RU52538U1

RU52538U1 - ELECTRIC MOTOR ROTOR POSITION SENSOR, PREVIOUSLY FOR THE STEERING SYSTEM OF THE VEHICLE

Info

Publication number: RU52538U1
Application number: RU2005133105/22U
Authority: RU
Inventors: Алексей Сергеевич Кужненков; Алексей Юрьевич Тимофеев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Калужский завод электронных изделий" ОАО "Автоэлектроника"
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2006-03-27

Abstract

Полезная модель относится к электронному оборудованию бесконтактных трехфазных электродвигателей, используемых в системах рулевого управления автомобилем, и касается датчика положения ротора (ДПР), по сигналам которого бесконтактным коллектором формируется вращающееся магнитное поле статорных обмоток электродвигателя. ДПР содержит основание в виде фланца с круглым сквозным отверстием по центру, окаймленным по образующей с одной стороны буртиком, и с по меньшей мере двумя крепежными отверстиями. Имеется печатная плата в виде плоской шайбы с установленными на ней электронными компонентами схемы подключения к шинам питания и к соответствующим выходным контактным площадкам трех расположенных по дуге окружности элементов Холла. Элементы Холла расположены на печатной плате в одной общей зоне с интервалом 15 угловых градусов. Печатная плата посажена на буртик соосно с основанием и сориентирована так, что ее крепежные отверстия совпадают с крепежными отверстиями основания, а электронные компоненты и элементы Холла размещаются в локальных полостях, образованных выполненными в основании углублениями и плоскостью упомянутой печатной платы. Технический результат, достигаемый от использования полезной модели, состоит в упрощении конструкции ДПР и повышении комфортности управления автомобилем.The invention relates to the electronic equipment of non-contact three-phase electric motors used in car steering systems, and relates to a rotor position sensor (DPR), by the signals of which a rotating magnetic field of the stator motor windings is formed by a contactless collector. DPR contains a base in the form of a flange with a round through hole in the center, bordered along the shoulder forming on one side, and with at least two mounting holes. There is a printed circuit board in the form of a flat washer with electronic components mounted on it for connecting to the power buses and to the corresponding output contact pads of the three Hall elements located on an arc of a circle. Hall elements are located on a printed circuit board in one common zone with an interval of 15 angular degrees. The printed circuit board is seated on the shoulder coaxially with the base and is oriented so that its mounting holes coincide with the mounting holes of the base, and the electronic components and Hall elements are located in local cavities formed by the recesses and the plane of the printed circuit board made in the base. The technical result achieved by using the utility model is to simplify the design of the DPR and increase the comfort of driving.

Description

Полезная модель относится к электронному оборудованию бесконтактных трехфазных электродвигателей, используемых в системах рулевого управления автомобилем, и касается датчика положения ротора (ДПР), по сигналам которого бесконтактным коллектором формируется вращающееся магнитное поле статорных обмоток электродвигателя.The invention relates to the electronic equipment of non-contact three-phase electric motors used in car steering systems, and relates to a rotor position sensor (DPR), by the signals of which a rotating magnetic field of the stator motor windings is formed by a contactless collector.

Известен ДПР электродвигателя, содержащий расположенный на роторе аксиально намагниченный тороидальный магнит, примыкающие к его торцевым поверхностям магнитопроводы с секторными зубцами, а также закрепленную на статоре обойму с установленными по окружности тремя магниточувствительными элементами, в частности элементами Холла, отстоящими друг от друга на 120 угловых градусов (SU 1617553 А1, Н 02 К 29/08, 30.12.1990).Known DPR of an electric motor containing an axially magnetized toroidal magnet located on the rotor, magnetic circuits with sector teeth adjacent to its end surfaces, as well as a clip fixed to the stator with three magnetically sensitive elements mounted around the circumference, in particular Hall elements, 120 angular degrees apart from each other (SU 1617553 A1, H 02 K 29/08, 12/30/1990).

