CN111942465A - 高度集成的eps系统 - Google Patents

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Abstract

提供了用于电动助力转向系统的马达组件的技术方案。该马达组件包括马达，该马达被配置用以旋转马达轴以将驱动转矩施加到转向柱的输出轴。该马达组件还包括电路卡组件，该电路卡组件包括设置在印刷电路板上的转矩和角度传感器，该转矩和角度传感器被配置用以测量输出轴的旋转位置与输入轴的旋转位置之间的差动角。该电路卡组件的印刷电路板被布置成垂直于转向柱的旋转轴线。该马达组件还包括外壳和蜗轴，该外壳联接到马达并容纳电路卡组件，该蜗轴联接成与该马达轴一起旋转，并且该蜗轴具有围绕该蜗轴以螺旋形设置的螺纹，用以驱动联接到输出轴的蜗轮。

Description

高度集成的EPS系统
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2019年5月16日递交的美国第62/848,829号临时专利申请的优先权，在此通过援引整体纳入该临时专利申请的公开内容。
技术领域
本申请概括而言涉及一种用于电动助力转向(EPS)系统的马达，更具体而言涉及一种用于转矩传感器、角度传感器和马达位置传感器的集成控制系统。
背景技术
马达组件，尤其是包括无刷马达的用于EPS系统的马达组件可能相对较大并且存在封装上的困难。EPS系统一般还包括转矩和角度传感器，它们必须被容置在EPS系统的机械封装(mechanical packaging)中。大尺寸的马达组件和这些独立的传感器的组合可能会干扰其它的车辆组成部件，导致设置定位的选择变得有限，从一种平台类型到另一种平台类型的通用性很差或不存在，成本高且安装复杂。
发明内容
根据一个或多个实施例，一种用于电动助力转向系统的马达组件包括马达，该马达被配置用以旋转马达轴以将驱动转矩施加到转向柱的输出轴。该马达组件还包括电路卡组件，该电路卡组件包括设置在印刷电路板上的转矩和角度传感器。该转矩和角度传感器被配置用以测量输出轴的旋转位置与输入轴的旋转位置之间的差动角(differentialangle，差分角)。电路卡组件的印刷电路板被布置成垂直于转向柱的旋转轴线。
根据一个或多个实施例，一种用于电动助力转向系统的马达组件包括马达，该马达被配置用以旋转马达轴，以将驱动转矩施加到转向柱的输出轴。该马达组件还包括外壳，该外壳联接到该马达并容纳(包含)电路卡组件，该电路卡组件包括设置在印刷电路板上的转矩和角度传感器。转矩和角度传感器被配置用以测量输出轴的旋转位置与输入轴的旋转位置之间的差动角。该马达组件还包括蜗轴(worm shaft，蜗杆)，该蜗轴被联接成与该马达轴一起旋转，该蜗轴具有围绕该蜗轴以螺旋形设置的螺纹(worm，螺纹部)，用以驱动联接到输出轴的蜗轮。蜗轴和蜗轮各自设置在外壳内。
根据一个或多个实施例，一种用于电动助力转向系统的马达组件包括马达，该马达被配置用以旋转马达轴以将驱动转矩施加到转向柱的输出轴。该马达组件还包括电路卡组件，该电路卡组件包括设置在印刷电路板上的转矩和角度传感器。该转矩和角度传感器被配置用以测量输出轴的旋转位置与输入轴的旋转位置之间的差动角。该电路卡组件还包括设置在印刷电路板上的位置传感器，该位置传感器被配置用以测量马达轴的旋转位置。
附图说明
在说明书随附的权利要求中特别指出并明确地请求保护本公开的主题。通过以下结合附图而做的详细描述，本公开的前述及其它的特征以及优点显而易见，在图中：
图1是根据本公开的一些实施例的用于电动助力转向系统的马达组件的剖视图；
图2是图1的马达组件的立体图；
图3是图1的马达组件的侧视图；
图4是根据本公开的一些实施例的用于电动助力转向系统的马达组件的侧视图；以及
图5是根据本公开的一些实施例的用于电动助力转向系统的马达组件的立体图。
具体实施方式
