CN101008838A - 机动车辆离合器或变速箱的作动器的控制装置 - Google Patents

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Abstract

用于一作动器例如机动车辆离合的控制装置，该装置包括一通过一H桥(16)提供电能并受一位置伺服电路(32)和一通过电流环路伺服的电路(34)控制的直流电马达(14)，带有电流环路的电路(34)包括一P－I型防饱和矫正电路(60)，矫正电路(60)输送一应用到H桥(16)的周期比信号(62)，以便确定电马达(14)的供电电压。

Description

机动车辆离合器或变速箱的作动器的控制装置
技术领域
[01]本发明涉及一种用于一作动器特别是机动车辆离合器或变速箱的作动器的控制装置，该装置包括一通过一微处理器控制的H桥提供能量的直流电马达、至少一检测一被作动器移动构件的位置的传感器、一该构件位置的伺服电路，和一沿与位置伺服电路串级连接的通过电流环路(boucle de courant；current loop)的伺服电路。
背景技术
[02]通过文件WO-A-2004/10202了解到一建立在识别作动器电马达的机电方程参数基础上的作动器控制装置。
[03]本发明的目的是确定通过一H桥给电马达供电时该装置的特征，以便简化位置伺服电路矫正器的功能，将供电电压和作动器马达电阻的影响减到最小。
[04]传统的方法是，控制一离合器或变速箱的机电装置一般包括至少一常常是直流电的马达、一给该马达供电的功率模块、一作动器输出构件的位置传感器、和一位置伺服数字计算电路，该电路用于计算应用在马达上的理想电压，以便在一确定时间并以要求的精度到达一给定位置。
[05]这些装置中使用的直流电马达的电阻一般非常低，以便保证作动器的动态特征，特别是当运行温度很高时。这些马达包括一些永久磁铁，当给马达供电的电流太大时，这些磁铁可以去磁。另外，电流太大还可能产生干扰连接在机动车辆电网上的其他设备的危险。因此只能通过应用一最大电压启动这些马达，并限制启动电流，尤其是使用一通过与位置伺服电路串联沿电流环路的伺服电路。
[06]因此，位置伺服电路计算出一电流参照值(consigne)，从而对作动器的电马达而言可满足于没有危险的值。
[07]但是，由于作动器的电马达的某些参数，如它的电阻和电动势常数(与力矩常数成比例)，可能随运行条件尤其是温度的变化而有相当大的变化，因此很难调节这些伺服电路的运行参数。这妨碍了对伺服电路运行参数给出公称值或任意值。
[08]本发明建立在持续实时地确定作动器的电马达参数的基础上，以便可以正确调节伺服电路运行参数并且摆脱破坏控制装置动态的影响，这些影响是由于运行条件的变化，以及控制装置组成零件的制造产生的分散性(dispersion)。
发明内容
[09]为此，本发明提出一种用于一作动器，特别是机动车辆离合器或变速箱的作动器的控制装置，该装置包括一通过一H桥供电的直流电马达、至少一检测被作动器移动的构件的位置的传感器、一该构件的位置伺服电路和一沿与位置伺服电路串联安装的电流环路的伺服电路，其特征在于，沿电流环路的伺服电路包括一比较器，该比较器接收一位置伺服电路提供的电流设定值信号(signal de consigne；set point)和一在马达中运行的电流信号，并产生一加在一P.I.类型防饱和矫正电路上的偏差信号，矫正电路输送一加在H桥上的周期比的信号，以便确定电马达的供电电压。
[10]该装置可以自动管理电马达的启动，并通过一最大电压自动给电马达供电，以便得到马达的最大速度，同时保护马达没有太大的电流，并保证系统的稳定性，系统的稳定性通过沿电流环路的伺服电路的矫正器进行矫正。
[11]根据本发明的另一特征，位置伺服电路包括一过滤器，该过滤器在入口处接收一位置设定值信号，并产生一经过过滤和增益适配的设定值信号，该信号被加到一比较器上，该比较器还接收一通过一位置测量状态重建过滤器应用的作动器位置信号，还包括一带有一防饱和机构的位置矫正电路，该位置矫正电路接收比较器的输出信号，并产生一限定电流的设定值信号，该信号应用于沿电流环路的伺服电路的入口。
[12]位置设定值信号的过滤和增益适配可以通过减少参照值的突然变化限制作动器的机械振荡。经过过滤和增益适配的设定值信号与一位置测量值进行比较，以便建立一偏差信号，位置测量值从一与作动器连接的位置传感器的输出信号进行重建和增益适配。
[13]该偏差信号经过矫正器的矫正，矫正器建立一在两个正值与负值之间的保护电马达的限定电流的设定值信号。该矫正器包括至少一可以消除经过预过滤和增益适配的位置设定值信号与位置测量值之间的偏差的积分状态，和在希望的电流参照值值超过应用的电流参照值值的限定边界时对该积分状态的防饱和部件。
[14]该电流参照值在一参数的附近构成一马达应提供的电磁力矩的图像，该图像可以控制电马达的加速度。
[15]位置伺服电路可以实时补偿电马达力矩常数的分散性以及温度对该力矩常数的影响，以便在超越(dépassement)、静态偏差和回应时间方面得到希望的动态特征。
[16]电流环路的矫正电路包括一与一增益放大器1/Ti串联连接的积分器，它们并联连接在一增益放大器Kp上，并且通过一加法器与一饱和电路连接，该饱和电路提供一应用在H桥上的周期性比信号，该矫正电路还包括一比较器，该比较器接收加法器的输出信号和饱和电路的输出信号，并产生一应用到另一安装在积分器入口的比较器入口的信号，以便在加法器的输出信号大于饱和电路固定的阈值时减少积分。
[17]该电流环路的主要功能是通过给马达的接线端输送理想的电压保证将要求的电磁力矩输送给马达，并且具有在回应时间、超越和静态偏差方面的给定动态特征，并补偿分散性对马达电阻的影响，以及温度和供电电压的影响。
[18]当加法器的输出信号大于饱和电路固定的限度时，积分限度可以避免积分器的超速运行(emballement)，这种超速运行会使电流环路不稳定。
[19]根据本发明的另一特征，该装置包括计算并适配电流环路的矫正电路放大器的增益Ti和Kp的部件，以便使经过矫正的系统对马达电阻和系统供电电压的低频和高频变化不敏感。