Недостаток известного ДПР определяется значительными отклонениями углового сдвига отдельных фаз от 120 электрических градусов, The disadvantage of the known DPR is determined by significant deviations of the angular shift of the individual phases from 120 electrical degrees,

обусловленными погрешностями в пространственном разнесении элементов Холла.due to errors in the spatial diversity of the Hall elements.

Для снижения отклонений фазного углового сдвига обычно в ДПР увеличивают количество постоянных магнитов, воздействующих на элементы Холла. Однако при этом возрастает требование к обеспечению высокоточной соосности обоймы с элементами Холла и диска, несущего постоянные магниты. При наличии даже незначительной несоосности линия окружности диска, на которой размещены постоянные магниты, оказывается приближенной к одному из элементов Холла и удаленной от двух других. Вследствие этого, при вращении выходного вала электродвигателя и соответственно диска с магнитами относительно неподвижного тороида ДПР сигнал, вырабатываемый одним элементом Холла, имеет большую амплитуду, чем сигналы, вырабатываемые двумя другими датчиками Холла. В результате при работе системы рулевого управления автомобилем на соответствующие входы контроллера поступают сигналы разных уровней, вызывающие в итоге нарушение фазовых соотношений в статорных обмотках и возникновение пульсаций момента на выходном валу электродвигателя.To reduce the deviations of the phase angular shift, the number of permanent magnets acting on the Hall elements is usually increased in the DPR. However, this increases the demand for ensuring high-precision alignment of the holder with the Hall elements and the disk carrying permanent magnets. If there is even a slight misalignment, the circle line of the disk on which the permanent magnets are placed is close to one of the Hall elements and remote from the other two. As a result of this, when the output shaft of the electric motor and, accordingly, the disk with magnets are rotated relative to the stationary DPR toroid, the signal generated by one Hall element has a larger amplitude than the signals generated by two other Hall sensors. As a result, during the operation of the car steering system, signals of different levels are received at the corresponding inputs of the controller, resulting in a violation of the phase relationships in the stator windings and the occurrence of pulsations of the moment on the output shaft of the electric motor.

С учетом изложенного получили распространение ДПР рассматриваемого типа, у которых элементы Холла отстоят друг от друга не на 120 угловых градусов, а на 40 (US 4763049 А, Н 02 К 29/08, 09.08.1988) и 30 (US 4730150 А, Н 02 К 29/08, 08.03.1988) угловых градусов. Подобные углы позволяют устанавливать все три элемента в одной общей зоне и снизить влияние несоосности обоймы с элементами Холла и диска, несущего постоянные магниты, поскольку нарушение соосности будет одинаково отражаться на увеличении или уменьшении уровней напряжений, вырабатываемых всеми элементами Холла.In view of the foregoing, DPRs of the type under consideration have spread, in which Hall elements are separated from each other not by 120 angular degrees, but by 40 (US 4763049 A, H 02 K 29/08, 08/09/1988) and 30 (US 4730150 A, H 02 K 29/08, 03/08/1988) angular degrees. Such angles make it possible to install all three elements in one common area and reduce the effect of misalignment of the cage with Hall elements and a disk carrying permanent magnets, since misalignment will equally affect the increase or decrease in the voltage levels generated by all Hall elements.

Наиболее близким к предложенному является ДПР, содержащий жестко закрепленный на выходном валу электродвигателя диск с равномерно Closest to the proposed one is the DPR, containing a disk with a uniformly fixed disk on the output shaft of the electric motor

расположенными на его плоскости по дуге окружности постоянными магнитами, тороид с прямоугольным поперечным сечением, неподвижно связанный с корпусом электродвигателя и установленный торцевой плоскостью параллельно плоскости упомянутого диска, в непосредственной близости от последнего и соосно с ним, а также смонтированную на крышке тороида печатную плату с электронными компонентами и тремя размещенными по дуге окружности элементами Холла, выходы которых подключены к управляющим входам контроллера, предназначенного для формирования трехфазного синусоидального напряжения для статорных обмоток электродвигателя (ЕР 0687054 А2, Н 02 К 29/08, 13.12.1995).permanent magnets located on its plane along an arc of a circle, a toroid with a rectangular cross section, fixedly connected to the motor housing and mounted with an end plane parallel to the plane of the aforementioned disk, in close proximity to and coaxial with the latter, as well as a printed circuit board mounted on the toroid cover with electronic components and three Hall elements placed along an arc of a circle, the outputs of which are connected to the control inputs of the controller designed for Three-phase sinusoidal voltage for stator windings of an electric motor (EP 0687054 A2, Н 02 К 29/08, 12/13/1995).

