CN105871296A - 检测并防止装置或系统内的电机运动的设备和方法 - Google Patents

检测并防止装置或系统内的电机运动的设备和方法 Download PDF

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Abstract

一种被构造用于检测并防止物件(12,50)的不期望有的运动的电机驱动系统(20)，物件(12,50)被构造成由该电机驱动系统(20)驱动。电机驱动系统包括：可操作地耦合于该电机驱动系统(20)的转子(26)的电子控制装置(42)，该电子控制装置(42)被构造成检测转子(26)的转轴(34)的不期望有的转动，其中该转轴(34)的不期望有的转动不是由作用于转子(26)的力引起的，该电机驱动系统(20)的电子控制装置(42)被构造成在电子控制装置(42)检测到转轴(34)的不期望有的预定转动量之后使电机驱动系统(20)的绕组(35)短路，从而可防止转子(26)的进一步转动。

Description

检测并防止装置或系统内的电机运动的设备和方法
技术领域
本发明的多种实施例涉及机动车内的电机驱动系统，特别是涉及防止电机驱动系统内产生不期望有的运动的方法和设备。
背景技术
一些机动车配备有电动车窗或电动天窗，其可通过电机驱动系统在闭合状态与打开状态之间移动。当电机驱动系统被断电且力作用在可操作地耦合于电机的车窗或天窗上并且电机被反向驱动或受到所加力驱动时，车窗或天窗可能从闭合状态移动到至少部分打开的状态。
因此，人们期望提供一种检测并防止装置或系统内的电机运动的设备和方法。一般，该问题可通过使用继电器供电的电机与蜗轮蜗杆齿轮减速机构的降低效率二者结合来解决，以产生期望程度的驱动电机不可逆性。当电机驱动系统被断电时，继电器将电机绕组接地，从而产生制动电机或防止电机转动的电阻扭矩。继电器的使用不允许控制电机速率，只允许控制其方向。对速率控制的需求在增加，因为这提供一种平顺运动以及降低速度的可能性，速率的降低贴近旅行目的，使用者对此目的有积极反馈。此外，继电器需要空间且继电器价格在上升。这些缺点通过一种称为固态继电器的替代技术来解决，固态继电器由MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)功率晶体管的桥接器组成。然而在断电状态下，MOSFET驱动的电机绕组不会产生接地短路。结果，我们失去了电力制动效果对不可逆性表现的作用，待解决的问题是怎样恢复期望程度的不可逆性且不会影响另一参数，即降低许多的蜗轮蜗杆齿轮机构的效率。
发明内容
在一个实施例中，电机驱动系统被构造成能检测并防止物件的不期望有的运动，该物件被构造成被电机驱动系统驱动。电机驱动系统具有：可操作地耦合于电机驱动系统的转子的电子控制装置，该电子控制装置被构造成能检测转子转轴的不期望有的转动，其中该转子转轴的不期望有的转动不是由作用于转子的力引起的，该电机驱动系统的电子控制装置被构造成能在电子控制装置检测到转轴的不期望有的预定转动量后使电机驱动系统的绕组短路，从而防止电机的进一步转动。
在另一个实施例中，提供一种检测并防止电机驱动系统内的物件的不期望有的运动的方法。该方法包括以下步骤：提供可操作地耦合于电机驱动系统转子的电子控制装置；检测转子转轴的不期望有的转动；在电子控制装置检测到转轴的不期望有的预定转动量后使该电机驱动系统的绕组短路，从而防止电机的进一步转动。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，会更好地理解这些和/或其它特征、方面和优点，在附图中，相似符号在整个附图中表示相似零部件，其中：
图1是具有电动车窗系统的车门的示意图；
图2是位于图1车门上的车窗升降器的视图；
图3是电机和与图2车窗升降器配合使用的部分电动车窗系统的齿轮的示意图；
图4是电机驱动系统部件的示意图，其与本发明各实施例的检测并防止运动的系统连用；
图4A是本发明的一个非限制性实施例中的电机驱动系统的示意图；
