CN112789483A - 执行器设备以及用于在执行器设备情况下补偿杂散磁场的方法 - Google Patents

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Abstract

说明一种电磁执行器设备（2）、尤其是线性执行器，其具有：‑执行器（4），所述执行器具有至少一个执行器线圈（6）用于产生至少一个电磁场以及具有挺杆（8），所述挺杆能够根据所产生的至少一个电磁场在纵向（L）上和与纵向（L）相反地移动；‑传感器装置（10），所述传感器装置具有发射器元件（12）和传感器元件（14），其中发射器元件（12）布置在挺杆（8）处，并且传感器元件（14）被构造用于根据由发射器元件（12）产生的磁场（18）产生测量信号（SM），所述测量信号包含关于挺杆（8）沿着纵向（L）的当前实际位置的信息；以及‑调节单元（20），所述调节单元具有调节器（22），所述调节器被设立用于在运行中根据基于测量信号（SM）的位置信号（SP）给至少一个执行器线圈（6）施加操控电压（UA）用以产生至少一个电磁场，使得挺杆（8）从当前实际位置移动到额定位置，其中在运行中由至少一个执行器线圈（6）产生杂散磁场（26），对测量信号（SM）进行适配，使得对测量信号（SM）的由杂散场引起的影响得以补偿。

Description

执行器设备以及用于在执行器设备情况下补偿杂散磁场的 方法
技术领域
本发明涉及一种执行器设备以及一种用于在这种执行器设备情况下补偿杂散场的方法。
背景技术
现今尤其是在例如需要沿着纵向的受控制的和受监视的线性运动之处使用执行器设备、尤其是线性执行器。例如，在汽车工业中在所谓的“线控换档（shift-by-wire）”***中使用这种线性执行器，在所述“线控换档”***中所述线性执行器在运行中执行线性运动用于换档。
线性执行器通常在最简单的结构下具有基本上销状地构造的挺杆，所述挺杆由所谓的执行器线圈围绕。执行器线圈因此当在执行器线圈和挺杆之间构造间隙的情况下“围绕挺杆缠绕”。执行器的作用原理基于已知的电磁考虑。在此情况下，在运行中给执行器线圈施加操控电压，并且由于操控电压在执行器线圈内流动的执行器电流在执行器线圈的近区中产生电磁场。所产生的电磁场对挺杆施加力，所述挺杆由于该力在纵向上或与纵向相反地移动并且因此执行线性运动。
通常可以精确地控制这种线性运动，例如其方式是（例如通过调节执行器电压）调节（间接地）构成线性运动的原因的执行器电流。为了获得关于挺杆的当前位置的信息，这种执行器设备通常具有位置传感器。位置传感器经常被构造为使得所述位置传感器同样动用（自身的、所产生的）磁场用以对挺杆进行位置确定。在此情况下缺点是，两个场（执行器线圈的电磁场和位置传感器的磁场）可能非故意地互相影响。
以此为出发点，本发明所基于的任务在于，说明一种执行器设备，其中至少减少磁场引起的干扰。
根据本发明，该任务通过具有权利要求1的特征的电磁执行器设备来解决。有利的构型、改进方案和变型方案是从属权利要求的主题。
电磁执行器设备尤其是被构造为线性执行器，并且在下面也简称为执行器设备。
执行器设备具有执行器，所述执行器具有至少一个执行器线圈用于产生至少一个电磁场。执行器优选地具有两个执行器线圈用于产生两个电磁场。此外，执行器具有挺杆，所述挺杆可以根据所产生的至少一个磁场在纵向上和与纵向相反地移动。挺杆尤其是构造成销状的。
此外，执行器设备具有传感器装置，所述传感器装置具有发射器元件和传感器元件。在此情况下，发射器元件布置在挺杆处。传感器元件被构造用于根据由发射器元件产生的磁场来产生测量信号，所述磁场在运行中由传感器元件检测。在此情况下，所产生的测量信号包含关于挺杆沿着纵向的当前实际位置的信息。也就是说，传感器元件在挺杆的不同位置情况下检测磁场的不同值（方向），基于所述值（方向）于是产生不同的测量信号。
此外，执行器设备具有带有调节器的调节单元，所述调节器被设立用于在运行中根据基于测量信号的位置信号给至少一个执行器线圈施加操控电压用以产生至少一个电磁场。在此情况下，基于测量信号的位置信号被理解为，基于测量信号的值可以推断出挺杆的实际位置，所述实际位置然后以位置信号的形式被传送给调节器。给至少一个执行器线圈施加操控电压并且由此得出地产生至少一个电磁场用于移动挺杆，尤其是将挺杆从当前实际位置移动到（预先给定的）额定位置。
