CN109788641B - 半柔性脊状印刷电路板组件 - Google Patents

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Abstract

根据本文描述的一个或多个实施例，电动助力转向系统包括马达以及与马达联接的半柔性脊状印刷电路板组件，即PCB组件。半柔性脊状PCB组件包括第一部分、第二部分和联接第一部分与第二部分的可弯曲构件。利用可弯曲构件而使第一部分相对于第二部分可弯曲。

Description

半柔性脊状印刷电路板组件
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2017年11月15日提交的美国临时专利申请第62/586,470号的优先权，该临时申请的全部内容通过引用而纳入本文。
背景技术
一车辆常包括电动助力转向(EPS)系统以协助车辆的操作者进行车辆转向。EPS系统使用传感器来检测转向柱的位置和转矩，并向电动马达提供信号以使电动马达提供额外的转矩来帮助操作者进行车辆转向。被提供来用于辅助操作者进行车辆转向的附加转矩可基于车辆特性、驾驶条件、道路状况之类的因素而变化。
EPS系统可利用控制器从传感器接收信号、分析信号并控制电动马达。期望的是减少EPS系统内的控制器的整体物理封装尺寸。
发明内容
根据本文描述的一个或多个实施例，电动助力转向(electronic powersteering，电子动力转向)系统包括马达以及与马达联接的半柔性脊状印刷电路板(PCB)组件。半柔性脊状PCB组件包括第一部分、第二部分以及联接第一部分和第二部分的可弯曲构件。利用可弯曲构件而使第一部分可相对于第二部分弯曲。
根据一个或多个实施例，半柔性脊状印刷电路板包括第一部分、第二部分以及联接第一部分和第二部分的可弯曲构件。利用可弯曲构件而使第一部分可相对于第二部分弯曲。
根据一个或多个实施例，一种系统包括马达和马达控制系统，该马达控制系统包括半柔性脊状印刷电路板，该半柔性脊状印刷电路板则包括一个或多个电子电路以控制马达的操作。半柔性脊状印刷电路板包括第一部分，该第一部分包括用于将半柔性脊状印刷电路板与马达联接的连接器电路。半柔性脊状印刷电路板还包括第二部分，该第二部分包括用于操作马达的一个或多个控制器。半柔性脊状印刷电路板包括联接第一部分和第二部分的可弯曲构件，利用可弯曲构件使第一部分可相对于第二部分弯曲。
通过以下结合附图的描述，(本发明)上述的和其他优点和特征将变得更加明显。
附图说明
被视为本发明的主题在本说明书随附的权利要求中被特别指出并清楚地要求保护。通过以下结合附图的详细描述而易见本发明的前述和其它特征以及优点，在图中：
图1是电动助力转向系统的一示例性实施例；
图2A绘示了根据本公开的方案的半柔性脊状印刷电路板组件；
图2B绘示了根据本公开的方案的半柔性脊状印刷电路板组件；
图2C绘示了根据本公开的方案的半柔性脊状印刷电路板组件；
图2D绘示了根据本公开的方案的半柔性脊状印刷电路板组件；
图3绘示了根据一个或多个实施例的联接到马达的半柔性脊状PCB组件；
图4绘示了根据本公开的方案的半柔性脊状印刷电路板组件；以及
图5绘示了根据一个或多个实施例的PCB组件的方框图。
具体实施方式
如本文所使用的术语模块和子模块指的是一个或多个处理电路，诸如专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享的、专用的或组)和执行一个或多个软件或固件程序的存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他合适部件。能够理解的是，下文描述的子模块可以被组合和/或进一步分割。
应注意的是，本文参照具体实施例、参照一幅或多幅图描述了(而非限定了)多个技术方案，而不限制本技术方案，且要理解的是，所公开的实施例仅是对这些技术方案的说明，其可以通过各种替代形式来实施。附图并非必须按比例绘制；某些特征可能被放大或最小化以显示特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能性细节不应被解释为限制意义，而仅是作为一代表性基础以教导本领域技术人员以各种方式应用本公开。
