專利名稱：用于得到機械式換向的直流伺服電動機的轉子的旋轉位置的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及 一種得到機械式換向的直流-伺服電動機的轉子的旋轉 位置的方法，該伺服電動機的電樞電流是通過電機式操作的轉換觸點的 一種轉換狀態(tài)加以給定的， 一個控制和分析處理單元分析出電樞電流中
所包含的、起源于枳4戒式纟灸向的電流波動。
背景技術：
在伺服執(zhí)行機構方面，例如在汽車上為了調節(jié)車窗升降機構和滑動 天窗所用的執(zhí)行機構，常采用機械式換向的直流伺服電動機。這種直流 伺服電動機按線路技術通常被安置在一個橋式電路的一個橫向支路中， 在此橫向支路中 一 個繼電器的兩個由 一 微控制器所控制的轉換觸點給 定出電動機電流的方向。為了在關閉過程中能夠限制關閉力，微控制器 必須知道關閉部件的實際位置。
眾所周知，轉子位置可以直接通過分析電樞電流波動加以確定，這
種電樞電流波動都是由于機械式換向過程所造成的當 一個電刷在兩個 相鄰的換向器片上滑過去的時候，歐姆電阻器瞬間發(fā)生改變(圖1)。 因此，在電樞電流的直流成分上疊加了一個交流成分。當直流電動才幾的 極凄l(xiāng)已知時，可確定也凈皮稱為電樞電流波動或者在下面簡稱為電流波動 的電流波動性，從而確定轉子的旋轉位置。電流波動數(shù)量的確定，也稱 之為"波計數(shù)，，，可以通過微控制器中已知的最大-最小-算法來加以執(zhí) 行。這樣，在運轉過程中，可以很簡單地計算出實際的轉子位置，或可 以從電流波動的頻率中計算出轉速。這樣一種方法例如在DE 3824811 Al中j故了介紹。
在直流伺服電動機浮皮起動、制動或者在運行中#皮反向的運4亍階教: 中，確定電流波動可是很困難的，這是因為在機械性觸點的轉換時，會 產生一種"觸點彈跳"或"繼電器跳動"。在一個在下面稱之為觸點彈 跳時間-間隔的時段中，電樞電流信號受到干擾，從而不能直接計算出電 流波動。這種觸點彈跳-時間間隔在實際中可能延續(xù)幾個ms (毫秒)。 這與不同的工作條件有關，有時也與繼電器的老化有關。在一個電操作的汽車車窗升降機構或移動式汽車頂蓋的情況下，由于通過傳動線路上 的間斷而得到加強的這一效應之故而產生零位移動。但是，如果開始一 個車窗的關閉過程，或者從一個不確定的位置開始一個移動式汽車頂蓋 的關閉過程，則可能在夾緊情況下導致如下結果，即可能超過最大允許 關閉力。由于不明確的位置信息之故，可能因夾緊過程而使人員身體某 一部分被夾而受到傷害。為了防止這一事故的發(fā)生，執(zhí)行機構必須經常
加以初始4b,這也是一個缺點。
發(fā)明內容
本發(fā)明的任務是提供一種方法，用于得到 一種機械式換向的直流伺 服電動機的轉子的旋轉位置，其中僅以電樞電流中所包含的電流波動的 計算分析為基礎的轉子位置的測定能以更好的精確度加以實現(xiàn)。
上述任務是通過具有權利要求1中所述特征的一種方法加以解決 的。本發(fā)明的有利的發(fā)展是從屬權利要求的內容。
本發(fā)明的基本構思在于在一個時間間隔內(在此時間間隔內由于 電樞電流信號的干擾不能分析電流波動)根據一個測量技術上得到的觸 點彈跳時間間隔，實現(xiàn)對電流波動的估計。通過將這種估計過程匹配于 轉換繼電器的實際彈跳時間，便能以更高精確度得到轉子位置。在對這 種估計算法進行編程時，不必從一個最不利的(最長的)彈跳時間的一 種先驗概率出發(fā)，而是估算時間合乎轉換繼電器的老化和現(xiàn)實的運行狀 態(tài)。換言之，依本發(fā)明， 一個估算過程的自然存在的不清晰性只能如事 實上所需要的那么長的時間加以利用。從而可改進定位精確度。
