CN113039716A

CN113039716A - 用于运行电驱动单元、优选用于调整机动车中的构件的方法以及用于实施该方法的驱动单元

Info

Publication number: CN113039716A
Application number: CN201980077500.6A
Authority: CN
Inventors: R·贝格; M·德布斯
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-09-25
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2021-06-25
Also published as: EP3857703A1; WO2020064667A1; DE102018216327A1

Abstract

本发明涉及一种用于运行电驱动单元（10）的方法以及一种驱动单元，所述方法优选用于借助于具有转子（18）的电动马达（12)调整机动车中的构件，所述构件例如是侧窗或者滑动式天窗或者座椅零件，其中，为了识别所述转子（18）的旋转位置或者转速，评估加速度传感器（40）的信号的周期性波动，所述加速度传感器检测所述驱动单元（10）的固体声振荡。

Description

用于运行电驱动单元、优选用于调整机动车中的构件的方法以及用于实施该方法的驱动单元

技术领域

本发明涉及一种用于运行电驱动单元、优选用于调整机动车中的构件的方法和用于实施根据独立权利要求所述的方法的驱动单元。

背景技术

DE 10 2009 000 021 A1已公开了一种用于运行伺服驱动器的方法，在所述方法中，执行机动车的或者待调整的构件的加速度测量，以便改进机动车构件的防夹保护。构件的或者说转子的位置检测在此通过位置传感器实现，该位置传感器能够例如实施为在转子轴处的一个或者两个霍尔传感器。替代地，转子的旋转位置也能够通过马达电流信号来检测，该马达电流信号的电流波纹被评估用于转速检测或者位置检测。

这种解决方案的缺点在于，除了用于防夹保护的加速度传感器之外还需要维持位置传感装置和/或马达电流测量，以便确定待调整的部件的位置。本发明的目标是，提供一种非常成本有利的位置检测，该位置检测在伺服驱动器的空间布置方面非常灵活。

发明内容

相比之下，根据本发明的具有独立权利要求的特征的用于运行机动车构件（优选是视窗、滑动式天窗或者座椅零件）的驱动单元的方法以及用于实施该方法的驱动单元具有以下优点：通过评估驱动单元的加速度传感器的固体声信号，提供用于驱动器的位置检测的、与马达位置相关的评估信号。由此能够省去附加的位置传感器，例如具有磁性传感器或者具有用于电流波纹信号的电流测量的磁性发送器。由此，驱动单元能够更成本有利地制造并且加速度传感器需要比较少的结构空间。此外，加速度传感器在驱动单元中的安装位置非常灵活并且不必直接布置在转子轴处。由此，与使用霍尔传感器相比，电子装置印刷电路板的结构能够更加自由地设计。

其他有利的实施方式由从属权利要求和从属权利要求的组合得出。通过在从属权利要求中列举的措施能够实现在独立权利要求中预给定的实施方案的有利的扩展方案和改进。由于加速度传感器的固体声信号具有与转子位置相关的信号，该信号具有规则的局部的最大值和最小值，因此，该信号能够直接作为换向波纹信号提供给对应的评估单元。在这种情况下，能够特别有利地利用已经存在的、例如也用于评估马达电流信号的SLC评估。由此，为了进行波纹计数探测，也能够利用标准化的电子装置。

由于加速度传感器的固体声信号反映换向器片的数量，因此，由求取到的波纹频率能够直接推断出转子的转速。由此省去用于电流测量或者用于布置用于生成能够评估的增量信号的霍尔传感装置的花费。

在知道换向器片的数量的情况下，换向频率能够与其谐波分离，从而使得在一个完整的转子回转的情况下在360°内能够计数与片数量对应的限定的数量的波纹。因此，通过计数各个波纹能够生成用于待调整的部件的位置检测的增量信号。同样地，由每转子回转的波纹的数量通过每时间单位的波纹的数量也能够求取转子的转速。因此，加速度信号的波动不仅能够用于转速求取，还能够用于待调整的部件的位置检测。因此，这样的方法不仅能够用于伺服驱动器，还能够用于鼓风机和泵等旋转机构。

由于固体声信号提供能够很好地复制的、单值的周期性波纹，因此能够利用电流波纹评估的方法的优点。然而，固体声激励的波动信号在长的运行时间内更稳定，因为该波动信号与刷子磨损或者与刷子相对于换向器的对公差敏感的位置无关。更确切地说，固体声信号也直接地通过电动马达中的交变磁场产生，并且因此与马达电流的改变更加无关。

