SE520459C2 - Servostyrsystem med positionskalibrerande anordning för elektriska fordon - Google Patents

Description

520 459 98710-000110 Vid en annan tidigare känd typ av servostyrsystem styrs och övervakas läget hos hjulet eller hjulen av en vinkelgivare tillordnad servomotorn hos systemet. Detta kombineras med en kalibreringsanordning för identifiering av en referenspunkt vid uppstartning av systemet och möjliggörande av fortlöpande kontroller av kalibreringen av vinkelgivaren under fordonets drift. Denna kända anordning innefattar ett skivformigt element som är anordnat att vridas tillsammans med hjulet eller hjulen hos fordonet och som är försett med ett halvcirkulärt spår, samt två kontaktlösa digitala givare anordnade att avkänna spàrets ändar. En av givarna indikerar fortlöpande en referenspunkt som motsvarar rakt-fram-läget hos hjulet eller hjulen, under det att den andra givaren indikerar de tvà ändlägena hos det avsedda styrintervallet. En nackdel med denna anordning är behovet av tvä givare för att ästadkomma en korrekt information om de aktuella hjullägena vilket innebär tvà källor till möjliga funktionsfel.

I USA-patentet 4,567,467 beskrivs en positionsavkännings- anordning för styrhjulet pä ett fordon där fyra avkänningsorgan tillsammans med delcirkulära kammar pà en vridplatta används för att bestämma hjulets aktuella läge.

Detta är en mindre fördelaktig anordning med flera möjliga felkällor.

I Japanska patentet 58-97568 beskrivs en positions- bestämmande anordning för ett truckstyrsystem innehållande tvà mikro-brytare i samverkan med en kamkurva för bestämmande av styrintervallets ändlägen. Denna anordning innehåller alltså tvä ändlägesbrytare som inte aktiveras fortlöpande, vilket medför en begränsad driftsäkerhet.

I Japanska patentet 58-93670 beskrivs en anordning med en vinkelgivare för ett fordonsstyrsystem men där en lägeskalibrerande anordning saknas. 520 459 ~.-..- ,»; H 98710-000110 )' _ ;'f š Så ff? 3 i. gif.

De problem och nackdelar som diskuterats ovan i samband med tidigare kända styrsystem övervinns genom uppfinningen sàsom den definieras i patentkraven.

Ett första ändamål med uppfinningen är att ta fram ett förbättrat elektriskt servostyrsystem i vilket servodrivenheten innefattar en vinkelgivare för övervakning av styrrörelserna och i vilken är anordnad en positionskalibrerande anordning innefattande ett skivformat element för vridning tillsammans med fordonets styrbara hjul, samt en enkel digital givare anordnad att vid styrrörelsen fortlöpande indikera en referenspunkt pà det skivformade elementet som motsvarar rakt-fram-läget hos det styrbara hjulet eller hjulen. Detta innebär en ökad driftssäkerhet hos systemet.

Ytterligare ändamål och fördelar med uppfinningen beskrivs nedan med hänvisning till bifogade ritningar.

Ritningsförteckning: Fig 1 visar schematiskt ett tidigare känt servostyrsystem innefattande två ändlägesbrytare.

Fig 2 visar schematiskt ett annat tidigare känt servostyrsystem uppvisande en vinkelrelaterad vridenhet och tvà lägesgivare.

Fig 3 illustrerar i en perspektivvy ett servostyrsystem enligt uppfinningen.

Fig 4 visar ett skivformigt element och en positionsgivare enligt uppfinningen.

I det tidigare välkända och allmänt använda servostyrsystemet som nämns ovan och illustreras i Fig 1 och som är avsett för elektriska fordon, exempelvis gaffeltruckar, är en elektrisk servomotor ll drivförbunden med ett hjulvridande skivformat element 13 medelst en drivrem 12. Se Fig 1. Det skivformade elementet 13 är 520 459 98710~000110 anordnat att rotera tillsammans med fordonets styrbara hjul och är försett med ett aktiveringsfinger 16 avsett att samverka med två ändlägesbrytare 14, 15 för att stoppa styrrörelsen och därigenom förhindra styrning utanför ett förut bestämt styrintervall. Servomotorn 11 aktiveras i enlighet med en kommandosignal som levereras av en på avstånd placerad styrratt som hanteras av fordonets operatör, men där finns ingen säkerhetsanordning för att övervaka den aktuella styrvinkeln. För att emellertid undvika styrning utanför det förutbestämda styrintervallet aktiveras brytarna 14, 15 av fingret 16 för att därigenom stoppa servomotorn 11. Detta kan kombineras med ett mekaniskt stopp för att formbundet blockera ytterligare styrrörelse då ändlägena uppnåtts.

