專利名稱：用于避免由旋轉部件激發的共振的系統及方法
用于避免由旋轉部件激發的共振的系統及方法
背景技術：
由于多個旋轉速度下的激發作用力，旋轉部件會激發它們自身或者附近部件的結構性共振。這些共振導致不期望的振動和噪聲，從而引起附近人員的不適并且降低了受影響部件的耐用性和性能。由此，系統的特征在于，激發共振的速度得以避免。避免共振減小了噪聲和振動以及所引起的機械損壞。然而，由于制造差異、溫度變化環境下溫度敏感塑料的使用、或者不知道最終旋轉部件附接到何處，許多系統的共振不能夠完全地特征化，以及不能夠實現先期手段來避免共振。
發明內容
許多發動機冷卻風扇使用塑料制成，該塑料具有隨著濕度和/或溫度改變而變化的材料特性。由此，在固定溫度和濕度水平對這些風扇的共振進行特征化導致系統的特征與風扇暴露于不同環境條件下時的實際系統有所不同。發動機冷卻風扇共振會隨著溫度、塑料水分含量、制造差異、和/或汽車動力學特性的改變而在頻率和聲學意義方面發生轉變。共振可由不平衡作用力、頓轉扭矩(coggingtorque)、電磁作用力、換向現象、以及空氣動力學葉片作用力而被激發。當發動機冷卻風扇在共振下運轉時，振動、噪聲以及磨損增加，從而通常導致顧客抱怨以及產品重新設計。風扇僅僅能夠被設計成在非常特定的一組環境條件下結構上安靜。由于風扇的變化的特性，風扇通常基于實際運轉情況下塑料的剛度和阻尼而比設計目標完成得更好或更差。因此，需要的是連續地確定以及避免旋轉部件的共振速度的方法，從而避免正常運轉下的共振以及改善部件的噪聲、振動和/或耐用性能。本發明涉及一種系統和方法，所述系統和方法連續地確定以及避免一定情況下(例如部件的環境，如溫度、濕度等；以及與其它部件如散熱器、汽車底盤等之間的關系)由旋轉部件激發的共振頻率。在一個實施例中，本發明提供了一種用于操作旋轉部件的系統。該系統包括旋轉部件、驅動旋轉部件的電機、探測與旋轉部件相關的激勵的傳感器、以及包括存儲器的控制器。控制器存儲用于旋轉部件的多種運轉速度的激勵的幅度(magnitude)的表征,并且從傳感器接收激勵的幅度的指示。控制器基于存儲的幅度來確定哪些運轉速度代表共振頻率，并且當控制器確定旋轉部件以共振頻率運轉時調節旋轉部件的速度。在另一個實施例中，本發明提供了一種操作旋轉部件的方法。該方法包括使旋轉部件旋轉；探測激勵，該激勵與噪聲和振動中的至少一種相關；確定旋轉部件的運轉情況；記錄下激勵的幅度以及旋轉部件的運轉情況；確定旋轉部件的運轉情況在激發共振；以及調節旋轉部件的運轉情況從而避免共振。在另一個實施例中，本發明提供了一種包括發動機冷卻風扇的車輛。該車輛包括控制模塊、發動機冷卻風扇、驅動發動機冷卻風扇的電機、探測與發動機冷卻風扇相關的激勵的傳感器、以及聯接到控制模塊的電機控制器。電機控制器基于來自控制模塊的指示來控制電機，從而使發動機冷卻風扇旋轉。電機控制器還從傳感器接收激勵的幅度的指示并且當激勵指示出發動機冷卻風扇在共振頻率下運轉時調節發動機冷卻風扇的速度。通過考慮詳細描述以及附圖，本發明的其它方面將會變得清楚。
圖1是用于避免旋轉部件在共振頻率下運轉的系統的實施例的框圖。圖2是顯示出當旋轉部件的速度隨著時間流逝而增加時由旋轉部件所引起的測得的激勵的低通濾波后的幅度的曲線圖。圖3是顯示出當旋轉部件的速度隨著時間流逝而增加時由旋轉部件所引起的測得的激勵的中頻帶通濾波后的幅度的曲線圖。圖4是顯示出當旋轉部件的速度隨著時間流逝而增加時由旋轉部件所引起的測得的激勵的高頻帶通濾波后的幅度的曲線圖。圖5是由旋轉部件所引起的測得的激勵相對于由激發作用力引起的期望趨勢的回歸曲線的曲線圖。
