DE102012110049A1

DE102012110049A1 - Verfahren und Steuereinheit zur Bestimmung der Position einer Stelleinrichtung, sowie bürstenloser Gleichstrommotor mit einer derartigen Steuereinheit

Info

Publication number: DE102012110049A1
Application number: DE201210110049
Authority: DE
Inventors: Ingo Molnar; Francesco Flögel
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2014-04-24

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Position einer Stelleinrichtung, die von einem Elektromotor angetrieben wird, der eine Steuereinheit und wenigstens zwei Positionssensoren aufweist, welche abhängig von der Drehlage des Elektromotors jeweils ein Signal ausgeben, wobei die Signale sämtlicher Positionssensoren die Drehlage des Elektromotors in einem festgelegten Winkelbereich eindeutig bestimmen, wobei die aktuellen Signale in einem nicht-flüchtigen Speicher gespeichert werden, bevor die Steuereinheit in den Standby-Betrieb geht, wobei während des Standby-Betriebs einer der Positionssensoren mit Energie versorgt wird und das Signal dieses Positionssensors überwacht wird, und die Steuereinheit aufgeweckt wird, um den Standby-Betrieb zu verlassen und die Signale sämtlicher Positionssensoren zu ermitteln, falls das Signal dieses überwachten Positionssensors seinen Zustand ändert.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuereinheit zur Bestimmung der Position einer Stelleinrichtung, sowie einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einer derartigen Steuereinheit.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bürstenlose Gleichstrommotoren weisen Positionssensoren zur Kommutierungs-Steuerung auf. Als Positionssensoren werden zum Beispiel Hall-Sensoren verwendet, die mit dem Rotormagneten oder einem separaten Positionserfassungsmagneten zusammenwirken, um die Drehlage des Motors zu erfassen. Die Drehlageerfassung ist notwendig zur Ansteuerung der Statorwicklungen, oder Kommutierung. Ein Beispiel einer Motorsteuerung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor ist in der US 2011/0316459 A1 beschrieben.
In der folgenden Beschreibung wird im Wesentlichen auf einen permanentmagnetischen Dreiphasenmotor Bezug genommen, der zur Positionserfassung drei Hall-Sensoren verwendet. Die Erfindung Ist hierauf jedoch nicht beschränkt, und es können insbesondere mehr oder weniger Hall-Sensoren sowie andere Positionssensoren verwendet werden.
Ein Beispiel für einen bürstenlosen Gleichstrommotor, bei dem die Erfindung zur Anwendung kommen kann, ist in 1a schematisch dargestellt. Der in 1a schematisch in Schnittdarstellung gezeigte Elektromotor 1 ist ein Gleichstrommotor, mit einem Stator 2 und einem Rotor 3. Der Stator 2 trägt Statorwicklungen 5 auf einer Vielzahl von Polzähnen 4. Der Rotor 3 umfasst eine Vielzahl von Rotormagneten 7, die auf einem Rotorrückschluss 8 aufgebracht sind, und ist drehfest mit einer Welle 6 verbunden. Zwischen Rotor 3 und Stator 2 ist ein Arbeitsspalt gebildet. Man wird verstehen, dass 1a lediglich beispielhaft einen von vielen unterschiedlichen Elektromotoren zeigt, in dem das Verfahren und die Stelleinrichtung dieser Erfindung eingesetzt werden können.
Bei dem beispielhaften Elektromotor ist an einem Stirnende eine Leiterplatte 9 angeordnet, die in 1b schematisch dargestellt ist. Die Leiterplatte 9 kann die Steuerelektronik für den Elektromotor 1 tragen. Auf die Leiterplatte 9 sind in dem gezeigten Beispiel drei Hall-Sensoren H1, H2, H3 oder andere Magnetsensoren aufgebracht, die als Positionssensoren zur Erfassung der Drehlage des Elektromotors 1 dienen. Sowohl die in 1b gezeigte Anordnung der Positionssensoren als auch die Verwendung von Hall-Sensoren sind lediglich beispielhaft und sollen die Erfindung nicht beschränken.
1a zeigt einen herkömmlichen Elektromotor 1, in dem das Verfahren und die Stelleinrichtung der Erfindung eingesetzt werden können. Das Verfahren und die Stelleinrichtung können aber auch in Verbindung mit einer Vielzahl von anderen Elektromotor-Konfigurationen eingesetzt werden, sei es solche, die heute schon bekannt sind, oder solche, die erst noch entwickelt werden.
