устройство для управления электродвигателем электромеханического усилителя рулевого управления

Формула изобретения

1. Устройство для управления электродвигателем электромеханического усилителя рулевого управления, содержащее последовательно включенные микропроцессорный блок управления инвертором, входы которого через узлы сопряжения соединены с выводами устройства, предназначенными для подсоединения к датчику положения ротора электродвигателя, датчику скорости, датчику момента, тахометру, и силовой инвертор постоянного напряжения в трехфазное переменное, выходы которого подключены к выводам устройства, предназначенным для подсоединения к обмоткам трехфазного синхронного электродвигателя, а также блок управления питанием инвертора от аккумуляторной батареи, резистивный датчик тока в цепи питания инвертора, блок определения тока инвертора, вход которого подключен к выходу датчика тока, а выход соединен непосредственно с сигнальным входом микропроцессорного блока управления инвертором, термодатчик, выполненный в виде терморезистора и подключенный к защитному входу микропроцессорного блока управления инвертором, при этом указанные составные узлы и блоки размещены в снабженном крышкой корпусе, устанавливаемом в энергосиловом отсеке автомобиля, отличающееся тем, что составные узлы и блоки устройства расположены на 4-слойной печатной плате, разграниченной линиями поверхностного монтажа и селективной пайки и зафиксированной внутри корпуса с помощью размещенных по ее периметру винтов, причем на одной стороне печатной платы, обращенной к корпусу, расположены подверженные нагреву датчик тока, термодатчик инвертора и силовой транзисторный модуль, представляющий собой размещенную в общем корпусе сборку выходных транзисторов инвертора, кристаллы которых распаяны на керамическое теплопроводящее основание с возможностью беззазорного приближения данного модуля к корпусу устройства, все подверженные нагреву элементы залиты теплопроводным компаундом с обеспечением равномерного и эффективного отвода тепла, дополнительной фиксации печатной платы в корпусе и исключения ее деформации, а также предохранения силовой части устройства от внешних агрессивных воздействий, например, в виде соли, влаги, масла или бензина, на другой стороне печатной платы, обращенной к крышке, расположены остальные элементы инвертора, микропроцессорный блок управления инвертором, узлы сопряжения, блок управления питанием инвертора, блок определения тока инвертора, а также четыре разъема, два из которых, установленные с одного края печатной платы, предназначены для подачи питания от аккумуляторной батареи и для подключения к узлам сопряжения выходов датчика скорости и тахометра, а другие два, установленные с противоположного края печатной платы, - для снятия трехфазного напряжения с инвертора на электродвигатель и для подключения к узлам сопряжения сигнальных и питающих цепей датчика момента и датчика положения ротора электродвигателя, сильноточные проводники устройства выполнены в виде послойных дорожек печатной платы, контактирующих по теплу с обволакивающим теплопроводным компаундом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус и крышка выполнены с прямоугольным поперечным сечением и имеют на одной из боковых граней примыкающие друг к другу выступы, предназначенные для установки устройства на рулевой колонке, при этом к внешней поверхности корпуса прикреплена крепежная скоба, а к внешней поверхности крышки - этикетка.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электромеханическим системам транспортных средств и предназначено для использования в рулевом управлении с целью снижения усилия на руле, например при маневрах на малых скоростях и повороте колес неподвижного автомобиля.

Известны управляющие устройства для электромеханического усилителя рулевого управления, содержащие корпус с крышкой, а также закрепленные внутри корпуса элементы контроля и управления и выходной трехфазный инвертор (JP 2005-247078, B62D 5/04, 15.09.2005; US 6266591 B1, B62D 5/04, 24.07.2001).

Недостатки известных устройств связаны с громоздкостью исполнения и возможными рабочими перегревами из-за отсутствия тепловой защиты, в частности, силовых транзисторов инвертора. Это предопределяет неудобство эксплуатации и низкую надежность их работы.

Наиболее близким к предложенному является устройство для управления электродвигателем электромеханического усилителя рулевого управления, выполненное с использованием микропроцессорного блока управления (микроконтроллера), воспринимающего сигналы от датчика положения ротора, датчика скорости, датчика момента и тахометра, и имеющее в качестве выходного силового узла трехфазный инвертор, при этом составные узлы и блоки размещены в снабженном крышкой корпусе, устанавливаемом в энергосиловом отсеке автомобиля (RU 36805 U1, B62D 5/04, 27.03.2004).

Однако указанное устройство также характеризуется значительными массой и габаритами и недостаточно надежно в работе вследствие неоптимальной общей компоновки, усложненной конструкции печатной платы и неэффективного отвода рассеиваемого на ней тепла.