具體實施例方式在詳細說明本發明的任意實施例之前，應當理解的是，本發明的應用沒有受限于接下來描述中提出的或者附圖中表示的構造細節以及部件設置。本發明能夠具有其它實施例并且能夠以不同方式實施或者完成。圖1顯示了用于操作旋轉部件105 (例如發動機冷卻風扇)的系統100。系統100確定旋轉部件105是否在共振頻率下運轉，并且當旋轉部件105在共振頻率下運轉或者以與其它部件發生共振的速度運轉時調節旋轉部件105的速度。在所示實施例中，系統100包括由電機110驅動的發動機冷卻風扇105、電機控制器115、以及傳感器120。傳感器120是能夠探測共振的傳感器，例如振動傳感器(例如加速度計)、壓力傳感器(例如聲壓傳感器如MEMS麥克風)、或者應變/位移傳感器。電機控制器115包括處理器125 (例如微處理器、微控制器、ASIC、DSP等等)以及存儲器130 (例如閃存、ROM、RAM、EEPROM等)，該存儲器可以在處理器125的內部、在處理器125的外部、或者是兩者的結合。電機控制器115還包括其它電路，例如輸入/輸出電路以及通訊電路。在所示實施例中，發動機控制器135從溫度傳感器140接收發動機溫度的指示。發動機控制器135向電機控制器115提供信號，指示出需要發動機冷卻(例如發動機的溫度超過閾值、空調系統打開增加了發動機的額外負載，等等)。在部分實施例中，電機控制器115直接地聯接到溫度傳感器140并且基于從溫度傳感器140接收的信號來使冷卻風扇105運轉。在部分實施例中，來自于發動機控制器135的信號指示用于使發動機風扇105運轉的運轉速度。電機控制器115將電機110提速(ramp)至運轉速度(例如從零到運轉速度)，從而旋轉發動機冷卻風扇105并冷卻發動機。傳感器120持續地探測激勵(例如振動或壓力)并且將指示探測到的激勵的幅度的信號提供給電機控制器115。電機控制器115將探測到的激勵以及電機110/風扇105的對應速度(例如每分鐘的轉數)記錄在存儲器130中。使用記錄的數據，電機控制器115確定運轉速度是否與風扇105的共振頻率相一致。如果運轉速度與風扇105的共振頻率相一致，那么電機控制器115調節運轉速度更快或者更慢，從而使得風扇105以不與風扇105的共振頻率相一致的速度運轉，從而降低風扇105以及其它部件(例如散熱器等等)的噪聲、振動以及磨損。在部分實施例中，電機110的速度并非已知的，例如對于在脈寬調制(PWM)控制下運轉的有刷DC電機。在使用電機110的PWM控制的實施例中，使用濾波器來獲得對于不同臨界頻帶而目、PWM占空比與響應幅值之間的關系。臨界頻帶可被加權重從而考慮人體感知(例如為人體聽覺范圍內的頻帶提供更大的權重)。由此，不會引起人體不適的臨界頻帶能夠具有減小的對共振進行校正的水平，但仍會考慮對于部件的磨損和性能的影響。在一個實施例中，風扇105上的不平衡作用力(即第一次序激發(first orderexcitation))在低頻出現。電機控制器115使用低通或帶通濾波器來探測傳感器120的一組響應幅值，所述濾波器的截止頻率稍稍高于風扇105的最大運轉RPM。追蹤響應幅值與PWM占空比的比較能夠識別出哪些占空比下會發生共振。例如，圖2顯示了隨著時間流逝傳感器120的低通濾波后的信號的曲線圖(例如當風扇提速到最大速度時)。如可以在曲線圖中看到的，共振在大約45秒時發生。在這個點上實時地控制電機110的PWM信號的占空比是導致系統共振的占空比。由此，當風扇105以低速運轉時，能夠通過改變風扇速度(即增加或者降低占空比)而使得識別出的占空比得以避免。由于由電機110所激發的風扇105的共振，通常存在一種或多種噪聲源。