处理直流电动机的有电流纹波的电动机信号的方法和装置

摘要

用于处理直流电动机(4)的电动机信号(I

说明书

技术领域

本发明涉及一种处理直流电动机的电动机信号的方法和装置，具有可控的频率滤波器，该频率滤波器根据直流电动机的电枢电流内包含的波纹(电流纹波)产生与转速成比例的输出信号。

背景技术

也被称作换向器式电动机的直流电动机是永磁电动机，其电动机电流或电枢电流由于换向而包含也被称为电流涟漪或电流纹波的与直流电分量叠加的交流电分量。这种直流电机尤其是应用于汽车的调整驱动装置中，例如车窗玻璃升降器、滑动式天窗或行李舱盖的驱动。在本使用中具有显著意义的是，使得可以利用简单的装置可靠地确定电动机位置或电枢位置并由此精确地定位由电动机驱动的调整部件(执行元件)。

电流纹波出现的频率与电动机电枢的换向器或整流片的数量有关。因此由一个时间间隔内电流纹波的数量，不仅可以推断出电动机的转动位置，也可以根据电流纹波信号的频率(纹波频率)推断出电动机转速。然而电动机信号以及由此包含电流纹波的有效信号于尤其高频的干扰信号叠加。相对而言，在分析电流纹波时还要考虑低频的干扰，该低频的干扰影响被叠加了电流纹波的直流信号分量的变化过程并可主要归结于电动机运行时波动的力或扭矩的变化过程。

在由DD254254A1公开的用于在直流换向器式电动机的情况下产生与转速成比例的脉冲序列的电路装置中，在以欧姆电阻形式的电流电压转换器处得到的电动机信号被输送到压控的高通滤波器以及后置连接的压控低通滤波器用于实现窄带的带通，在该带通的输出端产生与转速成比例的脉冲序列。

此外，US4924166公开了，为了处理在直流电动机的电枢电流中产生的电流纹波，使用具有相位比较器和经由低通与其后置连接的可控振荡器(VCO)的锁相环作为可控滤波器。经低通铝滤波的电动机信号被输送到相位比较器的输入端，而其振荡器利用由电动势(EMK)推导出的信号进行控制。因此在并联电阻(Shunt)处得到的电枢信号被直接输送到锁相环的信号输入端，而从电动机电压和电枢电阻和电枢电流的乘积的差-即所谓的反电动势信号(反电动势或互感电压)得到的用于振荡器的控制信号被输送给锁相环。

DE19511307C1公开了根据由所采集的电动机电压和所采集的电枢电流确定的感应的反电动势(EMK电压)控制可调的带通滤波器。此外在本公开的方法中，通过估计电枢电流的实际的工作频率(纹波频率)调整频率滤波，使得通频带包含工作频率并未予干扰频率的上部和/或下部。由经过如此滤波的信号确定相关的极值(最小值估计或最大值估计)。

在DE19834108A1公开的用于在电动机的情况下由电流纹波确定电动机曲轴旋转数量的方法中，为了除去高频干扰首先将电动机电流信号输送到低通滤波器。再次根据所计算出的经过低通滤波的电动机电流信号的前后相继的最小值和最大值的差值来确定电流纹波。

在EP0579015B1公开的用于为直流换向器式电动机采集与转速成比例的脉冲序列的电路装置中，设置了具有根据电动机转速而改变的极限频率的频率选择性的滤波器。在这种情况下，在电动机转速实际上不改变时，较低的频率明显低于，而转速改变时则大概位于脉冲序列的范围内。因此，在转速改变时可以暂时地实现带通的微分特性并由此可以在此期间精确地确定直流换向器式电动机的转动位置。

