DE102020131811A1

DE102020131811A1 - Verfahren zur Steuerung eines Stellantriebs

Info

Publication number: DE102020131811A1
Application number: DE102020131811.1A
Authority: DE
Inventors: Klaus Moosmann; Christian Dieterich; Florian BAYER; Giovanni Biancuzzi
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2020-12-01
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2022-06-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Stellantriebs sowie einen Stellantrieb. Das Verfahren wird mit einem Stellantrieb durchgeführt, der einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor, ein beweglich gelagertes Bauteil sowie ein Getriebe, welches das Bauteil mit dem Rotor mechanisch koppelt, umfasst. Der Stellantrieb weist ferner einen Positionssensor auf, der dazu eingerichtet ist, eine Stellung des Bauteils zu bestimmen. Das Verfahren umfasst das Empfangen eines Sollwertes für eine Bewegung des Bauteils, wobei der Sollwert einen Betrag einer Bewegung des Rotors charakterisiert. Der Rotor wird von einer Startstellung bis zu einer Zwischenstellung, in der eine mittels des Positionssensors bestimmte Stellungsänderung des Bauteils relativ zu einer Startstellung des Bauteils erstmals einen Schwellenwert erreicht, bewegt. Anschließend wird der Rotor von der Zwischenstellung um den dem Sollwert entsprechenden Betrag in eine Endstellung bewegt.

Description

GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Stellantriebs sowie einen Stellantrieb.
HINTERGRUND
Stellantriebe mit elektrischen Kleinmotoren wie beispielsweise bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) kommen unter anderem im Automobilbereich und in der Automatisierungstechnik zur Anwendung, zum Beispiel als Antrieb für Stellglieder wie Klappen oder Ventile, beispielsweise Nadelventile. Zur Steuerung und Überwachung können solche Stellantriebe mit Sensoren ausgestattet sein, um Parameter wie die Rotorstellung, die Rotordrehzahl oder die Stellung eines mit dem Rotor gekoppelten Stellglieds zu bestimmen.
Ein Stellantrieb kann einen Positionssensor aufweisen, der an einem beweglich gelagerten Element des Stellantriebs, wie einem Rotor, einem Abtriebsrad oder einem Zwischenrad eines Getriebes, angeordnet ist. Beispielsweise kann der Stellantrieb einen magnetischen Sensor wie einen Hall-Sensor aufweisen, der dazu eingerichtet ist, eine Stärke und/oder Richtung eines Magnetfelds zu messen. Auf dem beweglich gelagerten Element, z.B. auf dem Abtriebsrad, kann ein Magnet angebracht sein. Der Hall-Sensor kann in der Nähe des Abtriebsrads angeordnet sein, um das von dem Magneten erzeugte Magnetfeld zu messen. Wird das Abtriebsrad bewegt, ändert sich das Magnetfeld am Ort des Sensors. Anhand des gemessenen Magnetfelds kann somit die Drehwinkelstellung des Abtriebsrads sowie gegebenenfalls die Stellung eines mit dem Abtriebsrad gekoppelten Stellglieds ermittelt werden. Ebenso sind magnetoresistive Sensoren wie beispielsweise AMR-Sensoren, die auf dem anisotropen magnetoresistiven Effekt (AMR-Effekt) basieren, möglich. Ein Stellantrieb mit einem an einem Abtriebsrad angeordneten magnetischen Positionssensor ist beispielsweise aus der WO 2018/060630 A1 bekannt.
Basierend auf der mittels des Positionssensors bestimmten Drehwinkelstellung des Abtriebsrads kann eine Bewegung des Stellglieds gesteuert werden. Insbesondere bei Stellantrieben mit kompakter Bauweise ist der für die Anordnung des Positionssensors zur Verfügung stehende Platz allerdings in der Regel begrenzt und es besteht meist ein erheblicher Kostendruck. Daher kann ein Kompromiss im Hinblick auf die erreichbare Genauigkeit bei der Bestimmung der Drehwinkelstellung des Abtriebsrads und damit bei der Bewegung des Stellglieds erforderlich sein. Eine indirekte Bestimmung der Drehwinkelstellung des Abtriebsrads wiederum, beispielsweise anhand eines Antriebssignals für den Elektromotor, kann zwar theoretisch eine höhere Genauigkeit erlauben, die aber in der Praxis zum Beispiel aufgrund eines Spiels in dem Getriebe des Stellantriebs im Allgemeinen nicht erreicht werden kann.
ÜBERBLICK
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung eines Stellantriebs anzugeben, mit dem insbesondere bei Stellantrieben mit kompakter Bauweise die Genauigkeit bei der Bewegung eines Stellglieds verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Steuerung eines Stellantriebs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einen Stellantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wird ein Verfahren zur Steuerung eines Stellantriebs vorgesehen, der einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor, ein beweglich gelagertes Bauteil, ein Getriebe, welches das Bauteil mit dem Rotor mechanisch koppelt, sowie einen Positionssensor, der dazu eingerichtet ist, eine Stellung des Bauteils zu bestimmen, umfasst. Das Verfahren umfasst (1) das Empfangen eines Sollwertes für eine Bewegung des Bauteils, wobei der Sollwert einen Betrag einer Bewegung des Rotors charakterisiert; (2) das Bewegen des Rotors von einer Startstellung bis zu einer Zwischenstellung, in der eine mittels des Positionssensors bestimmte Stellungsänderung des Bauteils relativ zu einer Startstellung des Bauteils erstmals einen Schwellenwert erreicht; sowie (3) das Bewegen des Rotors von der Zwischenstellung um den dem Sollwert entsprechenden Betrag in eine Endstellung. Die obige Nummerierung der Schritte dient allein der Klarheit und impliziert keine zeitliche Abfolge der Ausführung. Soweit technisch möglich können die Schritte des Verfahrens in einer beliebigen Reihenfolge und insbesondere auch zumindest teilweise gleichzeitig ausgeführt werden.
Der Stellantrieb kann beispielsweise der erfindungsgemäße Stellantrieb gemäß einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen sein. Insbesondere kann der Elektromotor zum Beispiel ein Gleichstrommotor oder ein Wechselstrommotor sein und das beweglich gelagerte Bauteil ein drehbar gelagertes Bauteil, beispielsweise ein Zahnrad sein. Das Getriebe kann ein Übersetzungs- oder Untersetzungsgetriebe sein und zum Beispiel eine Vielzahl miteinander gekoppelter Getrieberäder umfassen, die eine Drehbewegung des Rotors in eine Bewegung des beweglich gelagerten Bauteils übersetzen. Der Positionssensor kann dazu eingerichtet sein, eine Absolutstellung des Bauteils zu bestimmen und/oder eine relative Stellungsänderung oder Bewegung des Bauteils, und kann beispielsweise ein magnetisches, ein induktives und/oder ein kapazitives Sensorelement umfassen. Der elektrische Motor kann insbesondere ein bürstenloser Gleichstrommotor oder ein Schrittmotor sein.
Der Sollwert für die Bewegung des Bauteils kann zum Beispiel von einer Steuereinheit des Stellantriebs festgelegt worden sein oder von einer Einheit außerhalb des Stellantriebs, zum Beispiel einem Steuergerät, empfangen werden. Der Sollwert quantifiziert eine Stellungsänderung des Rotors entweder direkt, beispielsweise durch Angabe einer Drehwinkeländerung des Rotors wie etwa eine Anzahl von Umdrehungen des Rotors, oder indirekt, beispielsweise durch Angabe eines Parameters für ein Antriebssignal des Elektromotors, zum Beispiel eine Zeit, während der das Antriebssignal bereitgestellt wird, oder eine Anzahl von Kommutierungsschritten wie unten beschrieben. In manchen Ausgestaltungen kann der Sollwert anhand eines Soll-Betrags für die Bewegung des Bauteils oder eines Stellglieds berechnet werden.