Известный ДПР электродвигателя имеет недостаток, состоящий в том, что он содержит вращающийся сигнальный диск с расположенными на нем постоянными магнитами. Наличие в датчике указанного вращающегося элемента усложняет конструкцию устройства и повышает трудоемкость его изготовления. Кроме того, эффективность снижения влияния несоосности платы с элементами Холла и диска, несущего постоянные магниты, представляется низкой из-за нечетко выраженного требования к пространственному разнесению элементов Холла. Это приводит к тому, что при возникновении даже незначительной несоосности амплитуды напряжений на выходах элементов Холла будут существенно отличаться друг от друга, что приведет к возникновению пульсаций вращающего момента на выходном валу электродвидвигателя, а в конечном счете к снижению комфортности рулевого управления автомобилем.Known DPR electric motor has the disadvantage that it contains a rotating signal disk with permanent magnets located on it. The presence of a specified rotating element in the sensor complicates the design of the device and increases the complexity of its manufacture. In addition, the efficiency of reducing the effect of misalignment of the board with the Hall elements and the disk carrying permanent magnets seems to be low due to the unclearly expressed requirement for the spatial separation of the Hall elements. This leads to the fact that even if there is even a slight misalignment, the voltage amplitudes at the outputs of the Hall elements will differ significantly from each other, which will lead to pulsations of the torque on the output shaft of the electric motor, and ultimately reduce the comfort of steering the car.

Заявляемая полезная модель направлена на упрощение конструкции датчика и повышению комфортности рулевого управления автомобилем.The inventive utility model is aimed at simplifying the design of the sensor and improving the comfort of steering the car.

Указанный технический результат достигается тем, что в ДПР, содержащем основание в форме тела вращения, смонтированную на основании печатную плату в виде плоской шайбы с установленными на ней электронными компонентами схемы подключения к шинам питания и к The specified technical result is achieved in that in a DPR containing a base in the form of a body of revolution, a printed circuit board mounted on the base in the form of a flat washer with electronic components mounted on it for connecting to power buses and to

соответствующим выходным контактным площадкам трех элементов Холла, расположенных на печатной плате по дуге окружности с возможностью восприятия магнитного поля от постоянных магнитов ротора с чередующимися полюсами, - основание выполнено в виде фланца с круглым сквозным отверстием по центру, окаймленным по образующей с одной стороны буртиком, и с по меньшей мере двумя крепежными отверстиями, а элементы Холла установлены на печатной плате в одной общей зоне с интервалом 15 угловых градусов, при этом печатная плата посажена на буртик соосно с основанием и сориентирована так, что ее крепежные отверстия совпадают с крепежными отверстиями основания, а электронные компоненты и элементы Холла размещаются в локальных полостях, образованных выполненными в основании углублениями и плоскостью упомянутой печатной платы.the corresponding output contact pads of the three Hall elements located on a printed circuit board along an arc of a circle with the possibility of perceiving a magnetic field from the permanent magnets of the rotor with alternating poles - the base is made in the form of a flange with a round through hole in the center, bordered by a shoulder forming on one side, and with at least two mounting holes, and the Hall elements are mounted on a printed circuit board in one common area with an interval of 15 angular degrees, while the printed circuit board is mounted on a flange but with the base and is oriented so that its fastening holes coincide with mounting holes of the base and the electronic components and the Hall elements are placed in local cavities formed by recesses made in the base and the plane of said printed circuit board.

Решению поставленной задачи способствует также то, что размещенные на печатной плате элементы Холла выполнены с линейными выходами.The task is also facilitated by the fact that the Hall elements placed on the printed circuit board are made with linear outputs.