由EP1037052B1(DE60005727T2)已知，为了可变地构造频率滤波器，使用具有开关电容的有源高通滤波器：CR滤波器(开关电容滤波器)，以便从电动机信号中去除干扰并从直流电动机的涟漪中确定转速。为此电容借助于时钟信号开关，这样滤波器的角频率改变而下级的开关电路产生涟漪脉冲信号，该涟漪脉冲信号也作为产生时钟信号的基础。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种特别适合用于处理直流电动机的电动机信号(电动机电流或电枢电流，电动机电压)的方法。同样将产生尽可能没有干扰的、尤其是与转速成比例的信号。这些应当适合用于为汽车的调整装置定位和/或用于在防夹系统中限制力量过大。此外还应提供一种适合用于处理这种电动机信号的装置。

本发明涉及到的方法根据本发明通过权力要求1的特征解决。为此采集直流电动机的电枢电流或电枢电流信号，并且用于确定直流电动机的反电动势。此外，为了确定直流电动机的反电动势首先采集电动机电压或相应的电动机电压信号。根据所确定的反电动势由电枢电流信号中产生有效信号-尤其是与转速成比例的有效信号。

根据本发明的一个变体，直流电动机的电枢电流被输送到一个可控的滤波器模块中，即其频率特性或极限频率或中间频率可定。例如以变化的带通滤波器的形式起作用的频率滤波器根据包含于电枢电流或相应的电枢电流信号中的电流纹波产生于与转速成比例的输出信号。

在控制侧将由反电动势中确定的与转速成比例的控制信号并且在信号输入侧将频率输入信号输送到频率滤波器。滤波器输入信号从包含电流纹波的电枢电流以及以低通特性-优选以一阶低通功能-加权的电动机电压信号推导得来。

反电动势从所采集的电动机电压和由电枢电流信号和电枢电阻的求得的乘积确定。滤波器输入信号由电枢电流信号(被减数)和由电动机的数学模型推导的减数之间的差值形成。当打开或施加电动机电压之后，所述减数在电流值上随着发动机电压而递增，所述电流值与电枢电阻或电枢绕组电阻的倒数和具有迟延(一阶)的电动机电压的乘积成比例，其中时间常数通过感应和绕组电阻的倒数给出。该特性符合一阶低通滤波器的功能。

有效信号以适合方式被输送到低通滤波器。所述低通滤波器可以被实现为具有固定极限频率的数字滤波器。根据本发明的旨在限制力量过大的变体，相应的低通滤波器用于抑制高频信号并去除高频的纹波。

转速变化或速度变化用于限制(转速)力量过大(转速)，尤其是作为用于确定转速差值的功能模块的输入变量。反电动势的一阶倒数以适合的方式用于计算。通过适当地分析纹波事件还可以实现或使用导数的形成或计算，使得去除掉可能还存在于信号中的纹波。

为此，并不是根据两个相邻的值对(Wertepaare)求差，而是优选始终间隔n个纹波进行，其中，n对应于换向器开槽的个数。对于采样值适用：

ul＝E_{纹波_n}sin(2πft)+E₁

对于

ΔE＝u2-u1

ΔE＝E₂-E₁

由此去除由纹波的交流分量引起的反电动势的波动E。

在一个有利的变体的改进中，为了利用可控的频率滤波器定位而处理电动机电流信号或电枢电流信号，将有效信号不是直接地，而是同样地经过上述的低通滤波作为经低通滤波的控制信号输送到频率滤波器。所述控制信号的低通滤波用于平滑所述控制信号以调整频率，并由此稳定例如实现为带通滤波器的频率滤波器。

以合适的方式，电枢电流信号在低通滤波器中预滤波。由此抑制造成所谓假频效应(Alias-Effekt)的高频分量。因此相应的模拟低通滤波器排在用于产生频率滤波的滤波输入信号以及控制信号的对电枢电流信号的其他处理之前。

