BRPI1002960B1

BRPI1002960B1 - DC electric motor and position and angular speed detection system

Info

Publication number: BRPI1002960B1
Application number: BRPI1002960A
Authority: BR
Inventors: Sadi Abdelkader; Fernandes Santiago Marcelo
Original assignee: Robert Bosch Ltda
Priority date: 2010-08-27
Filing date: 2010-08-27
Publication date: 2020-04-07
Also published as: WO2012024755A3; BRPI1002960A2; WO2012024755A2

Abstract

motor elétrico de corrente contínua 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.DC electric motor and position and angular speed detection system. the present invention relates to a direct current electric motor (dc motor) with position and angle 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 with 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 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 that drive windshield wipers.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para MOTOR ELÉTRICO DE CORRENTE CONTÍNUA E SISTEMA DE DETECÇÃO DE POSIÇÃO E VELOCIDADE ANGULAR.Descriptive Report of the Invention Patent for DC POWER MOTOR AND POSITION DETECTION SYSTEM AND ANGULAR SPEED.

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 acionado por ele. Este motor elétrico é do tipo que utiliza escovas, e é geralmente aplicado ao acionamento de vidros elétricos em automóveis, ou motores de acionamento de limpadores de para-brisa, entre outros.The present invention relates to a direct current electric motor (DC motor) and a system for detecting angular speed and position and the displacement caused by the electric motor in an object driven by it. This electric motor is of the type that uses brushes, and is generally applied to drive electric windows in automobiles, or motors to drive windshield wipers, among others.

Descrição do estado da técnicaDescription of the state of the art

Um dos desafios em motores elétricos de corrente contínua é identificar de forma simples, segura e econômica a velocidade e a direção de rotação do motor, bem como a posição angular do motor. Para motores elétricos 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 identify in a simple, safe and economical way the speed and direction of rotation of the motor, as well as the angular position of the motor. For electric motors that control the displacement of other components of a vehicle, the data of speed, direction and angular position are important to identify the positioning and displacement speed of the component driven by the engine, and to allow an adequate 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 prender a mão entre o vidro e a armação da janela na porta do automóvel e causar 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 control to raise the window is activated, it automatically rises until the window is completely closed. However, if there is an obstacle on the way, for example, a person's hand, the glass should touch that obstacle and come back down, to avoid getting your hand caught between the glass and the window frame on the car door and causing injury . Therefore, it is important to be able to identify the position of the glass, to control the descent and rise of the glass if it encounters an obstacle.

Os sistemas da técnica anterior utilizam sensores hall que capturam o campo magnético do imã circular alojado no eixo do motor elétrico, e identificam a posição do vidro através do campo magnético detectado. Contudo, 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.The prior art systems use hall sensors that capture the magnetic field of the circular magnet housed in the axis of the electric motor, and identify the position of the glass through the detected magnetic field. However, the use of a hall sensor implies an increase in equipment costs, since it is necessary to use the sensor, a magnetic ring on the motor armature, in addition to resistors, more brushes, cables to power the sensor and capture data and a plate 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 oscilação 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 interpretar 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 the motor current oscillation to identify the position of the glass. In this case, the motor output current is being monitored and its ripple is measured, through which the angular position of the motor is identified. But the current oscillation in general is small and of low amplitude, so it is necessary to use many other components to treat, amplify and interpret the output current which is very susceptible to noise. All of this also puts a heavy burden on the system, and in addition, the result obtained is imprecise and of low reliability.

