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Es werden ein Aktuator und ein System mit mindestens einem Aktuator beschrieben, wobei der Aktuator zum Verstellen eines beweglichen Teils ausgebildet ist.
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Aktuatoren können zum Verstellen von Teilen eines Fahrzeugs verwendet werden. Fahrzeuge können bspw. Kraftfahrzeuge, wie PKW, LKW oder Busse, Züge, Flugzeuge oder Schiffe sein.
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Aktuatoren können zum Verstellen von Teilen eines Luftausströmers verwendet werden, wobei Luftausströmer zur Ablenkung von ausgegebener Luft dienen, die von einer Klimaanlage oder einer anderen Belüftungseinrichtung zur Verfügung gestellt wird. Luftausströmer werden insbesondere bei Fahrzeugen dazu verwendet, um Frischluft, temperierte Luft und/oder klimatisierte Luft in den Fahrgastraum eines Fahrzeugs zu bringen. Die Luftablenkung der ausgegebenen Luft erfolgt dabei oftmals über mindestens eine Gruppe von verschwenkbar gelagerten Lamellen.
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Bei Luftausströmern kann in der Regel neben der Steuerung der Ablenkung von ausgegebener Luft, bspw. von einer Klimaanlage, auch die Menge an ausgegebener Luft geregelt werden. Die Menge der zugeführten Luft wird über eine Steuereinrichtung geregelt, die bspw. mit einer Bedieneinrichtung zum Verschwenken von Lamellen oder getrennt von einer solchen Bedieneinrichtung neben einer Ausströmöffnung angeordnet ist. Luftausströmer können in einem Fahrzeugarmaturenbrett oder im Bereich der A- oder B- Säule oder am Dach eines Kraftfahrzeuges angeordnet sein.
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Die Steuereinrichtung steht mit einer Schließklappe in Verbindung, welche in der Regel verschwenkbar in einem Luftkanal gelagert ist. In Abhängigkeit der Stellung der Schließklappe wird Luft zugeführt oder die Luftzufuhr unterbunden.
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Aktuatoren können daher zum Verschwenken von Lamellen und/oder einer Schließklappe vorgesehen sein.
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Stand der Technik
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Es sind verschiedene Aktuatoren aus dem Stand der Technik bekannt, die neben einem Verstellen von Teilen auch eine Drehwinkelerfassung bereitstellen.
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So offenbart bspw.
DE 10 2006 028 634 A1 einen Verstellantrieb mit einem Abtriebelement zur Verstellung eines beweglichen Teils, einem Gleichstrommotor zum Antreiben des Abtriebelements über eine Motorwelle, einer Steuerelektronik zur Ansteuerung des Gleichstrommotors, einem mit der Steuerelektronik elektrisch verbundenen Drehwinkelsensor zur Erfassung von Drehwinkeln der Motorwelle, einer Datenschnittstelle zum Empfangen eines Drehwinkelsollwertes sowie zum Senden eines Antriebzustands, einem Energieversorgungsanschluss und einem den Verstellantrieb umgebenden Gehäuse.
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Der Verstellantrieb von
DE 10 2006 028 634 A1 weist zusätzlich einen drehfest auf der Motorwelle angeordneten, segmentierten Magnetring auf, mittels dessen die Erfassung des Drehwinkels erfolgt.
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Die bekannte Ausführung des Verstellantriebs weist jedoch verschiedene Nachteile auf. Der segmentierte Magnetring ermöglicht bspw. zwar eine Drehwinkelerfassung, jedoch benötigt diese einen Zähler, damit anhand der Umdrehungen der Motorwelle ein Rückschluss auf die Position des Abtriebelements und die Stellung des beweglichen Teils möglich ist. Eine genaue und direkte Rückmeldung über die Position des Teils ist daher nicht möglich. Ohne weitere Maßnahmen ist es deshalb nach Abschalten des Verstellantriebs auch nicht möglich, die Position des Abtriebelements und des beweglichen Teils zu erfassen.
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Weitere Aktuatoren aus dem Stand der Technik weisen Endanschläge auf. Zum Ausrichten und Einstellen der Aktuatoren werden diese gegen Endschläge gefahren, um eine Rückmeldung zur Orientierung zu erhalten.
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Eine absolute Positionserkennung ist daher mit den aus dem Stand der Technik bekannten Aktuatoren bzw. Verstellantrieben nicht möglich.
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Aufgabe
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Es besteht daher die Aufgabe darin eine einfache Möglichkeit der Positions- und Drehwinkelerfassung für Aktuatoren bereitzustellen und die Ansteuerung von Aktuatoren zu verbessern.