2 zeigt den Signalverlauf von drei Hall-Sensoren zur Erfassung der Drehlage des Motors, wobei die drei Hall-Sensoren den drei Phasen U, V, W des Gleichstrommotors zugeordnet sind.
Die Ausgangssignale der Hall-Sensoren sind abhängig von ihrer relativen Lage zum Positionserfassungsmagneten logisch hoch, „1”, oder logisch niedrig, „0”. Das Ausgangssignal jedes Sensors kann somit den digitalen Wert 1 oder 0 annehmen. Die Ausgangssignale der Hall-Sensoren können zu jedem Zeitpunkt zu einem Pattern oder Muster zusammengefasst werden, wobei es acht mögliche Kombinationen gibt. In der Praxis treten das Muster [0,0,0], d. h. 0, und das Muster [1,1,1], d. h. 7, grundsätzlich nicht auf. Solche Muster werden daher als Fehler behandelt. Die verbleibenden sechs Hall-Muster wiederholen sich aufeinanderfolgend: Über eine elektrische Umdrehung im Uhrzeigersinn (CW – Clockwise-Richtung) entwickelt sich das Hall-Muster der drei Sensoren [HU, HV, HW] beispielsweise wie folgt:
[0,0,1], [0,1,1], [0,1,0], [1,1,0], [1,0,0], [1,0,1], [0,0,1], [0,1,1], ... usw.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht jede Änderung des Hall-Musters um ein Inkrement, bzw. abhängig von der Drehrichtung um ein Dekrement, einer Änderung von 60° elektrisch, wobei der elektrische Winkel wiederum abhängig ist von dem mechanischen Winkel und der Polpaarzahl. Dadurch kann die Drehlage des Motors mit einer für die Kommutierung ausreichenden Genauigkeit bestimmt werden.
3 zeigt ein Beispiel für eine Ansteuerschaltung eines bürstenlosen Gleichstrommotors, die in der Erfindung eingesetzt werden kann. In dem Ausführungsbeispiel sind die drei Phasen des bürstenlosen Gleichstrommotors in Sternschaltung 34 geschaltet, wobei die Statorwicklungen oder Phasenwicklungen 5 an den Anschlusspunkten U, V, W angeschlossen sind. Über die Sternschaltung 34 sind die Statorwicklungen 5 mit einer Brückenschaltung 30 verbunden, die einen oberen Brückenzweig 31 und einen unteren Brückenzweig 32 aufweist. Jeder Brückenzweig enthält drei Phasenanschlüsse für die drei Phasen U, V, W des Stators, wobei die Phasenanschlüsse des oberen Brückenzweigs 31 mit UH, VH und WH bezeichnet sind und die Phasenanschlüsse des unteren Brückenzweigs 32 mit UL, VL und WL bezeichnet sind. Die Phasenanschlüsse und somit die Phasenwicklungen U, V, W werden über Schalter 33, zum Beispiel MOSFETs, bestromt, wobei die Schalter 33 so angesteuert werden, dass sie jeweils einen Strompfad zwischen der Eingangsspannung Uin und Masse GND bilden, zum Beispiel ein Strompfad von WH nach VL, ”WH-VL”, einen Strompfad von WH nach UL, ”WH-UL” etc., wobei die Brückenschaltung 30 mit dem Masseanschluss GND über eine Widerstand Rs verbunden ist. Dadurch können die Phasenanschlüsse U, V, W für die Kommutierung des Gleichstrommotors abwechselnd bestromt werden, wobei es möglich ist, den Motor in beiden Richtungen zu betreiben.
Bürstenlose Gleichstrommotoren werden als Stellmotoren zum Beispiel im Automobilbereich zur Sitzhöhen- und Neigungsverstellung und als Klappensteller eingesetzt, um nur einige wenige Beispiele zu nennen. Wenn die Motoren eine Stelleinrichtung betreiben, ist es wichtig, den Verstellweg der Stelleinrichtung präzise zu erfassen, zu kontrollieren und bei einem Neustart des Motors zu rekonstruieren. Im Stand der Technik ist es bekamt, den Motor zu diesem Zweck zunächst an einem mechanischen Endanschlag über einen Normierzyklus zu referenzieren, wobei die so gelernte Drehlage des Motors und die zugehörige Position der Stelleinrichtung nicht mehr verloren gehen sollten.