本申请总体上涉及电路，特别涉及一种用于马达控制系统的半柔性脊状印刷电路板(PCB)组件。在一个或多个示例中，马达控制系统是EPS系统的一部分，在该系统中限制马达控制系统的尺寸是所期望的。
现在参照附图，这里将参照多个具体实施例来描述(而非限定)技术方案。图1是适于实施所公开实施例的电动助力转向系统(EPS)40的示例性实施例。转向机构36是齿条齿轮式系统，并且包括位于壳体50内的带齿齿条(未示出)和位于齿轮壳体52下方的小齿轮(也未示出)。作为操作者输入，在下文中表示为方向盘26(例如手轮等)被转动，上转向轴29转动，并且通过万向接头34连接到上转向轴29的下转向轴51转动小齿轮。小齿轮的旋转使齿条移动，该齿条移动多个拉杆38(仅示出一个)，继而移动转向节39(仅示出一个)，其转动一个或多个可转向轮44(仅示出一个)。
通过总体以附图标记24表示的控制装置提供电动助力转向辅助，且该控制装置包括控制器16和电机46，该电机可以是永磁同步马达、永磁直流马达、开关磁阻马达、或者任何其他类型的马达，在下文中被表示为马达46。控制器16由车辆电源10通过线路12供电。控制器16从车速传感器17接收表示车辆速度的车速信号14。通过位置传感器32测量转向角，位置传感器32可以是光学编码型传感器、可变电阻型传感器或任何其他合适类型的位置传感器，并且向控制器16提供位置信号20。可通过转速计或任何其他装置来测量马达速度，该速度被作为马达速度信号21传输到控制器16。以ωm表示的马达速度可以被测量得出、计算得出或通过这些方式的组合得出。例如，马达速度ωm可以被计算为由位置传感器32在规定的时间间隔内测量的马达位置θ的变化。例如，可以根据等式ωm＝Δθ/Δt将马达速度ωm确定为马达位置θ的导数，其中Δt是采样时间，Δθ是采样间隔期间的位置变化量。或者，马达速度作为位置随时间的变化率，可以由马达位置来导出。应理解的是，用于执行导数功能的众所周知的方法有很多。
当方向盘26被转动时，转矩传感器28感测由车辆操作者施加到方向盘26的转矩。转矩传感器28可包括扭杆(未示出)和可变电阻型传感器(也未示出)，与扭杆上的扭转量相关地，该传感器向控制器16输出可变转矩信号18。虽然这是一种转矩传感器，但是与已知的信号处理技术一起使用的任何其他合适的转矩传感装置都是充分可用的。响应于各种不同输入，控制器向电动马达46发送命令22，该电动马达通过蜗杆47和蜗轮48向转向系统提供转矩辅助作用，从而为车辆转向提供转矩辅助作用。
应注意的是，尽管通过参照用于电动转向应用的马达控制来描述所公开的实施例，但是应理解这些参照描述仅是说明性的，并且所公开的实施例可以应用于采用电动马达的任何马达控制应用，例如转向、阀控制等。此外，本文的参照和描述可适用于许多形式的参数传感器，包括但不限于转矩、位置、速度等。还应注意的是，本文所称的电机包括但不限于马达，以下为了简洁和简单起见，将仅涉及马达，这并非具有限制意味。
在如图所示的控制系统24中，控制器16利用转矩、位置和速度等来计算一个或多个命令以便传递所需的输出功率。控制器16被设置成与马达控制系统的各种系统和传感器通信。控制器16接收来自每个系统传感器的信号、量化所接收的信息、并作为对信号的响应而提供输出命令信号，在这种情况下例如输出到马达46。控制器16被构造为从逆变器(inverter，未示出)产生一个或多个必要的电压，该逆变器可以可选地与控制器16结合，并且在本文中将称为控制器16，使得当(电压)施加到马达46时，产生期望的转矩或位置。因为这些电压与马达46的位置和速度以及期望的转矩有关，所以决定了转子的位置和/或速度以及操作者施加的转矩。位置编码器连接到转向轴51以检测角位置θ。编码器可以基于光学检测、磁场变化或其他方法来感测旋转位置。典型的位置传感器包括电位计、旋转变压器、同步器、编码器等，以及包括前述的至少一者的组合。位置编码器输出表示转向轴51的角位置的位置信号20，进而输出马达46的角位置。
