专利名称：处理直流电动机的电动机变量的制作方法
处理直流电动机的电动机变量本发明涉及一种处理用于机动车辆的致动装置的直流电动机的至少ー个电机变量的方法，在该方法中对电枢电流以及电机电压进行检测并且通过对在其内包含的电流波纹进行计数而从该电枢电流的时间特征曲线确定ー个致动元件的致动位置。本发明还涉及根据所述方法运行的一种致动装置。许多机动的致动装置通常出现在现代的机动车辆中。这种致动装置例如是电动摇窗开关、电动座椅调节系统或用于车门、行李箱盖、敞篷车辆的滑动顶盖或顶部的机动调节装置。作为这种致动装置的致动过程的一部分，必须准确地接近ー个所希望的末端位置。为此，精确地知道致动装置的致动位置是必须的。此外，知道当前的致动位置或变量 通常也是必须的用于陷俘实例的可靠识别，这些变量可以从所述当前致动位置导出，比如致动速度(电机转速)、致动方向(电机转动的方向)或所覆盖的致动路径(调整路径)。
上述的这种致动装置通常是由ー个机械的换向直流电动机(换向器电动机)运行。在这种致动装置中，可以通过对所谓的电动机或电枢电流波纹进行计数来确定致动位置。在这种情况下，由直流电动机的换向引起的特征波纹被称为电流波紋，即电动机或电枢电流的周期性脉冲式波动。在电动机或电枢电流信号中包含的电流波纹以与换向器的叠片数量相对应的频率发生，从而对该电流波纹进行计数提供了该电枢(转子)的当前(瞬吋)转动位置以及因此关于致动元件在所述制动元件的预定调整路径中的瞬时转动位置的可靠信息，该致动元件是由直流电动机驱动的。然而，在典型的致动过程的整个持续时间上无误地对电流波纹进行计数一般是不可能的。因此，典型的致动过程被分解成一个初始启动阶段(启动阶段)以及ー个随后的均衡阶段(稳定阶段)以及ー个空转阶段以及一个随后的刹车阶段。众所周知，初始阶段是在驾驶阶段之前，在初始阶段已经向直流电动机或所述直流电动机的电枢绕组供应了电流但是电枢(转子)还没有动(即还没有转动)并且因此直流电动机是静止的。在启动阶段期间，电动机速度设定在一个稳定的最終速度。在随后的均衡阶段期间，这个最終速度并且因此同样电流波纹的频率是近似恒定的。空转阶段是由换向器电动机接地的两个连接启动，用于结束该致动过程。在这种情况下，空转阶段延伸至这种切换过程期间，包括一个开关相关的反弹阶段，并且典型地持续大约3ms至4ms。由于此切换过程，在电动机的致动速度基本不变的情况下，没有电枢电流(电动机电流)或ー种非常难以复制的电枢电流(电动机电流)在空转阶段流动。两个电动机触点一稳定地接地，空转阶段就转换至随后的刹车阶段。在刹车阶段，经由接地短路的电动机作为ー个发电机运行并且由以此方式生成的环行电流制动。然而随时间的推移可以比较可靠地使用电枢电流信号的电流波纹，用于在启动阶段内特别地在随后的均衡阶段内的位置确定，当电动机或所述电动机的致动器开始转动(移动)，在启动阶段的开始确定第一(可检测的)电流波纹存在问题。这进而可导致波纹计数器开始波纹计数太晚或没有考虑第一初始电流波纹中的ー个。这导致了不希望的计数错误并且在所确定的致动元件的实际位置的致动位置中导致了本来要避免的偏差。
本发明的目的是改进处理用于机动车辆的致动装置的直流电动机的至少ー个电动机变量，具体而言是电枢电流(电动机电流)，该直流电动机是由一个车载电气系统直流电压供电的。在这种情况下，具体而言目的是改进电流波纹的检测以及评估。本发明从ー种方法开始，在该方法中对直流电动机的电枢电流以及电机电压进行检测并且通过对在其内包含的电流波纹进行计数而从该电枢电流的时间特征曲线确定ー个致动元件的致动位置。关于ー种处理用于机动车辆的致动装置的直流电动机的至少ー个电动机变量的方法，该直流电动机由ー个车载电气系统直流电压供电，所述目标是根据本发明通过权利要求I的特征实现的。在所述权利要求中，假设在已经向静止的直流电动机供应电流的初始阶段期间，随着时间而増加的电枢电流是由电机电压以及电枢电流的多对值确定的ー个函数映射的，这些值是在ー个时间间隔内检测的。在以后的时间可以预计的电枢电流的一个电流值从其用外推法求得。在电枢电流与该外推的(电枢电流)值存在偏差情况下，该偏差可以在以后的时间检测，将ー个波纹计数启动用于检测电流波紋。理想地将该计数器与启动阶段一起启动，即当直流电动机启动并且产生第一电流波纹时。