Der Rotor befindet sich anfänglich in einer bekannten oder unbekannten Startstellung und wird ausgehend von dieser Startstellung bewegt, zum Beispiel durch Bereitstellen eines geeigneten Antriebssignals für den Elektromotor. Obwohl das Bauteil über das Getriebe mit dem Rotor mechanisch gekoppelt ist, kann die Bewegung des Rotors in manchen Fällen zunächst nicht zu einer Bewegung des Bauteils führen, beispielsweise aufgrund eines Getriebespiels. Dieses kann dazu führen, dass die Bewegung des Rotors nicht unmittelbar durch das Getriebe hindurch übertragen wird, sondern zunächst in dem Getriebe verloren geht. Erst nach Durchlaufen des Getriebespiels kann die Bewegung des Rotors auf das Bauteil übertragen werden, so dass das Bauteil anfängt, sich ebenfalls zu bewegen.
Die Stellung des Bauteils kann während der Bewegung des Rotors mittels des Positionssensors überwacht werden, um die durch die Bewegung des Rotors hervorgerufenen Stellungsänderung des Bauteils zu bestimmen und mit dem Schwellenwert zu vergleichen. Die Stellung, in der sich der Rotor befindet, wenn die Stellungsänderung des Bauteils den Schwellenwert erreicht, wird als Zwischenstellung bezeichnet. Der Schwellenwert kann dabei ein fest vorgegebener Wert sein oder kann von dem Sollwert abhängen. Alternativ kann der Schwellenwert auch adaptiv ermittelt werden, beispielsweise auf Basis der vorangegangenen Stellbewegung.
Das Erreichen der Zwischenstellung kann zusätzlich mittels einer Messung des Phasenstroms des Elektromotors ermittelt oder verifiziert werden. Beispielsweise kann der Phasenstrom mit einem Schwellwert verglichen werden. Der Zeitpunkt des Erreichens des Schwellwertes oder die Anzahl der bis zum Erreichen des Schwellwertes ausgeführten Kommutierungsschritte können zur Verifikation und/oder zur Ermittlung des Einsetzens der Bewegung des beweglichen Bauteils verwendet werden.
Nach Erreichen der Zwischenstellung wird der Rotor dann ausgehend von der Zwischenstellung um den dem Sollwert entsprechenden Betrag in eine Endstellung bewegt, zum Beispiel indem der Rotor um die entsprechende Drehwinkeländerung gedreht wird oder die entsprechenden Zahl von Kommutierungsschritten durchgeführt wird. Hierzu kann die Stellung des Rotors überwacht werden, zum Beispiel mittels eines weiteren Positionssensors und/oder anhand eines Antriebssignals für den Elektromotor. Bevorzugt wird der Rotor in der Zwischenstellung nicht gestoppt, sondern die Bewegung des Rotors kontinuierlich fortgesetzt. Sobald der Rotor die Endstellung erreicht, kann die Bewegung des Rotors und damit die Bewegung des beweglich gelagerten Bauteils sowie eines gegebenenfalls mit dem Bauteil gekoppeltes Stellglieds gestoppt werden.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Positionssensor genutzt werden, um zu erkennen, wann das Bauteil anfängt sich zu bewegen, und damit beispielsweise das Erreichen des Endes des Getriebespiels erkannt und entsprechend kompensiert werden. Die eigentliche Bewegung des Bauteils dagegen erfolgt auf Basis des Sollwerts, der den Betrag der Bewegung des Rotors charakterisiert und somit beispielsweise anhand eines Antriebssignals für den Elektromotor gezielt angesteuert werden kann. Damit kann beispielsweise eine höhere Genauigkeit in der Positionsbestimmung des Rotors für die Steuerung der Bewegung des Bauteils und/oder des Stellglieds ausgenutzt werden, ohne dass diese durch das Getriebespiel verfälscht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Elektromotor ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor, beispielsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor), der durch geeignete Kommutierung eines elektrischen Antriebssignals angetrieben wird. Entsprechend kann der Sollwert beispielsweise eine Anzahl von Kommutierungsschritten angeben, die ausgeführt werden, um den Rotor von der Zwischenstellung in die Endstellung zu bewegen. Die Anzahl der Kommutierungsschritte kann zum Beispiel anhand einer gewünschten Stellungsänderung des Stellglieds berechnet werden.
Eine Stellungsänderung des Bauteils zwischen zwei aufeinander folgenden Kommutierungsschritten beim Bewegen des Rotors kann weniger als 20%, bevorzugt weniger als 10%, in einem Beispiel weniger als 5% des Schwellenwertes betragen. Die Stellungsänderung des Bauteils ist dabei die Stellungsänderung, die das Bauteil ohne bzw. nach Durchlaufen des Getriebespiels bei einer Bewegung des Rotors erfährt, d.h. in einer Konfiguration, in der die Bewegung des Rotors durch das Getriebe direkt auf das Bauteil übertragen wird, z.B. während der Bewegung des Rotors von der Zwischenstellung in die Endstellung. Die Stellungsänderung des Bauteils zwischen zwei aufeinander folgenden Kommutierungsschritten kann beispielsweise durch eine geeignete Wahl einer Übersetzung des Getriebes und/oder einer Anzahl von Polpaaren des Elektromotors angepasst werden. In einem Beispiel ist das beweglich gelagerte Bauteil ein drehbar gelagertes Bauteil und die Drehwinkeländerung des Bauteils zwischen zwei aufeinander folgenden Kommutierungsschritten beträgt zwischen 0.005° und 0.05°.
Der Positionssensor für die Bestimmung der Stellung des Bauteils kann eine Detektionsschwelle haben, welche eine kleinstmögliche Stellungsänderung des Bauteils charakterisiert, die von dem Positionssensor detektiert werden kann. In einem Beispiel ist der Positionssensor dazu eingerichtet, ein digitales Sensorsignal zu erzeugen, welches die Stellung des Bauteils angibt, und die Detektionsschwelle kann der Änderung des Sensorsignals um 1 Bit entsprechen. In einem anderen Beispiel ist der Positionssensor dazu eingerichtet, ein analoges Sensorsignal zu erzeugen, welches die Stellung des Bauteils angibt, und die Detektionsschwelle kann eine Variation des Sensorsignals charakterisieren, zum Beispiel eine mittlere Variation eines Rauschens auf dem Sensorsignal während das Bauteil sich in einer festen Stellung befindet. Der Schwellenwert für die Stellungsänderung des Bauteils beträgt vorzugsweise zwischen dem Zwei- und Zehnfachen der Detektionsschwelle, in manchen Beispielen zwischen dem Drei- und Siebenfachen der Detektionsschwelle, in einem Beispiel das Fünffache der Detektionsschwelle.