所述任务涉及的装置根据本发明通过权力要求12的特征解决。相应的从属权力要求为有益的构造和变体。

因此，装置尤其包括用于采集电枢电流作为电枢电流信号的变化过程以及电动机电压(电动机电压信号)。此外，所述装置包括具有信号输入端和信号输出端以及控制输入端的频率滤波器。在所述控制输入端之前设置确定与转速成比例的控制信号第一功能模块。在频率滤波器的信号输入端之前设置具有低通功能的第二功能模块。该信号输入侧的低通功能根据电动机模型由所采集的电动机电压和直流电动机的自感和互感来计算。

为了确定滤波输入信号，由所采集的电枢电流和包含低通功能的信号形成差值。因此滤波输入信号与反电动势成比例，其结果是从滤波输入信号中，尤其是基于接通电流峰值，滤出或至少抑制所产生的干扰频率。迄今，这种由于换档过程造成的高频的干扰分量-尤其是连同接通直流电动机时的接通电流峰值，在在直流电动机的启动阶段滤去电流纹波时或在相似的高频的电压干扰的情况下，导致非常严重的问题。

设置在可控频率滤波器信号侧之前的第二功能模块的功能以适合的方式是一阶低通滤波器的功能，所述功能由根据直流电动机的根据关系U_m＝R_a×I_a+L_a×dI_a/dt+E电学公式的数学模型推导而来。这里，U_m是电动机电压，R_a×I_a是直流电动机的电枢电阻和电枢电流的乘积，L_a×dI_a/dt是自感(自感电压)和绕组电感L_a，ΔE是直流电动机的互感(反电动势)。由这个关系计算从电枢电流信号中减去的电流变化过程的修正值或减去值，所述电流变化过程对应于代表低通功能的因子和发动机电压的乘积。

附图说明

下面结合附图进一步说明本发明的实施例，其中，

图1以框图的形式示意性地示出了用于借助于可控的频率滤波器处理电枢电流信号的装置的功能模块；

图2以电流时间曲线图的形式示出了电枢电流信号和具有低通特性的修正变化过程之间的差别变化过程；

图3根据图2以曲线图的形式示出了滤波器输入信号和滤波器输出信号的变化过程；

图4根据图2和图3以曲线图的形式示出了为滤波和经低通滤波的滤波器控制信号的变化过程；

图5以框图的形式示出了用于采集和预处理电动机电流信号或电枢电流信号的测量装置。

具体实施方式

相互对应的部分在所有的附图中配以同样的附图标记。

图1所示的附图表现了用于确定在直流电动机的电枢电流信号I_a中由于其换向产生的电流纹波的方法和系统的功能。所述电流纹波或电流涟漪作为交流信号分量叠加在直流电动机的直流电流信号上。因为换向器片的数量已知，可以从每个时间单位内电流纹波的数量确定电动机转速和电动机电枢的位置(电枢方位)。电枢方位或电枢位置还与汽车的由直流电动机驱动的调整元件的位置相一致。因此可以利用相对简单的装置来精确确定例如汽车的借助于车窗驱动可自动调整的车窗玻璃沿其在上端关闭位置和下端打开位置之间的调整路径上的玻璃位置。从反电动势中所使用的信息也可以用于限制力量过大尤其是用于实现简单可靠地防夹。

装置1包括可调的频率滤波器2-优选是可调的带通滤波器，以及具有不仅用于采集直流电动机4的电枢电流或相应的电枢电流信号I_a，也采集电动机信号-下文被称为电动机电压U_m-的装置的测试装置3。

可调带通滤波器的频率f_BW通过以下关系确定：

f_BW＝n＝k·E    (1)，以及

E＝U_m-R_a·I_a    (2)

这里，E是反电动势(反EMK，英译为back-emf)，U_m是电动机电压，R_a是直流电动机的电枢绕组的绕组电阻，Ia是下文称作电枢电流信号的电枢电流，k是电动机常数，以及n是电动机转速。