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Lösung
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch einen Aktuator zum Verstellen eines beweglichen Teils gelöst, mindestens aufweisend einen Gleichstrommotor, eine mit dem Gleichstrommotor verbundene Motorwelle, eine mit der Motorwelle verbundene Übertragungseinheit, eine Steuerelektronik, einen Anschluss zur Energieversorgung und Datenübertragung, einen Magneten, einen Sensor zur Erfassung der Position des Magneten und ein den Aktuator umgebendes Gehäuse, wobei
- - die Übertragungseinheit ein Getriebe und ein Abtriebsrad mit einer Schnittstelle aufweist,
- - die Schnittstelle zur Kopplung mit dem beweglichen Teil ausgebildet ist, und
- - der Magnet stirnseitig an einer Abtriebswelle des Abtriebsrads angeordnet ist.
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Der Magnet ist bspw. ein Permanentmagnet und ist an der Abtriebswelle angeordnet. Die Anordnung des Magneten an der Abtriebswelle weist gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Aktuatoren und Verstellantrieben den entscheidenden Vorteil auf, dass sowohl eine absolute Positionserfassung des Abtriebsrads und damit des zu bewegenden Bauteils als auch eine einfachere Rückmeldung über die Position des Abtriebsrads möglich sind.
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Im Stand der Technik wird ein Magnetring an der Motorwelle angeordnet. Die erfasste Rotation muss dann erst auf eine Position der Abtriebswelle oder des Abtriebsrads umgerechnet werden.
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Der hierin beschriebene Aktuator weist demgegenüber einen Magneten am Abtriebsrad auf. Die Position des Abtriebsrads und damit des beweglichen Teils ist daher direkt erfassbar.
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Der Sensor, der Elektromotor und der Anschluss sind mit der Steuerelektronik verbunden. Über die Steuerelektronik, die mindestens einen Prozessor und eine Speichereinrichtung aufweist, werden der Gleichstrommotor angesteuert, Signale über den Anschluss (bzw. von einer „Master“-Steuereinheit über einen LIN-Bus) empfangen und gesendet sowie die Informationen des Sensors verarbeitet. In Abhängigkeit der Stellung des Abtriebsrads bzw. dessen Auslenkung verändert sich das durch den Magneten erzeugte Magnetfeld. Der Sensor erfasst das Magnetfeld und liefert damit eine Rückmeldung über die Position der Abtriebswelle und folglich des beweglichen Teils. Die Positionen des Abtriebsrads und die damit einhergehenden Magnetfelder bzw. Magnetfeldmaxima können gelernt und in einen nichtflüchtigen Speicher der Steuerelektronik abgelegt werden. Anschließend sind für sämtliche Stellungen des Abtriebsrads die entsprechenden Magnetfeldausrichtungen abgelegt.
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Die Position des Abtriebsrads wird auch dann richtig erfasst, wenn das Abtriebsrad mehrfach verdreht wird.
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Es kann sich eine einfache Positionserfassung ohne zusätzliche Speicher- oder Zählerfordernisse ergeben, wenn das Abtriebsrad bspw. nicht mehr als um 360° verdreht wird. Ein an der Abtriebswelle angeordneter Magnet wird dann auch nur um maximal 360° verdreht, so dass sich hierfür verschiedene Magnetfeldausrichtungen ergeben, die nicht mehrfach vorkommen.
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Daher kann in Abhängigkeit der Ausrichtung und/oder der Position des Magneten sofort eine Rückmeldung über die Stellung des Abtriebsrads und eines zu bewegenden Teils erfolgen. Der Aktuator ermöglicht eine verlustfreie Speicherung der Position auch bei mehreren Umdrehungen der Abtriebswelle bzw. des Abtriebsrads. In einem Speicher der Steuerelektronik kann auch gespeichert werden, wie oft eine Umdrehung der Abtriebswelle erfolgt ist. In Kombination mit der direkten Erfassung der Position der Abtriebswelle bzw. des Abtriebsrads ist deshalb eine einfache Rückmeldung über die Stellung des zu bewegenden Teils möglich.
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Die Schnittstelle am Abtriebsrad kann als Kundenschnittstelle zur Anbindung bzw. Verbindung mit weiteren Komponenten, wie dem zu bewegenden Teil, ausgebildet sein. Die Schnittstelle kann insbesondere als mechanische Schnittstelle ausgebildet sein. Die Schnittstelle kann bspw. eine sternförmige Öffnung aufweisen. In die so ausgebildete Öffnung kann dann ein entsprechend ausgebildeter Stift eingesetzt werden. Der Stift kann Bestandteil des zu bewegenden Teils oder mit dem zu bewegenden Teil verbunden bzw. gekoppelt sein.