在一個關閉過程中，有關于關閉部分的位置的較精確信息，從而也 有關于其初始位置的較精確信息。 一 個電動操作的關閉部分的夾緊保護 作用是由此加以改進的。起決定性作用的是，這個優(yōu)點特別在車窗升降 機構在在進入框密封件之前大約4mm的范圍內發(fā)揮作用。于此，依本 發(fā)明可將受傷風險降低到最小限度，另一方面又可實現(xiàn)可靠的關閉。
另一個主要的優(yōu)點在于即使在頻繁變換旋轉方向的情況下和在傳 動線路出現(xiàn)間隙的情況下，位置測定方面的累計誤差也是較小的。這樣， 傳動系統(tǒng)就不須頻繁初始化。其結果是該系統(tǒng)的可支配性更高，因為 不必如以往那樣由于固有的誤差而限制不同的功能如車窗升降機構的 自動運行。本發(fā)明提出的方法的特征在于從一個機電式操作的轉換裝置的每一個轉換觸點，利用反饋轉換電路，便可將一個分別由一個轉換 觸點導出的觸點電壓-反饋信號反饋給控制和分析處理單元。從這一信息 中，控制和分析處理單元得到觸點振動時間間隔，在此時間間隔內由于 干擾之故而不可能實現(xiàn)對電流波動的分析處理。才艮據這種觸點振動時間 間隔，因此，在這一時間內由控制和分析處理裝置執(zhí)行對電流波動的估 算。
一個優(yōu)選的實施形式的特征在于轉換裝置是由具有第 一轉換觸點
和第二轉換觸點的轉換繼電器形成的，由第 一轉換觸點將一個第 一觸點
電壓-反饋信號反饋給控制和分析處理單元；由第二轉換觸點將一個第二 觸點電壓-反饋信號反饋給控制和分析處理單元。這樣，在對電動機進行 反向時，這時基本上同時地轉換兩個轉換觸點，控制和分析處理單元可 測定出不同時間長短的彈跳。于是就可確定只有當電樞電流信號不因 觸點振動而被失真的時候，才計數(shù)電樞電流波動。
根據本發(fā)明提出的方法的一項有利的發(fā)展，可做如下設定或者從 第一觸點電壓-反饋信號，或者從第二觸點電壓-反饋信號，得出觸點振 動時間間隔的一個開始時間點和一個結束時間點。這^f,在一個制動過 程或一個起動的情況下，這時橋形回路支路中只轉換一個轉換觸點，所 以可〗吏估算過程適配于所述一個繼電器觸點的實際彈跳時間。
根據另一個優(yōu)選的實施形式，可做如下設定從一個由控制和分析 處理單元產生的并輸送給轉換裝置的控制信號，可以得出觸點振動時間 -間隔的一個開始時間點；從一個附屬于該控制信號的、第一或第二觸點 電壓反饋信號，可得出觸點振動時間間隔的一個終止時間點。其優(yōu)點在 于只需要測出觸點振動時間間隔的終止時間點；開始時間點則由控制 裝置方面給定。這樣，總起來說，分析處理就較簡單了，但是以精確度 為代價，因為即使在繼電器的響應時間內，也應用估算過程，但在這里， 分析處理即電流波動的計數(shù)也還是可能的。
就本發(fā)明的實現(xiàn)而言，有利的做法可能是控制和分析處理單元是 一種微控制器或微型計算機，其包含一種估算法。
位置測定的精確性可以通過下述措施進一步加以改進估算法(補 充一個存儲的驅動模型)在轉換一個轉換觸點之前也考慮到轉子的旋轉 速度。
有利的是使用 一個反饋轉換電路，該電路通常在用于監(jiān)控繼電器觸點的現(xiàn)有的汽車伺服驅動裝置上就有的。沒有必要改變硬件。
成本上有利的是，特別是反饋轉換電路，它基本上是由歐姆分壓器 形成的。
為了進一步對本發(fā)明做說明，下面將參照附圖，來進行部分解釋， 從這些附圖中可看出本發(fā)明的其它有利的發(fā)展、細節(jié)和設計。
附圖表示
圖1 由于解釋機械式換向引起的電樞電流波動的示意圖2 橋式電路中伺服電動機用的控制電路的簡化電路圖，本發(fā)明 提出的方法是在所示的控制和分析處理單元中實施的；
圖3 —個測量曲線圖，其在上部的曲線中示出圖3的轉換繼電器 的轉換觸點上的電壓；在下部的曲線中示出換向器電動機的電樞電流， 該換向器電動才幾通過短^各制動而,皮制動；
圖4 圖3所示的測量參數(shù)的數(shù)字化曲線；
圖5 用于說明在制動過程中本發(fā)明提出的方法的電路圖和示意
