BRPI1002960A2 - direct current electric motor and position and angular velocity detection system - Google Patents
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Abstract
MOTOR ELéTRICO DE CORRENTE CONTìNUA E SISTEMA DE DETECçãO DE POSIçãO E VELOCIDADE ANGULAR. A presente invenção refere-se a um motor elétrico de corrente contínua (motor DC) com sistema de detecção de posição e velocidade angular e do deslocamento provocado pelo motor elétrico em um objeto acionado por ele, o motor elétrico compreendendo: um coletor (1) com uma quantidade N de lâminas (2) axialmente dispostas na sua periferia, a quantidade N variando de duas a dez lâminas (2), e duas escovas de acionamento (E1, E3) do motor dispostas diametralmente opostas em contato com as lâminas na periferia do coletor (1), e sendo alimentadas eletricamente, uma escova de medição (E2) disposta em contato com o coletor (1), em qualquer posição na sua periferia entre as duas escovas de acionamento (E1, E3), sendo que a escova de medição (E2) realiza contato alternado com uma ou duas lâminas do coletor durante a operação do motor, sendo que o motor compreende ainda um circuito de controle possuindo um dispositivo de medição de tensão que mede a tensão gerada na escova de medição (E2) durante a rotação do coletor (1), um contador que conta a quantidade de oscilações entre os valores de pico do sinal medido na escova de medição (E2), e um medidor de tempo, o circuito de controle calcula a posição angular do motor, quando o coletor gira no sentido anti-horário e no sentido horário, fazendo divisão da quantidade de oscilações entre os valores de pico contabilizadas no sinal medido na escova de medição (E2) pela quantidade N de lâminas do coletor, e identifica o deslocamento provocado pelo motor no objeto acionado por ele com base na posição angular do motor calculada, e o circuito de controle calcula a velocidade angular do motor, dividindo o deslocamento angular calculado por um intervalo de tempo medido pelo medidor de tempo. O motor é usado para vidros elétricos em automóveis, ou motores de acionamento de limpadores de para- brisa.DIRECT CURRENT ELECTRIC MOTOR AND POSITION DETECTION SYSTEM AND ANGULAR SPEED. The present invention relates to a direct current electric motor (DC motor) with position and angular speed detection system and the displacement caused by the electric motor in an object driven by it, the electric motor comprising: a collector (1) with a number N of blades (2) axially arranged on its periphery, the number N ranging from two to ten blades (2), and two motor brushes (E1, E3) of the motor arranged diametrically opposite in contact with the blades on the periphery of the collector (1), and being electrically powered, a measuring brush (E2) disposed in contact with the collector (1), in any position on its periphery between the two driving brushes (E1, E3), the brush being measurement (E2) makes alternating contact with one or two collector blades during the operation of the motor, and the motor also comprises a control circuit having a voltage measurement device that measures the voltage generated in the brush the measurement (E2) during the rotation of the collector (1), a counter that counts the amount of oscillations between the peak values of the signal measured on the measuring brush (E2), and a time meter, the control circuit calculates the angular position of the motor, when the collector rotates counterclockwise and clockwise, dividing the amount of oscillations between the peak values recorded in the signal measured on the measuring brush (E2) by the number N of the collector blades, and identifies the displacement caused by the motor in the object driven by it based on the calculated angular position of the motor, and the control circuit calculates the angular speed of the motor, dividing the calculated angular displacement by a time interval measured by the time meter. The motor is used for electric windows in automobiles, or motors for driving windshield wipers.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MOTOR E- LÉTRICO DE CORRENTE CONTÍNUA E SISTEMA DE DETECÇÃO DE POSIÇÃO E VELOCIDADE ANGULAR".Invention Patent Descriptive Report for "DC Motor and Angular Position and Speed Detection System".
A presente invenção refere-se a um motor elétrico de corrente contínua (motor DC) e a um sistema de detecção de posição e velocidade angular e do deslocamento provocado pelo motor elétrico em um objeto a- cionado por ele. Este motor elétrico é do tipo que utiliza escovas, e é geral- mente aplicado ao acionamento de vidros elétricos em automóveis, ou moto- res de acionamento de limpadores de para-brisa, entre outros.The present invention relates to a direct current electric motor (DC motor) and a position and angular velocity detection system and the displacement caused by the electric motor on an object driven by it. This electric motor is a brushless type, and is generally applied to drive electric windows in automobiles, or windshield wiper drive motors, among others.
Descrição do estado da técnicaDescription of the prior art
Um dos desafios em motores elétricos de corrente contínua é i- dentificar de forma simples, segura e econômica a velocidade e a direção de rotação do motor, bem como a posição angular do motor. Para motores elé- tricos que controlam o deslocamento de outros componentes de um veículo, os dados de velocidade, direção e posição angular são importantes para se identificar o posicionamento e a velocidade de deslocamento do componente acionado pelo motor, e permitir um controle adequado deste deslocamento.One of the challenges in direct current electric motors is to simply, safely and cost-effectively identify the motor speed and direction of rotation as well as the angular position of the motor. For electric motors that control the displacement of other components of a vehicle, speed, direction and angular position data are important in identifying the positioning and displacement speed of the engine-driven component and allowing proper control of this displacement. .
