Датчики электрического усилителя рулевого управления

Как правило, в современных легковых автомобилях все чаще применяют электрический усилитель рулевого управления. В интернете и специализированной литературе довольно подробно написано, для чего он нужен и как устроен. Для автолюбителя и работника автосервиса (любящего свою работу) уровень такого предоставленного материала иногда вполне достаточен.




Но для инженера или разработчика, к сожалению, он довольно скуден и поверхностен, а иногда и не совсем точен. На примере одной конструкции, весьма уважаемого производителя, попробую изложить дополнительную информацию, которую я получил при разборке данного устройства. Касается это в основном датчиков, определяющих работу данного устройства, и пример реализации их подключения. Возможно, это будет полезно, хотя бы студентам и инженерам. Для людей, профессионально занимающимся разработкой автомобилей это изложение покажется, наверное, смешным.

Итак, есть такой узел, один вал (назовем выходной) которого управляет углом поворота передних колес, а к другому противоположному валу (назовем входной вал) прикреплен руль. К рулю (рулевому колесу) прилагает усилие тело своими руками, (стандартным весом по ГОСТу 75кг, имеющее право на управление автомобилем, и совершающее обдуманные законопослушные действия) в надежде изменить угол поворота колес. При этом на каждое это колесо приходится часть веса автомобиля, и довольно таки существенное (300 — 600 кг), и при диаметре рулевого колеса, не превышающем полметра, усилие, которое надо прилагать к рулю, на неподвижном автомобиле, без дополнительного усилителя, очень чрезмерно для большинства, по мнению медиков, здоровых людей.
Для облегчения усилия, требуемого прилагать к рулевому колесу, ставят электромотор, который прилагает дополнительное усилие к выходному валу. Какое дополнительное усилие, и в какую сторону надо прилагать электромотору, определят электронный блок усилителя рулевого управления, с помощью датчика усилия, которое прилагает водитель к рулевому колесу. Датчик этот расположен, как правило, в месте соединения выходного и входного вала. А соединяются эти валы между собой с помощью гибкого элемента (как правило, торсиона, параметры которого имеют заданные значения), который гибко деформируется (закручивается) в ту или иную сторону, на угол, пропорционально по степени прилагаемого усилия между рулевым колесом, и силой сопротивления передних колес автомобиля их повороту. Электромотор применяют, как правило, теперь бес коллекторный, трехфазный. Для управления вращением электромотором требуется схема, формирующая из постоянного тока бортовой сети переменное напряжение из трех фаз. Контролировать правильное вращение электромотора, помогает еще один датчик – датчик вращения и угла поворота его оси. Сигналы с этих датчиков, и поступают электронный блок усилителя рулевого управления. Внутри которого также находится схема управления электромотором. Сам это блок связан внутренней сетью управления с другими электронными блоками автомобиля.

Электронная начинка этого блока содержит довольно таки производительный микроконтроллер (примерно уровня STM32F4xx и даже выше), контроллер управления трехфазным мотором, цепи предотвращения работы и отключения электрических цепей при возникновении нештатной работы или внутренней неисправности.

Наверное, вы уже устали читать, приступим к разборке (фотографии простые, извиняюсь за качество). Я буду применять иногда свои выдуманные названия к предметам, извините и поправьте если что.

Датчик усилия (далее ДУ), представляет собой систему из:

— Кольцевого многополюсного магнита (далее КМ), напрессованного на входной вал.

— Кольцевого селектора (далее КС) магнитного поля, напрессованного на выходной вал. Он состоит и пластикового цилиндрического корпуса, с двумя магнитопроводящими кольцами, которые имеют клювообразные элементы, на стороне, обращенной к КМ. Эти клювообразные элементы соответствуют количеству и положению магнитных полюсов на КМ.

— Датчика магнитного поля (далее ДМ), закрепленного уже на неподвижном корпусе усилителя рулевого управления, и состоящего из двух магнитопроводящих полуколец, передающих магнитное поле от КС к двум датчикам холла.

Начну иллюстрации:


Так выглядят еще не разъединённые входной и выходной вал:



Вынимаем шпильку и разъединяем: (Кольцевой трансформатор=кольцевой селектор)



Дальше:



Напрессованный КС, КМ, видны пазы входного и выходного вала, ограничивающие угол закручивания торсиона, и даже если он сломается, рулевое управление будет сохранено. Задача торсиона, не передавать весь крутящий момент, а только его измерить:



Слева — корпус ДМ, справа — КС.



