DE102006046896A1 - Device and method for online position initialization of an actuator, in particular a piezoelectric ring motor - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zu einer im Betrieb erfolgenden Positionsinitialisierung eines Stellantriebs (1), insbesondere eines Piezoringmotors. Um eine durch Überlast an einem Piezoringmotor verschobene Ausgangsposition eines Stellantriebs zu korrigieren, soll eine einfache und wirksame Vorrichtung bereitgestellt werden. An einem Piezoring-Stellantrieb (1) wird eine Kalibrier-Verlustdrehmoment-Funktion vor dem Betrieb erfasst und im Betrieb mit einer Betriebs-Verlustdrehmoment-Funktion mathematisch verglichen. Mittels des Vergleichs kann ein Verschiebungswinkel Deltaphi zur Korrektur einer als anfängliche Ausgangsposition gespeicherten Winkelposition bestimmt werden. Für den mathematischen Vergleich wird beispielsweise eine Kreuzkorrelation angewendet. Die Online-Positionsinitialisierung eignet sich für alle Motoren, bei denen Verlustdrehmoment-Funktionen erfassbar sind.The present invention relates to a device for a position initialization in operation of an actuator (1), in particular a piezo ring motor. To correct a displaced by overload on a piezo ring motor starting position of an actuator, a simple and effective device is to be provided. At a piezo ring actuator (1), a calibration loss torque function is detected prior to operation and mathematically compared during operation with an operating loss torque function. By means of the comparison, a shift angle Deltaphi can be determined for the correction of an angular position stored as an initial starting position. For example, a cross-correlation is used for the mathematical comparison. Online position initialization is suitable for all motors where loss torque functions can be detected.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Nebenanspruchs.The The present invention relates to a device according to the preamble of the main claim and a method according to the preamble of the independent claim.

Die vorliegende Erfindung ist grundsätzlich auf alle Stellantriebe, insbesondere piezoelektrische Stellantriebe anwendbar.The The present invention is basic to all actuators, in particular piezoelectric actuators applicable.

Die DE 199 52 946 A1 offenbart einen als Piezoringmotor (PRM) bezeichneten piezoelektrischen Antrieb. Dieser Piezoringmotor weist ein hohes Drehmoment, eine hohe Stellgenauigkeit, eine flache Bauform und inhärente Sensoreigenschaften auf. Diese Kombination ist im Vergleich zu herkömmlichen Stellantrieben besonders vorteilhaft. Das Motorprinzip bewirkt eine hohe Untersetzung zwischen Antriebsring und Welle und liefert damit eine hohe Stellgenauigkeit. Bei einer formschlüssigen Variante des Motors, bei der Ring und Welle mit einer geeigneten Verzahnung beaufschlagt sind, verbessert sich die Genauigkeit durch fehlenden Schlupf abermals. Auf diese Weise kann der Piezoringmotor jede Drehwinkelposition gesteuert anfahren. Es muss lediglich die Motorsteuerung mit einer Anfangsposition initialisiert werden.The DE 199 52 946 A1 discloses a piezoelectric drive called a piezo ring motor (PRM). This piezo ring motor has a high torque, a high positioning accuracy, a flat design and inherent sensor characteristics. This combination is particularly advantageous compared to conventional actuators. The motor principle causes a high reduction ratio between drive ring and shaft and thus provides a high positioning accuracy. In a positive variant of the engine, in which ring and shaft are subjected to a suitable toothing, the accuracy improved by missing slip again. In this way, the piezo ring motor can start each rotational angle position controlled. All that needs to be initialized is the engine control with an initial position.