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Die Schnittstelle befindet sich konzentrisch zur Abtriebswelle des Abtriebsrads.
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Der Sensor kann konzentrisch oder exzentrisch zur Abtriebswelle angeordnet sein. Ein Verdrehen der Abtriebswelle verändert das durch den Magneten erzeugte Magnetfeld. Eine exzentrische Anordnung des Sensors verbessert die Detektion des Magneten, da durch ein Verdrehen der Abtriebswelle stärkere Abweichungen des Magnetfeldes auftreten.
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Der Sensor kann ein Hallsensor sein. Der Hallsensor kann insbesondere ein 3-Achs-Hallsensor sein, der eine Erfassung des Magnetfelds in drei Feldrichtungen ermöglicht. Zur Berechnung für die aktuelle Position des Magneten und damit der Position des Abtriebsrads bzw. der Abtriebswelle werden bspw. zwei Feldrichtungen herangezogen.
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Der Aktuator weist in weiteren Ausführungen eine Getriebeanordnung auf, welche über die Schnittstelle mit dem Abtriebsrad verbindbar ist. Der Aktuator selbst stellt über sein Getriebe eine Untersetzung der Rotation der Motorwelle bereit. Die Abtriebswelle und damit das Abtriebsrad werden daher mit einer definierten Rotationsgeschwindigkeit bewegt. Um eine weitere Übersetzung der Rotationsgeschwindigkeit zu erreichen wird die Getriebeanordnung auf die Schnittstelle gesetzt, so dass ein Stift oder Zapfen, der eine der Öffnung korrespondierende Form (z.B. sternförmig) hat, in der Öffnung aufgenommen ist. Die Rotation des Abtriebsrads wird über den Stift oder Zapfen übertragen. Der Zapfen oder Stift sind mit einem Zahnrad der Getriebeanordnung verbunden. Der Stift oder Zapfen befinden sich konzentrisch zu dem Zahnrad. Anstelle eines Stifts oder Zapfen kann auch ein Ritzel in einer entsprechend ausgebildeten Schnittstelle des Abtriebsrads aufgenommen werden. Das Ritzel kann mit einem weiteren Zahnrad der Getriebeanordnung verbunden sein, wobei das Ritzel und das weitere Zahnrad um eine gemeinsame Rotationsachse drehbar sind.
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Eine Getriebeanordnung kann ein schnelleres Bewegen von Teilen ermöglichen, ohne dass ein neuer Aktuator erforderlich ist. Grundsätzlich ermöglicht der Aktuator auch ohne eine zusätzliche Getriebeanordnung ein schnelleres Bewegen, weil die Position sofort erfassbar ist und kein Anfahren an Endanschläge erforderlich ist. Durch eine entsprechende Ansteuerung kann auch das Verfahren gezielter gesteuert werden, so dass auch Geräusche reduziert werden und der Aktuator leiser arbeitet.
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Hierdurch wird ein Aktuator bereitgestellt, der als Standardaktuator für eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten ausgebildet ist. Der Aktuator weist über seine Ausgestaltung eine erste Übersetzung auf. Werden andere Übersetzungen benötigt, wird eine entsprechende Getriebeanordnung (Aufsetzgetriebe) aufgesetzt und über die Schnittstelle mit dem Aktuator verbunden. Die aufgesetzten Getriebeanordnungen können auch ausgetauscht werden.
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Die Getriebeanordnung weist in weiteren Ausführungen ein separates Gehäuse auf, das mit dem Gehäuse des Aktuators verbindbar ist. Dadurch lässt sich eine Einheit bilden, die zum Verstellen von Teilen verwendet werden kann. Das Verbinden der beiden Gehäuse kann bspw. über Rastelemente erfolgen. Die Verbindung kann insbesondere reversibel oder irreversibel sein.
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Das Gehäuse des Aktuators selbst kann aus zwei Teilen, z.B. Schalen bestehen, wobei eine der Schalen abnehmbar sein kann. Es kann dann eine andere Schale aufgesetzt werden, in der eine Getriebeanordnung aufgenommen ist. Die Schale mit der Getriebeanordnung kann eine Zwischenwand aufweisen, welche die Getriebeanordnung von dem restlichen Teil der Schale trennt. Ein Stift oder Zapfen mit einem Profil ragt aus einer Öffnung der Zwischenwand hervor und dient zur Verbindung der Getriebeanordnung mit der Schnittstelle des Abtriebsrads. Ein Austausch von Getriebeanordnungen oder eine Änderung der Übersetzung der Rotation erfolgt dann durch einen Austausch einer Schale des Gehäuses.
