DE112009002235B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Position eines Elektromotors - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zur Steuerung einer Position eines elektrischen Gleichstrombürstenmotors wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind:a) Lieferung eines Antriebsstroms zum Antrieb des Elektromotors;b) Berechnung einer Coast- oder Nachlaufkonstanten für den Motor;c) Überwachung des Stroms durch den Motor;d) Bestimmung der Motordrehzahl ansprechend auf den überwachten Motorstrom; unde) Unterbrechung des elektrischen Stromes zum Motor ansprechend auf die berechnete Coastkonstante und die bestimmte Motordrehzahl, wenn es erwünscht ist, den elektrischen Motor zu stoppen, derart, dass eine Bürste des Motors an einer Stelle mittig zwischen den Segmentgrenzen eines Commutatorsegments des Motors zur Ruhe kommt.

Description

• Verwandte Anmeldung
• Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US Provisional Patentanmeldung Serial No. 61/097,367 eingereicht am 16. September 2008, wobei diese Anmeldung hier unter Bezugnahme in ihrer Gänze aufgenommen ist.
• Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung richtet sich auf Elektromotoren und insbesondere richtet sich die Erfindung auf ein Verfahren einer Vorrichtung zur Steuerung der Position eines Elektromotors.
• Hintergrund der Erfindung
• Elektromotoren werden häufig dazu verwendet um ein Werkstück anzutreiben. Wenn der Motor gestoppt wird, so besteht eine Chance, dass die Kontaktbürste des Motors sehr nahe der Grenze zwischen einem der Communtatorsegmente des Motors landet. Typischerweise wird eine Anzahl von Antriebspulssignalen angelegt an den Motor dazu verwendet, um die Motorposition zu bestimmen und daraus die Position des Werkstücks. Wenn die Motorkontaktbürste zwischen Commutatorsegmenten sich befindet, so kann die Zählung des nächsten Antriebsimpulses geliefert an den Motor die Motorposition nicht genau bestimmen. Wenn ein Antrieb wegen eines nahe gelegenen Bürsten/Grenzzustands ungenau ist, ist die sich ergebene Positionszählung oder Positionszählerstand für diesen Antrieb um eins verschieden. Die Zählerstandsfehler können sich über die Zeit hinweg akkumulieren, was eine Ungenauigkeit bei der Position des Werkstücks hervorruft.
• In der DE 689 02 664 T2 ist eine Vorrichtung zum Steuern von Gleichstrommotoren offenbart, wobei in einer Vorrichtung zur Formatierung von Stromwellen im Ankerstrom eine Phasenverriegelungsschleife eingefügt ist.
• Die DE 10 2004 061 917 A1 zeigt ein Verfahren zum Ermitteln der Position einer von einem Elektromotor betriebenen Stelleinheit.
• Die DE 100 28 037 A1 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen einer Drehstellung einer Antriebswelle eines Gleichstrommotors durch Auswerten von im Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippeln.
• In der US 4 473 786 A ist ein Verfahren zur Steuerung einer Drehstellung eines Motors durch aktives Verzögern des Motors beschrieben.
• Zusammenfassung der Erfindung
• Die Erfindung verwendet die bekannten Charakteristika oder Eigenschaften des Motors um vorherzusagen wie weit der Motor beim Abschalten weiterlaufen wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Motor zu einer Zeit oder einem Zeitpunkt abgeschaltet, die zur Folge hat, dass der Motor stoppt, wobei eine Commutatorbürste nahe der Mitte eines Commutatorsegmentes liegt, auf welche Weise das Segment Bürsten/Grenzproblem vermieden wird, dass möglicherweise in Folge einer Ungenauigkeit bei einer Positionsbestimmung auftreten könnte.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zur Steuerung der Position eines Elektrogleichstrombürstenmotors vorgesehen und zwar einschließlich der Schritte des Lieferns eines Antriebsstroms zum Antrieb des Elektromotors und zur Berechnung einer „Coast“ oder Weiterlaufkonstanten für den Motor. Der durch den Motor fließende Strom wird überwacht und die Motordrehzahl wird ansprechend auf den überwachten Motorstrom bestimmt. Der elektrische Strom zum Motor wird ansprechend auf die berechnete Coast oder Weiterlaufkonstante und die bestimmte Motordrehzahl berechnet, wenn es erwünscht ist, den elektrischen Motor zu stoppen, so dass eine Bürste des Motors an einer Stelle mittig zwischen den Segmentgrenzen eines Commutatorsegments des Motors zur Ruhe kommt.
• Gemäß einem weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung vorgesehen zur Steuerung einer Position eines elektrischen Gleichstrombürstenmotors mit einer elektrischen Versorgungsquelle zur Lieferung von Antriebsstrom zum Antrieb des elektrischen Stromes und mit Mitteln zur Berechnung einer Coast oder Weiterlaufkonstanten für den Motor. Ein Stromüberwacher überwacht den durch den Motor fließenden Strom und Mittel bestimmen die Motordrehzahl ansprechend auf den überwachten Motorstrom. Ein Unterbrecher unterbricht den elektrischen Strom zum Motor ansprechend auf die berechnete Coast Konstante und die bestimmte Motordrehzahl, wenn es erwünscht ist, den Elektromotor zu stoppen, so dass eine Bürste des Motors an einer Stelle mittig zwischen den Segmentgrenzen eines Commutatorsegments des Motors zur Ruhe kommt und in den Ruhezustand kommt.
• Figurenliste
• Die genannten sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht, beim Lesen der vorliegenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Dabei zeigt:
• - 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Motorantriebsschaltung mit einem Präzisionsmotorstoppmerkmal gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
• - 2 ein Flussdiagramm des Rezisionsmotorstoppsteuerprozesses gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
• Detaillierte Beschreibung
• 1 zeigt eine Motorantriebschaltung 10 mit einem Präzisionsmotorstoppmerkmal gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Motorantriebsschaltung 10 weist eine Antriebssteuerung 20 gekoppelt mit einem oder mehreren Motoren 22, 24 auf und zwar durch die Motorantriebsschaltungen 36, 28, 30. Beispielsweise können die Motoren 22, 24 in einem Fahrzeugklimasteuersystem verwendet werden, um die Position der entsprechenden Klimasteuerklappen 42, 44 zu steuern, die ihrerseits die Luftströme in die Kabinen oder den Fahrgastraum des Fahrzeugs steuern. Die Motoren 22, 24 können Motoren der Gleichstrombürstenbauart sein. Die Anker der Gleichstrommotoren sind mit (nicht gezeigten) Betätigungsgliedern verbunden und zwar durch zugehörige (nicht gezeigte) Getriebemechanismen, so dass die Betätigung der Motoren 22, 24 eine assoziierte Bewegung der entsprechenden Klappen 42, 44 verursacht.