I det mer avancerade servostyrsystemet, som också nämns ovan och illustreras i Fig 2, är en servomotor 21 drivkopplad till ett roterande skivformigt element 23 via en drivrem 22 på samma sätt som i det tidigare beskrivna exemplet. I detta system är emellertid servomotorn 21 försedd med en vinkelgivare 28 för att möjliggöra en kontinuerlig övervakning av den aktuella vinkeln hos fordonets styrbara hjul. För att kalibrera vinkelgivaren 28 vid uppstartning av systemet och/eller fortlöpande under drift är det skivformiga elementet 23 försett ett halvcirkulärt spår 29 och två digitala givare 30, 31 är anordnade att känna av rakt-fram-läget liksom ändlägena hos styrintervallet genom avkänning av ändarna av spåret 29. En av givarna 30 är placerad så den känner av änden av spåret 29 i rakt-fram-läget hos fordonets styrbara hjul under det att den andra givaren 31 är placerad på 90 graders avstånd från den första givaren för att känna av de extrema ändlägena hos styrintervallet.

Eftersom rakt-fram-lägesgivaren 30 hos denna kända anordning aktiveras fortlöpande dä ju styrrörelserna ofta passerar rakt-fram-läget uppnås en kontinuerlig 520 459 98710-000110 _ funktionskontroll av denna givare. Ändlägesgivaren 31 aktiveras emellertid ganska sällan, vilket innebär att den kan vara ur funktion under ett visst tidsintervall utan att systemet informeras. Detta innebär i sin tur att en riskfylld överstyrning, dvs. styrrörelse bortom de förutbestämda ändlägena, kan göras. Utöver denna nackdel är det också sà att en andra givare för ändlägesindikering adderar ytterligare kablage och anslutningar, vilket innebär en ökad risk för funktionsstörningar hos systemet.

Till skillnad fràn de ovan beskrivna tidigare kända systemen innefattar servostyrsystemet enligt uppfinningen en förhöjd säkerhetsnivà genom att antalet felkällor reduceras. Servostyrsystemet enligt uppfinningen innehåller närmare bestämt en enkel lägesgivare enbart för systemkalibrerande ändamål liksom för avkänning av ändlägena.

I Fig 3 illustreras ett servostyrsystem enligt uppfinningen vilket är avsett för en elektrisk truck, exempelvis en gaffeltruck, och som vid sin ena ände uppvisar ett enkelt hjul 50 för uppbärande, drivning och styrning av trucken.

Hela trucken visas inte men hjulet 50 visas tillsammans med truckens framdrivningsmotor 51, truckens bromsmekanism 52 och servostyrsystemet enligt uppfinningen.

Krafttransmissionen mellan motorn 51 och hjulet 50 saknar betydelse för uppfinningen och beskrivs därför inte. Ett elektriskt fordon som den ovan beskrivna trucken har också ett driftstyrsystem (icke visat) genom vilket framdrivningsmotorn 51 drivs i förhållande till operatörskommandon liksom till säkerhetsrestriktioner avseende den aktuella lastnivàn, lastens lyfthöjd etc.

Servostyrsystemet är utformat integrerat med drivhjulsenheten och innefattar ett skivformigt element 55 som bildar ett stödorgan för drivmotorn 51 och som är vridbart tillsammans med hjulet 50 kring en axel X vid 520 459 98710-000110 styrrörelser. Servostyrsystemet innefattar en elektrisk servomotor 56 med en drivaxel 57, en programmerbar styrenhet 58 samt det skivformiga elementet 55. Det senare är utformat som ett kugghjul som är anslutet till motorns axel 57 via en drivrem 60.