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Sowohl das Gehäuse des Aktuators als auch das Gehäuse der Getriebeanordnung können aus Kunststoff bestehen. Die Gehäuse können dann elektrisch isolierend ausgebildet werden, was für einen geschützten Einbau vorteilhaft ist. Zudem lassen sich Kunststoffgehäuse(-schalen) in einem Spritzgussprozess kostengünstig in hoher Stückzahl fertigen.
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Die Getriebeanordnung kann mindestens ein Zahnrad und eine weitere Schnittstelle zur Kopplung mit dem beweglichen Teil aufweisen. Die Schnittstellt zur Kopplung mit dem beweglichen Teil kann analog zur Schnittstelle des Abtriebsrads ausgebildet sein.
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Eine Schnittstelle zur Kopplung mit dem Abtriebsrad kann bspw. durch einen Zapfen, einen Stift oder eine Lagerwelle des mindestens einen Zahnrads mit einem der Öffnung der Schnittstelle des Abtriebsrads entsprechenden Querschnitt gebildet sein. Der Zapfen oder Stift sind mit dem mindestens einen Zahnrad verbunden und konzentrisch zur Drehachse des mindestens einen Zahnrads an diesem angeordnet. Der Zapfen oder Stift bilden dann eine Lagerwelle für das mindestens eine Zahnrad.
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Die Getriebeanordnung kann bspw. ein Planetengetriebe aufweisen. Das Sonnenrad ist dabei über seine Lagerwelle oder ein Ritzel mit der Schnittstelle des Abtriebsrads verbindbar bzw. verbunden.
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Das mindestens eine Zahnrad der Getriebeanordnung kann einen Magneten aufweisen, wodurch eine Veränderung des Magnetfelds erzeugt wird. Dies bietet die Möglichkeit das aufgesetzte Getriebe zu erfassen und die Ansteuerung des Gleichstrommotors in Abhängigkeit des erkannten Getriebes durchzuführen. Die Position der Zahnräder des Getriebes und damit die Stellung des beweglichen Teils sind daher einfach erfassbar.
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Magnete für die Getriebeanordnungen ermöglichen analog zur Positionsbestimmung über den an der Abtriebswelle angeordneten Magneten eine Positionsbestimmung. Zudem erfolgt automatisch das Aufrufen eines entsprechenden, zugeordneten Ansteuerprogramms, wenn über die Steuerelektronik und den Sensor ein entsprechendes Getriebe erkannt wird. Jede Getriebeanordnung weist ein definiertes „Magnetfeldmuster“ auf, das repräsentativ für eine Getriebeanordnung ist. Die Getriebeanordnungen sind daher eindeutig identifizierbar. In weiteren Ausführungen kann ein Verdrehen des Abtriebsrads nach dem Aufsetzen einer Getriebeanordnung durchgeführt werden, um eine eindeutige Identifizierung vorzunehmen.
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Die Positionserfassung kann für eine Vielzahl an Getriebeanordnungen durch Erfassen der für verschiedene Positionen/Stellungen der Getriebe erfassten Magnetfelder angelernt werden.
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Wird ein Aktuator ohne Getriebeanordnung eingesetzt, erkennt eine Steuerung der Steuerelektronik dies und steuert den Gleichstrommotor entsprechend an. Ist eine Getriebeanordnung aufgesetzt, die einen Magneten aufweist, wird dies erkannt und eine entsprechende Ansteuerung ausgewählt. Für die verschiedenen Getriebeanordnungen und den Aktuator sind die entsprechenden Magnetfelder in einem nichtflüchtigen Speicher hinterlegt.
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Wird eine Getriebeanordnung ohne Magneten aufgesetzt, wird dies über die Steuerung ebenfalls erkannt, da keine Rückmeldung über die Getriebeanordnung gegeben wird. Damit der Aktuator aber nicht fälschlicherweise davon ausgeht, dass keine Getriebeanordnung vorhanden ist und der Aktuator regulär ohne Getriebeanordnung betrieben wird, kann eine zusätzliche Sicherung vorgesehen sein. Die Sicherung kann bspw. so ausgebildet sein, dass das Aufsetzen einer Getriebeanordnung - unabhängig davon ob ein Magnet vorhanden ist oder nicht - eine Verlagerung des Abtriebsrads bewirkt oder eine elektrisch messbare Änderung auftritt. Bspw. können sich der Widerstand oder die Kapazität einer Messeinrichtung ändern, die im Bereich der Schnittstelle des Abtriebsrads vorgesehen ist.