Já são conhecidos do estado da técnica alguns sistemas que utilizam uma escova adicional incorporada ao motor para efetuar medições relacionadas ao motor. O documento de patente EP1079232 mostra um circuito 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 frequência 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 multiplicada pela corrente de armadura, e de um pulso transiente causado pela indutância inerente do enrolamento resultante da mudança de circuito elétrico 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 frequência bastante alta. Por isso é bastante sujeito a ruído e possui harmônicos. 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 interpretação. Além disso, este documento não sugere o uso deste sinal para identificar a posição angular do motor e nem o deslocamento provocado no objeto acionado por ele.Some systems are already known from the state of the art that use an additional brush built into the engine to perform measurements related to the engine. Patent document EP1079232 shows a speed measurement circuit for an electric motor that can use an additional third brush arranged between the two energizing brushes. The additional brush should preferably 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, as 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 resistance of the windings 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 change in contact of the power brushes . The pulsating signal detected on the additional brush will vary over an offsetDC. The signal produced by the additional brush has a very low peak voltage and a very high frequency. So it is quite subject to noise and has harmonics. Thus, a very complex and expensive electronic circuit is needed to filter the output signal and convert it into a square signal that can be interpreted. By using a very large number of blades in the collector, this previous technique makes the utility motor more complex and costly, in addition to producing a noisy and harmonious signal, which is difficult to interpret. In addition, this document does not suggest the use of this sign 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 elétrico 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 estabelecido entre duas lâminas modifica o fluxo de campo magnético naquela região do coletor e gera um pulso na corrente contínua que atravessa o coletor. 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 adicionais, exige a conversão para tensão, e implica no uso de processadores mais complexos e onerosos.Patent document FR 2791486 describes an electric motor that uses a collector with several blades and three brushes. Two diametrically opposed brushes supply the motor. The third brush is not connected to the power supply. It is also in contact with the collector and is responsible for establishing an electrical contact between two adjacent blades that pass in front of it, that is, when it is in contact with two blades at the same time. This short circuit established between two blades modifies the magnetic field flow in that region of the collector and generates a pulse in the direct current that passes through the collector. To identify the angular position of the motor, the electric current over the collector is then measured. The use of current to identify the angular position of the motor is inconvenient, as it requires additional processing steps, requires conversion to voltage, and implies 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 escova de medição disposta entre as duas escovas de energização, sendo que a terceira escova deve estar mais próxima de uma das escovas de energização 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 escova 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.Patent document EP 0359855 describes a speed / position measurement device for the DC motor that uses a third measuring brush disposed between the two energizing brushes, the third brush being closer to one of the energizing brushes than the other. The spacing between the measuring brush and the nearest energizing brush must be greater than the spacing between two blades of the commutator, however the width of each blade must be greater than the space between the brushes, in order to make the electrical contact between them. An evaluation device measures the voltage difference between the nearest energizing brush and the measuring brush, and also between the latter and the furthest energizing brush, and identifies the number of rotor turns based on this output signal.

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 relação às outras escovas, para permitir a medição da velocidade, ou são baseadas em medição de corrente, que é desvantajoso, pois aumenta a complexidade do processamento de dados, ou então exigem a medição de tensão ou corrente também nas outras escovas do motor, para calcular estes parâmetros com base em diferenças de valores de tensão e corrente. Outros documentos 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.It is noted, therefore, that some documents of the state of the art have limitations in the sense that the third measuring brush, when present, must be positioned in precise locations in relation to the other brushes, to allow the measurement of the speed, or are based in current measurement, which is disadvantageous, as it increases the complexity of data processing, or else it requires the measurement of voltage or current also in the other motor brushes, to calculate these parameters based on differences in voltage and current values. Other state-of-the-art documents that generate a very noisy output signal are not intended to identify the displacement and angular position of the motor, but are focused only on identifying the speed of rotation.

Objetivos da invençãoObjectives of the invention

É 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 sistema.It is an objective of the invention to provide an electric motor and a position and angular speed measurement system that is economical and reliable, 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 objective of the invention is to provide a measurement system that identifies the displacement provided by the electric motor in a device driven by it, and that is capable of obtaining equally reliable results for cases in which the collector rotates clockwise and in cases where 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 velocidade angular e do deslocamento provocado pelo motor elétrico em um objeto acionado por ele, o sistema de detecção compreendendo um circuito de controle, e o motor elétrico possuindo:The objectives of the invention are achieved by means of a direct current electric motor with a position and angular speed detection system and the displacement caused by the electric motor in an object driven by it, the detection system comprising a control circuit, and the electric motor having:

um coletor com uma quantidade N de lâminas axialmente dispostas 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, 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 collector with an N amount of blades axially disposed on its periphery, and two motor drive brushes disposed diametrically opposite in contact with the blades on the periphery of the collector, and being electrically powered, a measuring brush disposed in contact with the collector, in any position on its periphery between the two drive brushes, the measuring brush making alternating contact with one or two blades of the collector during the operation of the motor, the number of blades axially disposed on the periphery of the collector is comprised between two to ten blades.

Preferivelmente, o coletor compreende N igual a 10 lâminas. O circuito de controle mede o sinal de tensão gerado sobre a escova de medição 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 slides. The control circuit measures the voltage signal generated on the measuring brush and directly detects the angular position of the motor and the number of turns made by the collector around the axis using the voltage signal oscillations.

