CN101536301A - 用于得到机械式换向的直流伺服电动机的转子的旋转位置的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于得到机械式换向的直流伺服电动机(5)的转子的旋转位置的方法，该伺服电动机被安置在桥式电路的横向支路上，其电枢电流是由一个电机式操作的换向装置(28)给定的，配有一个控制和分析处理单元(17)，该单元分析处理包含在电枢电流(2)中的、并被反馈到机械式换向装置的电流波动(3)，其特征在于：从换向装置(28)的每个转换触点(6，7)，利用一个反馈转换电路(20)，分别将一个接触电压－反馈信号(9，10)反馈到控制和分析处理单元(17)；控制和分析处理单元(17)，在使用至少一个接触电压－反馈信号(9，10)的情况下，求出一个触点弹跳－时间间隔(4)，并且在此触点弹跳－时间间隔(4)内对电流波动(3)进行估计，而在该时间间隔内由于因至少一个转换触点(6，7)的换向过程所引起的触点弹跳之故而不能对电流波动进行分析处理。

Description

用于得到机械式换向的直流伺服电动机的转子的旋转位置的方法

技术领域

本发明涉及一种得到机械式换向的直流-伺服电动机的转子的旋转位置的方法，该伺服电动机的电枢电流是通过电机式操作的转换触点的一种转换状态加以给定的，一个控制和分析处理单元分析出电枢电流中所包含的、起源于机械式换向的电流波动。

背景技术

在伺服执行机构方面，例如在汽车上为了调节车窗升降机构和滑动天窗所用的执行机构，常采用机械式换向的直流伺服电动机。这种直流伺服电动机按线路技术通常被安置在一个桥式电路的一个横向支路中，在此横向支路中一个继电器的两个由一微控制器所控制的转换触点给定出电动机电流的方向。为了在关闭过程中能够限制关闭力，微控制器必须知道关闭部件的实际位置。

众所周知，转子位置可以直接通过分析电枢电流波动加以确定，这种电枢电流波动都是由于机械式换向过程所造成的：当一个电刷在两个相邻的换向器片上滑过去的时候，欧姆电阻器瞬间发生改变(图1)。因此，在电枢电流的直流成分上叠加了一个交流成分。当直流电动机的极数已知时，可确定也被称为电枢电流波动或者在下面简称为电流波动的电流波动性，从而确定转子的旋转位置。电流波动数量的确定，也称之为“波计数”，可以通过微控制器中已知的最大-最小-算法来加以执行。这样，在运转过程中，可以很简单地计算出实际的转子位置，或可以从电流波动的频率中计算出转速。这样一种方法例如在DE 3824811A1中做了介绍。

在直流伺服电动机被起动、制动或者在运行中被反向的运行阶段中，确定电流波动可是很困难的，这是因为在机械性触点的转换时，会产生一种“触点弹跳”或“继电器跳动”。在一个在下面称之为触点弹跳时间-间隔的时段中，电枢电流信号受到干扰，从而不能直接计算出电流波动。这种触点弹跳-时间间隔在实际中可能延续几个ms(毫秒)。这与不同的工作条件有关，有时也与继电器的老化有关。在一个电操作的汽车车窗升降机构或移动式汽车顶盖的情况下，由于通过传动线路上的间断而得到加强的这一效应之故而产生零位移动。但是，如果开始一个车窗的关闭过程，或者从一个不确定的位置开始一个移动式汽车顶盖的关闭过程，则可能在夹紧情况下导致如下结果，即可能超过最大允许关闭力。由于不明确的位置信息之故，可能因夹紧过程而使人员身体某一部分被夹而受到伤害。为了防止这一事故的发生，执行机构必须经常加以初始化，这也是一个缺点。

发明内容

本发明的任务是提供一种方法，用于得到一种机械式换向的直流伺服电动机的转子的旋转位置，其中仅以电枢电流中所包含的电流波动的计算分析为基础的转子位置的测定能以更好的精确度加以实现。

