用于驱动或定位外部元件的机电组件的制作方法

本发明涉及机电领域，尤其涉及包括无刷电机的致动器。它提出了在无需修改控制架构并同时对当前解决方案进行改进的情况下，在某些应用中由无刷电机替换有刷电机的可能。

以恒定速度运行的有刷电机仅需要一个直流电压和一个on/off开关。通过改变电压可以在很宽的范围内改变速度。在使用这种电机的汽车应用的情况下，已知使用具有诸如所谓的“h桥”之类的架构的电子控制单元(ecu)，该架构由控制电流沿一个方向或另一方向流过的两对晶体管组成，这样就可以获得双向电流(负和正)，从而获得双向运动。

以已知和常用的方式，采用由脉冲宽度调制(pwm)调制的信号来控制这些电机的速度，该信号用于生成由具有原始值(通常通过在电池电压(通常为12v)下的0伏开关)的矩形信号调制的中压。电机绕组的电阻和电感就像低通滤波器一样，允许高频pwm波形在绕组中产生几乎恒定的电流。为了更精确地调节速度，可以添加速度传感器，例如霍尔效应传感器或光学编码器，以构成闭路控制设备。

如果人们希望特别改善电机的寿命及其最终性能，则改用无刷电机是有利的。因此，期望具有通过这种简单的现有ecu架构为电机功率供应并进行控制的能力。

现有技术

根据现有技术，已知专利ep2932088可以用无刷电机替换有刷电机，即，在这种情况下无需修改现有的ecu架构(即，无需改变其他任何东西)。所提供的解决方案提出，通过来自转子上传感器的信号经由不带微控制器的简单电子电路来直接控制晶体管。

还已知美国专利us9774279，其描述了一种控制致动器的运动的系统，该系统包括：电源输入，其提供pwm信号；电机控制电路，其接收pwm信号并发出合成的三相控制信号；无刷直流电机，其接收控制信号并响应于所接收的控制信号而操作以重新定位致动器；以及控制器，其接收pwm信号。该控制器包括：幅值检测模块，其检测pwm信号的幅值；以及检测和控制模块，其检测pwm信号的极性。

现有技术的缺点

如果人们希望获得电机的最佳性能，则ep2932088中公开的解决方案并不总是令人满意的。实际上，没有微控制器的简单架构以及所描述的简单逻辑表会导致电机在电流的作用下运行，因此转矩不是很恒定；电机的输出因此受到影响。同样，如果人们希望在达到临界条件(高温，机械停机)时增加诊断或关闭功能，那么这种控制无法执行这些。而且，如果人们希望通过具有不同特性(例如，在频率方面)的pwm信号来控制电机，那么这种电子架构不允许这样做。

us9774279中公开的解决方案允许通过添加微控制器来进行先验改进，但是其提供的描述是模糊的，并且所公开的解决方案不是特别令人满意。实际上，无刷电机是通过ecu生成的pwm信号的幅值来控制的。但是，pwm信号的幅值会受到减损，例如，电池提供的电源电压的变化、瞬态电压脉冲、以及来自位于连接线或电子电路附近的电机或部件的电磁干扰。然后，这些减损会使电子控制电路检测到的信号失真，并且不能以令人满意的方式控制无刷直流电机(bldc)。为了减少这些不利之处，在现有技术的解决方案中提出通过数字处理来重构矩形信号，该操作消耗大量的计算资源并且招致额外的功耗。此外，在该专利中，向电机提供的信号是否为两线信号也是不清楚的。

由本发明提供的解决方案

本发明的目的是通过提出一种具有集成电路的致动器来建议针对上述问题的解决方案，该致动器可以代替有刷电机使用，该致动器对电压幅值的变化不敏感，并且可以优化电机的运行。

更具体地，本发明涉及一种包括多相无刷电机的致动器，该多相无刷电机具有两线连接，以用于接收由电机控制单元提供的具有占空比或调制频率的调制的电源信号，所述致动器还包括电子电路，该电子电路包括微控制器和传送所述无刷电机的线圈的供电信号的功率级，以及包括所述调制信号的整流器和/或滤波部以传送电子电路的连续供应信号的功率级，

其特征在于，所述电子电路包括：

-级，所述级在解码微控制器的外部或集成在解码控制器中，通过上述调制信号的上升沿和下降沿的时间确定来提供：

·通过分析施加到所述两条线的信号而得到旋转方向的设定点，和/或

·转子的目标位置的设定点，和/或

·预先记录的运动序列的设定点，和/或

·速度设定点，

所述微控制器根据上述供电指令和上述信号来控制各个相的供电信号，并且利用所述功率供应级的输出为无刷电机的线圈功率供应。

所述功率供应级优选地包括2n个场效应晶体管(mosfet)，其中，n是所述无刷电机的相数。

在优选实施方式中，通过确定输入信号何时跨越阈值来完成对上升沿和下降沿的检测，该阈值与调制信号的高电平与低电平之间的中间值相对应。

例如，通过确定输入信号何时跨越低于标称幅值的20％到45％之间的上升阈值以及输入信号何时跨越高于标称幅值的55％到80％之间的下降阈值来执行对上升沿和下降沿的检测。

