CN111406369A - 纹波计数电路 - Google Patents

Abstract

电机控制系统包括与直流(DC)电动机信号通信的可变电压源。该DC电动机包括转子，该转子响应于由电压源输送的可变电源电压产生的驱动电流而感应旋转。转子(103)的旋转产生驱动组件的机械力。纹波计数电路(104)被配置为基于转子(103)的转速(ω)对驱动电流进行滤波，并产生指示转子的转速(ω)和转子的旋转位置(θ)的脉冲输出信号。

Description

纹波计数电路

技术领域

本公开的示例性实施例涉及直流(DC)电动机，并且更具体地涉及用于操作电动汽车部件的DC电动机。

背景技术

机动车辆越来越多地配备有电动部件。例如，车辆通常包括由DC电动机电驱动的滑动天窗、车窗玻璃调节器或后视镜。指示电动机的转子转速的信息可以用于确定部件的位置(例如，车窗)。常规的位置测量系统利用传感器和磁环来确定电动机的转子转速。例如，霍尔效应传感器(HES)检测磁环与转子集成在一起的运动。磁环根据磁环和传感器的相对轴向位置产生朝向HES强度变化的磁通。磁通量感应出电流，并且磁通量的变化导致感应电流的变化。因此，通过HES测得的电流的频率指示DC电动机的转子转速。

发明内容

根据一非限制性实施例，电机控制系统包括与直流(DC)电动机信号通信的可变电压源。DC电动机包括转子，该转子响应于由电压源输送的可变电源电压产生的驱动电流而被感应旋转。该转子的旋转产生驱动组件的机械力。纹波计数电路被配置为基于转子的转速(ω)过滤驱动电流，并生成指示转子的实际转速(ω)和实际旋转位置(θ)的脉冲输出信号。

根据另一非限制性实施例，纹波计数电路包括放大器、电流差分电路、带宽滤波器、下游低通滤波器和比较电路。该放大器被配置为放大驱动电流，该驱动电流驱动包含在直流(DC)电动机中的转子的旋转。该电流差分电路被配置为生成指示驱动电流的瞬时电流变化率(d(i)/dt)的微分电流信号。该带宽滤波器被配置为基于转子的转速(ω)对微分电流信号进行滤波，从而输出第一滤波信号。该下游低通滤波器被配置为基于转子的转速(ω)对第一滤波信号进行滤波，从而输出消除了来自第一滤波信号的谐波的第二滤波信号。该比较电路被配置为将第二滤波驱动电流与参考电压电势进行比较，并且当滤波驱动电流的电压电平大于或等于参考电压电势时，产生具有第一输出电压电平的脉冲输出信号。当滤波驱动电流的电压电平小于参考电压电势时，第二输出电压电平。该脉冲输出信号指示转子103的实际转速(ω)和转子的实际转速(θ)。

根据又一非限制性实施例，确定直流(DC)电动机的转子转速的方法包括产生可变电源电压，基于该可变电源电压感应驱动电流，以及基于该驱动电流旋转包含在DC电动机中的转子。该方法还包括响应于旋转转子以驱动部件而产生机械力，以及基于转子的转速对驱动电流进行滤波。该方法还包括生成指示转子103的实际转速(ω)和转子的实际转速(θ)的脉冲输出信号。