In Anwendungen im Automobilbereich, aber auch auf vielen anderen Gebieten, werden darüber hinaus hohe Anforderungen an den Ruhestrombetrieb gestellt. Das heißt, elektrische Verbraucher, einschließlich Gleichstrommotoren und ihrer Steuerung, müssen in einen Standby-Betrieb gehen können, solange sie nicht benötigt werden. In diesem Standby-Betrieb dürfen sie nur eine minimale Restromauforderung haben, können also nicht beispielsweise permanent ihre Position ermitteln. Diese Anforderung wird in der Praxis beispielsweise dadurch gelöst, dass die Position der Gleichstrommotoren über die Auswertung der Hall-Sensoren berechnet und während der Vorbereitung des Standby-Betriebs in einen nicht-flüchtigen Speicher abgelegt wird. Wenn der Motor dann wieder aktiviert wird und eine neue Betätigung der Stelleinrichtung durchgeführt werden soll, kann die Steuerung den letzten Verstellweg und die zugehörige Drehlage des Motors aus dem Speicher abrufen. Ein Beispiel für ein derartiges System ist in der DE 197 02 931 C1 beschrieben.
Bei dieser Lösung besteht jedoch das Problem, dass es durch äußere Einflüsse auf die Motorwelle, wie Stöße oder Vibrationen, zu einer tatsächlichen Positionsänderung der Stelleinrichtung kommen kann, während der Motor im Standby-Betrieb ist. Diese Positionsänderungen werden von der Motorsteuerung nicht erkannt und gehen verloren. Dadurch kann die Positionsgenauigkeit der Stelleinrichtung nicht mehr gewährleistet werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Steuereinheit zur Bestimmung der Position einer Stelleinrichtung und einen zugehörigen Gleichstrommotor anzugeben, mit denen die oben beschriebenen Positionsfehler möglichst über die gesamte Lebensdauer des Motors und seiner Steuereinheit ausgeschlossen werden können.
ABRISS DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1, eine Steuereinheit gemäß Patentanspruch 7 sowie einen bürstenlosen Gleichstrommotor gemäß Patentanspruch 8 gelöst.
Die Erfindung sieht ein Verfahren zur Bestimmung der Position einer Stelleinrichtung vor, die von einem Elektromotor angetrieben wird, insbesondere von einem bürstenlosen Gleichstrommotor, der eine Steuereinheit und wenigstens zwei Positionssensoren aufweist. Die Positionssensoren geben abhängig von der Drehlage des Elektromotors 1 jeweils ein Signal aus, wobei die Signale sämtlicher Positionssensoren die Drehlage des Elektromotors 1 in einem festgelegten Winkelbereich eindeutig bestimmen. Die aktuellen Signale werden in einem nicht-flüchtigen Speicher gespeichert, bevor die Steuereinheit in den Standby-Betrieb geht. Während des Standby-Betriebs wird einer der Positionssensoren mit Energie versorgt, und das Signal dieses Positionssensors wird überwacht. Die Steuereinheit wird aufgeweckt, um den Standby-Betrieb zu verlassen und die Signale sämtlicher Positionssensoren zu ermitteln, falls das Signal dieses überwachten Positionssensors seinen Zustand ändert.
Eine definierte Anfangsposition der Stelleinrichtung kann ermittelt werden, um eine quasi-absolute Position der Verstelleinrichtung ausgehend von der Anfangsposition oder einer vorhergehenden Position durch Auswertung der Signale sämtlicher Positionssensoren inkrementell zu bestimmen.
In einer Ausgestaltung wird die aktuelle quasi-absolute Position der Stelleinrichtung gespeichert, bevor die Steuereinheit in den Standby-Betrieb geht, und im Falle einer Positionsänderung im Standby-Betrieb wird die quasi-absolute Position bestimmt, indem die vor dem Beginn des Standby-Betriebs abgespeicherte quasi-absolute Position um ein oder mehr Inkremente in positiver oder negativer Drehrichtung verändert wird, wobei diese Veränderung in Abhängigkeit vom Vergleich der aktuellen Signale der Positionssensoren von den vor Beginn des Standby-Betriebs gespeicherten Signalen sowie in Abhängigkeit von der Anzahl der Flankenwechsel des überwachten Sensors geschieht.
