专利名称：用于避免由旋转部件激发的共振的系统及方法
用于避免由旋转部件激发的共振的系统及方法
背景技术：
由于多个旋转速度下的激发作用力，旋转部件会激发它们自身或者附近部件的结构性共振。这些共振导致不期望的振动和噪声，从而引起附近人员的不适并且降低了受影响部件的耐用性和性能。由此，系统的特征在于，激发共振的速度得以避免。避免共振减小了噪声和振动以及所引起的机械损坏。然而，由于制造差异、温度变化环境下温度敏感塑料的使用、或者不知道最终旋转部件附接到何处，许多系统的共振不能够完全地特征化，以及不能够实现先期手段来避免共振。
发明内容
许多发动机冷却风扇使用塑料制成，该塑料具有随着湿度和/或温度改变而变化的材料特性。由此，在固定温度和湿度水平对这些风扇的共振进行特征化导致系统的特征与风扇暴露于不同环境条件下时的实际系统有所不同。发动机冷却风扇共振会随着温度、塑料水分含量、制造差异、和/或汽车动力学特性的改变而在频率和声学意义方面发生转变。共振可由不平衡作用力、顿转扭矩(coggingtorque)、电磁作用力、换向现象、以及空气动力学叶片作用力而被激发。当发动机冷却风扇在共振下运转时，振动、噪声以及磨损增加，从而通常导致顾客抱怨以及产品重新设计。风扇仅仅能够被设计成在非常特定的一组环境条件下结构上安静。由于风扇的变化的特性，风扇通常基于实际运转情况下塑料的刚度和阻尼而比设计目标完成得更好或更差。因此，需要的是连续地确定以及避免旋转部件的共振速度的方法，从而避免正常运转下的共振以及改善部件的噪声、振动和/或耐用性能。本发明涉及一种系统和方法，所述系统和方法连续地确定以及避免一定情况下(例如部件的环境，如温度、湿度等；以及与其它部件如散热器、汽车底盘等之间的关系)由旋转部件激发的共振频率。在一个实施例中，本发明提供了一种用于操作旋转部件的系统。该系统包括旋转部件、驱动旋转部件的电机、探测与旋转部件相关的激励的传感器、以及包括存储器的控制器。控制器存储用于旋转部件的多种运转速度的激励的幅度(magnitude)的表征,并且从传感器接收激励的幅度的指示。控制器基于存储的幅度来确定哪些运转速度代表共振频率，并且当控制器确定旋转部件以共振频率运转时调节旋转部件的速度。在另一个实施例中，本发明提供了一种操作旋转部件的方法。该方法包括使旋转部件旋转；探测激励，该激励与噪声和振动中的至少一种相关；确定旋转部件的运转情况；记录下激励的幅度以及旋转部件的运转情况；确定旋转部件的运转情况在激发共振；以及调节旋转部件的运转情况从而避免共振。在另一个实施例中，本发明提供了一种包括发动机冷却风扇的车辆。该车辆包括控制模块、发动机冷却风扇、驱动发动机冷却风扇的电机、探测与发动机冷却风扇相关的激励的传感器、以及联接到控制模块的电机控制器。电机控制器基于来自控制模块的指示来控制电机，从而使发动机冷却风扇旋转。电机控制器还从传感器接收激励的幅度的指示并且当激励指示出发动机冷却风扇在共振频率下运转时调节发动机冷却风扇的速度。通过考虑详细描述以及附图，本发明的其它方面将会变得清楚。
图1是用于避免旋转部件在共振频率下运转的系统的实施例的框图。图2是显示出当旋转部件的速度随着时间流逝而增加时由旋转部件所引起的测得的激励的低通滤波后的幅度的曲线图。图3是显示出当旋转部件的速度随着时间流逝而增加时由旋转部件所引起的测得的激励的中频带通滤波后的幅度的曲线图。图4是显示出当旋转部件的速度随着时间流逝而增加时由旋转部件所引起的测得的激励的高频带通滤波后的幅度的曲线图。图5是由旋转部件所引起的测得的激励相对于由激发作用力引起的期望趋势的回归曲线的曲线图。
具体实施例方式在详细说明本发明的任意实施例之前，应当理解的是，本发明的应用没有受限于接下来描述中提出的或者附图中表示的构造细节以及部件设置。本发明能够具有其它实施例并且能够以不同方式实施或者完成。图1显示了用于操作旋转部件105 (例如发动机冷却风扇)的系统100。系统100确定旋转部件105是否在共振频率下运转，并且当旋转部件105在共振频率下运转或者以与其它部件发生共振的速度运转时调节旋转部件105的速度。在所示实施例中，系统100包括由电机110驱动的发动机冷却风扇105、电机控制器115、以及传感器120。传感器120是能够探测共振的传感器，例如振动传感器(例如加速度计)、压力传感器(例如声压传感器如MEMS麦克风)、或者应变/位移传感器。电机控制器115包括处理器125 (例如微处理器、微控制器、ASIC、DSP等等)以及存储器130 (例如闪存、ROM、RAM、EEPROM等)，该存储器可以在处理器125的内部、在处理器125的外部、或者是两者的结合。