在这种情况下，术语“电动机变量”总体上指代电动机或电枢电流的任意希望的电流强度或电压变量，该电动机或电枢电流允许得出致动装置的运行状态的结论，具体而言是电流波纹的计数。该电动机变量优选地还是所谓的反电动势(E)。此外，电枢绕组的绕组电阻(电枢绕组电阻Ra)以及电枢绕组电感(La)以及因此电动机电压(La· dlノdt)的自感元件也被用作电动机变量。本发明出自以下考虑第一，在已经向仍然静止的直流电动机供应电流的初始阶段，电枢电流随着时间至少近似线性地増加；并且第二，在初始阶段期间，由于直流电动机的电枢还未移动，反电动势(E)等于零。因此，随着时间线性地増加的电枢电流的梯度可以从直流电动机的电气方程式根据关系U111=Ra · Ia+La · dlノdt+E而确定，其中根据已在电流的线性增加的时间间隔中测量的两个电流以及电压值，E=O0进而，可以将梯度用于计算在以后的时间可以预计的电枢电流的ー个电流值，如果在这个以后的时间，该直流电动机保持静止并且相应地自感以及因此反电动势依然是零(E=0)。然而，如果预计的电流值偏离于在同一时间所测量的电流值，并且因此偏离实际的电流值，在这个以后的时间，可以假定在这个后来的时间电动机已经移动，这导致反电动不同于零(E O)。为了考虑公差以及测量误差，有利的是在后来的时间确定的电流值与电枢电流的实际电流值的偏差同一个(可预先定义的)參考值或阀值比较，该偏差是当电动机静止时所预计的。在这种情况下，理想地以这种方式定义阀值从而使得电动机真实地移动或电枢真实地转动，但是所预计的第一电流波纹依然没有发生。如果真实的电枢电流与所外推的电流值的偏差(差异)超过了这个阀值，则这个准则可用于初始化波纹计数。这保证了已经识别了第一电流波纹并且避免了由于第一电流波纹或随后的电流波纹而导致的没有被识别的计数错误。众所周知，可以根据直流电动机的电气方程式计算电枢的绕组电阻以及绕组电感，例如作为根据电枢电流以及电枢电压的两个时间偏移量測量在合适的时间间隔期间的电枢电流的时间特征曲线的參考测量的一部分。如果这些电动机变量是已知的，则可以可靠地计算所预计的电流值。这个预计的电流值用于同电枢电流值比较，该预计的电流值实际上是在以后的时间检测的。因此，以ー种合适的方式从两对值确定第一电枢绕组电阻以及第ニ电枢绕组电感，这两对值是在电动机电压以及电枢电流的时间间隔内检测的。这些变量(电枢绕组电阻以及电枢绕组电感)则用于在后来的时间确定外推的电枢电流。为了尽可能地在初始阶段或恒定运行或均衡阶段期间准确地并且没有干扰地确定电流波紋，将电枢电流供应至ー个可控频率滤波器，该滤波器根据所检测的电流波纹产生一个与转速成比例的输出信号。为此，将ー个控制信号以及ー个滤波输入信号供应至该频率滤波器，该控制信号是从该直流电动机的反电动势(EホO)确定的，而该滤波输入信号是从该电枢电流信号以及该电动机电压得出的。在这种情况下，该反电动势理想地是从该电动机电压以及该电枢电流和电枢电阻的乘积确定的。电动机电压理想地用低通特性的滤波器加权并且从其得出ー个校正信号。滤波信号是从电枢电流信号以及电动机电压的校正信号之间的差异产生的。此外，将ー个低通滤波控制信号方便地供应至可控频率滤波器。根据本发明的另ー个方面，通过ー个脉宽调制信号(PWM信号)致动该直流电动机，将其占空比设置为在该车载电气系统直流电压中的电压波动的ー个函数。其结果是，可以 将该车辆的车载电气系统或电池电压中的电压波动过滤掉，否则这些波动还会反映在(所测量的)电枢电流信号中。这种电压波动可以存在于电流波纹频率的频率范围内，并且这会导致计数错误。PWM信号的采样频率方便地在20kHz的范围内，这对应于Tpwm=50 μ s的PWM信号的周期持续时间。在这种电压过滤的有利改进中，PWM信号的固定占空比是基于參考电压以及滤波电压之间的比率确定的。在这种情况下，滤波电压对应额定车载电气系统直流电压，该直流电压没有电压波动。该占空比根据当前的车载电气系统直流电压与该滤波电压之间的偏差以ー个比较低或比较高的电压值而增加或減少。