Este é o caso, por exemplo, de motores usados para acionar mecanismos de vidros elétricos em automóveis. Atualmente,os vidros são controlados de forma que quando o controle para subir o vidro for acionado, ele suba automaticamente até fechar completamente a janela. Contudo, se houver algum obstáculo no caminho, por exemplo, a mão de uma pessoa, o vidro deve encostar nesse obstáculo e voltar a descer, para evitar de pren- der a mão entre o vidro e a armação da janela na porta do automóvel e cau- sar lesões. Por isso, é importante poder identificar a posição do vidro, para controlar a descida e a subida do vidro se ele encontrar um obstáculo.This is the case, for example, of engines used to drive electric window mechanisms in automobiles. Currently, the windows are controlled so that when the glass up control is activated, it automatically rises until the window is completely closed. However, if there is any obstacle in the way, for example, a person's hand, the glass should touch that obstacle and come back down to avoid trapping your hand between the glass and the window frame on the car door and cause injury. It is therefore important to be able to identify the position of the glass to control the falling and rising of the glass if it encounters an obstacle.
Os sistemas da técnica anterior utilizam sensores hall que captu- ram o campo magnético do imã circular alojado no eixo do motor elétrico, e identificam a posição do vidro através do campo magnético detectado. Con- tudo, o uso de sensor hall implica em elevação de custos do equipamento, uma vez que é necessário utilizar o sensor, um anel magnético no induzido do motor, além de resistores, mais escovas, cabos para alimentar o sensor e capturar dados e uma placa para o circuito funcionar. Além disso, a precisão alcançada pelo sensor hall para posicionamento de vidro é relativamente baixa.Prior art systems utilize hall sensors that capture the magnetic field of the circular magnet housed in the electric motor shaft, and identify the position of the glass through the detected magnetic field. However, the use of a hall sensor results in increased equipment costs, as it is necessary to use the sensor, a magnetic ring on the motor armature, plus resistors, more brushes, cables to power the sensor and capture data and a board for the circuit to work. In addition, the accuracy achieved by the hall sensor for glass positioning is relatively low.
Alguns sistemas da técnica anterior também se baseiam na osci- lação da corrente do motor para identificar a posição do vidro. Neste caso, a corrente de saída do motor fica sendo monitorada e sua oscilação (ripple) é medida, através da qual a posição angular do motor é identificada. Mas a oscilação da corrente em geral é pequena e de baixa amplitude, por isso é preciso utilizar muitos outros componentes para tratar, amplificar e interpre- tar a corrente de saída que é muito suscetível a ruído. Tudo isso também onera bastante o sistema, e além disso, o resultado obtido é impreciso e de baixa confiabilidade.Some prior art systems also rely on motor current oscillation to identify the position of the glass. In this case, the motor output current is monitored and its ripple is measured by which the angular position of the motor is identified. But current oscillation is generally small and low in amplitude, so many other components need to be used to handle, amplify, and interpret the noise-prone output current. All this also costs the system a lot, and besides, the result obtained is inaccurate and of low reliability.
Já são conhecidos do estado da técnica alguns sistemas que uti- lizam uma escova adicional incorporada ao motor para efetuar medições relacionadas ao motor. O documento de patente EP1079232 mostra um cir- cuito de medição de velocidade de um motor elétrico que pode usar uma terceira escova adicional disposta entre as duas escovas de energização. A escova adicional preferivelmente deve ficar adjacente a uma das escovas de energização, e funciona como um sensor da velocidade do motor. O sinal gerado na escova adicional tem uma freqüência proporcional à velocidade do motor, pois ele é obtido observando-se a tensão pulsante sobre a escova adicional e a escova de energização adjacente. O sinal de tensão sobre a escova é a soma da força eletromotriz, da resistência dos enrolamentos mul- tiplicada pela corrente de armadura, e de um pulso transiente causado pela indutância inerente do enrolamento resultante da mudança de circuito elétri- co causada pela mudança de contato das escovas de alimentação. O sinal pulsante detectado na escova adicional irá variar sobre um offsetDC. O sinal produzido na escova adicional possui uma tensão de pico muito baixa e fre- qüência bastante alta. Por isso é bastante sujeito a ruído e possui harmôni- cos. Assim, é necessário um circuito eletrônico bastante complexo e oneroso para filtrar o sinal de saída e convertê-lo em um sinal quadrado que pode ser interpretado. Por utilizar um número muito grande de lâminas no coletor, es- ta técnica anterior torna o motor de utilidade mais complexo e oneroso, além de produzir um sinal ruidosoe com harmônicos, sendo de difícil interpreta- ção. Além disso, este documento não sugere o uso deste sinal para identifi- car a posição angular do motor e nem o deslocamento provocado no objeto acionado por ele.Some systems which use an additional brush incorporated into the motor for making motor related measurements are already known in the art. EP1079232 shows a speed measuring circuit of an electric motor which may use an additional third brush disposed between the two energizing brushes. The additional brush preferably should be adjacent to one of the energizing brushes, and functions as a motor speed sensor. The signal generated on the additional brush has a frequency proportional to the motor speed because it is obtained by observing the pulsating voltage on the additional brush and the adjacent energizing brush. The voltage signal on the brush is the sum of the electromotive force, the winding resistance multiplied by the armature current, and a transient pulse caused by the inherent inductance of the winding resulting from the change in electrical circuit caused by the contact change. feed brushes. The pulsating signal detected on the additional brush will vary over an offsetDC. The signal produced on the additional brush has a very low peak voltage and a very high frequency. Therefore it is very subject to noise and has harmonics. Thus, a very complex and costly electronic circuit is required to filter the output signal and convert it to a square signal that can be interpreted. Because it uses a large number of blades in the manifold, this prior art makes the utility motor more complex and costly, and produces a noisy and harmonic signal and is difficult to interpret. Furthermore, this document does not suggest the use of this signal to identify the angular position of the motor or the displacement caused by the object driven by it.