• Die Motortreiber 26, 28, 30 können die Form von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen („ASIC's“) haben, wobei jede dieser Schaltungen Feldeffekttransistoren („FET's“) aufweist, die mit jedem Gleichstrommotor assoziiert sind, die durch die ASIC's angetrieben werden. Wenn eine Gleichstromspannung an einem der Gleichstrommotore 22, 24 in einer ersten Richtung angelegt wird, so wird der Motor und seine zugehörige Klappe in einer ersten Richtung angetrieben. Wenn eine Gleichspannung an einen der DC oder Gleichstrommotore 22, 24 in einer zweiten Richtung angelegt wird, so wird der Motor und seine zugehörige Klappe in einer zweiten oder entgegengesetzten Richtung angetrieben.
• Eine Antriebssteuerung 20 befiehlt oder steuert die Türbewegung ansprechend auf die Klappen- bzw. Türsteuereingangsgrößen 48 und stellt die Antriebssteuerung oder den Antriebsbefehl ab, ansprechend auf ein Antriebssteuer oder Befehlssignal 50. Verschiedene Türsteuereingangsgrößen 48 an die Steuerung 20 können folgendes umfassen: Die Außentemperatur, die Strahlungstemperatur, die Verdampfertemperatur, die Luftströmung und/oder andere. Bei der Steuerung der Positionierung der Klappen 42, 44 in die gewünschten Positionen liefert die Steuerung 20 Antriebsbefehle zum Antrieb der Gleichstrommotore 22, 24. Beispielsweise kann die Steuerung den Befehl liefern zur Bewegung einer Klappe mit 256 Impulsen in einer Richtung. Um den Gleichstrommotor anzutreiben liefert das erste assoziierte FET der ASIC eine konstante Gleichspannung an den zugehörigen Gleichstrommotor und das zweite assoziierte FET ist mit Erde verbunden. Die konstante Gleichspannung wird an den Gleichstrommotor kontinuierlich geliefert, so dass der Anker sich kontinuierlich von seiner Startposition aus zu seiner Endposition dreht, was die Klappe in ihrer gewünschten Position positioniert. Um die Drehung oder Rotation des Ankers des Gleichstrommotors zu stoppen, sind die ersten und zweiten assoziierten FETs mit dem gleichen Potential verbunden.
• Wenn die Motore 22, 24 rotieren, so treten Stromimpulse auf. Der durch die Motoren fließende Strom wird durch ein Stromsensor 60 abgefühlt. Jeder Impuls ergibt sich aus einer überwachten Stromdiskontinuität. Die Stromdiskontinuitäten sind das Resultat einer Bürste des Gleichstrommotors, die sich von einem Commutatorsegment zu einem benachbarten Commutatorsegment bewegt. Wenn der Gleichstrommotor beispielsweise einen Anker mit drei Commutatorsegmenten und zwei Bürsten umfasst, so hat eine vollständige Drehung des Ankers sechs Stromdiskontinuitäten zur Folge. Der Stromsensor ist mit dem Gleichstrommotor über die ersten und zweiten assoziierten FETs verbunden, so dass der Stromsensor noch immer die Stromkontinuitäten abfühlt, selbst wenn die ersten und zweiten FETs geerdet sind. Auf diese Weise überwacht die ASIC des Systems in konstanter Weise hinsichtlich der Stromdiskontinuitäten.
• Basierend auf der Anzahl von überwachten Stromimpulsen wird die Position der Motore 22, 24 und damit die entsprechenden Positionen der Klappen 42, 44 im Monitor 64 überwacht. Der Fachmann erkennt, dass der Positionsmonitor Teil der Steuerung 20 sein kann und alles Anteil eines Mikrocontrollers sein kann. Sobald die Position der Motore bekannt ist, sind die Drehzahlen, bzw. Geschwindigkeiten der Motore bekannt und Drehzahl bzw. Geschwindigkeitssignale 66 werden geliefert. Die Steuerung 20 umfasst auch Software zum Zählen der Anzahl der empfangenen Impulse und zur Bestimmung der aktuellen oder ist-Position der Klappen 42, 44 aus dem bestimmten Zählerstand. Die Steuerung 20 umfasst einen nicht-flüchtigen Speicher in dem Positionsinformation der Klappen gespeichert wird.
• Es ist notwendig den Leer- bzw. Nachlauf oder Coast des Motors vorherzusagen. Die Position der Dämpferklappen, d.h. die Drehposition der Motorausgangswelle wird bestimmt durch Zählen der Antriebsimpulse und durch in Beziehung bringen von einer Anfangsnullposition des Motors und dem bekannt sein des Bewegungswinkels der Antriebswelle des Motors entsprechend jedem empfangenen Antriebsimpuls. Es kann jedoch ein Positionsfehler dann auftreten, wenn die Motorposition in Folge Unsicherheit am Ende des Antriebs bestimmt wird, d.h. wenn das Antriebssignal abgeschaltet ist und der Motor weiter läuft. Dies tritt auf in Folge des Trägheitscoastings oder Trägheitsweiterlaufens des Motors in Folge des Motors selbst und der Trägheit des Systems. Auch kann die Commutatorbürste zwischen zwei Commutatorsegmentorten stoppen, so dass der erste Antriebsimpuls angelegt beim Starten gezählt wird aber nicht eine aktuelle oder tatsächliche Bewegung des Motors zur Folge hat. Auch der letzte an den Motor angelegte Impuls kann verfehlt werden, wenn der Strom zur Detektion zu niedrig liegt, wenn der Motor zu einem Stopp nachläuft. Auch kann der Motor in Folge von Versatz- bzw. Cogging-Kräften zurücklaufen (back-up) und der Rücklauf (back-up) Impuls kann als ein weiterer Vorwärtsimpuls gezählt werden. Diese Fehler werden durch die vorliegende Erfindung vermieden und zwar durch stoppen der Motorbürsten mittig zwischen den Segmentgrenzen, d.h. dadurch dass sichergestellt wird, dass die Bürste sich in der Mitte eines Commutatorkontaktes befindet. Der Vorhersageprozess und die Abschaltberechnung werden als Elemente 70, 72 gezeigt. Das Resultat ist der Abschaltbefehl 50 zur richtigen Zeit um die Bürste in der Mitte des Commutatorsegmentes zu platzieren. Die relevanten Gleichungen für den Motor sind: $$\begin{array}{l}\text{T}=\text{K}\cdot \text{i}\\ \text{E}=\text{K}\cdot \mathrm{\theta }\\ \text{J}\cdot \mathrm{\theta }\text{"}+\text{b}\cdot \mathrm{\theta }\text{'}=\text{K}\cdot \text{I}\end{array}$$