In einer Weiterbildung umfasst das Verfahren weiterhin das Bestimmen eines Betrags der Rotorbewegung zwischen der Startstellung und der Zwischenstellung, um ein Getriebespiel des Stellantriebs zu bestimmen. Der Betrag der Rotorbewegung kann zum Beispiel mittels eines weiteren Positionssensors bestimmt werden, der dazu eingerichtet ist eine Stellung des Rotors zu bestimmen. Alternativ oder zusätzlich kann der Betrag der Rotorbewegung auch ohne Verwendung eines weiteren Positionssensors anhand eines Steuer- oder Antriebssignals für den Elektromotor bestimmt werden, zum Beispiel durch Zählen der Anzahl von Kommutierungsschritten oder Messen der Zeit bis zum Erreichen der Zwischenstellung. In manchen Ausgestaltungen kann das Verfahren ferner das Vergleichen des Betrags der Rotorbewegung mit einem Referenzwert umfassen, beispielsweise um zu ermitteln, ob das Getriebespiel ungewöhnlich hoch ist, was beispielsweise auf einen Defekt in dem Getriebe hindeuten kann. Der ermittelte Betrag der Rotorbewegung von der Startstellung bis zu der Zwischenstellung kann in einem Speicher der Steuereinheit gespeichert werden. Der ermittelte Betrag der Rotorbewegung kann beispielsweise als Drehwinkel oder als eine Anzahl an Kommutierungsschritten abgespeichert werden. Wird nun der Betrag der Rotorbewegung erneut ermittelt, kann dieser Wert mit dem zuvor ermittelten Betrag der Rotorbewegung verglichen werden. Beispielsweise kann die Differenz aus zwei ermittelten Werten des Betrags der Rotorbewegung mit einem weiteren Referenzwert verglichen werden. Ist die Differenz größer als der weitere Referenzwert, kann beispielsweise auf einen Fehlerzustand geschlossen werden und eine entsprechende Steuerfunktion aufgerufen werden.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Ermitteln einer Soll-Bewegungsrichtung für die Bewegung des Bauteils und das Vergleichen der Soll-Bewegungsrichtung mit einer bisherigen Bewegungsrichtung für eine vorherige Bewegung des Bauteils. Die Bewegungsrichtung kann beispielsweise angeben, ob das Bauteil vorwärts oder rückwärts bewegt oder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird. Die Soll-Bewegungsrichtung kann zum Beispiel anhand eines Vorzeichens des Sollwertes bestimmt werden, während die bisherige Bewegungsrichtung beispielsweise in einer Steuereinheit des Stellantriebs gespeichert sein kann oder anhand eines Vorzeichens eines vorherigen Sollwerts oder eines Sensorsignals des Positionssensors bestimmt werden kann.
In einer Weiterbildung wird der Rotor nur dann wie beschrieben in zwei Stufen von der Startstellung über die Zwischenstellung in die Endstellung bewegt, wenn die Soll-Bewegungsrichtung nicht der bisherigen Bewegungsrichtung entspricht, d.h. die Bewegungsrichtung des Bauteils umgedreht wird. Andernfalls, d.h. wenn die Bewegungsrichtung des Bauteils beibehalten wird, kann der Rotor zum Beispiel von der Startstellung direkt um den dem Sollwert entsprechenden Betrag bewegt werden, ohne dass der Rotor zuvor von der Startstellung in die Zwischenstellung bewegt wird. Insbesondere in Situationen, in denen das Stellglied kontinuierlich einem Druck oder einer Last ausgesetzt ist, wie es beispielsweise in Ventilen der Fall sein kann, kann ein nennenswertes Getriebespiel gegebenenfalls nur dann auftreten, wenn die Bewegungsrichtung des Stellglieds umgedreht wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das beweglich gelagerte Bauteil ein drehbar gelagertes Bauteil, insbesondere ein drehbare gelagertes Zahnrad, zum Beispiel ein Getrieberad. Vorzugsweise ist das beweglich gelagerte Bauteil ein Abtriebsrad des Stellantriebs, welches dazu eingerichtet sein kann, mit einem Stellglied mechanisch gekoppelt zu werden. Hierzu kann das Abtriebsrad beispielsweise eine Abtriebswelle mit einem geeigneten Mitnahmeprofil aufweisen oder mit einer solchen Abtriebswelle verbunden sein.
In einer Weiterbildung des Verfahrens ist das Abtriebsrad mit einem Stellglied, insbesondere einem Ventil, mechanisch gekoppelt und das Verfahren umfasst ferner das Addieren oder Subtrahieren eines mit dem Stellglied verknüpften Offsets zu oder von dem Sollwert vor dem Bewegen des Rotors um den dem Sollwert entsprechenden Betrag. Der Offset kann beispielsweise ein Spiel des Stellglieds charakterisieren und kann fest vorgegeben sein oder von einer Stellung, Bewegungsrichtung und/oder Last des Stellglieds abhängen.
Es wird weiterhin ein Stellantrieb vorgesehen, welcher einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor, ein beweglich gelagertes Bauteil und ein Getriebe, welches das Bauteil mit dem Rotor mechanisch koppelt, umfasst. Der Stellantrieb weist ferner einen Positionssensor auf, der dazu eingerichtet ist, eine Stellung des Bauteils zu bestimmen, sowie eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen auszuführen.
Der Elektromotor kann ein Wechselstrommotor oder ein Gleichstrommotor, insbesondere eine elektronisch kommutierter Gleichstrommotor sein. In einem Beispiel ist der Elektromotor ein bürstenloser Gleichstrommotor, wobei der drehbar gelagerte Rotor einen oder mehrere Permanentmagnete aufweist und der Stator eine Vielzahl von Phasenwicklungen, um ein zeitabhängiges Magnetfeld zum Antreiben des Rotors zu erzeugen.
Das beweglich gelagerte Bauteil kann insbesondere ein drehbar gelagertes Bauteil, zum Beispiel ein Zahnrad, oder ein linear bewegbares Bauteil sein. In einem Beispiel ist das beweglich gelagerte Bauteil ein Stellglied, welches von dem Stellantrieb angetrieben wird, oder ein Abtriebsrad eines Stellantriebes, welches dazu ausgebildet ist mit einem Stellglied mechanisch zur Vermittlung einer Stellbewegung gekoppelt zu werden.
Das Getriebe kann ein Übersetzungs- oder Untersetzungsgetriebe sein und zum Beispiel ein Stirnradgetriebe und/oder ein Schneckengetriebe umfassen. Das Getriebe kann zum Beispiel eine Vielzahl miteinander gekoppelter Getrieberäder, beispielsweise zwischen zwei und zehn Getrieberädern, aufweisen, die eine Drehbewegung des Rotors in eine Bewegung des beweglich gelagerten Bauteils übersetzen. Die Getrieberäder können in mehreren Ebenen angeordnet sein, zum Beispiel in einer treppenförmigen und/oder gefalteten Anordnung.
Der Positionssensor kann dazu eingerichtet sein, eine Absolutstellung des Bauteils zu bestimmen und/oder eine relative Stellungsänderung oder Bewegung des Bauteils. Der Positionssensor kann einen Magnetfeldsensor umfassen, zum Beispiel wie unten beschrieben. Alternativ oder zusätzlich kann der Positionssensor einen induktiven Sensor und/oder einen kapazitiven Sensor umfassen. Der induktive Sensor kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, eine Änderung einer effektiven Induktivität eines elektrischen Schwingkreises zu messen, die durch ein elektrisch leitfähiges Target auf dem Bauteil hervorgerufen wird. Der kapazitive Sensor kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, eine Änderung einer effektiven Kapazität eines kapazitiven Elements, zum Beispiel einer Elektrode, zu messen, die durch ein kapazitives Element, z.B. ein elektrisch leitfähiges Target, auf dem Bauteil hervorgerufen wird. In manchen Ausführungsformen kann der Positionssensor ganz oder teilweise in die Steuereinheit integriert sein.