圖6 為了說明本發(fā)明提出的方法，在一次起動過程中的電路圖和 示意圖7 為了說明本發(fā)明提出的方法，在一次反向過程中的電路圖和 示意圖。
具體實施例方式
圖l表示 一個直流電動機的機械式換向過程中的電阻情況。集電 器24由三個集電器片組成。電樞線圈以三個歐姆電阻器表示。如可以 從圖l的左略圖中看出的，在兩個電刷22、 23之間有一個歐姆電阻器， 該歐姆電阻器是由一個并聯(lián)電路形成的左邊的電阻器并聯(lián)于串聯(lián)的兩 個電阻器。在集電器旋轉時(箭頭21 ),其在圖1的右部分中繪出的， 下面的電刷23掃過兩個相鄰的集電器片。在這兩個相鄰的集電器片之 間會造成瞬時短路現(xiàn)象。兩個電刷22、 23之間的歐姆電阻器在此瞬間 中是由兩個線圈電組器的并聯(lián)電路形成的。由于這一電阻變化之故，就 會發(fā)生文首述及的電樞電流波動性，從而可通過對電流波動的計數(shù)以得到轉子位置。
圖2表示一個伺服驅動裝置的簡化的電路圖，如這種伺服驅動裝置 例如用于汽車上的電操作的車窗升降裝置或滑動天窗那樣。 一個控制和
分析處理單元17,現(xiàn)在指的是一個微控制器，通過信號11、 12，控制 著轉換繼電器6、 7。根據轉換觸點6或7的位置，給定橋式電路的橫向 支路中電動機5的電樞電流2的方向。電樞電流2由一個分流器8得到。 在分流器8上產生的測量信號作為電流反饋信號18被反饋到微控制器 17。在微控制器17上配置了一個電流波動計數(shù)裝置15,該計數(shù)裝置分 析處理電樞電流2中所包含的電流波動。在本實施例中，分析處理是利 用一種算法通過對相關的最大值或最小值進行計數(shù)來進行的。
由于在電機式操作的轉換觸點6或7的彈跳時間內，不可能對電樞 電流波動3進行分析處理，所以在微控制器17中配置一個波動估算裝 置16。該波動估算裝置16包含一種估算法，這種算法可在觸點彈跳的 階段內，對電流波動進行估算。估算算法除了驅動參數(shù)之外，還應用轉 子的最終有效的轉速。
為了盡可能地將由于估算引起的誤差保持最小，不固定不變地預設 估算時間，而適配于實際的觸點振動時間。為了掌握這個實際的觸點振 動時間，使用了一個反饋轉換電路20,該轉換電路基本上由兩個歐姆分 壓器和反饋導線9和10組成。通過這些反饋線路9和10,分別將轉換 觸點7或6的觸點電壓信號反饋到微控制器17。這樣，在微控制器17 方面可以確定一個或兩個觸點6、 7的彈跳時間?；谶@一信息，估算 法只使用實際上所需的那么長的時間，這就是說，只需要包含在電樞電 流信號中的波動性不可利用的那么長的時間。在短路制動情況下，此時 兩個觸點7、 6的一個被轉換，估算時間延續(xù)如此長，直到轉換的觸點 (6或7)的彈跳時間衰減。在一個換向過程中，此時兩個觸點7、 6同 時被轉換，估算時間延續(xù)如此長，直到觸點7、 6中的每一個趨于靜止。 然后才再對包含在電樞電流2中的電流波動進行分析處理(見圖7)。
反饋轉換電路20實際上通常在汽車伺服驅動裝置上都有，用于監(jiān) 控轉換觸點6、 7的"粘接"。在此情況下，本發(fā)明的實現(xiàn)只需要微控 制器17的相應的軟件(17、 16)。
圖3在一個測量曲線圖中表示出轉換觸點6上的電壓1和作為時間 t的函數(shù)的電樞電流2。在變換階段中，實現(xiàn)轉換觸點6從電池電壓到接地電壓的變換(圖2)。這相當于電動才幾5的短^各制動，該電動才幾的電
樞電流首先改變它的方向，以便隨后下降。電樞電流2的測量曲線示出 在變換階段4之前的、可清楚看出、有規(guī)則地循環(huán)的電樞電流波動3。 在變換階段4之后也可以清楚看出包含在電樞電流2中的波動性3;于 此，但電動機慢慢停下來，電流波動3的頻率隨著時間的推移而逐步減 小。在時間點Tl和時間點T2 (機械式的觸點6的彈跳時間)之間，電 樞電流2的變化就其中所含的波動性而言，是幾乎不能分析處理的。