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Der Magnet des mindestens einen Zahnrads der Getriebeanordnung kann konzentrisch oder exzentrisch zur Drehachse des mindestens einen Zahnrads am mindestens einen Zahnrad angeordnet sein.
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In weiteren Ausführungen können auch mehrere Magnete an verschiedenen Plantenrädern oder anderen Zahnrädern vorgesehen sein. Die dadurch entstehenden Magnetfelder unterscheiden sich in Abhängigkeit der jeweiligen Getriebeanordnung und der Position der Magneten erheblich und sind deshalb leicht erfass- und identifizierbar.
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Die Getriebeanordnung kann ein Planetengetriebe aufweisen. Bei einem Planetengetriebe ist vorzugsweise der Magnet an einem Planetenrad angeordnet. Dadurch ergeben sich bei der Rotation große Unterschiede hinsichtlich der Ausrichtung und der Position des Magneten, die eindeutig erfass- und zuordnenbar sind, um sowohl die Art der Getriebeanordnung als auch die Position zu bestimmen.
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Der Anschluss kann eine Datenschnittstelle zur bidirektionalen Kommunikation zwischen der Steuerelektronik und weiteren Steuereinheiten aufweisen. Die Kommunikation kann beispielsweise über ein Bussystem wie ein LIN-Bus (Local Interconnect Network) erfolgen.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch durch ein System gelöst, aufweisend mindestens einen Aktuator nach einem der vorstehend beschriebenen Varianten und eine zentrale Steuereinheit, wobei der mindestens eine Aktuator über ein BUS-System mit der zentralen Steuereinheit verbunden und der mindestens eine Aktuator über die zentrale Steuereinheit ansteuerbar ist.
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Der Aktuator kann bspw. zum Verstellen von Komponenten eines Fahrzeugs vorgesehen sein. Dabei kann der Aktuator bspw. zum Verschwenken von Luftleitelementen verwendet werden. An das Bussystem können mehrere Aktuatoren angeschlossen sein, die von einer zentralen Steuereinheit („Master“) angesteuert werden.
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In weiteren Ausführungen kann ein erster Aktuator über ein zweites BUS-System mit mindestens einem zweiten Aktuator verbunden und der mindestens eine zweite Aktuator über den mindestens einen ersten Aktuator ansteuerbar sein.
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In weiteren Ausführungen ist mindestens ein erster Aktuator über eine erste Signalleitung des Bussystems mit der zentralen Steuereinheit und der mindestens eine erste Aktuator über eine zweite Signalleitung des Bussystems mit mindestens einem zweiten Aktuator verbunden, wobei der mindestens eine zweite Aktuator über den mindestens einen ersten Aktuator ansteuerbar ist.
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Der erste Aktuator wird über die zentrale Steuereinheit („Master“) angesteuert. Der erste Aktuator („Slave“) dient zusätzlich ebenfalls als „Master“ für den mindestens einen zweiten Aktuator („Slave“). Der mindestens eine erste Aktuator übernimmt damit zwei Funktionen. Zur Energieeinsparung wird der erste Aktuator über das erste Bussystem oder die erste Signalleitung angesprochen, der dann über ein zweites Bussystem oder die zweite Signalleitung die zweiten Aktuatoren anspricht und „aufweckt“.
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Anstelle eines Bussystems und eines zweiten Bussystems kann gemäß der hierin beschriebenen Lehre eine Ansteuerung erster und zweiter Aktuatoren auch über ein Bussystem erfolgen, wobei die Aktuatoren über ein gemeinsames Bussystem miteinander und mit der zentralen Steuereinheit kommunizieren. Die Kommunikation zwischen der zentralen Steuereinheit („Master“) und dem ersten Aktuator läuft über einen ersten PIN (Steckkontakt) des ersten Aktuators. Der erste PIN ist über eine erste Signalleitung des gemeinsamen Bussystems mit dem „Master“ verbunden. Der erste Aktuator ist über einen zweiten PIN über eine weitere, zweite Signalleitung mit den ersten PINs der zweiten Aktuatoren („Slaves“) verbunden und kommuniziert mit diesen über die zweite Signalleitung. Eine Kommunikation zwischen der zentralen Steuereinheit und dem ersten Aktuator läuft über eine erste Signalleitung des Bussystems und die Kommunikation zwischen dem ersten Aktuator und den zweiten Aktuatoren läuft über eine zweite Signalleitung des Bussystems.
