Авторы: Шеломков Сергей Александрович, Купреянов Андрей Анатольевич
Изобретение относится к области колесных транспортных средств. Способ заключается в задании водителем потребной скорости движения колесной машины, определении значения уставки угловой скорости эквивалентного колеса, измерении текущей угловой скорости тягового электродвигателя каждого колеса, регулировании угловых скоростей всех колес. При выходе реального значения угловой скорости любого колеса за верхнее ограничение допуска уменьшают электрическую мощность, подводимую к тяговому электродвигателю колеса до вхождения в допускаемый коридор. При выходе значения угловой скорости любого колеса за нижнее ограничение допуска увеличивают подведение к тяговому электродвигателю колеса электрической мощности до вхождения в допускаемый коридор. Технический результат заключается в минимизации потерь в электрической трансмиссии и катящихся колесах. 5 ил.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ управления автомобильным транспортным средством, реализованный в системе управления вращающими моментами множества колес автомашины, включающей: один или более датчиков скорости для того, чтобы определить скорость для каждого колеса; датчик ускорения отклонения от курса транспортного средства для того, чтобы определить фактическое ускорение отклонения от курса транспортного средства; датчик вращающего момента определяет направление транспортного средства и заданную величину вращающего момента для транспортного средства; электронное контрольное устройство для обработки данных от датчиков скорости, датчика ускорения отклонения от курса транспортного средства, датчика ускорения отклонения от курса и вращающего момента, чтобы сформировать сигналы вращающего момента для множества колес; и один или более формирователей сигналов вращающего момента, реагирующих на сигналы вращающего момента, чтобы изменить вращающий момент, управляющих каждым из множества колес таким образом, что колеса обеспечивают либо ускорение, либо замедление в зависимости от намерения водителя и обеспечиваемого тягового усилия (заявка US 2004176899).
Способ управления, реализованный в данной системе, направлен на повышение устойчивости автомобиля, предотвращение рыскания, в том числе и на поверхностях с плохим сцеплением (мокрый асфальт, лед и т.п.).
Однако этот способ управления предназначен для автомобилей 4×2 или 4×4, преимущественно легковых, для которых важна устойчивость движения, с механической, гибридной или электрической трансмиссией. При этом обеспечивается управление крутящими моментами и угловыми скоростями колес соответственно механической, гибридной или электрической трансмиссиями с реализацией функции ПБС/АБС (ASR/ABS), т.е. предотвращается излишняя раскрутка (буксование) колес в тяговом режиме и блокировка колес в тормозном режимах, что обусловлено свойствами механической дифференциальной трансмиссии и электрической трансмиссии с реализацией в ней так называемого электрического дифференциала.
Данный способ управления предназначен для использования при движении автомобиля на больших скоростях по криволинейному пути, т.е. когда возникают и решаются вопросы устойчивости и управляемости за счет механической дифференциальной трансмиссии или электрической трансмиссии с электрическим дифференциалом, различных угловых скоростей колес при криволинейном движении автомобиля, при их различном радиусе, из-за погрешностей при изготовлении, различного давления воздуха в шинах, различной нагрузки на колесо, износа и т.п.
Заявленный способ предназначен в первую очередь для использования на многоосных полноприводных АТС (8×8 и более), для которых на сегодня считается более важной проходимость и экономичность и для них считается наиболее рациональной электрическая трансмиссия с электромотор-колесами, для управления которой и предлагается данный способ.
Одной из особенностей трансмиссий таких многоосных полноприводных АТС является возникновение таких ситуаций, как самопроизвольный переход некоторых колес от тяги к торможению (это называется «циркуляцией» мощности), что, естественно, негативно и этого нужно избегать, что и позволяет данный способ управления.
