CN110798041B - 连接到有刷直流电机的检测电路和电机旋转信息检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种连接到有刷直流电机的检测电路和一种用于检测有刷直流电机的旋转信息的方法。本技术的各种实施方案可以检测换向器的切换，并且利用指示切换的信号来确定电机的转速和/或旋转信息。在一个实施方案中，装置包括彼此串联连接的ADC、差值电路、绝对值电路和比较器。

Description

连接到有刷直流电机的检测电路和电机旋转信息检测方法
技术领域
本发明涉及一种连接到有刷直流电机的检测电路和一种用于检测有刷直流电机的旋转信息的方法。
背景技术
有刷直流电机用于各种应用，诸如在汽车中。在汽车应用中，有刷直流电机可以用于控制侧视镜的位置、窗户的上/下位置和控制、座椅的位置、前灯的光轴等。因此，期望检测电机的旋转信息以改善电机的性能和/或提供改善的电机控制。
发明内容
本发明涉及一种连接到有刷直流电机的检测电路和一种用于检测有刷直流电机的旋转信息的方法。
本发明所解决的技术问题是，用于检测有刷直流电机的旋转信息的常规检测电路实现了称为“纹波检测”的技术。然而，该技术产生受噪声影响的结果，这会影响所检测的旋转信息的准确性。
本技术的各种实施方案可以检测换向器的切换，并且利用指示切换的信号来确定电机的转速和/或旋转信息。在一个实施方案中，检测电路包括彼此串联连接的ADC、差值电路、绝对值电路和比较器。
根据一个方面，连接到有刷直流电机的检测电路包括：差分放大器，该差分放大器被配置成检测有刷直流电机的电流并产生与电流成比例的模拟信号；模数转换器(ADC)，该模数转换器(ADC)连接到差分放大器并被配置成将模拟信号转换为第一数字信号；和数字电路，该数字电路连接到ADC并包括：差值电路，该差值电路被配置成：接收第一数字信号；以及计算第二数字信号，其中第二数字信号是第一数字信号与先前第一数字信号的差值；绝对值电路，该绝对值电路连接到差值电路并被配置成计算第二数字信号的绝对值；和比较器电路，该比较器电路连接到绝对值电路并被配置成：将所计算的绝对值与预定阈值进行比较；以及根据比较产生比较器输出。
在一个实施方案中，检测电路还包括参考电压发生器电路，该参考电压发生器电路连接到差分放大器的非反相端子并被配置成产生参考电压。
在一个实施方案中，差值电路还包括延迟寄存器，该延迟寄存器被配置成存储先前第一数字信号。
在一个实施方案中，数字电路还包括寄存器，该寄存器连接到比较器并被配置成存储预定阈值。
在一个实施方案中，检测电路还包括感测电阻器，该感测电阻器包括第一端和第二端；并且其中：第一端连接到有刷直流电机和差分放大器的反相端子；并且第二端连接到差分放大器的非反相端子和地。
在一个实施方案中，如果所计算的绝对值大于预定阈值，则比较器电路产生HIGH比较器输出；如果所计算的绝对值小于预定阈值，则比较器电路产生LOW比较器输出；并且HIGH比较器输出表示电刷从一个换向器到另一个换向器的切换接触。
在一个实施方案中，根据指示有刷直流电机的切换的信号电平选择预定阈值。
根据另一个方面，用于检测有刷直流电机的旋转信息的方法包括：检测有刷直流电机的电流，其中有刷直流电机包括多个换向器；产生与所检测的电流成比例的模拟信号；将模拟信号转换为第一数字信号；计算第二数字信号，其中第二数字信号是第一数字信号与先前第一数字信号的差值；计算第二数字信号的绝对值；将所计算的绝对值与预定阈值进行比较；以及根据比较产生输出，其中输出表示从有刷直流电机的一个换向器切换到不同的换向器。
在一个操作中，该方法还包括分析输出以确定有刷直流电机的转速。
在一个操作中，该方法还包括分析输出以确定有刷直流电机在一时间段内的总转数。
通过本发明实现的技术效果是提供检测电路，其基于响应电机电流的改变的比较器输出来检测有刷直流电机的旋转信息，这改善了所检测的旋转信息的准确性以及电机的整体性能和控制。
附图说明
