专利名称：基于反电动势的电动机的功能状态检测的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动机领域。本发明具体涉及用于检测电动机的功能状态的电路以及对应的方法，并且本发明也涉及包括该电路的阀和飞机。
背景技术：
如今，电动机是广泛使用的用于将电流转换成机械力的电动机械转换器。它们通常基于电磁力的物理现象。电流产生磁场，其能够影响接近该电流的另一磁场。因此，电流能够用于转动电动机的磁转子和与该转子连接的轴。
另一方面，接近导线的变化磁场在导线中产生电压。这种电压被称为反电动势。在这个文件中，术语反电动势用于这样的电动势。
步进电动机是一种特殊的电动机。典型地，其具有多个绕组，所述多个绕组是定子的一部分并且对转子有影响，其中转子能够由永磁体制造。步进电动机的优点在于，由于其具有多个定子绕组，因此其能够被精确定位。因此，步进电动机需要驱动器，其控制定子的多个绕组。步进电动机的驱动器例如通过以与转动方向对应的顺序控制供电电动机的不同绕组而限定其中电动机转动的方向。步进电动机的驱动器也能够控制电动机的速度。
步进电动机能够用于其中需要控制机械力的多种应用中，并且能够例如用于控制飞机中的空调系统的阀。有必要确定阀的位置以能够将正确的控制脉冲发送到电动机以控制阀的开度。因此通常需要附加的传感器以确定阀的位置。这些附加的传感器意味着附加的重量，其在飞机的情况下可能是一个缺点。
用于确定例如阀的位置的另一选项将是识别控制该阀的电动机的功能状态。功能状态是指通过分析电动机是否正在转动以及转动多少，阀的大概位置是可确定的。
发明内容
本发明的目的是提供用于检测电动机的功能状态的改进的电子电路。
根据依权利要求1的本发明的一方面，上述目的可以通过用于检测电动机的功能状态的电路而解决，所述电路包括传感器和检测单元，其中所述传感器是电动机的一部分。检测单元适合于检测电动机的功能状态，其中电动机的功能状态是转动功能状态和锁定功能状态中之一。
有利地，该电路可以能够检测电动机的实际状态。因此，其能够识别电动机是正在转动还是被锁定。在电动机的轴没有被障碍物阻挡的情形下，轴可以根据控制信号转动，该控制信号是电动机通过电动机的驱动器接收的。否则，如果轴被锁定，那么电动机会指示在该时刻有东西在阻挡轴。分析电动机的功能状态可以给予控制单元根据功能状态而作出反应的可能性。
与具有附加元件以检测电动机的功能状态形成对照，作为电动机的一部分的传感器可以有利地节省重量。所以电动机中的集成传感器可以帮助节省使用根据本发明的电路的飞机的重量。
根据如权利要求2所述的本发明的另一示范实施例，传感器还包括线圈，其中使该线圈如此适应，以致于当转子转动时，电动机的转子在该线圈中感应反电动势。
线圈中的反电动势的感应代表了与实际功能状态相关的电动机的反馈信号。如果电动机在转动，包括转子的转动，则反电动势被感应。这种反馈信号可以被看成是机械值到电子值的转换。这种成为电子值的转换使得可以使用电子电路来分析实际的功能状态。
根据如权利要求3所述的本发明的另一示范实施例，所述线圈是电动机的定子的绕组。使用电动机的定子绕组作为线圈可以允许使用电动机的一部分作为传感器。于是可以从电动机获得反馈信号，而不必有附加的部件用于该反馈机构。
根据如权利要求4所述的本发明的另一示范实施例，该电路还包括差动放大器。该差动放大器包括第一和第二输入，其中第一输入连接到电源电压并且第二输入连接到线圈。
差动放大器能够对两个输入电压相减，并且能够在其输出产生表示输入电压差的信号。由于反电动势是电压并且电源电压是电压，所以可以通过相减而比较这两个信号。
根据如权利要求5所述的本发明的另一示范实施例，差动放大器包括第一输出。差动放大器适合于在此第一输出处产生第一差动信号和第二差动信号中之一。当电动机转动时，差动放大器在其第一输出处产生与电动机的转动功能状态相对应的第一差动信号。当电动机的轴被锁定并且电动机被阻挡时，在差动放大器第一输出处产生与电动机的锁定功能状态相对应的第二差动信号。第一和第二差动信号在采样时间点上是不同的。采样时间点存在于采样时间间隔中，并且能够用于采样第一和第二差动信号并且使它们不同。