Die Steuereinheit kann als Hardware und/oder Software implementiert sein und kann zum Beispiel einen Prozessor sowie ein Speichermedium umfassen, wobei das Speichermedium Programmbefehle enthält, die von dem Prozessor ausgeführt werden können, um die hier beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit weitere analoge und/oder digitale elektronische Schaltungen umfassen. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, ein Antriebssignal für den Elektromotor bereitzustellen, um den Rotor zu bewegen, und kann hierzu beispielsweise eine Spannungs- und/oder Stromquelle aufweisen oder dazu eingerichtet sein, eine solche Quelle zu steuern, beispielsweise mittels einer Brückenschaltung. Die Steuereinheit kann insbesondere dazu eingerichtet sein, eine Amplitude, ein Pulsweitenmodulationstastverhältnis, ein Vorzeichen und/oder eine Dauer eines elektrischen Antriebssignals zu steuern. Die Steuereinheit kann ferner dazu eingerichtet sein, ein analoges und/oder digitales Sensorsignal von dem Positionssensor auszulesen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Elektromotor ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor, insbesondere ein bürstenloser Gleichstrommotor, und die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, eine Stellungsänderung des Rotors anhand einer Anzahl von Kommutierungsschritten während der Bewegung des Rotors zu bestimmen. Beispielsweise kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, eine Anzahl von Kommutierungsschritten zwischen der Startstellung und der Zwischenstellung des Rotors zu bestimmen, zum Beispiel um das Getriebespiel des Stellantriebs zu quantifizieren. Sowohl der Rotor als auch das beweglich gelagerte Bauteil können zwischen zwei aufeinander folgenden Kommutierungsschritten jeweils eine näherungsweise konstante Stellungsänderung erfahren, zum Beispiel nach Durchlaufen des Getriebespiels. Die Steuerungseinheit kann entsprechend auch dazu eingerichtet sein, eine Stellungsänderung des Bauteils anhand einer Anzahl von Kommutierungsschritten zu bestimmen. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, das Getriebespiel zu kompensieren, z.B. durch Subtrahieren der Anzahl von Kommutierungsschritten zwischen der Startstellung und der Zwischenstellung von einer Gesamtzahl von Kommutierungsschritten.
Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, ein Antriebssignal für den Elektromotor zu kommutieren. Hierzu kann die Steuereinheit beispielsweise dazu eingerichtet sein, eine Trigger- oder Schaltsignal für eine Brückenschaltung zu erzeugen, die eine Anzahl von Schaltern aufweist und dazu eingerichtet ist, mittels der Schalter eine Eingangsspannung zu kommutieren. Die Brückenschaltung kann beispielsweise eine Sechspuls-Brückenschaltung (B6-Brückenschaltung) mit sechs Halbleiterschaltern zum Ansteuern eines dreiphasigen BLDC-Motors oder zwei H-Brücken mit jeweils vier Halbleiterschaltern zum Ansteuern eines bipolaren Schrittmotors umfassen.
Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, die Anzahl der Kommutierungsschritte ohne Verwendung eines Sensors zu bestimmen. Die Steuerschaltung kann einen Zähler, zum Beispiel eine Zählvariable, aufweisen, der die Anzahl der durchgeführten Kommutierungsschritte zählt, beispielsweise indem der Zähler jedes Mal um eins verändert wird, wenn ein Schaltsignal für die Brückenschaltung ausgegeben wird. Dabei kann die Bewegungsrichtung des Rotors bzw. des beweglichen Bauteils berücksichtigt werden, zum Beispiel indem der Zähler bei einer Bewegung im Uhrzeigersinn um eins erhöht und bei einer Bewegung gegen den Uhrzeigersinn um eins verringert wird.
In einigen Ausgestaltungen kann der Stellantrieb einen zweiten Positionssensor aufweisen, der dazu eingerichtet ist, eine Stellung des Rotors zu bestimmen. Der zweite Positionssensor kann ähnlich dem Positionssensor zur Bestimmung der Stellung des Bauteils ausgebildet sein, welcher im Folgenden auch als erster Positionssensor bezeichnet werden kann, und beispielsweise ein magnetischer, induktiver oder kapazitiver Sensor sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Positionssensor dazu eingerichtet ist, einen Phasenstrom und/oder eine induzierte Spannung in einer Phasenwicklung des Elektromotors zu messen, um die Stellung des Rotors zu bestimmen. Der zweite Positionssensor kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, einen Strom in einer Zuleitung zu einer Phasenwicklung, z.B. über einen Shunt-Widerstand, und/oder eine Spannung zwischen zwei Anschlüssen einer Phasenwicklung zu messen, z.B. eine in einer unbestromten Phasenwicklung induzierte gegenelektromotorischen Spannung (englisch: back-electromotive voltage, BEMV). Der zweite Positionssensor kann dazu eingerichtet sein, anhand des Phasenstroms und/oder der induzierten Spannung Kommutierungsschritte zu detektieren, z.B. durch Detektion charakteristischer Kurvenpunkte wie eines Nulldurchgangs, eines Extremums und/oder eines Wendepunkts. Hierzu kann der zweite Positionssensor beispielsweise einen Spannungskomparator und/oder eine Analog-Digital-Wandler (ADC) aufweisen. Der zweite Positionssensor kann ganz oder teilweise in der Steuereinheit integriert sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist an dem beweglich gelagerten Bauteil ein Magnet befestigt und der erste Positionssensor zur Bestimmung der Stellung des Bauteils umfasst einen Magnetfeldsensor zur Messung einer Stärke und/oder Richtung des von dem Magneten erzeugten Magnetfelds. Der Magnet kann beispielsweise ringförmig oder scheibenförmig sein und diametral magnetisiert sein. Der Magnet kann sich zum Beispiel um eine Drehachse des beweglich gelagerten Bauteils erstrecken, wobei eine Magnetisierungsachse des Magneten senkrecht zu der Drehachse verlaufen kann. Der Magnetfeldsensor kann ein induktiver oder resistiver Magnetfeldsensor oder bevorzugt ein Hall-Sensor sein, zum Beispiel ein zwei-dimensionaler oder drei-dimensionaler Hall-Sensor, der dazu eingerichtet ist, die Stärke des Magnetfelds entlang von zwei unterschiedlichen Raumrichtungen zu bestimmen. Der Magnetfeldsensor kann in der Nähe des beweglich gelagerten Bauteils angeordnet sein, zum Beispiel auf der Drehachse des Bauteils, so dass die Drehachse sich durch den Magnetfeldsensor erstreckt, oder gegenüber der Drehachse versetzt, so dass die Drehachse sich nicht durch den Magnetfeldsensor erstreckt.
Vorzugsweise ist das beweglich gelagerte Bauteil ein drehbar gelagertes Zahnrad, insbesondere eine Abtriebsrad des Stellantriebs. Das Abtriebsrad kann dazu eingerichtet sein, mit einem Stellglied mechanisch gekoppelt zu werden und kann hierzu beispielsweise eine Abtriebswelle mit einem geeigneten Mitnahmeprofil aufweisen oder mit einer solchen Abtriebswelle verbunden sein. Die Abtriebswelle kann in einer Öffnung in einem Gehäuse des Stellantriebs angeordnet sein, so dass das Mitnahmeprofil von außen zugänglich ist, zum Beispiel um ein Stellglied in oder auf das Mitnahmeprofil aufzustecken. In manchen Ausführungsformen umfasst der Stellantrieb das Stellglied, wobei das Stellglied dauerhaft oder abnehmbar mit dem Abtriebsrad verbunden sein kann.
Der Stellantrieb kann insbesondere zum Verstellen eines Ventils, beispielsweise eines Ventils einer Klimatisierungseinheit eines Kraftfahrzeugs, verwendet werden. In anderen Ausgestaltungen kann der Stellantrieb zum Verstellen einer Klappe, beispielsweise einer Klappe einer Lüftungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, verwendet werden.