期望的转矩可以由一个或多个转矩传感器28来确定，该转矩传感器传递表示所施加的转矩的转矩信号18。一个或多个示例性实施例包括这样的转矩传感器28以及从该转矩传感器发出的一个或多个转矩信号18，该转矩传感器可以响应于柔性扭杆、T形杆、弹簧或类似装置(未示出)，这些装置被构造为提供表示施加的转矩的响应。
在一个或多个示例中，在电机46处设有一个或多个温度传感器23。优选地，温度传感器23被构造为直接测量马达46的感测部分的温度。温度传感器23将温度信号25传送到控制器16，以便于进行本文所规定的处理并进行补偿。典型的温度传感器包括热电偶、热敏电阻、恒温控制器等，以及包括至少一个前述传感器的组合，其在被适当地放置时提供与特定温度成比例的可校准信号。
位置信号20、速度信号21和一个或多个转矩信号18等被施加到控制器16。控制器16处理所有输入信号以产生对应于每个信号的值，产生转子位置值、马达速度值和转矩值，这些值能够在本文所规定的算法中进行处理。诸如上述的测量信号也根据需要而被共同地线性化、补偿和滤波，以增强特性或消除所获取信号的非期望特性。例如，信号可以被线性化以提高处理速度，或者解决信号的大的动态范围的问题。另外，可以采用基于频率或时间的补偿和滤波来消除噪声或避免非期望的频谱特性。
为了执行规定的功能和期望的处理以及因此而进行的计算(例如，机器参数的识别、一种或多种控制算法之类)，控制器16可以包括但不限于一个或多个处理器、一个或多个计算机、一个或多个DSP、存储器、储存器、一个或多个寄存器、定时器、一个或多个中断、一个或多个通信接口和输入/输出信号接口等，以及包含前述至少一种的组合。例如，控制器16可以包括输入信号处理和滤波，以便能够从通信接口精确采样和转换或者获取这种信号。在本文稍后详细讨论控制器16的附加特征和本文某些处理。
本技术描述了在高电流EPS系统(例如EPS系统40)中的半柔性脊状印刷电路板(PCB)组件。在局部受控(受限)的区域中弯曲脊状PCB组件而使得一个PCB能够在比其他可能的方式更小的封装环境内使用。通常，总PCB组件封装区域在尺寸上基本上小于EPS系统40中的马达46的横截面面积。例如，处于弯曲状态的PCB组件的宽度类似于马达46的直径。因此，本文描述的是EPS系统40的实施例，这些EPS系统通过将两层或更多层铜例如弯曲180°来使用半柔性脊状PCB。应理解的是，在不脱离本公开的情况下，其他的角度也可以实现。在一个或多个示例中，通过在PCB组件上的铜的精确深度控制的研磨(milling，铣削)、以及通过在PCB组件的局部区域中的预浸渍以及其他技术来实现PCB的弯曲。使用半柔性脊状PCB的优点之一是减少了板之间所需的互连物(interconnect，连接线)的数量。
铜层的弯曲(例如180°弯曲)有助于将PCB组件封装在与EPS系统40中的马达46的直径(或横截面尺寸)大体相似的区域内。例如该区域可以略大于马达46的直径。弯曲两个铜层有助于信号和电源/地线连接整个控制器16而不使用互连物，从而降低了成本并提高了质量。在两个不同方向上弯曲PCB使得能够正确地分配部件，同时保持PCB的一侧(例如顶侧)上的连接器和另一侧(例如底侧)上的马达接口的可接近性。此外，根据一个或多个示例，半柔性PCB被构造为单独的电路，例如包括多个PCB，每个PCB是柔性部分。例如，PCB可以分为三个PCB，每个PCB用于电源板、逻辑板和连接器板。电路组件的这种特定布局可以进一步促进最小化互连物的数量。
图2A绘示了根据一个或多个实施例的半柔性脊状印刷电路板(PCB)组件100。PCB组件100包括第一部分101、第二部分102和第三部分103。部分101-103中的每个可以是铜层。弯曲构件111和112被设置在部分101-103中的每个之间。例如，第一弯曲构件111设置在第一部分101与第二部分102之间，第二弯曲构件112设置在第三部分103与第二部分102之间。第一部分101可在第一弯曲构件111处相对于第二部分102弯曲，第三部分103可在第二弯曲构件112处相对于第二部分102弯曲。