Eine absolute Positionierung ist lediglich möglich, falls der Motorelektronik einmal eine absolute Position bekannt ist. Danach darf sich bei inaktiver Elektronik die Motorposition nicht mehr ändern. Die zuletzt erfasste Motorposition muss in jedem Fall nicht-flüchtig gespeichert werden. Sind diese technischen Voraussetzungen nicht vorhanden und soll das Anfahren absoluter Winkelpositionen nach dem Einschalten ausführbar sein, muss der Antrieb initialisiert werden. Das Initialisieren von Antrieben geschieht auf herkömmliche Weise durch gezieltes Anfahren einer Initialisierungsposition. Dabei wird der Rotor des Motors so lange gedreht, bis die Rotorposition mit einer äußeren Winkelmarkierung übereinstimmt. Dies kann automatisch mittels der Verwendung eines Nullpositionsgebers und durch Rückkopplung auf die Motorsteuerung geschehen. Eine weitere Möglichkeit für ein gezieltes Anfahren einer Initialisierungsposition ist der visuelle Vergleich, zusammen mit einer manuellen Korrektur der Motorposition. In beiden Fällen können wesentliche Vorteile bezüglich der relativen und absoluten Positioniergenauigkeit des Piezoringmotors nicht unmittelbar genutzt werden.A Absolute positioning is only possible if the engine electronics once an absolute position is known. After that you can join inactive electronics no longer change the motor position. The The last detected motor position must always be stored non-volatile become. Are these technical requirements not available and should be the approach of absolute angular positions after switching on be executable the drive must be initialized. Initializing drives happens on conventional Way by targeted approach an initialization position. there The rotor of the motor is rotated until the rotor position coincides with an outer angle mark. This can be done automatically by using a zero position encoder and by feedback done on the engine control. Another possibility for a targeted start of a Initialization position is the visual comparison, along with a manual correction of the motor position. In both cases, essential Advantages regarding the relative and absolute positioning accuracy of the piezoring motor not be used immediately.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Antrieb ohne äußere Eingriffe seine Absolutposition ebenso nach Verlust der letzten Position finden kann. Es soll ein Verfahren für einen piezoelektrischen Ringmotor bereitgestellt werden, mit dem eine Online-Initialisierung sowie ein Wiederfinden der Absolutposition ohne externe Positionsgeber ausführbar ist.Especially It is advantageous if the drive without external intervention its absolute position can also find after losing the last position. It should be one Procedure for a piezoelectric ring motor are provided with the an online initialization and a recovery of the absolute position executable without external position encoder is.

Auf herkömmliche Weise wird eine Anfangsinitialisierung mittels eines Referenzlaufes ausgeführt. Es wird der Motor fixiert und die Winkelposition der Motorwelle gemessen. Die Nullposition wird auf der Grundlage eines Messwertes eines externen Winkelsensors oder Nullpositions-Sensors angefahren. Die Motorelektronik kann auf Grundlage des Gebers initialisiert werden. Diese herkömmlichen Verfahren benötigen nachteiliger Weise einen speziellen Aufbau zur Initialisierung. Ebenso muss nachteiliger Weise eine erneute Initialisierung durchgeführt werden, für den Fall, dass die Motorelektronik die Nullposition, beispielsweise auf Grund einer Überlast oder eines Speicherfehlers, verliert.On conventional This is an initial initialization by means of a reference run executed. It fixes the motor and the angular position of the motor shaft measured. The zero position is based on a measured value approached by an external angle sensor or zero position sensor. The engine electronics can be initialized based on the encoder become. This conventional Need procedure disadvantageously a special setup for initialization. Likewise, disadvantageously, a reinitialization must be performed, for the Case that the engine electronics zero position, for example due to an overload or a memory error, loses.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen piezoelektrischen Stellantrieb, insbesondere einen Piezoringmotor gemäß der DE 199 52 946 A1 , derart weiter zu bilden, dass mittels einer Motorsteuereinrichtung jede absolute Drehwinkelposition direkt ansteuerbar ist und jede Verschiebung oder jeder Verlust der absoluten Drehwinkelposition mittels einer einfachen und wirksamen online Positionsinitialisierung korrigierbar ist. Positionsinitialisierung bedeutet, dass eine anfängliche Ausgangsposition wieder hergestellt wird. Online bedeutet eine Positionsinitialisierung während des Betriebs des lastfreien Stellantriebs auszuführen. Es soll auf externe Positionsgeber, wie es beispielsweise externe Winkelsensoren oder Nullpositions-Sensoren sind, verzichtet werden.It is an object of the present invention, a piezoelectric actuator, in particular a piezo ring according to the DE 199 52 946 A1 in such a way that by means of a motor control device each absolute rotational angular position is directly controllable and any shift or loss of the absolute rotational angular position is correctable by means of a simple and effective online position initialization. Position initialization means that an initial starting position is restored. Online means performing a position initialization during operation of the no-load actuator. It should be on external position sensor, such as external angle sensors or zero-position sensors are omitted.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst.The The object is achieved by a device according to the main claim and a Method according to the independent claim solved.