На фиг.1 эскизно показана конструкция датчика положения ротора в разрезе. На фиг.2 представлено принятое размещение элементов Холла на печатной плате, а на фиг.3 и фиг.4 представлены соответственно пример крепления ДПР к корпусу электродвигателя (в упрощенном виде) и схема подключения элементов Холла к шинам питания ДПР.Figure 1 schematically shows the construction of the rotor position sensor in section. Figure 2 shows the accepted placement of Hall elements on a printed circuit board, and Fig. 3 and Fig. 4 respectively show an example of attaching the DPR to the motor housing (in a simplified form) and the connection diagram of the Hall elements to the DPR power buses.

Основание 1 (фиг.1, фиг.2) выполнено в виде фланца с круглым сквозным отверстием по центру, окаймленным по образующей с одной стороны буртиком. Печатная плата 2 выполнено в виде плоской шайбы с установленными на ней электронными компонентами 3, обеспечивающими подключение расположенных в одной общей зоне по дуге окружности с интервалом 15 угловых градусов трех элементов Холла 4 к шинам питания и к соответствующим выходным контактным площадкам (на фиг.1, фиг.2 не показаны). Локальные полости 5 образованы выполненными в основании 1 углублениями и плоскостью печатной платы 2. Крепежные отверстия 6 The base 1 (figure 1, figure 2) is made in the form of a flange with a round through hole in the center, bordered along the shoulder on the generatrix on one side. The printed circuit board 2 is made in the form of a flat washer with electronic components 3 installed on it, providing connection of three Hall elements 4 located in one common area along an arc of a circle with an interval of 15 angular degrees to the power buses and to the corresponding output contact pads (in Fig. 1, 2 are not shown). Local cavities 5 are formed by the recesses made in the base 1 and the plane of the printed circuit board 2. Fixing holes 6

основания 1 совмещены с крепежными отверстиями 7 печатной платы 2. Печатная плата 2 сориентирована таким образом, что установленные на ней электронные компоненты 3 и элементы Холла 4 оказываются помещенными в локальные полости 5.the base 1 is aligned with the mounting holes 7 of the printed circuit board 2. The printed circuit board 2 is oriented so that the electronic components 3 and Hall elements 4 installed on it are placed in local cavities 5.

ДПР 8 (фиг.3) прикрепляется неподвижно к корпусу 9 электродвигателя в непосредственной близости от торца его ротора 10 и таким образом, что выходной вал 11 электродвигателя проходит с зазором через выполненное по центру ДПР 8 отверстие. На роторе 10 имеются постоянные магниты 12, взаимодействующие со статорными обмотками статора 13.DPR 8 (Fig.3) is fixedly attached to the motor housing 9 in the immediate vicinity of the end face of its rotor 10 and so that the output shaft 11 of the motor passes with a gap through the hole made in the center of the DPR 8. On the rotor 10 there are permanent magnets 12 interacting with the stator windings of the stator 13.

Ток к элементам Холла 4 подводится через плюсовую шину 14 и минусовую шину 15 (фиг.4).The current to the elements of the Hall 4 is supplied through the positive bus 14 and the negative bus 15 (figure 4).

Принцип действия ДПР поясняется с помощью фиг.3 и состоит в следующем.The principle of the DPR is illustrated using figure 3 and consists in the following.

