DE102006037745A1 - Aktuator und Verfahren zu dessen Steuerung - Google Patents

Abstract

Bei einem Aktuator (1), insbesondere für einen Positionierantrieb, mit einem elektronisch kommutierten Elektromotor (2), und mit einem eine Anzahl von Sensorpositionen aufweisenden Sensorsystem (9), werden zur Erhöhung der Aktuator- bzw. Positionsauflösung eine der Anzahl der Sensorpositionen entsprechende Anzahl von Steuersignalen (S<SUB>1...6</SUB>) mit jeweils zwei Steuerpositionen (P<SUB>n</SUB>) vorzugsweise für eine 150°-Kommutierung erzeugt.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Aktuator, insbesondere einen Kupplungsaktuator, mit einem elektronisch kommutierten Elektromotor. Sie bezieht sich weiter auf einen Positionierantrieb mit einem solchen Aktuator sowie auf ein Verfahren zu dessen Steuerung.
• Ein derartiger Aktuator wird häufig als oder in Verbindung mit einem Positionierantrieb eingesetzt, um bestimmte Positionieraufgaben zu erfüllen. So wird beispielsweise ein sogenannter Kupplungsaktuator zur (automatischen) Betätigung einer zwischen einem Antriebsmotor und einem Getriebe eines Kraftfahrzeugs vorgesehenen Kupplung eingesetzt. An einen zur Erfüllung derartiger Positionieraufgaben eingesetzten Antrieb sind dabei in der Regel bestimmte Auflösungsanforderungen hinsichtlich der Anzahl der Stellschritte während jeder mechanischen 360°-Umdrehung des üblicherweise in Form eines Elektromotors eingesetzten Antriebs gestellt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen insbesondere für oder als Positionier- bzw. Stellantrieb geeigneten Aktuator mit möglichst hoher Stell- oder Positionierauflösung anzugeben. Des Weiteren soll ein besonders geeignetes Verfahren zur Steuerung oder Regelung eines einen elektronisch kommutierten Elektromotor aufweisenden Aktuators angegeben werden.
• Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der auf diesen rückbezogenen Unteransprüche.
• Hinsichtlich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 16. Vor teilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der auf diesen rückbezogenen Unteransprüche.
• Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass eine hohe (mechanische) Stellauflösung und damit eine hohe Positionsauflösung durch eine entsprechend hohe Auflösung der Winkelposition des bei einem Aktuator oder Positionierantrieb eingesetzten Elektromotors erreicht werden kann. Die Anzahl der mechanischen Stellpositionen, in die ein elektronisch kommutierter Elektromotor bei jeder Umdrehung seines Rotors verfahren werden kann, ist wiederum abhängig von der Anzahl der elektrisch oder elektronisch ansteuerbaren Steuer- oder Schaltpositionen des elektromotorischen Antriebs oder Elektromotors des Aktuators bzw. Positionierantriebs. Die Anzahl dieser Steuer- bzw. Schaltpositionen wiederum ist abhängig von der zeitlichen Abfolge der in die Motorwicklungen des Elektromotors eingeprägten oder in diese eingespeisten zeitlichen Stromblöcke, zwischen denen nach Durchlaufen bestimmter Winkelbereiche einer elektrischen Umdrehung des Elektromotors umgeschaltet wird.
• Da einerseits der blockweise Stromfluss durch die einzelnen Motorwicklungen in Abhängigkeit von der Rotorlage oder Winkellage des Rotors des Elektromotors eingestellt oder gesteuert und andererseits die Rotorlage sensorisch erfasst werden kann, können auch die Schaltpositionen, an denen die Motorwicklungen ein- oder ausgeschaltet werden bzw. an denen zwischen diesen umgeschaltet wird, aus den beispielsweise mittels Hall-Sensoren erzeugten Sensorsignalen abgeleitet werden. Diese Sensorsignale können dabei direkt aus dem Rotormagnetfeld eines im Rotor permanentmagnetisch erregten Elektromotors oder über einen auf der Motor- oder Rotorachse angeordneten Ringmagneten indirekt erzeugt werden.
• Die Anzahl der Sensorpositionen ist dabei ein die Aktuator- oder Positionierauflösung bestimmender Faktor. Werden beispielsweise drei Sensoren bezogen auf den Rotorumfang an um 120° versetzten Sensorpositionen angeordnet und sowohl eine ansteigende als auch eine abfallende Flanke des von dem jeweiligen Sensor erzeugten Sensorsignals ausgewertet, so ergeben sich sechs Steuerpositionen, was einer Auflösung von elektrisch 60° entspricht. Bei dieser Anordnung handelt es sich um eine sogenannte 120°-Kommutierung, bei der zur gleichen Zeit stets nur zwei Motorwicklungen oder -phasen bestromt werden.