In einem Ausführungsbeispiel ist das von den Positionssensoren ausgegebene Signal ein logisch hohes oder niedriges Signal, „1” oder „0”, wobei die Signale der Positionssensoren zu einem Muster aus 1- und 0-Signalen zusammengefasst werden können, um die Drehlage des Elektromotors zu bestimmen. Es kann z. B. zunächst ein Muster ermittelt werden, das einer definierten Anfangsposition der Stelleinrichtung entspricht, und während des Betriebs des Elektromotors 1 wird ein Verstellweg der Stelleinrichtung ausgehend von der Anfangsposition oder einer vorhergehenden Position und somit eine quasi-absolute Position durch Auswertung von Änderungen des Musters ermittelt. Hieraus kann die aktuelle Position der Stelleinrichtung abgeleitet und zusammen mit dem aktuellen Muster gespeichert werden, wenn der Elektromotor 1 anhält. Beim Wiederanfahren des Elektromotors ist dann die aktuelle Position der Stelleinrichtung bekannt, und der Motor kann seinen Betrieb kontrolliert wieder aufnehmen.
Bevor die Steuereinheit in den Standby-Betrieb geht, werden in einem Ausführungsbeispiel die aktuelle Position der Stelleinrichtung und das aktuelle Muster in einem nicht-flüchtigen Speicher gespeichert. Verlässt die Steuereinheit den Standby-Betrieb wieder, so wird in diesem Ausführungsbeispiel das aktuelle Muster ermittelt und mit dem gespeicherten Muster verglichen, um festzustellen, ob es eine Abweichung in dem von den Hall-Sensoren erzeugten Muster gibt. Wenn ja, dann ist dies ein Hinweis darauf, dass sich die Stelleinrichtung und somit der Elektromotor während des Standby-Betriebs bewegt haben, beispielsweise durch eine Erschütterung der Stelleinrichtung von außen. Die Position der Stelleinrichtung muss dann korrigiert werden.
Wie man mit Bezug auf 2 erkennen wird, kann eine Drehwinkeländerung des Elektromotors 1 um ein oder zwei Inkremente im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn aus dem Hall-Muster rekonstruiert werden, weil bei einer solchen geringen Abweichung die Änderung noch eindeutig dem gespeicherten Muster zugeordnet werden kann. Dies kann anhand des folgenden Beispiels anschaulich gemacht werden:
Wird zum Beispiel der Elektromotor bei dem Muster [0,1,0] angehalten und geht in den Standby-Modus, so wird dieses Muster [0,1,0] und die zugehörige aktuelle Position der Stelleinrichtung in einem nicht-flüchtigen Speicher, wie einem EEPROM, abgelegt. Wenn sich während des Standby-Modus die Motorwelle durch äußere Einwirkung um ein oder zwei Inkremente im oder gegen den Uhrzeigersinn dreht, so kann dies beim Wiederanlauf des Motors rekonstruiert werden. Wenn der Motor den Betrieb wieder aufnimmt und das aktuelle Hall-Muster beispielsweise bei [1,0,0] ist, obwohl der Übergang in den Standby-Modus bei einem Hall-Muster von [0,1,0] erfolgt ist, dann kann die Steuereinheit erkennen, dass sich der Motor um zwei Inkremente im Uhrzeigersinn gedreht hat. Die dem aktuellen Hall-Muster zugeordnete Position der Stelleinrichtung kann dann korrigiert werden als gespeicherte Position der Stelleinrichtung plus zwei Inkremente (im Uhrzeigersinn). Dadurch können kleinere äußere Einwirkungen auf die Stelleinrichtung, z. B. durch Vibration, korrigiert werden, und dem aktuellen Hall-Muster kann immer die korrekte Position der Stellenrichtung zugeordnet werden.