[20]计算这些增益的部件包括从作动器的测量位置出发计算马达速度、通过周期比和H桥的供电电压的倍增计算并过滤马达的平均供电电压、过滤马达中通过的电流的部件，过滤可以在处理的不同信号上有相同的相位滞后，以便保证信号之间的因果关系，和对一测量的环境温度从马达电流、马达速度和应用在马达上的电压出发计算马达的电阻和反电动势的部件。
[21]通过最小二乘法计算马达的电阻和它的反电动势的常数，并且计算值和已经预先存储并且/或者在装置第一次投入使用时已经由学习程序(apprentissage)确定的原始值一起应用于计算平均值的部件。
[22]该装置还包括从马达的电阻和反电动势的平均值、H桥供电电压的测量值和该电阻和该电压的公称值出发计算电流环路的矫正电路的增益Ti和Kp值的部件。
[23]有利地，该装置还包括在H桥处于静息并且作动器没有受到控制时只允许这些计算增益的部件运行的部件。
[24]根据本发明的另一特征，该装置还包括当不具备马达中的电流测量值时以降级模式运行的部件，例如在相应传感器发生故障的情况下，这些装置包括使电流环路的矫正电路停止活动的部件，和使从电流设定值信号和H桥供电电压的测量值以及马达电阻的计算值出发计算H桥的控制周期比的装置活动的装置。
[25]作为变型，为了在不具备马达电流测量值时保持作动器的动态特征，该装置可以包括从H桥的供电电压的测量值、马达电阻和反电动势常数的计算值、作动器位置的测量值和H桥控制周期比的值出发计算马达电流的一信息的部件。
[26]当作动器是一带有力补偿和可调节预负荷的离合器作动器时，该装置最好包括带有离合器磨损时的力补偿适配部件，使得离合器打开和关闭时作动器马达遇到的力基本相同。
[27]这些补偿力适配部件包括从作动器的测量位置、反电动势常数、马达电流的测量值出发估计马达负荷的瞬时值和从马达的加速度和它的惯性出发计算马达的动态力的部件、对作动器的两个移动方向的每个方向确定负荷随作动器位置的变化趋势的部件、从这些趋势出发计算断开和闭合能量的部件，和根据这些能量之间偏差的阈值作出修改补偿预负荷的决定的部件、根据闭合和断开能量之间的偏差计算弥合偏差要进行的操作次数的部件、确定力的补偿失平衡和要进行的预负荷矫正的部件、和确定作动器位置的设定值信号并在作动器的操纵系统失去作用时实现预先确定数量的弥合矫正操作的部件。修改补偿预负荷的操作在行程的一部分上实现，在该部分中，离合器作动器的运动不会导致离合器运动。
[28]这个建立在计算趋势和由趋势得出的能量基础上的方法的优点是甚至在存在有噪声的信号时仍然得到非常好的结果，电马达的速度的偏移可能就是这种情况。
[29]另外，实时估算马达的反电动势常数和电阻可以得到线圈温度和马达磁铁温度的信息。这些信息对检测作动器马达的异常使用和例如预见变速箱中传动比的比较少见的变化以便减缓作动器马达的受热是很有意义的。
[30]为此，该装置包括从马达电阻和反电动势常数的起始值和现实值出发计算线圈和马达磁铁温度的部件，马达电阻和反电动势常数随温度变化的规律是已知的，这些部件分别为监测线圈和磁铁的计算温度变化的部件和这些温度或它们的变化率达到预先确定的极阈值时减少作动器马达的起动周期和/或次数的部件。
[31]本发明还设置了不具备作动器位置信息的情况，例如由于相应传感器的故障，并提出一种通过在位置伺服电路中用一从马达中运行的电流出发重新计算的位置代替测量位置的降级运行模式。
[32]为此该装置包括在没有相应信号时计算作动器的一位置的部件，从马达电流的测量值、反电动势常数的计算值和负荷的上述趋势的斜率和距原点的纵坐标计算马达的电动势和马达的负荷，然后计算动量，并通过二次相继的积分提供马达速度和作动器位置的计算值，这些计算值重新应用到马达负荷计算部件的入口。
[33]本发明还设置了马达力限制部件。尽管位置伺服电路计算出一在一整定值--该整定值饱和于某些值，如马达不能去磁，电磁力矩--其由与力矩常数相乘的电流限度产生--可能大于作动器或作动器操纵的系统可以接受的电磁力矩。
[34]由于知道反电动势常数，因此可以实时地从中得出力矩常数，可以从估计的马达力矩常数推出要应用的最大电磁力矩信息出发实时地确定在电流限度内的电流变化限度，以保护马达不会去磁。
[35]该控制装置适用于带有电子转换并且有磁铁或没有磁铁的同步或异步直流电机。
[36]作动器可以是离合器、变速箱或玻璃提升器、擦拭刷系统、开放天窗、座位调节或机动车辆内燃发动机的自动停止或启动装置的作动器，这种已知类型的自动停止或启动装置的名称叫做“stop and go”。
附图说明
[37]通过阅读下面参照附图进行的作为例子的描述，将更好地了解本发明，并且本发明的其他特征、细节和优点将更加清楚，附图如下：
[38]图1是符合本发明装置的整体示意图；
[39]图2a示意性地表示H桥的第一类控制信号；
[40]图2b示意性地表示H桥转换器的状态；
[41]图3a示意性地表示另一类型的H桥控制信号；
[42]图3b表示H桥转换器的相应状态；
[43]图4示意性地表示符合本发明装置的带有电流环路的位置伺服电路；
[44]图5示意性地表示电流环路矫正器的一实施例；
[45]图6表示H桥控制信号的形态和它们对作动器速度的影响；
[46]图7和8是增益随相位变化的图表；
[47]图9示意性地表示计算电流环路矫正器参数的部件；
[48]图10和11示意性地表示控制装置的两个变型，用于在缺乏作动器马达中通过电流的信息时以降级模式运行；
[49]图12是一带有力补偿的离合作动器的原理图；
[50]图13和14是两个表示力补偿原理的图表，图13表示活塞上的力随作动器行程的变化，图14表示作动器马达遇到的阻力力矩随行程的变化；
[51]图15和16是与图13和14对应的图表，表示离合器磨损的作用和它对作动器马达的影响；
[52]图17是一表示马达在闭合和断开时遇到的力矩失衡的计算原理的图表；
[53]图18示意性地表示计算马达的力和调节离合器作动器的预负荷的部件；