对于波纹信号的评估，值得追求的是，谐波能够与波纹频率分离。通过估计方法，能够估计正常运行状态中的波纹频率，从而使得能够针对预期的波纹频率布置特定的滤波器。由此能够将每转子回转的波纹数量单值地减小为换向器片的数量，从而使得产生单值的波纹计数信号。然后，转子频率始终等于波纹频率除以换向器片的数量。

特别有利地，转子的制造中的不规则性能够用于在各个转子回转方面同步加速度信号。在电枢的板材截面中的生产不准确性或者绕组的变化导致在360°的整个旋转角度内，确定的角度范围具有表征性信号模式。这在每个转子回转中恰好在相同的角度范围中出现，并且因此能够被用于总是识别转子的确定的旋转位置。

特别有利的是，将加速度传感器布置在电动马达的电子导体印刷电路板上，在该电子导体印刷电路板上优选还布置有微处理器。由此，加速度传感器能够直接借助于印刷电路板的导体电路与微处理器连接，而无需附加花费。在微处理器中优选构造有用于加速度信号的评估单元，从而使得能够直接在电动马达的导体印刷电路板上求取待调整的部件的转速和/或位置。因此，在具有集成的电子装置和/或插入式电子装置的伺服驱动器的情况下，能够实现位置检测，而无需附加的传感器线路。

替代地也能够设想，将加速度传感器布置在电动马达中的较小的传感装置印刷电路板上并且在中央控制器中——尤其是针对多个电动马达同时——进行信号评估。

将MEMS（微机电系统，Mikro-Elektro-Mechanical-System）传感器用作加速度传感器，是特别成本有利并且结构紧凑的。这样的MEMS传感器能够在所有空间方向上接收固体声振荡，其中，固体声激励不具有优先方向。MEMS传感器能够集成到ASIC结构组中或者能够作为单独的传感器元件——例如借助于SMD技术——直接布置在电路板上。由于在这种情况下马达构件的机械振荡被测量，因此，这些机械振荡较不易受到电磁辐射干扰的影响。因此，MEMS传感器的这样的固体声信号相对于生产公差、尤其是刷子系统的生产公差并且相对于构件的磨损非常稳健。

特别有利的是，将这样的加速度传感器用于电子装置，该电子装置还具有用于待调整的部件的防夹保护功能。在此，加速度传感器的固体声信号能够用于位置检测和/或转速求取，所述位置检测和/或转速求取能够用作用于电动马达的调整力的表征性参量。另一方面，加速度传感器还能够检测外部的加速度，该外部的加速度作用到整个车辆或者说待调整的部件上。这样的外部的加速度信号不具有周期性波动，而是通常作为脉冲或者作为噪声出现，该外部的加速度信号在防夹保护中用于避免——例如在颠簸路段的情况下——防夹保护的错误触发。这样的外部的加速度信号尤其叠加在固体声信号的周期性波动上，并且能够在夹住算法中被识别为外部的干扰。

对于电动马达的稳态的正常运行，根据换向器片的数量和调整应用，用于加速度信号的周期性波动的频率范围在200Hz与2000Hz之间。然而，优选使用具有十个或者十四个换向器片的DC马达。通过车辆的外部的加速度激励的振荡能够容易与波纹频率的这个频率范围区分开来。该振荡的噪声频率通常低于200Hz。

根据本发明的用于运行电动马达的方法能够特别有利地在驱动单元中实现，该驱动单元调整机动车中的能够运动的部件。在这里，驱动单元具有控制单元，该控制单元具有电子装置印刷电路板，在该电子装置印刷电路板上能够布置附加的加速度传感器，而无需很大的额外花费。然后，能够直接在驱动单元的电子装置单元中评估电动马达的固体声信号，以便尤其实现用于待调整的部件的位置检测。替代地，在电动马达的导体印刷电路板上的这样的加速度传感器也能够求取例如用于旋转驱动器的转速，而无需很大的附加成本。

机动车中的这样的驱动单元具有对应的传动装置，该传动装置将转子的转速减小为在输出小齿轮处的、适合用于该应用的转速。通过这样的传动装置，转子的旋转位置与待调整的部件沿着其调整路程的位置之间存在单值的关联。为了校准驱动器，使待调整的部件驶向例如作为零位的止挡。从该零位出发，叠加各个波纹计数作为整个调整路程上的增量信号。由此，能够有针对性地自动向待调整的部件的能够预给定的位置驶去，同时该位置检测也能够用于实现防夹保护功能。如果例如将转速作为代表调整力的参量进行监控，则能够直接由加速度传感器的固体声信号求取该转速。然后，转速的意外变化被解读为夹住情况，接着停住或者倒转待调整的构件。附加地，相同的加速度传感器也能够求取待调整的部件的外部的加速度，以便避免防夹保护的错误触发。