下式(3)描述了直流电动机的数学模型。

$>U_m=R_a·I_a+L_a·\frac{{\mathrm{dI}}_a}{\mathrm{dt}}+E---\left(3\right)$>

在式(3)中，项L_a·dI_a/dt给出了自感电压且E给出了互感电压(反电动势)，其中L_a是电枢绕组的绕组电感。

由此可以根据下式(4)至(5)确定电枢电流I_a变化过程，其中s是拉普拉斯算子(拉普拉斯变换)。

$>\frac{{\mathrm{dI}}_a}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{L_a}(U_m-E-R_a·I_a)---\left(4\right)$>

$>L_a\frac{{\mathrm{dI}}_a}{\mathrm{dt}}=(U_m-E)-R_a·I_a---\left(4.1\right)$>

$>L_a\frac{{\mathrm{dI}}_a}{\mathrm{dt}}+R_a·I_a=(U_m-E)---\left(4.2\right)$>

$>\frac{d}{\mathrm{dt}}\iff s---\left(4.3\right)$>

$>\frac{{\mathrm{dI}}_a}{\mathrm{dt}}\iff {\mathrm{sI}}_a---\left(4.4\right)$>

L_asI_a+R_a·I_a＝(U_m-E)    (4.5)

(L_ns+R_a)·I_a＝(U_m-E)    (4.6)

$>I_a=\frac{1}{(L_{a}s+R_a)}(U_m-E)---\left(4.7\right)$>

$>I_a=\frac{1}{(R_a+L_{a}s)}(U_m-E)---\left(4.8\right)$>

$>I_a=\frac{1/R_a}{(1+L_a/R_a*s)}(U_m-E)---\left(4.9\right)$>

$>I_a=\frac{1/R_a}{1+s{L}_a/R_a}(U_m-E)---\left(5\right)$>

$>I_e=\frac{1/R_a}{(1+{\mathrm{sL}}_a/R_a)}\left(U_m\right)---\left(6\right)$>

I_f＝I_a-I_e    (7)

在式(5)中，虽然项E(反电动势)是未知的。然而可知，那些直接从施加的电动机电压U_m获得的电流成分可以根据式(6)的关系确定。

根据式(6)可以看出，所施加的电动机电压U_m在平衡状态导致了根据关系U_e＝U_m/R_a的下文被称作修正信号的具有延迟(一阶)的信号变化过程(换向电流或接通电流)I_e以及实践常数T_a＝L_a/R_a。这符合一阶低通滤波器的滤波器特性。

根据式(7)的关系，通过求差确定滤波器输入信号I_f，其被输送到频率滤波器2的输入端5。为此具有乘法器7和减法级8的一个(第二)功能模块6被设置在频率滤波器2信号输入侧的前端。在功能模块6中，所采集的电枢电流I_a直接输送到减法级8，并且电动机电压U_m通过乘法器7输送到减法级8，在所述乘法器7中以从式(6)中得出的因子对所测量的电动机电压U_m进行加权

$>A=\frac{1/R_a}{(1+{\mathrm{sL}}_a/R_a)}$>

该项对应于低通或一阶低通功能并因此形成具有低通特性的因子A。经加权的信号A·U_m在减法级8中根据式(7)被从所采集的电枢电流信号I_a中减去。差值信号I_f，其典型的变化过程如图2和图3所示，被作为滤波器输入信号I_f输送到频率滤波器2。

输送到滤波器模块2的控制输入端9的用于确定其频率或调整其极限频率或中间频率的有效信号或控制信号S_f(反电动势信号)，根据式(1)至(2)的关系，尤其是根据依反电动势E调整了的式(3)按照关系E＝U_m-R_a×I_a+L_a×dI_a/dt通过在另一个(第一)功能模块10中求差而确定，同样地不仅电枢电流信号I_a还有电动机电压U_m都被输送到所述功能模块10中。

功能模块10还包括减法级11。分别设置乘法器12、13用于根据关系S_f＝f_BW＝n·p＝k·E以及与式(1)和(2)类似的S_f＝p/k·U_m-p/k·R_a·I_a为电动机电压U_m乘以因子p/K，以及为电枢电流信号I_a乘以因子p/K或p/k·R_a。其中，p是电动机4的极或换向器片或开槽的数量。