电机控制器115还包括其它电路，例如输入/输出电路以及通讯电路。在所示实施例中，发动机控制器135从温度传感器140接收发动机温度的指示。发动机控制器135向电机控制器115提供信号，指示出需要发动机冷却(例如发动机的温度超过阈值、空调系统打开增加了发动机的额外负载，等等)。在部分实施例中，电机控制器115直接地联接到温度传感器140并且基于从温度传感器140接收的信号来使冷却风扇105运转。在部分实施例中，来自于发动机控制器135的信号指示用于使发动机风扇105运转的运转速度。电机控制器115将电机110提速(ramp)至运转速度(例如从零到运转速度)，从而旋转发动机冷却风扇105并冷却发动机。传感器120持续地探测激励(例如振动或压力)并且将指示探测到的激励的幅度的信号提供给电机控制器115。电机控制器115将探测到的激励以及电机110/风扇105的对应速度(例如每分钟的转数)记录在存储器130中。使用记录的数据，电机控制器115确定运转速度是否与风扇105的共振频率相一致。如果运转速度与风扇105的共振频率相一致，那么电机控制器115调节运转速度更快或者更慢，从而使得风扇105以不与风扇105的共振频率相一致的速度运转，从而降低风扇105以及其它部件(例如散热器等等)的噪声、振动以及磨损。在部分实施例中，电机110的速度并非已知的，例如对于在脉宽调制(PWM)控制下运转的有刷DC电机。在使用电机110的PWM控制的实施例中，使用滤波器来获得对于不同临界频带而目、PWM占空比与响应幅值之间的关系。临界频带可被加权重从而考虑人体感知(例如为人体听觉范围内的频带提供更大的权重)。由此，不会引起人体不适的临界频带能够具有减小的对共振进行校正的水平，但仍会考虑对于部件的磨损和性能的影响。在一个实施例中，风扇105上的不平衡作用力(即第一次序激发(first orderexcitation))在低频出现。电机控制器115使用低通或带通滤波器来探测传感器120的一组响应幅值，所述滤波器的截止频率稍稍高于风扇105的最大运转RPM。追踪响应幅值与PWM占空比的比较能够识别出哪些占空比下会发生共振。例如，图2显示了随着时间流逝传感器120的低通滤波后的信号的曲线图(例如当风扇提速到最大速度时)。如可以在曲线图中看到的，共振在大约45秒时发生。在这个点上实时地控制电机110的PWM信号的占空比是导致系统共振的占空比。由此，当风扇105以低速运转时，能够通过改变风扇速度(即增加或者降低占空比)而使得识别出的占空比得以避免。由于由电机110所激发的风扇105的共振，通常存在一种或多种噪声源。通常，这些噪声源落入250-700HZ范围内。图3显示了用于识别这个范围内的共振的带通滤波器。此外，当识别出共振时，对应的PWM占空比能够得以避免。更高的频率噪声源可能由于内部电机共振而发生。此外，带通滤波器被用于识别出这个范围内的共振。例如，图4显示了随着时间流逝来自传感器120的1000-1500HZ带通滤波后的信号的曲线图(例如当使风扇提速时)，以便捕获内部电机共振。如可以在曲线图中看到的，在大约220和240秒处发生一对共振。在这些点上实时地控制电机110的PWM信号的占空比是导致系统中共振的占空比。由此，当风扇105在高速下运转时，识别出的占空比能够通过改变风扇速度、再一次通过增加或者降低占空比而得以避免。在风扇105的速度已知的实施例中(例如电子整流电动机)，或者当电机控制器的信号处理能力能够通过传感器120确定风扇速度时(例如,使用基于模型的滤波器，Kalman滤波器等)，电机110的实际速度可被调节从而避免共振，而不是调节PWM信号的占空比。在部分实施例中，共振频率通过直接计算(例如离散傅里叶变换(DFT))来确定。对于单个频率的振动水平能够通过使用DFT来确定。在部分实施例中，数字滤波器(例如有限脉冲响应滤波器)被用于获得特定频率带宽的振动水平。对于给定速度或者占空比的振动水平被存储在表中。振动水平与预先确定的阈值相对比，从而确定振动水平是否对应于共振频率。预先确定的阈值能够基于针对激发作用力相比风扇105的速度的已知比例的比较关系来确定。由此，当相比期望的响应超出了预先确定的量的振动水平以及共振发生的速度能够避免时，识别出共振频率。该表能够连续地升级或者能够在每当系统开启时产生。用于升级表的数据能够被过滤、加权重、或者未经加工。此外，能够基于各种运转情况(例如温度、湿度等)而保持多个表。在部分实施例中，这些表可以是基于模型的滤波器。在部分实施例中，振动水平相对于RPM或PWM占空比的斜率被用于识别出共振频率，并且确定是否增加或降低旋转部件105的速度，从而避免共振频率。