当结合以下示例性附图考虑时，可参照具体实施方式更全面地了解本技术。在以下附图中，通篇以类似附图标记指代各附图当中的类似元件和步骤。
图1是根据本技术的示例性实施方案的有刷直流电机系统的框图；
图2A是根据本技术的示例性实施方案的电机电流波形；
图2B是根据本技术的示例性实施方案的差分放大器的输出波形；
图2C是根据本技术的示例性实施方案的比较器的输出波形；并且
图3代表性地示出了根据本技术的示例性实施方案的有刷直流电机。
具体实施方式
本技术可在功能块部件和各种加工步骤方面进行描述。此类功能块可通过被配置成执行指定功能并且实现各种结果的任何数量的部件来实现。例如，本技术可以采用各种电机、微控制器、驱动电路、放大器、信号转换器、比较器等，其可以执行各种功能。此外，本技术可以结合任何数量的系统(诸如自动化、机器人、计算机数字控制(CNC)机械等)来实施，并且所描述的系统仅为该技术的示例性应用。
根据本技术的各个方面的用于有刷直流电机的旋转检测的方法和装置可以与任何合适的系统(诸如汽车系统)一起操作。参考图1，示例性有刷直流电机系统100可以结合到其中期望高水平的准确度和多功能性的汽车系统中。例如，在示例性实施方案中，有刷直流电机系统100可以包括驱动电路105、电机110、检测电路170和微控制器172，其一起操作以检测电机110的旋转信息。
驱动电路105被配置成根据施加的电压和/或电源电压VDD来驱动和/或控制电机110。例如，驱动电路105可以连接到微控制器172并配置成从该微控制器接收反馈信号，诸如与电机110的旋转位置和/或电机110的旋转方向有关的信号。驱动电路105可以响应于来自微控制器172的反馈信号控制电机110的转速和/或改变电机110的旋转方向。例如，电机110的至少一个端子可以连接到驱动电路105。驱动电路105可以包括适合于驱动电机110的操作的任何电路。在示例性实施方案中，驱动电路105可以包括串联连接的多个晶体管，每个晶体管响应于施加的电压和/或电源电压VDD，其中电机110的一个端子连接到驱动电路105。
在替代性实施方案中，驱动电路105可以连接到电机110的两个端子。在当前情况下，驱动电路105可以包括多个串联连接的晶体管，其中多个串联连接的晶体管彼此并联连接。
电机110响应于驱动电路105，并且可以根据驱动电路105来改变其旋转位置。在示例性实施方案中，并且参考图3，电机110包括有刷直流电机。例如，电机110包括：多个定子磁体320、325；转子300，其包括多个磁极305、310、315和多个换向器片330、335、340(统称为换向器)；和多个刷360、370。多个磁极305、310、315连接到被配置成旋转的轴350。换向器片330、335、340以相等的间隔沿周向设置在轴350的外表面上。刷360、370定位在轴350的两侧上并且彼此相对。电刷360、370中的每一个进一步定位成接触换向器片中的一个。当转子300旋转时，电刷360、370与换向器片330、335、340之间的接触位置依次改变。
重新参见图1，检测电路170检测通过电机110的电流IM，并且根据电机电流IM产生电机110的旋转信息。例如，检测电路170可以连接到电机110并且被配置成测量和/或检测电机110的各种操作规格(诸如电流、电压等)。检测电路170可以产生表示电机110的旋转信息的最终输出信号COUT，并且将最终输出信号COUT传输到微控制器172。检测电路170可以包括一起操作以产生旋转信息的各种系统和/或电路。例如，检测电路170可以包括差分放大器120、参考电压发生器电路125、模数电路(ADC)130和数字电路140。
差分放大器120产生表示两个输入的放大差值的差分输出DAOUT。例如，差分放大器120包括被配置成接收第一输入的反相端子(-)以及被配置成接收第二输入的非反相端子(+)。因此，差分输出DAOUT是分别在反相端子和非反相端子处的第一输入和第二输入的差值。根据示例性实施方案，差分放大器120连接到电机110并且结合感测电阻器115操作以测量电机电流IM。例如，差分放大器120的输入端子连接到感测电阻器115的第一端和第二端以检测跨感测电阻器115的电压降，其中跨感测电阻器115的电压降与电机电流IM成比例。因此，差分输出DAOUT与电机电流IM成比例。