Датчики холла (их два, тип мне неизвестен):



А так весь механизм выложен последовательно, все снято со своих мест:



Как возможно это работает:

В собранной конструкции, пока нет деформации торсиона, Полюса КМ расположены напротив клювообразных отводов двух магнитопроводящих колец КС в определенном положении. Наводимые магнитные поля через двух кольцевой приемник ДМ подводится к своему соответствующему датчику холла. И в этом состоянии магнитные поля, приводимые к датчикам холла одинаковы.
При деформации торсиона, вследствие приложения усилия к рулевому колесу, положение КМ относительно клювообразных отводов КС меняется, и на двух магнитопроводящих кольцах КС создается разность магнитного поля. Которое подводится с помощью двух колец ДМ к датчикам холла. С двух датчиков холла, с их выходов, получается дифференциальное напряжение, прямо пропорциональное деформации торсиона, и соответственно, усилию на рулевом колесе. Но иногда может потребоваться калибровка показаний датчиков, что предусмотрено.
Что можно увидеть на экране осциллографа?

КМ и КС расположены без смещения относительно друг друга:



Сигналы на выходах датчиков одинаковы:



Смещение в КМ относительно КС одну сторону:



Сигнал (один увеличивается, другой на столько же уменьшается):



Смещение в другу сторону:



Сигнал:



Плавно совмещаем КМ и КС:



В идеале, сигнал на выходе датчиков должен иметь такую характеристику:



Чрезмерно деформировать торсион, сломать его, не дают соответствующие пазы входного и выходного вала, находящиеся в определенном взаимном положении.
Иногда, “разводят”, или неправильно ставят диагноз некоторые «спецы», резко вращая рулевое колесо из стороны в сторону, на заглушенном автомобиле. При этом из рулевой колонки доносится отчетливый стук, который пытаются выдать за проявление неисправности. А на самом деле звук этот и издают пазы при соударении, так как компенсировать деформацию торсиона при неработающем двигателе некому (не работает двигатель – зачем тебе и электроусилитель руля). В “гаражах” иногда работают вполне грамотные и опытные люди, но чек и квитанция это дополнительный страховой полис, мало ли. Не экономьте на правильном диагнозе. То же самое происходит и в работе золотника (гидравлического распределителя) гидравлического усилителя руля.

Электромотор, три фазы, магнитный ротор имеет четыре полюса:





Выходной вал электромотора, проходит через датчик вращения:



Датчик вращения электромотора приподнят, видно эксцентрик на валу (часть вращающегося трансформатора):



Датчик вращения и положения оси электродвигателя усилителя рулевого управления,
называют его еще вращающимся трансформатором (далее ВТ), или ресольвером. В том месте, где расположен этот датчик, на оси электромотора имеется эксцентрик. Который при вращении, меняет расположение магнитного поля между полюсами трансформатора. Как взаимно расположены обмотки на полюсах, смотрите на рисунке далее (не указал фазировку, простите).
В данном случае, ВТ имеет три обмотки, на одну подается опорное синусоидальное напряжение, а с двух других снимается синусоидальное напряжение, пропорциональное углу поворота оси электромотора. Для примера, подаем напряжение синусоидальной формы на обмотку “возбуждения” со звуковой карты компьютера, а с двух других обмоток будем снимать показания осциллографом. Эксцентриком будет служить простой металлический винт. Думаю картинки красноречивы и комментировать каждую не имеет смысла. Но рассматривая экран осциллографа, надо проявлять немного фантазии, ибо смотрим два канала, а синхронизация только по одному. Иногда один луч кажется двоится.

С разобранным корпусом для наглядности;



Подаем сигнал:



При отсутствии эксцентрика внутри ВТ



на выходе нет сигналов:



Вставляем имитатор эксцентрика и начинаем его крутить, и смотрим сигналы:

























Не стал заморачиваться с анимацией, думаю и так понятно. Имея два таких сигнала, измеряя их амплитуду и фазу, можно с достаточной точностью и надежностью определять положение оси электродвигателя. Ну и для завершения, так примерно организованы входные и выходные цепи электронного блока усилителя руля (тестер и мои личные фантазии):



Все сигналы поступают для обработки в микроконтроллер на аналоговые входы. Выход TSY — напряжение питания датчиков холла. Магнитные датчики не так склонны к запотеванию и наличию грязи, как оптические, терпимы к высоким и низким температурам.

Но и лепить где попало неодимовые магниты в машине и дома, тоже не стоит. К тому же они могут привести к вреду здоровья при неправильном использовании.

Надеюсь не утомил.

С уважением, Астанин Сергей.

Готов к вопросам и комментариям тут.

Будем продолжать в таком духе и разбирать автоматические коробки передач и вариаторы тут :)?