  

  $$\text{L}\frac{d}{dt}i+\text{R}\cdot \text{i}=\text{V}-\text{K}\cdot \mathrm{\theta }\text{'}$$

  
• Dabei ist:
• T - Drehmoment
• E -Rückwärtsgerichtete elektromotorische Kraft des Motors
• K - elektromotorische Kraftkonstante
• I - Motorstrom
• b - Dämpfungsverhältnis
• R - elektrischer Widerstand
• J - Trägheit
• L - Induktivität
• V - angelegte Spannung
• θ - Position der Ausgangswelle
• θ' - Motordrehzahl
• θ''- Motorbeschleunigung
• Gewünscht ist die Kenntnis für irgendein gegebenes i, wie groß θ ist vom Zeitpunkt an wenn die angelegte Spannung entfernt wird, ist zu seinem stoppen (θ' = θ''= 0).
  Anders ausgesagt gilt folgendes: $$\underset{\text{t}\to \infty }{\text{lim}}\mathrm{\theta }\left(\text{t}\right)\text{V}=\{\begin{array}{ll}{\text{V}}_{\text{ign}}\text{ if t<0}\hfill & {\text{ V}}_{\text{Ign}}\text{ bzw}{\text{. V}}_{\text{start}}\text{ wenn t<0}\hfill \\ 0\text{ otherwise}\hfill & 0\text{ ansonsten}\hfill \end{array}$$

  

  $$\text{J}\cdot \mathrm{\theta }\text{"}+\text{b}\cdot \mathrm{\theta }\text{'}=\text{K}\cdot \text{I}$$

  

  $$\text{L}\frac{\text{d}}{\text{dt}}\text{i}+\text{R}\cdot \text{i}=\text{V}-\text{K}\cdot \mathrm{\theta }\text{'}$$

  

  $$\text{Laplace}\left(\mathrm{\theta }\text{"}\right)=\left({\text{s}}^2\right)\mathrm{\Theta }\left(\text{s}\right)-\text{s}\cdot \mathrm{\theta }\left({\text{t}}_0\right)-\mathrm{\theta }\text{'}{\left({\text{t}}_0\right)}_{}$$

  
• Berechne die Laplace Transformationen der Differenzen. $$\text{laplace}\left(\mathrm{\theta }\text{'}\right)=\text{s}\cdot \mathrm{\Theta }\left(\text{s}\right)-\mathrm{\theta }\left({\text{t}}_0\right)$$

  

  $$\text{laplace}\left(\text{i'}\right)=\text{s}\cdot \text{l}\left(\text{s}\right)-\text{i}\left({\text{t}}_0\right)$$

  

  $$\text{i}\left({\text{t}}_0\right):={\text{i}}_0$$	Anfangsstrom bei Abschalten
  $$\mathrm{\theta }\left({\text{t}}_0\right):=0$$	Anfangsposition eingestellt auf Null
  $$\mathrm{\theta }\text{'}\left({\text{t}}_0\right):={\mathrm{\omega }}_0$$	Anfangsdrehzahl beim Abschalten

• So werden die Laplace Transformationen folgendes: $$\text{laplace}\left(\mathrm{\theta }\text{"}\right)=\left({\text{s}}^2\right)\mathrm{\Theta }\left(\text{s}\right)-{\mathrm{\omega }}_0$$

  

  $$\text{laplace}\left(\mathrm{\theta }\text{'}\right)=\text{s}\cdot \mathrm{\Theta }\left(\text{s}\right)$$

  

  $$\text{laplace}\left(\text{i'}\right)=\text{s}\cdot \text{I}\left(\text{s}\right)-{\text{i}}_0$$