[54]图19示意性地表示估算马达线圈和磁铁温度的部件；
[55]图20示意性地表示确定作动器位置的部件；
[56]图21表示计算马达负荷的原理。
具体实施方式
[57]首先参照图1，该图表示一符合本发明的控制装置，该装置包括一主要由一个或多个微处理器、一些储存器和一些相关的接口构成的数字计算器10，该计算器产生一电马达14的功率供电装置的控制信号12，这里供电装置由一与控制电路18连接的H形电桥16构成，控制信号12应用在控制电路18上，H形电桥与一电源如一机动车辆电池的+、-端子连接。
[58]H形电桥16包括四个电子转换器，例如MOSFET类型的半导体20a、20b、20c和20d，它们安装成桥形，并受电路18操纵，例如电路18包括一基准适配器(adaptateur de niveau)、一负荷泵(pompe àcharge)和一些电缆连接的逻辑电路。
[59]马达14通过它的输出轴带动一离合器或变速箱或一机动车辆内燃发动机的自动停止和启动系统(例如stop and go类型)的控制机构。
[60]控制信号12组合一马达旋转方向的控制信息--例如一布尔逻辑信号、和一应用到马达14的接线端上的电压信息--例如控制周期比的PWM型信息。因此，应用到马达14接线端的电压与PWM信号的周期比直接地成比例。
[61]控制信号12由系统10从与马达14和H桥16连接的传感器提供的信号生成，H桥包括一测量电马达14中运行的电流24的部件22、一测量H桥的供电电压28的部件26、和一测量被马达14带动以便使相关系统(离合器、变速箱等)动作的活动机构的(绝对或相对)位置的部件30。
[62]H桥的半导体20可以以两种不同的方式将马达14的供电电压断开，这些方式分别示于图2a、2b和3a、3b。
[63]示于图2a和2b的第一种方式在于使转换器20a和20d互相相位相同，并且与PWM控制信号12相位相同，另一方面使转换器20b和20c互相相位相同，但是与PWM控制信号12相位相反，因此与转换器20a和20d的整体相位相反。
[64]只要该控制信号的周期比为50％，加在马达14上的电压就平均为零。为了控制马达在一方向转动，将周期比降低到50％以下，并且为了控制马达向另一方向转动，将周期比增加到50％以上。因此，为了控制加在马达14上的平均电压的水平和该马达的转动方向，只需一唯一的控制信号12。
[65]这种控制模式的优点是简单，缺点是通过交替给马达应用交变的供电电压使一幅度最大的波动电流(courant ondulé；undulatorycurrent)始终是在马达中运行。这会导致马达无益发热，并且总是在机动车辆电池上抽取一波动电流。
[66]因此更愿意使用图3a和3b所示的第二控制模式，这种模式使用两个控制信号12a和12b，它们的变化示意性地示于图3a。
[67]第一信号12a是一通过周期比固定加在马达上的平均电压水平的PWM型信号，第二个信号12b是一固定马达转动方向的布尔型逻辑信号。
[68]对一被逻辑信号12b固定的给定马达转动方向，在桥的其中一分支中保持一转换器关闭和一转换器开放，并且使桥的另一分支中的转换器相位相反。例如如图3b所示，保持转换器6b开放，转换器6d关闭，然后交替开放和关闭转换器6a和6c。当逻辑信号12b的状态改变以便控制马达向另一方向转动时，保持转换器6a开放和转换器6c关闭，并交替搬动转换器6b和6d。
[69]因此出现一转换器6a和6b开放并且转换器6c和6d关闭的相位，这使马达14自身短路。马达中的电流波形减小，因为只一次交替应用供电电压。静息时，控制周期比的值为零，并且马达自身短路，没有任何电流从供应H桥的电池上取出或送回。
[70]在所有情况下，如果把桥的接线端上的供电电压称作Vp，并且在+1与-1之间变化的控制周期比12称作α，并且它的符号表示加在马达上的与所需转动方向有关的力矩的符号，并且忽略半导体20的寄生电压降，则加在马达14上的电压Um等于Vp.α。
[71]该作动器中使用的直流马达14的电阻一般非常低，以便能够在不利的情况下，特别是热的情况下通过公称电流给马达供电，在这种情况下，由于线圈的铜的电阻的变化而使得马达电阻最高，温度升高100℃，铜的电阻率的变化可能达到40％。因此，在低温下，对同一供电电压，马达需要的电流可能非常高，因此对作动器的良好运行有害，例如导致马达的磁铁去磁。
[72]因此当马达启动时，或者当作动器在它的路径中遇到障碍时，例如一阻挡或硬点，最好限制加在马达上的电压。则必须根据马达中的电流控制桥的PWM控制信号的周期比。
[73]由于这个原因，图4中更详细表示的符合本发明的控制装置10包括一位置伺服电路32和一沿电流环路的伺服电路34，两个电路串联安装。
[74]位置伺服电路32包括一预过滤电路36，该电路接收一作动器位置的设定值信号38，并产生一经过过滤和增益适配的新的设定值信号40，以便通过减少参照值的突然变化限制作动器的机械振荡，然后该新信号40加到一比较器42的一入口，以便与一加到比较器42的另一入口的作动器位置信号44进行比较，比较器42的出口提供一偏差或误差信号46。一测量位置状态重建过滤器48从马达14上取出的位置信息30出发对位置信号44进行重建和增益适配。
[75]将偏差信息46加到矫正电路50的入口，该电路产生一被限定在两个正、负值之间的电流设定值信号52，以便保护电马达14，并限制在电池上取出的电流。
[76]矫正电路50包含至少一可以消除经过过滤和增益适配的设定值信号40与位置信号44之间的静态偏差的积分状态以及当希望的电流设定值信号处于电流设定值信号52的限制边界以外时防止饱和或防止从该积分状态偏移的部件。
[77]该电流设定值信号52(在一参数附近，该参数为马达14的力矩常数)构成一马达应该提供的电磁力矩的图像，因此可以控制马达14的加速度。位置伺服电路32可以对马达14的力矩常数上的分散性以及温度对该常数的影响进行实时补偿，以便在超越、静态偏差和反应时间上得到最好的动态特征。