在一种可选但非限制性的方式中，电机致动位置编码器，该位置编码器的输出连接到电子控制单元，或者微控制器可以模拟发送到电子控制单元的位置信号。

在另选实施方式中，微控制器执行对调制信号的占空比的测量，以便根据所述占空比来解释位置命令。

在另一另选实施方式中，微控制器执行对调制信号的频率的测量，以便根据所述频率来解释位置命令。

附图说明

通过阅读以下参考附图的对本发明的非限制性示例的详细描述将阐明本发明，其中：

-图1表示根据本发明的致动器的第一实施方式的总体图，

-图2表示根据本发明的致动器的第二实施方式的总体图，

-图3表示根据本发明的致动器的第三实施方式的总体图，

-图4表示根据本发明的致动器的第四实施方式的总体图。

具体实施方式

图1表示致动器的示例实施方式，该致动器包括与电子电路(2)和绝对位置编码器(3)相关联的无刷电机(1)，绝对位置编码器(3)对于本发明的实施是可选的。

该致动器从由电子计算机和板上软件组成的电子控制单元ecu(4)接收信号，该电子控制单元通过调制的pwm信号来控制电机，该调制的pwm信号是通过两条线(5、6)发送的。

电子控制单元通常被配置为对有刷电机进行控制，该有刷电机与位置反馈传感器相关联以提供位置控制。电子控制单元通常包括h桥(7)，h桥用于控制端子(5、6)处的输出信号的极性，该信号包括有关功率、转矩或速度和方向的信息。h桥(7)可以实现2个功能，即通过反转电机端子处的电流来反转电机的旋转方向，以及通过调制电机端子处的电压来改变电机的速度。

h桥(7)从pid调节器(8)接收信息，pid调节器(8)根据来自电路(9)的数据来提供闭环伺服控制，该电路处理来自编码器(3)的数据。在本发明中从来自编码器的信息得出的闭环伺服控制不是必须的，并且在此仅提供信息。还规定，本发明不涉及电功率控制单元(4)。

电子电路(2)包括具有两个端子(5、6)的输入部，这两个端子经由两线连接来连接到电功率控制单元(4)，从而传输根据脉冲宽度调制的电功率电流。电子电路(2)不包括供应额外功率的端子，因此两线信号包括关于方向(即，电机的旋转方向)、扭矩或速度(即，在该速度下电机必须转向)和功率(信号发送施加到电机各相的电功率)的信息。

该两线信号(5、6)一方面被发送到供应级(10)，另一方面被发送到微控制器(11)。供应级(10)包括整流器和/或滤波部，以便向微控制器(11)和功率级(12)传送连续的功率供应信号。

微控制器(11)对通过两条线(5、6)发送的pwm信号进行分析，以检测上升电压沿和下降电压沿，并且计算：

o通过分析来自所述两条线(5、6)的信号来计算旋转方向设定值，和/或

o转子的目标位置的设定值，和/或

o预先记录的运动序列的设定值，和/或

o速度设定值。

微控制器(11)的输出部根据指令来控制功率级(12)的打开和关闭。功率级(12)包括2n个晶体管，其中n是电机(1)的电相数。如图2所示，规定例如当电机输出相对较低(通常低于15w)时，功率级(12)可以集成到微控制器(11)中。

位置控制的解释

致动器使用来自ecu单元(4)的pwm功率信号来对微处理器(11)和功率级(12)进行功率供应，如上所述。

功率级(12)将经供应级(10)整流和/或滤波的整流功率供应信号传送到所述无刷电机的各个相，以控制电机的各种工作过程。

根据第一实施方式，执行pwm的占空比的测量，以便解释位置命令。然后对脉冲宽度调制的占空比进行编码，以控制各种工作过程，例如：

占空比为85％的校准位置，

占空比为90％的校准位置，

占空比为95％的校准位置。

可以通过选择其他占空比来添加中间位置或附加命令。在作为示例提供的该实施方式中，微控制器被配置为解释pwm信号的占空比。

根据第二实施方式，执行pwm频率的测量，以解释位置命令。然后对脉冲宽度调制频率进行编码，以控制各种工作过程，例如：

18khz的pwm信号的关闭位置，

20khz信号的校准位置，

22khz的pwm信号的打开位置。

可以通过选择其他频率来添加中间位置或附加命令。在作为示例提供的该实施方式中，微控制器被配置为解释pwm信号的频率。

供应级(10)用于对信号(5、6)进行滤波并可能进行整流，以便直接为功率级(12)进行功率供应(无需附加处理)。pwm频率和占空比(例如90％)足够大，以允许使用低值电容器(通常低于220μf)对功率供应信号进行滤波。

微控制器允许的附加处理

通过集成有微控制器(11)的致动器，可以执行由数据处理代码实施的其他功能，例如：

-发生故障时返回参考位置，

-到达低停止速度时，

-根据位置操纵转子的行进速率，

-根据温度条件控制电流，

-最小化消耗，

-当达到温度或电流峰值时，停止电机控制。

根据另选实施方式，电机(1)不包括位置编码器(3)，如图3所示。在这种情况下，位置信号由微处理器(11)进行模拟，并且信息反馈是经由专用线(13)完成的。

例如，传感器的仿真是通过确定在应用中搜索到停止时的位置来执行的。因此，可以通过对从这些停止开始执行的电机步数进行计数来确定位置。

信息反馈通常由pwm类型的信号执行，该信号由微控制器(11)发送并且可以例如借助于pwm频率或特定的占空比来对信息的种类进行编码。然后，可以发送的不同种类的信息例如是给定温度的实现、定位误差、机械误差、异常电流消耗等。

图4示出了根据本发明的致动器的第四实施方式的总体图。

在该实施方式中，微控制器(11)包括功率级(12)，但是不包括外部化的解码级(14)。当解码功能(特别是包括两线输入信号的滤波器)无法由微控制器接管时，例如在要控制的电压电平过高时，此另选方法可能会引起关注。

还可以考虑这样的实施方式，其中各种元件：解码级(14)、微控制器(11)和功率级(12)是三个单独的元件。