例如，如果用额定车载电气系统直流电压设置70%的占空比，则在电压波动至低于额定车载电气系统直流电压的ー个电压值的情况下，占空比实际上是实时増加的，例如，増加至80%，。类似地，在额定车载电气系统直流电压中的偏差降低至超过额定车载电气系统电压的ー个电压值的情况下，占空比实际上又实时地降低至例如，50%或60 %。根据本发明，所述目标是通过机动车辆的致动装置额外地实现的，该致动装置具有ー个由车载电气系统直流电压供电的机械式换向直流电动机，并且具有一个用于致动直流电动机的控制单元。在这种情况下，设计该控制单元执行上述的方法，即以程序和/或电路的形式设计。提供用于执行该方法的控制单元和/或功能模块(块)优选地由ー个微处理器(微控制器)形成。在致动装置的合适改进中，在每种情况下直流电动机连接至两个电桥通路之间的ー个电桥电路(H桥)上，这两个电桥通路具有一个高电势侧半导体开关以及ー个低电势侧半导体开关的。所述半导体开关的控制输入端连接到控制单元或微控制器并且由所述控制単元或微控制器通过具有占空比的PWM信号致动，该占空比随着电池或车载电气系统直流电压的电压波动而变化。将控制単元或微控制器设计或编程首先用于计算(具体而言通过外推)ー个电流值，该电流值是在直流电动机的启动阶段的ー个特定时间处预计的，向该直流电动机供应了电流但其仍然静止。第二，将控制単元或微控制器设计或编程用于通过适当地改变PWM信号的占空比来过滤出车载电气系统电压的电压波动，从而使得直流电动机实际上以ー个恒定的供应电压(工作电压)致动并且运行，这个恒定的供应电压没有干扰和波动。将參照附图
在下面更详细地解释本发明的示例性实施方案，其中图I示意性地示出了在一个方框图中用于处理直流电动机的电动机变量的具有一个控制単元的致动装置的功能块，图2示出了在初始阶段以及在启动阶段的开始直流电动机随着时间改变的电枢电流以及电枢电压的ー个典型特征曲线的示意图，图3不出了随着时间改变的一个波动的电动机电压信号以及ー个相关联的电枢电流信号的另ー个图，图4示出了根据图3的未过滤的电动机电压信号以及ー个过滤的电动机电压信号的一个图， 图5示出了随着时间改变的具有固定占空比的ー个PWM信号的一个图，图6示出了根据图5的具有变化的占空比的PWM信号的ー个图，以及图7示出了输入至控制单元的滤波输入信号以及从控制单元输出的滤波输出信号的特征曲线的ー个电流/时间图。在所有的图中相应的部件以及变量配备有相同的參考符号。图I所示的方框图代表ー种方法以及ー种致动装置I的功能，该方法及致动装置用于确定由于所述直流电动机被换向而导致的机械式换向直流电动机2的电枢电流信号Ia中产生的电流波紋。用电池或称作操作直流电压的车载电气系统直流电压Ub为直流电动机2供电。将电流波纹叠加在直流电动机2的直流信号上作为ー个交流信号元件。由于直流电动机2的换向器的叠片数量是已知的，电动机转速以及电动机电枢的位置(电枢位置)可以从每単位时间的电流波纹数量确定。电枢位置又对应于机动车辆的由直流电动机2驱动的致动元件3的位置。因此，例如，可以使用相对简单的手段精确地确定可以通过作为致动装置I的摇窗驱动自动地调节的车窗的窗户位置，因为机动车辆的致动元件3沿着上部关闭位置以及下部打开位置之间的调节路径。在这种情况下，致动装置I包括通过致动机构4连接到车窗3上的直流电动机3，其方式为使得所述车窗可以在致动区域(调整路径)5之内在打开位置以及关闭位置之间移动。致动机构4包括ー个驱动轴6，该驱动轴连接到直流电动机2的称作转子的电枢上，并且该驱动轴通过齿轮机构7作用在车窗3上。该致动装置I还包括一个由微控制器形成或包括微控制器的控制单元8。控制单元8作用在H桥的四个半导体开关T1至T4上，该H桥作为減速致动器而运行并且具有两个桥路，每个桥路具有高电势侧(+Ub)半导体开关V T3以及ー个低电势侧(接地M)半导体开关Τ2、Τ4。直流电动机2在桥路之间连接，并且在半导体开关T1和T2以及也在T3和T4之间通过其电动机连接而连接。工作电压Ub是机动车辆的电池或车载电气系统直流电压。