[78]将电流没定值信号52加到沿电流环路的伺服电路34的入口，伺服电路34包括一比较器54，该比较器54接收电流设定值信号52和H桥16提供的的马达中通过的电流信号24，H桥16产生加到马达14的接线柱上的电压56。比较器54提供一电流偏差信号58，该信号被加到矫正电路60的入口，矫正电路60输送一例如限定在-100％到+100％之间的周期比设定值信号62。该周期比设定值信号可以使功率开关20的附近的电压降得到一可以通过周期比调节并且与供电电压成比例的平均马达电压Um(Um＝α.Vp)。
[79]带有电流环路的伺服电路34的主要作用是通过将一理想电压加在马达的接线端上保证将要求的电磁力矩输送给马达，以便在回应时间、超越和静态偏差方面达到给定的动态特征，并且补偿分散性对马达电阻的影响，以及对温度和供电电压的影响。
[80]通过电流环路进行伺服的电路60更详细地示于图5。
[81]该矫正电路为带有一Astrm和Wittenmark防饱和的比例-积分(proportionnel-intégral)类型。该电路包括并联安装的增益Kp放大器64和积分器66，积分器66的后面是一增益1/Ti的放大器68，其出口在一加法器70的入口与放大器64的出口连接，加法器70的出口将一未饱和的周期比控制信号αu(t)提供给一饱和电路(circuit desaturation)72，饱和电路72提供应用到桥H16的周期比设定值信号α(t)。该饱和电路包括一比较器74，该比较器在入口接受信号αu(t)和α(t)，并在出口提供一信号76，信号76通过一放大器78加到一比较器80的入口，比较器80的另一入口接收电流误差信号58，它的出口提供一加到积分器66入口的信号。
[82]在这个矫正器中，未饱和的控制信号αu(t)是放大器64进行的比例动作和积分器66进行的积分动作之和。该信号αu(t)被电路42饱和，以便提供周期比设定值信号α(t)。只要信号αu(t)保持在饱和电路42固定的限度内，该限度一般等于-1和+1(周期比的-100％和+100％)，则与设定值信号α(t)的差为零，因此比较器74的出口信号76为零。则积分器66直接对偏差信号(signal d′écart；deviationsignal)58进行积分。
[83]当未饱和信号αu(t)超出饱和电路72固定的限度时，不为零的差值信号76被偏差信号58的比较器80截断，这样将积分减少到信号αu(t)等于设定值信号α(t)。放大器72的增益用于调节防饱和的收敛速度。该电路可以避免积分器66超速运行，而超速运行会使电流环路不稳定。
[84]图6表示积分动作在矫正电路60中的意义。
[85]该图中，曲线A表示电流设定值信号随时间的变化，曲线B表示对来自比例积分矫正器的马达电压的电流测量的变化，曲线C表示对一与参照值电流等效的电压的等效电流的测量，曲线D表示对参照值电流的等效马达电压，曲线E表示来自矫正器的马达电压，曲线F表示对与参照值电流等效的马达电压的作动器速度，曲线G表示对矫正器提供的马达电压的作动器速度。
[86]为了建立这些曲线，用一梯级电流设定值信号A启动电马达14，并用一恒定电压参照值如得到的希望的参照值电流比较矫正器60的作用。
[87]在相当于电流在马达中上升的阶段I，作动器的速度F或G为零。矫正器通过增益Kp将一直接成比例的电压E应用到初始偏差信号上，该偏差信号为A与B之差。由于积分作用和存在残余偏差，该电压逐渐上升，直到电流达到并稍微超过电流设定值信号A。
[88]如果应用相当于曲线D的开放环路的电压，曲线C表示的对应电流的建立要更长时间。
[89]在阶段II，该阶段是一调整阶段，表示测量电流的曲线B超过电流参照值的曲线A，这使偏差信号的符号反向，并导致来自矫正器的马达电压的曲线E下降。
[90]在阶段III，该阶段是一饱和阶段，测量电流的曲线B与电流参照值曲线A重合，并且马达开始转动。
[91]在阶段IV，马达速度(曲线G)足以使反电动势使电压下降，因此马达不能再要求参照值电流A。在作动器速度曲线G继续向一最大值升高期间，测量电流曲线B开始向相当于与马达遇到的机械负荷的值下降。由于测量电流曲线B下降，偏差随参照值增加，这导致积分器的反应，使电压曲线E升高，直到它的最大值。
[92]在随后的阶段V，由于马达速度与它的供电电压成比例，得到的最终速度的曲线G明显高于用曲线D的恒定电压得到的最终速度曲线F。
[93]可以看出，积分器的优点是自动管理马达的启动，并且应用最大电压，以便得到马达的最大速度，同时保护马达不受太大的电流。
[94]本发明设置确定电流环路的矫正电路60的放大器64和68的增益参数Kp和Ti，以便在回应时间和超值上得到希望的系统动态特征，同时又保证系统的稳定性。
[95]为此，矫正电路、H桥和作动器马达构成的系统的总增益必须在整个频率带上小于-1。
[96]在表示相对于相位的增益图表或Black Nichols图表的图7中，根据频率、在横坐标轴上的相位度数、和在纵坐标轴上的增益dB，可得到开放环路矫正系统转移函数，这样就给出曲线90。增益点-1在该图中表现为相位点等于-180°的点，0增益点用92表示。封闭环路矫正系统的稳定性表现为相位裕量(marge de phase；phase margin)94和增益裕量(marge de gain；gain margin)96。为了使矫正后的系统在封闭环路中保持稳定，这两个在箭头方向取得的裕量应该严格是正的。曲线90与相位轴的交点98表示环路矫正后的系统的截止频率(fréquence de coupure；cut-off frequency)，是迅速的。越接近点92，在如图6所示的阶跃响应(réponse indicielle；step response)上得到的超越增加越大。如果对该点有足够的准备，则随着稳定性的降低，就产生越来越衰减的振荡。
[97]所考虑的由矫正电路、H桥和电马达构成的系统受到制造分散性的影响和物理量的变化，如供电电压和影响电路电阻的温度。如图8所示，这些变化可能引起矫正后系统的传递函数的变化，曲线90移动为曲线100，这可能表现为影响稳定性和动态特征的相位和/或增益的边缘减小。