Благодаря тому, что ДПР 8 прикрепляется неподвижно к корпусу 9 электродвигателя в непосредственной близости от торца его ротора 10 и таким образом, что выходной вал 11 электродвигателя проходит с зазором через выполненное по центру ДПР отверстие, при вращении ротора 10 и выходного вала 11 электродвигателя в ту или иную сторону на элементы Холла 4 воздействует переменное магнитное поле, создаваемое движущимися по окружности постоянными магнитами 12 ротора 10. Так как полюса постоянных магнитов 12 ротора 10 чередуются в последовательности ...-N-S-N-S-... на линейных выходах трех элементов Холла 4 вырабатываются переменные синусоидальные напряжения, сдвинутые по фазе на 120 электрических градусов. Указанный фазовый сдвиг обеспечивается 16-тью постоянными магнитами 12 на роторе 10 и тремя элементами Холла 4, расположенными на печатной плате 2 в одной общей зоне по дуге окружности с интервалом 15 угловых градусов. Полученные переменные напряжения совместно с сигналами, вырабатываемыми датчиком момента и датчиком скорости (на фиг.3 не Due to the fact that the DPR 8 is fixedly attached to the motor housing 9 in the immediate vicinity of the end face of its rotor 10 and so that the output shaft 11 of the motor passes with a gap through the hole made in the center of the DPR, while the rotor 10 and the output shaft 11 of the motor rotate or the other side, the Hall elements 4 are affected by an alternating magnetic field created by the permanent magnets 12 of the rotor 10 moving around the circle. Since the poles of the permanent magnets 12 of the rotor 10 alternate in the sequence ...- NSNS -... at the linear outputs of the three elements of Hall 4, alternating sinusoidal voltages are generated, which are phase shifted by 120 electrical degrees. The specified phase shift is provided by 16 permanent magnets 12 on the rotor 10 and three Hall elements 4 located on the printed circuit board 2 in one common zone along a circular arc with an interval of 15 angular degrees. The obtained alternating voltages together with the signals generated by the torque sensor and the speed sensor (in Fig.3

показаны), используются в системе рулевого управления автомобилем в качестве сигналов, по которым контроллер (на фиг.3 не показан), осуществляет формирование трехфазного синусоидального напряжения питания статорных обмоток электродвигателя. По отношению к переменным напряжениям на выходах элементов Холла 4 контроллер можно считать широтно-импульсным усилителем, формирующим на каждом из своих выходов фазное напряжение с амплитудой и частотой, зависящей от амплитуды и частоты соответствующего входного сигнала. В результате воздействия указанного трехфазного напряжения питания на статорные обмотки в статоре 13 формируется вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с шестнадцатью постоянными магнитами 12 ротора 10, создает необходимый вращающий момент на выходном валу электродвигателя.shown) are used in the car steering system as signals by which the controller (not shown in FIG. 3) generates a three-phase sinusoidal supply voltage to the stator windings of the electric motor. In relation to the alternating voltages at the outputs of the Hall 4 elements, the controller can be considered a pulse-width amplifier, which forms a phase voltage at each of its outputs with an amplitude and frequency that depends on the amplitude and frequency of the corresponding input signal. As a result of the influence of the specified three-phase supply voltage on the stator windings, a rotating magnetic field is formed in the stator 13, which, interacting with sixteen permanent magnets 12 of the rotor 10, creates the necessary torque on the output shaft of the electric motor.

Если, например, при сборке соосность между выходным валом 11 электродвигателя и осью печатной платы 2 будет незначительно нарушена, то она для всех трех элементов Холла 4 практически одинаково отразится на увеличении или уменьшении уровней вырабатываемых ими напряжений. В результате несущественного изменения амплитуд напряжений, вырабатываемых элементами Холла 4, пульсации момента на выходном валу электродвигателя не возникают, что обусловливает повышение комфортности рулевого управления автомобилем.If, for example, during assembly, the alignment between the output shaft 11 of the motor and the axis of the printed circuit board 2 is slightly disturbed, then it will affect the increase or decrease in the levels of the stresses generated by them for all three Hall 4 elements. As a result of an insignificant change in the amplitudes of the stresses generated by the Hall 4 elements, torque pulsations do not occur on the output shaft of the electric motor, which leads to an increase in the comfort of steering the car.

Упрощение конструкции и повышение технологичности ДПР обусловлено тем, что в заявляемом техническом решении:The simplification of the design and improving the manufacturability of the DPR due to the fact that in the claimed technical solution:

- во-первых, в качестве сигнального элемента, воздействующего на элементы Холла 4, используются постоянные магниты 12 ротора 10 электродвигателя, позволяющие исключить из конструкции ДПР диск с постоянными магнитами;- firstly, as a signal element acting on the Hall elements 4, permanent magnets 12 of the rotor 10 of the electric motor are used, allowing to exclude the disk with permanent magnets from the design of the DPR;

- во-вторых, в качестве локальных полостей 5, предназначенных для размещения в них электронных компонентов и элементов Холла, в - secondly, as local cavities 5, designed to accommodate electronic components and Hall elements in them, in

основании 1 выполнены углубления, благодаря которым уменьшаются габариты и повышается технологичность сборки ДПР.the base 1 is made recesses, due to which the size is reduced and increases the manufacturability of the assembly of the DPR.