上述任务是通过具有权利要求1中所述特征的一种方法加以解决的。本发明的有利的发展是从属权利要求的内容。

本发明的基本构思在于：在一个时间间隔内(在此时间间隔内由于电枢电流信号的干扰不能分析电流波动)根据一个测量技术上得到的触点弹跳时间间隔，实现对电流波动的估计。通过将这种估计过程匹配于转换继电器的实际弹跳时间，便能以更高精确度得到转子位置。在对这种估计算法进行编程时，不必从一个最不利的(最长的)弹跳时间的一种先验概率出发，而是估算时间合乎转换继电器的老化和现实的运行状态。换言之，依本发明，一个估算过程的自然存在的不清晰性只能如事实上所需要的那么长的时间加以利用。从而可改进定位精确度。

在一个关闭过程中，有关于关闭部分的位置的较精确信息，从而也有关于其初始位置的较精确信息。一个电动操作的关闭部分的夹紧保护作用是由此加以改进的。起决定性作用的是，这个优点特别在车窗升降机构在在进入框密封件之前大约4mm的范围内发挥作用。于此，依本发明可将受伤风险降低到最小限度，另一方面又可实现可靠的关闭。

另一个主要的优点在于：即使在频繁变换旋转方向的情况下和在传动线路出现间隙的情况下，位置测定方面的累计误差也是较小的。这样，传动系统就不须频繁初始化。其结果是：该系统的可支配性更高，因为不必如以往那样由于固有的误差而限制不同的功能如车窗升降机构的自动运行。本发明提出的方法的特征在于：从一个机电式操作的转换装置的每一个转换触点，利用反馈转换电路，便可将一个分别由一个转换触点导出的触点电压-反馈信号反馈给控制和分析处理单元。从这一信息中，控制和分析处理单元得到触点振动时间间隔，在此时间间隔内由于干扰之故而不可能实现对电流波动的分析处理。根据这种触点振动时间间隔，因此，在这一时间内由控制和分析处理装置执行对电流波动的估算。

一个优选的实施形式的特征在于：转换装置是由具有第一转换触点和第二转换触点的转换继电器形成的，由第一转换触点将一个第一触点电压-反馈信号反馈给控制和分析处理单元；由第二转换触点将一个第二触点电压-反馈信号反馈给控制和分析处理单元。这样，在对电动机进行反向时，这时基本上同时地转换两个转换触点，控制和分析处理单元可测定出不同时间长短的弹跳。于是就可确定：只有当电枢电流信号不因触点振动而被失真的时候，才计数电枢电流波动。

根据本发明提出的方法的一项有利的发展，可做如下设定：或者从第一触点电压-反馈信号，或者从第二触点电压-反馈信号，得出触点振动时间间隔的一个开始时间点和一个结束时间点。这样，在一个制动过程或一个起动的情况下，这时桥形回路支路中只转换一个转换触点，所以可使估算过程适配于所述一个继电器触点的实际弹跳时间。

根据另一个优选的实施形式，可做如下设定：从一个由控制和分析处理单元产生的并输送给转换装置的控制信号，可以得出触点振动时间-间隔的一个开始时间点；从一个附属于该控制信号的、第一或第二触点电压反馈信号，可得出触点振动时间间隔的一个终止时间点。其优点在于：只需要测出触点振动时间间隔的终止时间点；开始时间点则由控制装置方面给定。这样，总起来说，分析处理就较简单了，但是以精确度为代价，因为即使在继电器的响应时间内，也应用估算过程，但在这里，分析处理即电流波动的计数也还是可能的。