图4B是图4A所示的电机驱动系统的视图，其中外壳部分与电缆卷筒被移除；
图5是本发明的一个实施例的检测系统的示意图；
图6是示出使用图5所示的检测系统检测电机轴转动的曲线图；
图7是示出使用图4所示的另一检测系统检测电机轴转动的曲线图；
图8是本发明替代实施例的示意图。
尽管附图示出本发明的各实施例和特征，但附图不必依照比例且某些特征可被放大以更好地示出和解释本发明的实施例。在此所列的实施例以一种形式示出本发明的多个方面，且这些实施例不应被解释为以任何形式限制本发明的范围。
具体实施方式
现参照附图，示出了机动车车门10。车门10具有车窗或物件12，其可移动地安装在车门10的开口14上。车窗或物件12通过电机驱动关闭系统在闭合状态和打开状态之间移动。为促进这种运动，设有车窗升降器16。车窗升降器包含一个或一对导轨18和电机驱动系统20，电机驱动系统可通过一个或一对滑块22移动车窗14，该滑块可移动地安装在导轨18上。滑块22可操作地接合至缆索24，缆索由在相关技术中已知的马达驱动系统或电机驱动系统20被驱动或移动。
电机驱动系统20还包括驱动蜗杆28的转子26，蜗杆啮合于齿轮组的齿轮30，齿轮组被构造成可以转动缆索卷筒31以使缆索24可卷绕或不卷绕于缆索卷筒31，从而在闭合状态和打开状态之间上下移动车窗。在一个实施例中，电机驱动系统20包括具有刷馈绕组的直流(DC)电机。如图1-3所示，如果不是由电机驱动系统20产生的力沿箭头32方向作用于车窗12，则这个力也沿箭头32方向作用在车窗升降器16上。这是因为车窗12通过滑块22固定在车窗升降器16上。沿箭头32方向的作用力将最终导致沿箭头32方向(图3)的对应转矩也作用在齿轮30和蜗杆28上，因为车窗可操作地接合于电机驱动系统20。
如上所述，如果转子26被断电，则转子26通过可操作地接合于转子26的转轴34的蜗杆28被向后驱动或转动，因为沿箭头32方向的力作用在车窗12上。如果沿箭头32方向的力作用在车窗12上且转子26被断电，则转子26可被向后驱动，车窗12可能产生不期望有的运动量。
为了防止当电机被断电时车窗12因沿箭头32方向的力而产生不期待有的运动量，本文提供一种检测电机转轴34的不期待有的运动的设备和方法。此外，该设备和方法还包括一种工具，一旦检测到转轴34的运动，其就可限制或防止转轴34因沿箭头32方向所施加的力而产生不期望有的运动。
在一些实施例中，转子26的转轴34具有固定在其上的磁环或环形磁体36。电机驱动系统20还包含一对霍尔效应传感器38、40，每个都用来检测随转轴34转动的磁环36上的南极或北极。每个霍尔效应传感器38、40都可操作地耦合于电子控制系统(ECU)42，以便传感器38、40发出的信号可在转轴34转动时传送送至ECU42。图6示出传感器38、40因磁环36沿箭头44方向转动所产生的状态变化。
在其它实施例中，通过旋转360度的转轴34转动足以激励ECU42并使其识别转轴34产生了不允许的转动。换言之，转轴34的转动导致电机驱动系统20的电机33因转子26转动而充当发电机，因此ECU42由转子26转动供电，而转子26的转动在一个例子中可以是不期望有的转动。在其它实施例中，ECU42的供电可以源于替代来源，并且从传感器38、40接收到的信号仅被用来提醒ECU42该转子26产生了不期望有的转动。
可以理解的是，ECU42可操作地耦合于转子26并且ECU42能因为改变位于ECU42内的MOSFET43或等效装置的操作状态而使电机绕组35短路，从而防止转子26的转轴34发生转动。换言之，电机绕组35与电机的电刷37通过换向器39接触，从而具有相同的电位/电压，这意味着它们被短路。在一些实施例中，电机绕组35的短路可通过让其接地短路来实现。在其它实施例中，电机绕组35的短路可通过将两个电刷共同接到另一电位如机动车蓄电池45或其它任何等效装置来实现。更进一步地，电机绕组35的短路可通过仅将两个电刷接到一起而不是共同连接至任何其它电位来实现。电机绕组35的接地短路，或替代地共同连接到另一电位的短路或不与任何电位连接的短路会产生电阻扭矩，防止电机驱动系统20的转子26进一步转动。在一个实施例中，当驱动MOSFET43使电机绕组35短路时，处于通电状态的电机33可防止转轴34转动。同样，当电机绕组35接地短路或通过将系统电刷共同接到另一电位(如蓄电池45)或将系统电刷接到一起而不与任何电位连接而使电机绕组35短路时，磁场会产生逆电动势，与转动速度成线性函数，这意味着转子26转动越快，作用到转子上的制动作用更大。