现在参照附图，这里将参照特定实施例来描述本公开，但并不以之为限，应理解的是，所公开的实施例仅是对本公开的诠释，其可以通过各种可供选择(备选)的形式来具体化。这些图不必是按比例绘制的；某些特征可能会被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，这里公开的特定的结构及功能性的细节不应被解释为限制性的，而仅仅作为教导本领域技术人员以各种不同方式应用本公开的一种有代表性的基础。
图1～图3示出了根据本公开的一些实施例的用于车辆的电动助力转向(EPS)系统的第一马达组件10。具体而言，第一马达组件10被配置为附接到转向柱20，该转向柱包括输入轴22，该输入轴22通过扭杆26联接到输出轴24。输入轴22可以连接到由车辆的操作者转动的方向盘。输出轴24可以连接到用于使车辆转向的一个或多个车轮(road wheel，行走轮)。扭杆26可以在输入轴22与输出轴24之间提供一定程度的相对旋转，并且该相对旋转可以与施加在输入轴22与输出轴24之间的转矩成比例。因此，输入轴22与输出轴24之间的相对旋转的测量(值)可以用于确定所施加的转矩。所施加的转矩可以随着施加到方向盘的力和/或通过输出轴24从一个或多个车轮传递的旋转力的变化而变化。柱形管(column tube，转向柱管)28可以围绕输入轴22和/或输出轴24中的一个或多个。柱形管28可以被固定到车辆的结构部件上。
马达组件10包括马达(motor，电机)30，该马达被配置用以旋转马达轴32以将驱动转矩施加到输出轴24。在一些实施例中，马达30可以是无刷型马达，例如DC无刷马达。在一些实施例中，马达30可以是包括用于向转子输送电力的电刷(brush)的有刷型马达。在一些实施例中，马达30可以是AC马达，例如永磁同步马达(PMSM)。然而，这些仅是示例，而马达30可以包括任何类型的电动马达。
马达组件10还包括蜗轴34，该蜗轴联接成与该马达轴32一起旋转。蜗轴34包括具有螺旋形状的螺纹36，该螺纹与联接到输出轴24的蜗轮38啮合(接合)。因此，马达30能够借助由螺纹和蜗轮38提供的齿轮减速和驱动方向的改变来驱动输出轴24。
马达组件10还包括电路卡组件(CCA)40，该电路卡组件包括印刷电路板42和安装到印刷电路板42的多个电气部件。如图所示，印刷电路板42沿与转向柱20的旋转轴垂直的平面延伸，其中转向柱20的旋转轴线是这样的轴线：输入轴22和/或输出轴24被配置为绕该轴线旋转。更具体而言，印刷电路板42以与输入轴22垂直并相邻的方式延伸。印刷电路板42平行于蜗轴34并与蜗轴间隔开。CCA 40包括转矩和角度传感器芯片44，该传感器芯片设置在印刷电路板42上并被配置用以测量输入轴22的旋转位置与输出轴24的旋转位置之间的差动角。由转矩和角度传感器芯片44测得的差动角可以用来确定扭杆26的扭转量。结合关于扭杆的特性的信息，转矩和角度传感器芯片44可用于确定施加到输入轴22和/或输出轴24中的任一个或两者的转矩。
马达组件10还包括马达位置传感器46，该马达位置传感器被配置用以测量马达轴32的旋转位置。通过测量马达轴32的位置，能以高精度确定输出轴24的位置。在一些实施例中，且如图1～图3所示，马达位置传感器46直接联接到马达轴32，其中马达轴32在马达位置传感器46与蜗轴34之间延伸。马达位置传感器46包括径向突出部47，该径向突出部可用于保持马达位置传感器46和/或用于保持接线连接(wiring connection)(例如接线插座)。柔性(挠性)导体48将马达位置传感器46连接到CCA 40，用以将信息从马达位置传感器46传输到位于CCA 40上的控制器和/或通信桥。柔性导体48还可以从CCA 40向马达位置传感器46提供电力。柔性导体48可以包括一条或多条电线，例如股绞电线(stranded wire，股绞线)或实心金属线。备选地或附加地，柔性导体48可以包括具有沿着柔性基板的长度设置的导电迹线的带状电缆或柔性电路板。
转子组件50包括联接到输入轴22的第一转子52和联接到输出轴24的第二转子54。转子联轴器56将第一转子52连接到输入轴22。转子联轴器56可被以键连接或其它方式配置成使第一转子52与输入轴22一起旋转，同时允许马达组件10选择性地附接到输入轴22或与输入轴分离。转子52和转子54彼此平行且间隔地设置，CCA 40在两者之间延伸。转矩和角度传感器芯片44通过电场和/或磁场与第一转子52、第二转子54相互作用，以便确定第一转子52与第二转子52之间的相对旋转角度差，从而确定输出轴22与输入轴24之间的差动角。