O documento de patente FR 2791486 descreve um motor elétri- co que usa um coletor com diversas lâminas e três escovas. Duas escovas diametralmente opostas fazem a alimentação do motor. A terceira escova não está conectada à fonte de alimentação. Ela também está em contato com o coletor e é responsável por estabelecer um contato elétrico entre duas lâminas adjacentes que passam na sua frente, ou seja, quando ela estiver em contato com duas lâminas ao mesmo tempo. Este curto-circuito estabe- lecido entre duas lâminas modifica o fluxo de campo magnético naquela re- gião do coletor e gera um pulso na corrente contínua que atravessa o cole- tor. Para identificar a posição angular do motor, é medida então a corrente elétrica sobre o coletor. A utilização da corrente para identificar a posição angular do motor é inconveniente, pois exige etapas de processamento adi- cionais, exige a conversão para tensão, e implica no uso de processadores mais complexos e onerosos.FR 2791486 describes an electric motor using a multi-blade manifold and three brushes. Two diametrically opposed brushes feed the motor. The third brush is not connected to the power supply. She is also in contact with the collector and is responsible for making electrical contact between two adjacent blades passing in front of her, ie when she is in contact with two blades at the same time. This short circuit between two blades modifies the magnetic field flux in that collector region and generates a pulse in the direct current through the collector. To identify the angular position of the motor, the electric current over the collector is then measured. Using current to identify the angular position of the motor is inconvenient as it requires additional processing steps, requires conversion to voltage, and involves the use of more complex and costly processors.
O documento de patente EP 0359855 descreve um dispositivo de medição de velocidade/posição do motor DC que utiliza uma terceira es- cova de medição disposta entre as duas escovas de energização, sendo que a terceira escova deve estar mais próxima de uma das escovas de energiza- ção do que da outra. O espaçamento entre a escova de medição e a escova de energização mais próxima deve ser maior do que o espaçamento entre duas lâminas do comutador, porém a largura de cada lâmina deve ser maior do que o espaço entre as escovas, para poder fazer o contato elétrico entre elas. Um dispositivo de avaliação mede a diferença de tensão entre a esco- va de energização mais próxima e a escova de medição, e também entre esta última e a escova de energização mais distante, e identifica o número de voltas do rotor com base nesse sinal de saída.EP 0359855 describes a DC motor speed / position measuring device that utilizes a third measuring brush disposed between the two energizing brushes, the third brush having to be closer to one of the energizing brushes. - tion than of the other. The spacing between the measuring brush and the nearest energizing brush must be greater than the spacing between two commutator blades, but the width of each blade must be greater than the space between the brushes in order to make electrical contact. between them. An evaluation device measures the voltage difference between the nearest energizing brush and the measuring brush, as well as between the latter and the most distant energizing brush, and identifies the number of rotor turns based on this signal. output.
Nota-se, portanto, que alguns documentos do estado da técnica apresentam limitações no sentido de que a terceira escova de medição, quando presente, deve estar posicionada em localizações precisas em rela- ção às outras escovas, para permitir a medição da velocidade, ou são base- adas em medição de corrente, que é desvantajoso, pois aumenta a comple- xidade do processamento de dados, ou então exigem a medição de tensão ou corrente também nas outras escovas do motor, para calcular estes parâ- metros com base em diferenças de valores de tensão e corrente. Outros do- cumentos do estado da técnica que geram um sinal de saída muito ruidoso não visam identificar o deslocamento e a posição angular do motor, sendo focados somente na identificação da velocidade de rotação. Objetivos da invençãoIt is therefore noted that some prior art documents have limitations in that the third measuring brush, when present, must be positioned in precise locations relative to the other brushes to allow speed measurement, or are based on current measurement, which is disadvantageous as it increases the complexity of data processing, or require the measurement of voltage or current in the other motor brushes to calculate these parameters based on differences. of voltage and current values. Other prior art documents that generate a very noisy output signal are not intended to identify the displacement and angular position of the motor, but focus solely on identifying the speed of rotation. Objectives of the invention
E um objetivo da invenção proporcionar um motor elétrico e um sistema de medição de posição e velocidade angular que seja econômico e confiável, eliminando sensores e demais componentes que oneram o siste- ma.It is an object of the invention to provide an economical and reliable electric motor and angular position and velocity measuring system by eliminating sensors and other components that burden the system.
Um outro objetivo da invenção é proporcionar um sistema de medição que identifique o deslocamento proporcionado pelo motor elétrico em um dispositivo acionado por ele, e que seja capaz de obter resultados igualmente confiáveis para casos em que o coletor gira no sentido horário e casos em que ele gira no sentido anti-horário.Another object of the invention is to provide a measuring system that identifies the displacement provided by the electric motor in a device driven by it, and which is capable of obtaining equally reliable results for cases where the collector rotates clockwise and when it rotates counterclockwise.
