RU2162041C2 - Servo drive with low torque pulsations - Google Patents
Servo drive with low torque pulsations Download PDFInfo
- Publication number
- RU2162041C2 RU2162041C2 RU99100543A RU99100543A RU2162041C2 RU 2162041 C2 RU2162041 C2 RU 2162041C2 RU 99100543 A RU99100543 A RU 99100543A RU 99100543 A RU99100543 A RU 99100543A RU 2162041 C2 RU2162041 C2 RU 2162041C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotor
- electric motor
- teeth
- stator
- torque
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Power Steering Mechanism (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электропроводам и может быть использовано для управления моментом на валу механизмов с повышенными требованиями к уровню пульсаций вращающего момента при работе на малых частотах вращения, в частности, в качестве электроусилителя руля автомобиля для снижения усилия на руле при маневрах на малых скоростях движения, а также при повороте колес неподвижного автомобиля. The invention relates to electrical wires and can be used to control the torque on the shaft of mechanisms with increased requirements for the level of ripple torque when operating at low speeds, in particular, as an electric power steering car to reduce the steering force when maneuvering at low speeds, and also when turning the wheels of a stationary car.
Известно техническое решение, содержащее электродвигатель постоянного тока, управляемый от блока управления по сигналу датчика момента на валу механизма, датчик момента на валу механизма, редуктор, электромагнитную муфту, разъединяющую приводимый во вращение механизм с электродвигателем, систему диагностики (Патент США N 4660671). A technical solution is known that contains a direct current electric motor controlled from a control unit by a signal from a torque sensor on a mechanism shaft, a torque sensor on a mechanism shaft, a gearbox, an electromagnetic clutch that disconnects a rotating mechanism with an electric motor, and a diagnostic system (US Patent No. 4660671).
Недостатком данного технического решения является необходимость применения электромагнитной муфты, а также плохое охлаждение двигателя постоянного тока вследствие закрытого исполнения. Необходимость использования муфты обусловлена тем, что при больших частотах вращения механизма с выключенным электродвигателем происходит торможение якоря за счет трения щеток об коллектор. The disadvantage of this technical solution is the need to use an electromagnetic clutch, as well as poor cooling of the DC motor due to the closed design. The need to use the clutch is due to the fact that at high speeds of the mechanism with the motor turned off, the armature is braked by friction of the brushes on the collector.
Известно техническое решение, содержащее датчик момента, измеряющий момент на руле и обеспечивающий соответствующие выходные сигналы, средство для обеспечения сигнала требуемого компенсирующего момента, имеющего величину, функционально связанную с моментом, приложенным к рулю, электродвигатель, содержащий зубчатый статор с обмотками и зубчатый безобмоточный ротор, кинематически связанный с рулем и способный, при необходимости, создать требуемый компенсирующий момент для снижения усилия на руле, датчик скорости автомобиля, измеряющий скорость автомобиля и обеспечивающий соответствующие выходные сигналы, датчик положения ротора электродвигателя, регистрирующий угловое положение ротора относительно статора и обеспечивающий соответствующие выходные сигналы, датчик скорости вращения ротора электродвигателя, измеряющий скорость вращения и обеспечивающий соответствующие выходные сигналы, блок управления электродвигателем, вырабатывающий на основе поступающих в него сигналов от датчика скорости вращения ротора, датчика положения ротора, датчика скорости движения автомобиля и датчика момента силовых управляющих сигналов для обмоток электродвигателя. На основе сигнала датчика скорости вращения ротора реализуется управление токами электродвигателя, обеспечивающее высокий уровень выходных характеристик. В частности, таким образом решается проблема значительного снижения пульсаций момента на валу четырехфазного реактивного индукторного электродвигателя и соответствующих вибраций руля (Патент США N 5623409). A technical solution is known that contains a torque sensor that measures the moment on the steering wheel and provides the corresponding output signals, means for providing the signal of the required compensating moment, having a value functionally related to the moment applied to the steering wheel, an electric motor containing a gear stator with windings and a gearless winding rotor, kinematically connected with the steering wheel and able, if necessary, to create the required compensating moment to reduce the force on the steering wheel, a vehicle speed sensor, measuring motor speed and providing the corresponding output signals, the rotor position sensor of the electric motor, recording the angular position of the rotor relative to the stator and providing the corresponding output signals, the rotor speed sensor of the electric motor rotor, measuring the rotation speed and providing the corresponding output signals, the electric motor control unit that generates based on signals from the rotor speed sensor, rotor position sensor, speed sensor I have a car and a torque sensor for power control signals for the motor windings. Based on the signal from the rotor speed sensor, current control of the electric motor is implemented, which provides a high level of output characteristics. In particular, in this way, the problem of significantly reducing the pulsations of the moment on the shaft of the four-phase reactive induction electric motor and the corresponding steering vibrations is solved (US Patent No. 5623409).