[98]图9表示计算矫正电路60的参数的部件，该部件可以保证系统稳定性和所希望的动态特征。
[99]该部件包括一预过滤电路102，该电路在加到它的入口的信号上实现等相位移动，这些信号包括马达电流信号24、H桥的供电电压信号28、作动器位置信号30、和一与周期比信号62对应的信号104，信号62被一延迟操作器106延迟一预先确定的足够数量的计算步骤。该预过滤电路102的功能是从作动器的位置信号30出发计算马达的速度信息108，如果位置信号30是一模拟位置测量值，则通过一分流过滤器进行计算，或者通过一数字编码器提供的信号之间的时间偏差的测量值进行计算，然后是一低通滤波器(filtre passe-bas；low-pass filter)，该电路102还有一功能是计算马达的平均电压信号110，进行H桥供电电压信号28与周期比信号的乘积(produit)，并过滤马达电流信号24，以便得到一过滤后的电流信号112。允许得到信号108、110和112的过滤是通过具有一时间常数的一第一级低通滤波器实现，以致于在每个信号上相对于实际量具有一相同的相位滞后。由于电路102实现的预过滤，马达的电感影响变得可以忽略不计，这样可以简化马达14的电方程，该方程表达如下：
[100]R.Im+Ke.ω＝Um
[101]其中R为马达的电阻，Im为马达电流，Ke为马达的反电动势常数，ω为马达的转速。
[102]R和Ke的值可以通过在114中实现的最小二乘方的传统方法进行计算。
[103]一平均过滤器116从在装置第一次投入使用并根据环境温度进行矫正时存储在两个物理储存器126中的值122、124出发对一参考温度计算R的平均值118和Ke的平均值120。如果储存器中不具有任何R和Ke的值，例如在初次投入使用的情况下，过滤器使用缺省值，以便初始化，一旦已经计算了足够的新的R和Ke值，平均过滤器从测量的环境温度出发并根据R和Ke分别随温度变化的规律和存储对一参考温度计算初始值。
[104]R的计算平均值118经过一处理模块128，该处理模块从马达电阻的平均值118、H桥的供电电压Vp(28)和马达电阻以及该供电电压的可标定公称值出发确定电流环路的参数Kp和Ti。
[105]还把一信号126加到处理模块中，该信号可以在H桥静息时以及马达14没有被控制时只修改电流的伺服参数，以便不干扰被伺服系统的稳定性。
[106]一平均过滤器从对一装置初次投入使用时初始存储在两个物理储存器中并根据环境温度进行矫正的参考温度的值计算R和Ke的平均值。如果储存器中不具备任何R和Ke的值，例如在初次投入使用的情况下，过滤器使用缺省值，以便初始化，一旦计算出足够的R和Ke的新值，则平均过滤器从测量的环境出发并根据R和Ke分别随温度变化的规律对一参考温度计算初始值。
[107]Kp和Ti的计算值应用于电流环路的矫正电路60，矫正电路60从电流设定值信号52和电流误差信号58出发产生周期比设定值信号62，该信号应用于H桥16。
[108]本发明还设置了该装置的降级运行模式，用于某些信息缺失的情况，例如在马达中通过的电流的测量值。
[109]与图4对应的图10表示这种降级运行模式。
[110]当不具备关于马达中通过的电流的信息时，装置过渡到一降级运行的状态，在这种状态中，通过矫正器60实现的电流伺服被从电流设定值信号52、H桥供电电压的测量值28和马达电阻的计算值118出发直接计算周期比设定值信号62的部件140怠动和替代。
[111]在稳定状态下，马达中的电流Im和H桥的控制周期比α通过下面的关系式发生联系：
[112]Im＝(Vp/R).α
[113]人们力求通过电流设定值信号52规定马达电流Im，以便在Im与该设定值信号之间有一对等性。这样可以从上述关系式出发计算周期比α：
[114]α＝(R/Vp).Ic
[115]其中Ic为电流设定值信号。
[116]因此处于图6中马达电流曲线C、马达电压D和马达速度F所示的情况，这表现为限制作动器速度的动态，因为失去电流环路矫正器60的积分作用的好处。
[117]作为变型，为了保持作动器的动态特征，可以使用图11所示的部件，这些部件可以在缺少马达电流的测量信息时保留电流环路的矫正器60，用一部件142重建的马达电流的信息代替该缺失的信息，部件142从H桥供电电压的测量值28、马达电阻的计算值118、马达反电动势常数的计算值120、作动器的测量位置30、和被一操作器144从矫正器60提供的周期比设定值信号62延迟的值62r出发重建该信息。如图4所示，部件142提供的马达电流的重建信息24a应用到比较器54的入口，比较器54的另一入口接收位置伺服电路提供的电流设定值信号52。
[118]在第一实施例中，从下面给出的量的积分出发估算电流：
[119]-H桥的供电电压与加符号的控制周期比的乘积，
[120]-减去用上面描述的方法估算的电阻与上面的计算步骤中估算的电流值的乘积，
[121]-减去用上面描述的方法估算的反电动势常数与马达速度值的乘积，
[122]-整体除以马达电感值。
[123]在第二实施例中，忽略马达电感的影响，确定电流回到计算下面给出的量：
[124]-H桥的供电电压与加符号的控制周期比的乘积，
[125]-减去用上面描述的方法估算的反电动势常数与马达速度值的乘积，
[126]-整体除以通过上面描述的方法估算的马达电阻值。
[127]符合本发明的控制装置特别可以用于一带有图12示意性表示的力补偿的离合器作动器。这种作动器的原理在技术方面是已知的，例如在文件FR-A-2790806中进行了描述。离合器E包括一膜片，该膜片通过一供应管152受一带有液压控制的离合器阻挡150的控制，供应管152与一固定在作动器框架上的千斤顶154的缸体连接。千斤顶的活塞受一被马达减速器158带动的齿条156的控制。一补偿或预负荷弹簧160通过齿条156携带的一凸轮164上的滚轮162起作用。
[128]在该作动器中，符合本发明的装置控制马达减速器158的运行。
[129]图13和14表示该作动器的运行原理。