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen in schematischer Darstellung:

1a: einen Stellantrieb gemäß einem Beispiel in einer Explosionsdarstellung;
1b: den Stellantrieb aus 1a in einer Draufsicht;
1c: den Stellantrieb aus 1a in einer perspektivischen Ansicht;
1d: den Stellantrieb aus 1a in einer Schnittansicht;
2a: ein Stellantrieb gemäß einem weiteren Beispiel in einer Schnittansicht;
2b: die Anordnung zur Bestimmung der Stellung des Abtriebsrads in dem Stellantrieb aus 2a in einer Schnittansicht;
3: ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Steuerung eines Stellantriebs gemäß einem Beispiel;
4: die Stellungsänderung eines Rotors und eines beweglich gelagerten Bauteils in einem Stellantrieb im Verlaufe des Verfahrens aus 3 gemäß einem Beispiel; und
5: ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Steuerung eines Stellantriebs abhängig von einer Bewegungsrichtung gemäß einem weiteren Beispiel.

BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Fig. la, 1b, 1C und 1d zeigen eine beispielhafte Ausgestaltung eines Stellantriebs 100 gemäß der Erfindung. Der Stellantrieb 100 ist in 1a in einer Explosionsdarstellung gezeigt, in 1b in einer Draufsicht ohne den Deckel 112B, in 1C in einer perspektivischen Ansicht, wobei das Gehäuse 112 nur teilweise als Schnittansicht dargestellt ist, und in 1d als Schnittansicht.
Der Stellantrieb 100 umfasst einen Elektromotor 102 mit einem Stator 104 und einem Rotor 106. Der Elektromotor 102 ist in diesem Beispiel als bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor) ausgebildet, wobei der Rotor 106 einen als Permanentmagnet ausgebildeten Rotormagneten 106A und der Stator 104 drei Phasenwicklungen 104A aufweist. Der Stellantrieb 100 umfasst ferner ein beweglich gelagertes Bauteil 108, in diesem Beispiel ein drehbar gelagertes Abtriebsrad 108, welches über ein Getriebe 110 mechanisch mit dem Rotor 106 gekoppelt ist. Der Stator 104 und der Rotor 106 sind zusammen mit dem Getriebe 110 und dem Abtriebsrad 108 in einem Gehäuse 112 mit einer Gehäuseschale 112A und einem Deckel 112B angeordnet. Das Getriebe 110 ist als Untersetzungsgetriebe mit einem Antriebsrad 110-1 des Rotors 106 sowie drei Doppelzahnrädern 110-2, 110-3, 110-4 als Zwischenräder ausgebildet und ist dazu eingerichtet, eine Drehbewegung des Rotors 106 auf das Abtriebsrad 108 zu übertragen. Das Abtriebsrad 108 ist mittels eines Führungselements 114 in dem Gehäuse 112 um eine Drehachse 116 drehbar gelagert. Ferner ist das Abtriebsrad 108 einteilig mit einer als Hohlwelle ausgebildeten Abtriebswelle 108A ausgeformt. Dabei ist die Abtriebswelle zum Verbinden mit einem Stellglied (nicht gezeigt) als Last über eine Öffnung in der Gehäuseschale 112A eingerichtet und weist hierzu an ihrem Innenumfang ein entsprechendes Mitnahmeprofil auf. Der Stellantrieb 100 kann beispielsweise als Ventilsteller eingesetzt werden und dazu eingerichtet sein, einen Ventilregler wie beispielsweise einen Ventilstift oder eine Ventilklappe zu bewegen.
Ferner ist über dem Stator 104 liegend eine Leiterplatte oder Platine 120 mit einer Steuereinheit 122 und einem ersten Positionssensor 124 angeordnet. Die Steuereinheit 122 kann als Hardware und/oder Software implementiert sein und beispielsweise einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Speichermedium umfassen, wobei das Speichermedium Programmbefehle enthält, die von dem Prozessor ausgeführt werden können, um die hier beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit 122 weitere Komponenten, insbesondere analoge und/oder digitale Schaltungen umfassen. Die Steuereinheit 122 ist dazu eingerichtet, den dreiphasigen BLDC-Motor 102 anzusteuern und insbesondere geeignet kommutierte Antriebssignale für die Phasenwicklungen 104A bereitzustellen. Die Steuereinheit 122 ist ferner dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren nach einer der hier beschriebenen Ausführungsformen auszuführen, zum Beispiel die unten beschriebenen Verfahren 300 und/oder 500.
Über eine Öffnung 120A in der Leiterplatte 120 ist das Antriebsrad 110-1 des Rotors 106 mit den Zwischenrädern 110-2, 110-3, 110-4 des Getriebes 110 und darüber mit dem Abtriebsrad 108 gekoppelt. Die drei Zwischenräder 110-2, 110-3, 110-4 sind auf der dem Stator 104 gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 120 liegend angeordnet. Das Zwischenrad 110-4 kämmt mit dem Abtriebsrad 108, welches auf derselben Seite der Leiterplatte 120 wie der Stator 104 liegend im Gehäuse 112 angeordnet ist.
Der erste Positionssensor 124 ist auf der Platine 120 angeordnet und mit der Steuereinheit 122 verbunden, zum Beispiel über eine oder mehrere elektrische Leiterbahnen auf der Platine 120. Der erste Positionssensor 124 ist über dem Abtriebsrad 108 angeordnet, so dass die Drehachse 116 sich durch den ersten Positionssensor 124 hindurch erstreckt. Der erste Positionssensor 124 ist dazu eingerichtet, eine Drehwinkelstellung des Abtriebsrads 108 um die Drehachse 116 zu bestimmen. Hierzu ist auf einer Stirnseite des Abtriebsrads 108 ein scheibenförmiger Permanentmagnet 126, zum Beispiel ein gespritzter oder gepresster Seltenerdmagnet wie etwa ein kunststoffgebundener Neodym-Eisen-Bor-Magnet (NdFeB), befestigt. Der Magnet 126 ist in einer Vertiefung in der Stirnseite des Abtriebsrads 108 angeordnet, so dass die Drehachse 116 sich durch den Magneten 126 hindurch erstreckt. Der erste Positionssensor 124 umfasst einen Magnetfeldsensor, beispielsweise einen zweidimensionalen oder drei-dimensionalen Hall-Sensor, der dazu eingerichtet ist, eine Stärke des von dem Magneten 126 erzeugten Magnetfeld entlang zwei bzw. drei Raumrichtungen zu bestimmen. Die Steuereinheit 122 ist dazu eingerichtet, anhand eines von dem Positionssensor 124 übermitteln Sensorsignals die Drehwinkelstellung des Abtriebsrads 108 zu ermitteln, zum Beispiel mittels einer entsprechenden Kalibrierungskurve. In einem Beispiel ist das Sensorsignal ein digitales Sensorsignal, zum Beispiel mit einer Auflösung von 8 oder 16 Bits, wobei eine durch die Bit-Kodierung bestimmte Detektionsschwelle, d.h. die kleinstmögliche mit dem ersten Positionssensor 124 detektierbare Stellungsänderung des Abtriebsrads 108, beispielsweise zwischen 0.05° und 0.20 betragen kann. In manchen Beispielen kann das Sensorsignal zudem ein durch eine Messunsicherheit und/oder Magnetfeldfluktuationen hervorgerufenes Rauschen aufweisen, wodurch die Detektionsschwelle größer sein kann. Im Gegensatz dazu kann das Abtriebsrad 108 sich zwischen zwei aufeinander folgenden Kommutierungsschritten des Elektromotors 102 beispielsweise lediglich zwischen 0.005° und 0.05° bewegen.
