Датчик положения ротора электродвигателя, преимущественно для системы рулевого управления автомобилем
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.
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.
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).
Недостаток известного ДПР определяется значительными отклонениями углового сдвига отдельных фаз от 120 электрических градусов,
обусловленными погрешностями в пространственном разнесении элементов Холла.
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.
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.
Наиболее близким к предложенному является ДПР, содержащий жестко закрепленный на выходном валу электродвигателя диск с равномерно
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).
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.
Заявляемая полезная модель направлена на упрощение конструкции датчика и повышению комфортности рулевого управления автомобилем.
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
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.
Решению поставленной задачи способствует также то, что размещенные на печатной плате элементы Холла выполнены с линейными выходами.
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.
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
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.
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.
Ток к элементам Холла 4 подводится через плюсовую шину 14 и минусовую шину 15 (фиг.4).
Принцип действия ДПР поясняется с помощью фиг.3 и состоит в следующем.
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
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.
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.
Упрощение конструкции и повышение технологичности ДПР обусловлено тем, что в заявляемом техническом решении:
- 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;
- во-вторых, в качестве локальных полостей 5, предназначенных для размещения в них электронных компонентов и элементов Холла, в
основании 1 выполнены углубления, благодаря которым уменьшаются габариты и повышается технологичность сборки ДПР.
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.
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.
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.
1. Датчик положения ротора электродвигателя, преимущественно для системы рулевого управления автомобилем, содержащий 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 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, отличающийся тем, что 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.
2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что размещенные на печатной плате элементы Холла выполнены с линейными выходами.