在所述(第一)功能模块10的输出侧可以得到的输出信号S_f显示在图4中。所述信号S_f被输送到低通滤波器14中，其输出了同样显示在图4中的控制信号S_f’。该经低通滤波的控制信号S_f’被输送到滤波器模块2的控制输入端9。

图2示出了由于频率滤波生成并且在频率滤波器或带通滤波器2的信号输出端15处可以得到的与转速成比例的输出信号I_r(纹波信号)。此外图2还示出了由反电动势推导出的并经低通滤波的滤波器输入信号I_f(也在图1中示出)。

根据式(7)的电流成分负责电动机转动。由式(5)至(7)可以看出，反电动势未知且因此不能从式(7)中导出。因此电流成分I_s与反电动势成比例。该电流成分因此不包括使得可靠地从电枢电流信号I_a中滤出电流纹波变得极其困难甚至几乎不可能的高频的接通电流峰值。

此外可以看出，成分I_f直到直流电动机4克服静摩擦之前的时刻基本上为零。这在图1中也可以看出。这个事实或者看法，即电动机电压U_m包含于滤波器输入信号I_f并因此包含于滤波器模块2的滤波操作中，提高了在所谓的纹波计数过程中计算纹波的精度。为此在滤波器模块2之后连接功能模块16(数字化模块)用于将输出信号数字化。在该数字化模块16处，在输出侧涉及汽车的调整元件的(相关)位置的信息可以在计数器输出端17处得到。

一方面将电动机电压U_m结合或者考虑到滤波器输入信号I_f中，而另一方面将其结合或者考虑到滤波器模块2的控制信号S_f中，考虑用于换向状态或接通状态的重要信息，以及其他的反映在电动机电压U_m上的电动机干扰。

对在(第一)功能模块10中确定的有效信号或控制信号S_f进行附加的低通滤波避免了错误地调整带通滤波器2的滤波频率，因此基本上也采集了每个存在的电流纹波。通过该低通滤波平滑控制信号S_f的控制频率并且稳定了带通滤波器2的滤波功能。

作为滤波器模块2的经典的带通功能的替代，其还可以利用高通滤波器和低通滤波器构造，使得高通功能的极限频率基本不变或静止，而只有低通特性的(上)极限频率根据控制信号S’_f而改变。因此滤波器模块2以有利的方式具有组合的可调整的低通滤波器和固定的高通滤波器。

电枢电流信号I_a在低通滤波器(抗假频滤波器)预滤波，因此导致假频效应的高频分量被抑制。一个相应的模拟的抗假频滤波器18设置于测试装置3之后用于继续处理电枢电流信号I_a，或者根据图5集成在(第二)功能模块6内或设置在(第二)功能模块6之前。

用于为限制力量过大-尤其为了在防夹系统中使用-而处理信号S_f(有效信号)，将该有效信号S_f输送到功能模块19。用于抑制直流电动机4的包含于信号S_f中纹波，以及附加的在电枢电流信号I_a和电动机电压U_m中高频干扰的数字低通滤波器通过单独的滤波器模块实现或者集成在低通滤波器14中。通过然后借助于相应的功能模块19对反电动势求差(Differenzierung)，通过纹波的交流分量存在于信号S_f中的反电动势E的波动被去除，因此在功能模块19输出侧可以得到所希望的与转速成比例的有效信号或用于评估的信号S_n。

因此通过计算反电动势E可以从电枢电流信号I_a中导出与转速成比例的信号，所述与转速成比例的信号一方面可以用于相对精确地对通过相应理想地调整滤波器模块2的滤波器频率为位置采集而探测的电流纹波I_r进行滤波。另一方面，所述信号S_f可以作为有效信号用于例如已经存在的基于转速的系统。因此，具有基于纹波的位置采集以及与此平行使用的基于转速的系统的系统的计算开销明显降低了。因此现存的基于转速的系统可以简单的方式转换为具有电流评估的系统。