Задачей изобретения является улучшение массогабаритных показателей и повышение эксплуатационной надежности работы подобного управляющего устройства с обеспечением технического результата, выражающегося в обеспечении повышенного удобства управления автомобилем.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для управления электродвигателем электромеханического усилителя рулевого управления, содержащем последовательно включенные микропроцессорный блок управления инвертором, входы которого через узлы сопряжения соединены с выводами устройства, предназначенными для подсоединения к датчику положения ротора электродвигателя, датчику скорости, датчику момента, тахометру, и силовой инвертор постоянного напряжения в трехфазное переменное, выходы которого подключены к выводам устройства, предназначенным для подсоединения к обмоткам трехфазного синхронного электродвигателя, а также блок управления питанием инвертора от аккумуляторной батареи, резистивный датчик тока в цепи питания инвертора, блок определения тока инвертора, вход которого подключен к выходу датчика тока, а выход соединен непосредственно с сигнальным входом микропроцессорного блока управления инвертором, термодатчик, выполненный в виде терморезистора и подключенный к защитному входу микропроцессорного блока управления инвертором, при этом указанные составные узлы и блоки размещены в снабженном крышкой корпусе, устанавливаемом в энергосиловом отсеке автомобиля, составные узлы и блоки устройства расположены на 4-слойной печатной плате, разграниченной линиями поверхностного монтажа и селективной пайки и зафиксированной внутри корпуса с помощью размещенных по ее периметру винтов, причем на одной стороне печатной платы, обращенной к корпусу, расположены подверженные нагреву датчик тока, термодатчик и силовой транзисторный модуль, представляющий собой размещенную в общем корпусе сборку выходных транзисторов инвертора, кристаллы которых распаяны на керамическое теплопроводящее основание с возможностью беззазорного приближения данного модуля к корпусу устройства, все подверженные нагреву элементы залиты теплопроводным компаундом с обеспечением равномерного и эффективного отвода тепла, дополнительной фиксации печатной платы в корпусе и исключения ее деформации, а также предохранения силовой части устройства от внешних агрессивных воздействий, например в виде соли, влаги, масла или бензина, на другой стороне печатной платы, обращенной к крышке, расположены остальные элементы инвертора, микропроцессорный блок управления инвертором, узлы сопряжения, блок управления питанием инвертора, блок определения тока инвертора, а также четыре разъема, два из которых, установленные с одного края печатной платы, предназначены для подачи питания от аккумуляторной батареи и для подключения к узлам сопряжения выходов датчика скорости и тахометра, а другие два, установленные с противоположного края печатной платы, - для снятия трехфазного напряжения с инвертора на электродвигатель и для подключения к узлам сопряжения сигнальных и питающих цепей датчика момента и датчика положения ротора электродвигателя, сильноточные проводники устройства выполнены в виде послойных дорожек печатной платы, контактирующих по теплу с обволакивающим теплопроводным компаундом.

Решению поставленной задачи способствует также то, что корпус и крышка выполнены с прямоугольным поперечным сечением и имеют на одной из боковых граней примыкающие друг к другу выступы, предназначенные для установки устройства на рулевой колонке, при этом к внешней поверхности корпуса прикреплена крепежная скоба, а к внешней поверхности крышки - этикетка и уголок.

На фиг.1, 4 представлены примеры выполнения функциональной схемы предложенного устройства, а на фиг.2, 3 показано устройство в сборе и его общий конструктивный вид.

Устройство содержит выполненный по мостовой схеме силовой инвертор 1 (фиг.1) постоянного напряжения в трехфазное переменное, датчик 2 тока в цепи питания инвертора, выполненный в виде резистора, блок 3 управления питанием инвертора от аккумуляторной батареи, микропроцессорный блок 4 управления инвертором (микроконтроллер), например типа TMS320LF2402A, блок 5 определения тока инвертора, узлы сопряжения 6-9 и термодатчик инвертора (на фиг.1 не показан), выполненный в виде терморезистора. На схеме показан также управляемый трехфазный синхронный электродвигатель 10 с обмотками, включенными по схеме «звезда», и с возбуждением от постоянных магнитов.

Микропроцессорный блок 4 управления инвертором и инвертор 1 включены последовательно. Входы микропроцессорного блока 4 управления инвертором через узлы 6-9 сопряжения подсоединены к датчику положения ротора электродвигателя, датчику скорости, датчику момента, тахометру. Предусмотрены также не показанные на схеме функциональные связи входов блока 4 с диагностическим каналом обмена данными и технологическими цепями внутреннего производственного пользования. Выходы инвертора 1 подсоединены к обмоткам электродвигателя 10. Вход блока 5 определения тока инвертора подключен к выходу датчика 2 тока, а выход соединен непосредственно с сигнальным входом микропроцессорного блока 4 управления инвертором. Термодатчик инвертора подключен к защитному входу микропроцессорного блока 4 управления инвертором.