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Weitere Vorteile, Merkmale sowie Ausgestaltungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen.
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Figurenliste
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In den Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen versehene Elemente entsprechen im Wesentlichen einander, sofern nichts anderes angegeben ist. Darüber hinaus wird darauf verzichtet, Bestandteile zu zeigen und zu beschreiben, welche nicht wesentlich zum Verständnis der hierin offenbarten technischen Lehre sind. Im Weiteren werden nicht für alle bereits eingeführten und dargestellten Elemente die Bezugszeichen wiederholt, sofern die Bestandteile selbst und deren Funktion bereits beschrieben worden oder für einen Fachmann bekannt sind.
- 1. zeigt einen Aktuator 30 mit radialen Abtrieb mit integrierter Intelligenz zur Positionserkennung. Weiterhin ist eine variable Anfahr- / Stoppgeschwindigkeit und eine Getriebeerkennung integriert. Ferner kann der Motor bzw. Aktuator 30 auch als „Master“ für weitere „Slaves“ genutzt werden, sodass ein Array/eine Anordnung von Motoren bzw. Aktuatoren 30 erzeugt werden kann.
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Ein Aktuator 30 weist mindestens auf:
- - einen Motor 3
- - eine Elektronikbaugruppe (Leiterplatte 1, Sensor 5, Spannungsregler, Mikrocontroller (µC) 4)
- - Integriertes Getriebe (= Getriebestufe „1“)
- - Abtriebswelle
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Die Komponenten des Aktuators 30 sind aus den 1 bis 5 ersichtlich. So umfasst der Aktuator 30 eine Motorwelle, die direkt vom DC-Motor 3 angetrieben wird und über die Schnecke 6 eine Rotation des Schneckenrads 7 bewirkt. Das Schneckenrad 7 steht über eine weitere Getriebeanordnung des Aktuators 30 mit dem Abtriebsrad 9 in Verbindung.
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Der Aktuator 30 weist einen Anschluss mit vier PINs auf, wobei über diese sowohl eine Energieversorgung als auch eine Kommunikation mit einer zentralen Steuereinheit („Master“) als auch mit weiteren Aktuatoren erfolgen.
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Die Elektronikbaugruppe dient zur Signalverarbeitung und zum Ansteuern des Motors 3. Hierzu weist die Elektronikbaugruppe auch einen nichtflüchtigen Speicher auf, in dem für die Getriebestufe „1“ die Stellungen des Abtriebsrads 9 nach Maßgabe des durch den Magnet erzeugten Magnetfelds hinterlegt sind.
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Die Abtriebswelle ist mit dem Abtriebsrad 9 verbunden und Teil der Abtriebsradanordnung. Die Abtriebswelle erstreckt sich konzentrisch zur Drehachse des Abtriebsrads 9 und bildet die Drehachse. An der Abtriebswelle ist stirnseitig der Magnet angeordnet. Als Magnet kann ein Permanentmagnet verwendet werden.
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Die Lagerückmeldung des Winkels der Abtriebswelle liefert ein HALL-Sensor 5 im Aktuator 30. Dieser HALL-Sensor 5 kann einerseits konzentrisch zur Achse der Abtriebswelle oder außerhalb der Drehachse der Abtriebswelle angeordnet sein. Der HALL-Sensor 5 misst das Magnetfeld des Magneten der stirnseitig auf der Abtriebswelle montiert ist.
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Die aktuelle Position des Magneten und damit der Abtriebswelle sowie des Abtriebsrads 9 ist zu jeder Zeit absolut bekannt, auch direkt nach Inbetriebnahme. Hierdurch ist keine Kalibrierungsfahrt mit Endanschlägen nötig. Weiterhin kann dadurch die Kinematik „leichter“ aufgebaut werden, da der Motor 3 nicht in Endanschläge auf „Block“ fährt und so das max. Drehmoment auf den Anschlag/die Kinematik wirkt.
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Zur Geräuschreduzierung verringert der Motor 3 seine Drehzahl wenn er in die Nähe einer Zielposition kommt. Der Anlauf erfolgt mit einer Drehzahlerhöhung (Rampup) mit dem Ziel der Geräuschreduktion.