O circuito de controle é preferivelmente pré-programado com informações de qual é a distância do deslocamento provocado pelo motor elétrico no objeto acionado por ele, quando de uma volta completa do coletor ao redor do eixo.The control circuit is preferably pre-programmed with information about the distance of the displacement caused by the electric motor in the object driven by it, when a complete turn of the collector 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 sistema compreende um circuito de controle possuindo um dispositivo de medição de tensão que mede uma tensão variável gerada na escova de medição durante a rotação do coletor, um contador que conta a quantidade de oscilações entre os valores de pico do sinal medido na escova de medição, e um medidor de tempo, 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, e o circuito de controle calcula a velocidade angular do motor dividindo a posição angular calculada por um intervalo de tempo medido pelo medidor de tempo.The objectives of the invention are also achieved by means of a system for detecting angular speed and position and the displacement caused by an electric motor in an object driven by it, the system being applied to an electric motor of the type described here, with the The system comprises a control circuit having a voltage measuring device that measures a variable voltage generated on the measuring brush during the rotation of the collector, a counter that counts the amount of oscillations between the peak values of the signal measured on the measuring brush, 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 collector blades, and identifies the displacement caused by the motor in the object driven by it based on at the calculated angular position of the motor, and the control circuit calculates the angular speed 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 escova 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 signal measured on the measuring brush, it computes a motor revolution.

O circuito de controle pode ser pré-programado com informações de qual o deslocamento provocado pelo motor elétrico no objeto acionado 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 deslocamento 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 in the object driven by the motor multiplying the number of turns taken by the collector by the displacement caused by the object in one turn.

Breve descrição dos desenhosBrief description of the drawings

A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram:The present invention will now be described in more detail in the light of an embodiment shown in the drawings. The figures show:

figura 1 - é uma vista esquemática de um coletor de motor elétrico com três escovas de acordo com uma modalidade da presente invenção;figure 1 - is a schematic view of an electric motor collector with three brushes according to an embodiment of the present invention;

figura 2 - é uma vista superior do motor elétrico com três escovas de acordo com uma modalidade da presente invenção;figure 2 - is a top view of the electric motor with three brushes according to an 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 electric motor with three brushes and the measuring system of the present invention, showing the measuring brush in a first position, and the resistance and tension 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 electric motor with three brushes and the measurement system of the present invention, showing the measuring brush in a second position, and the resistance and tension 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 motor elétrico da presente invenção.figure 4 - is a graph showing the behavior of the measured output voltage on the measuring brush, during the 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 schematically shows the three-brush direct current 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 on its periphery. In this preferred embodiment of the invention, the collector has 10 blades of equal width distributed around the entire periphery of the collector. However, according to the invention, the number of N slides in the collector can vary between 2 and 10 slides.

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 posicionadas bem próximas ao coletor do motor, em contato com as lâminas, e ficando localizadas em posições diametralmente opostas em relação à periferia do coletor.This electric motor is driven with the aid of two drive brushes E1 and E3, which are electrically powered in order to cause the collector to rotate around its axis. These brushes are positioned very close to the motor collector, in contact with the blades, and are located in diametrically opposite positions in relation to the periphery of the collector.

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 estabelecendo contato com as lâminas 2 do coletor 1.A third brush E2 is also provided in the system according to the invention, which is used exclusively for measuring an output voltage. The measuring brush E2 is placed on the periphery of the collector, in any position between the two driving brushes E1 and E3, and making contact with the blades 2 of the collector 1.

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 estabelece 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 in figures 3A and 3B, the measuring brush E2 has dimensions such that it allows it to make contact with a single blade 2 or simultaneously with two blades 2 of the collector 1 during the operation of the motor, depending on the position of the collector. In a first position of the collector shown in figure 3A, the measuring brush E2 makes contact with two adjacent blades simultaneously. In a position shown in figure 3B, the measuring brush establishes contact with only one blade of the collector. The contact of brush E2 with one or two blades varies as the collector 1 rotates, both 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 deslocamento 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 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.The DC electric motor according to the invention also has a measuring system equipped with a control circuit (not shown) that is responsible for measuring the voltage on the E2 measuring brush 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 rotation speed 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 signal measured on the measuring brush (E2), and a time meter.

A escova de medição E2 não é alimentada eletricamente. No entanto, como ela está em contato com as lâminas do coletor, por onde flui corrente 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, where electrical current flows, an electrical voltage is generated on the E2 measuring brush. This voltage can be measured using a control circuit voltage meter, as mentioned earlier.

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. Quando 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 equivalente.The tension on the E2 measuring brush 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 blades 2 of the collector 1, the resistance formed between the polarization 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 just one blade 2 from the collector. When brush E2 contacts two adjacent blades, the resistance formed is lower, as the circuit works as if the two blades resistances were placed in parallel, reducing the equivalent resistance value.

