专利名称：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的制作方法
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DD2M254A1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(aumt)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 ΚΒ)，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η个纹波进行，其中，η对应于换向器开槽的个数。对于采样值适用Ul = E纹波 nsin (2 π ft) +E1
“之二芯纹波^““卩劝十灼+乓对于 = 2mΔΕ = u2-ulΔΕ = 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-EfTekt)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Um = RaXIa+LaXdIa/dt+E电学 公式的数学模型推导而来。这里，Um是电动机电压，RaX Ia是直流电动机的电枢电阻和电枢 电流的乘积，LaXdIa/dt是自感(自感电压)和绕组电感La，ΔΕ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。
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。
具体实施例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Ia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 ( ΚΒ),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Ia，也采集电动机信号-下文被称为电 动机电压Um-的装置的测试装置3。可调带通滤波器的频率fBW通过以下关系确定fBff = η = k · E (1)，以及E = Uffl-Ra - Ia (2)这里，E是反电动势(反EMK，英译为back-emf)，Um是电动机电压，Ra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 η是电动机转速。下式(3)描述了直流电动机的数学模型。
权利要求
1.一种用于处理直流电动机⑷的电动机信号(Ia，UJ的方法，尤其是用于处理汽车 的调整驱动装置的直流电动机⑷的电动机信号(Ia，um)的方法，其中直流电动机⑷的电 枢电流或电枢电流信号(Ia)和电动机电压(Um)被采集并且用于确定直流电动机⑷的反 电动势(E)，并且根据所确定的反电动势(E)由电枢电流信号(Ia)产生有效信号(Sf、StjKB )，该有效信号尤其是与转速成比例的。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电枢电流信号(Ia)被输送给频率滤波 器(2)，所述频率滤波器(2)产生与转速成比例的输出信号(I》。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，由所述反电动势(E)确定的控制信号(S/) 被输送给所述频率滤波器(2)。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，由所述电枢电流信号(Ia)和电动机电 压(Um)推导出的滤波器输入信号(If)被输送给所述频率滤波器(2)。
5.如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，由所采集的电枢电流信号(Ia)与 电枢电阻(Ra)的乘积以及所采集的电动机电压(Um)确定所述反电动势(E)。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电动机电压(Um)以低通特性的因子(A) 加权并由此推导出修正信号(Ie)，其中所述滤波器输入信号(If)由电枢电流信号(Ia)和所 述修正信号(Ie)的差值产生。
7.如权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，所述有效信号(Sf)被输送给低通 滤波器(14)。
8.如权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，低通滤波后的控制信号(S/)被 输送给可控的频率滤波器(2)。
9.如权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，所述电枢电流信号(Ia)在低通滤 波器(17)中被预滤波。
10.如权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，借助于两个电流采集元件(21、 22)采集所述电枢电流信号(Ia)，并且所述电枢电流信号(Ia)被输送给具有两个输入通道 (24a,24b)和单独一个输出通道(28)的滤波器模块，所述两个输入通道(24a、24b)优选是 逻辑连结的。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述两个输入通道(24a、24b)由两个滤波 器构成，所述两个滤波器尤其是并联连接的和/或是有源的。
12.一种用于处理直流电动机⑷的电枢电流信号(Ia)的装置(1)，尤其是用于处理 汽车的调整驱动装置的直流电动机(4)的电枢电流信号(Ia)的装置(1)，包括用于采集所 述直流电动机⑵的电枢电流信号(Ia)和电动机电流或电动机电压信号(Um)的测量装置 (3)，并且包括用于由所述直流电动机⑷的反电动势(E)确定有效信号(Sf)的(第一)功 能组件(10)，所述有效信号尤其与转速成比例。
13.如权利要求12所述的装置(1)，包括具有控制输入端(9)、信号输入端(5)和信号 输出端(15)的可控频率滤波器(2)，其中与转速成比例的所述有效信号(Sf)作为控制信号 (S’ f)被输送到所述控制输入端(9)，由电枢电流信号(Ia)和电动机电压(Um)推导出的滤 波器输入信号(If)被输送到所述信号输入端(5)，并且在所述信号输出端(15)处能够得到 根据包含在滤波器输入信号(If)中的电流纹波产生的输出信号(Ir)。
14.如权利要求13所述的装置(1)，包括输出侧通向所述频率滤波器(2)的信号输入端(5)的(第二)功能模块(6)，用于产生所述滤波器输入信号(If)。
15.如权利要求14所述的装置(1)，其特征在于，所述(第二)功能模块(6)产生与所 述反电动势(E)成比例的电流信号(If)。
16.如权利要求14或15所述的装置(1)，其特征在于，所述(第二)功能模块(6)具 有减法级(8)的功能，用于确定所述电枢电流信号(Ia)和具有低通特性的修正信号(Ie)之 间的差值。
17.如权利要求14至16之一所述的装置(1)，其特征在于，所述(第二)功能模块(6) 具有根据关系Ie = A ·υω的乘法器的功能，其中J = + 1I对应于一阶低通功能，s 是所述电枢电流的时间导数(dla/dt)，Ra是欧姆的绕组电阻，La是所述直流电动机(4)的 绕组电感。
18.如权利要求12至17之一所述的装置(1)，其特征在于，在所述(第一)功能模块 (10)之后设置低通滤波器(14)。
19.如权利要求12至18之一所述的装置(1)，其特征在于，所述测量装置(3)具有两个 电流采集元件(21、22)和一个具有两个用于所述电枢电流信号(Ia)的输入通道(24a、24b) 和单独一个输出通道(28)的有源滤波器。
20.如权利要求19所述的装置(1)，其特征在于，所述两个输入通道(24a、24b)逻辑地 连结，优选地通过逻辑连结通向所述输出通道(28)，其中所述两个输入通道(24a、24b)尤 其是通过逻辑“或”门(27)逻辑地连结。
全文摘要
用于处理直流电动机(4)的电动机信号(Ia，Um)，尤其是处理汽车的调整装置的电动机信号(Ia，Um)，采集直流电动机(4)的电枢电流或电枢电流信号(Ia)和电动机电压(Um)，用于确定直流电动机(4)的反电动势(E)，其中根据所确定的反电动势(E)，从电枢电流信号(Ia)中产生-尤其与转速成比例的-有效信号(Sf、)，用于位置采集和/或用于评估限制力量过大。
文档编号H02P7/28GK102150355SQ200980135249
公开日2011年8月10日 申请日期2009年8月18日 优先权日2008年9月12日
发明者D·罗斯, J·克内热维奇, S·德尔斯特勒尔, T·富彻斯, W·乌贝 申请人:博泽汽车零件哈尔施塔特有限责任两合公司