Недостатком данного технического решения является необходимость применения в данном сервоприводе датчика скорости вращения ротора электродвигателя. Датчик скорости вращения представляет собой достаточно сложный узел, к точности и качеству выходных сигналов которого предъявляются высокие требования. Его применение повышает стоимость сервопривода и увеличивает его габариты. The disadvantage of this technical solution is the necessity of using a rotary speed sensor of the rotor of the electric motor in this servo drive. The rotation speed sensor is a rather complex unit, high demands are placed on the accuracy and quality of the output signals of which. Its use increases the cost of the servo and increases its dimensions.
Предлагаемое изобретение направлено на упрощение конструкции сервопривода за счет применения трехфазного реактивного индукторного электродвигателя со специально сформированной геометрией зубцовой зоны. The present invention is aimed at simplifying the design of the servo drive through the use of a three-phase reactive induction electric motor with a specially formed tooth zone geometry.
Решение указанной задачи обеспечивается устройством сервопривода, содержащего датчик момента на валу механизма, электродвигатель, кинематически связанный с валом механизма и содержащий зубчатый статор с обмоткой и зубчатый безобмоточный ротор, датчик положения ротора электродвигателя, блок управления электродвигателем, задающее устройство, формирующее необходимые сигналы для блока управления электродвигателем, в котором, согласно изобретению электродвигатель выполнен трехфазным с числом зубцов на статоре - 12, на роторе - 8, магнитная система электродвигателя выполнена со взаимным скосом зубцов ротора и статора на величину (0,05...0,25)t2, при этом ширина коронки зубцов статора по воздушному зазору bz1 = (0,3...0,36)t2, а ротора - bz2 = (0,39...0,45)t2, где t2 - зубцовый шаг по ротору.The solution to this problem is provided by a servo device containing a torque sensor on the shaft of the mechanism, an electric motor kinematically connected to the shaft of the mechanism and containing a gear stator with a winding and a gearless winding rotor, a position sensor of the rotor of the electric motor, an electric motor control unit, a driver that generates the necessary signals for the control unit an electric motor, in which, according to the invention, the electric motor is made three-phase with the number of teeth on the stator - 12, on the rotor - 8, magnetic the electric motor system is made with a mutual beveling of the teeth of the rotor and stator by the amount of (0.05 ... 0.25) t 2 , while the width of the crown of the stator teeth in the air gap b z1 = (0.3 ... 0.36) t 2 , and of the rotor - b z2 = (0.39 ... 0.45) t 2 , where t 2 is the tooth pitch along the rotor.
