DE102008010964A1

DE102008010964A1 - Verfahren zum Betrieb eines Stellantriebs und Stellantrieb

Info

Publication number: DE102008010964A1
Application number: DE102008010964A
Authority: DE
Inventors: Werner Wallrafen
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2008-02-25
Filing date: 2008-02-25
Publication date: 2009-08-27
Also published as: EP2093877A1; US20090212727A1; EP2093877B1; US8198842B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Stellantriebs mit einem elektrisch kommutierten Motor 1 zur Verstellung eines Stellorgans, mit einem Stellungsgeber 6 zur Erfassung der Drehwinkelposition des Rotors des Motors oder eines von diesem drehbar antreibbaren Elements. Eine Motorsteuerungseinheit 9 dient zur Kommutierung des Motors 1 und Lageregelung des Stellorgans, wobei der Motorsteuerungseinheit 9 Positionssignale zuführbar sind, die den vom Stellungsgeber 6 erfassten Positionswerten entsprechen. Nach Inbetriebnahme des Stellantriebs wird über mindestens eine volle Umdrehung des Rotors oder des drehbar antreibbaren Elements von dem Stellungsgeber 6 unkompensierte Messwerte erfasst werden, werden in einer Kompensationseinheit 11 entsprechende Korrekturwerte zur Kompensation von Winkelfehlern gebildet. Die Korrekturwerte werden einer Speichereinheit 14 zur Speicherung zugeleitet und die im weiteren Betrieb erfassten Positionswerte mit den Korrekturwerten fehlerkompensiert einer Kommutierungseinheit 12 und einer Lageregelungseinheit 13 der Motorsteuerungseinheit 9 zugeleitet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Stellantriebs mit einem elektrisch kommutierten Motor zur Verstellung eines Stellorgans, mit einem Stellungsgeber zur Erfassung der Drehwinkelposition des Rotors des Motors oder eines von diesem drehbar antreibbaren Elements, mit einer Motorsteuerungseinheit zur Kommutierung des Motors und Lageregelung des Stellorgans, wobei der Motorsteuerungseinheit Positionssignale zuführbar sind, die den vom Stellungsgeber erfassten Positionswerten entsprechen.
Bei einem derartigen Verfahren ist es bekannt, dass der Stellungsgeber am Ausgang des Stellantriebs für die Lageregelung Informationen für die Kommutierung ableitet. Die Bestromungsmuster müssen durch Fertigungstoleranzen bedingt allerdings exemplarisch ermittelt und individuell in der Ansteuerelektronik nichtflüchtig abgespeichert werden. Spiel im Getriebe, welches sich während der Betriebszeit noch verändert, führt zu nicht vorhersagbaren Phasenfehlern und zu schlechten Kommmutierungsergebnissen.
Zusätzlich kann auch der Stellungsgeber seine Signale mit der Betriebszeit und höheren Temperaturen verändern, die mit einer einmaligen exemplarischen Ermittlung nicht berücksichtigt werden. Die Verwendung von hochpräzisen und stabilen Stellungsgebern ist aufwendig und kostenintensiv.
Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren und einen Stellantrieb der eingangs genannten Art zu schaffen, durch das bzw. den bei einfachem Aufbau der Kommutierungs- und Lageregelungseinrichtung eine phasengenaue Kommutierung des elektrisch kommutierten Motors erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass nach Inbetriebnahme des Stellantriebs über mindestens eine volle Umdrehung des Rotors oder des drehbar antreibbaren Elements von dem Stellungsgeber unkompensierte Messwerte erfasst, in einer Kompensationseinheit entsprechende Korrekturwerte zur Kompensation von Winkelfehlern gebildet, und die Korrekturwerte einer Speichereinheit zur Speicherung zugeleitet werden, und dass die im weiteren Betrieb erfassten Positionswerte mit den Korrekturwerten fehlerkompensiert und einer Kommutierungseinheit und/oder einer Lageregelungseinheit der Motorsteuerungseinheit zugeleitet werden.
Nach Inbetriebnahme bedeutet entweder unmittelbar nach elektrischem Einschalten des Stellantriebs oder im laufenden Betrieb unter vorherbestimmten Betriebsbedingungen.