此外，提出一种伺服驱动器，在该伺服驱动器的情况下，加速度传感器布置在伺服驱动器中。伺服驱动器固定地附接在机动车处，尤其是与机动车的门或者别的构件拧接或者铆接。因此，布置在该伺服驱动器中的那里的加速度传感器会检测整个机动车的加速度，所述加速度能够与求取到的夹住情况相关，以便能够对该夹住情况进行证实或者证伪。这通过下述方式实现：布置在伺服驱动器中的加速度传感器的反应对应的横向于车辆的行驶方向的加速度的值能够推断出整个车辆的振动。因此，布置在伺服驱动器中的加速度传感器同时还用于检测整个机动车的加速度，用以排除夹住情况。

下面，根据示例更详细地阐述本发明，但本发明不限于此。

附图说明

附图示出：

图1 机动车的用于对机动车中的构件进行调整的根据本发明的伺服驱动器，

图2a 根据本发明的具有周期性波动的加速度信号，

图2b 图2a中的加速度信号的借助于傅立叶变换产生的频谱，和

图3 根据图2a的固体声信号的根据本发明的评估方法的示意图。

具体实施方式

图1示出用于机动车中的构件（例如侧窗、滑动式天窗或者座椅零件）的伺服驱动器10。借助于伺服驱动器10能够将侧窗通过与该侧窗连接的推杆10或者通过拉索打开或者关闭。侧窗与伺服驱动器10一起例如布置在机动车的车门中。伺服驱动器10具有电动马达12，该电动马达优选构造为DC直流马达。在此，在极壳体14中布置有永磁体16，所述永磁体驱动支承在极壳体14中的转子18。在转子18上布置有电绕组20，所述电绕组通过换向器22通电。换向器22具有多个换向器片24，所述换向器片与刷架构件28的电流刷26滑动接触。

电动马达12由控制单元30操控，该控制单元具有微控制器32。微控制器32布置在电子电路板33上，在该电子电路板上还布置有其他的电子结构元件34——例如抗干扰元件或者用于马达电流的功率放大器（Leistungsendstufe）。在图1的实施例中，控制单元30——例如作为具有插接头38的插入式电子装置31——集成到伺服驱动器10中。因此，电路板33也直接布置在伺服驱动器10中。在电路板33上布置有加速度传感器40，该加速度传感器优选构造为MEMS（微机电系统，Micro-Electro-Mechanical System）传感器42。该加速度传感器42直接探测伺服驱动器10的固体声，该固体声通过电动马达12的换向和交变磁场产生。该固体声通过整个伺服驱动器10传播，并且能够在所有三个空间方向上被检测。因此，加速度传感器40能够优选直接布置在电路板33上，从而使得该加速度传感器通过导体电路36与微控制器32直接连接。除了固体声之外，加速度传感器40还能够探测作用到伺服驱动器10——或者说待调整的构件——上的外部的加速度。该信号能够用于防夹保护功能50的误差校正，该防夹保护功能在控制单元30中实现。借助位置检测设备52来求取转子18的旋转位置和/或转速，向该位置检测设备提供加速度传感器40的波动信号。由此生成增量信号，借助该增量信号还能够求取待调整的构件——例如窗玻璃——的位置。由此能够限定防夹保护功能50已激活的区域。为了实现防夹保护，例如对转子18的转速的变化进行监控并且在转速意外下降的情况下将转速和/或转速变化与极限值进行比较。在超过/低于极限值的情况下，停住待调整的构件或者倒转其运动，以便再次释放被夹住的障碍物。位置检测52和防夹保护功能50例如布置在微控制器32中并且在图3中更详细地描述。

电动马达12将驱动力矩传递到随后的传动装置44，该传动装置具有用于待调整的构件的输出元件46。在图1中，传动装置44构造为蜗轮蜗杆传动装置，在蜗轮蜗杆传动装置的情况下，在转子轴47上布置有蜗杆48，该蜗杆与蜗轮49啮合。传动装置44布置在传动装置壳体45中，用于电路板33的电子装置壳体35集成到该传动装置壳体中。替代地，控制单元30也能够构造为中央控制器，在该中央控制器中布置有优选用于多个伺服驱动器10的位置检测52和防夹保护50。在这种实施方案中，在每个伺服驱动器10中分别布置有加速度传感器40，例如布置在单独的传感器印刷电路板上或者直接布置在电动马达12处、尤其是布置在该电动马达的刷架构件28处。