本领域技术人员将从以下详细描述、附图和所附权利要求书中领会和理解本发明的上述以及其他特征和优点。

附图简要说明

现在将仅通过示例的方式，参考附图来描述本发明的实施例，其中：

图1是根据非限制性实施例的包括纹波计数电路的电机控制系统的示意图；

图2是根据非限制性实施例示出的图1的纹波计数电路中包括的放大级的输出的信号图；

图3是根据非限制性实施例示出的图1的纹波计数电路中包括的低通滤波器级的输出的信号图；

图4是根据非限制性实施例示出的图1的纹波计数电路中包括的带宽滤波器级的输出的信号图；

图5是根据非限制性实施例示出的位于图1的纹波计数电路中包括的带宽滤波器级的下游的下游低通滤波器级的输出的信号图；以及

图6是示出图1的纹波计数电路的方波输出的信号图，指示与由根据非限制性实施例图1的电机控制系统控制的电动机相关联的旋转转子位置(θ)和旋转转子转速(ω)。

具体实施方式

利用HES和磁环的常规DC电动机位置系统昂贵且复杂。另外，必须进一步计算测得的磁通量的频率，从而导致需要更长的时间来确定相应的转子转速。为了克服HES和磁环的缺点，人们尝试使用昂贵的数字控制器执行诸如快速傅立叶变换之类的复杂算法，例如，基于驱动直流电动机的电流来计算转子转速。

本文描述的各种非限制性实施例提供了一种纹波计数电路，该纹波计数电路被配置为基于残余纹波电流来确定DC电动机的转子转速。在DC电动机运行期间，固定的能量单元(有时称为定子或励磁绕组)通过电流供电。流过励磁绕组的电流产生磁场，该磁场引起转子的旋转，有时称为转子电枢。响应于该旋转而产生的电枢电流信号包括DC信号分量和叠加在DC信号分量上的交流(AC)信号分量。根据本文所描述的一个或多个实施例的纹波计数电路被配置为从电枢电流信号中提取AC信号，而无需使用常规DC电动机位置系统其需要昂贵的控制器或磁环和HES的组合。然后，提取的AC信号可用于生成指示转子的实际转速和实际转速位置的脉冲信号或方波。

现在参考图1，示出了根据非限制性实施例的电机控制系统100。电机控制系统100包括电动机102和纹波计数电路104。电动机102包括与电源106进行信号通信的DC电动机102。电源106可包括例如输出可变电源电压(+Vcc)的电子硬件控制器106。

DC电动机102包括转子103，其响应于由可变电源电压(+Vcc)产生的驱动电流而被感应旋转。转子103的旋转产生驱动组件108的机械力。向前，将以机动车车窗调节单元108来描述组件108。然而，应当理解，可以通过DC电动机102驱动其他组件108，其包括但不限于滑动天窗、后视镜等。就窗户玻璃调节单元108而言，DC电动机102可以驱动各种机械组件以改变玻璃窗的位置(例如，上下移动窗口)。可以主动控制输入电源电压(+Vcc)以改变施加到DC电动机102的电压电平，从而调整转子103的速度，从而调整玻璃窗的移动速度。可以将分流电阻器105连接到电动机102的输出端子，以基于电阻器105两端产生的驱动电流的压降来测量AC或DC电驱动电流。

纹波计数电路104包括放大器110、低通滤波器112、电流差分电路114、带宽滤波器116、下游低通滤波器118和比较电路120。纹波计数电路104被配置为基于转子103的转速(ω)对驱动电流进行滤波，并且生成指示转子的实际转速(ω)和实际旋转位置(θ)的脉冲输出信号。

放大器110包括与电动机102的输出端子和分流电阻器105的输入端子共同连接的输入。可以使用各种放大器，包括但不限于运算放大器电路(Op-Amp)。以这种方式，如图2所示，该放大器110接收驱动电流并产生放大的驱动电流信号(I_MOTOR)。

低通滤波器112包括输入端子，该输入端子连接到放大器110的输出以接收放大的驱动电流信号(I_MOTOR)。低通滤波器112可以构造为具有频率截止设置的二阶低通滤波器，例如，频率截止设置为大约1千赫兹(1KHz)。因此，低通滤波器112输出如图3所示的平滑或滤波驱动电流信号(I_FILTER)。

电流差分电路114包括输入，该输入连接到低通滤波器112的输出端子以接收滤波驱动电流信号(I_FILTER)。电流差分电路114例如可以构造为电感器。因此，电流差分电路114(例如，电感器)的输出确定滤波驱动电流信号的导数，即I_FILTER'，其指示测量单位为安培每秒的瞬时电流变化率(d(i)/dt)。