在运行中，由执行器线圈产生（非故意的）杂散磁场，所述杂散磁场（负面地）影响测量信号并且因此也（负面地）影响位置信号。
该调节单元具有补偿装置，所述补偿装置被设立用于确定与杂散磁场相关的参量（也简称为参量），并且根据该参量适配测量信号并且传送给调节器。在此，对测量信号进行适配，使得根据所确定的参量适配测量信号，以便考虑由杂散场引起的影响，从而关于测量信号并且因此也关于位置信号对所述影响予以补偿。
该构型所基于的考虑在于，如已经提到的那样，传感器装置、尤其是传感器元件除了期望的磁场之外也由传感器元件检测杂散磁场，其中借助于所述磁场间接地检测挺杆的位置，所述杂散磁场在执行器的运行中形成，并且以干扰的方式与期望的磁场叠加。也就是说，发射器元件的磁场通过杂散磁场例如要么非故意地增强（通过杂散磁场和磁场的相长叠加）或非故意地减弱（通过杂散磁场和磁场的相消叠加）。在两种叠加情况下，这均导致对测量信号以及因此也对位置信号的由杂散场引起的影响，并且因此调节器获得关于挺杆的当前实际位置的错误信息。挺杆位置的位置精确调节由此负面地受影响。
通过在补偿装置侧确定与杂散磁场相关的参量并且根据该参量适配测量信号，杂散磁场与磁场的不期望的叠加被补偿，使得实现对挺杆的位置的充分精确的调节。因此，优选地完全补偿了杂散磁场的尤其干扰性的效应。
根据一个优选的构型，与杂散磁场相关的参量是由于操控电压在至少一个执行器线圈中流动的执行器电流。该构型基于以下物理考虑：所产生的杂散磁场与在执行器线圈内流动的执行器电流成比例。此外，从技术角度来看，执行器电流的检测可以简单且成本低地实现。
根据一个优选的改进方案，在调节单元中此外布置有估计单元，所述估计单元被设立用于根据执行器的至少一个状态参量来确定执行器电流。尤其是当不能测量或不能连续地测量执行器电流时，进行所述确定。
在此情况下，估计单元特别优选地被设立用于尤其是根据以下状态参量中的至少一个或多个来确定执行器电流：
-最后的所检测的执行器电流，
-执行器温度，
-至少一个执行器线圈的电阻，
-至少一个执行器线圈的电感，
-冲杆的位置和速度，以及
-执行器电压（例如在PWM操控情况下工作电压+占空比）。
在此情况下，最后的所检测的执行器电流尤其是在电流测量的例如暂时不可用性情况下被理解为最后的所测量的电流值，在所述最后的所测量的电流值情况下，电流测量仍是可用的。
补偿装置合乎目的地被设立为使得所述补偿装置根据校正函数从所确定的参量中确定校正参量（例如校正值或校正因数）。然后根据校正参量在运行中对测量信号进行适配，使得给测量信号施加校正参量，以便考虑由杂散场引起的影响。校正函数在此情况下尤其是用于确定校正参量的与执行器电流有关的函数。也就是说，对于在运行中出现的不同执行器电流，确定不同的校正参量用于适配测量信号。由此，可以在测量信号的适配方面以及从而在以干扰的方式与磁场叠加的杂散电磁场的补偿方面对不同的执行器电流作出反应。此外，由此实现：与流动的执行器电流的水平无关地分别足够精确地进行测量信号的适配。
替代于根据校正函数确定校正参量以及如下对测量信号进行适配，在表格中存放在执行器电流值与挺杆的各自位置之间的函数分配。该表格然后例如（以在运行中可调用的方式）存放在调节单元的内部存储器上。
根据一个优选的改进方案，利用校准值对根据校正函数确定的校正参量进行校正。校准值在此情况下优选地是偏移（Offset）和/或放大因数。
该构型具有以下优点：通过偏移或放大因数均衡由于磁场和杂散电磁场的关系引起的效应和/或执行器电流测量的放大误差，并且由此有利地影响补偿。
发射器元件合乎目的地被构造为永磁体。由此在磁场的产生方面实现发射器元件的特别简单且成本低的构型。
此外，传感器元件合乎目的地被构造为磁场传感器，例如被构造为（多轴）霍尔传感器。可替代地，接收单元被构造为磁阻传感器。通过将接收单元构造为磁场传感器，类似于将发射器元件构成为永磁体，可以实现传感器元件的特别简单且成本低的构型。概括而言，因此简单地且成本低地实现具有发射器元件和传感器元件的完整传感器装置。