  
• Ändere die Variablen so dass MathCAD die Symbol-Mathematik handhaben kann. $$\begin{array}{ll}\text{I}=\text{I}\left(\text{s}\right)\hfill & \text{Laplace}\left(\mathrm{\theta }\text{"}\right)=\left({\text{s}}^2\right)\text{Q}-{\mathrm{\omega }}_0\hfill \\ \hfill & \text{Laplace}\left(\mathrm{\theta }\text{'}\right)=\text{s}\cdot \text{Q}\hfill \\ \text{Q}=\mathrm{\Theta }\left(\text{s}\right)\hfill & \text{Laplace}\left(\text{I'}\right)=\text{s}\cdot \text{I}-{\text{i}}_0\hfill \end{array}$$

  
• Nehme die Laplace Transformation der Gleichung 1. $$\text{J}\cdot \text{Laplace}\left(\mathrm{\theta }\text{"}\right)+\text{b}\cdot \text{Laplace}\left(\mathrm{\theta }\text{'}\right)=\text{K}\cdot \text{I}\left(\text{s}\right)$$

  

  $$\text{J}\cdot \left[\left({\text{s}}^2\right)\cdot \text{Q}-{\mathrm{\omega }}_0\right]+\text{b}\cdot \left(\text{s}\cdot \text{Q}\right)=\text{K}\cdot \text{I}$$

  
• Nehme die Laplace Transformation der Gleichung 2. $$\text{L}\cdot \text{laplace}\left(\text{i'}\right)+\text{R}\cdot \text{I}\left(\text{s}\right)=\text{V}-\text{K}\cdot \text{laplace}\left(\mathrm{\theta }\text{'}\right)$$

  
• Wenn V Null ist wenn der Motor abgeschaltet ist so kann der Rest erweitert werden. $$\text{L}\cdot \text{laplace}\left(\text{i'}\right)+\text{R}\cdot \text{I}\left(\text{s}\right)=-\text{K}\cdot \text{laplace}\left(\mathrm{\theta }\text{'}\right)$$

  

  $$\text{L}\cdot \left(\text{s}\cdot \text{l}-{\text{i}}_0\right)+\text{R}\cdot \text{I}=\text{K}\cdot \left(\text{s}\cdot \text{Q}\right)$$

  
• Lösung beider Gleichungen 3 und 4 für I und Gleichsetzen miteinander. $$\frac{-\left(-\text{L}\cdot {\text{i}}_0+\text{K}\cdot \text{s}\cdot \text{Q}\right)}{\text{L}\cdot \text{s}+\text{R}}=\frac{\text{J}\cdot {\text{s}}^2\cdot \text{Q}-\text{J}\cdot {\mathrm{\omega }}_0+\text{b}\cdot \text{s}\cdot \text{Q}}{\text{K}}$$

  
• Wir lösen für θ (s) {Q}. $$\text{Q}=\frac{\text{L}\cdot {\text{i}}_0\cdot \text{K}+\text{J}\cdot {\mathrm{\omega }}_0\cdot \text{L}\cdot \text{s}+\text{J}\cdot {\mathrm{\omega }}_0\cdot \text{R}}{\text{s}\cdot \left({\text{K}}^2+\text{J}\cdot {\text{s}}^2\cdot \text{L}+\text{J}\cdot \text{s}\cdot \text{R}+\text{b}\cdot \text{L}\cdot \text{s}+\text{b}\cdot \text{R}\right)}$$

  
• Faktorzerlegung bzw. Faktorisierung und Lösung unter Verwendung von partiellen Brüchen. $$\frac{\text{L}\cdot {\text{i}}_0\cdot \text{K}+\text{J}\cdot {\mathrm{\omega }}_0\cdot \text{L}\cdot \text{s}+\text{J}\cdot {\mathrm{\omega }}_0\cdot \text{R}}{\text{s}\cdot \left({\text{K}}^2+\text{J}\cdot {\text{s}}^2\cdot \text{L}+\text{J}\cdot \text{s}\cdot \text{R}+\text{b}\cdot \text{L}\cdot \text{s}+\text{b}\cdot \text{R}\right)}$$

  
• Partialbrucherweiterung:

  
• Nehme die inverse Laplace Transformation und erhalten wird die Lösung für die Position. $$\frac{\text{L}\cdot {\text{i}}_0\cdot \text{K}+\text{J}\cdot {\mathrm{\omega }}_0\cdot \text{R}}{\left({\text{K}}^2+\text{b}\cdot \text{R}\right)\cdot \text{s}}|\begin{array}{c}\text{invlaplace}\text{,s}\\ \text{t}\end{array}\to \frac{\text{J}\cdot \text{R}\cdot {\mathrm{\omega }}_0+\text{K}\cdot \text{L}\cdot {\text{i}}_0}{{\text{K}}^2+\text{R}\cdot \text{b}}$$

  

  Für den ersten Term

  
• Es sei bemerkt dass die inverse Transformation für den zweiten Bruch der Gleichung ein e mit einem negativen Exponenten in allen Terms setzt wenn t unendlich wird, so geht dieses nach Null was ineffektiv diesen Term entfernt. Somit wird die Lösung: $${\theta }_{coast}\frac{L\cdot i_{o}K+J\cdot {\omega }_{0}R}{K^1+\text{b}\cdot \text{R}}$$

