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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.
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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.
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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.
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Die
erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs
1. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind
Gegenstand der auf diesen rückbezogenen
Unteransprüche.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 (fh + fl = 2) der Sensorsignale
insgesamt sechs Steuerpositionen (Pn = 6)
eine Stellauflösung
von vierundzwanzig (24) (mechanischen) Stellpositionen bei jeder
mechanischen Motor- oder Rotorumdrehung. Dies wiederum entspricht
einer mechanischen Umdrehung von 15° je Stellposition.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 schematisch
in einem Blockschaltbild ein dreiphasiges Aktuator- oder Antriebssystem
mit über
eine Brückenschaltung
gespeisten Ständerwicklungen
eines Elektromotors in Sternschaltung,
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2 in
einer schematischen Phasendarstellung zueinander versetzte Halte-
oder Steuerpositionen bei einer 150°-Kommutierung des Elektromotors,
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3 die
150°-Kommutierung
in einem Winkel-Phasen-Diagramm, und
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4 in
einem Sensor-Winkel-Diagramm die Sensor- oder Steuersignale zur
Ansteuerung der Brückenschaltung
gemäß 1 für die 150°-Kommutierung.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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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.
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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.
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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 (+)UB der Brückenschaltung 6 geführt sind.
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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 Sc 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
Sn zugeführt
ist.
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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 fh bzw. fl liefern, können mit den sechs Sensorsignalen
S1 bis S6 der sechs
Sensoren H1 bis H6 insgesamt
zwölf Steuerpositionen
Pn (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.
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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 Pn, mit n = 12, pro
elektrischer Umdrehung eingestellt bzw. angefahren werden. Die Steuerpositionen
Pn sind dabei elektrisch um jeweils 30° zueinander
versetzt. Die sechs Sensoren H1 bis H6 sind um elektrisch 60° versetzt am Rotorumfang angeordnet.
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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 Pn 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 Pn.
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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.