Em virtude dessa variação da resistência, a tensão sobre a escova de medição E2 vai variar proporcionalmente, gerando um sinal oscilante conforme mostrado na figura 4. Como tensão e resistência são diretamente 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 E2 measuring brush 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 the brush E2 is also higher. When the resistance is lower, the voltage measured on brush E2 also decreases.

Consequentemente, à medida que o coletor 1 vai girando, a escova de medição E2 vai estabelecendo contato alternativamente com apenas uma lâmina ou com duas lâminas simultaneamente, causando as oscilações 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 parâmetros desejados.Consequently, as the collector 1 rotates, the measuring brush E2 alternatively establishes contact with just one blade or with two blades simultaneously, causing oscillations in the output voltage measured in brush E2. The arrangement used in this electric motor with a measuring system allows to generate a signal on the measuring scale with high voltage levels, with low noise levels and free of harmonics, eliminating the use of complex signal amplifiers, voltage limiters and filters to handle the measured signal and measure the desired parameters.

De acordo com a modalidade meramente exemplificativa da invenção mostrada nas figuras 3A e 3B, as escovas de acionamento são alimentadas com uma tensão de 13,5 V em corrente contínua. Quando a escova 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 aproximadamente 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 supplied with a voltage of 13.5 V in direct current. When the brush touches only one blade, then the resistance between the E1 and E2 brushes is about 0.680 Ohm, and the theoretical voltage measured in E2 would be approximately 7.94V, as shown in figure 3A.

Quando a escova E2 toca em duas lâminas adjacentes, a resistência entre as escovas E1 e E2 é de cerca de 0,479 Ohm, e a tensão teórica medida em E2 seria de aproximadamente 5,93V, conforme mostra a figura 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 brushes E1 and E2 is about 0.479 Ohm, and the theoretical voltage measured in E2 would be approximately 5.93V, as shown in figure 3B. Thus, the output voltage signal measured on the measuring brush E2 oscillates between approximately 6V and 8V. In addition, the generated signal has low noise and is harmonic free. Even the eventual noise present would not interfere in the identification of the 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 corresponde então à quantidade de lâminas que passaram pela escova de medição E2 e estabeleceram contato com a mesma. Então, o circuito de controle identifica a posição angular do motor, 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. O mesmo cálculo pode ser realizado quando o coletor gira no sentido anti-horário e no sentido horário.The number of oscillations between the peak values in the signal then corresponds to the number of blades that passed through the E2 measuring brush and made contact with it. Then, the control circuit identifies the angular position of the motor, 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 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 entre os valores de pico e de voltas é feita pelo contador do circuito de controle. O medidor de tempo mede o tempo em que o coletor deu um determinado 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 made a complete turn on its axis of rotation. Thus, the measurement circuit can compute over time how many oscillations between peak voltage values were detected and how many turns the collector took. This count of fluctuations between peak and turn values is made by the control circuit counter. The time meter measures the time that the collector has made a certain number of turns, to allow the calculation of the angular velocity.

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 objeto acionado por ele. Além disso, sabendo o número de voltas ou o deslocamento 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, knowing the number of complete and partial turns that the collector took 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 the angular displacement of the collector in a given time interval measured by the time meter, the control circuit identifies the angular speed of the motor by dividing the angular displacement calculated by the corresponding time interval measured by the time meter. time.

O uso de até 10 lâminas no coletor contribui para a geração de um sinal ótimo, com uma frequência de oscilação mais baixa, livre de harmônicos 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 correspondente provocado pelo motor no objeto por ele acionado. A maioria dos motores mostrados nos documentos do estado da técnica não tem a finalidade de identificar a posição angular do motor e o correspondente deslocamento 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 adicionais do sinal.The use of up to 10 blades in the collector contributes to the generation of an optimal signal, with a lower oscillation frequency, free of harmonics and with less noise than the signals generated from collectors that have a larger number of blades, than type described in the prior art. This allows the electric motor detection system to count the number of oscillations without the need for prior filtering, and to identify the position and angular speed of the motor, as well as the corresponding displacement caused by the motor in the object it drives. Most motors shown in the state of the art documents are not intended to identify the angular position of the motor and the corresponding displacement of the object driven by it, as the signal measured on the measuring brush has harmonics that deteriorate the signal quality, and therefore it does not allow this direct calculation of the displacement without additional treatments of the signal.