根据一个优选的构型，发射器元件布置在挺杆处，使得由发射器元件产生的磁场的方向和杂散磁场在布置有传感器元件的测量位置处的方向基本上是相同取向的（gleichgerichtet）（从而因此得出两个场的相长叠加）。该构型基于以下考虑：杂散磁场的方向和磁场的方向以矢量加法的形式叠加成所得出的场。此外，例如构造为霍尔传感器或磁阻传感器的传感器元件需要磁通量的最小值，使得产生输出信号、在这里是测量信号。因此，在所产生的磁场和杂散磁场的方向基本上相同取向的情况下，一方面（通过所得出的场的数值）确保由传感器元件根本上（überhaupt）检测测量信号。此外，与两个场（磁场和杂散磁场）的方向例如彼此相反取向的定向相比，明显简化用于产生位置信号的测量信号的适配。
根据本发明，该任务此外通过具有权利要求10的特征的用于执行器设备情况下补偿杂散磁场的方法解决。该执行器设备在此情况下尤其是上面已经描述的执行器设备。
关于执行器设备列出的优点和优选构型可以按意义地被转用到该方法上，并且反之亦然。
该方法尤其是借助于上述执行器设备实施的方法。在此情况下，该方法包括以下步骤：
首先，借助于补偿单元检测与杂散磁场相关的参量。在此情况下，与杂散磁场相关的参量优选地是在运行中流过至少一个执行器线圈的执行器电流。
现在基于所检测的参量产生校正参量。在此情况下，优选地根据所检测的参量借助于校正函数来进行产生。随后对所检测的测量信号进行适配，其中给所述测量信号施加所产生的校正参量。
随后基于经适配的测量信号产生位置信号，并且传送给调节器，使得借助于基于经适配的测量信号的位置信号来适配挺杆的当前实际位置。通过适配测量信号，因此补偿由杂散场引起的影响，并且由此将挺杆从实际位置优选无偏差地移动到预先给定的额定位置。
优选地，借助于补偿装置根据校正函数从所确定的参量中确定校正参量。根据校正参量来适配测量信号，其中利用校准值校正根据校正函数确定的校正参量。在此情况下，校准值优选地是偏移和/或放大因数。
根据合乎目的的改进方案，为了确定校准值，将挺杆移动到预先给定的并且尤其是已知的校准位置中。这些已知的校准位置尤其是挺杆的两个端部位置。在此情况下，端部位置分别被理解为挺杆在最大偏离（Auslenkung）情况下占据的在纵向上和与纵向相反的位置。
一次在通电的执行器时、即在存在杂散磁场时以及一次在未通电的执行器时、即在不存在杂散磁场时确定挺杆在两个端部位置中的位置。该确定具有以下优点：可以简单且精确地检测测量信号的偏差，所述测量信号包含关于挺杆的当前实际位置的信息。也就是说，通过在不通电的执行器情况下检测挺杆的位置，不存在干扰性杂散场，使得传感器装置提供挺杆的位置的准确值。通过在通电的执行器时然而在挺杆位置不变的情况下检测测量信号，可以检测受杂散场影响的测量信号。因此，这两个测量信号的比较提供要补偿的差、即由杂散场引起的影响。
补充地，随后基于校正函数产生校正参量，并且给测量信号施加校正参量，所述测量信号代表挺杆在两个端部位置之一中的位置。由此实现前述差的由校正函数引起的补偿。最后并且此外补充地，将借助于校正函数适配的测量信号再次与实际检测的（即在不通电的执行器情况下确定的）测量信号进行比较，并且从中确定可能的偏移并且此外确定放大因数。
由于以这种方式校准了两个端部位置以及因此校准了在挺杆的纵向上和与纵向相反的各自极限位置，因此用于适配测量信号的校准可以被应用于挺杆的所有位于这两个极限位置之间的位置。
附图说明
随后根据图更详细地阐述本发明的实施例。该图部分地以非常简化的图示：
图1示出具有执行器和调节单元的执行器设备。
具体实施方式
在下文中为简单起见也简称为执行器设备2的电磁执行器设备2具有执行器4。执行器4具有至少一个执行器线圈6用于产生至少一个电磁场。此外，执行器4具有挺杆8，所述挺杆8可以根据所产生的至少一个电磁场在纵向L上和与纵向L相反地移动。在该实施例中，挺杆8被构造成销状的。
此外，执行器设备2具有传感器装置10。传感器装置10具有发射器元件12以及传感器元件14。在该实施例中，发射器元件12布置在挺杆8处。特别地，在该实施例中，发射器元件12布置在挺杆8的上端部16处。传感器元件14被构造用于根据由发射器元件12产生的磁场18产生测量信号SM。测量信号SM包含关于挺杆8沿着纵向L的当前实际位置的信息。在该实施例中，发射器元件12被构造为永磁体。此外，在该实施例中，传感器元件14被构造为霍尔传感器。