有利地，在差动放大器的第一输出处可以取决于电动机的功能状态产生特征时间相关信号。于是可能仅必须分析差动放大器的输出以检测电动机的实际功能状态。由于与转动功能状态对应的输出信号和与电动机的锁定功能状态对应的输出信号具有不同的特性，它们可以被区分。可以通过仅比较在采样时间点所取的一个样本值而区分两个信号，以检测是第一还是第二差动信号为差动放大器的第一输出处的实际信号。
根据如权利要求6所述的本发明的另一示范实施例，该电路还包括采样保持电路。采样保持电路连接到差动放大器的第一输出。采样保持电路也连接到电动机的驱动器。电动机的驱动器适合于在采样时间点触发采样保持电路对第一差动信号和第二差动信号中之一进行采样。
有利地，采样保持电路能够仅在规定的时间测量值并且存储该值，直到该值由随后的分析器处理。对采样保持电路使用电动机的驱动器作为触发器使得可以根据电动机的旋转同步信号的采样。触发时间点是周期信号，所以它可与电动机的旋转相关。
由于电动机的定子的绕组被用作传感器，所以向电动机的旋转调整采样时间点可能是有利的。可能是定子的绕组用于转动电动机。因此，定子的绕组被加载电流以产生磁场来转动转子，其中转子能够包括永磁体。于是当线圈被加载电流时，其不可以用于收集反电动势。电动机的驱动器知道什么时间线圈被加载电流并且因此能够在正确的时间触发采样保持电路。该正确时间可以是当第一和第二差动信号不同并且线圈为空载的时刻。就采样保持电路而言，不同的时间相关的第一和第二差动信号被减小到表示电动机的功能状态的离散值。
根据如权利要求7所述的本发明的另一示范实施例，该电路还包括比较器。比较器具有第三和第四输入以及第二输出。比较器的第三输入连接到采样保持电路。比较器的第四输入连接到参考电压。比较器适合于将第三输入与第四输入比较并能够在第二输出处提供第三信号，其中第三信号对应于电动机的功能状态。
比较器能够比较两个电压。因为第一差动信号和第二差动信号在采样时间点不同，所以有利地通过将比较器的第三输入与参考值比较是可能的，如果第一或第二差动信号可得的话。换句话说，第一和第二差动信号是随时间的电压周期函数。第一差动信号和第二差动信号的电压在采样时间点不同。在采样时间点采样这些周期函数将时间函数的检测减小到离散电压值的检测。为了识别实际离散电压值和识别实际功能状态，使用了比较器。在比较器的第二输出处的离散值对应于电动机的功能状态。
根据如权利要求8所述的本发明的另一示范实施例，该电路还包括显示器，其中该显示器适合于显示电动机的功能状态。提供显示器有利地使将电动机的功能状态可视化成为可能。于是可以快速地获得电动机的实际功能状态的概貌。
根据如权利要求9所述的本发明的另一示范实施例，该电路还包括微处理器。微处理器适合于将控制信号发送到电动机，其中控制信号是控制电动机在第一方向上转动的信号和控制电动机在第二方向上转动的信号中之一。微处理器还适合于确定与控制信号对应的电动机的功能状态。于是通过分析电动机的功能状态，微处理器能够检测电动机的可操作性，其中可操作性对应于第一和第二锁定功能状态之间的转动功能状态的持续时间。
微处理器有利地能够用于定义机械系统的可操作性，例如，其能够是用于机械系统可操作性的下述指示电动机的一定顺序的功能状态遵循控制信号。所以它能够是系统可操作性的下述指示在两个锁定功能状态之间检测用于转动功能状态的一定持续时间。微处理器可以有利地能够控制电动机并且分析电动机的响应，以便微处理器仅提供系统是否可操作的信号。这在维护之前对飞机中的系统进行检查可能是必要的。
权利要求10提供了本发明的进一步的有利的示范实施例。
根据如权利要求11所述的本发明的另一示范实施例，提供了由电动机控制的阀，所述电动机包括根据本发明的示范实施例的电路。