圖4表示變換的數(shù)字化的曲線。以附圖標記11表示控制信號的時 間上的變化，該控制信號作用于轉換觸點6的繼電器線圈。下面以附圖 標記19表示觸點電壓-反饋信號9的數(shù)字化曲線。以附圖標記14表示電 動機電流2的數(shù)字化曲線。直至時間點Tl,可以毫無問題地從波動計數(shù) 裝置15識別數(shù)字化的電流波動13;既使在時間點T2之后，也能很好地 計數(shù)電流波動。但在過渡階段4中，不能識別電流波動。在時間間隔4 中，不進行計數(shù)，而是以估計電流波動。波動估算裝置16只如此長地 進行估計，直到得知時間點T2上彈跳時間的結束。從時間點T2起，又 可通過波動計數(shù)裝置15分析處理數(shù)字化的電流波動13。由于運用估算 法所用的時間段不須通過在轉換繼電器的數(shù)據頁中給出的最大彈跳時 間來加以預定，而是適配于實際的轉換繼電器轉換向情況，所以能夠以 更佳的精確性來獲得轉子位置。
在圖5、圖6和圖7中，繪示出換向器電動機在制動時、在起動時 以及在反向時的觸點振動-時間間隔4,并在下面將參照 一個脈動曲線圖 加以i,細i兌明。
圖5表示出一種短路制動。如可以從圖5上方的接線中看出的，轉 換觸點6按箭頭25所示方向轉換。通過這一轉換過程，正在運行的直 流電動機5經過分流器8和經過半橋的下部而,皮短接。在觸點振動時間 間隔4內，由于轉換觸點6的彈跳，不能夠對分流器8上的電流波動進 行分析處理。在時間間隔4內，根據本發(fā)明，估算出轉子在這一時間段 中所經歷過的旋轉角。如觸點電壓-反饋信號U9的脈動曲線圖中所示的， 估算時間(觸點振動時間間隔4)在控制電壓Ull的下降沿之后延遲一 個滯后時間tV才開始。
圖6表示直流電動機5的起動。于此，直流電動機5通過轉換觸點 6的轉換(箭頭26)從靜態(tài)轉接到供電電壓UB上。于此，觸點振動時
9間間隔4也是在控制電壓Ull的上升沿之后延遲一個滯后時間tV才開 始的。
圖7表示一個反向過程。于此，電動機5通過轉換觸點6和7的轉 換(箭27，箭頭29),從按一個旋轉方向的運行而被轉換到一個相反 的旋轉方向。針對控制電壓Ull的下降沿或針對控制電壓U12的上升 沿，轉換觸點6 (觸點電壓-反饋信號U9 )的彈跳或者轉換觸點7 (觸點 電壓-反饋信號10)的彈跳延時發(fā)生。在這個旋轉方向反轉的實例中， 觸點振動時間間隔4的開始是通過轉換觸點6上的第一觸點振動給定 的；觸點振動時間間隔4的終結是由轉換觸點7上的最后一觸點振動得 到的。通過對時間間隔4的測量，就能保證電流波動的分沖斤處理不在不 關心的階段(時間間隔Tl至T2)內進行，在這個階段中要么是轉換觸 點6要么是轉換觸點7彈跳；只有當轉子電流中的波動性又代表旋轉位 置的時候，才進行"波動-計數(shù)"。
通過本發(fā)明提出的方法，我們除了起動時和制動外還能夠在反向時 也能減小錯誤計數(shù)的風險，并提高轉子位置探測的精確性。所用附圖標記一覽表
1 一個變換觸點上的電壓
2 電樞電流
3 電樞電流波動，被測量的換向波動性
4 觸點纟展動時間間隔
5 直流電動機
6 轉換觸點
7 轉換觸點
8 分流器
9 觸點電壓-反饋信號
10 觸點電壓-反饋信號
11 控制信號
12 控制信號
13 電樞電流波動，數(shù)字化的換向波動性
14 電樞電流，數(shù)字化的
15 電流波動計數(shù)裝置
16 電流波動估算裝置
17 控制和分析處理單元，微控制器
18 電流反々貴信號
19 觸點電壓反饋信號，數(shù)字化的
20 反饋轉換電路
21 箭頭
22 電刷
23 電刷
24 集電器
25 箭頭
26 箭頭
27 箭頭
28 轉換裝置，轉換繼電器；
29 箭頭
U9 被反饋的觸電電壓U10被反饋的觸電電壓
Ull控制電壓 U12控制電壓 Tl 時間點； T2 時間點
tv滯后(繼電器的響應時間)
權利要求