Breve descrição da invençãoBrief Description of the Invention
Os objetivos da invenção são alcançados por meio de um motor elétrico de corrente contínua com sistema de detecção de posição e veloci- dade angular e do deslocamento provocado pelo motor elétrico em um obje- to acionado por ele, o sistema de detecção compreendendo um circuito de controle, e o motor elétrico possuindo:The objects of the invention are achieved by means of a direct current electric motor with position and angular velocity detection system and the displacement caused by the electric motor in an object driven by it, the detection system comprising a circuit of control, and the electric motor having:
um coletor com uma quantidade N de lâminas axialmente dis- postas na sua periferia, e duas escovas de acionamento do motor dispostas diametralmente opostas em contato com as lâminas na periferia do coletor, e sendo alimentadas eletricamente,one collector with an amount N of axially disposed blades at its periphery, and two diametrically opposed motor drive brushes in contact with the blades at the periphery of the collector and being electrically fed,
uma escova de medição disposta em contato com o coletor, em qualquer posição na sua periferia entre as duas escovas de acionamento, sendo que a escova de medição realiza contato alternado com uma ou duas lâminas do coletor durante a operação do motor, sendo que a quantidade N de lâminas axialmente dispostas na periferia do coletor está compreendida entre duas a dez lâminas.a measuring brush arranged in contact with the collector at any position on its periphery between the two drive brushes, the measuring brush making alternate contact with one or two collector blades during motor operation, the amount of N of blades axially disposed at the periphery of the collector is comprised between two to ten blades.
Preferivelmente1 o coletor compreende N igual a 10 lâminas. O circuito de controle mede o sinal de tensão gerado sobre a escova de medi- ção e detecta diretamente através da quantidade de oscilações do sinal de tensão a posição angular do motor e a quantidade de voltas efetuadas pelo coletor ao redor do eixo.Preferably the collector comprises N equal to 10 blades. The control circuit measures the voltage signal generated on the measuring brush and detects directly through the amount of voltage signal oscillations the angular position of the motor and the number of turns made by the collector around the axis.
O circuito de controle é preferivelmente pré-programado com in- formações de qual é a distância do deslocamento provocado pelo motor elé- trico no objeto acionado por ele, quando de uma volta completa do coletor ao redor do eixo.The control circuit is preferably preprogrammed with information on how far the electric motor displaces the object driven by it when the collector is completely rotated around the axis.
Os objetivos da invenção são também alcançados por meio de um sistema de detecção de posição e velocidade angular e do deslocamento provocado por um motor elétrico em um objeto acionado por ele, o sistema sendo aplicado a um motor elétrico do tipo aqui descrito, sendo que o siste- ma compreende um circuito de controle possuindo um dispositivo de medi- ção de tensão que mede uma tensão variável gerada na escova de medição durante a rotação do coletor, um contador que conta a quantidade de oscila- ções entre os valores de pico do sinal medido na escova de medição, e um medidor de tempo,The objects of the invention are also achieved by means of a position and angular velocity detection system and the displacement caused by an electric motor on an object driven by it, the system being applied to an electric motor of the type described herein, the The system comprises a control circuit having a voltage measuring device that measures a variable voltage generated on the measuring brush during collector rotation, a counter that counts the amount of oscillations between the signal peak values. measured on the measuring brush, and a time meter,
o circuito de controle calcula a posição angular do motor, quando o coletor gira no sentindo anti-horário e no sentido horário, fazendo divisão da quantidade de oscilações entre os valores de pico contabilizadas no sinal medido na escova de medição (E2) pela quantidade N de lâminas do coletor, e identifica o deslocamento provocado pelo motor no objeto acionado por ele com base na posição angular do motor calculada, eThe control circuit calculates the angular position of the motor when the collector rotates counterclockwise and clockwise, dividing the amount of oscillations between the peak values recorded in the measured signal on the measuring brush (E2) by the amount N collector blades, and identifies the displacement caused by the motor on the driven object based on the calculated angular position of the motor, and
o circuito de controle calcula a velocidade angular do motor divi- dindo a posição angular calculada por um intervalo de tempo medido pelo medidor de tempo.The control circuit calculates the angular velocity of the motor by dividing the calculated angular position by a time interval measured by the time meter.
Preferivelmente, quando o circuito de controle detecta uma quantidade N de oscilações entre os valores de pico no sinal medido na es- cova de medição, ele computa uma volta do motor.Preferably, when the control circuit detects an amount N of oscillations between the peak values in the measured signal in the measuring brush, it computes one revolution of the motor.
O circuito de controle pode ser pré-programado com informa- ções de qual o deslocamento provocado pelo motor elétrico no objeto acio- nado por ele, quando de uma volta completa do coletor ao redor do eixo, sendo que o circuito calcula o deslocamento provocado no objeto acionado pelo motor multiplicando o número de voltas dadas pelo coletor pelo deslo- camento provocado no objeto quando de uma volta.The control circuit can be pre-programmed with information about the displacement caused by the electric motor in the object driven by it, when a complete turn of the collector around the axis, and the circuit calculates the displacement caused by the electric motor. motor-driven object by multiplying the number of turns the collector has given by the displacement of the object in one revolution.