Eine Nullpositionsinitialisierung an einem Stellantrieb, insbesondere an einem piezoelektrischen Stellantrieb, wie bevorzugt einem piezoelektrischen Piezoringmotor gemäß der DE 199 52 946 A1 wird auf der Grundlage einer Messung des motoreigenen Verlustdrehmoments in Bezug auf die Winkelposition durchgeführt. Jeder Antrieb bzw. Motor weist eine einzigartige, für diesen typische Verlustdrehmoments-Funktion auf, die im Wesentlichen durch den Aufbau des Motors bzw. Stellantriebs bestimmt ist. Es wird einmal vor dem Betrieb eine derartige Verlustdrehmoments-Funktion bezüglich des Drehwinkels aufgenommen und auf diese Weise eine Kalibrier-Verlustdrehmoments-Funktion erzeugt. Diese Kalibrier-Verlustdrehmoments-Funktion kann zu jedem späteren Zeitpunkt zur Initialisierung der Motorposition verwendet werden. Es erfolgt ein mathematischer Vergleich der bekannten Kalibrier-Verlustdrehmoments-Funktion (Kalibrierfunktion) mit der im Betrieb gemessenen Betriebs-Verlustdrehmoment-Funktion. Bei dem mathematischen Vergleich mittels Korrelation wird die gemessene Betriebs-Verlustdrehmoment-Funktion über die bekannte Kalibrierfunktion entlang der Drehwinkelachse geschoben. Bei dem Maximum der Korrelation stimmen mit hoher Wahrscheinlichkeit die Winkelpositionen des gemessenen Betriebs-Verlustdrehmoments mit den Positionen der Kalibrierfunktion überein. Die Position des Maximums der Korrelationsfunktion zur Verschiebung des Drehwinkels wird zur Korrektur des in einer Motorsteuereinrichtung gespeicherten Drehwinkelwerts verwendet. Auf diese Weise werden die Motorsteuereinrichtung und damit der Stellantrieb im Betrieb initialisiert.Zero position initialization on an actuator, in particular on a piezoelectric actuator, as preferably a piezoelectric Piezoringmotor according to the DE 199 52 946 A1 is performed on the basis of a measurement of the engine's own loss torque with respect to the angular position. Each drive or motor has a unique, typical for this loss torque function, which is essentially determined by the structure of the motor or actuator. Once such a torque loss function is recorded with respect to the angle of rotation and before it is operated Way produces a calibration loss torque function. This calibration loss torque function can be used at any later time to initialize the motor position. A mathematical comparison is made of the known calibration loss torque function (calibration function) with the operating loss torque function measured during operation. In the mathematical comparison by means of correlation, the measured operating loss torque function is pushed along the rotation angle axis via the known calibration function. At the maximum of the correlation, the angular positions of the measured operating loss torque are most likely to coincide with the positions of the calibration function. The position of the maximum of the correlation function for shifting the rotation angle is used for correcting the rotation angle value stored in a motor control means. In this way, the engine control device and thus the actuator are initialized during operation.

Es wird besonders vorteilhaft die Verlustdrehmoments-Funktion eines piezoelektrischen Stellantriebs, insbesondere eines piezoelektrischen Ringmotors, zur Online-Positionsinitialisierung verwendet. Grundlage ist der Vergleich zwischen einer einmalig gemessenen Kalibrier-Verlustdrehmoments-Funktion (Kalibrierfunktion) bezüglich des Drehwinkels der Motorwelle und einer gemessenen Betriebs-Verlustdrehmoment-Funktion. Beide Funktionen werden mathematisch, beispielsweise über einen Korrelation, verglichen. Die Position des Maximums der Korrelation über einen Verschiebungswinkel gibt die Verschiebung der gemessenen Winkelposition gegenüber der in der Motorsteuereinrichtung gespeicherten Winkelposition wieder. Mittels der Korrektur des in der Motorsteuereinrichtung gespeicherten Drehwinkels mit dem Verschiebungswinkel kann der Motor bzw. Stellantrieb im Betrieb initialisiert werden.It Particularly advantageous is the loss torque function of a piezoelectric actuator, in particular a piezoelectric Ring motor, used for online position initialization. basis is the comparison between a once-measured calibration loss torque function (Calibration function) with respect to the angle of rotation of the motor shaft and a measured operating loss torque function. Both functions are mathematical, for example via a Correlation, compared. The position of the maximum of the correlation over a Displacement angle gives the displacement of the measured angular position across from the angular position stored in the engine control unit again. By means of the correction of the stored in the engine control unit Angle of rotation with the displacement angle may be the motor or actuator to be initialized during operation.