Wenn bei dem gezeigten Beispiel die Abweichung des Hall-Musters von dem gespeicherten Muster jedoch mehr als zwei Inkremente beträgt, so kann nicht mehr eindeutig ermittelt werden, ob dies durch eine Drehung des Elektromotors im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn verursacht wurde. Des Weiteren ist es bei dem obigen Beispiel auch möglich, dass sich der Motor um mehr als 360° elektrisch im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn gedreht hat, beispielsweise um 8, 14 oder 20 Inkremente, etc. Denn aus dem gespeicherten und dem aktuellen Hall-Muster allein, lässt sich der aktuelle elektrische Winkel und somit die aktuelle Position der Stelleinrichtung nicht ableiten.
Die Erfindung sieht daher vor, während des Standby-Betriebs einen der Positionssensoren mit Energie zu versorgen und das Ausgangssignal dieses Positionssensors zu überwachen. Typischerweise liegt der Strombedarf eines solchen, überwachten Sensors bei circa 3 mA, Idealerweise unterhalb von 2 mA. Die Steuereinheit wird aufgeweckt, um den. Standby-Betrieb zu verlassen, wenn das Ausgangssignal des überwachten Positionssensors seinen Zustand ändert. Die Erfindung kann daher auch dann, wenn sich die Steuereinheit des Elektromotors im Standby-Modus befindet, eine Bewegung der Stelleinrichtung erkennen und entsprechend korrigieren.
In einem praktischen Ausführungsbeispiel arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren auf der Grundlage von drei Positionssensoren, deren Ausgangssignale zu den Mustern [0,0,1]; [0,1,1]; [0,1,0]; [1,1,0]; [1,0,0]; und [1,0,1] zusammengefasst werden, um die Drehlage des Elektromotors 1 in Inkrementen von 60° (elektrisch) zu ermitteln. Die Position der Stelleinrichtung wird nach Auswertung dieses Musters bei Bedarf korrigiert.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Steuereinheit aufgeweckt, wenn das Ausgangssignal des überwachten Positionssensors einen Flankenwechsel aufweist. Die Steuereinheit wird initialisiert, sobald sie den Standby-Betrieb verlässt, und ermittelt das aktuelle Muster der Positionssensoren und vergleicht dies mit dem gespeicherten Muster. Dies passiert innerhalb einer Zeitspanne, die kürzer ist als die maximale Zeit, die der Elektromotor benötigt, um sich durch externe Einwirkung um ein weiteres Inkrement zu drehen. In der Praxis wird in dem Fall, dass der Elektromotor durch einen Schlag oder Vibration in Drehung versetzt wird, die anfängliche Drehgeschwindigkeit ausreichend niedrig sein, um die Flanken des Sensorsignals schritthaltend zu erfassen, selbst wenn die Steuereinheit zunächst durch eine erste Flanke geweckt und initialisiert werden muss. In einem praktischen Beispiel kann die hierfür benötigte Zeit in der Größenordnung von etwa 2 ms liegen, wobei nicht zu erwarten ist, dass in dieser Zeitspanne eine Rotation des Elektromotors um mehr als 60° elektrisch erfolgt ist.
Die Korrektur der Position der Stelleinrichtung wird unter Berücksichtigung der Richtungsänderung der Flanke des Ausgangssignals des überwachten Positionssensors vorgenommen, weil eine steigende oder fallende Flanke, ausgehend von dem gespeicherten Muster, die Richtung der Positionsänderung der Stelleinrichtung erkennen lässt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung prüft die Steuereinheit, ob das Wecksignal von dem Positionssensor oder von einer anderen Quelle, beispielsweise durch externe Betätigung der Stelleinrichtung, stammt. Nur wenn das Wecksignal von dem Positionssensor stammt, muss die Änderung des Ausgangssignals des überwachten Positionssensors bei der Positionskorrektur berücksichtigt werden.
Die Erfindung sieht auch eine Steuereinheit zur Bestimmung der Position einer Stelleinrichtung vor, die von einem Elektromotor angetrieben wird. Die Steuereinheit weist ein Computerprogramm auf, das dazu eingerichtet ist, das oben beschriebene Verfahren auszuführen.