通常，這些噪聲源落入250-700HZ范圍內。圖3顯示了用于識別這個范圍內的共振的帶通濾波器。此外，當識別出共振時，對應的PWM占空比能夠得以避免。更高的頻率噪聲源可能由于內部電機共振而發生。此外，帶通濾波器被用于識別出這個范圍內的共振。例如，圖4顯示了隨著時間流逝來自傳感器120的1000-1500HZ帶通濾波后的信號的曲線圖(例如當使風扇提速時)，以便捕獲內部電機共振。如可以在曲線圖中看到的，在大約220和240秒處發生一對共振。在這些點上實時地控制電機110的PWM信號的占空比是導致系統中共振的占空比。由此，當風扇105在高速下運轉時，識別出的占空比能夠通過改變風扇速度、再一次通過增加或者降低占空比而得以避免。在風扇105的速度已知的實施例中(例如電子整流電動機)，或者當電機控制器的信號處理能力能夠通過傳感器120確定風扇速度時(例如,使用基于模型的濾波器，Kalman濾波器等)，電機110的實際速度可被調節從而避免共振，而不是調節PWM信號的占空比。在部分實施例中，共振頻率通過直接計算(例如離散傅里葉變換(DFT))來確定。對于單個頻率的振動水平能夠通過使用DFT來確定。在部分實施例中，數字濾波器(例如有限脈沖響應濾波器)被用于獲得特定頻率帶寬的振動水平。對于給定速度或者占空比的振動水平被存儲在表中。振動水平與預先確定的閾值相對比，從而確定振動水平是否對應于共振頻率。預先確定的閾值能夠基于針對激發作用力相比風扇105的速度的已知比例的比較關系來確定。由此，當相比期望的響應超出了預先確定的量的振動水平以及共振發生的速度能夠避免時，識別出共振頻率。該表能夠連續地升級或者能夠在每當系統開啟時產生。用于升級表的數據能夠被過濾、加權重、或者未經加工。此外，能夠基于各種運轉情況(例如溫度、濕度等)而保持多個表。在部分實施例中，這些表可以是基于模型的濾波器。在部分實施例中，振動水平相對于RPM或PWM占空比的斜率被用于識別出共振頻率，并且確定是否增加或降低旋轉部件105的速度，從而避免共振頻率。返回到圖2，該曲線圖顯示了隨著旋轉部件105的速度增加所探測到的激勵的幅度。對于χ軸上的每個時刻，都有對應的速度。在圖2的曲線圖中，旋轉部件105對于與大約44秒和大約46秒之間的時間段相關聯的速度而言在共振頻率下運轉，其中峰值共振頻率在與大約45秒相關聯的速度時發生。在大約44秒到大約45秒的時間段期間，激勵的斜率是明顯正的，而在大約45秒到大約46秒的時間段期間，激勵的斜率是負的。如果旋轉部件105在與顯著正的斜率相關聯的速度下運轉(即大約44秒到大約45秒的時間段)，則電機控制器115降低旋轉部件105的速度，從而使速度移動遠離峰值共振頻率。類似地，如果旋轉部件105在與負的斜率相關聯的速度下運轉(即大約45秒到大約46秒的時間段)，則電機控制器115增加旋轉部件105的速度，從而使速度移動遠離峰值共振頻率。在部分實施例中，較低的共振風扇速度導致了被認為并不顯著的噪聲、振動以及磨損。在這些較低速度下，共振頻率被忽略并且風扇105被允許在共振頻率下運轉。除了噪聲、振動以及磨損之外，共振會導致其它心理聲學現象的產生。一種這樣的現象是“跳動(beating)”,這在風扇速度處于或者接近發動機的RPM或者激發率(firingrate)時發生。跳動還會在風扇臨界狀態(critical fan order)處于其它旋轉部件臨界狀態附近時發生。在部分實施例中，跳動通過電機控制器115從發動機控制器120接收指示發動機的RPM的信息而得以避免。電機控制器115隨后確保風扇105的速度不會落入發動機的RPM的臨界范圍或者發動機RMP的臨界諧波之內。