O sistema de detecção de acordo com a invenção funciona de forma igualmente eficaz quando o coletor gira no sentido horário ou no sentido anti-horário, uma vez que em qualquer um dos sentidos de rotação, haverá 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 cole11 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 voltage variation on the collector equivalent to the alternation of the E2 measuring brush with one or two blades 2 of the 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 movimento do vidro, provocando a abertura e o fechamento da janela. Neste caso, o sistema de detecção do motor é utilizado para identificar o deslocamento 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 deslocamento provocado pelo motor elétrico no vidro, quando de uma rotação completa do coletor ao redor do eixo. Ao contabilizar quantas voltas completas 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 janela 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 sistema conheça a altura atual do vidro, para impedir que ele se choque fortemente contra a armação no movimento de subida. Como o sistema de detecção 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, in such a way that the electric motor is responsible for driving and controlling the movement of the glass, causing the window to open and close. . In this case, the engine detection system is used to identify the displacement made by the glass when driven by the engine, in order to determine the height at which the glass is positioned. The circuit used in the motor detection system has previous information on the distance of the displacement caused by the electric motor in the glass, when the collector is completely rotated around the axis. When counting how many complete or incomplete turns the collector has made, the system is able to calculate how much the glass has been moved up or down. This information is essential 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 that the system knows the current height of the glass, to prevent it from being strongly impacted against the frame in the upward movement. As the engine detection system works properly in both directions of rotation of the collector (clockwise or counterclockwise), then this system is able to identify the displacement provided by the motor to the glass in both its upward and downward movement.

Este mesmo motor elétrico com sistema de detecção pode ser também utilizado para acionar paletas de limpadores de para-brisa de veículos, por exemplo, para garantir um acionamento sincronizado entre duas paletas 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 activation between two blades and also to avoid collision between them. The system calculates the angular displacement of the wiper blade caused by the engine and consequently its position on the windshield, based on the amount of oscillations between the peak values of the output signal measured 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 escovas.In general, the electric motor with the detection system can be an electric drive motor of any type that uses brushes.

Conforme explicado anteriormente, o sistema de medição do motor identifica a velocidade de rotação do motor, medindo a quantidade de 5 voltas completas e parciais que o coletor dá ao redor do eixo em um determinado intervalo de tempo. Portanto, diferentemente dos motores do estado da técnica, a velocidade de rotação do motor não é calculada com base na frequência do sinal medido sobre a escova, mas sim na quantidade de rotações do coletor contabilizadas pelo sistema de medição.As previously explained, the engine measurement system identifies the engine's rotation speed, measuring the amount of 5 complete and partial turns that the collector makes around the axis in a given time interval. Therefore, unlike state-of-the-art motors, the rotation speed of the motor is not calculated based on the frequency of the signal measured on the brush, but rather on the number of collector revolutions recorded by the measurement system.

Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.Having described an example of a preferred embodiment, it should be understood that the scope of the present invention covers other possible variations, being limited only by the content of the appended claims, including possible equivalents therein.

Claims

1. DC electric motor with position and angular speed detection system and the displacement caused by the electric motor in an object driven by it, the detection system comprising a control circuit, the electric motor having a collector (1) with an N amount of blades (2) axially disposed on its periphery, and two motor brushes (E1, E3) of the motor diametrically opposed in contact with the blades on the periphery of the collector (1), and being electrically powered, a brush measuring (E2) arranged in contact with the collector (1), in any position on the periphery of the collector between the two drive brushes (E1, E3), with the measuring brush (E2) alternately making contact with one or two collector blades during engine operation, characterized by the fact that the number N of blades axially disposed on the periphery of the collector is comprised between two to ten blades (2) and the circuit of The control measures the voltage signal generated on the measuring brush (E2) and directly detects the angular position of the motor and the number of turns made by the collector around the axis using the voltage signal oscillations.

2. Electric motor according to claim 1, characterized by the fact that the collector comprises N equal to ten blades.

3. Electric motor according to claims 1 to 2, characterized by the fact that the control circuit is pre-programmed with information about the distance of the displacement caused by the electric motor in the object driven by it, when a complete turn is made collector around the axis.

4. Angular position and speed detection system and the displacement caused by an electric motor in an object driven by it, the system being applied to an electric motor, as defined in any one of claims 1 to 3, the system comprising a circuit in

Petition 870190111553, from 11/01/2019, p. 7/16 control having a voltage measuring device that measures a variable voltage directly generated in 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, characterized by the fact that 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 circuit of control calculates the angular speed of the motor by dividing the calculated angular position by a time interval measured by the time meter.

5. Detection system according to claim 5, characterized by the fact that when the control circuit detects an amount N of oscillations between the peak values in the signal measured on the measuring brush, it computes one motor revolution.

6. Detection system according to claim 5 or 6, characterized by the fact that the control circuit is 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 object driven by the engine by multiplying the number of turns taken by the collector by the displacement caused by the object in one turn.