可弯曲构件111、112构成半刚性部分，相邻部分围绕该半刚性部分旋转或枢转。可弯曲构件111、112可通过使用活动铰链、塑性铰链等以便于弯曲。塑性铰链是结构元件中的屈服区，该塑性铰链通常形成在最大弯曲力矩、支撑等点处。例如，对于承受点载荷的简支梁，塑性铰链将出现在点载荷的位置处。在一个或多个示例中，可弯曲构件111、112使用RA(轧制退火)铜形成。机械载荷下的RA铜表现出变形(延展性)，以便其用于柔性和半刚性印刷电路板。备选地或附加地，可弯曲构件111、112使用ED(电沉积)铜形成。应理解的是，在一些实施例中，可弯曲构件111、112可使用除本文所述示例之外的其他技术和材料形成。
图2B绘示了根据一个或多个实施例的半柔性脊状PCB组件100的另一视图。特别地，图2B示出了第三部分103在第二弯曲构件112处相对于第二部分102弯曲。这里，第三部分103被示出为大约弯曲90°。
图2C绘示了根据一个或多个实施例的半柔性脊状PCB组件100的另一视图。特别地，图2C示出了第三部分103，该第三部分已经在第二弯曲构件112处相对于第二部分102弯曲成大约180°的角度。
图2D绘示了根据一个或多个实施例的半柔性脊状PCB组件100的另一视图。特别地，图2D示出了第一部分101已经在第一弯曲构件111处相对于第二部分102弯曲成大约180°的角度。在一个或多个示例中，使用第一弯曲构件111使第一部分101相对于第二部分102弯曲的第一弯曲方向与使用第二弯曲构件112使第三弯曲部分103相对于第二弯曲部分102弯曲的第二弯曲方向相反。例如，当沿着轴线P观察PCB组件100时，第一弯曲构件111使得第一部分101沿自上而下方向弯曲，而第二弯曲构件112使得第三部分103沿自下而上方向弯曲。
由于PCB组件100的部分的弯曲，PCB组件在弯曲状态下(例如，图2D、图2C)比在未弯曲状态下(例如，图2A)占据更少的面积。
图3绘示了根据一个或多个实施例的联接到马达46的半柔性脊状PCB组件100。这里，PCB组件100处于弯曲状态(例如，图2D)，并且可以看到，处于弯曲状态的PCB组件100的横截面面积类似于马达46的横截面面积。
图4绘示了根据一个或多个实施例的半柔性脊状PCB组件100。这里，根据特定电路，第一部分101、第二部分102和第三部分103是分开的。例如，第一部分101是连接器板，其包括用于将PCB组件100与马达46联接的电子电路。
第二部分102是逻辑板，其包括一个或多个电子电路以执行与PCB组件100联接的马达46的控制。在EPS 40的特定情况下，两个电子控制单元(ECU)ECU-A 410和ECU-B 420用于提供冗余度(redundancy)。具体地，ECU-A 410和ECU-B 420都独立地执行相同的操作，使得如果两个ECU中的任何一个发生故障，则可以连续方式使用来自另一个ECU的结果。
第三部分103是电源板，其包括一个或多个电子电路，以协助向各种电路供电，上述各种电路为PCB组件100和/或马达46的一部分。
来自每个部分101-103的一个或多个电子电路可以使用诸如导线的连接器彼此联接，上述连接器是上述部分自身的一部分。例如，第二部分102的ECU-A 410和ECU-B 420使用连接器415彼此联接，该连接器415是第二部分102自身的一部分。