Указанные составные узлы и блоки устройства размещены в снабженном крышкой 11 (фиг.2) корпусе 12, устанавливаемом в энергосиловом отсеке автомобиля, и расположены на 4-слойной печатной плате 13 (фиг.3), разграниченной линиями поверхностного монтажа и селективной пайки (не показаны) и зафиксированной внутри корпуса с помощью размещенных по ее периметру винтов 14 с шайбами.

На одной стороне печатной платы 13, обращенной к корпусу 12, расположены подверженные нагреву датчик 2 тока (на фиг.3 не показан), термодатчик инвертора и силовой транзисторный модуль 15, представляющий собой размещенную в общем корпусе сборку выходных транзисторов инвертора 1, кристаллы которых распаяны на керамическое теплопроводящее основание с возможностью беззазорного приближения данного модуля к корпусу 12 устройства. Все подверженные нагреву элементы залиты теплопроводным компаундом 16 (условно показанным в виде пластины) с обеспечением равномерного и эффективного отвода тепла, дополнительной фиксации печатной платы 13 в корпусе 12 и исключения ее деформации, а также предохранения силовой части устройства от внешних агрессивных воздействий, например в виде соли, влаги, масла или бензина.

На другой стороне печатной платы 13, обращенной к крышке 11, расположены остальные элементы инвертора 1, микропроцессорный блок 4 управления инвертором, узлы 6-9 сопряжения, блок 3 управления питанием инвертора, блок 5 определения тока инвертора, а также четыре разъема 17-20. Разъемы 17 и 18, установленные с одного края печатной платы 13, предназначены для подачи питания от аккумуляторной батареи и для подключения к узлам 6 и 9 сопряжения выходов датчика скорости и тахометра. Разъемы 19 и 20, установленные с противоположного края печатной платы 13, предназначены для снятия трехфазного напряжения с инвертора 1 на электродвигатель 10 и для подключения к узлам 8 и 6 сопряжения сигнальных и питающих цепей датчика момента и датчика положения ротора электродвигателя. Сильноточные проводники устройства выполнены в виде послойных дорожек (не показаны) печатной платы 13, контактирующих по теплу с обволакивающим теплопроводным компаундом 16.

Корпус 12 и крышка 11 выполнены с прямоугольным поперечным сечением и имеют на одной из боковых граней примыкающие друг к другу выступы, предназначенные для обеспечения возможности установки устройства на рулевой колонке. Отклонение формы корпуса 12 и крышки 11 от прямоугольной обусловлено требованиями пассивной безопасности (исключения травм при изготовлении и установке устройства на рулевую колонку), а также удобства монтажа в энергосиловом отсеке автомобиля. К внешней поверхности корпуса 12 прикреплена крепежная скоба 21, к внешней стороне крышки 11 - этикетка 22 и уголок 23, а в торец корпуса 12 ввинчиваются заглушки 24.

Указанные крепежная скоба 21, уголок 23 и заглушки 24 используются или не используются в конструкции заявляемого устройства в зависимости от особенностей его крепления в составе какой-либо конкретной модификации электромеханического усилителя рулевого управления.

Работает устройство следующим образом.

При включении питания блок 4 управления инвертором тестирует внутренние ресурсы и параметры внешних сигналов от датчиков режимных параметров, поступающие через узлы 6-9 сопряжения, которые выполняют функции согласования и нормализации сигналов. Далее блок 4 анализирует сигнал от датчика момента. При приложении водителем усилия к рулевому колесу возникает разность моментов между входным и выходным валами электродвигателя 10, соединенными через торсион. Эта разность моментов приводит к изгибу торсиона и появлению сигнала от датчика момента. Блок 4, учитывая информационные сигналы автомобиля (от замка зажигания, датчика скорости автомобиля, от тахометра и т.п.), а также сигналы состояния электродвигателя 10 (например, от датчика положения его ротора), под воздействием сигнала с выхода датчика момента формирует соответствующие управляющие сигналы для инвертора 1. В результате на выходах инвертора 1 вырабатывается необходимое трехфазное напряжение и электродвигатель 10 поворачивает выходной вал (колеса) в ту же сторону, что и водитель - рулевое колесо. Совпадение положений входного и выходного валов приводит к исчезновению сигнала на выходе датчика момента и устройство опять переходит в режим ожидания.

Для улучшения динамических характеристик в алгоритме функционирования блока 4 управления инвертором предусмотрено использование информации от блока 5 определения тока двигателя, а также информации, содержащейся в сигналах датчиков режимных параметров и их производных по времени.