Der Stellantrieb umfasst weiterhin einen zweiten Positionssensor 128, der ebenfalls mit der Steuereinheit 122 verbunden ist und dazu eingerichtet ist, eine Drehwinkelstellung des Rotors 106 zu bestimmen. Im Beispiel der 1a-1d ist der zweite Positionssensor 128 dazu eingerichtet, Nulldurchgänge der durch die Drehbewegung des Rotormagneten 106A in den Phasenwicklungen 104A induzierten gegenelektromotorischen Spannung U_BEMV zu detektieren. Hierzu kann der zweite Positionssensor 128 beispielsweise eine Komparatorschaltung zum Messen der Nulldurchgänge der Spannung U_BEMV und/oder einen Analog-Digital-Wandler zum Messen des Spannungsverlaufes an den Phasenwicklungen umfassen. Die Nulldurchgänge der in einer unbestromten Phasenwicklung induzierten Spannung können bei einer bestimmten Drehwinkelstellung des Rotors 104A auftreten und somit Rückschlüsse auf die Drehwinkelstellung des Rotors 104A erlauben. Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Positionssensor 128 auch dazu eingerichtet sein, einen Strom durch eine oder mehrere der Phasenwicklungen 104A zu messen, zum Beispiel den Strom in einer Zuleitung zu einer oder mehreren der Phasenwicklungen 104A, insbesondere den Strom durch einen Shunt-Widerstand in einer Zuleitung zur einer Brückenschaltung, die zur Ansteuerung der Phasenwicklungen 104A dient. Der zweite Positionssensor 128 kann dazu eingerichtet sein, charakteristische Kurvenpunkte wie Extrema und/oder Wendepunkte in dem gemessenen Strom zu ermitteln und/oder den Strom mit einem oder mehreren Schwellenwerten zu vergleichen und anhand der charakteristischen Kurvenpunkte und/oder dem Erreichen eines Schwellenwerts die Drehwinkelstellung des Rotors 104A und/oder das Kommutierung eines Antriebssignal detektieren. In manchen Ausführungsformen können die Positionssensoren 124, 128 zumindest teilweise in die Steuereinheit 122 integriert sein, die beispielsweise die Funktionalität zur Analyse der Sensorsignale und/oder zur Messung des Phasenstroms und/oder der induzierten Spannung bereitstellen kann.
2a und 2b zeigen einen Stellantrieb 200 gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Dabei zeigt 2a den gesamten Stellantrieb 200 in einer Schnittansicht, während 2b nur eine Anordnung 200A des Stellantriebs 200 zur Bestimmung der Stellung des Abtriebsrads 108 zeigt. Der Stellantrieb 200 ähnelt dem Stellantrieb 100 aus 1a-1d, wobei entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der Stellantrieb 200 umfasst ebenfalls einen Elektromotor mit einem Stator 104 und einem Rotor 106 sowie ein um eine Drehachse 116 drehbar gelagertes Abtriebsrad 108, das über ein Getriebe 110 mit dem Rotor 106 mechanisch gekoppelt ist. Ferner weist der Stellantrieb 200 einen ersten Positionssensor 124 auf, der dazu eingerichtet ist, eine Drehwinkelstellung des Abtriebsrads 108 zu bestimmen, sowie eine Steuereinheit 122, die dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren nach einer der hier beschriebenen Ausführungsformen auszuführen, zum Beispiel die unten beschriebenen Verfahren 300 und/oder 500. Darüber hinaus kann der Stellantrieb 200 weitere der oben in Bezug auf den Stellantrieb 200 beschriebenen Komponenten aufweisen.
Der Stellantrieb 200 unterscheidet sich von dem Stellantrieb 100 im Wesentlichen durch die Ausgestaltung des Magneten 126 und die Anordnung des ersten Positionssensors 124. In diesem Beispiel ist der Magnet 126 ein ringförmiger Magnet, der auf einer Stirnseite des Abtriebsrads 126 angeordnet ist und sich in Umfangsrichtung vollständig um die Drehachse 116 erstreckt. Der Magnet 126 weist in seiner Mitte eine Öffnung auf, durch die sich die Abtriebswelle 108A erstreckt und die Drehachse 116 verläuft. Anders als im Beispiel der 1a-1d ist der erste Positionssensor 124 nicht auf der Drehachse 116, sondern gegenüber der Drehachse 116 versetzt angeordnet, so dass die Drehachse 116 sich nicht durch den ersten Positionssensor 124 hindurch erstreckt. Der erste Positionssensor 124 kann beispielsweise wie in 2b dargestellt über einem Außenumfang des Magneten 126 angeordnet sein.
3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 300 zur Steuerung eines Stellantriebs gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren 300 kann beispielsweise zur Steuerung des Stellantriebs 100 aus Fig. la-id und/oder des Stellantriebs 200 aus 2a, 2b verwendet werden. Insbesondere kann das Verfahren 300 von der Steuereinheit 122 des entsprechenden Stellantriebs ausgeführt werden. Im Folgenden wird der Stellantrieb 100 zur beispielhaften Illustration des Verfahrens 300 verwendet. Die Ausführung des Verfahrens 300 ist nicht auf die durch das Flussdiagramm in 3 angedeutete Abfolge beschränkt. Soweit technisch möglich können die Schritte des Verfahrens 300 in einer beliebigen Reihenfolge und insbesondere auch zumindest teilweise gleichzeitig ausgeführt werden, beispielsweise die Schritte 302 und 304.
Das Verfahren 300 umfasst in Schritt 302 das Empfangen eines Sollwertes für eine Bewegung eines beweglich gelagerten Bauteils des Stellantriebs 100, zum Beispiel des Abtriebsrads 108. Der Sollwert charakterisiert einen Betrag einer Bewegung des Rotors 106, zum Beispiel eine gewünschte Drehwinkeländerung Δφin des Rotors 106 oder eine Anzahl von Kommutierungsschritten, beispielsweise 200 Kommutierungsschritte. Die Steuereinheit 122 kann ein Kommunikationsmodul aufweisen, das dazu eingerichtet ist, den Sollwert von einem externen Gerät zu empfangen, zum Beispiel von einer Steuereinheit eines Systems, in dem der Stellantrieb 100 verbaut ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit 122 dazu eingerichtet sein, einen Wert, der einen Betrag einer Bewegung des Abtriebsrads 108, beispielsweise eine gewünschte Drehwinkeländerung Δφout, oder eines mit dem Abtriebsrad 108 gekoppelten Stellglieds charakterisiert, zu empfangen und in den Sollwert umzurechnen. Beispielsweise kann eine Drehung des Abtriebsrads 108 um Δφout = 5° gewünscht sein, was in einem Beispiel 200 Kommutierungsschritten entsprechen kann.
In 4 ist die Stellung 400 des Rotors 106 und die Stellung 402 des Abtriebsrad 108 im Verlaufe des Verfahrens 300 beispielhaft illustriert. Die Stellung 400 des Rotors 106 kann beispielsweise durch einen Kommutierungsschritt-Zähler in der Steuereinheit 122 ermittelt werden, der die Anzahl der durchgeführten Kommutierungsschritte speichert, oder alternativ mittels des zweiten Positionssensors 128. Die Stellung 402 des Abtriebsrads 108 kann beispielsweise anhand des von dem ersten Positionssensor 124 erzeugten Sensorsignals ermittelt werden. Die Stellung 402 des Abtriebsrads 108 kann wie in 4 angedeutet mit einer Messunsicherheit behaftet sein und daher eine gewisse Variation aufweisen.
Der Rotor 106 ist anfangs in Ruhe und befindet sich in einer Startstellung φ₁. Ausgehend von dieser Stellung wird der Rotor 106 in Schritt 304 zu einem Zeitpunkt t₁ aus dem Stand beschleunigt und anschließend mit konstanter Geschwindigkeit in eine durch das Vorzeichen des Sollwerts vorgegebene Drehrichtung gedreht. Aufgrund des Spiels des Getriebe 110, zum Beispiel aufgrund eines Spiels zwischen zwei oder mehr der Getrieberäder 110-1 bis 110-4 und/oder zwischen dem Getrieberad 110-4 und dem Abtriebsrad 108, wird die Bewegung des Rotors 106 zunächst nicht auf das Abtriebsrad 108 übertragen, sondern verläuft sich in dem Getriebe 110.