在一些实施例中，CCA 40还包括方向盘角度传感器，该方向盘角度传感器被配置用以测量输入轴22的绝对角度。例如，转矩和角度传感器芯片44或另一装置(器件)可以测量第一转子52或者联接到输入轴22的另一结构相对于一固定基准物(其不与输入轴22或输出轴24一起旋转)的角位置。
在一些实施例中，CCA 40包括被配置用以控制向马达30供应的电力(power)的多个电子部件。例如，CCA 40可以包括多个电力电子器件(诸如开关晶体管)用以产生供给到马达30的AC或DC波形。附加地或备选地，CCA 40可以包括一个或多个控制器，例如微处理器、微控制器或专用集成电路(ASIC)，其被配置用以控制供给到马达30的AC或DC波形。例如，上述一个或多个控制器可以控制马达30基于算出的转矩指令来产生输出转矩。上述一个或多个控制器还可以基于由转矩和角度传感器芯片44测得的差动角来确定转矩指令。因此，马达组件10可以执行EPS系统的某些或全部核心功能，且可以被称为“高度集成的EPS系统”。
马达组件10还包括外壳60，该外壳联接到马达30并容纳CCA 40。在一些实施例中，马达30设置在外壳60的内部。备选地，马达30可以设置在外壳60的外部，或者设置为一部分在外壳60的内部、一部分在外壳的外部。例如，马达30可以用螺栓、螺丝钉或其它方式固定到外壳60。具体而言，外壳60包括下壳体62和盖体64。外壳60可以由诸如钢、铝或镁之类的金属制成。然而，外壳60的一部分或整体可以由其它材料(诸如塑料)制成。蜗轴34和蜗轮38各自至少部分地设置在外壳60内。
如图1所示，第一轴承66和第二轴承68设置在下壳体62内以支撑输出轴24。第一轴承66和第二轴承68可以是任何类型的轴承，包括例如滚珠轴承、滚针轴承或滑动轴承。第一轴承66或第二轴承68中的一个或两个可以是密封的或未密封的。一个或多个密封件(未示出)可以防止污染物进入输出轴24周围的外壳60。
如图3所示，第三轴承70和第四轴承72在蜗轴的两端处或其两端附近支撑蜗轴34。第三轴承70和/或第四轴承72可以安装到外壳60上并由外壳支撑。联轴器74将蜗轴34连接到马达轴32，以在两者之间传递转矩。在一些实施例中，联轴器74可以包括弹性材料，用以在马达轴32与蜗轴34之间提供隔振。备选地，联轴器74可以在两者之间提供刚性连接。
图4是根据本公开的一些实施例的用于EPS系统的第二马达组件10′的侧视图。图4所示的第二马达组件10′除了不包括直接联接到马达轴32的马达位置传感器46之外，与图1～图3所示的第一马达组件10相似或相同。取而代之的是，轴位置轮(shaft positionwheel)80被配置为与马达轴32一起旋转，并且被CCA 40上的位置传感器82来感测。轴位置轮80可以围绕蜗轴34来设置，如图4所示；或者，轴位置轮80可以围绕马达轴32来设置。位置传感器82可以通过电磁相互作用和/或通过光学信号(例如在轴位置轮80旋转时周期性中断的光束)来测量轴位置轮的旋转位置。
图5是根据本公开的一些实施例的用于EPS系统的第三马达组件10″的立体图。图5所示的第三马达组件10″除了不包括直接联接到马达轴32的马达位置传感器46之外，其余与图1～图3所示的第一马达组件10相似或相同。取而代之的是，马达位置传感器46联接到与马达32相对的蜗轴34，其中蜗轴34在马达轴32与马达位置传感器46之间延伸。
虽然仅结合有限数量的实施例详细描述了本公开，但应容易理解的是，本公开不限于这些公开的实施例。相反，本公开内容可以被修改以纳入到目前为止未描述但在范围上与本公开内容相称的任何数量的变型、更改、替换或等效布置。另外，虽然已经描述了本公开的各种实施例，但可以理解的是，本公开的各方面可以仅包括所描述的实施例中的某些实施例或各种实施例的组合。因此，本公开不应被视为受前文描述内容的限制。

Claims (20)