将电动机的测量值Ia以及Um或电枢电流強度Ia或电动机电压Um以及工作电压Ub或一个与其成比例的測量值供应至控制单元8的输入端。控制程序是通过控制单元8或其微处理器9中的软件实现的。控制单元8包含多个功能块，在下面更详细地描述了这些功能块。微控制器9的控制程序首先通过切换半导体开关T1切換至T4而致动直流电动机2来用于执行致动过程，其结果是车窗3在打开或关闭位置的方向上移动。为此，微处理器9产生ー个脉宽调制的控制信号(PWM信号)Spw,该控制信号根据直流电动机2的转动方向而供应给高电势侧半导体开关T1或T3而低电势侧半导体开关T2或T4由微处理器9连接。直流电动机2中的电动机电枢在直流电动机2的运行期间在所述直流电动机的定子磁场内转动。其结果是，将同样称作反电动势E的电压在电动机运行期间在电枢绕组(电枢线圈)中根据发电机原理进行感应，所述电压根据工作电压Ub以及因此相对的电枢电流Ia具有极性。反电动势E与电枢或电动机转速是线性相关的并且当电枢电流Ia的方向反向时致使电动作为ー个发电机而机运行并且从而可以用于对直流电动机2制动。当直流电动机2静止时并且因此也是在初始阶段，已经向直流电动机2或其电枢绕组供应了电流，反电动势E等于零(E=0)。直流电动机2的电枢绕组的电枢绕组电阻Ra是比较地小，并且从而电枢电流Ia至少大约线性地増加至ー个特定的电流值，并且在这种情况下至少在ー个特定的时间间隔Atztft1内，在初始阶段期间当电动机电枢还没有转动时。在时间间隔At内在初始阶段期间在图2中示出了电枢电流Ia中的这种增加。
为了处理相关的电动机变量，具体而言是电枢电流，为了可靠地检测并且滤波并且计数包含在电枢电流Ia中(在电枢电流或电枢电流信号的时间特征曲线中)的电流波紋，为了尽可能精确地确定驱动直流电动机2的电动机电枢的转动位置并且尽可能精确地确定致动元件3 (车窗)位置，使用了以下方程式(I )，所述方程式示出了直流电动机2的数学模型Um=Ra.Ia+Lノヤ E(I)在所述方程式中，术语La-diydt表示自感电压并且术语E表示反电动势，其中是La绕组电感并且Ra是电枢绕组的绕组电阻。Um以及Ia是所测量的电动机电压以及对应地所测量的电枢电流。电枢电流Ia在初始阶段10期间随时间的推移线性地增加，这在图2中展示。电动机电压Um也在初始阶段10线性地増加。在初始阶段10期间可以确定(计算)在展示的时间间隔At1J内是线性的电枢电流Ia的梯度，在该阶段期间在每种情况下在所述的展示的时间间隔At1;2中在时间h以及セ2处可以检测ー对值Uml (h)、Ial (h) WlUm2(t2)、Ia2(t2)。这种计算是根据方程式(I)通过微处理器9以及因此通过控制单元8确定的(计算的)。因为在初始阶段10已经供应了电流，在该阶段中直流电动机2或其电枢仍然是静止的，反电动势E等于零(E=0)，这给出了以下关系(方程式)Uml =RaIal+La(2)
IjUin2 =Ra. Ia2+L,-^-(3)
dl , dl . /.，-/, ,-f-=十=—~-(4)
dt (Ji L - / ,Um2-Uml=Ra · (Ia2-Ial)(5)
_4]レ^f(6)
权利要求
1.一种处理用于机动车辆的致动装置(I)的机械式换向直流电动机(2)的至少一个电机变量(Ia，Um)方法，该机械式换向直流电动机是由一个车载电气系统直流电压(Ub)供电的，在该方法中对该直流电动机(2)的电枢电流(Ia)以及电机电压(Um)进行检测并且通过对在其内包含的电流波纹(Rn)进行计数从该电枢电流(Ia)的时间特征曲线(Ia (t))确定一个致动元件(3)的致动位置， -其中，在初始阶段(10)，在该初始阶段向该静止的直流电动机(2)供应电流，随时间的(t)推移而增加的电枢电流(Ia)是由一个函数映射的，该函数是通过电机电压(U以及电枢电流(Ial，2)的多对值(Uml，2，Ial，2)确定的，这些值是在一个时间间隔(Aty)内检测的，并且在以后的时间(t3)可以预计的该电枢电流(Ia)的一个电流值(Ix)从其用外推法求得，并且 -其中，在是在以后的时间(t3)检测的该电枢电流(Ia)与该外推的电枢电流(Ix)具有偏差(AIax)的情况下，开始波纹计数用于检测电流波纹(Rn)，具体而言是当将该直流电动机(2)启动时产生的第一电流波纹(R1X