返回到图2，该曲线图显示了随着旋转部件105的速度增加所探测到的激励的幅度。对于χ轴上的每个时刻，都有对应的速度。在图2的曲线图中，旋转部件105对于与大约44秒和大约46秒之间的时间段相关联的速度而言在共振频率下运转，其中峰值共振频率在与大约45秒相关联的速度时发生。在大约44秒到大约45秒的时间段期间，激励的斜率是明显正的，而在大约45秒到大约46秒的时间段期间，激励的斜率是负的。如果旋转部件105在与显著正的斜率相关联的速度下运转(即大约44秒到大约45秒的时间段)，则电机控制器115降低旋转部件105的速度，从而使速度移动远离峰值共振频率。类似地，如果旋转部件105在与负的斜率相关联的速度下运转(即大约45秒到大约46秒的时间段)，则电机控制器115增加旋转部件105的速度，从而使速度移动远离峰值共振频率。在部分实施例中，较低的共振风扇速度导致了被认为并不显著的噪声、振动以及磨损。在这些较低速度下，共振频率被忽略并且风扇105被允许在共振频率下运转。除了噪声、振动以及磨损之外，共振会导致其它心理声学现象的产生。一种这样的现象是“跳动(beating)”,这在风扇速度处于或者接近发动机的RPM或者激发率(firingrate)时发生。跳动还会在风扇临界状态(critical fan order)处于其它旋转部件临界状态附近时发生。在部分实施例中，跳动通过电机控制器115从发动机控制器120接收指示发动机的RPM的信息而得以避免。电机控制器115随后确保风扇105的速度不会落入发动机的RPM的临界范围或者发动机RMP的临界谐波之内。当不能获得发动机的速度或者风扇105的速度并非已知时，传感器120信号的信号处理被用于识别出跳动现象并且调节电机110的占空比，从而避免发动机的频率。由于不平衡导致的激发作用力与旋转部件105的速度的平方成比例。在部分实施例中，期望的激发作用力的回归曲线被计算出来。这个回归曲线与实际测量的响应进行对t匕，并且当测量的响应明显地超过回归曲线时，旋转部件105的速度被认为是处于共振频率。图5显示了风扇105的期望噪声的回归曲线，该曲线针对由声压传感器探测的实际噪声绘制而成。在大约2000到2250RPM之间的速度时，实际的噪声超过了期望噪声。由此，这些速度应当被避免。使用实际噪声曲线的斜率，风扇速度能够向上或者向下调节，从而避免这些频率。在部分实施例中，当期望的速度处于大约2000到大约2150RPM之间时(即噪声曲线的斜率是明显正值)，风扇105的速度被降低，并且当期望的速度处于大约2150到大约2250RPM之间时(即噪声曲线的斜率是负值)，风扇105的速度被增加。由此，本发明除了另外提供了一种系统和方法，用于确定旋转部件何时处于激发共振以及用于调节旋转部件的速度以避免旋转部件在共振频率下运转。本发明的各个特征和优点在所附权利要求中提出。
权利要求
1.一种用于操作旋转部件的系统，所述系统包括 旋转部件； 电机，所述电机驱动所述旋转部件； 传感器，所述传感器探测与所述旋转部件相关的激励；以及 控制器，所述控制器包括存储器，所述存储器存储用于所述旋转部件的多种运转速度的激励的幅度的表征，所述控制器从所述传感器接收所述激励的幅度的指示并且基于所存储的幅度来确定哪些运转速度代表共振频率，当所述控制器确定所述旋转部件以共振频率运转时，所述控制器调节所述电机的速度。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所存储的、针对所述多种速度的幅度通过使所述旋转部件的速度从零增加到运转速度来产生，在所述旋转部件的速度从零增加到所述运转速度时，所述控制器存储用于所述多种速度的激励的幅度的指示。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，使用低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器、以及数字滤波器中的至少一种来对所述激励进行滤波。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，使用离散傅里叶变换来确定所述共振频率。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器将所述激励的幅度与所存储的、针对所述旋转部件的速度的幅度进行对比，当所述激励的幅度超过所存储的幅度加上预先确定的阈值数值时，所述控制器确定所述旋转部件以共振频率运转。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述预先确定的阈值数值基于环境条件而变化。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述环境条件是温度和湿度中的至少一个。