根据示例性实施方案，感测电阻器115还在第一端处连接到电机110，并且在第二端处连接到参考电位(诸如地电位)。
参考电压发生器电路125产生参考电压VREF。参考电压发生器电路125可以被配置成将参考电压VREF供应到差分放大器120。例如，参考电压发生器电路125可以连接到差分放大器120的非反相端子(+)。参考电压发生器电路125可以包括适合于产生参考电压的任何电路。在示例性实施方案中，参考电压发生器电路125可以包括串联连接的多个电阻器190、195以及连接到串联连接的电阻器190、195的运算放大器185。参考电压发生器电路125还可以连接到电源电压VDD和地。
ADC 130将模拟信号转换成数字信号并产生ADC输出SN(其中N是样本号)。在示例性实施方案中，ADC 130连接到差分放大器120的输出端子，并被配置成接收差分输出DAOUT。ADC 130将差分输出DAOUT转换为数字信号。ADC 130可以包括任何合适的信号转换器，并且可以根据特定应用或期望输出来选择特定ADC架构。ADC 130可以将ADC输出SN传输到数字电路140以用于进一步处理。
数字电路140对输入信号执行各种计算并产生数字输出信号。例如，数字电路140可以连接到ADC 130的输出端子，并且接收ADC输出SN作为输入并执行差值计算、绝对值计算、比较等。根据示例性实施方案，数字电路140可包括彼此串联连接的差值电路145、绝对值电路150和比较器电路155。检测电路140的数字输出信号可以对应于最终输出信号COUT，其中数字输出信号(例如，最终输出信号COUT)被传输到微控制器172。
差值电路145被配置成计算两个输入值的差值。例如，差值电路145可以连接到ADC130并且接收ADC输出SN。根据示例性实施方案，差值电路145可以被配置成计算当前ADC输出(例如，SN)与先前ADC输出(例如，SN-1)的差值。例如，差值电路145可以包括运算电路175，诸如用于执行加法/减法的电路，其被配置成从当前ADC输出SN加/减先前的ADC输出SN-1并根据加/减来产生差值信号D。根据示例性实施方案，差值电路145还可以包括延迟寄存器180，该延迟寄存器连接到运算电路175并且被配置成存储先前ADC输出SN-1并将先前ADC输出SN-1传输到运算电路175。差值电路145可以被配置成将差值信号D传输到绝对值电路150。
绝对值电路150被配置成接收输入值并产生表示输入值的绝对值的输出。例如，绝对值电路150可以连接到差值电路145的输出端子，并且被配置成接收差值信号D，计算差值信号D的绝对值(|D|)，并输出绝对值ABS(即|D|)。绝对值电路150可以包括用于执行绝对值计算的任何合适的设备或电路。
比较器155比较两个输入值并根据比较产生输出。例如，比较器155可以包括连接到绝对值电路150并被配置成接收绝对值ABS的第一输入端子，以及连接到被配置成存储预定阈值的寄存器160的第二输入端子。可以根据电机110的特定规格(诸如指示从一个换向器片切换到不同换向器片的已知信号电平)选择预定阈值。比较器155可以将绝对值ABS与预定阈值进行比较，并且根据预定阈值是小于还是大于绝对值ABS来产生输出信号(即COUT)。例如，如果绝对值ABS大于预定阈值，则比较器155输出HIGH信号(例如，数字1或大于0的电压)；并且如果绝对值ABS小于预定阈值，则比较器155输出LOW信号(例如，数字0或等于0的电压)。因此，在比较器155的输出波形中，HIGH信号表示为脉冲。比较器155可以包括适合于执行两个信号的比较的任何电路元件和/或逻辑设备。比较器155的输出信号COUT对应于旋转信息，并且还可以对应于检测电路170的最终输出信号。