就本发明的实现而言，有利的做法可能是：控制和分析处理单元是一种微控制器或微型计算机，其包含一种估算法。

位置测定的精确性可以通过下述措施进一步加以改进：估算法(补充一个存储的驱动模型)在转换一个转换触点之前也考虑到转子的旋转速度。

有利的是使用一个反馈转换电路，该电路通常在用于监控继电器触点的现有的汽车伺服驱动装置上就有的。没有必要改变硬件。

成本上有利的是，特别是反馈转换电路，它基本上是由欧姆分压器形成的。

附图说明

为了进一步对本发明做说明，下面将参照附图，来进行部分解释，从这些附图中可看出本发明的其它有利的发展、细节和设计。

附图表示：

图1由于解释机械式换向引起的电枢电流波动的示意图；

图2桥式电路中伺服电动机用的控制电路的简化电路图，本发明提出的方法是在所示的控制和分析处理单元中实施的；

图3一个测量曲线图，其在上部的曲线中示出图3的转换继电器的转换触点上的电压；在下部的曲线中示出换向器电动机的电枢电流，该换向器电动机通过短路制动而被制动；

图4图3所示的测量参数的数字化曲线；

图5用于说明在制动过程中本发明提出的方法的电路图和示意图；

图6为了说明本发明提出的方法，在一次起动过程中的电路图和示意图；

图7为了说明本发明提出的方法，在一次反向过程中的电路图和示意图。

具体实施方式

图1表示：一个直流电动机的机械式换向过程中的电阻情况。集电器24由三个集电器片组成。电枢线圈以三个欧姆电阻器表示。如可以从图1的左略图中看出的，在两个电刷22、23之间有一个欧姆电阻器，该欧姆电阻器是由一个并联电路形成的：左边的电阻器并联于串联的两个电阻器。在集电器旋转时(箭头21)，其在图1的右部分中绘出的，下面的电刷23扫过两个相邻的集电器片。在这两个相邻的集电器片之间会造成瞬时短路现象。两个电刷22、23之间的欧姆电阻器在此瞬间中是由两个线圈电组器的并联电路形成的。由于这一电阻变化之故，就会发生文首述及的电枢电流波动性，从而可通过对电流波动的计数以得到转子位置。

图2表示一个伺服驱动装置的简化的电路图，如这种伺服驱动装置例如用于汽车上的电操作的车窗升降装置或滑动天窗那样。一个控制和分析处理单元17，现在指的是一个微控制器，通过信号11、12，控制着转换继电器6、7。根据转换触点6或7的位置，给定桥式电路的横向支路中电动机5的电枢电流2的方向。电枢电流2由一个分流器8得到。在分流器8上产生的测量信号作为电流反馈信号18被反馈到微控制器17。在微控制器17上配置了一个电流波动计数装置15，该计数装置分析处理电枢电流2中所包含的电流波动。在本实施例中，分析处理是利用一种算法通过对相关的最大值或最小值进行计数来进行的。

由于在电机式操作的转换触点6或7的弹跳时间内，不可能对电枢电流波动3进行分析处理，所以在微控制器17中配置一个波动估算装置16。该波动估算装置16包含一种估算法，这种算法可在触点弹跳的阶段内，对电流波动进行估算。估算算法除了驱动参数之外，还应用转子的最终有效的转速。

为了尽可能地将由于估算引起的误差保持最小，不固定不变地预设估算时间，而适配于实际的触点振动时间。为了掌握这个实际的触点振动时间，使用了一个反馈转换电路20，该转换电路基本上由两个欧姆分压器和反馈导线9和10组成。通过这些反馈线路9和10，分别将转换触点7或6的触点电压信号反馈到微控制器17。这样，在微控制器17方面可以确定一个或两个触点6、7的弹跳时间。基于这一信息，估算法只使用实际上所需的那么长的时间，这就是说，只需要包含在电枢电流信号中的波动性不可利用的那么长的时间。在短路制动情况下，此时两个触点7、6的一个被转换，估算时间延续如此长，直到转换的触点(6或7)的弹跳时间衰减。在一个换向过程中，此时两个触点7、6同时被转换，估算时间延续如此长，直到触点7、6中的每一个趋于静止。然后才再对包含在电枢电流2中的电流波动进行分析处理(见图7)。