带宽滤波器116包括输入，该输入连接到电流差分电路114的输出端子以接收I_FILTER'。带宽滤波器116可以被构造为能够主动改变其中心频率(f_o)的任何可变中心频率带宽滤波器。在至少一个实施例中，控制器106生成指示中心频率(f_o)的中心频率控制信号，并且带宽滤波器116是数字带宽滤波器，其基于控制器106输出的中心频率控制信号主动地改变其中心频率(f_o)。

带宽滤波器116根据具有中心频率(f_o)的带宽对I_FILTER'进行滤波，该中心频率(f_o)根据转子103的估算转速(ω)动态地(即主动地)设定。因此，随着转子转速(ω)的改变而动态调整或改变带宽滤波器116的中心频率(f_o)。因此，如图4所示，带宽滤波器116输出带宽滤波信号(I_BW)。在至少一个实施例中，可以基于电动机102的测量电压和电动机102的测量电流来估算转子103的当前转速(ω)。例如，每次电动机102通电时，可以测量启动电压(U_a)和启动电流(I_a)，并且在运行时还可以测量电动机电压(U_m)和电动机电流(I_m)。可以通过控制器106和/或安装在电动机102上的各种传感器来执行测量。可以例如通过控制器106来计算电动机的内部电阻，例如，

而电动机102的磁通量(Φ)、电动机102的绕组匝数(n)以及电动机102的电动机槽数(S_m)是已知常数。电动机102的电感值(L)和电动机常数(K)也是已知的常数。因此，估算的转子转速(ω)可以计算为：

进而，带宽滤波器中心频率(f_o)可以例如由控制器106计算为：

下游低通滤波器118包括输入端子，该输入端子连接至带宽滤波器116的输出以接收带宽滤波信号(I_BW)。下游低通滤波器118可以根据动态变化的频率截止(f_c)来操作。下游低通滤波器118可以被构造为能够主动改变其频率截止(f_c)的任何有源低通滤波器。在至少一个实施例中，控制器106输出指示该(f_c)的频率截止控制信号，并且下游低通滤波器118是数字低通滤波器，基于从控制器106输出的频率截止控制信号主动地改变其频率截止(f_c)。

可以根据转子103的估算转速(ω)动态地(即主动地)设置截止频率(f_c)。基于上述估算的转速(ω)，频率截止(f_c)可以例如由控制器106计算为：

因此，下游低通滤波器118生成图5所示的滤波AC带宽信号(BW_FILTERED)，其去除了先前在初始带宽信号中发现的剩余谐波(见图4)。

比较电路120被配置为将滤波AC带宽信号(BW_FILTERED)与参考值进行比较。基于该比较，如图6所示，该比较电路120输出指示转子103的旋转位置(θ)和转速(ω)的脉冲信号或方波(ROTOR)。在最后一个实施例中，比较电路120被构造为包括一对输入端子的差分放大器。第一输入端子与下游低通滤波器118的输出端共同连接，以接收滤波AC带宽信号(BW_FILTERED)。第二输入端子连接到参考电压电势，例如，接地(即0V)。

比较器120将滤波AC带宽信号(BW_FILTERED)的幅度与施加到第二端子的参考值进行比较。参考值可以用作固定的纹波阈值(THR)，其确定给定时间的脉冲信号是在第一个电压电平输出还是在第二个电压电平输出。例如，当滤波AC带宽信号(BW_FILTERED)和参考值之间的差为正时，比较器120产生第一电压输出(例如5V)。但是，当滤波AC带宽信号(BW_FILTERED)和参考值之间的差为负时，比较器120产生第二电压输出(例如0V)。因此，比较电路120输出指示转子103的旋转位置(θ)和转速(ω)的方波(ROTOR)，而无需使用昂贵的控制器或如传统的直流电动机位置系统所要求的磁环和HES的组合。