此外，执行器设备2具有调节单元20。调节单元20具有调节器22。调节器22被设立用于在运行中根据基于测量信号SM的位置信号SP给至少一个执行器线圈6施加操控电压UA用以产生至少一个电磁场。为此，调节器22例如借助于功率驱动器24（在该实施例中电压源）连接，使得可以提供操控电压UA。通过调节单元20使得能够将挺杆8从瞬时实际位置移动到例如以信号Ssoll的形式预先给定的额定位置。在此情况下，额定位置例如作为输入参量被传送给调节器22。
在执行器设备2的运行中，由执行器线圈6产生杂散磁场26。该杂散磁场如下影响测量信号SM：实际位置到额定位置的位置精确调节是有误差的。
为了补偿该有误差性（Fehlerbehaftung），调节单元20在该实施例中具有补偿装置28。补偿装置28被设立用于确定与杂散磁场26相关的参量G，并且根据该参量来适配测量信号SM并且传送给调节器22。在该实施例中，由于操控电压在至少一个执行器线圈6中流动的执行器电流IA被考虑为与杂散磁场26相关的参量G。对测量信号SM进行适配，使得对测量信号SM的由杂散场引起的影响被补偿。也就是说，由于通过补偿装置28的补偿，调节器22获得基于不受杂散磁场26影响的测量信号SM的位置信号SP。换句话说，存在基于测量信号SM的位置信号SP，好像不存在干扰性杂散磁场26。
在电枢电流IA的实施例中与杂散磁场26相关的参量G的测量在该实施例中例如借助于电流测量单元30进行，所述电流测量单元附加地与补偿单元28连接用以传送电枢电流IA。
只要不能检测或暂时不能检测与杂散磁场26相关的参量G的直接确定，调节单元20就具有估计单元32。估计单元32被设立用于根据执行器4的其他状态参量Z来确定与杂散磁场26相关的参量G。在该实施例中，这些其他状态参量Z合乎目的地同样与电枢电流IA相关并且因此同样与杂散磁场26相关。其他状态参量因此例如是最后测量的电枢电流IA、操控电压UA、执行器温度、至少一个执行器线圈6的所测量的或所估计的电阻和/或所测量的或所估计的电感以及例如是挺杆8的大致位置和/或速度。
本发明不限于上述实施例。相反地，也可以由本领域技术人员从中导出本发明的其他变型方案，而不脱离本发明的主题。尤其是，此外结合该实施例描述的所有单特征也可以以其他方式彼此组合，而不脱离本发明的主题。
附图标记列表
2 电磁执行器设备
4 执行器
6 执行器线圈
8 挺杆
10 传感器装置
12 发射器元件
14 传感器元件
16 上端部
18 磁场
20 调节单元
22 调节器
24 功率驱动器
26 杂散磁场
28 补偿装置
30 电流测量单元
32 估计单元
L 纵向
SM 测量信号
Ssoll额定位置信号
SP 位置信号
IA 电枢电流
G 参量
UA 操控电压
Z 状态参量。

Claims (12)

1.一种电磁执行器设备（2）、尤其是线性执行器，其具有：
-执行器（4），所述执行器具有至少一个执行器线圈（6）用于产生至少一个电磁场以及具有挺杆（8），所述挺杆（8）能够根据所产生的至少一个电磁场在纵向（L）上并且与纵向（L）相反地移动，
-传感器装置（10），所述传感器装置具有发射器元件（12）和传感器元件（14），其中所述发射器元件（12）布置在所述挺杆（8）处，并且所述传感器元件（14）被构造用于根据由所述发射器元件（12）产生的磁场（18）产生测量信号（SM），所述测量信号包含关于所述挺杆（8）沿着所述纵向（L）的当前实际位置的信息，以及
-调节单元（20），所述调节单元具有调节器（22），所述调节器（22）被设立用于在运行中根据基于所述测量信号（SM）的位置信号（SP）给至少一个执行器线圈（6）施加操控电压（UA）用以产生所述至少一个电磁场，使得所述挺杆（8）从所述当前实际位置移动到额定位置，其中
在运行中由所述至少一个执行器线圈（6）产生杂散磁场（26），所述杂散磁场影响所述测量信号（SM），并且其中
所述调节单元（20）具有补偿装置（28），所述补偿装置被设立用于确定与所述杂散磁场（26）相关的参量（G）并且根据所述参量（G）适配所述测量信号（SM）并且传送给所述调节器（22），其中对所述测量信号（SM）进行适配，使得对所述测量信号（SM）的由杂散场引起的影响得以补偿。