Breve descrição dos desenhosBrief Description of Drawings
A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descri- ta com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram:The present invention will hereinafter be described in more detail based on an exemplary embodiment shown in the drawings. The figures show:
figura 1 - é uma vista esquemática de um coletor de motor elétri- co com três escovas de acordo com uma modalidade da presente invenção;Figure 1 is a schematic view of a three-brushed electric motor manifold according to one embodiment of the present invention;
figura 2 - é uma vista superior do motor elétrico com três esco- vas de acordo com uma modalidade da presente invenção;Figure 2 is a top view of the three-brushed electric motor according to one embodiment of the present invention;
figura 3A - é uma vista esquemática do motor elétrico com três escovas e com o sistema de medição da presente invenção, mostrando a escova de medição em uma primeira posição, e os valores de resistência e tensão resultantes desta primeira posição da escova;Figure 3A is a schematic view of the three-brushed electric motor and measuring system of the present invention showing the measuring brush in a first position, and the resistance and stress values resulting from this first brush position;
figura 3B - é uma vista esquemática do motor elétrico com três escovas e com o sistema de medição da presente invenção, mostrando a escova de medição em uma segunda posição, e os valores de resistência e tensão resultantes desta segunda posição da escova;Figure 3B is a schematic view of the three-brushed electric motor and measuring system of the present invention showing the measuring brush in a second position, and the resistance and stress values resulting from this second brush position;
figura 4 - é um gráfico mostrando o comportamento da tensão de saída medida sobre a escova de medição, durante o funcionamento do mo- tor elétrico da presente invenção.Figure 4 is a graph showing the behavior of the measured output voltage on the measuring brush during operation of the electric motor of the present invention.
Descrição detalhada das figurasDetailed Description of the Figures
A figura 1 mostra esquematicamente o motor elétrico de corrente contínua com três escovas com sistema de detecção da presente invenção. Nesta figura, é mostrado um coletor 1 do motor elétrico de corrente contínua, o qual compreende uma pluralidade de lâminas 2 axialmente dispostas na sua periferia. Nesta modalidade preferida da invenção, o coletor possui 10 lâminas de igual largura distribuídas ao redor de toda a periferia do coletor. Porém, de acordo com a invenção, a quantidade de lâminas N do coletor pode variar entre 2 e 10 lâminas.Figure 1 shows schematically the three-brush DC electric motor with detection system of the present invention. In this figure, a collector 1 of the direct current electric motor is shown which comprises a plurality of blades 2 axially disposed at its periphery. In this preferred embodiment of the invention, the collector has 10 equal width blades distributed around the entire periphery of the collector. However, according to the invention, the amount of collector blades N may range from 2 to 10 blades.
Este motor elétrico é acionado com o auxílio de duas escovas de acionamento E1 e E3, as quais são alimentadas eletricamente de modo a causar uma rotação do coletor ao redor do seu eixo. Estas escovas são po- sicionadas bem próximas ao coletor do motor, em contato com as lâminas, e ficando localizadas em posições diametralmente opostas em relação à peri- feria do coletor.This electric motor is driven with the aid of two drive brushes E1 and E3, which are electrically powered to cause the collector to rotate around its axis. These brushes are positioned very close to the motor manifold, in contact with the blades, and are located in diametrically opposite positions relative to the collector periphery.
Uma terceira escova E2 é ainda provida no sistema de acordo com a invenção, a qual serve exclusivamente para medição de uma tensão de saída. A escova de medição E2 é disposta na periferia do coletor, em qualquer posição entre as duas escovas de acionamento E1 e E3, e estabe- lecendo contato com as lâminas 2 do coletor 1.A third brush E2 is further provided in the system according to the invention which serves exclusively for measuring an output voltage. The measuring brush E2 is arranged on the periphery of the collector, in any position between the two drive brushes E1 and E3, and making contact with the collector 1 blades 2.
Como pode ser visto nas figuras 3A e 3B, a escova de medição E2 possui dimensões tais que permitem que ela realize contato com uma única lâmina 2 ou simultaneamente com duas lâminas 2 do coletor 1 durante a operação do motor, dependendo da posição do coletor. Em uma primeira posição do coletor mostrada na figura 3A, a escova de medição E2 estabe- lece contato com duas lâminas adjacentes simultaneamente. Já em uma posição mostrada na figura 3B, a escova de medição estabelece contato com apenas uma lâmina do coletor. O contato da escova E2 com uma ou duas lâminas vai variando à medida que o coletor 1 gira, tanto em sentido horário como em anti-horário.As can be seen from figures 3A and 3B, the measuring brush E2 has dimensions such that it can make contact with a single blade 2 or simultaneously with two collector 1 blades 2 during motor operation, depending on the position of the collector. In a first collector position shown in figure 3A, the measuring brush E2 makes contact with two adjacent blades simultaneously. Already in a position shown in figure 3B, the measuring brush makes contact with only one collector blade. The contact of brush E2 with one or two blades varies as collector 1 rotates clockwise and counterclockwise.