图5示出了用于处理直流电动机4的电枢电流信号I_a的测量装置3的框图。原则上，这里电枢电流I_a借助于双继电器20和两个电流测试电阻21和22(并联电阻)采集。所述电流测试电阻后分别通过去耦电阻器23a或23b设置两个有源滤波器24a和24b(滤波器模块)。所述有源滤波器24a和24b分别包括运算放大器25a、25b以及后置连接的低通滤波器26a或26b。电路原理为具有多个负反馈的滤波器的原理。

两个滤波器或滤波器模块24a、24b形成了两个并联的测量通道或输入通道，并且可以通过其组件的参数选择匹配于特定的频率和所希望的增益。因此并联的滤波器或输入通道24a、24b通过或门27而相互逻辑地连结。因此形成用于电枢电流信号I_a的具有两个输入通道和唯一一个输出通道28的装置。

在两个输入通道中的任一个中，可以耦合极其任意的偏置Off_a、Off_b。通过使用微处理器的两个额外的数字输入输出，可以将两个偏置Off_a、Off_b的任一个重置到“0”。

因此测量装置3整体为在所示原理图中的具有两个有源滤波器24a、24b的连结的放大器电路。偏置Off_a或Off_n可以耦入输入通道24a、24b并再次断开。

基于输入通道(输入侧测量通道或测量路径)24a、24b的模拟连结，可以对在微处理器的AD转换器输入处的两个测量路径进行评估。由于转换器通道数量的减少可以实现对测量信号或电枢电流信号I_a的较高的采样率。由于使用有源滤波器，可以实现组件开销相对小以及能同时放大电枢电流信号I_a的高阶滤波特性。

基于系统原因，虽然每个单独的输入通道24a、24b足够用来描述处于各个状态的电枢电流。然而在电动机的发电模式下还可能出现负电流。为了可以通过所描述的测量装置3的测量电路采集这些状态，在输入出耦入偏置Off_a、Off_b。尽管两个放大器模块25a、25b并联，电枢电流信号I_a可以两个离散通道的形式被获取并处理。这里物理上必须在另一个点进行测量。

由于在测量装置3的所描述的测量系统中分别只有一个输入路径24a、24b可以具有有效的信号，不能使用的输入可以利用微处理器的管脚转换到不激活的状态。由于使用任意的偏置Off_a、Off_b，因此在测量值中可以测量任意的负电流，并且还可以只在输出通道28处可选择地测量通过两个输入通道24a、24b之一输送的电流值或电流变化过程。

为了处理直流电动机4-尤其汽车的调整驱动装置的直流电动机4-的电动机信号I_a、U_m，根据本发明采集直流电动机4的电枢电流I_a和电动机电压U_m，用于确定直流电动机4的反电动势E。结合所确定的反电动势E，从电枢电流信号I_a中产生-尤其与转速成比例的-有效信号S_f、S’_f和/或S_n，用于位置采集或用于限制力量过大的评估。

附图标记列表

1       装置

2       带通滤波器/频率滤波器

3       测量装置

4       直流电动机

5       信号输入端

6       (第二)功能模块

7       乘法器

8       减法级

9       控制输入端

10      (第一)功能模块

11      减法级

12      乘法器

13      乘法器

14      低通滤波器

15      信号输出端

16      功能模块/数字化模块

17      计数器输出端

18      低通滤波器/抗假频滤波器

19      功能模块

20      双继电器

21      电流测量电阻/并联电阻

22      电流测量电阻/并联电阻

23a、b  去耦电阻

24a、b  滤波器/输入通道

25a、b  运算放大器

26a、b  低通

27      或门

28      输出通道

I_a      电枢电流/电枢电流信号

I_f      滤波器输入信号

I_r      滤波器输出信号

S_f      控制信号/有效信号

S_f’    控制信号

S_n      有效信号信号

U_m      电动机电压/电动机电压信号