2.根据前述权利要求所述的执行器设备（2），其中与所述杂散磁场（26）相关的参量（G）是由于所述操控电压（UA）在所述至少一个执行器线圈中流动的执行器电流（IA）。
3.根据前述权利要求所述的执行器设备（2），其中在所述调节单元（20）中此外布置有估计单元（32），所述估计单元被设立用于根据所述执行器（4）的至少一个状态参量（Z）确定与所述杂散磁场（26）相关的参量（G）、优选地所述执行器电流（IA）。
4.根据前述权利要求所述的执行器设备（2），其中所述估计单元（32）被立用于尤其是根据以下状态参量中的至少一个确定与所述杂散磁场（26）相关的参量（G）、优选地所述执行器电流（IA）：
-最后的所检测的执行器电流（IA），
-执行器温度，
-所述至少一个执行器线圈（6）的电阻，
-所述至少一个执行器线圈（6）的电感，
-所述挺杆（8）的位置和速度，
-所述执行器（4）的操控电压（Ua）。
5.根据前述权利要求中任一项所述的执行器设备（2），其中所述补偿装置（28）被设立为使得所述补偿装置根据校正函数从所确定的参量（G）中确定校正参量，并且根据所述校正参量适配所述测量信号（SM）。
6.根据前述权利要求所述的执行器设备（2），其中利用校准值对根据所述校正函数确定的校正参量进行校正，其中所述校准值是偏移和/或放大因数。
7.根据前述权利要求中任一项所述的执行器设备（2），其中所述发射器元件（12）被构造为永磁体。
8.根据前述权利要求中任一项所述的执行器设备（2），其中所述传感器元件（14）被构造为磁场传感器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的执行器设备（2），其中所述发射器元件（12）布置在所述挺杆（8）处，使得由所述发射器元件（12）产生的磁场（18）的方向和所述杂散磁场在布置有所述传感器元件（14）的测量位置处的方向基本上是相同取向的。
10.一种用于在根据前述权利要求中任一项所述的执行器设备（2）情况下补偿杂散磁场的方法，所述执行器设备具有：
-执行器（4），所述执行器具有至少一个执行器线圈（6）用于产生至少一个电磁场，以及具有挺杆（8），所述挺杆（8）能够根据所产生的至少一个电磁场在纵向（L）上和与纵向（L）相反地移动，
-传感器装置（10），所述传感器装置具有发射器元件（12）和传感器元件（14），其中所述发射器元件（12）布置在所述挺杆（8）处，并且借助于所述传感器元件（14）根据由所述发射器元件（12）产生的磁场（18）产生测量信号（SM），所述测量信号包含关于所述挺杆（8）沿着所述纵向（L）的当前实际位置的信息，以及
-调节单元（20），所述调节单元具有调节器（22），借助于所述调节器（22）根据基于所述测量信号（SM）的位置信号（SP）给所述至少一个执行器线圈（6）施加操控电压（UA）用以产生所述至少一个电磁场，使得将所述挺杆（8）从所述当前实际位置移动到额定位置，并且其中由所述至少一个执行器线圈（6）产生杂散磁场，所述杂散磁场影响所述测量信号（SM），所述方法包括以下步骤：
-借助于补偿单元（28）检测与所述杂散磁场相关的参量（G），
-基于所检测的参量（G）产生校正参量，
-通过给所述测量信号（SM）施加所述校正参量来适配所述测量信号（SM），
-将基于经适配的测量信号（SM）的位置信号（SP）传送给所述调节器（22）。
11.根据前述权利要求所述的方法，其中借助于补偿装置（28）根据校正函数从所确定的参量中确定校正参量，并且根据所述校正参量适配所述测量信号（SM），并且其中利用校准值对根据所述校正函数确定的校正参量进行校正，其中所述校准值是偏移和/或放大因数。
12.根据前述权利要求所述的方法，其中为了确定所述校准值，将所述挺杆（8）移动到预先给定的并且已知的校准位置中、优选地移动到两个端部位置中，一次在通电的执行器（4）时以及一次在不通电的执行器（4）时，并且分别借助于所述传感器装置（10）检测所述挺杆（8）的位置，并且此外将所述校准位置的针对各自校准位置借助于所述校正函数确定的值与所述校准位置的实际值进行比较并且从中确定所述偏移和所述放大因数。
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