CN113734009A - 用于控制座椅舒适系统的电路装置和方法以及座椅 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于控制座椅舒适系统的电路装置和方法以及座椅。本发明涉及一种控制用于座椅舒适功能的系统(2)的电路装置(1)，该电路装置包括至少一个致动器(103)，该致动器具有至少一个执行元件(104)和至少一个SMA元件(100)，其中执行元件可在第一位置和第二位置之间调整，其中，电路装置包括用于测量至少一个SMA元件的电阻的至少一个电阻测量装置(5)，其中，电路装置还具有用于操作具有至少一个SMA元件的致动器的至少一个驱动器单元(6)和用于控制驱动器单元的控制单元(30)，该控制单元适用于处理电阻测量装置的输出信号，其中，电路装置被配置用于使电阻测量装置和驱动器单元交替地与SMA元件可操作地连接。

Description

用于控制座椅舒适系统的电路装置和方法以及座椅
本发明涉及用于控制座椅舒适系统的电路装置(Schaltungsanordnung)、座椅以及用于控制座椅舒适系统的方法。
根据现有技术，例如从DE 10 2017 112 803 A1中已知一种用于控制系统，特别是具有至少两个气垫的腰部支撑件的电路装置。因此，已知的电路适用于座椅舒适系统。
图1A-1C示出了根据现有技术的用于控制座椅舒适系统的电路装置。座椅舒适系统，例如具有气动腰部支撑装置和/或座椅按摩装置的座椅舒适系统，通常包括多个气垫130(未示出)，这些气垫可以被填充并施加所需的可能取决于时间的压力。为此，座椅舒适系统包括控制器、用于向气垫施加压力的泵140(未示出)和多个阀120，其中适当地，给每个气垫分配至少一个阀。根据现有技术，这些阀中的每一个都可以包括具有SMA元件(形状记忆元件)的致动器，该SMA元件根据供电使阀置于打开的、部分打开的或关闭的功能状态。提供的功率通常必须保持在非常窄限定的范围内，以确保可靠地激活致动器，同时避免热过载，从而避免对SMA元件造成永久性损坏。因此，控制装置必须适当地具有传感器以便监测电流、电压和/或温度。
图1A中示出了已知的电路装置1。该电路装置1适用于控制系统2，特别是具有至少两个气垫130(未示出)的腰部支撑件。这种系统包括至少两个气垫，这些气垫包括至少一个阀，特别是每个气垫包括至少一个阀。如图1B所示，这种阀120包括壳体102和致动器103。壳体102包括第一开口105和第二开口106。致动器103包括被构造成V形布置的线材的SMA元件100和可以与SMA元件100一起移动的、设置有密封元件108的执行元件104，以便选择性地打开或关闭第一开口105。第一开口105在执行元件104的第一位置中打开，而在执行元件104的第二位置中关闭。从WO 2005/026592 A2中已知，这种阀可以具有限位开关107，当到达第二位置时该限位开关关闭。通过该限位开关可以部分地或完全地降低提供给线材的加热功率。此外，从WO 2005/026592 A2中还已知一种具有温度传感器的电路，该电路使加热功率适配于环境温度。
对图1B中示出的具有V形SMA元件的致动器可替代地，已知具有线形或U形SMA元件100的致动器103，其中执行元件104例如可以由片簧形成，在其第一端上接合了SMA元件100。在此，密封元件108可以在执行元件的第一端处保持在执行元件104的通孔104a中。在所示的示例中，执行元件104利用其另一端被布置在基板109和印刷电路板110或电路板之间，其中通过压接件(Crimp)101可以保持和接触SMA元件100。
图1A中示出的电路装置适用于给多个SMA元件100-1至100-N供电并接通它们。SMA元件与箭头所示的电压源U连接。为此，电路装置1包括控制单元30。此外，还可以有用于测量SMA元件100温度的温度传感器70和/或电压传感器71。控制单元30与脉宽调制单元60连接。通过脉宽调制单元60可以借助脉宽调制来控制SMA元件100，其中根据所测量的电源电压和温度来设置脉宽调制的占空比，即脉冲宽度与周期持续时间的比率。例如，从DE 102017 112 803 A1中已知一种用于脉宽调制的电路。通过各自的驱动器20-1至20-N，相关的SMA元件100-1至100-N可以被依次供电。为了避免电流峰值可以有串联电阻21-1至21-N。此外，电路装置还可以包括限位开关或反馈装置38。该反馈装置如图所示与脉宽调制单元60连接或者可替代地与控制单元30连接，并且适用于将特别是通过机械方式探测到的、致动器到达终止位置的情况报告给脉宽调制单元60或控制单元30。