来自不同板的电子电路使用连接器440、450彼此联接，上述连接器440、450是弯曲部分111、112的一部分。在一个或多个示例中，连接器440、450被分成两个或更多个部分，这取决于PCB组件100中的弯曲部分的数量。例如，第一弯曲部分111包括连接器440B的第一部，该连接器440B的第一部将ECU-A 410与连接器板(第一部分101)的一个或多个电路连接；第二弯曲部分112包括连接器440A，该连接器440A将ECU-A 410与电源板(第三部分103)的一个或多个电路连接。第一弯曲部分111还包括连接器450B的第一部分，其与连接器440B分离，并且连接ECU-B 420与连接器板(第一部分101)的一个或多个电路；第二弯曲部分112包括连接器450B的第二部，该连接器450B的第二部将ECU-B 420与电源板(第三部分103)的一个或多个电路连接。应注意，弯曲部分111、112中的每个包括分别用于第二部分102中的每个单独ECU的单独连接器，以便于提供冗余度。
因此，通过使用弯曲部分111、112，有助于使所包括的连接器提供信号和电源/地线以通过ECU440和450连接而不使用互连物。这样有利于降低成本并改善一个或多个电子电路之间的连接质量。
图5绘示了根据一个或多个实施例的PCB组件的方框图。其中示出了俯视图510、侧视图520和仰视图530。在第一部分101上示出了用于将PCB组件100连接到电源的电源连接器512。用于马达46的连接器532在第三部分103的仰视图中示出。应理解的是，在不同的实施例中，用于不同类型的电子电路的部分可以是变化的。
使用具有特定浓度的铜的材料研磨PCB组件100，这种材料可以帮助以精确的深度控制来研磨可弯曲构件111、112。备选地，用于PCB组件100的材料可包括可以通过精确深度控制来进行研磨的任何其他材料。通常，对于高电流应用，例如EPS 40，使用更高浓度(例如50％或更多)的铜。然而，这种铜的浓度不能加快精密深度研磨，特别是为了协助研磨可弯曲构件111、112。因此，用于PCB组件100的材料使用较低浓度的铜，如此可便利于用于PCB组件100的部分的精密深度研磨，上述PCB组件100的部分包括可弯曲构件111、112，该可弯曲构件是柔性的以便大体弯曲180°。通过使用精确控制深度的研磨来研磨弯曲构件的区域，使弯曲构件111、112被制成为可弯曲的。可弯曲构件111、112还通过在PCB组件的局部区域中进行预浸渍而进一步形成。
因此，PCB组件100对半柔性脊状电路板组件是有利的，其减小了EPS 40中的马达控制电路所占据的区域。在一个或多个示例中，PCB组件100便于使PCB组件100的两个部分弯曲180°，这允许PCB组件100被折叠并封装在与马达46基本相同的直径内。此外，PCB组件100的一个或多个部分的这种弯曲有利于信号和电源/地线在不使用互连物的情况下连接一个或多个控制器。
此外，在一个或多个示例中，沿不同方向弯曲PCB组件100有助于以如下方式分配PCB组件的部件：使得朝向折叠PCB组件的单一侧来保持连接器的可及性，例如在折叠PCB组件的顶侧上保持连接器的可及性，从而使得马达46在折叠的PCB组件100的另一侧上(例如，在底侧上)被接合(或联接)。
此外，将PCB组件100的一个或多个部分分成单独类型的板(例如，电源/逻辑/连接器)有助于使PCB组件100的各种电子电路之间所需的互连物的数量最小化。
在一个或多个示例中，使用铜或者其他任何可通过精确深度控制进行研磨的材料来研磨PCB组件。通过使用精密深度研磨的方式来研磨弯曲构件的区域而使弯曲构件被制成为可弯曲的。
本文已基于说明(例证)之目的而给出了对本发明的各种实施例的描述，但并非意在进行穷举或(将本发明)限制于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。这里所使用的术语的选择是为了最佳地解释实施例的原理、实际应用或对市场中所发现的技术的技术改进，或者使本领域普通技术人员能够理解本文所述的实施例。

Claims (13)

1.一种电动助力转向系统，包括：
马达；以及
半柔性脊状印刷电路板组件，即半柔性脊状PCB组件，其与所述马达联接，所述半柔性脊状PCB组件包括：
刚性PCB材料的第一部分；
刚性PCB材料的第二部分；以及
刚性PCB材料的可弯曲构件，所述可弯曲构件联接所述第一部分和所述第二部分，并将所述第一部分和所述第二部分间隔开，利用所述可弯曲构件使所述第一部分能相对于所述第二部分弯曲；