Die Erfassung der Verlustdrehmoment-Funktionen erfolgt bei lastfreiem Stellantrieb bzw. Motor. Der Verschiebungswinkel Δφ bestimmt die Verschiebung Δφmax der erfassten Winkelposition φ gegenüber der in einer Motorsteuereinrichtung als anfängliche Ausgangsposition gespeicherten Winkelposition φG. Mittels der Korrektur wird die Betriebs-Verlustdrehmoment-Funktion M(φ) wieder der ursprünglichen Kalibrier-Verlustdrehmoments-Funktion (Kalibrierfunktion) M(φ) angenähert.The detection of the loss torque functions takes place with no-load actuator or motor. The displacement angle Δφ determines the displacement Δφ max of the detected angular position φ with respect to the angular position φ G stored as an initial starting position in a motor control device. By means of the correction, the operating loss torque function M (φ) is again approximated to the original calibration loss torque function (calibration function) M (φ).

Mittels der vorgeschlagenen Lösung können aufwändige Winkelsensoren vermieden werden.through the proposed solution can complex Angle sensors are avoided.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.Further advantageous embodiments can be found in the subclaims.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wandelt die Einrichtung zur Erfassung der Verlustdrehmoment-Funktionen, das heißt der Kalibrier-Verlustdrehmoments-Funktion und der Betriebs-Verlustdrehmoments-Funktion, diese in Drehmoment pro portionale Spannungsfunktionen um. Auf diese Weise sind die Verlustdrehmoment-Funktionen auf elektronische Weise weiterbearbeitbar. Beispielsweise können auf diese Weise die Verlustdrehmoment-Funktionen gespeichert und mathematisch bzw. physikalisch verglichen werden.According to one advantageous embodiment converts the device for detection the loss torque functions, that is, the calibration loss torque function and the operating loss torque function, this in torque per proportional voltage functions. In this way, the loss torque functions Can be further processed in an electronic way. For example, you can This way the loss torque functions are stored and mathematical or physically compared.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt der mathematische Vergleich mittels einer Kreuzkorrelation (siehe Gleichung 1). Es kann eine alternative Vergleichsfunktion verwendet werden, die voraussetzt, dass die Mittelwerte von Funktionen über längere Zeiträume unverändert bleiben. Diese alternative Vergleichsfunktion ist beispielsweise die mit Gleichung 2