Технический результат способа управления заключается в реализации максимально возможных тяговых сил по колесам, чтобы в случае необходимости обеспечить максимально интенсивный разгон АТС или для преодоления внешних сил сопротивления движению (тяжелые дорожные условия), и в минимизации потерь в электрической трансмиссии и катящихся колесах для минимизации расхода топлива при управлении многоосными полноприводными АТС, оснащенными электрической трансмиссией с электромотор-колесами.
В основе предложенного способа лежит следящее управление каждым электродвигателем электромотор-колеса в отдельности по угловой скорости. Управление данным образом одним электродвигателем известно и хорошо отработано, предложенный способ обеспечивает управление многоприводной трансмиссией, в которой каждое из колес может оказываться в различных условиях по сцеплению и по сопротивлению качения.
Способ управления не предполагает движение АТС с большими скоростями, это не нужно для многоосных АТС, поэтому устойчивость и управляемость АТС не важна. Важны проходимость, тяга, интенсивность разгона и экономичность, что и обеспечивается в предложенном способе управления.
Технический результат достигается тем, что в способе управления многоприводной электрической трансмиссией многоосной колесной машины предусмотрено задание водителем потребной скорости движения многоосной колесной машины, преобразование сигнала задания потребной скорости в сигналы задания угловых скоростей вращения тяговых электродвигателей колес, измерение текущей угловой скорости тягового электродвигателя каждого колеса, определение направления крутящего момента (что является гораздо более дешевым и более просто технически реализуется аппаратно, чем измерение не только знака - т.е. направления крутящего момента, но и его числового значения, как в заявке US 2004176899), сравнение указанной текущей угловой скорости с угловой скоростью, соответствующей упомянутому сигналу задания угловой скорости вращения тягового электродвигателя с поправкой, учитывающей радиусы кривизны окружностей, по которым движутся колеса, при движении машины по криволинейному участку, корректировка текущей угловой скорости вращения каждого колеса путем регулирования мощности, подводимой к тяговому электродвигателю колеса, и приведение знака его крутящего момента в соответствие с текущим режимом тяги или торможения колеса.
При этом задают диапазон изменения угловых скоростей вращения тяговых электродвигателей колес и осуществляют коррекцию угловых скоростей вращения тяговых электродвигателей колес в пределах указанного диапазона; коррекцию угловых скоростей вращения тяговых электродвигателей колес осуществляют в заданного промежутка времени. Возможно обеспечение нескольких зависимостей угловой скорости вращения тягового электродвигателя колес от положения органа управления потребной скоростью движения колесной машины, переключения между которыми осуществляют автоматически по заданному алгоритму.
В способе управления могут быть реализованы три альтернативных варианта предотвращения буксования тяговых колес. Так корректировка угловых скоростей вращения тяговых электродвигателей каждого колеса при буксовании колеса, осуществляемая в сторону уменьшения угловой скорости до прекращения буксования, может быть произведена с использованием в качестве контролируемой величины значения отношения продольного ускорения корпуса колесной машины к угловому ускорению каждого из колес; значения коэффициента проскальзывания каждого колеса, определяемого по соотношению угловой скорости колеса и линейной скорости колесной машины; значений коэффициента проскальзывания и крутящего момента каждого колеса.
Применение следящего управления каждым электромотор-колесом по его угловой скорости позволяет избежать их самопроизвольной раскрутки, что бывает, например, в механических дифференциальных трансмиссиях. Но скорости всех колес нужно задавать индивидуально. Для этого в способе описана процедура принудительного задания различных угловых скоростей колесам при криволинейном движении АТС, при их различном радиусе, из-за погрешностей при изготовлении, различного давления воздуха в шинах, различной нагрузки на колесо, износа и т.п.
На фиг.1 показана зависимость «уставки» УСЭК от угла отклонения педали управления угловой скоростью:
кэу=Kшli·
, в режиме 1.
На фиг.2 показана зависимость «уставки» УСЭК от угла отклонения педали управления угловой скоростью
кэy=Кш2·, в режиме 2.