Комментарии (28)

RSS свернуть / развернуть
Отличная статья! Жутко интересно!
+2
Хорошая статья и не менее интересный материал в познавательном плане.
Может я ошибаюсь, и меня можно поправить. Но по моему мнению для материала такого рода, было бы хорошо создать отдельный блог типа
” Как это работает ”!
Вот так бывает часто, проходишь мимо чего либо и даже не представляешь что там внутри.
0
Есть такой блог же.
+1
И действительно есть. Как это я так пропустил?
0
Будем продолжать в таком духе и разбирать автоматические коробки передач и вариаторы тут :)?
конечно!
спасибо за статью
0
Ага следующая будет коробка автомат на 12 передач с дафа?
0
Унес в автоэлектронику. Там это куда уместней. А статья отличная.
0
Статья интересная спасибо.
Странно у меня автомобиль 2012 года выпуска, а усилитель руля гидравлический. На газ 2705 2015 года выпуска также гидравлический усилитель руля. На обоих автомобилях усилитель руля не подключен к компьютеру двигателя. Там есть только сигнал отказа на приборной панели.
0
ктром читал твою статью про двигатель из генератора и подумалось, а как там руль вообще приделывают нынче
слышал про усилитель руля, а без понятия как он работает и ведь там должно быть большое усилие на валу даже при езде
и почему в двигатели 3 фазы вместо обычного коллекторного? 3х фазные же вроде для больших оборотов делают
0
Были и с коллекторными двигателями, но ресурс у них меньше. Очень опасны в автомобиле, кучи графита и меди (и масла) из за износа коллектора внутри электродвигателя. Владельцы автомобилей с HALDEXом не в восторге очень.
0
«3х фазные» бывают с вполне большим сопротивлением, чтоб отнести их к шаговикам
0
У осциллографа же есть функция снятия скриншота, зачем фоткать? Видно плохо и цвета линий перевраны.
0
  • avatar
  • Vga
  • 19 февраля 2016, 23:30
не всегда хватает кабелей, рук, свободного места:) учту на будущее :)
0
Для этого обычно не кабель нужен, а флешку воткнуть. Правда, это в риголах, насчет твоего не уверен — не вижу, есть ли порт для нее.
Хотя у риголов эта функция в такой жопе, что Ди тоже грешит фотографиями осцилла вместо нормальных скринов.
0
мне кажется, на всех осциллах такого класса данная функция имеется
0
Не на всех :( не работе такой ущербный.
0
Но и лепить где попало неодимовые магниты в машине и дома, тоже не стоит. К тому же они могут привести к вреду здоровья при неправильном использовании.
самое интересное для меня )
0
  • avatar
  • xar
  • 20 февраля 2016, 12:24
Похоже, задача ЭБУ ЭУР — не допустить превышения определенного усилия на руле, крутя мотор.
0
если есть интерес, то добавлю фотографии про другие бесколлекторные электродвигатели, электродвигатель вентилятора салона:

если присмотреться, видно сгоревший транзистор:

Что бы по быстрому снять поставить его убираем лишнее:


Электромотор вентилятора охлаждения двигателя, две фазы по моему:


Не выдерживает припой большого тока вокруг ног силовых транзисторов:

0
А какой мощности движки в этих вентиляторах?
0
Прямо нигде не указано, думаю ватт 100 и 300 соответсвенно. Ориентироваться на номинал предохранителей тоже не стоит.
0
Продолжайте. Немного сумбурно, но все понятно. Жду продолжения.
0
Отличная статья! Сохранил себе :)
0
Вопрос к автору: возможно ли управлять ЭУР по интерфейсу CAN, а не непосредственно с руля?
0
думаю, это коммерческая тайна производителя, никто не выкладывает подобное :)
0
В автомобилях оснащенным ассистентом парковки возможно, поищите есть взлом Jeep, как раз электроусилитель повернули там. В остальных приоритет за датчиком момента, по сути это правильно. Однако если сигнал как приведенный выше, это дает простор для рукоблудия. Давече для проверки правильности диагноза пришлось имитировать датчик момента на SX4. Схема простая: переменный резистор на 1 вход, и через вычитатель напряжения на ОУ на второй. Я переживал что из за неидеальности усилителя и номиналов не удастья удержать соотношение в допуске но напрасно
youtu.be/WoA4MJFJAu4
0
Здравствуйте коллега, приятно вас читать. Огромная работа по документированию и прорисовке схем и просто оформления, спасибо. Датчики момента на магнитном поле меня в уныние ввергают, что там и куда не разобрался, общая схема ясна но вот терминалогию приведенную вами не встречал, не подскажите где почитать?
0
Добрый день, можно сказать, что подбирал наугад, обычные книжки по электрическим приводам и моторам, да и можно читать workshop-ы на автомобили, которые есть в свободном доступе на автомобили.
0
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.