[130]图13表示在千斤顶154的活塞轴线中应用在齿条156上的纵向力随千斤顶154的活塞轴线上测量的作动器行程的变化。曲线166相当于离合器在离合器的分离(即断开)方向在千斤顶154活塞的轴线中应用在齿条156上的力，曲线168表示在离合器E闭合方向的力。
[131]曲线170代表补偿弹簧160在离合器脱离方向应用并在千斤顶154活塞轴线中被凸轮164得到的力。
[132]图14表示马达158遇到的阻力力矩随作动器在千斤顶154的活塞轴线上的行程的变化，曲线174表示离合器断开方向的马达负荷，并且相当于曲线166和172之间的差，而曲线176表示离合器闭合方向的马达负荷，并相当于曲线168与170之间的差。
[133]可以看到，由于该装置中存在补偿弹簧170，作动器马达只提供断开力的一非常小的部分。
[134]图15和16表示与图13和14相同的曲线，但是是在离合器磨损后。离合器应用在齿条上的力随着离合器的磨损而增加，并且如图15的曲线166a和168a所指出的，图13中的曲线166和168比表示补偿弹簧应用的力的曲线170和172向上移动。因此如图16的曲线174a所示，马达遇到的阻力力矩在离开方向增加，在闭合方向减小，如曲线176a所示。
[135]为了使作动器的动态特征保持最佳，必须使弹簧160提供的补偿力适应离合器的磨损，使得马达在断开方向遇到的负荷在力的方面与马达在闭合方向遇到的负荷相等。
[136]补偿弹簧160预先加载，并且在断开时伸长(齿条156向图12的左边移动)。通过修改弹簧160的预负荷修改补偿力170和172的水平。修改弹簧的预负荷通过一机械系统进行，该系统包括一可以改变弹簧初始长度的带棘爪的双稳态摆杆，摆杆每次在一或另一方向的移动在弹簧长度的一或另一方向产生一基本的改变。
[137]弹簧预负荷的改变在作动器行程的一位于离合器移动的有效行程以外的部分中发生。通过摆杆的一定数量的移动实现这种调节，从一负荷识别策略和失衡计算出发确定这个数量，失衡计算的原理示于图17。
[138]该图与图14相对应，并且表示马达遇到的阻力力矩随作动器行程变化的曲线174和176，在作动器的有效行程上确定两个位置阈值Pmin 180和Pmax 182，该有效行程只受离合器磨损的影响，并且在行程路径的一方向。对这些位置阈值确定马达在闭合状态Emb的负荷趋势184和该负荷在断开状态Deb的趋势186，这些趋势通过最小二乘法的最佳直线确定，它们给出根据位置变化的力矩。
[139]然后计算处于这些用虚线表示的趋势直线与位置极限间的横坐标轴之间的面积，这些面积在图17中用阴影表示，并且分别相当于闭合和断开的能量。通过比较这些能量得到马达负荷的失衡，因此可以确定在哪个方向需要改变补偿弹簧160的预负荷，并且需要多少操作次数，即需要使可以调节补偿弹簧长度的双稳摆杆动作的次数。
[140]计算马达负荷、识别趋势、决定修改弹簧预负荷的部件示意性地示于图18。
[141]该部件包括部件190，部件190从作动器的位置信号44、马达中通过的电流信号24和马达电动势常数的计算值120出发通过使用下面的电马达力学方程计算马达负荷力矩：
[142]Jm.dω/dt＝Kc.Im-Cr
[143]其中Kc是从马达的反电动势常数推导出的马达力矩常数，Cr是马达负荷的力矩，Jm是马达的惯性。
[144]马达负荷力矩值192和马达速度值194和作动器位置信号44一起加给根据作动器的位置确定一给定路径方向的负荷趋势的部件196，该路经方向由马达速度的方向确定，该趋势是通过最小二乘法得到的最佳直线。
[145]例如断开状态的路径方向定义为马达转速的正值给出的正方向，该方向导致作动器位置信号44的增加值，闭合状态的路径方向定义为马达速度的负值给出的负方向，该方向导致作动器的位置信号的降低值。因此测量马达在断开方向的负荷力矩值和该力矩在闭合方向的值，并确定两条直线的斜率和到原点的纵坐标，对于包括在图17指出的有效行程的阈值180和182之间的位置，这两条直线相当于负荷在两个路径方向的每个方向的趋势。
[146]对断开路径方向的负荷趋势计算的参数198和对另一方向的负荷趋势计算的参数200应用于计算断开和闭合能量的部件202。一由计算部件196提供的控制信号204指出刚才计算了二组参数198和200，并且可以借助计算部件202计算断开和闭合的能量。
[147]这样计算的断开能量206和闭合能量208加给确定这些能量之间的偏差的部件，并且将该偏差加给确定要进行的操作次数以便调整补偿弹簧的部件212和部件214，部件214确定力补偿的失衡，并根据闭合能量与断开能量之差决定增加弹簧的预负荷、减少该预负荷，或使该负荷保持不变。
[148]部件212和214提供的结果加给确定位置设定值信号38的部件216，信号38应用于图4位置伺服电路32的入口，部件216还在接收一控制作动器的操纵系统停止的信号218时进行部件212根据部件214提供的决定提供的操作次数。
[149]实时确定反电动势常数和马达电阻的值可以获取马达线圈和磁铁温度的值。这些信息尤其可以检测马达14的异常使用，并延缓它的发热，例如通过降低变速箱中传动比变化的频率。
[150]图19示意性地表示按一作动器部署(strategie actionneur)220中估算温度的模式，其中使用在一参考温度下的马达电阻的初始记录值122和一该电阻在线圈的一未知温度下的新的计算值118。马达电阻随温度变化的规律是已知的，并且将这个规律用于222，以通过线圈和/或磁铁的温度比参考温度升高推出线圈和/或磁铁的温度值224。然后将这个偏差加到参考温度上，以便给出线圈和/或磁铁的最终温度。
[151]从马达反电动势的初始值124和该反电动势常数的过滤平均值120出发在226作同样的事情，以便得到一磁铁温度值228，使该温度与上述反电动势常数联系的规律是已知的。将值224和228和环境温度值T一起应用于部件230，部件230监测线圈温度和磁铁温度，并向一监督的系统234发出一过热的信号232。当部件230发现线圈(或磁铁)温度大于一可标定的阈值，并且/或者线圈(或磁铁)温度与环境温度之差大于一可标定的阈值，并且/或者在不同时刻取得的线圈(或磁铁)的温度变化大于一预先确定的变化率时，过热信号232应用于监督系统234，监督系统234通过控制信号236降低电马达的动作频率和/或动作次数，该系统也可发出一报警信号238。