反馈转换电路20实际上通常在汽车伺服驱动装置上都有，用于监控转换触点6、7的“粘接”。在此情况下，本发明的实现只需要微控制器17的相应的软件(17、16)。

图3在一个测量曲线图中表示出转换触点6上的电压1和作为时间t的函数的电枢电流2。在变换阶段中，实现转换触点6从电池电压到接地电压的变换(图2)。这相当于电动机5的短路制动，该电动机的电枢电流首先改变它的方向，以便随后下降。电枢电流2的测量曲线示出在变换阶段4之前的、可清楚看出、有规则地循环的电枢电流波动3。在变换阶段4之后也可以清楚看出包含在电枢电流2中的波动性3；于此，但电动机慢慢停下来，电流波动3的频率随着时间的推移而逐步减小。在时间点T1和时间点T2(机械式的触点6的弹跳时间)之间，电枢电流2的变化就其中所含的波动性而言，是几乎不能分析处理的。

图4表示变换的数字化的曲线。以附图标记11表示控制信号的时间上的变化，该控制信号作用于转换触点6的继电器线圈。下面以附图标记19表示触点电压-反馈信号9的数字化曲线。以附图标记14表示电动机电流2的数字化曲线。直至时间点T1，可以毫无问题地从波动计数装置15识别数字化的电流波动13；既使在时间点T2之后，也能很好地计数电流波动。但在过渡阶段4中，不能识别电流波动。在时间间隔4中，不进行计数，而是以估计电流波动。波动估算装置16只如此长地进行估计，直到得知时间点T2上弹跳时间的结束。从时间点T2起，又可通过波动计数装置15分析处理数字化的电流波动13。由于运用估算法所用的时间段不须通过在转换继电器的数据页中给出的最大弹跳时间来加以预定，而是适配于实际的转换继电器转换向情况，所以能够以更佳的精确性来获得转子位置。

在图5、图6和图7中，绘示出换向器电动机在制动时、在起动时以及在反向时的触点振动-时间间隔4，并在下面将参照一个脉动曲线图加以详细说明。

图5表示出一种短路制动。如可以从图5上方的接线中看出的，转换触点6按箭头25所示方向转换。通过这一转换过程，正在运行的直流电动机5经过分流器8和经过半桥的下部而被短接。在触点振动时间间隔4内，由于转换触点6的弹跳，不能够对分流器8上的电流波动进行分析处理。在时间间隔4内，根据本发明，估算出转子在这一时间段中所经历过的旋转角。如触点电压-反馈信号U9的脉动曲线图中所示的，估算时间(触点振动时间间隔4)在控制电压U11的下降沿之后延迟一个滞后时间tV才开始。

图6表示直流电动机5的起动。于此，直流电动机5通过转换触点6的转换(箭头26)从静态转接到供电电压UB上。于此，触点振动时间间隔4也是在控制电压U11的上升沿之后延迟一个滞后时间tV才开始的。

图7表示一个反向过程。于此，电动机5通过转换触点6和7的转换(箭27，箭头29)，从按一个旋转方向的运行而被转换到一个相反的旋转方向。针对控制电压U11的下降沿或针对控制电压U12的上升沿，转换触点6(触点电压-反馈信号U9)的弹跳或者转换触点7(触点电压-反馈信号10)的弹跳延时发生。在这个旋转方向反转的实例中，触点振动时间间隔4的开始是通过转换触点6上的第一触点振动给定的；触点振动时间间隔4的终结是由转换触点7上的最后一触点振动得到的。通过对时间间隔4的测量，就能保证电流波动的分析处理不在不关心的阶段(时间间隔T1至T2)内进行，在这个阶段中要么是转换触点6要么是转换触点7弹跳；只有当转子电流中的波动性又代表旋转位置的时候，才进行“波动-计数”。