Der Rotor 106 wird in Schritt 304 solange bewegt, bis die mittels des ersten Positionssensors 124 kontinuierlich überwachte Drehwinkeländerung des Abtriebsrads 108 relativ zu der Startstellung des Abtriebsrads 108 zu einem Zeitpunkt t₂ einen vordefinierten Schwellenwert Δφ_min erreicht. Die entsprechende Stellung des Rotors 106 wird als Zwischenstellung φ₂ bezeichnet. Der Schwellenwert Δφ_min ist bevorzugt so gewählt, dass der Schwellenwert größer als eine Detektionsschwelle des ersten Positionssensors 124 ist, aber klein gegenüber der gewünschten Drehwinkeländerung Δφ_out. Hierdurch kann eine Bewegung des Abtriebsrads 108 zuverlässig erkannt werden und gleichzeitig die Drehwinkeländerung Δφ_out mit hoher Genauigkeit kontrolliert werden. Der Schwellenwert Δφ_min kann beispielsweise zwischen dem Drei- und Siebenfachen, in einem Beispiel das Fünffache der Detektionsschwelle des ersten Positionssensors 124 betragen. Die Detektionsschwelle kann dabei zum Beispiel eine mittlere Variation der gemessenen Stellung 402 des Abtriebsrad 108 im Stillstand oder eine Bit-Quantisierung eines digitalen Sensorsignals des ersten Positionssensors 124 sein. Die Detektionsschwelle kann in einem Beispiel etwa 0.1° betragen, was beispielsweise 4 Kommutierungsschritten des Elektromotors 102 entsprechen kann, und der Schwellenwert Δφ_min beispielsweise 0.5°, entsprechend 20 Kommutierungsschritten.
Anschließend wird in Schritt 306 der Rotor 106 ausgehend von der Zwischenstellung φ₂ um die dem Sollwert entsprechende Drehwinkeländerung Δφ_in in eine Endstellung φ₃ bewegt und in dieser zum Zeitpunkt t₃ zum Stillstand gebracht. Die entsprechende Bewegung des Rotors 106 wird durch das Getriebe 110 auf das Abtriebsrad 108 übertragen, so dass sich dieses um die gewünschte Drehwinkeländerung Δφ_out dreht. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann so das Getriebespiel durch die Bewegung des Rotors 106 in Schritt 304 kompensiert werden und damit die im Vergleich zur Genauigkeit des Positionssensors 126 höhere Genauigkeit der Bestimmung der Rotorstellung mittels der Steuereinheit 122 für die Steuerung der Bewegung des Abtriebsrads 108 ausgenutzt werden.
Die Bewegung des Rotors in Schritt 304 kann mittels des Kommutierungsschritt-Zählers in der Steuereinheit 122 und/oder des zweiten Positionssensors 128 überwacht werden, um einen Betrag der Rotorbewegung zwischen der Start- und der Zwischenstellung und damit das Getriebespiel zu bestimmen. Das Getriebespiel kann abhängig von einer vorherigen Verwendung des Stellantriebs sowie einer mit dem Abtriebsrad 108 gekoppelten Last variieren und in einem Beispiel zwischen 10 und 100 Kommutierungsschritte, entsprechend einer Drehwinkeländerung des Abtriebsrads 108 zwischen 0.25° und 2.5°, betragen.
5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 500 zur Steuerung eines Stellantriebs gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren 500 kann beispielsweise zur Steuerung des Stellantriebs 100 aus 1a-1d und/oder des Stellantriebs 200 aus 2a, 2b verwendet werden. Insbesondere kann das Verfahren 500 von der Steuereinheit 122 des entsprechenden Stellantriebs ausgeführt werden. Im Folgenden wird der Stellantrieb 100 zur beispielhaften Illustration des Verfahrens 500 verwendet. Die Ausführung des Verfahrens 500 ist nicht auf die durch das Flussdiagramm in 5 angedeutete Abfolge beschränkt. Soweit technisch möglich können die Schritte des Verfahrens 500 in einer beliebigen Reihenfolge und insbesondere auch zumindest teilweise gleichzeitig ausgeführt werden, beispielsweise die Schritte 502 bis 506.
Das Verfahren 500 stellt eine Weiterbildung des Verfahrens 300 aus 3 dar und umfasst ebenfalls das Empfangen eines Sollwerts für eine Bewegung des Abtriebsrads 108 in Schritt 502, zum Beispiel wie oben für Schritt 302 beschrieben. In Schritt 504 wird eine Soll-Bewegungsrichtung für die Bewegung des Abtriebsrads 108 ermittelt, zum Beispiel anhand eines Vorzeichens des Sollwerts oder anhand eines Bewegungsrichtungs-Bits in einem Steuersignal, das von der Steuereinheit 122 empfangen wird. Die Soll-Bewegungsrichtung wird in Schritt 506 mit einer bisherigen Bewegungsrichtung für eine vorherige Bewegung des Abtriebsrads 108 verglichen. Die bisherige Bewegungsrichtung gibt vorzugsweise die Bewegungsrichtung der letzten Bewegung des Abtriebsrads 108 an und kann beispielsweise in einem Speicher der Steuereinheit 122 hinterlegt sein.
Entspricht die Soll-Bewegungsrichtung nicht der bisherigen Bewegungsrichtung, d.h. soll die Bewegungsrichtung des Abtriebsrads 108 umgedreht werden, wird der Rotor 106 in Schritt 508 zunächst wie für Schritt 304 beschrieben von der Startstellung in die Zwischenstellung verfahren, um das bei einer Bewegungsumkehr in der Regel auftretende Getriebespiel zu kompensieren. Anschließend wird in Schritt 510 der Rotor 106 analog zum Schritt 306 um den dem Sollwert entsprechenden Betrag in die Endstellung verfahren.
Entspricht die Soll-Bewegungsrichtung der bisherigen Bewegungsrichtung, d.h. soll die Bewegungsrichtung des Abtriebsrads 108 beibehalten werden, kann das anfängliche Verfahren des Rotors 106 in die Zwischenstellung in Schritt 508 ausgelassen werden und der Rotor 106 direkt aus der Startstellung um den dem Sollwert entsprechenden Betrag verfahren werden. Bei gleichem Betrag des Sollwerts kann folglich der Rotor 106 bei gleichbleibender Bewegungsrichtung weniger weit verfahren werden als bei eine Umkehr der Bewegungsrichtung, d.h. lediglich um den dem Sollwert entsprechenden Betrag ohne die Kompensation des Getriebespiels in Schritt 508.
In manchen Ausgestaltungen kann das Verfahren 500 zudem das Kompensieren eines Spiels eines Stellglieds, das mit dem Abtriebsrad 108 mechanisch gekoppelt ist, umfassen, insbesondere wenn die Bewegungsrichtung umgedreht wird. Beispielsweise kann zu dem in Schritt 502 empfangenen Sollwert ein Offset, zum Beispiel ein vordefinierter Offset oder ein von der Stellung des Stellglieds abhängiger Offset, addiert werden und der Rotor 106 in Schritt 510 um den so korrigierten Sollwert verfahren werden.
Die beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen und die Figuren dienen nur zur rein beispielhaften Illustration. Die Erfindung kann in ihrer Gestalt variieren, ohne dass sich das zugrundeliegende Funktionsprinzip ändert. Der Schutzumfang des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich allein aus den folgenden Ansprüchen.