因为蜗杆28啮合于齿轮30且齿轮齿数比约为1:73，故车窗12的约1mm到2mm的微小运动将导致转轴34转动至少一圈，因此传感器38、40可检测到车窗12运动，并且在传感器38、40检测到车窗12的不期望有的运动量后防止车窗12进一步运动。一旦检测到不期望有的或不允许的预定运动量，则ECU42驱动电机驱动系统20的MOSFET43使电机绕组35接地短路或共同接到另一电位而短路或接在一起而不与任何电位连接而短路，因此可防止转子26通过转轴34产生进一步运动，并因此防止车窗12产生进一步的不期望有的运动。尽管上述比例为1:73，但可以理解的是，大于或小于1:73的比例也应被考虑在本发明各实施例的范围内。同样，尽管上文讨论了车窗12的1mm到2mm的运动，大于或小于1mm到2mm的运动范围也应被考虑在本发明各实施例的范围内。此外，尽管上文描述了转轴34的预定运动量为360度转动，但可以理解的是大于或小于360度的转动也应被考虑在本发明各实施例的范围内。
可以理解的是ECU42可以包含微处理器、微控制器或其它等效处理装置，其可以执行计算机可读数据或程序的命令以执行控制算法。为实现规定功能、期望处理以及计算指令(如执行傅里叶分析算法、算法步骤、本文规定的控制过程等)，控制器可包括且不限于：一个或多个处理器、一个或多个计算机、存储器、存储、一个或多个寄存器、计时器、一个或多个中断器、通信接口、输入/输出信号接口以及包含上述至少一个装置的组合。例如，控制器可以包括输入信号过滤器用于能准确抽样且从通信接口处转换或获得这些信号。
在一些实施例中，可以理解的是ECU42将识别出电机33被断电，由ECU42检测到的转子26的转轴34的不期望有的转动将导致ECU42在电机驱动系统42中产生电阻扭矩，从而防止转轴34进一步转动。
图6示出霍尔效应传感器38、40通过转轴34和磁环36转动从高(1)被驱动到低(0)的状态变化。图6示出随转轴34沿箭头46所示方向逆时针CCW转动的状态变化。箭头48示出转轴34的360度转动，其中传感器40的状态受到驱动而升高、降低、再次回到升高状态。一旦在电机26处于断电状态时连接到传感器38、40的ECU42检测到转轴34发生至少一圈旋转，ECU42将判定这是不期望有的转轴转动并使电机26短路以防止转轴34进一步转动。尽管示出的是360度转动，但当然可以理解的是也可使用大于或小于360度的转动，在一些实施例中，这取决于磁环上北极和南极的数量以及使用霍尔效应传感器的数量。此外，尽管仅示出磁环上的一个北极和南极，可理解的是在本发明各实施例中想到了在磁环上有多个偶数个北极和南极(如2个北极、2个南极、4个北极、4个南极等)，或替代地在磁环上仅有一个北极和一个南极。如上所述，通过驱动或改变由ECU42驱动的至少一个MOSFET43的状态可以使电机26短路。在一些实施例中，MOSFET43位于与ECU32相同的印刷电路板49上，但也可以位于其它位置。在应用霍尔效应传感器的实施例中，驱动ECU42和/或MOSFET43的电能来自蓄电池45，蓄电池45可操作地耦合于电机驱动系统20。