  
• L, K und R sind bekannt bei der Konstruktionszeit sobald die zu verwendenden Motore ausgewählt sind.
  iO und wO sind gemessene Werte bei Laufzeit.
  b und J sind unbekannte und müssen berechnet oder heraus optimiert werden.
  Bestimmung von b
  Kräfte die auf einen Motor beim Antrieb einwirken:
  Angelegte Leistung
  Externe Belastung (Ram Air, bzw. Stauluft, Einheitsanordnungkinematik) Widerstand gegenüber Bewegung (Reibung, b)
  Wenn der Motor sich im stetigen Zustand befindet, so ist der durch den Motor entnommene Strom (i) die Größe die erforderlich ist, um die externen Kräfte die er erfährt zu überwinden. Bei einem stetig Zustand ist die Trägheit kein Faktor. So reduziert sich die Gleichung 1 auf: $$\text{b}\cdot \mathrm{\theta }\text{'}=\text{K}\cdot \text{i}$$

  
• Motordrehzahl (θ), Strom (i) und Motorkonstante (K) sind bekannt, so dass das Dämpfungsverhältnis (b) berechnet werden kann.
  Um den Wert von J zu bestimmen, wird angenommen, dass dann wenn ein Motor gestoppt wird, Energie in den Drehelementen (Trägheit, J) gespeichert werden kann. Diese Trägheit wird zum Motor zurück reflektiert, aber wird durch das Getriebe reduziert. Somit ist die Trägheitsgröße in Folge des externen Systems klein verglichen mit der Trägheit des Motors selbst. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Klappen geringe Masse besitzen. J kann für jeden Motor charakterisiert werden.
• Das Ziel besteht darin den Motorantrieb zu einer solchen Zeit abzuschalten dass der Motor zu einem Stopp weiterläuft bei exakt der gewünschten Motorposition. Mit Gleichung (5) haben wir genug Information um zu berechnen wann der Antrieb abgeschaltet werden muss. Die Wahl der Zeit anstelle der Position als der Steuervariablen beruht auf der Tatsache, dass die Motorposition nur an diskreten Punkten bekannt ist. D.h. zu jeder Zeit oder jedes Mal wenn ein Puls oder Impuls auftritt. Dies kann nicht genügend Auflesung zur Verfügung stellen um in der Lage zu sein die endgültige Motorposition genau zu erreichen.
• Starten, ausgehend von der vorbestimmten Position 0 (Wir wollen Bewegung zu der Target- bzw. gewünschten Zielposition + einen halben Impuls (θtarget+1/2 Impuls). Jedes Mal wenn ein Puls (Impuls) empfangen wird, ist die laufende Position (θcurrent = θlaufend) bekannt. Somit kann der Abstand der noch erforderlich ist für die Bewegung bevor der Antrieb abgeschaltet wird, berechnet werden (θtillturnoff bzw. θbis zur Abschaltung) $${\text{t}}_{\text{tillturnoff}}=\frac{\text{D}-1+\frac{1}{2}-\left(\text{P}-1\right)}{\frac{1}{{\text{t}}_0\cdot \text{T}}}-\frac{\text{J}\cdot \text{R}}{{\text{K}}^2+\text{b}\cdot \text{R}}$$

  
• Bei stetig Zustand: $$\begin{array}{cc}\mathrm{\omega =}\frac{{\mathrm{\theta }}_{\text{tillturnoff}}}{{\text{t}}_{\text{tillturnoff}}}\text{and }& \mathrm{\omega =}{\mathrm{\omega }}_0\end{array}$$

  

  $${\text{t}}_{\text{tillturnoff}}=\frac{{\mathrm{\theta }}_{\text{target}}+{\mathrm{\theta }}_{0.5\text{pulse}}-{\mathrm{\theta }}_{\text{current}}-{\mathrm{\theta }}_{\text{coast}}}{{\mathrm{\omega }}_0}$$

  

  $${\text{t}}_{\text{tillturnoff}}=\frac{{\mathrm{\theta }}_{\text{target}}+{\mathrm{\theta }}_{0.5\text{pulse}}-{\mathrm{\theta }}_{\text{current}}-\frac{\text{L}\cdot {\text{i}}_0\cdot \text{K}+\text{J}\cdot {\mathrm{\omega }}_0\cdot \text{R}}{{\text{K}}^2+\text{b}\cdot \text{R}}}{{\mathrm{\omega }}_0}$$

  

  subst coast (Leerlauf)
• Wenn wir annehmen, dass Li0K <<< Jw0R ist, dann kann die Gleichung wie folgt umgeschrieben werden: $${\text{t}}_{\text{tillturnoff}}=\frac{{\mathrm{\theta }}_{\text{target}}+{\mathrm{\theta }}_{0.5\text{pulse}}-{\mathrm{\theta }}_{\text{current}}-\frac{\text{J}\cdot {\mathrm{\omega }}_0\cdot \text{R}}{{\text{K}}^2+\text{b}\cdot \text{R}}}{{\mathrm{\omega }}_0}$$

  

  $${\text{t}}_{\text{tillturnoff}}=\frac{{\mathrm{\theta }}_{\text{target}}+{\mathrm{\theta }}_{0.5\text{pulse}}-{\mathrm{\theta }}_{\text{current}}}{{\mathrm{\omega }}_0}-\frac{\frac{\text{J}\cdot {\mathrm{\omega }}_0\cdot \text{R}}{{\text{K}}^2+\text{b}\cdot \text{R}}}{{\mathrm{\omega }}_0}$$

  

  verteile w0 $${\text{t}}_{\text{tillturnoff}}=\frac{{\mathrm{\theta }}_{\text{target}}+{\mathrm{\theta }}_{0.5\text{pulse}}+{\mathrm{\theta }}_{\text{current}}}{{\mathrm{\omega }}_0}-\frac{\text{J}\cdot \text{R}}{{\text{K}}^2+\text{b}\cdot \text{R}}$$