Bezugszeichenliste

100: Stellantrieb
102: Elektromotor
104: Stator
104A: Phasenwicklung
106: Rotor
106A: Rotormagnet
108: beweglich gelagertes Bauteil/Abtriebsrad
110: Getriebe
110-1, 110-2, 110-3, 110-4: Getrieberäder
112: Gehäuse
112A: Gehäuseschale
112B: Deckel
114: Führungselement
116: Drehachse
120: Leiterplatte
120A: Öffnung in Leiterplatte 120
122: Steuereinheit
124: erster Positionssensor
126: Magnet
128: zweiter Positionssensor
200: Stellantrieb
200A: Anordnung zur Positionsbestimmung
300: Verfahren zur Steuerung eines Stellantriebs
302: Empfangen des Sollwerts für Bewegung des Bauteils
304: Bewegung des Rotors in die Zwischenstellung
306: Bewegung des Rotors aus der Zwischenstellung um dem Sollwert entsprechenden Betrag
400: Stellungsänderung des Rotors
402: Stellungsänderung des Abtriebsrads
500: Verfahren zur Steuerung eines Stellantriebs
502: Empfangen des Sollwerts für Bewegung des Bauteils
504: Ermitteln der Soll-Bewegungsrichtung
506: Vergleich der Soll-Bewegungsrichtung mit bisheriger Bewegungsrichtung
508: Bewegung des Rotors in die Zwischenstellung
510: Bewegung des Rotors aus der Zwischenstellung um dem Sollwert entsprechenden Betrag
512: Bewegung des Rotors aus der Startstellung um dem Sollwert entsprechenden Betrag

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2018/060630 A1 [0003]

Claims

Verfahren (300, 500) zur Steuerung eines Stellantriebs (100, 200), wobei der Stellantrieb (100, 200) umfasst: einen Elektromotor (102) mit einem Stator (104) und einem Rotor (106); ein beweglich gelagertes Bauteil (108); ein Getriebe (110), welches das Bauteil (108) mit dem Rotor (106) mechanisch koppelt; und einen Positionssensor (124), der dazu eingerichtet ist, eine Stellung des Bauteils (108) zu bestimmen, das Verfahren (300, 500) umfassend: Empfangen eines Sollwertes für eine Bewegung des Bauteils (108), wobei der Sollwert einen Betrag (Δφ_in) einer Bewegung des Rotors (104) charakterisiert; Bewegen des Rotors (106) von einer Startstellung (φ₁) bis zu einer Zwischenstellung (φ₂), in der eine mittels des Positionssensors (124) bestimmte Stellungsänderung des Bauteils (108) relativ zu einer Startstellung des Bauteils (108) erstmals einen Schwellenwert (Δφ_min) erreicht; und Bewegen des Rotors (106) von der Zwischenstellung (φ₂) um den dem Sollwert entsprechenden Betrag (Δφ_in) in eine Endstellung (φ₃).
Verfahren (300, 500) nach Anspruch 1, wobei der Elektromotor (102) ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor ist und der Sollwert eine Anzahl von Kommutierungsschritten angibt.
Verfahren (300, 500) nach Anspruch 2, wobei eine Stellungsänderung des Bauteils (108) zwischen zwei aufeinander folgenden Kommutierungsschritten beim Bewegen des Rotors (106) weniger als 20%, bevorzugt weniger als 10% des Schwellenwertes (Δφ_min) beträgt.
Verfahren (300, 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Positionssensor (124) eine Detektionsschwelle hat, welche eine kleinstmögliche Stellungsänderung des Bauteils (108) charakterisiert, die von dem Positionssensor (124) detektiert werden kann, und der Schwellenwert (Δφ_min) für die Stellungsänderung des Bauteils (108) zwischen dem Zwei- und Zehnfachen der Detektionsschwelle, bevorzugt zwischen dem Drei- und Siebenfachen der Detektionsschwelle beträgt.
Verfahren (300, 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (300, 500) weiterhin das Bestimmen eines Betrags der Rotorbewegung zwischen der Startstellung (φ₁) und der Zwischenstellung (φ₂) umfasst, um ein Getriebespiel des Stellantriebs (100, 200) zu bestimmen.
Verfahren (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: Ermitteln einer Soll-Bewegungsrichtung für die Bewegung des Bauteils (108); Vergleichen der Soll-Bewegungsrichtung mit einer bisherigen Bewegungsrichtung für eine vorherige Bewegung des Bauteils (108); und Bewegen des Rotors (106) von der Startstellung (φ₁) über die Zwischenstellung (φ₂) in die Endstellung (φ₃) nur wenn die Soll-Bewegungsrichtung nicht der bisherigen Bewegungsrichtung entspricht.
Verfahren (300, 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das beweglich gelagerte Bauteil (108) ein drehbar gelagertes Zahnrad, insbesondere ein Abtriebsrad des Stellantriebs (100, 200) ist.
Verfahren (300, 500) nach Anspruch 7, wobei das Abtriebsrad (108) mit einem Stellglied mechanisch gekoppelt ist und das Verfahren (300, 500) ferner das Addieren oder Subtrahieren eines mit dem Stellglied verknüpften Offsets zu oder von dem Sollwert vor dem Bewegen des Rotors (106) um den dem Sollwert entsprechenden Betrag (Δφ_in) umfasst.
Stellantrieb (100, 200), umfassend: einen Elektromotor (102) mit einem Stator (104) und einem Rotor (106); ein beweglich gelagertes Bauteil (108); ein Getriebe (110), welches das Bauteil (108) mit dem Rotor (106) mechanisch koppelt; einen Positionssensor (124), der dazu eingerichtet ist, eine Stellung des Bauteils (108) zu bestimmen; und eine Steuereinheit (122), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren (300, 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Stellantrieb (100, 200) nach Anspruch 9, wobei der Elektromotor (102) ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor oder ein Schrittmotor ist und die Steuereinheit (122) dazu eingerichtet ist, eine Stellungsänderung des Rotors (106) anhand einer Anzahl von Kommutierungsschritten während der Bewegung des Rotors (106) zu bestimmen.
Stellantrieb (100, 200) nach Anspruch 10, wobei die Steuereinheit (122) dazu eingerichtet ist, ein Antriebssignal für den Elektromotor (102) zu kommutieren und die Anzahl der Kommutierungsschritte ohne Verwendung eines Sensors zu bestimmen.
Stellantrieb (100, 200) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Stellantrieb (100, 200) einen zweiten Positionssensor (128) umfasst, der dazu eingerichtet ist, eine Stellung des Rotors (106) zu bestimmen.
Stellantrieb (100, 200) nach Anspruch 12, wobei der zweite Positionssensor (128) dazu eingerichtet ist, einen Phasenstrom und/oder eine induzierte Spannung in einer Phasenwicklung (104A) des Elektromotors (102) zu messen, um die Stellung des Rotors (106) zu bestimmen.
Stellantrieb (100, 200) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei an dem beweglich gelagerten Bauteil (108) ein Magnet (126) befestigt ist und der Positionssensor (124) zur Bestimmung der Stellung des Bauteils (108) einen Magnetfeldsensor zur Messung einer Stärke und/oder Richtung des von dem Magneten (108) erzeugten Magnetfelds umfasst.
Stellantrieb (100, 200) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das beweglich gelagerte Bauteil (108) ein drehbar gelagertes Zahnrad, insbesondere eine Abtriebsrad des Stellantriebs (100, 200) ist.
Stellantrieb (100, 200) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei der Stellantrieb (100, 200) zum Verstellen eines Ventils verwendet wird.