通过本发明提出的方法，我们除了起动时和制动外还能够在反向时也能减小错误计数的风险，并提高转子位置探测的精确性。

所用附图标记一览表

1    一个变换触点上的电压

2    电枢电流

3    电枢电流波动，被测量的换向波动性

4    触点振动时间间隔

5    直流电动机

6    转换触点

7    转换触点

8    分流器

9    触点电压-反馈信号

10   触点电压-反馈信号

11   控制信号

12   控制信号

13   电枢电流波动，数字化的换向波动性

14   电枢电流，数字化的

15   电流波动计数装置

16   电流波动估算装置

17   控制和分析处理单元，微控制器

18   电流反馈信号

19   触点电压反馈信号，数字化的

20   反馈转换电路

21   箭头

22   电刷

23   电刷

24   集电器

25   箭头

26   箭头

27   箭头

28   转换装置，转换继电器；

29   箭头

U9   被反馈的触电电压

U10  被反馈的触电电压

U11  控制电压

U12  控制电压

T1   时间点；

T2   时间点

tv   滞后(继电器的响应时间)

Claims (9)

1.一种用于得到机械式换向的直流伺服电动机(5)的转子的旋转位置的方法，该伺服电动机被安置在一桥式电路的横向支路上，其电枢电流是通过电机式操作的转换装置(28)所给定的，配有控制和分析处理单元(17)，该单元可以分析出包含在电枢电流(2)中的并由机械式转向引起的电流波动(3)，其特征在于：

·从转换装置(28)的每个转换触点(6，7)，利用反馈转换电路(20)，分别将触点电压-反馈信号(9，10)反馈给控制和分析处理单元(17)；

·控制和分析处理单元(17)在使用所述至少一个触点电压-反馈信号(9，10)的情况下，得出触点振动时间间隔(4)，在由于所述转换触点(6，7)的其中至少一个的转换过程所引起的触点振动之故而不能分析电流波动的触点振动时间间隔(4)内对电流波动(3)进行估算。

2.按权利要求1所述的方法，

其特征在于：

·转换装置(28)是由具有第一转换触点(6)和第二转换触点(7)的转换继电器所形成的；

·由第一转换触点(6)将第一触点电压-反馈信号(9)反馈给控制和分析处理单元(17)；和

·由第二转换触点(7)将第二触点电压-反馈信号(10)反馈给控制和分析处理单元(17)。

3.按权利要求2所述的方法，

其特征在于：

从第一触点电压-反馈信号(9)，得出触点振动时间间隔(4)的开始时间点(T1)；从第二触点电压-反馈信号(10)得出触点振动时间间隔(4)的终止时间点(T2)。

4.按权利要求2所述的方法，

其特征在于：

要么从第一触点电压-反馈信号(9)要么从第二触点电压-反馈信号(10)得出触点振动时间间隔(4)的开始时间点(T1)和终止时间点(T2)。

5.按权利要求2所示的方法，

其特征在于：

从由控制和分析处理单元(17)产生的并输送给转换装置(28)的控制信号(11，12)得出触点振动时间间隔(4)的开始时间点(T1)；从配属于此控制信号(11，12)的第一或第二触点电压-反馈信号(9，10)得出触点振动时间间隔(4)的终止时间点(T2)。

6.按权利要求1至5中任一项所述的方法，

其特征在于：

利用包含在控制和分析处理单元(17)中的估算装置(16)，对电流波动进行估计，该估算装置包含估算法。

7.按权利要求6所述的方法，

其特征在于：

估算法通过至少一个转换触点(6，7)的转换状态的改变加以启动；在估算时作为参数使用旋转速度，该旋转速度是在变换过程之前得到的。

8.按权利要求1至7中任一项所述的方法，

其特征在于：

控制和分析处理单元(17)探测周期性时间间距中特别是小于200微秒的时间间距中的每个触点电压-反馈信号(9，10)。

9.按权利要求1至8中所述的方法，

其特征在于：

向控制和分析处理单元(17)输送电流反馈信号(18)，该信号是在分流器(8)上截取的。

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