  

  vereinfache w0 im zweiten Ausdruck
• Wenn man mit der Distanz in Einheiten von den Pulsen arbeitet, gilt wenn D die Target oder Zielzahl von den Pulsen ist und P die laufende Zahl von durchgelaufenen Pulsen ist, folgendes: $${\text{t}}_{\text{tillturnoff}}=\frac{\text{D}-\text{I}+\frac{1}{2}-\left(\text{P}-1\right)}{\frac{1}{{\text{t}}_{\text{e}}\cdot \text{T}}}-\frac{\text{J}\cdot \text{R}}{{\text{K}}^2+\text{b}\cdot \text{R}}$$

  

  wobei w0 der durchlaufende bzw. die vergangene Abstand/Zeit ist und t_e die vergangene Zeit in tics ist und T die Tastzeit $${\text{t}}_{\text{tillturnoff}}=\left(\text{D}+\frac{1}{2}-\text{P}\right)\cdot {\text{t}}_{\text{e}}\cdot \text{T}-\frac{\text{J}\cdot \text{R}}{{\text{K}}^2+\text{b}\cdot \text{R}}$$

  
• Die Gleichung (6) ist genau wenn b bekannt ist, wenn sie berechnet werden muss, dann ist eine weitere Berechnung erforderlich. Dies gilt nur in einem stetig Zustand, d.h. θ'' = 0 $${\text{t}}_{\text{tillturnoff}}=\left(\text{D}+\frac{1}{2}-\text{P}\right)\cdot {\text{t}}_{\text{e}}\cdot \text{T}-\frac{\text{J}\cdot \text{R}}{{\text{K}}^2+\frac{\text{k}\cdot {\text{i}}_0}{\frac{\text{x}}{\frac{3}{{\text{t}}_{\text{e}}\cdot \text{T}}}}\cdot \text{R}}$$

  

  wobei _b $$\text{b}=\frac{\text{K}\cdot {\text{i}}_0}{{\mathrm{\omega }}_0}\text{ and }{\mathrm{\omega }}_0=\frac{\frac{\mathrm{\pi }}{3}}{{\text{t}}_{\text{e}}\cdot \text{T}}$$

  

  $${\text{t}}_{\text{tillturnoff}}=\left(\text{D}+\frac{1}{2}-\text{P}\right)\cdot {\text{t}}_{\text{e}}\cdot \text{T}-\frac{\text{J}\cdot \text{R}}{{\text{K}}^2+3\cdot \text{K}\cdot \frac{{\text{i}}_0}{\mathrm{\pi }}\cdot {\text{t}}_{\text{e}}\cdot \text{T}\cdot \text{R}}$$

  

  vereinfache zweiten Ausdruck
• Um die Laufzeitberechnungen schneller zu machen wird die Anzahl der Operationen vermindert, die bei der Laufzeit durchgeführt werden müssen und zwar durch Re-Arrangieren der Gleichung um die Multiplikationen und Divisionen zur Laufzeit zu minimieren. $${\text{t}}_{\text{tillturnoff}}=\left[\left(\text{D}+\frac{1}{2}-\text{P}\right)\cdot {\text{t}}_{\text{e}}-\frac{\text{J}\cdot \text{R}}{{\text{K}}^2\cdot \text{T}+\frac{3}{\mathrm{\pi }}\cdot \text{K}\cdot {\text{i}}_0\cdot {\text{t}}_{\text{e}}\cdot {\text{T}}^2\cdot \text{R}}\right]\cdot \text{T}$$

  

  Factor.out T herausholen T $$\frac{{\text{t}}_{\text{tillturnoff}}}{\text{T}}=\left[\left(\text{D}+\frac{1}{2}-\text{P}\right)\cdot {\text{t}}_{\text{e}}-\frac{\text{J}\cdot \text{R}}{{\text{K}}^2\cdot \text{T}+\frac{3}{\mathrm{\pi }}\cdot \text{K}\cdot {\text{i}}_0\cdot {\text{t}}_{\text{e}}\cdot {\text{T}}^2\cdot \text{R}}\right]$$

  

  Zeit in tics anstelle von Sekunden
• Konstanten werden ausgewählt die vorberechnet werden können. $$\text{B}=\text{J}\cdot \text{R C}={\text{K}}^2\cdot \text{T D}=\frac{3}{\mathrm{\pi }}\cdot \text{K}\cdot {\text{T}}^2\cdot \text{R}$$

  
• Die neue Gleichung ist: $$\frac{{\text{t}}_{\text{tillturnoff}}}{\text{T}}=\left[\left(\text{D}+\frac{1}{2}-\text{P}\right)\cdot {\text{t}}_{\text{e}}-\frac{\text{B}}{\text{C}+\text{D}\cdot {\text{i}}_0\cdot {\text{t}}_{\text{e}}}\right]$$

  
• Die obigen Berechnungen erfordern Kenntnis der Koeffizienten des Motors die sich über Produktionsanteile hinweg und über die Zeit hinweg verändern können. Ein unterschiedliches Verfahren kann gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um einen kombinierten Faktor abzuschätzen und zwar basierend auf dem Nachlauf oder Coastingverhalten von vorherigen Antrieben. Die Totaltargetpositionsgleichung (Gesamtzielpositionsgleichung) ist wie folgt: $${\mathrm{\theta }}_{\text{target}}=\left({\text{P}}_1-1\right)\cdot \frac{\text{pi}}{3}+\frac{\text{pi}}{6}$$

  

  dabei ist P₁ die Gesamtzahl der Impulse im Antrieb pi/3 = 1 Pulslauf in Radian $$\left({\text{P}}_1-1\right)\cdot \frac{\text{pi}}{3}+\frac{\text{pi}}{6}=\left({\text{P}}_{\text{current}}-1\right)\cdot \frac{\text{pi}}{3}+{\mathrm{\theta }}_{\text{bto}}+{\mathrm{\theta }}_{\text{coast}}$$