2.如权利要求I所述的方法，在该方法中电枢绕组电阻(Ra)以及电枢绕组电感(La)由电机电压(Uml，2)以及电枢电流(Ial，2)的两对值(Uml，2，Ial，2)确定用于在以后的时间&3)确定外推的电枢电流(Ix)，这些值是在时间间隔(Aty)内检测的。
3.如权利要求I或2所述的方法， -其中，在初始阶段(10)之后的启动和/或恒定运行阶段(11)，将该电枢电流(Ia)供应给一个产生输出信号(IJ的可控频率滤波器(16)，该电枢电流与转速成比例，并且 -其中将一个控制信号(S’ f)以及一个滤波输入信号(If)供应至该频率滤波器(16)，该控制信号是从该直流电动机(3)的反电动势(E)确定的，而该滤波输入信号是从该电枢电流信号(Ia)以及该电机电压(Um)得出的。
4.如权利要求3所述的方法，其中该反电动势(E)是从该电机电压(Um)以及该电枢电流(Ia)和电枢电阻(Ra)的乘积确定的。
5.如权利要求2至4之一所述的方法，其中将一个低通滤波控制信号(S’f)供应至该可控频率滤波器(16)。
6.如权利要求I至5之一所述的方法，其中通过一个脉宽调制信号(Spwm)致动该直流电动机(2)，将其占空比(tm/TPWM)设置为在该车载电气系统直流电压(Ub)中的电压波动的函数。
7.如权利要求6所述的方法， -其中根据一个参考电压(Uk)与一个滤波电压(UBf)之间的比率对该脉宽调制信号(Spwm)的一个固定占空比(tm/TPWM)进行设置。
-其中该滤波电压(UBf)对应于额定车载电气系统电压(Ub )，并且 -其中该占空比(tml、2/TPWM)根据当前电流车载电气系统直流电压(Uinst)与该滤波电压(UBf)之间的偏差而增加或减少。
8.一种用于机动车辆的致动装置(1)，该致动装置具有一个由车载电气系统直流电压(Ub)供电的机械式换向直流电动机(2)，并且具有一个用于致动该直流电动机(2)的控制单元(8、9)，该控制单元被设计以执行权利要求I至7之一所述的方法。
9.如权利要求8所述的致动装置(1)，在该致动装置中该直流电动机(2)连接至一个电桥电路上，该电桥电路在具有一个高电势侧半导体开关(T1, T3)以及一个低电势侧半导体开关(T2，T4)的两个电桥通路之间在每种情况下作为一个减速致动器而运行，所述半导体开关在控制输入端连接到该控制单元(8，9)上。
10.如权利要求9所述的致动装置(1)，在该致动装置中该控制单元(8)包括一个微处理器(9)以及一个波纹计数器(13)，该波纹计数器与所述微处理器相关联并且以该第一检测电流波纹(R1)开始。
全文摘要
本发明涉及一种处理用于机动车辆的致动装置(1)的直流电动机(2)的至少一个电机变量(Ia,Um)的方法，所述直流电动机是由一个车载电气系统直流电压(UB)供电的，在该方法中对该直流电动机(2)的电枢电流(Ia)以及电机电压(Um)进行检测并且通过对在其内包含的电流波纹(Rn)进行计数而从该电枢电流(Ia)的时间特征曲线确定一个致动元件(3)的致动位置。在初始阶段(10)期间，随时间(t)的推移而上升的电枢电流(Ia)是由一个函数复制的，该函数是从电机电压(Um1,2)以及该电枢电流(Ia1,2)的多对值(Um1,2、Ia1,2)确定的，这些值是在一个时间间隔(Δt1，2)内检测的。从这一点而言，在以后的时间点(t3)可以预计的该电枢电流(Ia)的一个电流值(Ix)从其用外推法求得，其中，在以后的时间点(t3)检测的电枢电流(Ia)与外推的电枢电流(Ix)之间存在偏差(ΔIax)的情况下，启动波纹计数用于检测电流波纹(Rn)，具体而言是启动在将该直流电动机(2)运行期间产生的第一电流波纹(R1)。
文档编号H02P7/00GK102835021SQ201180018582
公开日2012年12月19日 申请日期2011年3月30日 优先权日2010年4月22日
发明者约万·克内热维奇 申请人:博泽哈尔施塔特汽车零件两合公司