现参照图4到图7，示出了本发明的替代实施例。这里提供的是用于检测转轴34的不期望有的转动的替代手段以及为ECU42供电并驱动MOSFET43的替代手段。在该实施例中规定了反电动势的检测与使用。在该实施例中，当转轴34因物件12的不期望有的运动而转动时，ECU42检测到因转轴34和转子26的转动而产生的感应电压。在该实施例中，感应电压也可被用来供电和/或唤醒ECU42以及直接驱动ECU42中的MOSFET43，方式是通过ECU42驱动或直接由电机驱动系统20的感应电压驱动，因此电机绕组35发生短路，从而防止转子26进一步转动。在一个非限制性实施例中，由转子26转动产生的感应电压可被储存到电容器51中以便使用感应电压驱动ECU和/或MOSFET43。替代地，这种电能可由蓄电池45提供。在这里，如上所述，沿箭头32方向的作用力使转轴34转动，转轴34的转动产生感应电压。这种转动将导致转子26在电机驱动系统20的定子内转动，因此产生在相关技术中已知的电压。例如电机驱动系统20响应于机械能量输入(例如沿箭头32方向的作用力)地可作为发电机。如上所述，车窗12的预定运动量将导致转轴34的预定转动量以产生感应电压。一旦产生感应电压，则ECU42将通过任何类型的检测手段检测这种电压或电流并且ECU42内的程序将会把检测到的电压或电流解释为转轴34的不期望有的转动，从而直接或间接通过感应电压驱动MOSFET43，使电机绕组35接地短路或共同接到另一电位而短路或仅连接在一起而不与任何附加电位连接地短路，以防止车窗或物件12的进一步运动。
在另一个实施例中，图4到图7的实施例中的电机可以为脉动电机，其构造成可以读取电流峰值，电流峰值因转子26转动时的转动位置而出现，因此可以使电机驱动系统20检测到转子26的不期望有的转动。
图7是示出因车窗12运动产生的电机转轴34转动而生成的感应电压的曲线图。
图8是本发明替代实施例的示意图，其中在闭合状态与打开状态之间移动的物件是与车窗12相反的滑动顶盖、屏障或物件50，且电机驱动系统20被构造成检测并防止在机动车车顶54上的开口52内的滑动顶盖的不期望有的运动。尽管车窗12和顶盖50在本例中作为其运动可被检测且可在检测后被阻止的物件，但可理解的是本发明各实施例可适用于任何由MOSFET43驱动的活动部件，MOSFET43由电机驱动系统20供电。例如，本发明各实施例也可被应用在任何需要不可逆性的机构中，例如任何车窗调节器，包含但不限于本文所描述的车窗调节器或推拉缆索式、摇臂扇形式及其它任何适合的车窗调节器或任何形式的滑动顶盖机构。
本文所用的术语“第一”、“第二”等不表示任何次序、数量或重要性，而是用于将一个元件与另一个区分开，术语“一”在此并非表示数量的限制，而是表示所提及的物件至少存在一个。此外应注意，除非另有说明，否则本文所用的术语“底部”和“顶部”只是为了便于描述，而不限于任何一个位置或空间取向。
与数量相关地使用的修饰语“约”包括设定数值并具有由上下文规定的意义(如包括与特定数量的测量相关的误差度)。
虽然已经参照实施例描述了本发明，但本领域技术人员将会理解，可以在不超出本发明范围的情况下做出各种改变且用等同来替代其元件。另外，可以进行许多修改以使特定的情况或材料适应于本发明的教导而不超出本发明的实质范围。因此，所打算的是本发明不局限于作为为了实施本发明而设想到的最佳方式被公开的特定实施例，而是本发明将涵盖落入所附权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (21)

1.一种被构造成检测并防止物件(12,50)的不期望有的运动的电机驱动系统(20)，该物件被构造成由该电机驱动系统(20)驱动，该电机驱动系统(20)包含：
可操作地耦合于电机驱动系统(20)的转子(26)的电子控制装置(42)，该电子控制装置(42)被构造成检测该转子(26)的转轴(34)的不期望有的转动，其中该转轴的不期望有的转动不是因作用于该转子(26)的力引起的；和
其中该电机驱动系统(20)的电子控制装置(42)被构造成在该电子控制装置(42)检测到该转轴(34)的不期望有的预定转动量之后使该转子(26)的绕组(35)短路，从而防止该转子(26)的进一步转动。
2.根据权利要求1所述的电机驱动系统(20)，其中，该电机驱动系统(20)还包含被布置用于检测磁环(36)转动的一对霍尔效应传感器(38,40)，该磁环被固定在该电机(26)的转轴(34)上。