В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером выполнения применительно к электроусилителю руля автомобиля со ссылкой на чертежи, на которых показаны:
Фиг. 1 - структурная схема электроусилителя руля автомобиля;
Фиг. 2 - сервопривод в разрезе;
Фиг. 3 - поперечное сечение трехфазного реактивного индукторного электродвигателя;
Фиг. 4 - фрагмент зубцовой зоны электродвигателя;
Фиг. 5 - продольный вид ротора со скосом зубцов;
Фиг. 6 - зависимость требуемого компенсирующего момента сервопривода от момента на руле при разных значениях скорости автомобиля;
Фиг. 7 - диск датчика положения ротора;
Фиг. 8 - диаграммы фазных токов и сигналов датчика положения ротора;
Фиг. 9 - диаграммы результирующего и фазных составляющих момента двигателя.The invention is further illustrated by a specific example of implementation in relation to an electric power steering of a car with reference to the drawings, which show:
FIG. 1 is a structural diagram of an electric power steering car;
FIG. 2 - sectional servo drive;
FIG. 3 is a cross section of a three-phase reactive induction electric motor;
FIG. 4 - a fragment of the tooth zone of the electric motor;
FIG. 5 is a longitudinal view of a rotor with bevel teeth;
FIG. 6 - dependence of the required compensating moment of the servo on the moment on the steering wheel at different values of the vehicle speed;
FIG. 7 - a disk of the rotor position sensor;
FIG. 8 is a diagram of phase currents and signals of a rotor position sensor;
FIG. 9 is a diagram of the resulting and phase components of the engine torque.
Электроусилитель руля автомобиля, структурная схема которого показана на фиг. 1, состоит из датчика момента, измеряющего приложенный к рулю момент и формирующего соответствующие выходные сигналы, датчика скорости автомобиля, измеряющего скорость движения автомобиля и формирующего соответствующие выходные сигналы, электродвигателя M, связанного с рулем через червячный редуктор, датчика положения ротора ДПР, регистрирующего положение ротора относительно статора и формирующего соответствующие выходные сигналы, блока управления электродвигателем, формирующего силовые сигналы на обмотках электродвигателя с учетом сигналов датчиков момента, скорости автомобиля, датчика положения ротора. The electric power steering of a car, the structural diagram of which is shown in FIG. 1, consists of a torque sensor that measures the moment applied to the steering wheel and generates the corresponding output signals, a vehicle speed sensor that measures the vehicle’s speed and generates the corresponding output signals, an electric motor M connected to the steering wheel through a worm gear, and a rotor position sensor for detecting the rotor’s position relative to the stator and generating the corresponding output signals, the motor control unit, generating power signals on the motor windings taking into account m signal points sensors, vehicle speed, rotor position sensor.
Компоновка электроусилителя показана на фиг. 2. Датчик момента размещен внутри корпуса электроусилителя и состоит из индуктивной катушки 1, перфорированных электропроводящих цилиндров 2 и 3 и торсионного вала 4. Торсионный вал 4 является упругим элементом и служит для преобразования момента, приложенного к рулю, в угловое перемещение цилиндров 2 и 3 относительно друг друга. Угловое перемещение регистрируется посредством измерения параметров катушки 1. Электродвигатель состоит из зубчатого безобмоточного ротора 5 и зубчатого статора 6 с обмотками 7. Внутри электродвигателя установлен датчик положения ротора, состоящий из перфорированного цилиндра 8 и смещенных на 120 электрических градусов датчиков 9. Вал ротора соединен шлицевым соединением с червяком 10 редуктора. Вращающий момент электродвигателя передается червяком зубчатому колесу 11 редуктора и далее через торсионный вал 4 на рулевую колонку 12. The arrangement of the electric amplifier is shown in FIG. 2. The torque sensor is located inside the electric booster housing and consists of an
Электродвигатель (фиг. 3) выполняется трехфазным с числом зубцов на статоре - 13, на роторе - 8. Зубцовая зона (см. фиг. 4) выполнена с разной шириной коронок зубцов статора 13 и зубцов ротора 14, на статоре - bz1 = (0,3.. . 0,36)t2, на роторе - bz2 = (0,39...0,45)t2. На роторе, показанном на фиг. 5, выполнен скос зубцов ротора относительно зубцов статора на величину β = (0,05...0,25)t2.