在至少一个实施例中，方波(ROTOR)可以被传递到控制器106以指示转子位置(θ)和转子转速(ω)。基于方波(ROTOR)，控制器106可以调节施加至电动机102的输入电源电压(+Vcc)，这继而改变电动机驱动电流并因此改变电动机102的机械输出。在本文所示示例中，控制器106因此可以使用方波(ROTOR)来改变驱动电流，从而控制移动玻璃窗106的位置的速度。

如本文中所描述，本文中所描述的各种非限制性实施例提供了一种电机控制系统，其被配置为测量DC电动机的转子转速。与利用昂贵的微控制器或HES和磁环的复杂布置的常规直流电动机位置系统不同，根据至少一个实施例的电机控制系统包括纹波计数电路，该纹波计数电路从电动机驱动电流中提取AC纹波电流并生成一个指示转子转速和转子位置的方波。

如本文所使用的，术语“模块”指专用集成电路(ASIC)、电子电路、微处理器、执行一个或多个软件或固件程序的计算机处理器(共享的、专用的或群组的)和存储器其、组合逻辑电路、包括各种输入和输出的微控制器和/或提供所描述功能的其他合适组件。该模块被配置为执行各种算法、变换和/或逻辑过程以生成一个或多个控制组件或系统的信号。当以软件实施时，模块可以在存储器中体现为非暂时性机器可读存储介质，其可由处理电路(例如，微处理器)读取，并存储指令，其由处理电路执行以执行方法。控制器是指包括存储单元的电子硬件控制器，该存储单元能够存储算法、逻辑或计算机可执行指令，并且包含解释和执行指令所必需的电路。

如本文中所使用的，术语“第一”、“第二”等在本文中不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个要素与另一个要素区分开，并且术语“一个”本文中的“一个”不表示数量限制，而是表示存在至少一个所引用的项目。另外，应注意的是，除非另外指出，否则本文中使用术语“底部”和“顶部”仅是为了描述的方便，并且不限于任何一个位置或空间方向。

与数量结合使用的修饰语“约”包括所陈述的值，并且具有上下文指示的含义(例如，包括与特定数量的测量相关的误差程度)。

尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物代替其元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以做出许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明的意图不限于作为预期用于实现本发明的最佳模式而公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (15)

1.一种电机控制系统(100)，包括：

控制器(106)，所述控制器(106)被配置为产生可变电源电压；

包括转子(103)的直流(DC)电动机(102)，所述转子(103)响应于所述可变电源电压产生的驱动电流而被感应旋转，所述转子(103)的旋转产生驱动部件(108)的机械力；以及

纹波计数电路(104)，所述纹波计数电路(104)被配置为基于所述转子(103)的转速(ω)对所述驱动电流进行滤波，并生成指示所述转子(103)的所述转速(ω)和所述转子(103)的旋转位置(θ)的脉冲输出信号。

2.根据权利要求1所述的电机控制系统(100)，其中，所述纹波计数电路(104)将滤波驱动电流与参考电压电位进行比较，当所述滤波驱动电流的电压电平大于或等于参考电压电位时，输出具有第一输出电压电平的脉冲输出信号。当所述滤波驱动电流的电压电平小于所述参考电压电位时，输出具有第二输出电压电平的所述脉冲输出信号。

3.根据权利要求1或2所述的电机控制系统(100)，其中，所述纹波计数电路(104)包括带宽滤波器(116)，所述带宽滤波器(116)具有根据所述转子(103)的转速(ω)主动地设置的可变中心频率(f_o)，以便基于所述转子(103)的所述转速(ω)过滤所述驱动电流。

4.根据权利要求3所述的电机控制系统(100)，其中，所述纹波计数电路(104)包括设置在所述带宽滤波器(116)下游的下游低通滤波器(118)，所述下游低通滤波器(118)被配置以消除所述滤波驱动电流中的谐波。