所述可弯曲构件包括至少一个经研磨部分，该经研磨部分的厚度小于第一部分和第二部分的厚度；
其中，所述可弯曲构件至少部分地由铜材料形成；以及
其中，通过所述可弯曲构件的控制深度的研磨，以及通过所述可弯曲构件被预浸渍，在铜材料中形成所述经研磨部分，
其中，弯曲所述第一部分使所述半柔性脊状PCB组件的横截面尺寸减小到大体上等于所述马达的横截面尺寸。
2.根据权利要求1所述的电动助力转向系统，其中，所述第一部分能弯曲180°以与所述第二部分大体重叠。
3.根据权利要求1所述的电动助力转向系统，其中，所述可弯曲构件是第一可弯曲构件，并且所述半柔性脊状PCB组件还包括：
第三部分；以及
第二可弯曲构件，所述第二可弯曲构件联接所述第三部分和所述第二部分，利用所述第二可弯曲构件使所述第三部分能相对于所述第二部分弯曲。
4.根据权利要求3所述的电动助力转向系统，其中，所述第一部分能沿第一方向相对于所述第二部分弯曲，并且其中，所述第三部分能沿第二方向相对于所述第二部分弯曲。
5.根据权利要求4所述的电动助力转向系统，其中，所述第三部分能弯曲180°以与所述第二部分大体重叠。
6.根据权利要求1所述的电动助力转向系统，其中，所述可弯曲构件的弯曲是通过对所述半柔性脊状PCB组件上的铜的控制精确深度的研磨、以及通过在所述半柔性脊状PCB组件的局部区域中的预浸渍而形成。
7.一种电动助力转向系统，包括：
马达；以及
马达控制系统，包括半柔性脊状印刷电路板，即半柔性脊状PCB，所述半柔性脊状印刷电路板包括一个或多个电子电路以控制所述马达的操作，所述半柔性脊状印刷电路板包括：
刚性PCB材料的第一部分，包括用于将所述半柔性脊状印刷电路板与所述马达联接的连接器电路；
刚性PCB材料的第二部分，包括用于操作所述马达的一个或多个控制器；以及
刚性PCB材料的可弯曲构件，所述可弯曲构件联接所述第一部分和所述第二部分，并将所述第一部分和所述第二部分间隔开，利用所述可弯曲构件使所述第一部分能相对于所述第二部分弯曲；
所述可弯曲构件包括至少一个经研磨部分，该经研磨部分的厚度小于第一部分和第二部分的厚度；
其中，所述可弯曲构件至少部分地由铜材料形成；以及
其中，通过所述可弯曲构件的控制深度的研磨，以及通过所述可弯曲构件被预浸渍，在铜材料中形成所述经研磨部分，
其中，弯曲所述第一部分使所述半柔性脊状印刷电路板的横截面尺寸减小到基本等于所述马达的横截面尺寸。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述第一部分能弯曲180°以与所述第二部分大体重叠。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述可弯曲构件是第一可弯曲构件，并且所述半柔性脊状印刷电路板还包括：
第三部分；以及
第二可弯曲构件，所述第二可弯曲构件联接所述第三部分和所述第二部分，利用所述第二可弯曲构件使所述第三部分能相对于所述第二部分弯曲。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一部分能沿第一方向相对于所述第二部分弯曲，并且其中，所述第三部分能沿第二方向相对于所述第二部分弯曲。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述第三部分能弯曲180°以与所述第二部分基本重叠。
12.根据权利要求7所述的系统，其中，所述可弯曲构件的弯曲是通过对所述半柔性脊状印刷电路板上的铜的控制精确深度的研磨、以及通过在所述半柔性脊状印刷电路板的局部区域中的预浸渍而形成。
13.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一部分能沿第一方向相对于所述第二部分弯曲，并且其中，所述第三部分能沿所述第一方向相对于所述第二部分弯曲。
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