Die Erfindung sieht auch einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einer Steuereinheit und drei Positionssensoren vor. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet ist, zur Ansteuerung einer Stelleinrichtung das oben beschriebene Verfahren auszuführen. Dieses kann beispielsweise mittels eines Computerprogramms, mittels eines durch eine Hardwareschaltung definierten Ablaufs, mittels tabellarisch hinterlegter Vorschriften oder auf andere Weise realisiert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung ist im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Figuren zeigen:
1a ein Beispiel eines bürstenlosen Gleichstrommotors, in dem die Erfindung eingesetzt werden kann;
1b eine schematisch dargestellte Leiterplatte zum Einbau in den bürstenlosen Gleichstrommtor der 1a;
2 die Ausgangssignale von drei Hall-Sensoren zur Erfassung der Drehlage des Elektromotors;
3 ein Beispiel einer Schaltung zur Ansteuerung eines Gleichstrommotors; und
4 ein Flussdiagram gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die Erfindung ist im Folgenden anhand des Beispiels eines bürstenlosen Gleichstrommotors beschrieben, der eine Steuereinheit und drei Positionssensoren, z. B. Hall-ICs, aufweist. Diese Sensoren können zum Beispiel die in 2 gezeigten Ausgangssignale erzeugen, wobei die logisch hohen und niedrigen Ausgangssignale, 1 und 0, erzeugt werden, wenn Nord- und Südpole eines Sensormagneten oder Rotormagneten an den jeweiligen Hall-ICs vorbeigehen. Wie oben beschrieben, kann anhand des durch die Hall-ICs gebildeten Musters die Drehlage des Rotors bestimmt, beziehungsweise rekonstruiert werden, abhängig davon, welcher Magnetpol welchem Hall-IC gegenüberliegt.
Der Motor kann die in 3 gezeigte Ansteuerschaltung aufweisen, wobei die 1a bis 3 lediglich ein Beispiel von vielen möglichen Anwendungen der Erfindung zeigen.
Ein Beispiel für die Anwendung der Erfindung ist in Stelleinrichtungen im Automobilbereich, beispielsweise zur Sitzverstellung oder als Klappensteller. In diesen Bereichen werden hohe Anforderungen an minimale Stromaufnahme im Standby-Betrieb oder Sleep-Mode gestellt, wobei im Standby Betrieb die Stromaufnahme beispielsweise <125 μA sein soll. Die Hall-ICs werden daher zweckmäßig über eine Pulsweiten-Modulation angesteuert. Zur Erfassung der Motorlage kann erfindungsgemäß die integrierte Motorsteuereinheit eines bürstenlosen Gleichstrommotors genutzt werden.
In der Praxis wird der Motor in Verbindung mit der Stelleinrichtung, für die er vorgesehen ist, bei Betriebsaufnahme zunächst an einem mechanischen Endanschlag über einen Normierzyklus referenziert. Dadurch wird die Position der Stelleinrichtung und die zugehörige Position des Elektromotors 1 gelernt und gespeichert. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert darauf, dass diese Anfangsposition oder jede zuletzt angefahrene Position des Elektromotors 1 und der Stelleinrichtung gespeichert und als Ausgangsposition für einen nächsten Verstellzyklus genutzt werden. Während des Betriebs des Elektromotors 1 erfasst die Steuereinheit permanent die Drehlage des Elektromotors 1, leitet daraus die momentane Position der Stelleinrichtung ab und speichert beides für einen nächsten Verstellzyklus.
Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt in einem ersten Schritt 10, in dem die aktuelle Drehlage des Elektromotors 1 und die Position der Stelleinrichtung während der Drehung des Elektromotors 1 erfasst und jedenfalls dann gespeichert werden, wenn der Elektromotor 1 anhält. Die Drehlage des Elektromotors 1 wird bei Verwendung von drei Hall-Sensoren auf der Grundlage des in 2 gezeigten Musters erfasst, wobei man verstehen wird, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung von drei Positionssensoren und nicht auf das mit Bezug auf 1a erläuterte Signalmuster beschränkt ist. Die aktuelle Position der Stelleinrichtung wird dann ausgehend von einer zuvor ermittelten Position als Ausgangsposition und der Änderung des Signalmusters der Positionssensoren berechnet.
Wenn der Elektromotor 1 anhält, kann die Steuereinheit sofort oder nach einer vorgegebenen Zeitspanne oder auch durch externen Befehl in den Standby-Betrieb versetzt werden, wobei zur Vorbereitung des Standby-Betriebs die zuletzt ermittelte Drehlage des Motors und die zugehörige Position der Stelleinrichtung in einem nicht-flüchtigen Speicher der Steuereinheit, wie einem EEPROM, abgelegt werden, siehe Schritt 12.
