТИ 08.02.94 № 342-В94.

50. Таратынов О.Ю., Кроз А.Г. Параметрическая оптимизация серворе-гулятора с двумя свободными параметрами // Системы управления и информационные технологии / Межвуз.сб., Воронеж, ВГТУ, 1997. с.66-71.

51. Теория автоматического управления.4.1 / Под ред А.А.Воронова М.: Высш. шк., 1986. 367 с.

52. Теория автоматического управления.Ч.2 / Под ред А.А.Воронова М.: Высш. шк., 1986. 504 с.

53. Топчеев Ю.И. Атлас для проектирования систем автоматического регулирования: Учеб. пособие для втузов. М.: Машиностроение, 1989. -752 с.

54. Цифровые электромеханические системы / В.Г. Каган, Ю.Д.Бери, Б.И.Акимов и др. М.: Энергоатомиздат, 1985. 208 с.

55. Чайковский И.П. Рулевые управления автомобилей. М.: Машиностроение, 1987. - 176 с.

56. Чураков Е.П. Оптимальные и адаптивные системы: Учеб. Пособие для вузов. —М.: Энергоатомиздат, 1987.-256 с.

57. Die Servoelectric von ZF // Automobiltechn/ Z/-1998.-100, №9,- С. 636, 638.- Нем.

58. Electric power steering apparatus: Пат. 5485067 США, МКИ6 G 05 В 5/00 / Nishomoto Mitsuhiko, Matsuoka Hirofumi, Amako Hiroki; Koyo Seiko Co., Ltd.- № 270055; Заявл. 1.7.94; Опубл. 16.1.96; Приор. 2.7.93, № 5191700 (Япония); НКИ 318/466

59. Electric power steering apparatus: Пат. 5521475 США, МКИ6 Н 02 Р 1/ 04 Fu Jian-Guo, Matsuoka Hirofumi; Koyo Seiko Co., Ltd.- № 157221; Заявл. 23.11.93; Опубл. 28.5.96; Приор. 25.11.92, № 4339857 (Япония); НКИ 318/459

60. Electric power steering circuit device: Пат. 5602451 США, МКИ6 В 62 D 5/04 / Kohge Shinichi, Wada Shunichi; Mitsubishi Denki К. K.- № 496163; Заявл. 28.6.95; Опубл. 11.2.97; Приор. 30.6.94, № 6-149617 (Япония); НКИ 318293.

61. Electric power steering device: Пат. 5971094 США, МПК6 В 62 D 5/04 / Joshita Kaname; Koyo Sieko Co., Ltd.- № 08/871844; Заявл. 09.06.1997; Опубл. 26.10.1999; Приор. 19.06.1996, № 8-180018 (Япония); НПК 180/144

62. Elektrisch unterstutze Hilfskraftlenkung fur Kraftfahrzeuge: Заявка 19814719 Германия, МПК6 В 62 D 5/04 / Brenner P., Budaker M., Rucj G.,127

63. Schule J.; ZF Friedrichshafen AG.- №1981479.8; Заявл. 02.04.1998; Опубл. 07.10.1999.

64. Elektrisch unterstutze Hilfskraftlenkung fur Kraftfahrzeuge: Заявка 19828513 Германия, МПК6 В 62 D 5/04 / Petersen A., Rinsehede Т.; ZF Friedrichschafen AG.- №19827513.2; Заявл. 26.06.1998; Опубл. 30.12.1999.

65. Linear drive electric assist steering system: Пат. 5924518 США, МПК6 В 62 D 5/04 / D'Onofrio David J.; TRW Inc.- № 08/686089; Заявл. 24.07.1996; Опубл. 20.07.1999; НПК 180/444

66. Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Elektromotors sowie Lenksystem fur ein Kraffahrzeug: Заявка 19811992 Германия, МПК6 H 01 P 3/12 / Hakki М., Kraemer W., Weeber К.,; Robert Bosch GmbH.- № 19811992.5; Заявл. 19.03.1998; Опубл. 30.09.1999