使用無刷電機和電子部件的簡單組合件、用于驅(qū)動外部構(gòu)件的機電一體化部件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及多相無刷直流（英語為brushless或BLDC)電機領(lǐng)域。更具體地，本 發(fā)明涉及一種在不使用微處理器并且僅需要兩個供電線對電機供電的情況下控制這種電 機的方法。
[0002] 對機電一體化致動器的需要在許多活動領(lǐng)域中越來越急迫，并且環(huán)境越來越嚴(yán) 峻。汽車領(lǐng)域也不例外，原始設(shè)備制造商（OEM)出于減少污染物排放的需要，在內(nèi)燃機上增 加許多附加物。此外，發(fā)動機尺寸減小以及外圍功能的豐富使可用空間越來越小。事實上， 需要安裝外圍功能的環(huán)境具有非常嚴(yán)重的熱限制和機械限制（溫度、振動和可用空間）。
[0003] 因此，提出面對這些限制越來越魯棒的系統(tǒng)變得很重要。無刷直流（BLDC)電機技 術(shù)是對這些限制的一種回應(yīng)，但經(jīng)常受到對控制電子器件的需求的限制。電子器件快速變 成了確保高溫系統(tǒng)的壽命的關(guān)鍵點。從而需要發(fā)展優(yōu)化和創(chuàng)新的解決方案。
[0004] 此外，汽車領(lǐng)域總是競爭性更強的領(lǐng)域，許多機電一體化功能在與傳動裝置相關(guān) 聯(lián)的無刷直流電機的技術(shù)環(huán)境中已經(jīng)失敗了。事實上，對于系統(tǒng)成本問題，有刷直流電機 (BDC)通常比無刷直流電機（BLDC)更受歡迎，這特別地并且主要地出于控制容易的原因， 但也是出于電子成本的原因，因為沒有微處理器，降低了電子成本。使其更具說服力的事實 是，用于車輛的許多電子控制單元（ECU)配備有用于單相致動器（直流電機或者極化或非 極化的螺旋管）的雙向控制的功率橋（稱為"H橋"）。
[0005] 然而，工程師們可能會為純粹出于經(jīng)濟(jì)原因而不能使用與直流電機相比具有無比 優(yōu)勢的技術(shù)而遺憾。BLDC的優(yōu)勢包括：魯棒性、低磨損、電磁兼容性、緊湊性等。
[0006] 使用現(xiàn)有的E⑶，還能夠通過避免對新的控制和調(diào)節(jié)軟件的調(diào)試和確認(rèn)，從而加 速在市場上推出產(chǎn)品。
【背景技術(shù)】
[0007] 相當(dāng)數(shù)量的功能，無論在汽車領(lǐng)域還是在其他領(lǐng)域，都需要允許進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或平動 的伺服定位的系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)可能是氣動的、液壓的或電驅(qū)動的。在本發(fā)明的上下文中， 僅考慮電致動器。在本發(fā)明中，術(shù)語"致動器"是指由以下部件形成的組合件：電機；可能有 的用于檢測電機轉(zhuǎn)子的位置的檢測裝置；可能有的運動轉(zhuǎn)換裝置；輸出位置傳感器；換相 電子器件；以及連接器。
[0008] 可以找到兩種主要類型的致動器：
[0009] _所謂的笨"致動器或非智能致動器。圖1示出了這樣的致動器（2)，其包括有刷 直流電機（20)以及位置傳感器（7)，該位置傳感器可以概括為與滑動觸頭相關(guān)聯(lián)的電阻性 軌道。負(fù)責(zé)位置伺服控制的智能部分位于本領(lǐng)域技術(shù)人員稱為ECU(電子控制單元）的單 獨的電子單元（1)中。
[0010] -所謂的"聰明"致動器或智能致動器。該致動器包括負(fù)責(zé)位置伺服控制功能的微 控制器。通常，這種類型的致動器由脈寬調(diào)制（PWM)信號或汽車領(lǐng)域中公認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的LIN 或CAN通信總線控制。
[0011] 對于接近內(nèi)燃機的汽車應(yīng)用，例如渦輪系統(tǒng)的閥門"廢氣門"（wastegate)，出于電 子部件尤其微控制器的高溫兼容性的原因，"笨"解決方案遠(yuǎn)優(yōu)于"聰明"解決方案。
[0012] 在笨解決方案中，如圖1中簡要示出，ECU(l)讀取由耦接到致動器（2)的機械輸出 (12) 的位置傳感器（7)提供的位置信號，然后計算施加到有刷直流電機（20)的轉(zhuǎn)矩和方向 信號（6)。機械輸出（12)耦接到要被移動的外部構(gòu)件（未示出），例如閥門或針閥。電機 (20)上的動作經(jīng)由機械減速器級或（旋轉(zhuǎn)到直線）運動轉(zhuǎn)換器傳到致動器（2)的機械輸出
[12] 。因此，該閉環(huán)能夠?qū)χ聞悠鳎?)的機械輸出（12)進(jìn)行位置伺服控制。在ECU(l)和 致動器⑵之間的連接（3)很少：用于有刷直流電機（20)的2根線一這2根線之間的差分 信號可以是正信號或負(fù)信號；以及用于位置傳感器（7)的3根線一包括一根地線、一根用 于供電的正信號和一根用于位置信號。直流電機（20)響應(yīng)于由ECU(l)經(jīng)由由4個晶體管 (15a，15b，15c，15d)組成的稱為"H橋"（見圖24)的功率橋提供的轉(zhuǎn)矩和方向信號（6)。