从DE 10 2016 225 519 A1中已知一种具有致动器和可移动闭塞元件的气动阀门，其中致动器由可通过电加热功率变形的SMA元件操作。为了操作致动器，向SMA元件提供电加热功率，于是SMA元件以自身已知的方式变形，并且由此致使闭塞元件(Absperrelement)的预定运动导致打开或关闭空气接口。当电加热功率的供应结束时，SMA元件的变形被逆转，从而致使SMA元件的预定运动被逆转。已知的致动器还包括探测单元，以探测终点位置的到达和离开。在所示的实施方式中，通过桥接SMA元件的一部分并测量因桥接而降低的电阻来到达终点位置。
已知的方法基于这一事实，即分别在执行元件的某个位置，操作一种由拨动开关或桥接实现的开关。这种机械开关在其功能上可能会因灰尘颗粒、磨损、液体以及高开关频率而受到损害。
本发明的任务在于提出一种用于座椅舒适系统的电路装置和具有座椅舒适系统的座椅，它改善了根据现有技术的缺点。特别地，提出一种电路装置，它能够实现无接触地识别SMA阀的开关位置。
该任务通过具有权利要求1的特征的电路装置、具有权利要求10的特征的方法、具有权利要求14的特征的座椅得以实现。有用的设计方案从各自的从属权利要求中获得。
根据本发明的电路装置被配置用于控制座椅舒适功能的系统。该系统包括至少一个致动器，该致动器具有至少一个执行元件和至少一个SMA元件，其中执行元件可以在第一位置和第二位置之间进行调整(verstellbar)。在本申请中，第一位置和第二位置是彼此不同的两个位置，这些位置可以选择为打开位置和关闭位置或中间位置。在设计方案中，该系统包括一个或更多个阀，这些阀被用于例如用于汽车座椅中的腰部支撑装置或按摩装置中，或者该系统包括一个或更多个这种阀。特别地，这种SMA元件(形状记忆合金元件)是由SMA构成的线材或丝带。
电路装置包括至少一个电阻测量装置，用于测量SMA元件的电阻。在本发明中，电阻应被理解为电气电阻。此外，电路装置还具有用于操作具有SMA元件的致动器的至少一个驱动器单元和用于控制驱动器单元的控制单元。驱动器单元包括至少一个SMA驱动器。通过电阻测量装置可以测量电阻并产生输出信号。该输出信号被传送至控制单元，使得控制单元可以基于所测量的电阻值控制驱动器单元。电路装置被配置用于测量SMA元件的电阻或者实现供电，因此电阻测量装置和驱动器单元交替地可操作地连接。为此，特别地，控制单元也可以控制电阻测量装置。
在设计方案中，控制单元可以具有用于监测电流、电压和/或温度的传感器。在设计方案中，控制单元具有通信接口，以便通过车辆中的开关和/或车载计算机进行控制。作为另一输入端，控制单元可以具有LIN(本地互联网络)通信接口，该通信接口特别地具有收发器，和/或具有开关输入接口。特别地，开关输入接口适用于处理基于电阻的开关信号，其中开关输入接口可以被配置用于多个开关输入，例如座椅调整，特别是位置和脊柱前凸(Lordose)以及按摩。控制单元可以包括用于存储数据的存储器。
适当地，电路装置包括评估单元或与评估单元连接。评估单元连接在电阻测量装置和控制单元之间，从而测量电阻测量值，用评估单元进行评估，并将评估单元的输出信号传送至控制单元。特别地，该输出信号可以包括用于传递终止条件达到的信号。
在设计方案中，电路装置包括多个致动器，其中给每个致动器分配用于操作各自的致动器的、具有SMA驱动器的一个驱动器单元或者为每个致动器在驱动器单元中分配一个SMA驱动器。适当地，电阻测量装置包括多路复用器，该多路复用器与SMA元件中的每一个连接，使得每个SMA元件的电阻可以被单独测量。因此，通过多路复用器，每个SMA元件依次与电阻测量装置相连，以便测量电阻。
在另一设计方案中，评估单元包括用于存储数据的存储器，其中评估单元评估同一个SMA元件的依次测量的电阻值的分布(Verlauf)和/或将同一个SMA元件的依次测量的电阻值的分布与一个或更多个预先给定的电阻值进行比较。可替代地，该存储器也可以是评估单元和控制单元的共同存储器。
适当地，控制单元被配置用于通过脉宽调制进行控制。为此，适当地，控制单元包括脉宽调制单元。因此，SMA元件通过驱动器单元的相关SMA驱动器依次在预定的脉冲宽度和脉冲高度的占空比内被供电，从而被加热。在设计方案中，脉宽调制单元可以将时间信号输出至电阻测量装置。