阀通常由电动机控制。为了确定可操作性，通常这些阀具有附加的位置检测器。使用具有根据本发明的电路的电动机使得可以使用没有附加位置检测器的阀。因此，可以节省该阀的重量。
权利要求12涉及包括根据本发明的电路的飞机。
根据如权利要求13所述的本发明的另一示范实施例，提供一种用于借助于传感器来检测电动机的功能状态的方法，其中传感器是电动机的一部分。
根据如权利要求14所述的本发明的另一示范实施例，提供一种用于检测电动机的功能状态的方法。电动机的转子在第一方向上转动并且在线圈中感应反电动势。此反电动势能够与电源电压比较并且能够产生第一差动信号和第二差动信号中之一。第一差动信号对应于电动机的转动功能状态，并且第二差动信号对应于电动机的锁定功能状态。第一和第二差动信号在采样时间点是不同的。所以第一差动信号和第二差动信号中之一在采样时间点被采样。第一差动信号和第二差动信号中之一与参考电压比较并且因此电动机的功能状态被确定并且能够被提供。
可以看作本发明的示范实施例的要点的是，能够通过使用与传感器结合的电路提供电动机的功能状态，其中传感器是电动机的一部分。这允许为能够确定电动机功能状态的系统节省重量。
本发明的这些以及其它方面将参照下文中描述的实施例而变得明显并被阐明。
下面将参照下列附图描述本发明的示范实施例图1示出本发明示范实施例的符号框图。
图2示出步进电动机的示意表示。
图3示出根据本发明的示范实施例的用于检测电动机的功能状态的电路的逻辑结构布局。
图4示出表示转动功能状态的第一差动信号的时间图。
图5示出表示锁定功能状态的第二差动信号的时间图。
图6示出用于检测电动机的功能状态的方法的流程图。
图7示出包括根据本发明的电路的飞行器。
具体实施例方式
图1示出本发明示范实施例的符号框图。由数字2指示的框表示用于步进电动机48的驱动器。驱动器2负责限定步进电动机转动的方向以及步进电动机48的旋转速度。因此，驱动器2发送控制信号到步进电动机48。步进电动机48可以用于移动类似阀49的机械系统。在步进电动机48中结合有能够识别电动机48的功能状态的传感器50。传感器50可以是步进电动机48的线圈，其具有的优点在于不需要对步进电动机48增加用于确定步进电动机48的实际状态的附加装置。
由传感器50确定的信号由功能状态检测单元52接收。功能状态检测单元52是电子电路，其能够根据步进电动机48的功能状态递送离散信号。有两种可能的步进电动机48的功能状态，即对应于步进电动机48和轴56的转动的转动功能状态和对应于步进电动机48和轴56的锁定状态的锁定功能状态。功能状态检测单元52由步进电动机驱动器2触发。因此功能状态检测单元52和步进电动机驱动器2之间的连接是可用的。
由功能状态确定电路52提供的离散功能状态值被提供到估计单元54。估计单元54可以例如是显示器53，显示实际功能状态；或微处理器55，其能够处理接收的功能状态并且分析该信号。如果必须分析一系列的功能状态，则微处理器55可能是必要的。
图2示出了步进电动机48的示意表示。步进电动机48包括转子，转子包括具有磁性南极22和磁性北极23的永磁体。轴56位于转子中间，如果步进电动机48被接通则轴56旋转。步进电动机48的定子成十字形地围绕转子以90°的跨度被定位。定子包括绕组14、16、18和20，以及由绕组所围绕的芯。流过绕组14、16、18和20中的每个的电流使定子建立磁极。定子的极性吸引转子的相关极22或23。随着转子，轴56也旋转，因为转子处于其中相对的极彼此相对而放置的稳定位置。
为了旋转电动机48，步进电动机驱动器2以交替顺序控制通过绕组14、16、18和20的电流的流动。换句话说，例如为了顺时针旋转转子和轴56，驱动器2在第一相6加载电流，以使电流从电压电源4通过绕组14流回到第一相6，在定子绕组14上产生吸引相关磁极22或23的磁极性。然后驱动器2将电流切换到第二相8上，并且使电流从电压电源4流到绕组16并返回到第二相8。绕组16的定子现在具有与之前绕组14的定子相同的磁极性，并且现在绕组16的磁场吸引转子的极22，其导致轴的90度旋转。然后对第三相10和绕组18执行同样的操作并且然后对第四相12和绕组20执行同样的操作。然后再从第一相6和绕组14开始。要以另一方向旋转轴56，以相反顺序进行该次序。