Dieses Verfahren führt zu einer phasengenauen Kommutierung des Motors mit einem hohen Wirkungsgrad, verbessertem Rundlauf und guter dynamischer Lageregelung. Ein exemplarischer Abgleich von Fertigungstoleranzen wird nicht benötigt, da das Verfahren bei jedem Einschaltvorgang sich selbst kalibrieren kann und darüber hinaus auch mit zunehmender Lebensdauer hinzukommender Verschleiß sowie Temperaturabhängigkeiten immer wieder kompensiert werden.
Darüber hinaus kann ein sehr ungenauer, kleiner und damit preiswerter Positionssensor verwendet werden.
Ein vorteilhafter Verfahrensablauf besteht darin, dass die Positionswerte als Sinus-Winkelsignale und Cosinus-Winkelsignale aufbereitet und der Kompensationseinheit zugeführt werden, wobei in der Kompensationseinheit die Extremwerte der Sinus-Winkelsignale und der Cosinus-Winkelsignale ermittelt werden und daraus Offsetkorrekturwerte und Amplitudenkorrekturwerte berechnet werden und diese der Kommutierungseinheit und/oder der Lageregelungseinheit der Motorsteuerungseinheit zugeleitet werden.
Zusätzlich kann durch die Kompensationseinheit die Winkelabweichung zwischen einer Nullposition des Rotors des Motors oder des drehbar antreibbaren Elements und einer Nullposition des Stellungsgebers ermittelt und der Kommutierungseinheit und/oder der Lageregelungseinheit zugeleitet werden.
Die Nullposition des Rotors oder des drehbar antreibbaren Elements kann eine vorherbestimmte angesteuerte elektrisch erzwungene Position des Motors (Sattelpunkt) und die Nullposition des Stellungsgebers durch die Einbaulage bestimmt sein. Dabei können auch mehrere Sattelpunkte erfasst werden, wobei vorzugsweise im Schrittmotorbetrieb jeder Sattelpunkt angefahren wird.
Nach einer vollen Umdrehung kann ein Mittelwert aller Winkelabweichungen zwischen den Sattelpunkten durch die elektrisch erzwungenen Phasen des Rotors oder des drehbar antreibbaren Elements und der an diesen Positionen gemessenen Winkelwerte des Stellungsgebers gebildet und der Kommutierungseinheit zur Nullpunkt-Korrektur zur Kommutierung zugeleitet werden.
Durch diese Verfahren werden hochgenaue Winkelinformationen zur Kommutierung und Lageregelung zur Verfügung gestellt, so dass der Wirkungsgrad des Motors und die Regelgenauigkeit erhöht wird.
Nach einer Kompensation der Stellungsgebersignale zur Kommutierung des Motors kann ein Hebelanschluss oder das Stellorgan durch den Motor in eine Referenzlage gefahren werden und die dort erfasste Drehwinkelposition als Referenzposition der Speichereinheit zur Indizierung für die Lageregelung der Lageregelungseinheit zugeleitet werden.
Dabei kann die Referenzlage durch einen mechanischen Anschlag definiert sein, in die der Hebelanschluss oder das Stellorgan gefahren wird.
Eine Initialisierungsphase kann nach elektrischem Einschalten und vorzugsweise nach vollständiger Kompensation des Stellungsgebers erfolgen.
Eine noch größere Genauigkeit über die Lebensdauer erfolgt dadurch, dass zusätzliche Kompensierungen in vorbestimmten Betriebszuständen während des Betriebs abhängig von einer oder mehreren erfassten physikalischen Größen erfolgt, wobei die die physikalische Größe eine oder mehrere bestimmte Temperaturen insbesondere Betriebstemperaturen des Stellantriebs sein können.
Bei einem Stellantrieb zur Durchführung des Verfahrens kann die Speichereinheit eine flüchtige Speichereinheit oder eine nichtflüchtige Speichereinheit sein.
Grundsätzlich kann jede Art von Stellungsgeber auf magnetischer, induktiver oder kapazitiver Basis zur Anwendung kommen.
Kostengünstig ist es aber, wenn der Stellungsgeber einen magnetoresistiven Winkelsensor, einen Hallsensor oder einen induktiven Sensor aufweist, durch den das Magnetfeld des oder der Rotormagnete des Motors oder eines auf der Motorwelle oder dem von dem Motor antreibbaren Element angeordneten Magneten erfassbar ist.
Das von dem Motor drehbar antreibbare Element kann ein Zwischenrad zwischen der Motorwelle und dem Stellorgan sein.