Основной алгоритм работы электроусилителя подчинен реализации характеристик, показанных на фиг. 6 и связывающих момент на руле Mр с требуемым моментом компенсации Mк, который должен быть обеспечен электроусилителем в зависимости от скорости движения автомобиля. По мере роста момента на руле Mр увеличивается момент компенсации Mк со стороны электроусилителя. В то же время при увеличении скорости движения автомобиля эффективность работы электроусилителя должна быть снижена в соответствии с заданной характеристикой (см. фиг. 6), то есть необходимый момент компенсации снижается. Это связано с тем, что наибольшие усилия к рулю прикладываются водителем при неподвижном автомобиле и во время движения с малой скоростью. На фиг. 6 характеристика G соответствует минимальной скорости движения автомобиля, характеристика A - максимальной скорости, при которой электроусилитель еще создает компенсирующий момент Mк.The electric motor (Fig. 3) is three-phase with the number of teeth on the stator - 13, on the rotor - 8. The tooth zone (see Fig. 4) is made with different widths of the crowns of the teeth of the
The main operation algorithm of the electric amplifier is subordinate to the implementation of the characteristics shown in FIG. 6 and linking the steering wheel moment M r with the required compensation moment M k , which should be provided with an electric amplifier depending on the vehicle speed. As the moment on the steering wheel M r increases, the moment of compensation M k from the side of the electric amplifier increases. At the same time, with increasing vehicle speed, the efficiency of the electric amplifier should be reduced in accordance with a given characteristic (see Fig. 6), that is, the necessary moment of compensation decreases. This is due to the fact that the driver exerts the greatest efforts on the steering wheel while the vehicle is stationary and while driving at low speed. In FIG. 6, characteristic G corresponds to the minimum vehicle speed, characteristic A corresponds to the maximum speed at which the electric amplifier still creates a compensating moment M k .
При возникновении момента на руле Mр, превышающего заданный минимальный момент Mmin, блок управления электродвигателем вырабатывает силовой управляющий сигнал, приложенный к обмоткам электродвигателя, для создания на рулевой колонке требуемого компенсирующего момента Mк в соответствии с характеристикой, показанной на фиг. 6. При этом величина сигнала на обмотке формируется с учетом сигнала датчика скорости автомобиля (см. фиг. 6), а также сигналов датчика положения ротора и датчика момента на руле Mр. Электроусилитель выполняется реверсивным в соответствии с требуемыми характеристиками (см. фиг. 6). В качестве задающего устройства, формирующего сигналы для управления электродвигателем, в данном случае используется процессор с соответствующим программным обеспечением (см. фиг. 1).When a steering moment M r exceeds a predetermined minimum moment M min , the electric motor control unit generates a power control signal applied to the motor windings to create the required compensating moment M k on the steering column in accordance with the characteristic shown in FIG. 6. In this case, the signal value on the winding is formed taking into account the signal of the vehicle’s speed sensor (see Fig. 6), as well as the signals of the rotor position sensor and the torque sensor on the steering wheel M r . The electric amplifier is reversible in accordance with the required characteristics (see Fig. 6). In this case, a processor with appropriate software is used as a driver, generating signals for controlling the electric motor (see Fig. 1).