评估单元包括信号放大器和/或噪声抑制器。
在设计方案中，电阻测量装置包括两个或更多个多路复用器，这些多路复用器分别与SMA元件的一部分连接。该设计方案对于具有多个SMA元件的大型系统而言是可行的。例如，每个多路复用器可设置20个SMA元件。
适当地，分别在电阻测量装置和每个SMA元件之间串联连接一个串联电阻(Vorwiderstand)。该串联电阻主要用于降低电流峰值，从而降低SMA元件过载的风险。
在设计方案中，电路装置包括专用的集成电路(ASIC)，该集成电路包括以下组件中的一个或更多个：驱动器、电阻测量装置、评估单元、存储器或控制单元。通过具有ASIC的设计方案，电路变得更小，并且可以成本更低廉地制造。
根据本发明的用于控制电路装置，特别是根据本发明的电路装置的方法包括：
-测量SMA元件的电阻，
-随后通过驱动器根据所测量的电阻值或电阻值的变化来控制SMA元件，
-循环地重复测量和控制，直到达到终止条件。
终止条件是或包括以下项之一：达到预先给定的电阻值、电阻值曲线的预先给定的变化或转折点(Umkehrpunkt)。当SMA元件被加热时，特别是在SMA元件被加热电流流过的情况下，SMA元件的电阻发生变化。这种电阻变化例如已经在由Song于2011年在加拿大举办的航天航空智能材料结构&无损检测(NDT)国际研讨会上公开“Resistance modelling ofSMA Wire actuators”。因此，电阻的变化可以与预先给定的长度变化相关，特别是与缩短相关。然而，电阻的变化不是线性的，而是包括线性区域和近似线性区域。在实验中发现，当到达致动器的端点(Endpunkt)时，电阻曲线的斜率的符号会反相，因此电阻曲线具有转折点，即电阻曲线的二阶导数的过零。可以通过与测量的或先前测量的电阻值进行比较来确定转折点。将探测转折点和与预先给定的绝对值进行比较相结合提高了方法的准确性。特别地，为了正常操作，可以如下方式选择终止条件，使得执行元件被置于接近打开或关闭位置的中间位置，从而使得利用根据本发明的方法不会到达致动器的端点。这会减少阀的机械负载。
适当地，该方法包括通过脉宽调制来进行控制。
在设计方案中，所有元件的电阻测量在共同的控制死区时间内进行。可替代地，元件的测量分别在控制SMA元件和控制后续元件之间进行。控制死区时间可以在每个控制周期之后或一组控制周期之后发生。
根据本发明的座椅舒适系统包括根据本发明的电路装置，至少一个，特别是至少两个分别具有阀的气垫，其中阀包括至少一个致动器，该致动器具有至少一个执行元件和至少一个SMA元件，其中执行元件可以在第一位置和第二位置之间进行调整。
在设计方案中，执行元件还可以与开关连接或与开关是可连接的，该开关探测到达第一位置或第二位置。特别地，该开关可以用于根据本发明的方法的校准，例如存储绝对电阻值作为切断条件。
根据本发明的座椅包括具有电路装置的座椅舒适系统。
附图说明
下面还将基于对实施例的描述并参考附图，对本发明的其他特征和优点进行更详细的阐述。分别以示意图示出：
图1A示出了根据现有技术的电路装置，
图1B示出了具有致动器的SMA阀，
图1C示出了致动器的可替代的设计方案，
图2示出了电路装置的第一设计方案，
图3A-3C示出了测量和控制周期的设计方案，
图4示出了电阻曲线，
图5示出了电路装置的第二设计方案，
图6示出了ASIC。
图2示出了电路装置1的第一设计方案。电路装置1被设计具有SMA元件100，用于座椅舒适系统，如图1B和1C所示，这些SMA元件特别是致动器的一部分，因此也是阀的一部分。
电路装置包括电阻测量装置5和控制单元30。电阻测量装置5可以与每个SMA元件100-1至100-N连接。SMA元件与箭头所示的电压源U连接。控制单元30通过SMA驱动器20可以与每个SMA元件100-1至100-N连接或持久地连接。SMA驱动器20布置在驱动器单元6中。电阻测量装置5产生输出信号，该输出信号被有线地或无线地传输到控制单元30，并在控制单元中用作调节SMA驱动器20的输入信号。
电阻测量装置5包括多路复用器12，该多路复用器是与每个SMA元件100可连接的或与每个SMA元件100连接，使得特别是通过借助电流源13施加测量电流来测量SMA元件100中的一个SMA元件的电阻。此外，适当地，在电阻测量装置5中设置信号放大器14，该信号放大器14可以具有偏移校正。现在，获得的电阻的测量信号可以在评估单元8中进行评估。在示出的示例中，评估单元布置在电阻测量装置5中。可替代地，评估单元也可以作为单独的部件布置在电阻测量装置5和控制单元30之间。