Кроме того, в указанном алгоритме предусмотрен анализ информации от датчика скорости с учетом информации от тахометра. Это позволяет существенно повысить достоверность результатов диагностирования датчика скорости. Например, если датчик скорости вырабатывает сигнал, соответствующий 0 км/ч (либо автомобиль стоит, либо обрыв цепи), а обороты двигателя изменяются в течение заданного в алгоритме времени, то диагностируется обрыв цепи датчика скорости. При этом загорается лампа «отказ» и инвертор обесточивается.

Датчик 2 тока и блок 5 определения тока двигателя обеспечивают выявление аварийных ситуаций, таких как к.з., перегрузка по току и т.п.

Термодатчик инвертора, введенный в канал обратной связи устройства по теплу, контролирует температуру во внутреннем пространстве корпуса 12 и совместно с блоком 4 управления инвертором обеспечивает защиту устройства от перегрева.

При срабатывании токовой или тепловой защиты, реализуемой блоком 4 управления инвертором, производится закрытие транзисторов инвертора 1.

Улучшение массогабаритных показателей и повышение эксплуатационной надежности работы данного управляющего устройства в значительной мере достигается за счет применения четырехслойной конструкции печатной платы 13, выбранной компоновки устройства и использования теплопроводящего компаунда 16.

Изготовление печатной платы 13 с четырьмя слоями позволяет примерно на 15% снизить ее габариты. За счет увеличения площади печатных проводников в двух внутренних слоях платы 13 полностью исключаются силовые шины во всех сильноточных цепях. Предоставленная в связи с этим возможность оптимального расположения элементов на плате 13 предопределяет выполнение требований по выполнению линий поверхностного монтажа и селективной пайки.

Использование в инверторе 1 силового транзисторного модуля в виде сборки выходных транзисторов также положительно сказывается на габаритах печатной платы 13. При этом появляется возможность отказаться от применения полосок меди для электрической связи выходных транзисторов между собой. Кроме того, обеспечиваются эффективная теплопередача с кристаллов транзисторов на выполняющий функции радиатора корпус 12 и одинаковый тепловой режим выходных транзисторов, что обуславливает симметричные токи в обмотках электродвигателя 10 и равномерный момент на его валу.

При изготовлении устройства сначала в корпус 12, как в корыто, заливают компаунд 16, а затем в него погружают печатную плату 13 до упора. После полимеризации компаунд 16 равномерно и эффективно отводит тепло вне корпуса 12 не только от погруженных в него тепловыделяющих элементов - датчика 2 тока, термодатчика и силового транзисторного модуля инвертора 1, но и от внутренних токопроводящих дорожек платы 13, что позволяет исключить из конструкции устройства громоздкие силовые шины.

Использование компаунда 16 обеспечивает, помимо винтов 14, дополнительную надежную фиксацию печатной платы 13 в корпусе 12, исключает деформацию платы 13 и предохраняет силовую часть устройства от внешних агрессивных воздействий, например в виде соли, влаги, масла или бензина.

На фиг.4 представлен другой пример выполнения функциональной схемы устройства.

По принципу действия данная функциональная схема аналогична схеме, представленной на фиг.1, и отличается от последней тем, что в ней блок 5 определения тока двигателя выполнен в виде узла измерения тока и компаратора, а датчик тока включен последовательно между одним из силовых выводов инвертора 1 и блоком 3 управления питанием инвертора. При этом блок 5 определения тока инвертора снабжен вторым выходом, подключенным к дополнительному защитному входу микроконтроллера 4.

Нетрудно убедиться, что при принятом включении датчика 2 тока выявляются к.з. не только в самом инверторе 1, но и в его питающем проводе, связанном через датчик 2 тока и блок 3 управлением питанием инвертора с потенциальной шиной бортовой сети («плюсовым» проводом аккумуляторной батареи). При этом в блоке 5 определения тока инвертора компаратор с внутренним источником порогового напряжения осуществляет отстройку от электрического шума. Порог срабатывания компаратора выбирается заведомо выше рабочего тока инвертора 1, например, в два и более раз для исключения возможности ложных срабатываний от импульсных помех.

Предложенная конструкция устройства для управления электродвигателем электромеханического усилителя рулевого управления обеспечивает в конечном счете повышенное удобство управления автомобилем.

Проведенные ОАО «Автоэлектроника» и ОАО «АвтоВАЗ» испытания, показали приемлемость использования заявляемого устройства в составе применяемых на автомобилях ВАЗ модификаций электромеханического усилителя рулевого управления, таких, например, как 12.3405010, 121.3405010, 122.3405010.