[0013] 專利US005773941描述了能夠使用2根線單向控制三相無刷直流電機的發(fā)明，2根 線中的1根是參考線（接地或0V)，另1根是轉(zhuǎn)矩信號線。外部電源提供可以是連續(xù)信號或 斬波信號的轉(zhuǎn)矩信號。換相電子器件是由從轉(zhuǎn)矩信號獲取能量的可充電電源供電。
[0014] 無論工業(yè)還是汽車應(yīng)用，無刷直流電機是目前廣泛應(yīng)用和優(yōu)選使用的，因為與專 利US4365187(列1行9)中描述的直流電機相比具有優(yōu)勢。這種類型的無刷電機的優(yōu)勢是 具有一個線圈或2個半線圈的單相無刷直流電機結(jié)構(gòu)?？梢约稍陔姍C附近或甚至電機的 殼中的簡單電子器件基于由一個或兩個霍爾效應(yīng)探測器提供的信號管理所述電機的自動 換相。
[0015] 現(xiàn)有技術(shù)的缺陷
[0016] 汽車引擎罩下功能電氣化的增加，使得電致動器受到各種各樣的而且越來越嚴(yán)酷 的限制，尤其是在承受高于125°c的環(huán)境溫度方面。
[0017] 搭載對電機進(jìn)行控制和對致動器的位置伺服所需的微控制器和/或復(fù)雜電子器 件的現(xiàn)有"聰明"系統(tǒng)在環(huán)境溫度方面受到限制。經(jīng)濟(jì)上"可行的"組件類型不能夠跨過 125°C的限制并且經(jīng)常需要昂貴的冷卻裝置。
[0018] 現(xiàn)有的"笨"系統(tǒng)本身與期望的環(huán)境溫度兼容，因為致動器不包括任何復(fù)雜和敏感 的電子部件。然而，這樣的致動器使用有刷直流電機，工業(yè)上講，有刷直流電機的性能和緊 湊性不如無刷直流電機，無刷直流電機還具有壽命遠(yuǎn)長于傳統(tǒng)有刷直流電機的壽命的巨大 優(yōu)勢。本領(lǐng)域技術(shù)人員承認(rèn)，有刷直流電機是電磁干擾源，這在越來越多地由電子系統(tǒng)和計 算機占據(jù)的環(huán)境中是敏感點。
[0019] 多相無刷直流電機的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)之一是具有星形或三角連接的三相電機，從而有為 電機供電的3個連接點。用于定位應(yīng)用的無刷直流電機的自動換相需要3個探測器用于確 定電機轉(zhuǎn)子的位置。設(shè)計具有無刷直流電機而非有刷直流電機的"笨"致動器需要使用適 于并且被設(shè)計用于控制三相電機的ECU，即具有6個晶體管和與轉(zhuǎn)子探測器連接的5個連接 點的三相橋。位置伺服控制系統(tǒng)需要電機旋轉(zhuǎn)的雙向控制，這不能通過專利US005773941 中描述的、輸入（該文獻(xiàn)中標(biāo)記為22)僅接受一個極性的發(fā)明來實現(xiàn)。
[0020] 諸如專利US4365187中描述的大多數(shù)單相的無刷直流電機的其他應(yīng)用主要用于 僅需一個旋轉(zhuǎn)方向的風(fēng)扇或泵。如上述專利的列5行3中描述，通過幾何形狀或探測器的 定位，電機的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)被設(shè)計成確保電機在優(yōu)選旋轉(zhuǎn)方向上正確啟動。其結(jié)果是，單相無刷 直流電機及其控制電子部件不適于作為本發(fā)明主題的定位應(yīng)用，本發(fā)明的應(yīng)用需要不斷地 校正位置，以實現(xiàn)電機的雙向旋轉(zhuǎn)。
[0021] 本發(fā)明的解決方案
[0022] 本發(fā)明涉及一種由能量源供電的控制系統(tǒng)以及一種根據(jù)施加到機械輸出的運動 變換系統(tǒng)而定可以是直線或旋轉(zhuǎn)類型的致動器。絕對傳感器測量致動器的機械輸出處的、 由控制系統(tǒng)伺服控制的角位置或直線位置。
[0023] 本發(fā)明的目的是提出一種保留與基于有刷直流電機的系統(tǒng)一致的現(xiàn)有元件，但是 由無刷直流電機驅(qū)動的致動器。致動器經(jīng)由連接器連接到控制系統(tǒng)，該連接器將來自位置 傳感器的模擬和/或數(shù)字信號，以及由BLDC電機產(chǎn)生的方向和轉(zhuǎn)矩組成的信號，組合在一 起。
[0024] 耐受高溫（>125°C)的基本電子電路借助指示電機的轉(zhuǎn)子的位置的N個探測器管 理電機的N個相的自動換相。下面描述的解決方案的目的是提出一種解決上述問題的折中 技術(shù)方案：提出一種不需要任何微處理器的經(jīng)濟(jì)的解決方案，能夠使用無刷直流電機代替 有刷直流電機，同時保持使用可逆多相電機以及在兩個旋轉(zhuǎn)方向上控制電機的可能性。因 此，本發(fā)明應(yīng)用于具有N個相的任何多相電機。
[0025]