Styrenheten 58 som är fastmonterad på motorn 56 innefattar ett kraftsteg för tillförsel av drivkraft till servomotorn 56 samt en microprocessor för styrning av servomotorns drift i förhållande både till kommandosignaler mottagna från den opertörsstyrda ratten eller styrspaken och till såkerhetsparametervärden inprogrammerade i microprocessorn.

I detta exempel är servomotorn 56 av typen borstlös synkronmotor uppvisande en permanentmagnetrotor och en rotorlägesgivare i form av en vinkelgivare (icke visad).

Denna inbyggda vinkelgivare gör det möjligt att rotera motorns rotor liksom det styrbara hjulet 50 i önskade vinklar inom ett visst förutbestämt såkerhetsintervall.

Avgörande förhållanden för drivning av styrsystemet inom de specifika säkerhetsgränser som programmerats in i styrenheten är en korrekt identifikation av rakt-fram-läget hos hjulet 50 och en därpå följande kalibrering av styrenheten 58. Ett annat förhållande är att uppnå säkra och korrekta indikationer av det tillåtna styrintervallets ändlägen.

För att åstadkomma en säker och korrekt indikation av rakt- fram-läget hos hjulet 50 är det skivformiga elementet 55 försett med öppna partier i form av delcirkulära spår 64, 67, 70, samt en fast givare 61 för avkänning av närvaron eller frånvaron av spåren mittför givaren och för avgivande av digitala signaler i förhållande därtill. Spåren 64, 67, 70 har olika längd men är placerade på samma radie Z från vridningsaxeln X. 520 459 98710-000110 Som visas i Fig 4 uppvisar det slitsade skivformiga elementet 55 periferiellt sig sträckande öppna partier och slutna partier för samverkan med givaren 61 i beroende av den aktuella positionen hos det skivformiga elementet 55 och hjulet 50. På det skivformiga elementet 55 finns en referenspunkt Y som motsvarar rakt-fram-läget hos hjulet 50. Denna referenspunkt Y definieras av den ena änden hos ett första öppet parti 64 som i detta exempel sträcker sig över ett vinkelintervall pà 100 grader. I den motsatta riktningen finns ett första slutet eller oslitsat parti 65 hos det skivformiga elementet 55 vilket sträcker sig från referenspunkten Y över ungefär 100 grader. Ãndarna hos dessa tvà partier 64, 65 definierar ändlägena A, B hos det maximala styrintervallet.

Vid änden av det första öppna partiet 64, dvs. ändläget A hos styrintervallet, finns ett andra slutet parti 66 som i detta exempel sträcker sig över en vinkel av 12 grader.

Detta innebär att detta andra slutna parti sträcker sig till en punkt C som är belägen 12 grader bortom ändläget A.

Vid änden av det första slutna partiet 65, dvs. ändläget B hos styrintervallet, finns ett andra öppet parti 67 som sträcker sig över en vinkel av 12 grader. Detta andra öppna parti 67 sträcker sig sålunda till en punkt D som är placerad 12 grader bortom ändläget B.

Ett tredje öppet parti 70 sträcker sig över åtminstone 20 grader fràn ändpunkten C hos det andra slutna partiet 66 till en punkt E. Detta lämnar ett tredje slutet parti 71 som sträcker sig mellan ändpunkten D hos det andra öppna partiet 67 och ändpunkten E hos det tredje öppna partiet 70.

I Fig 4 illustreras de tvà motsatta rotationsriktningarna för det skivformiga elementet 55 vid styrning av fordonet i olika riktningar med pilar L för vänstersväng och R för 520 459 98710-000110 högersväng. Vid svängning till höger, dvs. rotation av det skivformiga elementet 55 i riktning av pilen R, kommer det först öppna partiet 64 att passera givaren 61 och fä denna att producera en signal med negativt tecken vilket beror pà samverkan mellan givaren 61 och det öppna partiet 64. Vid fortsatt aktivering av styrsystemet för svängning av fordonet ytterligare till höger, dvs. fortsatt vridning av det skivformiga elementet 55 i riktningen hos pilen R, kommer ändläget A att nà givaren 61. Givarsignalen kommer då att ändras till att fà positivt tecken eftersom det slutna partiet 66 kommer in mittför givaren 61. Detta blir fallet under fortsatt högerrotation av det skivformiga elementet 55 över det andra slutna partiet 66.