當不能獲得發動機的速度或者風扇105的速度并非已知時，傳感器120信號的信號處理被用于識別出跳動現象并且調節電機110的占空比，從而避免發動機的頻率。由于不平衡導致的激發作用力與旋轉部件105的速度的平方成比例。在部分實施例中，期望的激發作用力的回歸曲線被計算出來。這個回歸曲線與實際測量的響應進行對t匕，并且當測量的響應明顯地超過回歸曲線時，旋轉部件105的速度被認為是處于共振頻率。圖5顯示了風扇105的期望噪聲的回歸曲線，該曲線針對由聲壓傳感器探測的實際噪聲繪制而成。在大約2000到2250RPM之間的速度時，實際的噪聲超過了期望噪聲。由此，這些速度應當被避免。使用實際噪聲曲線的斜率，風扇速度能夠向上或者向下調節，從而避免這些頻率。在部分實施例中，當期望的速度處于大約2000到大約2150RPM之間時(即噪聲曲線的斜率是明顯正值)，風扇105的速度被降低，并且當期望的速度處于大約2150到大約2250RPM之間時(即噪聲曲線的斜率是負值)，風扇105的速度被增加。由此，本發明除了另外提供了一種系統和方法，用于確定旋轉部件何時處于激發共振以及用于調節旋轉部件的速度以避免旋轉部件在共振頻率下運轉。本發明的各個特征和優點在所附權利要求中提出。
權利要求
1.一種用于操作旋轉部件的系統，所述系統包括 旋轉部件； 電機，所述電機驅動所述旋轉部件； 傳感器，所述傳感器探測與所述旋轉部件相關的激勵；以及 控制器，所述控制器包括存儲器，所述存儲器存儲用于所述旋轉部件的多種運轉速度的激勵的幅度的表征，所述控制器從所述傳感器接收所述激勵的幅度的指示并且基于所存儲的幅度來確定哪些運轉速度代表共振頻率，當所述控制器確定所述旋轉部件以共振頻率運轉時，所述控制器調節所述電機的速度。
2.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所存儲的、針對所述多種速度的幅度通過使所述旋轉部件的速度從零增加到運轉速度來產生，在所述旋轉部件的速度從零增加到所述運轉速度時，所述控制器存儲用于所述多種速度的激勵的幅度的指示。
3.如權利要求1所述的系統，其特征在于，使用低通濾波器、帶通濾波器、高通濾波器、以及數字濾波器中的至少一種來對所述激勵進行濾波。
4.如權利要求1所述的系統，其特征在于，使用離散傅里葉變換來確定所述共振頻率。
5.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述控制器將所述激勵的幅度與所存儲的、針對所述旋轉部件的速度的幅度進行對比，當所述激勵的幅度超過所存儲的幅度加上預先確定的閾值數值時，所述控制器確定所述旋轉部件以共振頻率運轉。
6.如權利要求5所述的系統，其特征在于，所述預先確定的閾值數值基于環境條件而變化。
7.如權利要求6所述的系統，其特征在于，所述環境條件是溫度和濕度中的至少一個。
8.如權利要求2所述的系統，其特征在于，當所述旋轉部件被確定為以共振頻率運轉時并且對于所述旋轉部件的運轉速度而言所存儲的幅度的斜率是負值時，所述控制器將所述旋轉部件的速度調節得更高。
9.如權利要求2所述的系統，其特征在于，當所述旋轉部件被確定為以共振頻率運轉時并且對于所述旋轉部件的運轉速度而言所存儲的幅度的斜率是正值時，所述控制器將所述旋轉部件的速度調節得更低。
10.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所存儲的幅度包括期望的激勵水平的回歸曲線，當所述激勵的幅度與所述激勵的變化率中的至少一個大于所述期望的激勵水平時，所述控制器確定所述旋轉部件以所述共振頻率運轉。