O motor elétrico de corrente contínua de acordo com a invenção possui ainda um sistema de medição dotado de um circuito de controle (não ilustrado) que é responsável por medir a tensão sobre a escova de medição E2 e, com base na análise deste sinal de tensão, este circuito de controle realiza a detecção da posição angular do motor elétrico, bem como do des- locamento provocado pelo motor elétrico em um objeto acionado por ele. O circuito pode ainda medir a velocidade de rotação do motor elétrico, entre outros parâmetros possíveis. O circuito compreende então um medidor de tensão que mede a tensão gerada na escova de medição E2 durante a rota- ção do coletor 1, um contador que conta a quantidade de oscilações entre os valores de pico do sinal medido na escova de medição (E2), e um medidor de tempo.The direct current electric motor according to the invention also has a measuring system with a control circuit (not shown) which is responsible for measuring the voltage on the measuring brush E2 and, based on the analysis of this voltage signal. , this control circuit detects the angular position of the electric motor as well as the displacement caused by the electric motor in an object driven by it. The circuit can also measure the speed of rotation of the electric motor, among other possible parameters. The circuit then comprises a voltage meter that measures the voltage generated on the measuring brush E2 during the rotation of the collector 1, a counter that counts the amount of oscillations between the peak values of the measured signal on the measuring brush (E2). , and a time meter.
A escova de medição E2 não é alimentada eletricamente. No en- tanto, como ela está em contato com as lâminas do coletor, por onde flui cor- rente elétrica, uma tensão elétrica é gerada sobre a escova de medição E2. Esta tensão pode ser medida por meio de um medidor de tensão do circuito de controle, como mencionado anteriormente.The measuring brush E2 is not electrically powered. However, as it is in contact with the collector blades, through which electric current flows, an electrical voltage is generated on the measuring brush E2. This voltage can be measured by means of a control circuit voltage meter as mentioned above.
A tensão sobre a escova de medição E2 varia quando ela está em contato com uma ou duas lâminas do coletor, conforme mostrado na modalidade da invenção ilustrada nas figuras 3A e 3B. Quando a escova estabelece contato com duas lâminas 2 do coletor 1, a resistência formada entre a escova de polarização E1 e a escova de medição E2 é menor do que a resistência formada entre estas duas escovas E1 e E2, quando a escova de medição estabelece contato com apenas uma lâmina 2 do coletor. Quan- do do contato da escova E2 com duas lâminas adjacentes, a resistência formada é menor, pois o circuito funciona como se as duas resistências das lâminas fossem colocadas em paralelo, reduzindo o valor da resistência e- quivalente.The tension on the measuring brush E2 varies when it is in contact with one or two collector blades as shown in the embodiment of the invention illustrated in figures 3A and 3B. When the brush makes contact with two collector 1 blades 2, the resistance formed between the bias brush E1 and the measuring brush E2 is less than the resistance formed between these two brushes E1 and E2, when the measuring brush makes contact with only one collector blade 2. When the brush E2 contacts two adjacent blades, the resistance formed is lower, since the circuit works as if the two blade resistors were placed in parallel, reducing the equivalent resistance value.
Em virtude dessa variação da resistência, a tensão sobre a es- cova de medição E2 vai variar proporcionalmente, gerando um sinal oscilan- te conforme mostrado na figura 4. Como tensão e resistência são diretamen- te proporcionais entre si, quando a resistência é maior, a tensão medida na escova E2 é também maior. Quando a resistência é menor, a tensão medida na escova E2 também diminui.Due to this resistance variation, the voltage on the measuring brush E2 will vary proportionally, generating an oscillating signal as shown in figure 4. As voltage and resistance are directly proportional to each other, when the resistance is higher , the voltage measured on brush E2 is also higher. When resistance is lower, the voltage measured on brush E2 also decreases.
Consequentemente, à medida que o coletor 1 vai girando, a es- cova de medição E2 vai estabelecendo contato alternativamente com ape- nas uma lâmina ou com duas lâminas simultaneamente, causando as oscila- ções na tensão de saída medida na escova E2. A disposição usada neste motor elétrico com sistema de medição permite gerar um sinal sobre a esco- va de medição com níveis de tensão altos, com baixos níveis de ruído e livre de harmônicos, dispensando o uso de amplificadores de sinais complexos, limitadores de tensão e filtros para tratar o sinal medido e medir os parâme- tros desejados.Consequently, as the collector 1 rotates, the measuring brush E2 alternately contacts only one blade or two blades simultaneously, causing the output voltage measured on brush E2 to fluctuate. The arrangement used in this electric motor with measuring system allows a signal to be generated on the measuring brush with high voltage levels, low noise and harmonic free, without the need for complex signal amplifiers, voltage limiters and filters to treat the measured signal and measure the desired parameters.
De acordo com a modalidade meramente exemplificativa da in- venção mostrada nas figuras 3A e 3B, as escovas de acionamento são ali- mentadas com uma tensão de 13,5 V em corrente contínua. Quando a esco- va toca em apenas uma lâmina, então a resistência entre as escovas E1 e E2 é de cerca de 0,680 Ohm, e a tensão teórica medida em E2 seria de a- proximadamente 7,94V, conforme mostra a figura 3A.According to the merely exemplary embodiment of the invention shown in figures 3A and 3B, the drive brushes are fed with a voltage of 13.5 V in direct current. When the brush touches only one blade, then the resistance between brushes E1 and E2 is about 0.680 Ohm, and the theoretical voltage measured at E2 would be approximately 7.94V, as shown in Figure 3A.