• Bei dieser 120°-Kommutierung, die in einfacher Weise aus den Sensorsignalen abgeleitet werden kann, ergibt sich die für die Anzahl der Stellpositionen maßgebliche mechanische Aktuator- bzw. Positionsauflösung aus dem Produkt der elektrischen Steuerpositionen und der Polpaarzahl, die wiederum durch die Anzahl der Magnetpole des Rotors bestimmt ist. So ergeben sich beispielsweise bei vier Polpaaren (p = 4) und drei Sensorpositionen mit in Folge einer Zweiflankenauswertung (f_h + f_l = 2) der Sensorsignale insgesamt sechs Steuerpositionen (P_n = 6) eine Stellauflösung von vierundzwanzig (24) (mechanischen) Stellpositionen bei jeder mechanischen Motor- oder Rotorumdrehung. Dies wiederum entspricht einer mechanischen Umdrehung von 15° je Stellposition.
• Die Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, dass bei einem dreiphasigen Elektromotor sowohl bei dieser 120°-Kommutierung als auch bei einer 180°-Kommutierung sechs Steuerpositionen pro elektrischer Periode oder Umdrehung angesteuert werden können. Dabei unterscheiden sich die Steuerpositionen der 120°-Kommutierung und derjenigen der 180°-Kommutierung um elektrisch 30°. Die erfindungsgemäße Kombination dieser beiden Kommutierungsarten führt zu einer 150°-Kommutierung der einzelenen Phasen und zu einer Erhöhung der Aktuator- bzw. Positionierauflösung um den Faktor zwei.
• Die so erfindungsgemäß ermittelte 150°-Kommutierung hat gegenüber der 180°-Kommutierung zudem den weiteren Vorteil, dass die Phasenströme oder Stromblöcke, mit denen die einzel nen Motorwicklungen oder Wicklungsstränge bestromt werden, bereits vor dem Nulldurchgang auf Null abgeklungen sind.
• In zweckmäßiger Weiterbildung werden die Kommutierungssignale direkt aus den Sensorsignalen abgeleitet bzw. erzeugt. Dadurch wird zusätzlich zur Erhöhung der Aktuatorauflösung auch die Sensorauflösung entsprechend erhöht, indem auf einfache Art die Anzahl der Sensoren und damit die Anzahl der Sensorpositionen gegenüber der reinen 120°-Kommutierung bzw. der reinen 180°-Kommutierung verdoppelt wird. Dabei ist bei einem dreiphasigen Elektromotor eine Anzahl erster Sensoren, z. B. ein erster Satz von insbesondere drei Sensoren, gegenüber einer Anzahl zweiter Sensoren, z. B ein zweiter Satz von ebenfalls drei Sensoren, um 30° elektrisch versetzt.
• Die Sensoren bzw. die entsprechenden Sensorpositionen sind demnach bei einem dreiphasigen und mit einer 150°-Kommutierung betriebenen oder angesteuerten Elektromotor um jeweils 60° elektrisch gegeneinander versetzt. Unter Zugrundelegung einer Zweiflankenauswertung der Sensorsignale sind somit insgesamt pro elektrischer Umdrehung zwölf Steuer- oder Haltepositionen bereit gestellt, an denen der Rotor ausgerichtet werden kann.
• Das Produkt aus dieser Anzahl von Steuerpositionen und der Polpaarzahl des Rotors führt dann mit zunehmender Polpaarzahl zu einer entsprechend hohen Anzahl von Stellpositionen und damit zu einer entsprechend hohen Stellauflösung des Aktuators bzw. Positionierantriebs. Bei einem achtpoligen Motor mit vier Polpaaren sind somit bereits achtundvierzig Stellpositionen anfahrbar, was einer Stellauflösung von 7,5° mechanischer Umdrehung entspricht.
• In zweckmäßiger Ausgestaltung werden die Sensorsignale im so genannten Gray-Code codiert. Durch Verwendung eines einen solchen Gray-Code liefernden Encoders kann die Anzahl der ausgangsseitigen Übertragungsleitungen gegenüber der Anzahl der eingangsseitigen Sensorsignale oder Sensorsignalleitungen reduziert werden. Zudem können bei einer Anzahl n von Sensoren insgesamt 2ⁿ – und damit bei sechs Sensoren vierundsechzig (64) Zustände – codiert werden. Bei einem entsprechenden Binärecode unterscheiden sich diese Zustände um jeweils 1 Bit (Hamming-Distanz). Dadurch können Übertragungsfehler bei der Kommutierung des Elektromotors bzw. bei dessen Steuerung mittels der Sensorsignale zumindest erheblich reduziert werden.
• Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
• 1 schematisch in einem Blockschaltbild ein dreiphasiges Aktuator- oder Antriebssystem mit über eine Brückenschaltung gespeisten Ständerwicklungen eines Elektromotors in Sternschaltung,
• 2 in einer schematischen Phasendarstellung zueinander versetzte Halte- oder Steuerpositionen bei einer 150°-Kommutierung des Elektromotors,
• 3 die 150°-Kommutierung in einem Winkel-Phasen-Diagramm, und
• 4 in einem Sensor-Winkel-Diagramm die Sensor- oder Steuersignale zur Ansteuerung der Brückenschaltung gemäß 1 für die 150°-Kommutierung.
• Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• Der in 1 als Prinzipdarstellung veranschaulichte Aktuator 1 kann beispielsweise als Positionierantrieb und/oder als Kupplungsaktuator für eine automatisch betätigte Kupplung eines Kraftfahrzeugs eingesetzt oder verwendet werden.
• Der Aktuator 1 weist einen bürstenlosen permanent erregten Gleichstrommotor 2 mit einem Rotor mit Dauer- oder Permanentmagnet und mit einer dreiphasigen, zwei- oder mehrpoligen Statorwicklung auf. Deren Wicklungsstränge 3, 4, 5 sind in Sternschaltung verschaltet, wobei deren Anschlüsse mit U, V und W bezeichnet sind. Die Wicklungsstränge 3, 4, 5 des Elektromotors 2 werden über eine Leistungsstufe 6 mit sechs Leistungsschaltern T₁ bis T₆ in Form von MOS-Feldeffekttransistoren (MOSFET) in Abhängigkeit von der Rotorstellung oder Rotorlage gespeist. Der Rotor ist dabei in nicht näher dargestellter Art und Weise mit Dauermagneten zur Bildung einer Anzahl (2p) von Magnetpolen oder magnetischen Nordpolen (N) und Südpolen (S) versehen, die jeweils paarweise wiederum eine entsprechende Anzahl (p) von Polpaaren bilden.
• Dem dargestellten Antrieb oder Aktuator 1 sind sechs Sensoren H₁ bis H₆, beispielsweise in Form von Hall-Sensoren, zugeordnet. Diese liefern bestimmte Sensor- oder Kommutierungssignale S₁ bis S₆ (4). Die Sensorsignale S₁ bis S₆ werden über einen Encoder 7 und eine diesem nachgeschaltete Treiberstufe 8 an die Steuereingänge (Gate) der Schalttransistoren T₁ bis T₆ geführt, die drain-source-seitig an eine Spannungsversorgung (+)U_B der Brückenschaltung 6 geführt sind.
• Die in den Sensorsignalen S₁ bis S₆ enthaltenen Positionsinformationen, die mittels des Encoders 7 im so genannten Gray-Code geliefert werden, können über einen einzelnen Ausgang des Encoders 6 oder über eine an diesen angeschlossene Signalleitung S_c seriell übertragen werden. Dabei kann eine Übertragung immer dann erfolgen, wenn sich die Position ändert. Die Übertragung der Positionsinformationen erfolgt dabei in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, die der Treiberstufe als entsprechendes Drehzahlsignal S_n zugeführt ist.
• Da die von den Sensoren H₁ bis H₆ gelieferten Sensorsignale S₁ bis S₆ während einer (elektrischen) Umdrehung des Gleichstrom- oder Elektromotors 2 jeweils einen high- und einen low-Pegel mit einer ansteigenden und mit einer abfallenden Signalflanke f_h bzw. f_l liefern, können mit den sechs Sensorsignalen S₁ bis S₆ der sechs Sensoren H₁ bis H₆ insgesamt zwölf Steuerpositionen P_n (2) definiert werden. Die sechs Sensorsignale S₁ bis S₆ zur Ansteuerung der Schalttransistoren T₁ bis T₆ sind in dem in 4 dargestellten Signal-Diagramm veranschaulicht. Bei einer Codierung der Sensorsignale S₁ bis S₆ im Gray-Code können insgesamt 2⁶ = 64 Sensorzustände als Binärecode mit einer Hamming-Distanz von 1 Bit codiert werden.
• Die Sensoren H₁ bis H₆ bilden ein Sensorsystem 9 für eine 150°-Kommutierung des Elektromotors 2. Dabei können gemäß der Darstellung nach 2 insgesamt zwölf Halte- oder Steuerpositionen P_n, mit n = 12, pro elektrischer Umdrehung eingestellt bzw. angefahren werden. Die Steuerpositionen P_n sind dabei elektrisch um jeweils 30° zueinander versetzt. Die sechs Sensoren H₁ bis H₆ sind um elektrisch 60° versetzt am Rotorumfang angeordnet.