图2中示出的电路装置可以具有控制单元30，该控制单元被配置用于通过脉宽调制来操作SMA元件100-1至100-N。
在此，特别地，在图3A-3C中示出的电阻测量和供电之间的顺序，或其变型也是可行的。图3A以具有四个SMA元件100-1至100-4为例示出了两个周期的脉宽调制。在第一周期中，首先依次在SMA元件100-1上执行电阻测量M1.1，在SMA元件100-2上执行电阻测量M1.2，在SMA元件100-3上执行电阻测量M1.3以及在SMA元件100-4上执行电阻测量M1-4。这些测量在共同的死区时间(Totzeit)内进行，因为在这些测量期间没有一个SMA元件通过驱动器脉冲T而被供电。随后，优选以相同的顺序，通过驱动器脉冲T1.1至T1.4对SMA元件100-1至100-4中的每一个进行供电。在最后一个驱动器脉冲T1.4之后，第一周期P1结束，其持续时间在几微秒到几毫秒的范围内。在第二周期中，以相同的顺序执行测量M2.1、M2.2、M2.3和M2.4，然后执行供电T2.1、T2.2、T2.3和T2.4。对每个SMA元件执行该过程，直到达到终止条件。如果过早达到SMA元件的终止条件，则也可以只对剩余的SMA元件执行该过程。
图3B示出了可替代的过程，其中首先执行测量M1.1，然后通过驱动器脉冲T1.1对SMA元件100-1执行供电。接着在SMA元件100-2上执行测量M1.2和通过驱动器脉冲T1.2执行供电。这样一直执行到对SMA元件100-4进行测量和供电为止，从而在周期P1中依次对所有SMA元件进行测量和供电。此后，在P2周期中完全重复该过程。
图3C示出了另一可替代的过程。该过程首先对应于图3A中所示的过程，但在一个周期内，驱动器脉冲T1.1.1至T4.1.1之后是驱动器脉冲T1.1.2至T4.1.2。
图4示例性地示出了SMA元件的电阻曲线。该电阻曲线是相对于时间来绘制的。在4V和9V之间的电压下向SMA元件施加电流后，电阻首先增加，然后减少。当到达端点时，在电阻-时间曲线上标记转折点U。该转折点U可以通过评估测量值的时间顺序来检测。实际上，在脉宽调制中，供电不是由长的驱动器脉冲(如图4所示)来执行的，而是由多个短的驱动器脉冲(如图3A-3C所示)来执行的。在此，在占空比值较高的范围内，例如在占空比为11％时，可以使用周期持续时间较短的第一频率，其持续时间在几微秒到几毫秒的范围内，而在占空比较低的范围内，可以使用明显较低的第二频率，例如使用低5-200倍的频率。特别地，致动器位置可以保持在第二范围内。
图5示出了电路装置1的第二设计方案。该电路装置1与图2中所示的装置的区别在于串联电阻21-1至21-N，该串联电阻21-1至21-N分别由SMA元件100-1至100-N连接。此外，该装置的不同之处还在于，除了放大器14之外，还在电阻测量装置5中布置了滤波器16。在此，原则上，也可以使用多个滤波器和放大器级或集成元件，其电路已知用于改善信号。
在所示的设计方案中，评估单元8包括存储器36。然而，可以被评估单元8访问的外部存储器也同样是可行的。
除了这里示出的输入端31外，该输入端原则上也可以存在于其他设计方案中，控制单元30还包括脉宽调制装置，该脉宽调制装置与驱动器单元6连接，从而与驱动器20-1至20-N连接。可选地，控制单元30可以被配置用于控制电阻测量装置5。
图6示出了ASIC。该ASIC 4可以包括以下项中的一个或更多个：驱动器20、电阻测量装置5、评估单元8、存储器36、控制单元30、脉宽调制单元60、放大器14或滤波器16中的一个或更多个。此外，如果ASIC包括控制单元30，则ASIC特别地还包括输入端31，例如用于输入控制信号，该控制信号可以无线地或有线地进行传输。
参考标记列表
1 电路装置
2 系统
4 ASIC
5 电阻测量装置
6 驱动器单元
8 评估单元
12 多路复用器
13 电流源
14 信号放大器
16 滤波器
20 SMA驱动器
21 串联电阻
24 电阻
30 控制单元
31 输入端
36 存储器
38 反馈装置
40 泵驱动器
50 电流传感器
60 脉宽调制单元
70 温度传感器
71 电压传感器
100 SMA元件
101 压接件
102 阀壳体
103 致动器
104 执行元件
104a 通孔
105 第一开口
106 第二开口
107 限位开关
108 密封元件
109 基板