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Der Aktuator 30 wird über ein Steuergerät („Master“) durch ein LIN-Eingangssignal gesteuert. Das Steuergerät (zentrale Steuereinheit - „Master“) kann bspw. eine Steuereinheit in einem Kraftfahrzeug sein. Der Aktuator 30 ist bspw. mit einem Luftmengenregulierelement, wie einer Drosselklappe, gekoppelt. Die Drosselklappe weist eine drehbar gelagerte Klappe auf, die mit einer Lagerwelle verbunden ist. Die Lagerwelle weist einen Kupplungsabschnitt mit einem sternförmigen Querschnitt auf. Der Kupplungsabschnitt ist in einer mechanischen Schnittstelle (Kundenschnittstelle 8) des Abtriebsrads 9 aufgenommen. Die mechanische Schnittstelle weist hierzu eine sternförmige Öffnung auf.
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Ein Verdrehen des Abtriebsrads 9 bewirkt daher ein Verschwenken der Drosselklappe. Anstelle einer Drosselklappe können auch Luftleitelemente oder andere bewegliche Teile, bspw. eines Kraftfahrzeugs, über Aktuatoren 30 angesteuert und bewegt werden.
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Durch Aufstecken eines optionalen Getriebeaufsatzes, wie er in 4 schematisch gezeigt ist, kann eine andere Übersetzung (Kraft/Geschwindigkeit) erreicht werden. Dieser Aufsatz kann automatisch von der Elektronik bzw. der Elektronikbaugruppe mit dem Mikrocontroller 4 des Aktuators 30 erkannt werden, wodurch die Regelung entsprechend angepasst wird. Die Erkennung erfolgt über den HALL-Sensor 5. Hierfür wird ein Planetenrad 16 mit einem Magneten versehen. Hierdurch wird das Magnetfeld beeinflusst. Durch eine sog. Einlernfahrt wird das Muster des Magnetfeldes erkannt und die Regelung angepasst. Durch Einbringen eines weiteren Magneten in ein weiteres Planetenrad 16 ändert sich das magnetische Muster erneut und dadurch kann ein weiteres Getriebe erkannt werden und entsprechend andere Parameter zur Ansteuerung des Motors 3 verwendet werden.
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Durch nicht zentrische Anbringung des HALL-Sensors 5 im Aktuator 30 wird eine bessere Detektion der Planetenräder 16 erreicht.
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Hierdurch ergibt sich pro Magnet im Planetengetriebe ein detektierbares Maximum für jede komplette Umdrehung des Planetenstegs mit Kundenschnittstelle 8 im Verhältnis zur detektierten Anzahl der Umdrehungen des Sonnenrads 14. Bei mehreren Magneten kann zusätzlich der Abstand der Maxima ausgewertet werden. Des Weiteren kann ein Magnet am Planetensteg angeordnet sein, der ebenfalls eine Detektion der Drehzahl des Planetenstegs zulässt.
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Durch die integrierte Intelligenz und Speichermöglichkeit kann der Motor 3 sich den Fahrweg und/oder den Winkel merken und dadurch „Fehler“ entdecken und bei Abweichung entsprechend reagieren (Stichwort: Defekte Kinematik; „eigentlich müsste ich doch jetzt schon in der Endstellung sein“). Weiterhin kann dadurch die Performance bzgl. Verfahrgeschwindigkeit versus Geräusch optimiert werden.
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Bei einem aufgesetzten Getriebe mit einem zusätzlichen Magneten ergeben sich unterschiedliche „Magnetfeldmuster“. Insbesondere beeinflusst der stirnseitig an der Abtriebswelle angeordnete Magnet auch das Magnetfeld des Magneten der Getriebeanordnung und umgekehrt.
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Bei der Erfassung der Position und des Drehwinkels des aufgesetzten Getriebes ist die Umdrehung des Abtriebsrads 9 auch bekannt, so dass durch die Steuerung des Aktuators 30 eine Bestimmung des Drehwinkels des aufgesetzten Getriebes erfolgen kann.
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Beispiele:
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Langer Drehwinkel ohne Laständerung -> Geschwindigkeit erhöhen.
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Bei Annäherung an einen bekannten Lastsprung -> Geschwindigkeit drosseln.
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Zur Kommunikation mit einem Fahrzeug 40 ist eine LIN-Schnittstelle im Aktuator 30 vorgesehen. Es können auch mehrere Aktuatoren 30 mit dem Fahrzeug 40 verbunden sein, wie in 6 gezeigt.
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Mit M ist der „Master“ gekennzeichnet, der den oder die Aktuatoren 30 als „Slaves“ S ansteuert. Die Kommunikation läuft über den LIN-Bus. Die „Master“-Steuereinheit kommuniziert über eine erste Signalleitung des LIN-Bus mit dem oder den Aktuatoren 30, wobei die Aktuatoren 30 über ihren ersten PIN „1“ mit der ersten Signalleitung verbunden sind.