In der Praxis kann es verschiedene Arten geben, wie der Elektromotor 1 den Standby-Betrieb verlässt, wobei hier als Beispiel nur die Anforderung durch einen Nutzer, der die Stelleinrichtung betätigt, oder die Ansteuerung durch eine Flanke eines überwachten Positionssensors genannt sind. Die Steuereinheit kann hierzu einen Aufweck-Eingang aufweisen, der zum Beispiel mit einem externen Schalter und dem überwachten Positionssensor gekoppelt ist. In einem Ausführungsbeispiel kann die Steuereinheit so konfiguriert sein, dass sie durch eine steigende oder eine fallende Flanke eines der Positionssensoren, beispielsweise des Hall-ICs U (siehe 2), getriggert wird.
In einem Schritt 14 erhält die Steuereinheit des Elektromotors 1 einen Weckbefehl und prüft die Quelle des Weckbefehls, d. h. ob dieser von einer externen Quelle stammt, z. B. durch Betätigung eines Schalters durch einen Nutzer, oder durch die Flanke des überwachten Positionssensors ausgelöst wurde. Abhängig von dem Ergebnis der Prüfung wird die Position der Stelleinrichtung auf unterschiedliche Weise rekonstruiert.
Stellt die Steuereinheit fest, dass der Weckbefehl von einer externen Quelle, wie einem Schalter kam, so wird in einem Schritt 20 die Position der Stelleinrichtung auf der Grundlage des aktuellen Hall-Musters rekonstruiert, wie oben in Bezug auf den Stand der Technik beschrieben. Wenn das Hall-Muster dem gespeicherten Muster entspricht, ist keine Korrektur der Position der Stelleinrichtung notwendig, und die aktuelle Position entspricht der gespeicherten Position. Wenn eine Abweichung des aktuellen Hall-Musters von dem gespeicherten Hall-Muster um ein oder zwei Inkremente erkannt wird, kann hieraus abgeleitet werden, dass sich der Elektromotor 1 um ein oder zwei Inkremente im oder gegen den Uhrzeigersinn gedreht hat, und die gespeicherte Position der Stelleinrichtung wird entsprechend korrigiert und als neue aktuelle Position übernommen. Anschließend wird im Schritt 22 der Elektromotor 1 solange angetrieben, wie das externe Ansteuersignal vorliegt. Dies erfolgt grundsätzlich wie in Bezug auf Schritt 10 beschrieben. Fällt das externe Signal weg, weil beispielsweise der Schalter losgelassen wird, so hält der Motor an, und das Verfahren setzt sich im Schritt 10 fort.
Wenn die Quelle des Weckbefehls jedoch eine steigende oder fallende Flanke des Positionssensors war, so wird für die Bestimmung der Position der Stelleinrichtung nicht nur das aktuelle Hall-Muster mit dem gespeicherten Hall-Muster verglichen, sondern es wird zusätzlich diese steigende oder fallende Flanke herangezogen, um die Position der Stelleinrichtung eindeutig zu ermitteln. Wurde beispielsweise der Elektromotor 1 bei dem Muster [0,1,0] gestoppt und geht in den Standby-Betrieb, so wurde dieses Muster [0,1,0] und die zugehörige Position gespeichert. Wird dann die Steuereinheit von einer fallenden Flanke des Hall-ICs U geweckt und ist das aktuelle Muster der Hall-ICs unmittelbar nach dem Wecken z. B. [1,0,1], so kann die Steuereinheit aufgrund dieser Information erkennen, dass der Motor um drei Inkremente gegen den Uhrzeigersinn gedreht hat – und nicht um drei Inkremente mit dem Uhrzeigersinn, und sie kann die aktuelle Position der Stelleinrichtung entsprechend korrigieren und diese neue aktuelle Position speichern; siehe Schritt 24.