11.一種操作旋轉部件的方法，所述方法包括 使所述旋轉部件旋轉； 探測激勵，所述激勵與噪聲和振動中的至少一種相關； 確定所述旋轉部件的運轉情況； 記錄所述激勵的幅度以及所述旋轉部件的運轉情況； 確定所述旋轉部件的運轉情況激發了共振；以及 調節所述旋轉部件的運轉情況，從而避免所述共振。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述運轉情況是所述旋轉部件的速度。
13.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述旋轉部件以從零增加到運轉速度的速度旋轉，所述激勵的幅度在多個速度下被記錄下來。
14.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括基于期望的激發作用力而產生回歸曲線，其中當在所述運轉速度下所述激勵的幅度大于所述期望的激發作用力時，所述旋轉部件的運轉情況被確定為產生共振。
15.如權利要求11所述的方法，其特征在于，當所記錄的所述激勵的幅度的斜率在運轉速度下是負值時，所述運轉情況被增加，并且當所記錄的所述激勵的幅度的斜率在所述運轉速度下是正值時，所述運轉情況被降低。
16.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括對所探測到的激勵進行濾波。
17.—種包括發動機冷卻風扇的車輛，所述車輛包括 控制模塊； 發動機冷卻風扇； 電機，所述電機驅動所述發動機冷卻風扇； 傳感器，所述傳感器探測與所述發動機冷卻風扇相關的激勵；以及 電機控制器，所述電機控制器聯接到所述控制模塊，并且基于來自所述控制模塊的指示控制所述電機，從而使所述發動機冷卻風扇旋轉，所述電機控制器從所述傳感器接收所述激勵的幅度的指示，并且當所述激勵指示出所述發動機冷卻風扇激發了共振頻率時，所述電機控制器調節所述發動機冷卻風扇的速度。
18.如權利要求17所述的車輛，其特征在于，所述電機控制器將所述激勵的幅度的指示與基于期望的激發作用力的回歸曲線進行比較，當所述激勵的幅度大于期望的響應水平時，所述電機控制器確定所述發動機冷卻風扇在所述共振頻率下運轉。
19.如權利要求17所述的車輛，其特征在于，當所記錄的所述激勵的幅度的斜率在所述發動機冷卻風扇的運轉速度下是負值時，所述電機控制器增加所述發動機冷卻風扇的速度，并且當所記錄的所述激勵的幅度的斜率在所述發動機冷卻風扇的運轉速度下是正值時，所述電機控制器降低所述發動機冷卻風扇的速度。
20.如權利要求17所述的車輛，其特征在于，所述電機控制器從所述控制器接收所述車輛的發動機的運轉速度的指示，當所述發動機冷卻風扇的速度接近所述發動機的運轉速度的臨界諧波時，所述電機控制器調節所述發動機冷卻風扇的速度。
21.如權利要求17所述的車輛，其特征在于，所述電機控制器通過探測到的激勵的信號處理來確定所述車輛的發動機的運轉速度，當所述發動機冷卻風扇的速度接近所述發動機的運轉速度的臨界諧波時，所述電機控制器調節所述發動機冷卻風扇的速度。
全文摘要
一種用于操作旋轉部件的系統。所述系統包括旋轉部件、驅動旋轉部件的電機、探測與旋轉部件相關的激勵的傳感器、以及控制器。控制器從傳感器接收激勵的幅度的指示并且被配置成當激勵指示出旋轉部件以共振頻率運轉時調節旋轉部件的速度。
文檔編號G01H1/00GK103069124SQ201180039865
公開日2013年4月24日 申請日期2011年7月14日 優先權日2010年7月22日
發明者D·尼克戈爾斯基 申請人:羅伯特·博世有限公司