Датчик абсолютного углового положения рулевого колеса

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ДАТЧИК АБСОЛЮТНОГО УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ РУЛЕВОГО КОЛЕСА(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Датчик абсолютного углового положения рулевого колеса, содержащий корпус, механизм передачи вращения колонки рулевого колеса, два постоянных магнита, один из которых установлен с возможностью вращения, по крайней мере один неподвижный магниточувствительный элемент, вырабатывающий аналоговый сигнал, через АЦП подаваемый на вход микроконтроллера,шину интерфейса, отличающийся тем, что корпус выполнен цилиндрическим полым с внутренней резьбой, в который вкручен немагнитный палец, на одном торце которого выполнен паз прямоугольной формы, в пазу без люфта размещен шток в форме прямоугольного параллелепипеда, кинематически связанный с механизмом передачи вращения колонки рулевого колеса, а на другом торце пальца 52632009.04.30 укреплен цилиндрический магнит, установленный с возможностью вращения и совместного с пальцем осевого перемещения относительно другого цилиндрического магнита,установленного на дне корпуса соосно к первому с зазором таким образом, что магнитные полюса ориентированы навстречу друг другу, причем в зазоре между магнитами на оси симметрии размещен магниточувствительный элемент, например Холла, с возможностью регулировки заданного расстояния от торца неподвижного магнита.(56) 1. Патент РБ на изобретение 3713, МПК 01 7/30, 2000. 2. Патент РБ на изобретение 3712, МПК 01 7/30, 2000. 3. Светлана Сысоева. Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Ч. 3. Физические основы и коммерческие перспективы технологий полупроводниковых и пермаллоевых магниторезистивных датчиков // Компоненты и технологии. -4. - 2005 (прототип). Полезная модель относится к измерительному оборудованию автомобильного транспорта, в частности к электронному датчику угла поворота рулевого колеса. Датчик функционирует на эффекте Холла и может использоваться для измерения абсолютного углового положения рулевого колеса в диапазоне углов не менее 1080, непосредственно после включения зажигания даже в отсутствие перемещений руля и после кратковременных прерываний напряжения питания. Известны датчики и устройства для определения угла поворота на эффекте Холла 1 и углового положения вращающегося объекта 2, содержащие соответственно 2 и 3 неподвижные магниточувствительные элементы Холла и сложные магнитные системы к ним,расположенные на вращающемся роторе. Основным недостатком этих устройств является невозможность их непосредственного использования для определения абсолютного угла поворота рулевого колеса автомобиля при включении зажигания автомобиля (электропитания) в отсутствие перемещений руля и низкая надежность измерения угла поворота при прерывании электропитания, что является недопустимым при эксплуатации автомобильного транспорта. Повышение числа магниточувствительных элементов, взаимодействующих с источниками магнитных полей,для выработки однозначного выходного сигнала, а следовательно, и угла поворота, также снижает надежность в целом. В транспортных средствах известно применение датчика 3 (прототип) абсолютного углового положения рулевого колеса 3 с -магниточувствительными элементами, которые в принципе могут быть заменены на элементы Холла или другие магниточувствительные элементы (разработка фирмыдля использования в системах динамической стабилизации автомобиля). Поворот руля вращает шестерню, ведущую две другие шестерни, на которых установлены постоянные магниты. АМР-магниточувствительные элементы регистрируют угловые положения магнитов и вырабатывают аналоговые сигналы, через АЦП подаваемые на вход микроконтроллера. Количество зубьев в ведомых шестернях различно, что обеспечивает их вращение с разными скоростями. Сканируя оба фактических угла поворота, можно вычислить общий угол поворота руля даже без счетчика оборотов. После нескольких оборотов руля каждая шестерня возвращается в свое начальное положение. Благодаря системе шестерен обеспечивается достаточная точность измерений в угловом диапазоне 780. Угол и скорость поворота руля выводятся в формате . Количество магниточувствительных элементов не менее 2-х, и зависит архитектуры избыточности (дублирования компонент), т.е. 4,6 и т.д., которые могут не только повышать надежность функционирования, но и снижать ее при зависании микроконтроллера в следствие обработки дополнительного числа сигналов. 2 52632009.04.30 Недостатком описанного устройства является сложность механической конструкции датчика, содержащих 3 шестерни, механизм их возврата и малый уровень детектируемых магнитных полейэлементами (слабая помехозащищенность от внешних электромагнитных полей), что в целом снижает надежность функционирования датчика. Задачей, решаемой в настоящей предложенной полезной модели, является повышение надежности датчика за счет упрощения механической конструкции и уменьшения количества магниточувствительных элементов. При этом надежно определяется абсолютное угловое положение рулевого колеса в диапазоне углов не менее 1080, непосредственно после включения зажигания даже в отсутствие перемещений руля и после кратковременных прерываний напряжения питания. Решение поставленной задачи достигается тем, что датчик абсолютного углового положения рулевого колеса содержит корпус, механизм передачи вращения колонки рулевого колеса, два постоянных магнита, один из которых установлен с возможностью вращения, по крайней мере один неподвижный магниточувствительный элемент, вырабатывающий аналоговый сигнал, через АЦП подаваемый на вход микроконтроллера,шину интерфейса, отличается тем, что корпус выполнен цилиндрическим