• Die in 2 veranschaulichte 150°-Kommutierung ist quasi eine Kombination aus einer 120°-Kommutierung und einer 180°-Kommutierung. So sind bei der 120°-Kommutierung pro elektrischer Umdrehung sechs Steuerpositionen P_n an den Phasenkombinationen (U, –W), (–U, W), (U, –V), (–U, V), (V, –W) und (–V, W) definiert. Dabei bedeutet U, V, W der jeweilige elektrische Plus-pol an der entsprechenden Phase, während –U, –V, –W den Minus-pol an der jeweiligen Phase U, V, W bedeutet. Analog bilden bei der 180°-Kommutierung die Phasenkombinationen (U, –V, –W), (–U, V, W), (U, –V, W), (–U, V, –W), (U, V, –W) und (–U, –V, W) um elektrisch 30° zu der 120°-Kommutierung versetzte weitere sechs Steuerpositionen P_n.
• Die zeitliche Abfolge der high- und low-Pegel an den jeweiligen Schalttransistoren T₁ bis T₆ zur Steuerung oder Einstellung der 150°-Kommutierung sind in 3 für die drei Phasen U, V, W bzw. –U, –V, –W in Abhängigkeit vom Winkell für die 150°-Kommutierung dargestellt.

Claims (19)

1. Aktuator (1), insbesondere Kupplungsaktuator, mit einem elektronisch kommutierten Elektromotor (2), und mit einem eine Anzahl von Sensorpositionen aufweisenden Sensorsystem (9), das eine der Anzahl der Sensorpositionen entsprechende Anzahl von Steuersignalen (S_1...6) mit jeweils zwei Steuerpositionen (P_n) für die Kommutierung erzeugt.
2. Aktuator (1) nach Anspruch 1, wobei jede von zwei Signalflanken (high, low) des jeweiligen Steuersignals (S_1...6) eine Steuerposition (P_n) darstellt.
3. Aktuator (1) nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Anzahl erster Sensoren (S_1...3) und mit einer Anzahl zweiter Sensoren (S_4...6), die gegenüber den ersten Sensoren (S_1...3) um (elektrisch) 30° versetzt angeordnet sind.
4. Aktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zwölf um jeweils 30° elektrisch zueinander versetzte Steuerpositionen (P_n) vorgesehen sind.
5. Aktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Sensorsystem (9) sechs Sensoren (H_1...6), insbesondere Hall-Sensoren, aufweist.
6. Aktuator (1) nach Anspruch 5, wobei die Sensoren (H_1...6) um jeweils 60° elektrisch zueinander versetzt angeordnet sind.
7. Aktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei bei einem dreiphasigen Elektromotor (2) eine 150°-Kommutierung erfolgt.
8. Aktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei bezogen auf eine elektrische Motorumdrehung insgesamt zwölf Steuerpositionen (P_n) vorgesehen sind.
9. Aktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Elektromotor (2) einen permanenterregten Rotor mit einer Anzahl von Polpaare bildenden Magnetpolen aufweist.
10. Aktuator (1) nach Anspruch 9, wobei bezogen auf eine mechanische Motorumdrehung eine dem Produkt aus der Polpaarzahl (p) und der Anzahl von Steuerpositionen (P_n) entsprechenden Mehrzahl von Stellpositionen vorgesehen sind.
11. Aktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Elektromotor (2) ein bürstenloser Gleichstrommotor ist.
12. Positionierantrieb, insbesondere für eine automatisch betätigte Kupplung eines Kraftfahrzeugs, mit einem Aktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
13. Positionierantrieb nach Anspruch 12, wobei die Kommutierung des eine dreisträngige Ständerwicklung (3, 4, 5) aufweisenden Elektromotors (2) mittels eines dreiphasigen Leistungsschaltersystems (T_1...6), insbesondere einer Brückenschaltung (6) mit MOS-Feldeffekt-Transistoren (MOSFET), erfolgt.
14. Positionierantrieb nach Anspruch 12 oder 13, wobei dem Leistungsschaltersystem (T_1...6) ansteuerseitig die zur Kommutierung bestimmten Steuersignale (S_1...6) des Sensorsystems (9) zugeführt sind.
15. Positionierantrieb nach einem der Ansprüche 11 bis 14, mit einem Elektromotor (2) mit jeweils einem Brückenzweig (U, V, W) der Brückenschaltung (6) verbundenen Wicklungssträngen (3, 4, 5) des Elektromotors (2).
16. Positionierantrieb nach Anspruch 15, wobei die Wicklungsstränge (3, 4, 5) des Elektromotors (2) in Sternschaltung verschaltet sind.
17. Verfahren zur Steuerung eines Aktuators (1) mit einem elektronisch kommutierten Elektromotor (2), bei dem mittels eines Sensorsystems (9) eine Anzahl von Steuersignalen (S_1...6) zur 150°-Kommutierung des Elektromotors (2) erzeugt werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die die Kommutierung des Elektromotors (3) mittels der Sensorsignale (S_1...6) gesteuert wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, bei dem die Sensorsignale (S_1...6) im Gray-Code kodiert werden.