5.根据权利要求4中任一项所述的电机控制系统(100)，其中，所述下游低通滤波器(118)具有根据所述转子(103)的所述转速(ω)主动地设置的变化的频率截止。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电机控制系统(100)，其中，所述控制器(106)基于由所述脉冲输出信号指示的所述转速(ω)和所述旋转位置(θ)中的至少一个来改变所述电源电压的电压电平。

7.一种纹波计数电路(104)，包括：

放大器(110)，所述放大器(110)被配置为放大驱动电流，所述驱动电流驱动包含在直流(DC)电动机(102)中转子(103)的旋转；

电流差分电路(114)，所述电流差分电路(114)被配置为生成指示所述驱动电流的瞬时电流变化率(d(i)/dt)的微分电流信号；

带宽滤波器(116)，所述带宽滤波器(116)被配置为基于所述转子(103)的转速(ω)对所述微分电流信号进行滤波，以输出第一滤波信号；

下游低通滤波器(118)，所述下游低通滤波器(118)被配置为基于所述转子(103)的所述转速(ω)对所述第一滤波信号进行滤波，从而输出消除了所述第一滤波信号中的谐波的第二滤波信号；

比较电路(120)，所述比较电路(120)被配置为将所述第二滤波信号与参考电压电位进行比较，当所述第二滤波信号的电压电平大于或等于所述参考电压电位时产生具有第一输出电压电平的脉冲输出信号，并且当所述第二滤波信号的电压电平小于所述参考电压电位时产生具有第二输出电压电平的所述脉冲输出信号，

其中，所述脉冲输出信号指示所述转子(103)的所述转速(ω)和所述转子(103)的旋转位置(θ)。

8.根据权利要求7所述的纹波计数电路(104)，其中，所述带宽滤波器(116)具有根据所述转子(103)的所述转速(ω)主动地设置的可变中心频率(f_o)，以便基于所述转子(103)的所述转速(ω)对所述驱动电流进行滤波。

9.根据权利要求7或8所述的纹波计数电路(104)，其中，所述下游低通滤波器(118)根据变化的频率截止对所述第一滤波信号进行滤波，所述变化的频率截止根据所述转子(103)的所述转速(ω)主动地设置。

10.一种确定直流(DC)电动机(102)的转子转速的方法，所述方法包括：

产生可变电源电压；

基于所述可变电源电压感应驱动电流，并且基于所述驱动电流旋转所述直流(DC)电动机(102)中包括的转子(103)；

响应于旋转所述转子(103)产生驱动部件(108)机械力；

基于所述转子(103)的转速对所述驱动电流进行滤波；

产生指示所述转子(103)的所述转速(ω)和所述转子(103)的旋转位置(θ)的脉冲输出信号。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，产生所述脉冲输出信号包括：

对所述驱动电流进行滤波；

将所述滤波驱动电流与参考电压电位进行比较；

当所述滤波驱动电流的电压电平大于或等于所述参考电压电位时，输出具有第一输出电压电平的所述脉冲输出信号；以及

当所述滤波驱动电流的电压电平小于所述参考电压电位时，输出具有第二输出电压电平的所述脉冲输出信号。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，对所述驱动电流进行滤波包括对所述驱动电流执行第一滤波操作，所述第一滤波操作包括基于变化的中心频率来对所述驱动电流进行滤波的带宽滤波操作，所述变化的中心频率基于所述转子(103)的所述转速(ω)主动地设置。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，对所述驱动电流进行滤波进一步包括在所述第一滤波操作之后执行第二滤波操作以消除所述滤波驱动电流信号中的谐波。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第二滤波操作包括基于根据所述转子(103)的所述转速(ω)主动地设定的频率截止来执行低通滤波操作。

15.根据权利要求10至14中的任一项所述的方法，进一步包括基于由所述脉冲输出信号指示的所述转速(ω)和所述旋转位置(θ)中的至少一个主动地调节所述电源电压的电压电平。

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