在图2a中绘出加速度传感器40的表示伺服驱动器10的固体声的信号。在X轴60上绘出转子18的针对一个完整的回转（360°）的旋转角度。在Y轴62上，伺服驱动器10的固体声激励的周期性信号63作为加速度示出，该周期性信号优选借助于电路板33上的MEMS传感器42检测到。在一个回转内，在这里构造有十个双波纹64，所述十个双波纹对应于换向器22的十个换向器片24。这意味着，每个电动马达12都具有加速度信号的表征性周期性波动。加速度信号的最大幅度位于大约5m/s²处，其中，对于在伺服驱动器10的正常运行中的每个回转，几乎生成相同的加速度信号曲线。在确定的旋转角度范围66中，在这里出现表征性信号模式68，该表征性信号模式例如能够归因于转子18的生产不准确性。如果位置检测由于干扰而计算错误，该表征性信号模式68能够用于转子18的各个回转的同步。

在图2b中绘出图2a的信号曲线63的快速傅立叶变换（FFT）的频谱。在X轴70上绘制有在高达大约1500Hz的频率范围内的频率。在Y轴72上又示出加速度信号的固体声激励的幅度。在这种示例性测量中，在大约710Hz处出现第一主导波纹频率74，这在十个换向器片24的情况下对应于转子18的为71Hz的旋转频率。另外的主导频率范围76作为双重波纹频率出现在大约1420Hz处。这是波纹频率74的第一谐波。因此，图2a中的加速度波动63的信号还示出二十个局部的最大值和最小值，而不仅仅是十个换向器片24的十个最大值/最小值。波纹频率74和其第一谐波76一方面由于在换向器22处的电流转向而引起，但是另一方面也与通过马达构件的由于交变磁场引起的磁性振荡激励产生的电流无关。由于对应于波纹频率74、76的加速度信号63的恒定明显的波动，加速度信号40能够直接被用于位置检测52。

在图3中示出这样的用于旋转位置检测或者说转速检测的评估设备80。向信号滤波器82提供根据图2a的伺服驱动器10的加速度信号63。在这里，尤其是在第一实施方案中，波纹频率74能够与其第一谐波76分离，从而使得对于每个换向器片24出现恰好一个信号波纹。与根据无传感器控制方法（SLC）对马达电流的波纹信号进行评估的设备类似地，向波纹探测83提供经滤波的波纹计数信号。各个经叠加的信号波纹形成增量信号，该增量信号合计已步进的转子角度。由此能够直接求取已走过的旋转角度（旋转位置）、进而能够直接求取待调整的部件的已走过的调整路程。另一方面，由此还能够求取转子18的转速。位置检测52基于电动马达12的观察者模型88，在观察者模型的情况下馈入不同的马达特征参量，例如施加的马达电压84、运行温度或者起动特性。将预先估计的值——例如用于马达转速的预先估计的值——与由加速度信号63实际求取的值进行比较。另外，保存先前的调整过程的已保存的值，并且将其与目前求取到的值进行比较。由此能够进行位置检测52与发生变化的边缘条件的匹配86。为了实现防夹保护功能50，连续地监控绝对值和/或表征调整力的值的变化。例如，叠加在调整路程上的转速变化并且将其与极限值进行比较。如果转速下降到低于确定的极限值，则这被识别为夹住情况。为了避免防夹保护50的错误触发，能够附加地评估用于防夹保护的加速度传感器40的另外的信号，该另外的信号测量在外部作用到伺服驱动器10上——进而作用到待调整的构件上——的加速度。如果加速度传感器40检测到待调整的构件的负加速度，则能够认为，机动车的机械振动——即尤其是例如驶越横向沟槽、路轨或者坑洼——导致了该负加速度，该负加速度导致了对构件的运动过程的制动。由此，优选在恶劣路段的情况下，能够抑制外部的加速度在防夹保护功能50中的影响。这样的加速度信号在此特别检测逆着地球引力的加速度（对于侧窗而言）和/或车辆的强烈制动（对于滑动式天窗而言）。在SLC评估单元80中由固体声推导位置、转速和车辆加速度并且推断出夹紧力。在检查单元90中检查经求取的用于位置和/或转速的值的可信性。