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Weiterhin ist es durch die integrierte Intelligenz im Aktuator 30 möglich, ein unabhängiges System aus mehreren Aktuatoren 30 aufzubauen, wie in 7 schematisch gezeigt. Hierfür wird ein Aktuator 30 als „Master“ verwendet und dieser steuert über eine eigene, fahrzeugunabhängige LIN-Schnittstelle weitere Aktuatoren 30 im „Slave“-Betrieb. Die weiteren Aktuatoren kommunizieren über eine weitere Signalleitung des LIN-Buses mit dem „Master“-Aktuator 30. Hierzu ist der „Master“-Aktuator 30 über einen zweiten PIN „2“ mit der zweiten Signalleitung verbunden. Die „Slave“-Aktuatoren 30 sind über ihren ersten PIN „1“ an die zweite Signalleitung des LIN-Buses angeschlossen und können daher nur über den „Master“-Aktuator 30 mit der zentralen Steuereinheit im Fahrzeug 40 kommunizieren.
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Beispiel:
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Hierdurch kann eine Luftanimation mehrerer zusammenspielender Ausströmer 30 erzeugt werden.
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Um eine weitere Möglichkeit der Kommunikation mit dem Fahrzeug 40 zu ermöglichen wird ein Mischbetrieb gestaltet (siehe 8). Ein Aktuator 30 wird über das Fahrzeug-LIN gesteuert und dieser wiederum übernimmt die Steuerung der Aktuatorengruppe mit einem eigenen, unabhängigen LIN-Interface(= Gateway) .
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LIN-Erweiterung:
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Ein Standard-LIN-Signal ist auf maximal n Aktuatoren begrenzt. (bspw. n = 16).
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Durch die LIN-Erweiterung im Mischbetrieb können bis zu n weitere, untergeordnete einzelne Aktuatoren 30 je „Master“-Aktuator 30 verwendet werden. So sind LIN-Systeme mit n „Master“-Aktuatoren 30 und darunter jeweils weitere n Aktuatoren 30 denkbar. Somit ergeben sich Aktuatorsysteme aus bis zu (n + n2) Einzelaktuatoren. Hierdurch ist eine Erweiterung bestehender Fahrzeugarchitekturen möglich.
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Um Energie zu sparen kann jeder Aktuator 30 über LIN in ein Sleep-Mode versetzt und wieder aufgeweckt werden. In diesem Modus ist der Stromverbrauch reduziert.
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Dies ist besonders mit dem eigenen, fahrzeugunabhängigen LIN-System im Mischbetrieb von Bedeutung (siehe 9), da nur der „Master“ aktiv ist und nur die Aktuatoren 30 aktiviert werden, welche auch benötigt werden.
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Ergänzende Information:
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Üblicherweise werden durch Sleep- / Wake-Up-Befehle alle im Strang befindlichen LIN-Teilnehmer schlafen gelegt / aufgeweckt. Hierdurch ist es möglich, wie vorstehend beschrieben, die Unteraktuatoren 30 schlafen zu lassen, während die übergeordneten „Master“-Aktuatoren 30 geweckt werden. Der einzelne „Master“ entscheidet dann, ob wiederum seine „Slaves“ geweckt werden müssen. Dies kann sowohl einzeln, als auch im Strang erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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Baugruppe Aktuator
- 1
- Leiterplatte
- 2
- Elektrischer Anschluss
- 3
- DC-Motor
- 4
- µC
- 5
- HALL-Sensor
- 6
- Schnecke
- 7
- Schneckenrad
- 8
- Kundenschnittstelle
- 9
- Zsb. Abtriebsrad mit Magnet
- 10
- Gehäuse
- 11
- Deckel
- 12
- Anschraubpunkte
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Baugruppe Getriebeaufsatz
- 13
- Gehäuse mit Hohlrad
- 14
- Sonnenrad
- 15
- Planetenträger inkl. Kundenschnittstelle
- 16
- Planetenräder
- 16.1
- Planetenrad 1
- 16.2
- Planetenrad 2
- 16.3
- Planetenrad 3
- 19
- Magneten in den Planetenrädern
- 19.1
- Magnet im Planetenrad 1
- 19.2
- Magnet im Planetenrad 2
- 19.3
- Magnet im Planetenrad 3
- 22
- Schnittstelle
- 30
- Aktuator
- 40
- Fahrzeug mit zentraler Steuereinheit
- 1
- LIN-Interface 1
- 2
- LIN-Interface 2
- M
- Master
- S
- Slave
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006028634 A1 [0008, 0009]