Vorzugsweise ist das Stellorgan ein Stellorgan eines Kraftfahrzeuges, wobei durch Stellorgan die Schaufelgeometrie eines Turboladers, oder Ladungsbewegungsklappen oder ein variabel verstellbarer Ventiltrieb verstellbar sein kann. Die Verbindung zwischen dem Stellorgan und dem Stellantrieb kann über einen Hebelanschluss erfolgen.
Weitere Möglichkeiten bestehen darin, dass durch das Stellorgan eine Getriebeschaltung oder eine Drosselklappe oder eine Abgasregelklappe oder ein Abgas-Bypassventil verstellbar sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine Prinzipdarstellung eines Stellantriebs zur Durchführung eines Verfahrens zum Betrieb des Stellantriebs.
Der dargestellte Stellantrieb zeigt einen elektrisch kommutierten Motor 1, dessen Motorwelle 2 einen radial magnetisierten Dauermagneten 3 trägt.
Durch die Motorwelle 2 ist über ein Getriebe 4 ein Hebelanschluss 5 für ein nicht dargestelltes verstellbares Stellorgan verstellbar.
Radial zum Dauermagneten 3 ist ein Stellungsgeber 6 angeordnet, der einen von dem Magnetfeld des Dauermagneten 3 beeinflussbaren Sensor 7 und eine Signalverarbeitungseinheit 8 aufweist.
Durch die Signalverarbeitungseinheit 8 werden die Signale des Sensors 7 in Sinusspannungssignale Usincα' und Cosinusspannungssignal Ucosα' verarbeitet, die einer Motorsteuerungseinheit 9 zugeführt und dort durch einen A/D-Wandler 10 in digitale Sinus-Winkelsignale und Cosinus-Winkelsignale umgewandelt werden.
Aus diesen Sinus-Winkelsignalen und Cosinus-Winkelsignalen werden dann in einer Kompensationseinheit 11 deren Extremwerte ermittelt und daraus Offsetkorrekturwerte und Amplitudenkorrekturwerte berechnet, sowie entsprechend trigonometrischen Berechnungen kompensierte Winkelsignale gebildet, die einer Kommutierungseinheit 12 sowie einer Lageregelungsein heit 13 zugeführt und in einer Speichereinheit 14 gespeichert werden.
Zur Lageregelung entsprechend einem Eingabesteuerungssignal 15 wird von der Lageregelungseinheit 13 der Kommutierungseinheit 12 ein entsprechendes kompensiertes Winkelsignal zugeführt und von der Kommutierungseinheit 12 über eine Treiberstufe 16 der Motor 1 angesteuert.
Weiterhin wird das Ansteuersignal der Treiberstufe 16 auch für einen Lernprozess für die elektrisch erzwungenen Sattelpunkt-Phasen zur Nullpunktkorrektur der Kompensationseinheit 11 zugeleitet.
Über einen Energieanschluss 17 wird einer Spannungsversorgungseinheit 18 eine Spannung zur Versorgung der Komponenten der Motorsteuerungseinheit 9 zugeführt.