3.根据权利要求2所述的电机驱动系统(20)，其中，该磁环(36)只包含一个北极和一个南极，或者包含任何偶数的北极和南极。
4.根据权利要求1所述的电机驱动系统(20)，其中，该电子控制装置(42)被构造成检测由电机(26)转轴(34)的不期望有的转动所产生的感应电压。
5.根据权利要求1所述的电机驱动系统(20)，其中，该转轴(34)的不期望有的转动足以给该电子控制装置(42)供电，从而该电子控制装置启动识别不期望有的转动并使转子(26)的绕组(35)接地短路的操作。
6.根据权利要求5所述的电机驱动系统(20)，其中，在该绕组(35)中感生的电压给该电子控制装置(42)供电。
7.根据权利要求5所述的电机驱动系统(20)，其中，因霍尔效应感应器(38,40)的状态改变而发出的信号被该电子控制装置(42)接收，该信号将导致该电子控制装置(42)使该转子(26)的绕组(35)短路。
8.根据权利要求1至7之一所述的电机驱动系统(20)，其中，该电子控制装置(42)驱动该电机驱动系统(20)的金属氧化物半导体场效应晶体管(43)或其它任何硅基开关，以在该电子控制装置(42)检测到转轴(34)的不期望有的预定转动量之后使该电机驱动系统(20)的绕组(35)接地短路。
9.根据前述权利要求之一所述的电机驱动系统(20)，其中，该转轴(34)的不期望有的预定转动量是360度。
10.根据前述权利要求之一所述的电机驱动系统(20)，其中，该物件(12,50)是位于机动车车门(10)的开口(14)处的车窗(12)。
11.根据权利要求1至8之一所述的电机驱动系统(20)，其中，该物件(12,50)是位于机动车车顶(54)的开口(52)处的滑动顶盖(50)。
12.根据权利要求4所述的电机驱动系统(20)，其中，感应电压由该电机驱动系统(20)的转子(26)在电机定子(33)内的转动产生。
13.一种检测并防止电机驱动系统(20)的物件(12,50)的不期望有的运动的方法，包括：
提供可操作地耦合于该电机驱动系统(20)的转子(26)的电子控制装置(42)；
检测该转子(26)的转轴(34)的不期望有的转动；和
在该电子控制装置(42)检测到该转轴(34)的不期望有的预定转动量后使该电机驱动系统(20)的绕组(35)短路，从而防止该转子(26)进一步转动。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，该电机驱动系统(20)还包含用于检测磁环(36)转动的一对霍尔效应传感器(38,40)，该磁环被固定在该转子(26)的转轴(34)上。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，该磁环(36)只包含一个北极和一个南极，或者包含任何偶数的北极和南极。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，该电子控制装置(42)被构造成检测由电机(26)转轴(34)的不期望有的转动所产生的感应电压。
17.根据权利要求13至16之一所述的方法，其中，该电子控制装置(42)驱动该电机驱动系统(20)的金属氧化物半导体场效应晶体管(43)，以在该电子控制装置(42)检测到转轴(34)的不期望有的预定转动量之后使该电子驱动装置(20)的绕组(35)接地短路。
18.根据权利要求13至17之一所述的方法，其中，该转轴(34)的不期望有的预定转动量是360度。
19.根据权力要求13至18之一所述的方法，其中，该物件(12,50)是位于机动车车门(10)的开口(14)处的车窗(12)。
20.根据权利要求13至18之一所述的方法，其中，该物件(12,50)是位于机动车车顶(54)的开口(52)处的滑动顶盖(50)。
21.根据权利要求16所述的方法，其中，感应电压由该电机驱动系统(20)的转子(26)在电机定子(33)内的转动产生。
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