Vid ytterligare fortsatt rotation av det skivformiga elementet 55 i högerriktning kommer ändpunkten E hos det tredje öppna partiet 70 att hamna mittför givaren 61, varvid pà nytt en signal med positivt tecken kommer att avges.

När styrsystemet istället aktiveras i den motsatta riktningen, startande fràn referenspunkten Y, kommer det slutna partiet 65 hos det skivformiga elementet 55 att hamna mittför givaren 61 och därigenom fà den senare att avge en signal med positivt tecken. Dà man när det vänstra ändläget B börjar givaren 61 att avge en signal med negativt tecken eftersom det öppna partiet 67 hamnar mittför givaren 61. När det andra öppna partiet 67 har passerat givaren 61 ändrar givarsignalen sitt tecken tillbaks till positivt. Detta pàgàr så länge det tredje slutna partiet 71 befinner sig mittför givaren 61, dvs. tills mötespunkten E mellan det slutna partiet 71 och det tredje öppna partiet 70 nàs.

Det ovan beskrivna mönstret av öppna och slutna partier hos det skivformiga elementet 55 gör det möjligt för styrenheten att med hjälp av en enkel givare upptäcka och 520 459 §fl=iff= 98710-000110 identifiera rakt-fram-läget hos hjulet liksom ändlägena hos det förutbestämda styrintervallet. Detta innebär inte enbart en förenkling av servostyrsystemet i sig utan innebär en väsentlig reduktion av de möjliga felkällor som kan förorsaka funktionsstörningar hos systemet.

När systemet startas upp initieras en kalibreringscykel för att kalibrera de signaler som levereras av vinkelgivaren hos motorn 56. Detta utförs antingen automatiskt med en kalibreringscykelkretslopp inprogrammerat i styrenhetens 58 microprocessor eller genom ett manuell testförlopp ufört av operatören. Under denna testcykel roteras servomotorn 56 över ett visst vinkelintervall, varvid givaren 61 kan avkänna mönstret hos de slutna och öppna partierna hos det skivformiga elementet 55. Den information som fàs under denna avkänningsoperation används för att identifiera referenspunkten Y och därmed också rakt-fram-läget hos hjulet 50. Kalibreringscykeln utförs med drivmotorn 51 och hjulet 50 lästa av bromsmekanismen 52.

Ett fördelaktig sätt att åstadkomma en kalibrering av systemet i relation till referenspunkten Y är att rotera hjulenheten 50 över ett vinkelintervall av ca. 20 grader i båda riktningarna, varvid mönstret hos de öppna och slutna partierna hos det skivformiga elementet 55 kommer att aktivera givaren 61 pà ett visst sätt.

Om hjulet 50 och det skivformiga elementet 55 befinner sig i det läget som illustreras i Fig 4, kommer en högersväng av hjulet 50, dvs. enligt pilen R, att få givaren 61 att sammanfalla med det öppna partiet 64 och avge en negativ signal hela vägen fram till punkten A. Detta är ok. En vänstersväng hos hjulet 50 med början fràn den ursprungliga positionen i vilken givaren 61 stàr mittför referenspunkten Y, sàsom illustreras i Fig 4, får givaren 61 att sammanfalla med det slutna partiet 65 och därigenom att producera en positiv signal hela vägen fram till punkten B. 520 459 98710-000110 10 Detta är också ok. Styrenheten kan nu avgöra att övergàngspunkten mellan det öppna partiet 64 och det slutna partiet 65 i själva verket är referenspunkten Y vilken motsvarar rakt-fram-läget hos hjulet 50.