Датчик положения имеет наиболее простое исполнение в виде сдвинутых друг относительно друга на 120 электрических градусов трех датчиков на основе эффекта Холла и показанного на фиг. 7 перфорированного цилиндра с числом перфораций, равным числу зубцов ротора, в данном случае - 8. При вращении ротора датчик положения выдает три сигнала d-A, d-B и d-C, сдвинутые также на 120 электрических градусов или 1/3 периода (см. фиг. 8). The position sensor has the simplest version in the form of three sensors shifted relative to each other by 120 electrical degrees based on the Hall effect and shown in FIG. 7 of the perforated cylinder with the number of perforations equal to the number of teeth of the rotor, in this
В соответствии с сигналами ДПР блоком управления подается силовой управляющий сигнал на обмотку и по фазным катушкам протекает ток (см. фиг. 8). Причем при работе в области малых частот вращения двигателя ток в фазную катушку подается в положении для данной фазы "зубец-паз", а отключается в положении "зубец-зубец". Таким образом, длительность токового импульса составляет 180 электрических градусов или 1/2 периода, форма импульса - прямоугольная. По мере роста частоты вращения крутизна фронтов фазного тока уменьшается. Для обеспечения при указанной форме импульса тока минимального уровня пульсаций момента на валу электродвигателя и, соответственно, на руле специально сформирована геометрия зубцовой зоны. Ширина коронки зубцов статора - bz1 = (0,3...0,36)t2, ротора - bz2 = (0,39...0,45)t2. Помимо минимального уровня пульсаций выполнение зубцов с разной шириной коронок обеспечивает такую зависимость момента от угла, у которой производная момента по углу в зонах включения ("зубец-паз") и отключения тока ("зубец-зубец") наименьшая по абсолютному значению (см. фиг. 9). Это обеспечивает снижение чувствительности пульсаций момента как к неточности включения и отключения тока в указанных положениях ротора, так и к заваливанию нарастающего и спадающего фронтов тока по мере увеличения частоты вращения. Положительное влияние на снижение пульсаций имеет выполнение взаимного скоса зубцов статора и ротора на величину (0,05...0,25)t2 (см. фиг. 5).In accordance with the signals of the DPR, the control unit supplies a power control signal to the winding and current flows through the phase coils (see Fig. 8). Moreover, when operating in the region of low engine speeds, current is supplied to the phase coil in the position for the tooth-groove phase, and is turned off in the position "tooth-tooth". Thus, the duration of the current pulse is 180 electrical degrees or 1/2 period, the shape of the pulse is rectangular. As the rotation frequency increases, the steepness of the phases of the phase current decreases. To ensure, with the specified current pulse shape, the minimum level of ripple of the moment on the motor shaft and, accordingly, on the steering wheel, the tooth zone geometry is specially formed. The width of the crown of the stator teeth is b z1 = (0.3 ... 0.36) t 2 , of the rotor is b z2 = (0.39 ... 0.45) t 2 . In addition to the minimum level of ripple, the implementation of teeth with different widths of crowns provides such a dependence of the moment on the angle for which the derivative of the moment with respect to the angle in the zones of inclusion ("tooth-groove") and disconnection of current ("tooth-tooth") is the smallest in absolute value (see Fig. 9). This ensures a decrease in the sensitivity of the ripple of the moment both to the inaccuracy of turning on and off the current in the indicated positions of the rotor, and to blocking the rising and falling edges of the current as the rotation frequency increases. A positive influence on the reduction of pulsations has the mutual beveling of the teeth of the stator and rotor by a value of (0.05 ... 0.25) t 2 (see Fig. 5).
Для снижения акустического шума, вызванного деформациями статора электродвигателя от действия магнитных сжимающих сил, предлагается применить конструкцию статора повышенной жесткости за счет увеличения порядка деформаций: с числом зубцов на статоре - 12, на роторе - 8 (см. фиг. 3). To reduce the acoustic noise caused by deformations of the stator of the electric motor from the action of magnetic compressive forces, it is proposed to use the design of the stator with increased stiffness by increasing the order of deformations: with the number of teeth on the stator - 12, on the rotor - 8 (see Fig. 3).