微控制器172接收各种输入信号(诸如旋转信息)并且根据各种输入信号做出决定。例如，微控制器172可以从检测电路170接收最终输出信号COUT。根据示例性实施方案，微控制器172可以被配置成接收最终输出信号COUT并且利用该信号来确定电机110的转速、电机110的转数等。例如，微控制器172可以被配置成测量最终输出信号COUT中的每个脉冲之间的持续时间以确定电机110的转速，并且计数最终输出信号COUT的脉冲数以确定电机110旋转的次数。每个脉冲之间的持续时间越长，电机110就越慢，反之亦然。另外，转数和脉冲数与换向器的总数有关。例如，在电机110包括三(3)个换向器的示例性实施方案中，7个脉冲(或脉冲之间的6个时隙)对应于电机110的一个完整旋转。
根据示例性实施方案，微控制器172还连接到驱动电路105，其中微控制器172将各种控制信号(诸如反馈信号)传输到驱动电路105以控制电机110的转速和/或旋转方向。可以根据期望的操作、电机规格、特定的电机应用等来选择特定的反馈信号。
在操作中，并且参考图1至图3，当电机110旋转时，每个电刷360、370一次顺序地接触一个换向器。然而，当每个电刷360、370从一个换向器切换到下一个换向器时，由于每个换向器之间存在间隙，因此可以在电机电流波形(图2A)中观察到不连续点。不连续点可以用差分放大器120来检测并且表现为与不连续点重合的尖峰(图2B)。在将差分输出DAOUT转换为数字值并用差值电路145和绝对值电路150处理数字值之后，比较器输出波形(图2C)，该波形也精确地与电机电流IM中的不连续点重合。相应地，由于电机电流波形中的不连续点指示换向器的切换，因此微控制器172可利用比较器输出波形来确定电机110的转速和/或电机110在特定时间段内的转数。例如，微控制器172可以计数在比较器输出波形中的每个脉冲之间经过的时间(图2C)和/或计数在预定时间段内的脉冲数。微控制器172可以分析脉冲和定时关系以确定电机110的转速和/或转数。
根据汽车应用，电机110的转速和/或旋转信息可以与电机110移动座椅的距离、电机110移动侧视镜所花费的时间长度等有关。
在上述描述中，已结合具体示例性实施方案描述了所述技术。所示和所述特定具体实施方式用于展示所述技术及其最佳模式，而不旨在以任何方式另外限制本技术的范围。实际上，为简洁起见，方法和系统的常规制造、连接、制备和其它功能方面可能未详细描述。此外，多张图中示出的连接线旨在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或步骤。在实际系统中可能存在多个替代的或另外的功能关系或物理连接。
已结合具体示例性实施方案描述了所述技术。然而，可在不脱离本技术的范围的情况下作出各种修改和变化。以示例性而非限制性方式考虑说明和附图，并且所有此类修改旨在包括在本技术的范围内。因此，应通过所述的一般实施方案及其在法律意义上的等同形式，而不是仅通过上述具体示例确定所述技术的范围。例如，除非另外明确说明，否则可以任何顺序执行任何方法或工艺实施方案中列举的步骤，并且不限于具体示例中提供的明确顺序。另外，任何装置实施方案中列举的部件和/或元件可以多种排列组装或者以其他方式进行操作配置，以产生与本技术基本上相同的结果，因此不限于具体示例中阐述的具体配置。
上文已经针对具体实施方案描述了有益效果、其他优点和问题解决方案。然而，任何有益效果、优点、问题解决方案或者可使任何具体有益效果、优点或解决方案出现或变得更明显的任何要素都不应被解释为关键、所需或必要特征或组成部分。
术语“包含”、“包括”或其任何变型形式旨在提及非排他性的包括，使得包括一系列要素的过程、方法、制品、组合物或装置不仅仅包括这些列举的要素，而且还可包括未明确列出的或此类过程、方法、制品、组合物或装置固有的其他要素。除了未具体引用的那些，本技术的实施所用的上述结构、布置、应用、比例、元件、材料或部件的其他组合和/或修改可在不脱离其一般原理的情况下变化或以其他方式特别适于具体环境、制造规范、设计参数或其他操作要求。
