使用無(wú)刷電機(jī)和電子部件的簡(jiǎn)單組合件、用于驅(qū)動(dòng)外部構(gòu)件的機(jī)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(wú)刷直流（英語(yǔ)為brushless或BLDC)電機(jī)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(gè)供電線對(duì)電機(jī)供電的情況下控制這種電 機(jī)的方法。
[0002] 對(duì)機(jī)電一體化致動(dòng)器的需要在許多活動(dòng)領(lǐng)域中越來(lái)越急迫，并且環(huán)境越來(lái)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(jī)上增 加許多附加物。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸減小以及外圍功能的豐富使可用空間越來(lái)越小。事實(shí)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(jī)械限制（溫度、振動(dòng)和可用空間）。
[0003] 因此，提出面對(duì)這些限制越來(lái)越魯棒的系統(tǒng)變得很重要。無(wú)刷直流（BLDC)電機(jī)技 術(shù)是對(duì)這些限制的一種回應(yīng)，但經(jīng)常受到對(duì)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(diǎn)。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(jìng)爭(zhēng)性更強(qiáng)的領(lǐng)域，許多機(jī)電一體化功能在與傳動(dòng)裝置相關(guān) 聯(lián)的無(wú)刷直流電機(jī)的技術(shù)環(huán)境中已經(jīng)失敗了。事實(shí)上，對(duì)于系統(tǒng)成本問題，有刷直流電機(jī) (BDC)通常比無(wú)刷直流電機(jī)（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?yàn)闆]有微處理器，降低了電子成本。使其更具說(shuō)服力的事實(shí) 是，用于車輛的許多電子控制單元（ECU)配備有用于單相致動(dòng)器（直流電機(jī)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(huì)為純粹出于經(jīng)濟(jì)原因而不能使用與直流電機(jī)相比具有無(wú)比 優(yōu)勢(shì)的技術(shù)而遺憾。BLDC的優(yōu)勢(shì)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(guò)避免對(duì)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(chǎng)上推出產(chǎn)品。
【背景技術(shù)】
[0007] 相當(dāng)數(shù)量的功能，無(wú)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(dòng) 的伺服定位的系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)可能是氣動(dòng)的、液壓的或電驅(qū)動(dòng)的。在本發(fā)明的上下文中， 僅考慮電致動(dòng)器。在本發(fā)明中，術(shù)語(yǔ)"致動(dòng)器"是指由以下部件形成的組合件：電機(jī)；可能有 的用于檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置的檢測(cè)裝置；可能有的運(yùn)動(dòng)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(dòng)器：
[0009] _所謂的笨"致動(dòng)器或非智能致動(dòng)器。圖1示出了這樣的致動(dòng)器（2)，其包括有刷 直流電機(jī)（20)以及位置傳感器（7)，該位置傳感器可以概括為與滑動(dòng)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(dú)的電子單元（1)中。
[0010] -所謂的"聰明"致動(dòng)器或智能致動(dòng)器。該致動(dòng)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(dòng)器由脈寬調(diào)制（PWM)信號(hào)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(duì)于接近內(nèi)燃機(jī)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(jiǎn)要示出，ECU(l)讀取由耦接到致動(dòng)器（2)的機(jī)械輸出 (12) 的位置傳感器（7)提供的位置信號(hào)，然后計(jì)算施加到有刷直流電機(jī)（20)的轉(zhuǎn)矩和方向 信號(hào)（6)。機(jī)械輸出（12)耦接到要被移動(dòng)的外部構(gòu)件（未示出），例如閥門或針閥。電機(jī) (20)上的動(dòng)作經(jīng)由機(jī)械減速器級(jí)或（旋轉(zhuǎn)到直線）運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器傳到致動(dòng)器（2)的機(jī)械輸出
[12] 。因此，該閉環(huán)能夠?qū)χ聞?dòng)器（2)的機(jī)械輸出（12)進(jìn)行位置伺服控制。在ECU(l)和 致動(dòng)器⑵之間的連接（3)很少：用于有刷直流電機(jī)（20)的2根線一這2根線之間的差分 信號(hào)可以是正信號(hào)或負(fù)信號(hào)；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(hào)和一根用于位置信號(hào)。直流電機(jī)（20)響應(yīng)于由ECU(l)經(jīng)由由4個(gè)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(hào)（6)。