На фиг.3 показан график изменения постоянной времени (в контуре управляющего воздействия УСЭК
кэу) для режима 
2.
На фиг.4 показан график изменения величины постоянной времени для режима 3.
На фиг.5 показана зависимость «уставки» УСЭК от угла отклонения педали управления угловой скоростью при движении задним ходом.
Регулируемыми величинами являются угловые скорости всех колес АТС.
Задачи способа: Используя преимущества индивидуального электрического привода колес, создать условия для наиболее эффективной реализации как тягово-сцепных возможностей каждого колеса АТС, так и возможностей ТЭД, чтобы обеспечить:
- 1. Реализацию максимально возможных тяговых сил по колесам, в случае необходимости обеспечить максимально интенсивный разгон АТС или для преодоления внешних сил сопротивления движению (тяжелые дорожные условия).
- 2. Минимизацию потерь в ЭТ и катящихся колесах для минимизации расхода топлива.
Устройства, формирующие входную информацию для САУ:
- 1. Рулевое колесо (задания направления движения АТС).
- 2. Задатчик положения полюса поворота (используется для задания положения полюса поворота на продольной оси АТС).
- 3. Переключатель режимов движения «вперед-назад» находится на панели управления.
- 4. Переключатель режимов Кш (используется для задания одного из четырех режимов 1, 2, 3 и 4 движения АТС вперед), находится на панели управления. Наличие четырех режимов объясняется необходимостью имитационной и экспериментальной отработки режимов. Выбор из них оптимального должен производится в каждом конкретном случае в зависимости от требований и условий работы конкретной АТС, с помощью предложенного автором метода.
- 5. Педаль управления угловой скоростью (используется для задания угловой скорости эквивалентного колеса АТС).
- 6. Педаль управления торможением (используется для задания тормозных усилий, развиваемых тормозными механизмами АТС, и в способе управления ЭТ не используется).
Под угловой скоростью эквивалентного колеса (УСЭК) понимается - угловая скорость жесткого колеса идеальной геометрии (имеющего радиус качения в свободном режиме, равный номинальному значению, для расчетов принимается rкс=0.52 м), находящегося по середине базы на продольной оси симметрии АТС и плоскость вращения которого совпадает с вектором мгновенной скорости данной точки машины (т.е. колесо катится по траектории движения АТС и его плоскость вращения является касательной к этой траектории).
Водитель, управляя АТС посредством органов управления, задает направление движения и линейную скорость. В движении колеса могут оказаться в разных условиях по сцеплению, тогда для максимальной реализации тягово-сцепных возможностей каждого из колес требуется задавать различное проскальзывание, через регулирование скоростей вращения колес. Задавать различные скорости вращения каждого из колес водителю просто невозможно. От него можно требовать управление линейной скоростью АТС с помощью органов управления и по данным обратной связи, которой являются показания спидометра и зрительная оценка водителем скорости. В свете этого, для создания способа регулирования угловых скоростей колес АТС и его адекватного понимания и вводится понятие УСЭК. Для данного способа принимаем, что водитель отклонением педали управления угловой скоростью будет задавать САУ линейную скорость АТС, которая будет являться произведением УСЭК на статический радиус колеса идеальной геометрии.
2 Движение вперед
2.1 Формирование исходной информации
Для движения вперед водитель переводит тумблер режимов движения «вперед-назад» в положение «Движение вперед». После этого отклонения педали управления угловой скоростью однозначно трактуются САУ как команда водителя к движению АТС вперед. Переключение тумблера режимов движения «вперед-назад» возможно только на неподвижной АТС, т.е. измеренные угловые скорости всех колес меньше или равны
кiизм
±0.01 рад/с; в случае случайного переключения тумблера в процессе движения предусмотрена аппаратная блокировка с включением световой сигнализации на пульте управления.