  

  θ_bto ist der durchlaufende Abstand zwischen dem letzten Antriebsimpuls und wobei $$\left({\text{P}}_1-1\right)\cdot \frac{\text{pi}}{3}+\frac{\text{pi}}{6}=\left({\text{P}}_{\text{current}}-1\right)\cdot \frac{\text{pi}}{3}+{\mathrm{\theta }}_{\text{bto}}+\frac{\text{L}\cdot {\text{i}}_0\cdot \text{K}+\text{J}\cdot {\mathrm{\omega }}_0\cdot \text{R}}{{\text{K}}^2+\text{b}\cdot \text{R}}$$

  

  Subst eq 5
  Substituiere ge. 5
• Wenn wir ANNEHMEN dass Li0K <<< Jw0R ist, dann kann die Gleichung wie folgt neu geschrieben werden: $$\left({\text{P}}_1-1\right)\cdot \frac{\text{pi}}{3}+\frac{\text{pi}}{6}=\left({\text{P}}_{\text{current}}-1\right)\cdot \frac{\text{pi}}{3}+{\mathrm{\theta }}_{\text{bto}}+\frac{\text{J}\cdot {\mathrm{\omega }}_0\cdot \text{R}}{{\text{K}}^2+\text{b}\cdot \text{R}}$$

  
• Wenn wir nunmehr annehmen dass die Motorkonstanten sich nicht viel von Antrieb zu Antrieb ändern und alle in einem Coeffizienten C zusammenfassen, so gilt $$\left({\text{P}}_1-1\right)\cdot \frac{\text{pi}}{3}+\frac{\text{pi}}{6}=\left({\text{P}}_{\text{current}}-1\right)\cdot \frac{\text{pi}}{3}+{\text{t}}_{\text{bto}}\cdot {\mathrm{\omega }}_0+\text{C}\cdot {\mathrm{\omega }}_0\text{ subst }{\mathrm{\omega }}_0=\frac{{\mathrm{\theta }}_{\text{bto}}}{{\text{t}}_{\text{bto}}}$$

  

  $$\left({\text{P}}_1-1\right)\cdot \frac{\text{pi}}{3}+\frac{\text{pi}}{6}=\left({\text{P}}_{\text{current}}-1\right)\cdot \frac{\text{pi}}{3}+{\text{t}}_{\text{bto}}\cdot \frac{\frac{\text{pi}}{3}}{{\text{t}}_{\text{e}}}+C\cdot \frac{\frac{\text{pi}}{3}}{{\text{t}}_{\text{e}}}\text{ subst }{\mathrm{\omega }}_0=\frac{\frac{\text{pi}}{3}}{{\text{t}}_{\text{e}}}$$

  

  $$\left({\text{P}}_1-1\right)+\frac{1}{2}=\left({\text{P}}_{\text{current}}-1\right)+{\text{t}}_{\text{bto}}\cdot \frac{1}{{\text{t}}_{\text{e}}}+\text{C}\cdot \frac{1}{{\text{t}}_{\text{e}}}$$

  

  eleminiere pi/3 $$\left[\left({\text{P}}_1\right)+\frac{1}{2}-\left({\text{P}}_{\text{current}}\right)\right]\cdot {\text{t}}_{\text{e}}={\text{t}}_{\text{bto}}+\text{C}$$

  

  multipliziere mit 1/t_e und vereinfache $${\text{t}}_{\text{bto}}=\left({\text{P}}_1+\frac{1}{2}-{\text{P}}_{\text{current}}\right)\cdot {\text{t}}_{\text{e}}-\text{C}$$

  

  Löse für t_bto. Dies wird verwendet um vorherzusagen wann der Motor abgeschaltet wird
• Um den Wert von C aus der Gleichung für einen nicht gesteuerten (unkontrollierten Nachlauf (coast) zu erhalten. $$\text{C}\cdot {\mathrm{\omega }}_0={\mathrm{\theta }}_{\text{tfp}}+\left({\text{P}}_{\text{coast}}-1\right)\cdot \frac{\text{pi}}{3}+{\mathrm{\theta }}_{\text{alp}}{\mathrm{\theta }}_{\text{tfp}}$$

  

  Abstand vom Abschalten bis zum ersten Nachlasslaufimpuls $${\mathrm{\theta }}_{\text{alp}}$$

  

  Abstand vom letzten Nachlaufimpuls bis zum tatsächlichen Stopp. $$\text{C}\cdot {\mathrm{\omega }}_0=\frac{\text{pi}}{3}-{\mathrm{\omega }}_0\cdot {\text{t}}_{\text{bto}}+\left({\text{P}}_{\text{coast}}-1\right)\cdot \frac{\text{pi}}{3}+{\mathrm{\theta }}_{\text{alp}}$$

  

  Zeit vom letzten Teilungsimpuls bis zum Abschalten t_bto $$\text{C}=\frac{\left[\frac{\text{pi}}{3}-{\mathrm{\omega }}_0\cdot {\text{t}}_{\text{bto}}+\left({\text{P}}_{\text{coast}}-1\right)\cdot \frac{\text{pi}}{3}+{\mathrm{\theta }}_{\text{alp}}\right]}{{\mathrm{\omega }}_0}$$

  

  $$\text{C}=3\cdot \frac{\frac{1}{3}\cdot \text{pi}-\frac{1}{3}\cdot \frac{\text{pi}}{{\text{t}}_{\text{e}}}\cdot {\text{t}}_{\text{bto}}+\frac{1}{3}\cdot \left({\text{P}}_{\text{coast}}-1\right)\cdot \text{pi}+{\mathrm{\theta }}_{\text{alp}}}{\text{pi}}\cdot {\text{t}}_{\text{e}}$$