上文已结合示例性实施方案描述了本技术。然而，可在不脱离本技术的范围的情况下对示例性实施方案作出改变和修改。这些和其他改变或修改旨在包括在本技术的范围内，如以下权利要求书所述。
根据一个方面，连接到有刷直流电机的检测电路包括：差分放大器，该差分放大器被配置成检测有刷直流电机的电流并产生与电流成比例的模拟信号；模数转换器(ADC)，该模数转换器(ADC)连接到差分放大器并被配置成将模拟信号转换为第一数字信号；和数字电路，该数字电路连接到ADC并包括：差值电路，该差值电路被配置成：接收第一数字信号；以及计算第二数字信号，其中第二数字信号是第一数字信号与先前第一数字信号的差值；绝对值电路，该绝对值电路连接到差值电路并被配置成计算第二数字信号的绝对值；和比较器电路，该比较器电路连接到绝对值电路并被配置成：将所计算的绝对值与预定阈值进行比较；以及根据比较产生比较器输出。
在一个实施方案中，检测电路还包括参考电压发生器电路，该参考电压发生器电路连接到差分放大器的非反相端子并被配置成产生参考电压。
在一个实施方案中，参考电压发生器电路包括：第一电阻器，该第一电阻器与第二电阻器串联连接；以及运算放大器，该运算放大器连接到第一电阻器和第二电阻器。
在一个实施方案中，差值电路还包括延迟寄存器，该延迟寄存器被配置成存储先前第一数字信号。
在一个实施方案中，数字电路还包括寄存器，该寄存器连接到比较器并被配置成存储预定阈值。
在一个实施方案中，检测电路还包括感测电阻器，该感测电阻器包括第一端和第二端；并且其中：第一端连接到有刷直流电机和差分放大器的反相端子；并且第二端连接到差分放大器的非反相端子和地。
在一个实施方案中，如果所计算的绝对值大于预定阈值，则比较器电路产生HIGH比较器输出。
在一个实施方案中，如果所计算的绝对值小于预定阈值，则比较器电路产生LOW比较器输出。
在一个实施方案中，HIGH比较器输出表示电刷从一个换向器到另一个换向器的切换接触。
在一个实施方案中，根据指示有刷直流电机的切换的信号电平选择预定阈值。
根据另一个方面，一种用于检测具有多个换向器的有刷直流电机的旋转信息的方法包括：检测有刷直流电机的电流；产生与所检测的电流成比例的模拟信号；将模拟信号转换为第一数字信号；计算第二数字信号，其中第二数字信号是第一数字信号与先前第一数字信号的差值；计算第二数字信号的绝对值；将所计算的绝对值与预定阈值进行比较；以及根据比较产生输出，其中输出表示从有刷直流电机的一个换向器切换到不同的换向器。
在一个操作中，该方法还包括分析输出以确定有刷直流电机的转速。
在一个操作中，该方法还包括分析输出以确定有刷直流电机在一时间段内的总转数。
根据又一个方面，有刷直流电机系统包括：驱动电路；有刷直流电机，该有刷直流电机连接到驱动电路并由驱动电路控制，其中有刷直流电机包括多个换向器；检测电路，该检测电路连接到有刷直流电机并包括：差分放大器，该差分放大器被配置成检测有刷直流电机的电流并产生与电流成比例的模拟信号；模数转换器(ADC)，该模数转换器(ADC)连接到差分放大器并被配置成将模拟信号转换为第一数字信号；差值电路，该差值电路包括：运算电路，该运算电路被配置成：接收第一数字信号；以及计算第二数字信号，其中第二数字信号是第一数字信号与先前第一数字信号的差值；寄存器，该寄存器连接到运算电路并被配置成存储先前数字信号；绝对值电路，该绝对值电路连接到差值电路并被配置成计算第二数字信号的绝对值；和比较器电路，该比较器电路在第一端子处连接到绝对值电路并被配置成：将所计算的绝对值与预定阈值进行比较；以及根据比较产生比较器输出；和微控制器，该微控制器连接到检测电路并被配置成分析比较器输出以确定以下中的至少一个：有刷直流电机的转速；以及有刷直流电机在一时间段内的总转数。
在一个实施方案中，如果所计算的绝对值大于预定阈值，则比较器电路产生HIGH比较器输出。
在一个实施方案中，如果所计算的绝对值小于预定阈值，则比较器电路产生LOW比较器输出。
在一个实施方案中，HIGH比较器输出表示电刷从多个换向器中的第一换向器到多个换向器中的第二换向器的切换接触。