Skulle emellertid hjulet 50 befinna sig i det läge där givaren 61 befinner sig mittför punkten C när kalibreringsproceduren startar skulle en högersväng överstigande 20 grader fà givaren 61 att producera en negativ signal fram till punkten E vilket är mer än 20 grader och skulle vara ok. En vänstersväng à andra sidan som startar med att givaren 61 befinner sig mittför punkten C skulle få givaren 61 att producera en positiv signal fram till punkten A och sedan ändra till negativ signal när den kommer mittför det öppna partiet 64. Eftersom den positiva signalen avges under rotation över ett vinkelintervall som är väsentligen mindre än 20 grader kommer en ok-signal inte att avges.

Med början av kalibreringsproceduren från en position där givaren 61 ligger mittför punkten A skulle en högersväng över 20 grader fä givaren att avge en positiv signal under ungefär 12 grader dvs. fram till punkten C och sedan ändra till negativ signal. Detta skulle inte vara ok.

En kalibreringsprocedur som startar i punkten E skulle resultera i en positiv signal frän givaren 61 över 20 graders vridning i högersväng hos hjulet 50 vilket inte skulle vara ok. En vänstersväng skulle resultera i en negativ signal hela vägen fram till punkten C vilket inte heller skulle vara ok. Styrenheten är nu i stånd att fastställa att referenspunkten Y och hjulpositionen rakt fram befinner sig diametralt motsatt punkten E.

Eftersom referenspunkten Y under drift av trucken passerar givaren 61 ofta under normal drift av styrsystemet är det möjligt att få en fortlöpande kontroll av motorgivarens 520 459 98710-000110 . 11 kalibrering. Den återkommande aktiveringen av givaren 61 är fördelaktig också genom att funktionen hos givaren 61 självt blir fortlöpande kontrollerad. Detta innebär i sin tur att det finns en bra säkerhet mot felfunktion hos indikeringen för de viktiga ändlägena vilka detekteras med samma givare 61 såsom beskrivs ovan. Detta innebär en hög nivå av säkerhet mot riskfylld överstyrning av fordonet.

Motorns 56 rotationsgivare i kombination med microprocessorns styrning av systemfunktionen gör det också möjligt att inbegripa andra driftssäkerhetsfunktioner. I det beskrivna exemplet är den signal som motsvarar drivmotorns hastighet utvunnen från motordrivorganen hos styrenheten 58 och används för att anpassa det tillgängliga styrintervallet till fordonets hastighet på så sätt att en ökande fordonshastighet ger ett smalare tillgängligt styrintervall. Detta innebär en ökad säkerhet mot vältning av fordonet.

Styrenhetens microprocessor är också programmerad att ge "mjuka" ändlägesstopp, vilket innebär att styrrörelsen successivt saktas ner då ändläget hos styrintervallet närmar sig. Denna funktionsegenskap bidrar också till en säkrare hantering av fordonet.

De två viktigaste fördelarna hos uppfinningen i förhållande till tidigare känd teknik är sammantaget: I) en ökad säkerhet mot felfunktion hos de kalibrerande och ändlägesavkännande organen genom reducering av komplexiteten och införande av endast en givare, och II) en förbättrad funktionskontroll hos ändlägesavkänningsorganen genom att en enkel givare fortlöpande och frekvent aktiveras vid normal användning av servostyrsystemet vilket också förbättrar funktionssäkerheten hos hela systemet.

Det bör påpekas att vinkelutsträckningen hos de öppna och slutna partierna 64-67, 70 och 71 hos det skivformiga 520 459 98710-000110 . 12 elementet kan anpassas individuellt för att passa driftskaraktäristiken hos den aktuella typ av fordon. I det beskrivna exemplet uppvisar både det öppna partiet 64 och det slutna partiet 65 en utsträckning av 100 grader, men i andra exempel kan det tillgängliga styrintervallet pä 2 x 100 grader utsträckas eller ytterligare begränsas såsom bestäms av fordonets driftsegenskaper och säkerhetsbestämmelser. Detta innebär att längden hos det öppna partiet 64 liksom placeringen av det öppna partiet 67 kan förändras för att uppnå ett önskat och säkert styrintervall.