полым с внутренней резьбой, в который вкручен немагнитный палец, на одном торце которого выполнен паз прямоугольной формы, в пазу без люфта размещен шток в форме прямоугольного параллепипеда, кинематически связанный с механизмом передачи вращения колонки рулевого колеса, а на другом торце пальца укреплен цилиндрический магнит, установленный с возможностью вращения и совместного с пальцем осевого перемещения относительно другого цилиндрического магнита, установленного на дне корпуса соосно к первому с зазором, таким образом, что магнитные полюса ориентированы навстречу друг другу, причем в зазоре между магнитами на оси симметрии размещен магниточувствительный элемент, например Холла, с возможностью регулировки заданного расстояния от торца неподвижного магнита. Анализ элементов датчика, приведенных в отличительной части, показывает, что некоторые из них могут встречаться по отдельности в различных аналогах технических решений. Однако в совокупности набор этих элементов не известен, поэтому является новым. Кроме того, совокупность этих элементов придает устройству новое качество функционирования и обеспечивает полное решение поставленной задачи. Поэтому заявляемое устройство соответствует критерию новизна по действующему законодательству. На фиг. 1 представлен общий вид датчика в разрезе, на фиг. 2 - вид сверху, на фиг. 3 выходной сигнал с магниточувствительного элемента Холла как функция угла поворота макета рулевого колеса. Датчик может встраиваться в рулевую колонку и содержит полый немагнитный цилиндрический корпус 1 с внутренней резьбой, в который вкручен немагнитный палец 2, на одном конце (торце) которого выполнен паз прямоугольной формы, в паз заходит без люфта шток 3 механизма передачи вращения колонки рулевого колеса (сам механизм не показан), а на другом торце пальца 2 укреплен постоянный цилиндрический магнит 4, установленный с возможностью вращения и совместного с 2 перемещения вдоль оси симметрии цилиндрического корпуса. На дне корпуса 1 неподвижно установлен другой цилиндрический магнит 5 соосно магниту 4 и с зазором таким образом, что магнитные полюса ориентированы навстречу друг другу. Магниты изготовлены на основе редкоземельных материалов, например 5 или др. В зазоре между магнитами установлен линейный магниточувствительный элемент Холла 6 при помощи держателя 7. Держатель 7,а следовательно, и элемент Холла 6 установлен с возможностью регулировки заданного расстояния от торца неподвижного магнита 5. Разъем 8 установлен в корпусе 1 и с помощью регулировочных винтов обеспечивает регулировку расстояния между элементом 3 52632009.04.30 Холла и торцом неподвижного магнита 5, а также служит для подвода напряжения питания к элементу Холла и съема выходного аналогового сигнала, который через АЦП подается на вход микроконтроллера (эти устройства не показаны), и в дальнейшем после обработки передается пошине интерфейса в электронную систему управления движением автомобиля. Датчик работает следующим образом. Поворот руля вращает шток 3, который в одном из концов выполнен в форме прямоугольного параллепипеда и вставлен в паз прямоугольной формы пальца 2 практически без люфта, но и без трения. Вращение штока 3 вызывает вращение цилиндрического пальца 2, имеющего крупную внешнюю резьбу, и одновременное его перемещение вдоль оси на величину шага резьбы при каждом его повороте на 360. Присутствие смазки в трущихся поверхностях резьбы необходимо, однако может поддерживаться отдельным устройством в автоматическом режиме. Вращение рулевого колеса на три оборота влево или вправо (максимально возможное число оборотов),соответственно вызывает поворот цилиндрического пальца 2 в корпусе датчика 1 на угол 1080. При этом магнит постоянный 4, укрепленный на торце пальца 2, вращаясь, приближается или удаляется от неподвижного магнита 5. При этом в зазоре между магнитами меняется величина вектора индукции магнитного поля, который в месте расположения элемента Холла направлен вдоль оси симметрии цилиндрического пальца 2 (из условия симметрии магнитов). Элемент Холла 6 установлен таким образом, что при наименьшем зазоре между магнитами, который соответствует одному крайнему положению угла поворота рулевого колеса, элемент Холла значительно приближен к торцу подвижного магнита 4, что обеспечивает максимальное изменение выходного сигнала элемента Холла 6 при удалении магнита 4, что представлено на фиг. 3. Нулевое значение ЭДС Холла соответствует расположению элемента 6 строго в центре на одинаковом удалении от торцов магнитов 4 и 5. Магниточувствительный элемент Холла 6 вырабатывает однозначный, но не линейный от угла поворота руля аналоговый сигнал, который через АЦП подается на вход микроконтроллера (не показан), обрабатывается в соответствие с заложенным алгоритмом, как правило линеаризуется и передается пошине интерфейса в форме кода Грэя в электронную систему управления движением автомобиля. Следовательно, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий средство, воплощающее заявленную полезную модель, при ее осуществлении, относится к измерительному оборудованию транспорта, в частности к датчикам абсолютного углового положения рулевого колеса для заявленного датчика в том виде, как оно охарактеризовано в ниже изложенной формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов, поэтому,заявляемый датчик соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству средство, воплощающее заявленное, в совокупности своих признаков обладает новизной и при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, а именно повышения надежности, за счет упрощения механической конструкции и уменьшения количества магниточувствительных элементов. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5