应注意，就在附图中和说明书中示出的实施例而言，各个特征之间的多种组合可能性是可能的。因此，例如电动马达12能够与不同的传动装置结构形式44组合，例如蜗轮蜗杆传动装置、偏心传动装置、圆柱齿轮传动装置或者锥形齿轮传动装置。同样地，控制单元30能够是伺服驱动器10的整体的组成部分，或者构造为用于多个电动马达12的中央控制器。加速度传感器40优选布置在电动马达12的电子导体印刷电路板33上，然而也能够在无电路板33的情况下直接紧固在电动马达12处的任意位置处。根据本发明的用于运行电动马达12的方法也能够用于不调整构件、而是例如驱动鼓风机或者泵的驱动器，所述驱动器的转速借助于加速度信号63的周期性波动来检测。同样地，该方法也能够用于机动车以外的应用。

Claims

1.用于运行电驱动单元（10）、优选用于借助于具有转子（18）的电动马达（12)调整机动车中的构件的方法，所述构件例如是侧窗或者滑动式天窗或者座椅零件，其中，为了识别所述转子（18）的旋转位置或者转速，评估加速度传感器（40）的信号的周期性波动，所述加速度传感器检测所述驱动单元（10）的固体声振荡。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述加速度传感器（40）的信号生成换向波纹信号，所述换向波纹信号作为输入信号用于所述转子（18）的或者待调整的构件的位置检测（52）。

3.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，由所述加速度传感器（40）的信号在所述转子（18）的一个完整的回转内求取表征所述转子（18）的转速的波纹频率。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述转子（18）具有换向器（22），所述换向器具有多个换向器片（24），所述换向波纹信号或者所述波纹频率对应于所述换向器片（24）的数量或者所述换向器片的倍数。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助于无传感器控制评估单元（SLC）（80）处理所述加速度传感器（40）的信号，其中，尤其对于位置检测或者转速检测，借助于马达模型（88）和用于适配于可变的周围环境条件的匹配方法（86）评估所述加速度传感器（40）的信号。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，向信号滤波器（82）提供所述加速度传感器（40）的用于所述SLC评估单元（80）的信号，以便过滤出所述波纹频率的谐波，从而使得所述波纹计数信号的频率等于转子旋转频率乘以所述换向器片（24）的数量。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述加速度传感器（40）的探测到的信号在所述转子（18）的每个完整的回转内在确定的角度范围（66）处具有表征性信号模式（68），所述表征性信号模式通过所述电动马达（12）的生产技术上的不对称产生，其中，优选所述表征性信号模式被考虑用于在完整的转子回转方面同步所述加速度传感器（40）的信号。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述加速度传感器（40）布置在所述驱动单元（10）的电子电路板（33）上，并且尤其在同一电子电路板（33）上布置有微控制器（32），在所述微控制器中实现所述SLC评估单元（80）。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述加速度传感器（40）构造为MEMS传感器（42），所述MEMS传感器检测所述驱动单元（10）的固体声的振荡，所述振荡通过所述换向的力矩波动和/或通过所述马达构件的由于交变磁场引起的振荡激励产生。

10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述驱动单元（10）具有防夹保护功能（50），在所述防夹保护功能的情况下，当障碍物在所述能够运动的构件的调整路程中被夹住时，停住或者倒转所述驱动单元（10），其中，借助于所述加速度传感器（40）除了测量所述周期性波动之外还测量作用到所述车辆上的加速度，以便防止所述防夹保护功能（50）的错误触发。

11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述换向器片（24）的数量是八或者十或者十四，并且尤其所述转子在确定的角度范围中具有限定的不平衡，以便产生低频的表征性信号模式。

12.用于实施根据上述权利要求中任一项所述的方法的驱动单元（10），其特征在于，所述驱动单元（24）具有电动马达（12）和电子装置单元（30），所述电子装置单元具有电子电路板（33），其中，在所述电子电路板（33）上布置有用于检测所述驱动单元（10）的固体声振荡的周期性波动的MEMS加速度传感器（42）。

13.根据权利要求12所述的驱动单元（10），其特征在于，所述驱动单元（10）具有连接在所述电动马达（12）下游的传动装置（44），所述传动装置具有用于调整能够运动的构件的输出元件（46），其中，所述驱动单元（10）具有位置检测设备（52），所述位置检测设备具有用于所述能够运动的部件的防夹保护功能（50）。