2.2 Вычисление угловой скорости эквивалентного колеса
Водитель задает:
- 1. УСЭК изменением: [°] - угла отклонение педали управления угловой скорости;
- 2. Криволинейное движение АТС изменением:
рк [°] - угла поворота рулевого колеса и 
п [позиции] - задатчиком положения полюса поворота; - 3. Один из четырех режимов 1, 2, 3 и 4 движения АТС вперед - переключателем режимов Кш (переключатель 4-позиционный).
2.2.1 Режим движения макета
1
Переключатель режимов движения АТС Кш находится в первом положении. Зависимость «уставки» УСЭК от угла отклонения педали управления угловой скоростью считается линейной [рад/с]:
Угол отклонения педали управления угловой скорости
[°] изменяется в пределах [0, 60°]. Наибольшая УСЭК кэуmax соответствует наибольшему углу отклонения педали max=60°.
Для повышения чувствительности органа управления УСЭК при движении с малыми скоростями АТС вводятся пять подрежимов качения эквивалентного колеса, что является некоторым аналогом многоступенчатой трансмиссии. Они характеризуются коэффициентом Кш1i (i=1,5). Значения коэффициентов Кш1i приведены в таблице 1.
Зависимости
кэiу=Кш1i· приведены на фиг.1.
| Таблица 1 | |||
| Значения коэффициентов Кш1i | |||
| i | Кшi, рад/с·° | кэуimax, рад/с | кэуimin, рад/с |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| 1 | 0.057 | 3.24 | 0.00 |
| 2 | 0.17 | 10.20 | 1.70 |
| 3 | 0.34 | 20.40 | 3.40 |
| 4 | 0.57 | 34.20 | 5.70 |
| 5 | 0.94 | 56.40 | 9.40 |
Способ управления на режиме
1 функционирует следующим образом. При отклонении педали управления угловой скорости от нулевого положения на угол первоначально САУ выбирает подрежим Кш11 (соответствует минимальной УСЭК кэуmax1 [рад/с] при максимальном отклонении педали управления угловой скоростью). При дальнейшем отклонении педали (при увеличении значения ) САУ увеличивает значение «уставки» кэу1 по формуле (1).
Переход на подрежим Кш12 (или на Kш1i+1) осуществляется при выполнении двух условий:
- 1. При достижении измеренной УСЭК кэизм своего максимального значения с допуском ±2%, для подрежима Кш12 (Кш1i) это кэуmax1±2% (кэуmaxi±2%, см. табл.1).
- 2. При положении педали УСЭК в максимальном отклонении с допуском ±2% =max=60±1.2° (что соответствует максимальному значению «уставки» кэуi=(кэуimax).
После перехода на Кш12 (Kш1i+1) происходит дальнейшее увеличение
кэизм до достижения значения соответствующего углу отклонения водителем педали управления угловой скоростью (до достижения значения «уставки» кэу).
В случае уменьшения угла
водителем уменьшение кэизм производится САУ по зависимости (1) для выбранного в данный момент Кш1i (например, Кш12) до достижения значения соответствующего углу отклонения водителем педали управления угловой скоростью (до достижения значения «уставки» кэу).
Переход на Кш1i-1 (в нашем примере Кш11) осуществляется при выполнении двух условий:
- 1. При достижении измеренной УСЭК кэизм своего значения, равного для подрежима Кш1i кэimin±2% (см. табл.1).
- 2. При отклонении педали УСЭК в положении =10±1.2° (что соответствует минимальному значению «уставки» кэуi=кэimin).
САУ вычисляет значение измеренной УСЭК
кэизм для проверки выполнения первого условия перехода от Кш1i к Кш1i+1 (и от Кш1i к Кш1i-1) согласно формуле:
где
кэизм - измеренное значение УСЭК (реальное значение) [рад/с];
кjизм - угловая скорость j-го колеса, полученная с датчика угловой скорости j-го ТЭД [рад/с];
Kvj - коэффициент корректировки угловых скоростей ТЭД при криволинейном движении зависящий от угла поворота рулевого колеса и положения задатчика полюса поворота. При прямолинейном движении (
рк=0 и п=0) Кvj (рк, п)=1. Данный коэффициент позволяет почти полностью избежать «циркуляции» мощности в трансмиссии и износа шин при криволинейном движении АТС.