[152]符合本发明的装置还可以在缺乏作动器位置信号时以降级模式运行，在位置伺服电路中使用一从马达中运行的电流计算的位置信息。这个计算的位置可以使伺服电路生成接近带电流环路伺服电路的电流设定值信号，然后通过H桥把希望的电压应用于作动器的电马达，以便实现希望的作动器的移动。
[153]图20示意性地表示为此使用的部件。
[154]部件244从马达的反电动势的过滤平均值120和马达中通过的电流的测量过滤平均值24计算马达的磁通势242。部件246从断开负荷的趋势198和闭合负荷的趋势200(给出斜率值和负载的截距)出发根据作动器位置和马达速度的估算值计算马达遇到的负荷。
[155]计算的负荷248与磁通势242一起应用于计算动量252的部件250，动量定义为磁通势242与马达负荷243之差除以马达的转动惯性Jm。动量252应用于一积分器254，该积分器254提供一马达转动速度的计算值256，该计算值256本身应用于一积分器258，积分器258提供一作动器的计算位置260。如上面指出的，这个计算的位置和马达转动的计算速度应用到计算部件246的入口。
[156]作动器位置的计算值与位置设定值信号38一起应用于位置伺服电路32。
[157]图21表示通过部件246计算马达负荷。
[158]如果马达速度的计算值256是正的，即大于一相当于断开方向的可标定最小速度的阈值，并且如果作动器的计算位置260包括在图17的最小值180和最大值182之间，则借助直线186计算马达负荷，直线186的斜率和到原点的纵坐标是已知的。如果作动器的位置小于最小值180，则对最小位置180取与直线186的纵坐标对应的值作为负荷值。如果作动器的位置大于最大位置182，则取与直线186在最大位置182的纵坐标对应的值作为负荷值。
[159]如果马达速度的计算值是负的，即小于一相当于闭合方向的为负值的可标定阈值，并且如果作动器的位置包含在最小值180和最大值182之间，借助直线184计算负荷，直线184的斜率和到原点的纵坐标是已知的。
[160]如果作动器位置小于最小值180，则取直线184在最小位置点180的纵坐标作为负荷，并且如果作动器的位置大于最大位置182，则取直线184在最大位置点182的纵坐标作为负荷。
[161]如果马达的计算速度256保持在上述两个可标定阈值之间，则无论作动器的位置值如何，负荷都视为零。
[162]由于识别和存储力矩常数和马达负荷，并且知道马达的转动惯性，可以实现位置预测，当不具备位置测量信号时，这种预测可以控制作动器，并且精度明显高于使用上述参数的公称值得到的精度。
[163]符合本发明的装置还可以限制马达的力，避免作动器或它控制的系统破坏的危险。实际上，位置伺服电路计算一在一些值饱和的电流参照值，如马达不会去磁的值。但是，力矩常数倍增的电流限度产生的电磁力矩可能大于作动器或被操纵的系统可以接受的值。由于知道马达的反电动势常数，并且可以实时从中推出力矩常数，可以从一应用的最大电磁力矩信息出发实时确定变化的电流限度，这些限度在保护马达不会去磁的电流限度之内，将该信息除以力矩常数的计算值。
[164]总之，本发明具有以下优点：
[165]-保护作动器马达不会受太大的电流，并且保护作动器和被操纵的系统不会受太大的力矩；
[166]-作动器更迅速；
[167]-对制造分散性、温度和供电电压的影响的动态特征稳定；
[168]-消除特殊开始期的限制；
[169]-实时识别并保持一带有可调补偿的作动器的动态；
[170]-在不具备带有电流环路的伺服电路或位置伺服电路使用的信息的情况下，可以以对车辆的驾驶者透明的方式以降级模式运行。

Claims (17)

1.用于作动器、特别是机动车辆变速箱或离合器的作动器的控制装置，该控制装置包括一通过一H桥(16)提供电能的直流电马达(14)、至少一传感器——其检测被所述作动器移动的一构件的位置、一该构件的位置伺服电路(32)、和一与所述位置伺服电路(32)串级连接安装的通过电流环路伺服的电路(34)，
其特征在于，所述通过电流环路伺服的电路(34)包括一比较器(54)，所述比较器(54)接收所述位置伺服电路(32)提供的一电流参照值信号(52)和一所述马达中运行的电流信号(24)，并且产生一应用到一防饱和的P-I型矫正电路(60)的偏差信号(58)，所述矫正电路(60)输送一应用到H桥(16)的周期比信号(62)，以便确定所述电马达(14)的供电电压。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述位置伺服电路(32)包括一过滤器(36)，该过滤器在入口接收一位置设定值信号(38)，并产生一经过过滤和增益适配的设定值信号(40)，该信号应用于一比较器(42)，该比较器还接受一作动器位置信号(44)，所述作动器位置信号通过一状态重建过滤器(48)应用在位置测量上；所述位置伺服电路(32)还包括一带有防饱和机构的位置矫正电路(50)，该矫正电路接受所述比较器的输出信号(46)，并产生一有界的电流设定值信号(52)，所述信号(52)应用到通过电流环路伺服的电路(34)的比较器(54)的入口。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述电流环路的矫正电路(60)包括：一积分器(60)，它的出口与一增益1/Ti放大器(68)连接，它们并联连接在一增益Kp放大器上，并通过一加法器(70)同增益Kp放大器一起连接至一饱和电路(72)，所述饱和电路(72)提供应用到H桥(16)的周期比信号(62)；和一比较器(74)，所述比较器(74)接受所述加法器(70)的输出信号和所述饱和电路(72)的输出信号(62)，并产生一信号(76)，该信号(76)通过一放大器(78)应用于另一比较器(80)的入口，所述另一比较器(80)安装在所述积分器(66)的入口，以便在所述加法器(70)的输出信号大于由所述饱和电路(72)固定的限度时减少积分。