Таким образом, выполнение электродвигателя в трехфазном варианте с предложенными размерами коронок зубцов статора и ротора, а также применение скоса зубцов позволяет обеспечить низкий уровень пульсаций момента электродвигателя и тем самым высокое качество работы сервопривода в целом. При этом следует отметить, что для обеспечения низкого уровня пульсаций момента в предлагаемом техническом решении достаточно применения датчика положения ротора простейшей конструкции. Кроме того, не требуется использования датчика скорости вращения электродвигателя для построения системы управления, демпфирующей пульсации момента на валу механизма с помощью соответствующей обратной связи. Thus, the implementation of the electric motor in a three-phase version with the proposed sizes of the crowns of the teeth of the stator and rotor, as well as the use of bevels of the teeth, allows to provide a low level of pulsation of the motor torque and thereby the high quality of the servo drive as a whole. It should be noted that to ensure a low level of torque ripple in the proposed technical solution, it is sufficient to use a rotor position sensor of the simplest design. In addition, it does not require the use of an electric motor rotation speed sensor for constructing a control system damping the moment pulsation on the mechanism shaft using the corresponding feedback.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99100543A RU2162041C2 (en) | 1999-01-06 | 1999-01-06 | Servo drive with low torque pulsations |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99100543A RU2162041C2 (en) | 1999-01-06 | 1999-01-06 | Servo drive with low torque pulsations |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU99100543A RU99100543A (en) | 2000-10-20 |
| RU2162041C2 true RU2162041C2 (en) | 2001-01-20 |
Family
ID=20214561
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99100543A RU2162041C2 (en) | 1999-01-06 | 1999-01-06 | Servo drive with low torque pulsations |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2162041C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007024157A1 (en) * | 2005-08-19 | 2007-03-01 | Otkritoe Aktsionernoe Obschestvo 'kaluzskiy Zavod Elektronnix Izdeliy' | Car steering wheel electromechanical booster |
| WO2021133187A1 (en) * | 2019-12-23 | 2021-07-01 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" | Servomotor |
-
1999
- 1999-01-06 RU RU99100543A patent/RU2162041C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007024157A1 (en) * | 2005-08-19 | 2007-03-01 | Otkritoe Aktsionernoe Obschestvo 'kaluzskiy Zavod Elektronnix Izdeliy' | Car steering wheel electromechanical booster |
| CN101365615B (en) * | 2005-08-19 | 2011-01-12 | “卡卢斯基扎沃德电子工业”股份有限公司 | Car steering wheel electromechanical booster |
| WO2021133187A1 (en) * | 2019-12-23 | 2021-07-01 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" | Servomotor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4250657B2 (en) | How to calculate motor position | |
| JP3982739B2 (en) | Electric power steering device | |
| EP1400009B1 (en) | Extended speed range operation of permanent magnet brushless machines using optimal phase angle control in the voltage mode operation | |
| US20020047460A1 (en) | Electric power steering apparatus | |
| JP4248139B2 (en) | Position detection in brushless motor systems. | |
| US20080073995A1 (en) | Brushless motor and electric power steering apparatus incorporating the same | |
| EP2090494A1 (en) | Electric power steering device | |
| JP6443354B2 (en) | Electric braking device for vehicle | |
| EP1810910A1 (en) | Motor and power steering apparatus | |
| JP4546213B2 (en) | Motor and electric power steering device equipped with motor | |
| EP3121954A1 (en) | Electric motor control device, electric power steering device, and vehicle | |
| US6486658B2 (en) | Encoder for a permanent magnet sinusoidal brushless motor in an electric power steering system | |
| RU2162041C2 (en) | Servo drive with low torque pulsations | |
| JPH07504078A (en) | Rotational speed detection in drives for motorized vehicles | |
| RU2158692C2 (en) | Automobile steering electric servo | |
| US20090128073A1 (en) | Brushless Motor Control Method and Brushless Motor | |
| US20080197743A1 (en) | Electric Motor and Electric Power Steering Apparatus | |
| US20040211619A1 (en) | Electric steering apparatus | |
| JP3763536B2 (en) | Steering device | |
| KR101905908B1 (en) | Motor driven power steering apparatus using multiple linear motor | |
| JPH09275660A (en) | Motor | |
| RU2181091C1 (en) | Automobile electromechanical steering booster | |
| EP1862373A1 (en) | Motor and electric power steering system | |
| RU99100543A (en) | SERVO DRIVE WITH SMALL MOMENT Ripple | |
| JP4188665B2 (en) | Brushless actuator device, electric brake using the same, and transmission drive device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160107 |