К
j - коэффициент дополнительного приращения угловой скорости j-го колеса (его значения приведены ниже);
n - число колес АТС.
При этом
кэизм может отличаться от значения своей «уставки» кэу не более чем на ±
кэiизм рад/с, которая для каждого из пяти подрежимов приведена в таблице 2.
| Таблица 2 | ||
| i | кэуimax, рад/с | кэiизм, рад/с |
| 1 | 2 | 3 |
| 1 | 3.24 | 0.20 |
| 2 | 10.20 | 0.50 |
| 3 | 20.40 | 1.10 |
| 4 | 34.20 | 2.00 |
| 5 | 56.40 | 3.00 |
Крайне быстрое нарастание крутящего момента на ТЭД (из-за мгновенного подведения большой электрической мощности), в случае резкого отклонения водителем педали УСЭК в максимальное положение, может привести: к значительным динамическим нагрузкам в приводе и несущей системе макета; к срыву грунта под колесами с возможной последующей потерей подвижности. Для предотвращения этого вводится инерционное звено с постоянной времени Т=1 с, в контур управляющего воздействия УСЭК
кэ. Это приведет к плавному нарастанию подводимой к ТЭД мощности до значения, установленного САУ за время, большое или равное 3 с. Данное инерционное звено аналогично присутствует в режимах движения 2, 3, и 4, а также при движении задним ходом.
2.2.2 Режим
2, 3 и 4
В формировании САУ УСЭК режимы
2, 3 и 4 одинаковы. Поэтому следующее описание одинаково относится как к режиму 2, так и к режимам 3 и 4. Различие в режимах представлено в п.2.3.
Переключатель режимов движения макета Кш находится во втором (в третьем или четвертом) положении. Зависимость «уставки» УСЭК от угла отклонения педали управления угловой скоростью считается линейной:
где Кш2=0.94
Угол отклонения педали управления угловой скорости
[°] изменяется в пределах [0, 60°]. Наибольшая УСЭК кэуmax=56.4 рад/с соответствует наибольшему углу отклонения педали max=60°. При этом кэизм может отличаться от значения своей «уставки» кэу не более чем на ±кэизм рад/с, где кэизм=3 рад/с. Зависимость кэу приведена на фиг.2. Как и пункте 2.2.1, предусмотрено инерционное звено с постоянной времени Т=1 с.
2.3 Регулирование угловых скоростей колес
Независимо от выбранного режима движения
1, 2, 3 или 4 (т.е. независимо от положения переключателя Кш) угловые скорости колес выставляются САУ относительно «уставки» УСЭК кэу единым способом. При этом уменьшение измеренной угловой скорости i-го колеса (кiизм) САУ производит посредством уменьшения подводимой к ТЭД колеса электрической мощности (вплоть до полного отключения), увеличение угловой скорости производиться посредством увеличения подводимой к ТЭД мощности.
Угловые скорости всех колес регулируются САУ, равными «уставке» УСЭК с поправкой на KVi(
рк, п) с точностью регулирования не хуже ±0.1 рад/с от уставочного значения кiу [рад/с]:
где
кiу - значение угловой скорости i-го колеса (значение «уставки» САУ) [рад/с].
То есть все
кiу равны между собой с погрешностью регулирования ±0.1 рад/с (при KVi(pк, п)=1) и равны кэизм, которая, в свою очередь, выставляется по кэу с погрешностью регулирования ±кэизм рад/с (кэизм=кэy±кэизм рад/с).
При выходе значения угловой скорости любого колеса
Кол-во просмотров: 16228