Quando a escova E2 toca em duas lâminas adjacentes, a resis- tência entre as escovas E1 e E2 é de cerca de 0,479 Ohm, e a tensão teóri- ca medida em E2 seria de aproximadamente 5,93V, conforme mostra a figu- ra 3B. Assim, o sinal de tensão de saída medido sobre a escova de medição E2 oscila entre aproximadamente 6V e 8V. Além disso, o sinal gerado possui baixo ruído e é livre de harmônicos. Mesmo o eventual ruído presente não chegaria a interferir na identificação das oscilações entre os valores de pico de 6V e 8V. Dessa forma, o sistema de acordo com a invenção possui alta confiabilidade e boa imunidade a erros de medição.When brush E2 touches two adjacent blades, the resistance between brush E1 and E2 is about 0.479 Ohm, and the theoretical voltage measured at E2 would be approximately 5.93V, as shown in Figure 3B. . Thus, the output voltage signal measured on the measuring brush E2 ranges from approximately 6V to 8V. In addition, the generated signal has low noise and is free of harmonics. Even any noise present would not interfere with the identification of oscillations between the peak values of 6V and 8V. Thus, the system according to the invention has high reliability and good immunity to measurement errors.
A quantidade de oscilações entre os valores de pico no sinal cor- responde então â quantidade de lâminas que passaram pela escova de me- dição E2 e estabeleceram contato com a mesma. Então, o circuito de contro- le identifica a posição angular do motor, fazendo divisão da quantidade de oscilações entre os valores de pico contabilizadas no sinal medido na esco- va de medição E2 pela quantidade N de lâminas do coletor, e identifica o deslocamento provocado pelo motor no objeto acionado por ele com base na posição angular do motor. O mesmo cálculo pode ser realizado quando o coletor gira no sentido anti-horário e no sentido horário.The amount of oscillation between the peak values in the signal then corresponds to the number of blades that passed through the measuring brush E2 and made contact with it. The control circuit then identifies the angular position of the motor, dividing the amount of oscillations between the peak values accounted for in the measured signal at the E2 measuring sink by the number N of the collector blades, and identifies the displacement caused motor on the object driven by it based on the angular position of the motor. The same calculation can be performed when the collector rotates counterclockwise and clockwise.
Assim, na modalidade da invenção ilustrada nas figuras 1 a 3, se o coletor possuir 10 lâminas, quando a tensão de saída oscila 10 vezes entre os valores de pico, isso significa que o coletor deu uma volta completa no seu eixo de rotação. Assim, o circuito de medição pode ir computando ao longo do tempo quantas oscilações entre os valores de pico de tensão foram detectadas e quantas voltas o coletor deu. Esta contagem de oscilações en- tre os valores de pico e de voltas é feita pelo contador do circuito de contro- le. O medidor de tempo mede o tempo em que o coletor deu um determina- do número de voltas, para permitir o cálculo da velocidade angular.Thus, in the embodiment of the invention illustrated in Figures 1 to 3, if the collector has 10 blades, when the output voltage oscillates 10 times between the peak values, this means that the collector has completely rotated its axis of rotation. Thus, the measuring circuit can compute over time how many oscillations between peak voltage values were detected and how many turns the collector gave. This oscillation count between the peak and lap values is made by the control circuit counter. The time meter measures the time the collector has taken a certain number of turns to allow the angular velocity to be calculated.
Consequentemente, sabendo o número de voltas completas e parciais que o coletor deu ao redor do seu eixo, o circuito de controle pode identificar qual foi o deslocamento provocado pelo motor elétrico em um ob- jeto acionado por ele. Além disso, sabendo o número de voltas ou o deslo- camento angular do coletor em um determinado intervalo de tempo medido pelo medidor de tempo, o circuito de controle identifica a velocidade angular do motor dividindo o deslocamento angular calculado pelo correspondente intervalo de tempo medido pelo medidor de tempo.Consequently, by knowing the number of full and partial turns the collector has rotated around its axis, the control circuit can identify the displacement caused by the electric motor in an object driven by it. In addition, knowing the number of turns or angular displacement of the collector over a given time interval measured by the time meter, the control circuit identifies the angular speed of the motor by dividing the calculated angular displacement by the corresponding time interval measured by the time meter. time meter.
O uso de até 10 lâminas no coletor contribui para a geração de um sinal ótimo, com uma freqüência de oscilação mais baixa, livre de har- mônicos e com menos ruído do que os sinais gerados a partir de coletores que possuem um número maior de lâminas, do tipo descrito no estado da técnica. Isto permite que o sistema de detecção do motor elétrico contabilize o número de oscilações sem necessidade de filtragem prévia, e identifique a posição e a velocidade angular do motor, bem como o deslocamento corres- pondente provocado pelo motor no objeto por ele acionado. A maioria dos motores mostrados nos documentos do estado da técnica não tem a finali- dade de identificar a posição angular do motor e o correspondente desloca- mento do objeto acionado por ele, pois o sinal medido sobre a escova de medição possui harmônicos que deterioram a qualidade do sinal, e dessa forma não permite este cálculo direto do deslocamento sem tratamentos adi- cionais do sinal.Using up to 10 blades in the collector contributes to the generation of an optimal signal with a lower harmonic-free oscillation frequency and less noise than signals generated from collectors that have a larger number of blades. of the type described in the prior art. This allows the electric motor detection system to account for the number of oscillations without prior filtering, and to identify the position and angular speed of the motor as well as the corresponding displacement caused by the motor on the driven object. Most motors shown in the prior art documents are not intended to identify the angular position of the motor and the corresponding displacement of the motor driven object because the signal measured on the measuring brush has harmonics that deteriorate the motor. signal quality, and thus does not allow this direct calculation of the displacement without additional signal treatments.