如从上面可以看到的，为了旋转步进电动机的轴，定子的绕组仅被短时间供电。其余时间绕组不被驱动器2供电，以便感应的物理现象在自由绕组中产生反电动势(EMF)。反EMF仅在包括永磁体22、23的转子处于旋转中时出现。所以EMF的存在指示步进电动机48的转动功能状态。
图3示出根据本发明的示范实施例的用于检测电动机48的功能状态的电路的逻辑结构布局。该图示出了控制步进电动机48的驱动器2。通过以限定的顺序供电相6、8、10和12并且供电电动机48的定子的相关绕组14、16、18和20，驱动器2引起电动机48和轴56的旋转。用于检测电动机48的功能状态的电路52连接到导线4并且连接到相6、8、10或12中之一。导线4具有电源电压的电势。在图3中，用于检测电动机48的功能状态的电路52连接到第四相12。电源电压4连接到差动放大器24的第一输入。相12的信号连接到差动放大器24的第二输入28。
相12的信号也是电压。放大器24将第一输入26和第二输入28上的信号相减并且将结果提供在第一输出30上。根据电动机48的功能状态，差动放大器的第二输入28上的信号具有特性化的格式。这样一来，在第一输出30提供的信号也具有特性化的格式。其是随时间的电压的函数。差动放大器的第一输出30上的信号的两种不同格式能够被区分。
第一差动信号64对应于电动机48的转动功能状态。第二差动信号62对应于电动机48的锁定功能状态。这两个差动信号是周期信号，并且它们之间的差在采样时间点最明显，所述采样时间点位于采样时间间隔58、60中。输出30的相关差动信号被提供到采样保持电路36的输入32。采样保持电路36能够在规定的时间点采样输入信号。采样保持电路36采样输入32上的输入信号的时间点是由连接到采样保持电路的输入34的触发器所规定的。输入34连接到步进电动机48的驱动器2。驱动器2具有与转子的旋转相关的详细信息。因此，可以在对应于电动机48的转动功能状态的第一差动信号64和对应于电动机48的锁定功能状态的第二差动信号62最明显不同的时间点触发采样保持电路36。在采样时间点采样输入32上的信号，其为第一差动信号64和第二差动信号62中之一，使得更容易检测实际差动信号。采样保持电路36的采样值被提供到低通滤波器38以在该信号接收到比较器44的第三输入42之前平滑该信号。
比较器44的第四输入40连接到参考电压41。比较器44能够将第三输入42上的信号与输入40上的信号比较，并且指示输入42上的信号是低于还是高于第四输入40上的参考电压41。如果第三输入42上的信号低于第四输入40的参考电压41，则比较器44的第二输出46上的结果指示步进电动机的转动功能性。
否则，如果第三输入42上的信号高于参考电压41，则第二输出46上的信号指示步进电动机48的锁定状态。因此，比较器44的第二输出46处的信号是指示电动机的功能状态的离散值。该信号例如可以由后处理器使用，例如用于在显示器53上将状态可视化，或该信号可以用于借助微处理器55分析功能状态。
可以使用微处理器55作为估计单元54以将控制信号发送到驱动器2。微处理器55借助在正常状况下使用的程序通过驱动器2控制电动机48。例如，电动机48可以用于控制阀。阀49的可操作状况是指例如在关闭位置，电动机的轴是锁定的。此锁定功能状态必须由微控制器检测。然后微控制器能够切换用于转动电动机48的方向，并且作为结果，其将在比较器44的第二输出46上接收对应于电动机48的转动功能状态的信号。此信号将由估计单元54在一定时间段接收，直到阀49将锁定电动机48的轴56(指示其到达末端位置)。从那个时刻起，微处理器55将再次接收电动机48的锁定功能状态。通过结合转动功能状态的持续时间分析锁定功能状态和转动功能状态的顺序，微处理器55能够识别阀的可操作性。