在一个实施方案中，有刷直流电机系统还包括参考电压发生器电路，该参考电压发生器电路连接到差分放大器的非反相端子并包括：第一电阻器，该第一电阻器与第二电阻器串联连接；以及运算放大器，该运算放大器连接到第一电阻器和第二电阻器。
在一个实施方案中，根据指示有刷直流电机的切换的信号电平选择预定阈值。
在一个实施方案中，微控制器还连接到驱动电路并被配置成向驱动电路提供反馈信号，其中反馈信号控制有刷直流电机的转速和旋转方向中的至少一个。

Claims (10)

1.一种连接到有刷直流电机的检测电路，其特征在于，所述检测电路包括：
差分放大器，所述差分放大器被配置成检测所述有刷直流电机的电流并产生与所述电流成比例的模拟信号；
模数转换器ADC，所述模数转换器ADC连接到所述差分放大器并被配置成将所述模拟信号转换为第一数字信号；和
数字电路，所述数字电路连接到所述ADC并包括：
差值电路，所述差值电路被配置成：
接收所述第一数字信号；以及
计算第二数字信号，其中，所述第二数字信号是所述第一数字信号与先前第一数字信号的差值；
绝对值电路，所述绝对值电路连接到所述差值电路并被配置成计算所述第二数字信号的绝对值；和
比较器电路，所述比较器电路连接到所述绝对值电路并被配置成：
将所计算的绝对值与预定阈值进行比较；以及
根据所述比较产生比较器输出。
2.根据权利要求1所述的检测电路，其特征还在于，所述检测电路包括参考电压发生器电路，所述参考电压发生器电路连接到所述差分放大器的非反相端子并被配置成产生参考电压。
3.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述差值电路还包括被配置成存储所述先前第一数字信号的延迟寄存器。
4.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述数字电路还包括寄存器，所述寄存器连接到所述比较器并被配置成存储所述预定阈值。
5.根据权利要求1所述的检测电路，其特征还在于，所述检测电路包括感测电阻器，所述感测电阻器包括第一端和第二端；并且其中：
所述第一端连接到所述有刷直流电机和所述差分放大器的反相端子；并且
所述第二端连接到所述差分放大器的非反相端子和地。
6.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于：
如果所计算的绝对值大于所述预定阈值，则所述比较器电路产生HIGH比较器输出；
如果所计算的绝对值小于所述预定阈值，则所述比较器电路产生LOW比较器输出；并且
所述HIGH比较器输出表示电刷从一个换向器到不同换向器的切换接触。
7.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，根据指示所述有刷直流电机的切换的信号电平来选择所述预定阈值。
8.一种用于检测有刷直流电机的旋转信息的方法，其特征在于，所述方法包括：
检测所述有刷直流电机的电流，其中，所述有刷直流电机包括多个换向器；
产生与所检测的电流成比例的模拟信号；
将所述模拟信号转换为第一数字信号；
计算第二数字信号，其中，所述第二数字信号是所述第一数字信号与先前第一数字信号的差值；
计算所述第二数字信号的绝对值；
将所计算的绝对值与预定阈值进行比较；并且
根据所述比较产生输出，其中，所述输出表示从所述有刷直流电机的一个换向器切换到不同的换向器。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征还在于，所述方法包括分析所述输出以确定所述有刷直流电机的转速。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征还在于，所述方法包括分析所述输出以确定所述有刷直流电机在一时间段内的总转数。
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