O sistema de detecção de acordo com a invenção funciona de forma igualmente eficaz quando o coletor gira no sentido horário ou no sen- tido anti-horário, uma vez que em qualquer um dos sentidos de rotação, ha- verá uma variação de tensão sobre o coletor equivalente à alternância de contato da escova de medição E2 com uma ou com duas lâminas 2 do cole- tor 1.The detection system according to the invention works equally effectively when the collector rotates clockwise or counterclockwise, since in either direction of rotation there will be a variation of voltage over the collector equivalent to alternating contact of measuring brush E2 with one or two blades 2 of collector 1.
Em uma modalidade preferida da invenção, o motor elétrico de corrente contínua é acoplado a um vidro da janela de um automóvel, de tal forma que o motor elétrico seja responsável por acionar e controlar o movi- mento do vidro, provocando a abertura e o fechamento da janela. Neste ca- so, o sistema de detecção do motor é utilizado para identificar o desloca- mento realizado pelo vidro quando acionado pelo motor, a fim de determinar a altura em que o vidro está posicionado. O circuito usado no sistema de detecção do motor possui informações prévias de qual é a distância do des- locamento provocado pelo motor elétrico no vidro, quando de uma rotação completa do coletor ao redor do eixo. Ao contabilizar quantas voltas comple- tas ou incompletas o coletor efetuou, o sistema é capaz de calcular quanto o vidro foi deslocado para cima ou para baixo. Esta informação é fundamental no acionamento de vidros de automóveis, pois eventualmente, quando a ja- nela está sendo fechada, o vidro encontra algum obstáculo e é obrigado a parar de subir, para evitar de pressionar este obstáculo contra a armação da janela. Porém, quando o vidro volta a ser acionado, é importante que o sis- tema conheça a altura atual do vidro, para impedir que ele se choque forte- mente contra a armação no movimento de subida. Como o sistema de de- tecção do motor funciona adequadamente em ambos os sentidos de rotação do coletor (horário ou anti-horário), então este sistema é capaz de identificar o deslocamento proporcionado pelo motor ao vidro tanto no seu movimento de subida quanto de descida.In a preferred embodiment of the invention, the direct current electric motor is coupled to a car window glass such that the electric motor is responsible for driving and controlling the movement of the glass causing opening and closing. from the window. In this case, the motor detection system is used to identify the displacement of the glass when driven by the motor to determine the height at which the glass is positioned. The circuit used in the motor detection system has prior information on how far the electric motor is displaced on the glass when the collector is completely rotated around the shaft. By accounting for how many complete or incomplete turns the collector made, the system is able to calculate how much glass has been moved up or down. This information is critical when driving car windows, because eventually when the window is being closed the window encounters an obstacle and is forced to stop rising to avoid pressing this obstacle against the window frame. However, when the glass is activated again, it is important for the system to know the current height of the glass to prevent it from bumping strongly against the frame in the upward motion. As the motor detection system works properly in both directions of collector rotation (clockwise or counterclockwise), this system is able to identify the displacement provided by the motor to the glass in both its up and down motion. .
Este mesmo motor elétrico com sistema de detecção pode ser também utilizado para acionar paletas de limpadores de para-brisa de veícu- los, por exemplo, para garantir um acionamento sincronizado entre duas pa- letas e também evitar choque entre elas. O sistema calcula o deslocamento angular da paleta de limpador provocado pelo motor e consequentemente sua posição sobre o para-brisa, com base na quantidade de oscilações entre os valores de pico do sinal de saída medido na escova de medição, e na quantidade de voltas computadas do motor elétrico.This same electric motor with detection system can also be used to drive vehicle windshield wiper blades, for example to ensure synchronized actuation between two vanes and also to avoid shock between them. The system calculates the angular displacement of the wiper palette caused by the motor and consequently its position on the windshield, based on the amount of oscillations between the peak values of the measured output signal on the measuring brush, and the number of turns computed. of the electric motor.
De um modo geral, o motor elétrico com o sistema de detecção pode ser um motor elétrico de acionamento de qualquer tipo que utilize es- covas.Generally speaking, the electric motor with the detection system can be a drive electric motor of any type using brushes.
Conforme explicado anteriormente, o sistema de medição do motor identifica a velocidade de rotação do motor, medindo a quantidade de voltas completas e parciais que o coletor dá ao redor do eixo em um deter- minado intervalo de tempo. Portanto, diferentemente dos motores do estado da técnica, a velocidade de rotação do motor não é calculada com base na freqüência do sinal medido sobre a escova, mas sim na quantidade de rota- ções do coletor contabilizadas pelo sistema de medição.As explained earlier, the motor measuring system identifies the engine's rotational speed by measuring the amount of full and partial turns that the collector rotates around the axis over a given time frame. Therefore, unlike state-of-the-art motors, the motor rotation speed is not calculated based on the frequency of the signal measured on the brush, but rather on the amount of collector rotations accounted for by the measuring system.
Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, de- ve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possí- veis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações a- pensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.Having described an example preferred embodiment, it is to be understood that the scope of the present invention encompasses other possible variations and is limited only by the content of the appended claims, including the possible equivalents thereof.
Claims (7)
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Family Applications (1)
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