图4示出表示转动功能状态的第一差动信号64的时间图。该图示出第一差动信号64的曲线。在x轴上印有时间，并且在纵坐标上印有信号64的电压。例如，步进电动机48的轴56以每秒540步而转动。当电动机48无阻挡地转动时，从差动放大器24的第一输出30取第一差动信号64。如从图4可以看到的，第一差动信号64是周期信号。因此该信号在持续时间59之后被重复。周期信号对于旋转是典型的。将第一差动信号64与第二差动信号62比较可以看到在时间间隔58和60中信号64和62最明显不同。例如，采样间隔58和60的区域中的第一差动信号64的值能够是-16伏。所以在间隔58或60的时间点处采样第一差动信号64对区分第一差动信号64与第二差动信号62最可靠。在信号64的最后四分之一处能够看到信号64的矩形格式61。在此实例中，信号64是通过导线4上的电源电压与第四相12上的信号相减而产生的。矩形区域61是当相12和绕组20由驱动器2供电并且不能用于检测信号时的区域。
图5示出表示锁定功能状态的第二差动信号的时间图。类似于图4，图5示出在差动放大器24的第一输出30处的第二差动信号62。在x轴上印有时间，并且在纵坐标上印有信号62的电压。电动机48由驱动器2控制以每秒540步而旋转，但是电动机轴被锁定。采样时间间隔58和60中的信号的值是0伏。所以取时间间隔58或60中的采样时间点使得可以以高可靠性、通过在采样时间点仅采样一个值而在第一差动信号64与第二差动信号62之间区分。
图6示出用于检测电动机的功能状态的方法的流程图。步骤S1指示电动机的转子在第一方向上转动。当转子转动时，并且由于转子包括永磁体的极22和23，根据转子的永磁体的位置在线圈14、16、18或20中感应反电动势。在步骤S3中通过反电动势与电源电压4相减来比较电源电压4和反电动势，在步骤S4中产生第一差动信号64和第二差动信号62中之一。第一差动信号64对应于电动机48的转动功能状态。第二差动信号62对应于电动机48的锁定功能状态。在步骤S5中，相关差动信号在采样时间点被采样。将步骤S6中采样的结果信号与参考电压41比较。在步骤S7中确定电动机的实际功能状态，并且在步骤S8中提供电动机48的功能状态。
图7示出包括根据本发明的电路的飞行器。
应该注意术语“包括”不排除其它元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个，并且单个处理器或系统可以完成如权利要求中所述的几个装置的功能。另外可以将结合不同实施例描述的元件进行组合。
也应该注意权利要求中的任何参考符号不应该被理解限定权利要求的范围。
权利要求
1.一种用于检测电动机的功能状态的电路，所述电路包括传感器(50)；检测单元(52)；其中所述传感器是所述电动机(48)的一部分；其中所述检测单元适合于检测所述电动机(48)的功能状态；其中所述电动机的功能状态是转动功能状态(64)和锁定功能状态(62)中之一。
2.如权利要求1的电路，其中所述传感器进一步包括线圈(14、16、18、20)；其中使所述线圈(14、16、18、20)如此适应，以致于所述电动机(48)的转子当其旋转时在所述线圈(14、16、18、20)中感应反电动势。
3.如权利要求2的电路，其中所述线圈(14、16、18、20)是所述电动机(48)的定子的绕组。
4.如权利要求3的电路，其中所述检测单元(52)进一步包括差动放大器(24)；其中所述差动放大器(24)包括第一(26)和第二(28)输入；其中所述第一输入(24)连接到电源电压；其中所述第二输入连接到所述线圈(14、16、18、20)。