  

  $$\text{subst }{\mathrm{\omega }}_0=\frac{\frac{\text{pi}}{3}}{{\text{t}}_{\text{e}}}$$

  

  $$\text{C}={\text{t}}_{\text{e}}-{\text{t}}_{\text{bto}}+{\text{t}}_{\text{e}}\cdot \left({\text{P}}_{\text{coast}}-1\right)+\frac{3\cdot {\mathrm{\theta }}_{\text{alp}}\cdot {\text{t}}_{\text{e}}}{\text{pi}}$$

  
• Der letzte Term ist die Unsicherheit bei der Schätzung von C. Der Bereich von dem letzten Term muss zwischen 0 und 1 Impuls liegen, so kann ein Minimum und ein Maximum für C berechnet werden. $${\text{C}}_{\text{max}}={\text{t}}_{\text{e}}-{\text{t}}_{\text{bto}}+{\text{t}}_{\text{e}}\cdot \left({\text{P}}_{\text{coast}}-1\right)+\frac{\text{pi}}{3}\cdot \frac{3}{\text{pi}}\cdot {\text{t}}_{\text{e}}$$

  

  $${\text{C}}_{\text{max}}={\text{t}}_{\text{e}}-{\text{t}}_{\text{bto}}+{\text{t}}_{\text{e}}\cdot {\text{P}}_{\text{coast}}$$

  

  $${\text{C}}_{\text{min}}={\text{t}}_{\text{e}}-{\text{t}}_{\text{bto}}+{\text{t}}_{\text{e}}\cdot \left({\text{P}}_{\text{coast}}-1\right)$$

  
• Unter Bezugnahme auf 2, wird ein Steuerverfahren oder Steuerprozess 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben und zwar gezeigt zur Steuerung der Position eines Elektromotors. Im Schritt 102 wird das System initialisiert, die Speicher geklärt oder gelöscht, Flaggen auf Anfangszustände gesetzt usw. Im Schritt 104 wird der Antriebsbefehl an die Motoren 22, 24 gegeben und zwar basierend auf anfänglichen Eingangsgrößen. Im Schritt 106 wird eine Abschaltzeit berechnet unter Verwendung einer Coastkonstanten und dem laufenden Drehzahl, bzw. Geschwindigkeitswert um so einen Motorstopp zu erhalten mit Bürsten mittig auf einem Kontaktsegment. Im Schritt 108 wird eine Bestimmung vorgenommen, ob es Zeit ist den Antriebsbefehl abzuschalten. Wenn die Bestimmung negativ ist, so wird der Prozess zum Schritt 106 zurück geschleift. Wenn die Bestimmung positiv ist, dann schaltet der Prozess im Schritt 109 fort, wo der Motor abgeschaltet wird und zwar entsprechend der berechneten Abschaltzeit im Schritt 106. Nachdem der Motor abgeschaltet ist, schaltet der Prozess zum Schritt 110 fort, wo eine neue Coastkonstante bestimmt wird und zwar basierend auf dem durchlaufenden Coast oder Nachlauf und vorherbestimmter Werte. Vom Schritt 110 schleift der Prozess zurück zum Schritt 104 und der Prozess wiederholt sich dann.
• Aus der obigen Beschreibung der Erfindung erkennt der Fachmann, Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen. Solche Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen im Rahmen fachmännischer Interpretationen sind durch die beigefügten Ansprüche abgedeckt.

Claims (4)

1. Ein Verfahren zur Steuerung einer Position eines elektrischen Gleichstrombürstenmotors wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind: a) Lieferung eines Antriebsstroms zum Antrieb des Elektromotors; b) Berechnung einer Coast- oder Nachlaufkonstanten für den Motor; c) Überwachung des Stroms durch den Motor; d) Bestimmung der Motordrehzahl ansprechend auf den überwachten Motorstrom; und e) Unterbrechung des elektrischen Stromes zum Motor ansprechend auf die berechnete Coastkonstante und die bestimmte Motordrehzahl, wenn es erwünscht ist, den elektrischen Motor zu stoppen, derart, dass eine Bürste des Motors an einer Stelle mittig zwischen den Segmentgrenzen eines Commutatorsegments des Motors zur Ruhe kommt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ferner die folgenden Schritte vorgesehen sind: Bestimmung einer Anfangsmotorposition; Zählen der Impulse des überwachten Motorstroms, und Bestimmen der Motorposition ansprechend auf die gezählten Impulse.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Motor mit Fahrzeugluftablenkklappen verbunden ist und wobei das Verfahren ferner den Schritt des Lieferns von Antriebsstrom an einen Elektromotor umfasst, um so die Luftverteilerklappen in einer gewünschten Position zu positionieren.
4. Eine Vorrichtung zur Steuerung einer Position eines elektrischen Gleichstrombürstenmotors wobei folgendes vorgesehen ist: eine elektrische Versorgungsquelle zum Liefern eines Antriebsstroms zum Antrieb des Elektromotors; Mittel zum Berechnen der Coast- oder Nachlaufkonstanten des Motors; einen Stromüberwacher oder Monitor zum Überwachen des durch den Motor fließenden Stroms; Mittel zur Bestimmung der Motordrehzahl ansprechend auf den überwachten Motorstrom; und einen Unterbrecher zum Unterbrechen des elektrischen Stromes zu dem Motor ansprechend auf die berechnete Coast- oder Nachlaufkonstante und die bestimmte Motordrehzahl, wenn es gewünscht ist, den Elektromotor zu stoppen, so dass eine Bürste des Motors an einer Stelle mittig zwischen den Segmentgrenzen eines Commutatorsegments des Motors zur Ruhe kommt.

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