8.如权利要求2所述的系统，其特征在于，当所述旋转部件被确定为以共振频率运转时并且对于所述旋转部件的运转速度而言所存储的幅度的斜率是负值时，所述控制器将所述旋转部件的速度调节得更高。
9.如权利要求2所述的系统，其特征在于，当所述旋转部件被确定为以共振频率运转时并且对于所述旋转部件的运转速度而言所存储的幅度的斜率是正值时，所述控制器将所述旋转部件的速度调节得更低。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所存储的幅度包括期望的激励水平的回归曲线，当所述激励的幅度与所述激励的变化率中的至少一个大于所述期望的激励水平时，所述控制器确定所述旋转部件以所述共振频率运转。
11.一种操作旋转部件的方法，所述方法包括 使所述旋转部件旋转； 探测激励，所述激励与噪声和振动中的至少一种相关； 确定所述旋转部件的运转情况； 记录所述激励的幅度以及所述旋转部件的运转情况； 确定所述旋转部件的运转情况激发了共振；以及 调节所述旋转部件的运转情况，从而避免所述共振。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述运转情况是所述旋转部件的速度。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述旋转部件以从零增加到运转速度的速度旋转，所述激励的幅度在多个速度下被记录下来。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括基于期望的激发作用力而产生回归曲线，其中当在所述运转速度下所述激励的幅度大于所述期望的激发作用力时，所述旋转部件的运转情况被确定为产生共振。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，当所记录的所述激励的幅度的斜率在运转速度下是负值时，所述运转情况被增加，并且当所记录的所述激励的幅度的斜率在所述运转速度下是正值时，所述运转情况被降低。
16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括对所探测到的激励进行滤波。
17.—种包括发动机冷却风扇的车辆，所述车辆包括 控制模块； 发动机冷却风扇； 电机，所述电机驱动所述发动机冷却风扇； 传感器，所述传感器探测与所述发动机冷却风扇相关的激励；以及 电机控制器，所述电机控制器联接到所述控制模块，并且基于来自所述控制模块的指示控制所述电机，从而使所述发动机冷却风扇旋转，所述电机控制器从所述传感器接收所述激励的幅度的指示，并且当所述激励指示出所述发动机冷却风扇激发了共振频率时，所述电机控制器调节所述发动机冷却风扇的速度。
18.如权利要求17所述的车辆，其特征在于，所述电机控制器将所述激励的幅度的指示与基于期望的激发作用力的回归曲线进行比较，当所述激励的幅度大于期望的响应水平时，所述电机控制器确定所述发动机冷却风扇在所述共振频率下运转。
19.如权利要求17所述的车辆，其特征在于，当所记录的所述激励的幅度的斜率在所述发动机冷却风扇的运转速度下是负值时，所述电机控制器增加所述发动机冷却风扇的速度，并且当所记录的所述激励的幅度的斜率在所述发动机冷却风扇的运转速度下是正值时，所述电机控制器降低所述发动机冷却风扇的速度。
20.如权利要求17所述的车辆，其特征在于，所述电机控制器从所述控制器接收所述车辆的发动机的运转速度的指示，当所述发动机冷却风扇的速度接近所述发动机的运转速度的临界谐波时，所述电机控制器调节所述发动机冷却风扇的速度。
21.如权利要求17所述的车辆，其特征在于，所述电机控制器通过探测到的激励的信号处理来确定所述车辆的发动机的运转速度，当所述发动机冷却风扇的速度接近所述发动机的运转速度的临界谐波时，所述电机控制器调节所述发动机冷却风扇的速度。
全文摘要
一种用于操作旋转部件的系统。所述系统包括旋转部件、驱动旋转部件的电机、探测与旋转部件相关的激励的传感器、以及控制器。控制器从传感器接收激励的幅度的指示并且被配置成当激励指示出旋转部件以共振频率运转时调节旋转部件的速度。
文档编号G01H1/00GK103069124SQ201180039865
公开日2013年4月24日 申请日期2011年7月14日 优先权日2010年7月22日
发明者D·尼克戈尔斯基 申请人:罗伯特·博世有限公司