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，该装置包括计算和适配部件，所述计算和适配部件用于计算并适配所述电流环路矫正电路(60)的放大器(64、68)的增益Kp和Ti，使得矫正后的所述系统在低频和高频状态对分散性、且对物理量如温度和供电电压的影响不敏感。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述计算增益Kp和Ti的部件包括：部件(102)，所述部件(102)从所述作动器的测量位置(30)计算马达速度，通过周期比和H桥的供电电压的乘积计算并过滤马达的平均供电电压(110)，并过滤所述马达中通过的电流(24)，所述过滤可以在不同的被处理信号上有相同的相位滞后；和部件(114)，该部件(114)对于一测量的环境温度从所述马达电流的所述过滤值、所述马达速度、以及应用于所述马达的电压出发计算所述马达的电阻和反电动势常数。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述马达电阻和它的反电动势常数通过最小二乘法计算，并且所述计算值应用于部件(114)，该部件(114)用初始值计算平均值，所述初始值已经预先存储和/或在所述装置初次投入使用时通过学习程序确定。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，该装置包括从所述马达电阻的平均值、H桥供电电压的测量值、和该电阻和电压的公称值出发计算所述电流环路的矫正电路(60)的增益值Kp和Ti的部件(128)。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，该装置包括仅在H桥静息时和所述作动器没有被控制时只允许所述计算增益值Kp和Ti的部件(128)运行的部件。
9.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，该装置包括当所述马达中的电流测量值(24)不可用时按降级模式运行的部件，这些部件包括使所述电流环路的矫正电路(60)惰动的部件和使部件(140)活动的部件，该部件(140)从电流设定值信号(52)、H桥的供电电压的测量值(28)、和马达电阻的计算值出发计算H桥的控制周期比。
10.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，当所述马达中电流的测量值(24)不可用时，该装置包括从H桥的供电电压的测量值(28)、所述马达电阻和反电动势常数的计算值、所述作动器位置的测量值(30)、和H桥控制周期比的延迟值(62r)出发计算马达电流信息的装置(142)。
11.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述作动器是一借助由一回位弹簧施加的可调节预负荷进行力补偿的离合器作动器，该作动器包括补偿力适配部件，该补偿力适配部件在所述离合器磨损时适配所述补偿力，以便所述作动器的马达(14)遇到的力对于所述离合器的开放和闭合的情况基本相同。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述补偿力适配部件包括：从所述作动器的测量位置、所述反电动势常数、所述马达电流的测量值(24)、和基于所述马达加速度和它的惯性来计算的马达动态力出发估算马达负荷瞬时值的部件(190)；对于所述作动器的两个移动方向中的每个方向按照所述作动器位置确定负荷趋势的部件(196)；从这些趋势出发计算断开能量和闭合能量、以及这些能量之差的部件(202)；计算要进行的弥补操作数量的部件(212)；确定力补偿失衡和要进行的预负荷矫正的部件(214)；和确定所述作动器的位置设定值信号、并实现所述作动器操纵系统怠动的预定弥补操作数量的部件(216)。
13.如权利要求1至12中任一项所述的装置，其特征在于，该装置包括：从马达电阻的初始值及现实值、和反电动势常数出发计算马达线圈和磁铁温度的部件(222、226)；监测线圈和磁铁计算温度变化的部件(230)；当这些温度或它们的变化率达到预先确定的限制值时减少所述作动器的马达的动作周期和/或次数的部件(234)。
14.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，该装置包括在缺乏相应信号时计算所述作动器的一位置的部件，该位置这样得到：从所述马达电流的测量值(24)、反电动势常数的计算值、负荷趋势的斜率和截距计算所述马达的磁通势和负荷，然后计算动量，并对提供的马达速度的和所述作动器位置的计算值进行相继的两次积分(254、258)，其中，所述马达速度和所述作动器位置的计算值重新应用到计算马达负荷的部件(246)的入口。
15.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，该装置包括这样的部件：其通过确定所述马达电流的限定值限制所述马达动力，所述限定值实时变化，且保护马达不会去磁，及保护所述作动器的机械；对由所述位置伺服电路(32)生成的电流设定值信号的极限值进行比较。
16.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述马达是一带有电转换器的直流马达——其具有磁铁或者没有磁铁，或一同步或异步马达。
17.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，该装置控制一作动器，该作动器用于离合器、变速箱、玻璃升降器、擦拭刷系统、开启天窗器、座位调节、或处于停止状态的一机动车辆的内燃发动机的自动停止和启动。
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