110 印制电路板
120 阀
130 气垫
140 泵
M1.1-Mn.n 电阻测量
T1.1-Tn.n 驱动器脉冲
U 电压源。

Claims (14)

1.一种控制用于座椅舒适功能的系统(2)的电路装置(1)，所述电路装置包括至少一个致动器(103)，所述致动器(103)具有至少一个执行元件(104)和至少一个SMA元件(100)，其中所述执行元件(104)能够在第一位置和第二位置之间进行调整，
其中，所述电路装置(1)包括用于测量所述至少一个SMA元件(100)的电阻的至少一个电阻测量装置(5)，
其中，所述电路装置(1)还具有用于操作具有所述至少一个SMA元件(100)的所述致动器(103)的至少一个驱动器单元(6)和用于控制所述驱动器单元(6)的控制单元(30)，所述控制单元适用于处理所述电阻测量装置(5)的输出信号，
其中，所述电路装置被配置用于使电阻测量装置(5)和驱动器单元(6)交替地与所述SMA元件可操作地连接。
2.根据权利要求1所述的电路装置(1)，其中所述电路装置(1)包括评估单元(8)或与评估单元(8)连接，其中所述评估单元(8)连接在电阻测量装置(5)和控制单元(30)之间。
3.根据前述权利要求中任一项所述的电路装置(1)，包括多个致动器(103)，其中所述电阻测量装置(5)包括多路复用器(12)，所述电路复用器(12)与所述SMA元件(100)中的每一个连接，使得每个SMA元件(100)的电阻能够被单独测量。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电路装置(1)，其中所述评估单元(8)包括存储器(36)，其中所述评估单元(8)评估同一SMA元件(100)的依次测量的电阻值的分布和/或将同一SMA元件(100)的依次测量的电阻值的分布与一个或更多个预先给定的电阻值进行比较。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电路装置(1)，其中，所述控制单元(30)被配置用于通过脉宽调制进行控制。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电路装置(1)，其中，所述评估单元(8)包括信号放大器(14)和/或用于抑制噪声的滤波器(16)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电路装置(1)，其中，所述电阻测量装置(5)包括两个或更多个多路复用器(12)，所述多路复用器(12)分别与所述SMA元件(100)的一部分连接。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电路装置(1)，其中，分别在电阻测量装置(5)和每个SMA元件(100)之间串联连接一个串联电阻(21)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电路装置(1)，包括专用的集成电路(4)，所述集成电路(4)包括以下组件中的一个或更多个：驱动器(20)、电阻测量装置(5)、评估单元(8)、存储器(36)或控制单元(30)。
10.一种用于控制电路装置(1)，特别是根据权利要求1至9中任一项所述的电路装置(1)的方法，包括：
-测量SMA元件(100)的电阻；
-随后通过驱动器根据所测量的电阻值或电阻值的变化来控制所述SMA元件(100)；以及
-循环地重复测量和控制，直到达到终止条件。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述终止条件是或包括以下项之一：达到预先给定的电阻值、电阻值曲线的预先给定的变化或转折点。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述方法包括通过脉宽调制来进行控制。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所有元件的电阻测量在共同的控制死区时间内进行，或者其中元件的测量分别在SMA元件(100)的控制和后续元件的控制之间进行。
14.一种具有座椅舒适系统的座椅，所述座椅舒适系统具有根据权利要求1至9中任一项所述的电路装置(1)。
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