1: Motor
2: Motorwelle
3: Dauermagnet
4: Getriebe
5: Hebelanschluss
6: Stellungsgeber
7: Sensor
8: Signalverarbeitungseinheit
9: Motorsteuerungseinheit
10: A/D-Wandler
11: Kompensationseinheit
12: Kommutierungseinheit
13: Lageregelungseinheit
14: Speichereinheit
15: Eingabesteuerungssignal
16: Treiberstufe
17: Energieanschluss
18: Spannungsversorgungseinheit

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Stellantriebs mit einem elektrisch kommutierten Motor zur Verstellung eines Stellorgans, mit einem Stellungsgeber zur Erfassung der Drehwinkelposition des Rotors des Motors oder eines von diesem drehbar antreibbaren Elements, mit einer Motorsteuerungseinheit zur Kommutierung des Motors und Lageregelung des Stellorgans, wobei der Motorsteuerungseinheit Positionssignale zuführbar sind, die den vom Stellungsgeber erfaßten Positionswerten entsprechen, dadurch gekennzeichnet, dass nach Inbetriebnahme des Stellantriebs über mindestens eine volle Umdrehung des Rotors oder des drehbar antreibbaren Elements von dem Stellungsgeber (6) unkompensierte Messwerte erfasst, in einer Kompensationseinheit (11) entsprechende Korrekturwerte zur Kompensation von Winkelfehlern gebildet, und die Korrekturwerte einer Speichereinheit (14) zur Speicherung zugeleitet werden, und dass die im weiteren Betrieb erfassten Positionswerte mit den Korrekturwerten fehlerkompensiert und einer Kommutierungseinheit (12) und/oder einer Lageregelungseinheit (13) der Motorsteuerungseinheit (9) zugeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionswerte als Sinus-Winkelsignale und Cosinus-Winkelsignale aufbereitet und der Kompensationseinheit (11) zugeführt werden, wobei in der Kompensationseinheit (11) die Extremwerte der Sinus-Winkelsignale und der Cosinus-Winkelsignale ermittelt werden und daraus Offsetkorrekturwerte und Amplitudenkorrekturwerte berechnet werden und diese der Kommutierungseinheit (12) und/oder der Lageregelungseinheit (13) der Motorsteuerungseinheit (9) zugeleitet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Kompensationseinheit die Winkelabweichung zwischen einer Nullposition des Rotors des Motors oder des drehbar antreibbaren Elements und einer Nullposition des Stellungsgebers ermittelt und der Kommutierungseinheit und/oder der Lageregelungseinheit zugeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nullposition des Rotors oder des drehbar antreibbaren Elements eine vorherbestimmte angesteuerte elektrisch erzwungene Position des Motors (1) und die Nullposition des Stellungsgebers (6) durch die Einbaulage bestimmt ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittelwert der Winkelabweichungen zwischen mehreren vorherbestimmten angesteuerten elektrisch erzwungenen Positionen des Rotors oder des drehbar antreibbaren Elements und Messwerten des Stellungsgebers an den elektrisch erzwungenen Positionen gebildet und der Kommutierungseinheit (12) zur Korrektur der Kommutierung zugeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Kompensation der Positionsmesswerte ein Hebelanschluss (5) oder das Stellorgan durch den Motor (1) in eine Referenzlage gefahren wird und die danach erfasste kompensierte Drehwinkelposition als Referenzposition der Speichereinheit (14) zur Indizierung für die Lageregelung der Lageregelungseinheit (13) zugeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzlage durch einen mechanischen Anschlag definiert ist, in die der Hebelanschluss (5) oder das Stellorgan gefahren wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gkennzeichnet, dass das drehbar antreibbare Element ein Rad eines dem Motor nachgeschalteten Getriebes ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Initialisierungsphase nach einer Kompensierung bei einem Erstbetrieb des Stellantriebs erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gkennzeichnet, dass eine Initialisierungsphase nach einer Kompensierung bei jeder Inbetriebnahme des Stellantriebs erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erweiterte oder dynamische Kompensierung abhängig von einer oder mehreren erfassten physikalischen Größen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Größe eine oder mehrere bestimmte Temperaturen insbesondere Betriebstemperaturen des Stellantriebs sind.
Stellantrieb zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinheit (14) eine flüchtige Speichereinheit oder eine nichtflüchtige Speichereinheit ist.
Stellantrieb nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellungsgeber (6) einen magnetoresistiven Winkelsensor, einen Hallsensor (7) oder einen induktiven Sensor aufweist, durch den das Magnetfeld des oder der Rotormagnete des Motors o der eines auf der Motorwelle (2) oder dem von dem Motor antreibbaren Element angeordneten Magneten (3) erfassbar ist.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem Motor drehbar antreibbare Element ein Zwischenrad zwischen der Motorwelle und dem Stellorgan ist.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellorgan (5) ein Stellorgan eines Kraftfahrzeugs ist.
Stellantrieb nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das durch Stellorgan die Schaufelgeometrie eines Turboladers verstellbar ist.
Stellantrieb nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Stellorgan Ladungsbewegungsklappen verstellbar sind.
Stellantrieb nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Stellorgan ein variabel verstellbarer Ventiltrieb verstellbar ist.
Stellantrieb nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Stellorgan eine Getriebeschaltung verstellbar ist.
Stellantrieb nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Stellorgan (5) eine Drosselklappe verstellbar ist.
Stellantrieb nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Stellorgan eine Abgasregelklappe verstellbar ist.
Stellantrieb nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Stellorgan ein Abgas-Bypassventil verstellbar ist.