Anschließend überwacht die Steuereinheit, ob weitere Änderungen des Musters auftreten, die darauf hinweisen, dass sich der Elektromotor 1 durch externe Einwirkung noch weiter dreht; siehe Schritt 26. Wenn dies der Fall ist, dann werden diese weiteren Änderungen des Musters erfasst, um die aktuelle Drehlage des Motors und somit die aktuelle Position der Stelleinrichtung zu erfassen und zu speichern, wie im Schritt 10 des beschriebenen Verfahrens. In der Praxis ist die für das Aufwecken der Steuereinheit aus dem Standby-Betrieb und die Erfassung des aktuellen Hall-Musters benötigte Zeit so gering, dass eine schritthaltende Positionserfassung gewährleistet werden kann. Wenn die Steuereinheit keine weiteren Änderungen des Hall-Musters mehr erkennt, geht sie zurück in den Standby-Betrieb; das Verfahren wird im Schritt 12 fortgesetzt.
Die Erfindung erlaubt es, die Position einer Stelleinrichtung über der Lebensdauer des Motors präzise und fehlerfrei zu speichern, selbst wenn die Stelleinrichtung durch äußere Krafteinwirkung auf diese bzw. auf die Motorwelle bewegt wird, und einen minimalen Energieverbrauch des Motors und seiner Ansteuerung zu gewährleisten.
Bezugszeichenliste

1: Elektromotor
2: Stator
3: Rotor
4: Polzahn
5: Statorwicklungen
6: Welle
7: Rotormagnete
8: Rückschluss
9: Leiterplatte
10, 12, 14, 20, 22, 24,26: Verfahrensschritte
30: Brückenschaltung
31: oberer Brückenzweig
32: unterer Brückenzweig
33: Schalter
34: Sternschaltung
U, V, W: Anschlusspunkte der Phasenwicklungen
R_S: Widerstand
GND: Masseanschluss
Uin: Eingangsspannung
UH, VH, WH: Phasenanschlüsse des oberen Brückenzweigs
UL, VL, WL: Phasenanschlüsse des unteren Brückenzweigs
H1, H2, H3: Hallsensoren

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2011/0316459 A1 [0002]
DE 19702931 C1 [0012]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Position einer Stelleinrichtung, die von einem Elektromotor (1) angetrieben wird, der eine Steuereinheit und wenigstens zwei Positionssensoren aufweist, welche abhängig von der Drehlage des Elektromotors (1) jeweils ein Signal ausgeben, wobei die Signale sämtlicher Positionssensoren die Drehlage des Elektromotors (1) in einem festgelegten Winkelbereich eindeutig bestimmen, wobei die aktuellen Signale in einem nicht-flüchtigen Speicher gespeichert werden, bevor die Steuereinheit in den Standby-Betrieb geht, wobei während des Standby-Betriebs einer der Positionssensoren mit Energie versorgt wird und das Signal dieses Positionssensors überwacht wird, und wobei die Steuereinheit aufgeweckt wird, um den Standby-Betrieb zu verlassen und die Signale sämtlicher Positionssensoren zu ermitteln, falls das Signal dieses überwachten Positionssensors seinen Zustand ändert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine definierte Anfangsposition der Stelleinrichtung ermittelt wird und dass eine quasi-absolute Position der Verstelleinrichtung ausgehend von der Anfangsposition oder einer vorhergehenden Position durch Auswertung der Signale sämtlicher Positionssensoren inkrementell ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle quasi-absolute Position der Stellenrichtung gespeichert wird, bevor die Steuereinheit in den Standby-Betrieb geht.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Positionsänderung im Standby-Betrieb die quasi-absolute Position bestimmt wird, indem die vor dem Beginn des Standby-Betriebs abgespeicherte quasi-absolute Position um ein oder mehr Inkremente in positiver oder negativer Drehrichtung verändert wird, wobei diese Veränderung in Abhängigkeit vom Vergleich der aktuellen Signale der Positionssensoren mit den vor Beginn des Standby-Betriebs gespeicherten Signalen sowie in Abhängigkeit von der Anzahl der Flankenwechsel des überwachten Sensors geschieht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor (1) ein bürstenloser Gleichstrommotor ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit aufgeweckt wird, wenn das Ausgangssignal des überwachten Positionssensors einen Flankenwechsel aufweist.
Steuereinheit zur Bestimmung der Position einer Stelleinrichtung, die von einem Elektromotor (1) angetrieben wird, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche auszuführen.
Bürstenloser Gleichstrommotor mit einer Steuereinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrommotor drei Positionssensoren aufweist.
Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 8, wobei die Positionssensoren Hall-Sensoren sind.