Det andra öppna partiet 67 liksom det andra slutna partiet 66, vilka är avsedda för identifikationsändamàl enbart, är illustrerade såsom uppvisande en längd eller en vinkelutsträckning pà 12 grader. Det bör emellertid observeras att detta är ett exempel som är lämpligt för att uppnà en säkerhetsindikation av att ändlägena har passerats. Längden hos dessa partier kan mycket väl variera inom ett intervall av 5-20 grader.

Claims (6)

520 459 13 Patentkrav

1. Servostyrsystem för ett fordon uppvisande minst ett styrbart hjul (50) vridbart inom ett förutbestämt styrintervall (A~Y-B) definierat av ett först ândläge (A), ett rakt-fram-läge (Y) och ett andra ändläge (B), innefattande en servomotor (56) för vridning av hjulet (50) inom styrintervallet (A-Y-B), hjullàgesrelaterad styrenhet (58), och en hjulläges-identifierande anordning (55,6l) för avgivande av kalibrerings-signaler till styrenheten (58) då det styrbara hjulet (50) befinner sig i endera av det första ändläget (A), rakt-fram-läget (Y) eller det andra ändläget (Y), varvid den hjullägesidentifierande anordningen (55,6l) innefattar ett skivformigt element (55) som är roterbart tillsammans med det styrbara hjulet (50) omkring en central axel (X) och som uppvisar ett mönster av öppna partier (64,67,70) och slutna partier (65,66,7l) samt ett stationärt avkänningsorgan (61) anordnat att avge signaler till styrenheten (58) vid samverkan med nämnda öppna och slutna partier (64,67,70 resp. 65,66,7l) vid vridning av det skivformiga elementet (55), k ä n n e t e c k n a t av att nämnda öppna partier (64,67,70) utgörs av öppningar i det skivformiga elementet (55) placerade pà en gemensam radie (Z) från den centrala axeln (X) och nämnda slutna partier (65,66,7l) utgörs av de partier av det skivformiga elementet (55) som är belägna mellan och pä samma radie som nämnda öppna partier (64,67,70), och att det stationära avkänningsorganet (61) utgörs av en enkel givare (61) placerad pà nämnda gemensamma radie (Z), varvid en första öppning (64) definierar med sin ena ände rakt- fram-läget (Y) och med sin andra ände det första àndläge (A) , 520 459 14 ett första slutet parti (65) sträckande sig från rakt-fram- läget (Y) till det andra ändläget (B), en andra öppning (67) sträckande sig frän det andra ändláget (B) till ett läge (D) vilket är beläget mindre än 10 grader bortom det andra ändläget (B), ett andra slutet parti (66) sträckande sig fràn det första àndlàget (A) till ett läge (C) beläget mindre än 10 grader bortom det första ändläget (A), en tredje öppning (70) sträckande sig över minst 20 grader fràn nämnda andra slutna parti (66), och ett tredje slutet parti (71) sträckande sig över minst 20 grader frán nämnda andra öppning (67).

2. Servostyrsystem enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda öppningar (64,67,70) bestär av delcirkulära spår som genombryter det skivformiga elementet (55).

3. Servostyrsystem enligt kravet 2, k à n n e t e c k n a t av att nämnda första öppning (64) liksom nämnda första slutna parti (65) sträcker sig över ett vinkelintervall på 100 grader vardera.

4. Servostyrsystem enligt nägot av kraven 1-3, k á n n e t e c k n a t av att nämnda givare (61) är av induktiv typ.

5. Servostyrsystem enligt något av kraven 1-4, k ä n n e t e c k n a t av att servomotorn (56) är förbunden med det styrbara hjulet (50) via en drivanordning (57,60,55), och att det skivformiga elementet (55) innefattar ett kugghjul vilket ingår i nämnda drivanordning (57,60,55).

6. Servostyrsystem enligt nágot av kraven 1-4, 520 459 15 k ä n n e t e c k n a t av att servomotorn (56) innefattar en vinkelgivare, och att styrenheten (58) uppvisar vinkelavkännande organ förbundna med nämnda vinkelgivare och anordnade att bestämma det aktuella hjulvinkelläget i förhållande till något av de identifierade första och andra ändlägena (A,B) eller rakt-fram-läget (Y).