1. 一種用于得到機械式換向的直流伺服電動機(5)的轉子的旋轉位置的方法，該伺服電動機被安置在一橋式電路的橫向支路上，其電樞電流是通過電機式操作的轉換裝置(28)所給定的，配有控制和分析處理單元(17)，該單元可以分析出包含在電樞電流(2)中的并由機械式轉向引起的電流波動(3)，其特征在于·從轉換裝置(28)的每個轉換觸點(6，7)，利用反饋轉換電路(20)，分別將觸點電壓-反饋信號(9，10)反饋給控制和分析處理單元(17)；·控制和分析處理單元(17)在使用所述至少一個觸點電壓-反饋信號(9，10)的情況下，得出觸點振動時間間隔(4)，在由于所述轉換觸點(6，7)的其中至少一個的轉換過程所引起的觸點振動之故而不能分析電流波動的觸點振動時間間隔(4)內對電流波動(3)進行估算。
2. 按權利要求1所述的方法， 其特征在于-轉換裝置(28)是由具有第一轉換觸點(6)和第二轉換觸點(7) 的轉換繼電器所形成的； 由第一轉換觸點(6)將第一觸點電壓-反饋信號(9)反饋給控制 和分析處理單元(17);和 由第二轉換觸點(7)將第二觸點電壓-反饋信號(10)反饋給控 制和分析處理單元(17)。
3. 按權利要求2所述的方法， 其特征在于從第一觸點電壓-反饋信號(9),得出觸點振動時間間隔(4)的開 始時間點(Tl);從第二觸點電壓-反饋信號(10)得出觸點振動時間 間隔(4)的終止時間點(T2)。
4. 按權利要求2所述的方法， 其特征在于要么從第 一觸點電壓-反饋信號(9 )要么從第二觸點電壓-反饋信號 (10)得出觸點振動時間間隔(4)的開始時間點(Tl)和終止時間點 (T2)。
5. 按權利要求2所示的方法，其特征在于從由控制和分析處理單元(17)產生的并輸送給轉換裝置(28)的 控制信號(11, 12)得出觸點振動時間間隔(4)的開始時間點(Tl); 從配屬于此控制信號(11, 12)的第一或第二觸點電壓-反饋信號(9, 10)得出觸點振動時間間隔(4)的終止時間點(T2)。
6. 按權利要求1至5中任一項所述的方法， 其特征在于利用包含在控制和分析處理單元(17)中的估算裝置(16),對電 流波動進行估計，該估算裝置包含估算法。
7. 按權利要求6所述的方法， 其特征在于估算法通過至少一個轉換觸點(6， 7)的轉換狀態(tài)的改變加以啟動； 在估算時作為參數(shù)使用旋轉速度，該旋轉速度是在變換過程之前得到 的。
8. 按權利要求1至7中任一項所述的方法， 其特征在于控制和分析處理單元(17)探測周期性時間間距中特別是小于200 微秒的時間間距中的每個觸點電壓-反饋信號(9, 10)。
9. 按權利要求1至8中所述的方法， 其特征在于向控制和分析處理單元(17)輸送電流反饋信號(18),該信號是 在分流器(8)上截取的。
全文摘要
一種用于得到機械式換向的直流伺服電動機(5)的轉子的旋轉位置的方法，該伺服電動機被安置在橋式電路的橫向支路上，其電樞電流是由一個電機式操作的換向裝置(28)給定的，配有一個控制和分析處理單元(17)，該單元分析處理包含在電樞電流(2)中的、并被反饋到機械式換向裝置的電流波動(3)，其特征在于從換向裝置(28)的每個轉換觸點(6，7)，利用一個反饋轉換電路(20)，分別將一個接觸電壓-反饋信號(9，10)反饋到控制和分析處理單元(17)；控制和分析處理單元(17)，在使用至少一個接觸電壓-反饋信號(9，10)的情況下，求出一個觸點彈跳-時間間隔(4)，并且在此觸點彈跳-時間間隔(4)內對電流波動(3)進行估計，而在該時間間隔內由于因至少一個轉換觸點(6，7)的換向過程所引起的觸點彈跳之故而不能對電流波動進行分析處理。
文檔編號H02P7/08GK101536301SQ200780038878
公開日2009年9月16日 申請日期2007年10月16日 優(yōu)先權日2006年10月18日
發(fā)明者A·波澤, L·克羅科莫, R·莫拉韋克, W·科爾納 申請人:歐陸汽車有限責任公司