Для защиты элементов Холла 4 от напряжения обратной полярности в цепь плюсовой шины 14 питания ДПР включен переходом коллектор-эмиттер транзистор р-n-р проводимости, база которого соединена через ограничительный резистор с отрицательной шиной 15 питания.To protect Hall elements 4 from reverse polarity voltage, a positive conductivity collector-emitter junction transistor pnp is connected to the positive polarity bus terminal 14 of the supply circuit, the base of which is connected via a limiting resistor to the negative power bus 15.

Таким образом, выполнение основания в виде фланца с круглым отверстием по центру, окаймленным по образующей с одной стороны буртиком, и с по меньшей мере двумя крепежными отверстиями, расположение на печатной плате элементов Холла в одной общей зоне с интервалом 15 угловых градусов, а также посадка на буртик печатной платы соосно с основанием и с такой ориентацией, чтобы ее крепежные отверстия совпали с крепежными отверстиями основания, а электронные компоненты и элементы Холла разместились в полостях, образованных выполненными в основании углублениями и плоскостью печатной платы, выгодно отличает заявляемое устройство от прототипа, так как позволяет упростить конструкцию и уменьшить габариты датчика, снизить трудоемкость его изготовления, а также повысить комфортность рулевого управления автомобилем из-за малой чувствительности предложенного технического решения к несоосности между выходным валом электродвигателя и осью печатной платы.Thus, the base is made in the form of a flange with a round hole in the center, bordered by a shoulder forming on one side, and with at least two mounting holes, arrangement of Hall elements on the printed circuit board in one common zone with an interval of 15 angular degrees, as well as landing on the flange of the printed circuit board coaxially with the base and in such an orientation that its mounting holes coincide with the mounting holes of the base, and the electronic components and Hall elements are located in the cavities formed by the base and recesses and the plane of the printed circuit board, favorably distinguishes the claimed device from the prototype, as it allows to simplify the design and reduce the dimensions of the sensor, reduce the complexity of its manufacture, as well as increase the comfort of steering the car due to the low sensitivity of the proposed technical solution to misalignment between the output shaft of the electric motor and the axis of the circuit board.

Лабораторные и эксплуатационные испытания, проведенные ОАО «Автоэлектроника» и ОАО «АВТОВАЗ», показали приемлемость использования заявляемой полезной модели в качестве датчика положения ротора электродвигателя для системы рулевого управления автомобилями семейства ВАЗ-2110.Laboratory and operational tests conducted by Avtoelektronika OJSC and AVTOVAZ OJSC showed the acceptability of using the claimed utility model as a position sensor of an electric motor rotor for a steering system of a VAZ-2110 family of cars.

Claims

1. The position sensor of the rotor of the electric motor, mainly for a car steering system, comprising a base in the form of a body of revolution, mounted on the base of a printed circuit board in the form of a flat washer with electronic components mounted on it for connecting to the power buses and to the corresponding output contact pads of the three Hall elements located on a printed circuit board along an arc of a circle with the possibility of perception of the magnetic field from the permanent magnets of the rotor with alternating poles, characterized in then the base is made in the form of a flange with a round through hole in the center, bordered by a shoulder forming on one side, and with at least two mounting holes, and the Hall elements are mounted on a printed circuit board in one common area with an interval of 15 angular degrees, while the printed the board is seated on the shoulder coaxially with the base and is oriented so that its mounting holes coincide with the mounting holes of the base, and the electronic components and Hall elements are located in local cavities formed in warping the recesses and plane of said printed circuit board.

2. The sensor according to claim 1, characterized in that the Hall elements located on the printed circuit board are made with linear outputs.