1.一种用于电动助力转向系统的马达组件，包括：
马达，配置为用以旋转马达轴，以将驱动转矩施加到转向柱的输出轴；
电路卡组件，其包括设置在印刷电路板上的转矩和角度传感器，所述转矩和角度传感器被配置为用以测量所述输出轴的旋转位置与输入轴的旋转位置之间的差动角；以及
其中，所述电路卡组件的印刷电路板被设置为与所述转向柱的旋转轴线垂直。
2.根据权利要求1所述的马达组件，其中，所述电路卡组件还包括方向盘角度传感器，所述方向盘角度传感器被配置为用以测量所述输入轴的绝对角度。
3.根据权利要求1所述的马达组件，还包括与所述电路卡组件通信的马达位置传感器，所述马达位置传感器被配置为用以测量所述马达轴的旋转位置。
4.根据权利要求3所述的马达组件，其中，所述马达位置传感器与所述电路卡组件间隔开并且通过柔性导体连接到所述电路卡组件。
5.根据权利要求3所述的马达组件，其中，所述马达轴联接至蜗轴，所述蜗轴具有围绕所述蜗轴以螺旋形设置的螺纹，而所述马达轴在所述马达位置传感器与所述蜗轴之间延伸。
6.根据权利要求3所述的马达组件，其中，所述马达轴联接至蜗轴，所述蜗轴具有围绕所述蜗轴以螺旋形设置的螺纹，而所述蜗轴在所述马达轴与所述马达位置传感器之间延伸。
7.根据权利要求1所述的马达组件，还包括：
蜗轴，联接成与所述马达轴一起旋转，所述蜗轴具有围绕所述蜗轴以螺旋形设置的螺纹，用以驱动联接到所述输出轴的蜗轮；以及
外壳，其容纳所述电路卡组件、所述蜗轴和所述蜗轮。
8.根据权利要求1所述的马达组件，其中，所述马达为无刷式马达。
9.一种用于电动助力转向系统的马达组件，包括：
马达，配置为用以旋转马达轴，以将驱动转矩施加到转向柱的输出轴；
外壳，其联接到所述马达并容纳电路卡组件，所述电路卡组件包括设置在印刷电路板上的转矩和角度传感器，所述转矩和角度传感器被配置为用以测量所述输出轴的旋转位置与输入轴的旋转位置之间的差动角；
蜗轴，其联接成与所述马达轴一起旋转，所述蜗轴具有围绕所述蜗轴以螺旋形设置的螺纹，用以驱动联接到所述输出轴的蜗轮；以及
其中，所述蜗轴和所述蜗轮均设置在所述外壳内。
10.根据权利要求9所述的马达组件，其中，所述电路卡组件的印刷电路板被设置为与所述转向柱的旋转轴线垂直。
11.根据权利要求9所述的马达组件，其中，所述电路卡组件还包括方向盘角度传感器，所述方向盘角度传感器被配置为用以测量所述输入轴的绝对角度。
12.根据权利要求9所述的马达组件，还包括与所述电路卡组件通信的马达位置传感器，所述马达位置传感器被配置为用以测量所述马达轴的旋转位置。
13.根据权利要求12所述的马达组件，其中，所述马达位置传感器与所述电路卡组件间隔开并且通过柔性导体连接到所述电路卡组件。
14.根据权利要求12所述的马达组件，其中，所述马达轴在所述马达位置传感器与所述蜗轴之间延伸。
15.根据权利要求12所述的马达组件，其中，所述蜗轴在所述马达轴与所述马达位置传感器之间延伸。
16.根据权利要求9所述的马达组件，其中，所述马达为无刷式马达。
17.一种用于电动助力转向系统的马达组件，包括：
马达，配置为用以旋转马达轴，以将驱动转矩施加到转向柱的输出轴；
电路卡组件，其包括设置在印刷电路板上的转矩和角度传感器，所述转矩和角度传感器被配置为用以测量所述输出轴的旋转位置与输入轴的旋转位置之间的差动角；
所述电路卡组件还包括位置传感器，所述位置传感器设置在所述印刷电路板上并被配置为用以测量所述马达轴的旋转位置。
18.根据权利要求17所述的马达组件，还包括轴位置轮，所述轴位置轮被配置为与所述马达轴一起旋转并且通过所述电路卡组件上的所述位置传感器而被感测。
19.根据权利要求17所述的马达组件，还包括外壳，所述外壳容纳所述电路卡组件，所述外壳直接联接至所述马达。
20.根据权利要求19所述的马达组件，还包括蜗轴，所述蜗轴联接成与所述马达轴一起旋转，所述蜗轴具有螺纹，所述螺纹围绕所述蜗轴以螺旋形设置并且与联接至所述输出轴的蜗轮啮合；并且其中，所述蜗轴和所述蜗轮设置在所述外壳内。
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