[0013] 專利US005773941描述了能夠使用2根線單向控制三相無(wú)刷直流電機(jī)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(hào)線。外部電源提供可以是連續(xù)信號(hào)或 斬波信號(hào)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)。換相電子器件是由從轉(zhuǎn)矩信號(hào)獲取能量的可充電電源供電。
[0014] 無(wú)論工業(yè)還是汽車應(yīng)用，無(wú)刷直流電機(jī)是目前廣泛應(yīng)用和優(yōu)選使用的，因?yàn)榕c專 利US4365187(列1行9)中描述的直流電機(jī)相比具有優(yōu)勢(shì)。這種類型的無(wú)刷電機(jī)的優(yōu)勢(shì)是 具有一個(gè)線圈或2個(gè)半線圈的單相無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)?？梢约稍陔姍C(jī)附近或甚至電機(jī)的 殼中的簡(jiǎn)單電子器件基于由一個(gè)或兩個(gè)霍爾效應(yīng)探測(cè)器提供的信號(hào)管理所述電機(jī)的自動(dòng) 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(dòng)器受到各種各樣的而且越來(lái)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(duì)電機(jī)進(jìn)行控制和對(duì)致動(dòng)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(guò) 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?yàn)橹聞?dòng)器不包括任何復(fù)雜和敏感 的電子部件。然而，這樣的致動(dòng)器使用有刷直流電機(jī)，工業(yè)上講，有刷直流電機(jī)的性能和緊 湊性不如無(wú)刷直流電機(jī)，無(wú)刷直流電機(jī)還具有壽命遠(yuǎn)長(zhǎng)于傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)的壽命的巨大 優(yōu)勢(shì)。本領(lǐng)域技術(shù)人員承認(rèn)，有刷直流電機(jī)是電磁干擾源，這在越來(lái)越多地由電子系統(tǒng)和計(jì) 算機(jī)占據(jù)的環(huán)境中是敏感點(diǎn)。
[0019] 多相無(wú)刷直流電機(jī)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(jī)，從而有為 電機(jī)供電的3個(gè)連接點(diǎn)。用于定位應(yīng)用的無(wú)刷直流電機(jī)的自動(dòng)換相需要3個(gè)探測(cè)器用于確 定電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。設(shè)計(jì)具有無(wú)刷直流電機(jī)而非有刷直流電機(jī)的"笨"致動(dòng)器需要使用適 于并且被設(shè)計(jì)用于控制三相電機(jī)的ECU，即具有6個(gè)晶體管和與轉(zhuǎn)子探測(cè)器連接的5個(gè)連接 點(diǎn)的三相橋。位置伺服控制系統(tǒng)需要電機(jī)旋轉(zhuǎn)的雙向控制，這不能通過(guò)專利US005773941 中描述的、輸入（該文獻(xiàn)中標(biāo)記為22)僅接受一個(gè)極性的發(fā)明來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0020] 諸如專利US4365187中描述的大多數(shù)單相的無(wú)刷直流電機(jī)的其他應(yīng)用主要用于 僅需一個(gè)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(guò)幾何形狀或探測(cè)器的 定位，電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)被設(shè)計(jì)成確保電機(jī)在優(yōu)選旋轉(zhuǎn)方向上正確啟動(dòng)。其結(jié)果是，單相無(wú)刷 直流電機(jī)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(shí)現(xiàn)電機(jī)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(jī)械輸出的運(yùn)動(dòng) 變換系統(tǒng)而定可以是直線或旋轉(zhuǎn)類型的致動(dòng)器。絕對(duì)傳感器測(cè)量致動(dòng)器的機(jī)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(jī)的系統(tǒng)一致的現(xiàn)有元件，但是 由無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的致動(dòng)器。致動(dòng)器經(jīng)由連接器連接到控制系統(tǒng)，該連接器將來(lái)自位置 傳感器的模擬和/或數(shù)字信號(hào)，以及由BLDC電機(jī)產(chǎn)生的方向和轉(zhuǎn)矩組成的信號(hào)，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(jī)的轉(zhuǎn)子的位置的N個(gè)探測(cè)器管 理電機(jī)的N個(gè)相的自動(dòng)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(wú)刷直流電機(jī)代替 有刷直流電機(jī)，同時(shí)保持使用可逆多相電機(jī)以及在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向上控制電機(jī)的可能性。因 此，本發(fā)明應(yīng)用于具有N個(gè)相的任何多相電機(jī)。
[0025]