5.如权利要求4的电路，其中所述差动放大器(24)包括第一输出(30)；其中所述差动放大器(24)适合于在所述第一输出(30)处产生第一差动信号(64)和第二差动信号(62)中之一；其中所述第一差动信号(64)对应于所述电动机(48)的转动功能状态；其中所述第二差动信号(62)对应于所述电动机(48)的锁定功能状态；其中所述第一差动信号(64)和所述第二差动信号(62)在采样时间点不同；其中所述采样时间点存在于采样时间间隔(58、60)中。
6.如权利要求5的电路，其中所述检测单元进一步包括采样保持电路(36)；其中所述采样保持电路(36)连接到所述差动放大器(24)的所述第一输出(30)；其中所述采样保持电路(36)连接到所述电动机(48)的驱动器(2)；其中所述电动机(48)的驱动器(2)适合于在所述采样时间点触发所述采样保持电路(36)，以便对所述第一差动信号(64)和所述第二差动信号(62)中之一进行采样。
7.如权利要求6的电路，其中所述检测单元进一步包括比较器(44)；其中所述比较器(44)具有第三(42)和第四(40)输入；其中所述比较器(44)具有第二输出(46)；其中所述比较器(44)的第三输入(42)连接到所述采样保持电路(36)；其中所述比较器(44)的第四输入(40)连接到参考电压(41)；其中所述比较器(44)适合于将所述第三输入(42)与所述第四输入(40)比较；其中所述比较器(44)适合于在所述第二输出(46)处提供第三信号；其中所述第三信号对应于所述电动机(48)的功能状态。
8.如权利要求7的电路，进一步包括显示器；其中所述显示器适合于显示所述电动机(48)的功能状态。
9.如权利要求7的电路，进一步包括微处理器(55)；其中所述微处理器(55)适合于将控制信号发送到所述电动机(48)；其中所述控制信号是控制所述电动机(48)在第一方向上转动的信号和控制所述电动机(48)在第二方向上转动的信号中之一；其中所述微处理器(55)适合于确定对应于所述控制信号的所述电动机(48)的功能状态；其中所述微处理器(55)适合于分析所述电动机(48)的功能状态；其中所述微处理器(55)适合于检测所述电动机(48)的可操作性；其中所述可操作性对应于第一和第二锁定功能状态之间的转动功能状态的持续时间。
10.如权利要求1的电路，其中所述电动机(48)是步进电动机。
11.一种由电动机控制的阀，其中所述电动机(48)包括权利要求1的所述电路。
12.一种飞机，其包括权利要求1的所述电路。
13.一种用于检测电动机的功能状态的方法，其包括以下步骤借助于作为电动机的一部分的传感器来检测所述电动机的功能状态。
14.如权利要求13的方法，进一步包括以下步骤在第一方向上转动电动机(48)的转子；在线圈(14、16、18、20)中感应反电动势；将所述反电动势与电源电压比较；产生第一差动信号(64)和第二差动信号(62)中之一；其中所述第一差动信号(64)对应于所述电动机(48)的转动功能状态；其中所述第二差动信号(62)对应于所述电动机(48)的锁定功能状态；其中在采样时间点所述第一差动信号(64)与所述第二差动信号(62)不同；在所述采样时间点采样所述第一差动信号(64)和所述第二差动信号(62)中之一；将所述第一差动信号和所述第二差动信号中之一与参考电压比较；确定所述电动机(48)的功能状态；提供所述电动机(48)的功能状态。
全文摘要
本发明涉及用于检测电动机的功能状态的电路。典型的电动机需要附加部件以识别电动机的功能状态。这对于确定该功能状态的该电动机意味着附加的重量。根据本发明提供了这样的电路，其使用电动机的一部分作为用于检测电动机的功能状态的传感器。
文档编号H02P6/18GK101053148SQ200480044023
公开日2007年10月10日 申请日期2004年9月17日 优先权日2004年9月17日
发明者于尔根·克尔恩霍费尔, 托马斯·舍雷尔, 斯特芬·卡尔索, 阿尔维·比库姆, 约翰·马连尼安, 大卫·利恩霍茨, 瓦尔特·S·霍伊诺夫斯基 申请人:空中客车德国有限公司, 汉胜公司