Figure 00050001
bestimmte. Vorteilhaft ist damit die Verwendung einer zur Kreuzkorrelation verschiedenen Vergleichsfunktion, die die Skalierung und den Mittelwert der Verlustdrehmoment-Funktionen beibehält.According to a further advantageous embodiment, the mathematical comparison is carried out by means of a cross-correlation (see equation 1). An alternative comparison function can be used, which assumes that the mean values of functions remain unchanged over longer periods of time. This alternative comparison function is, for example, that with Equation 2
Figure 00050001
certain. Thus, it is advantageous to use a comparison function which is different from the cross-correlation and which retains the scaling and mean value of the loss torque functions.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Stellantrieb ein Piezoringmotor, der mindestens zwei elektromechanische Antriebselemente, mindestens einen Antriebsring, der durch den Hub der elektromechanischen Antriebselemente zu einer umlaufenden Verschiebebewegung anregbar ist, und eine Welle, die an den Antriebsring aufsetzbar ist, so dass durch die Verschiebebewegung des Antriebsrings die Welle rotierbar ist, aufweist, und der mindestens eine Antriebsring mit den Antriebselementen mechanisch versteift verbunden ist. Dieser Piezoringmotor kann ebenso zusätzlich alle in der DE 199 52 946 A1 offenbarte Merkmale aufweisen. Die Offenbarung dieses Dokuments ist vollständig Inhalt dieser Patentanmeldung.According to a further advantageous embodiment, the actuator is a piezo ring motor, the at least two electromechanical drive elements, at least one drive ring which can be excited by the stroke of the electromechanical drive elements to a circumferential displacement movement, and a shaft which can be placed on the drive ring, so that through the Displacement movement of the drive ring, the shaft is rotatable, has, and the at least one drive ring is mechanically stiffened connected to the drive elements. This piezo ring motor can also do all in the DE 199 52 946 A1 have disclosed features. The disclosure of this document is the entire content of this patent application.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung in Form einer Formschlussvariante des Motors, dabei sind Ring und Welle mit geeigneten Verzahnungen beaufschlagt, weist mindestens ein Zahnkopf auf dem Antriebsring und mindestens ein dazugehöriges Zahntal auf der Welle und/oder mindestens ein Zahntal auf dem Antriebsring und mindestens ein dazugehöriger Zahnkopf auf der Welle eine von einer Idealform abweichende Formgebung zur Erzeugung mindestens eines charakteristischen Pulses in der Verlustdrehmoment-Funktion auf. Dies ist besonders vorteilhaft für die Verbesserung der Störunempfindlichkeit der Vorrichtung. Durch diese gezielte Veränderung der Zahnform wird die Störunempfindlichkeit der Korrelationsmessung, insbesondere der Kreuzkorrelationsmessung, verbessert.According to a further advantageous embodiment in the form of a form-fitting variant of the engine, while ring and shaft are acted upon with suitable teeth, has at least one tooth tip on the drive ring and at least one associated tooth valley on the shaft and / or at least one tooth valley on the drive ring and at least one associated Denture head on the shaft one of an ideal form ing shaping for generating at least one characteristic pulse in the loss torque function. This is particularly advantageous for improving the noise immunity of the device. This targeted change in the tooth shape improves the immunity to interference of the correlation measurement, in particular the cross-correlation measurement.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Kalibrier-Verlustdrehmoment-Funktion (Kalibrierfunktion) in einer Speichereinrichtung gespeichert.According to one Further advantageous embodiment, the calibration loss torque function (calibration function) stored in a memory device.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung führt eine Umschalteinrichtung, in einer ersten Betriebsart Betriebs-Verlustdrehmoment-Funktionen der Einrichtung zum mathematischen Vergleich und in einer zweiten Betriebsart Kalibrierfunktionen der Speichereinrichtung zu.According to one further advantageous embodiment performs a switching device, in a first mode, operating loss torque functions of the device for mathematical comparison and in a second operating mode calibration functions the storage device to.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Mehrkanalpiezotreiber zur Anpassung der Ausgangssignale der Motorsteuereinrichtung an piezoelektrische Aktoren des Stellantriebs bereitgestellt.According to one Another advantageous embodiment is a multi-channel piezo driver for adjusting the output signals of the engine control unit Piezoelectric actuators of the actuator provided.

Gemäß einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt der mathematische Vergleich mittels einer Korrelation, insbesondere einer Kreuzkorrelation (siehe Gleichung 1). Ebenso kann eine alternative Vergleichsfunktion verwendet werden, die die Skalierung und den Mittelwert der Verlustdrehmoment-Funktionen beibehält. Diese kann insbesondere die Funktion

Figure 00060001
sein.According to one embodiment of a method according to the invention, the mathematical comparison is carried out by means of a correlation, in particular a cross-correlation (see equation 1). Likewise, an alternative compare function may be used which preserves the scaling and mean of loss torque functions. This can in particular the function
Figure 00060001
be.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels einer von einer Idealform abweichenden Formgebung von Antriebsring und/oder Welle des Stellantriebs mindestens ein charakteristischer Puls bzw. Impuls in der Verlustdrehmoment-Funktion erzeugt. Auf diese Weise kann eine charakteristische Markierung erzeugt werden.According to one further advantageous embodiment of the method according to the invention is determined by means of a shape deviating from an ideal shape of Drive ring and / or shaft of the actuator at least one characteristic Pulse generated in the loss torque function. On In this way, a characteristic mark can be generated.

Die vorliegende Erfindung wird in Verbindung mit den Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:The The present invention will be described in conjunction with the figures of exemplary embodiments described in more detail. Show it:

1 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; 1 a representation of an embodiment of a device according to the invention;

2 eine Darstellung einer Kalibrier-Verlustdrehmoment-Funktion und einer Betriebs-Verlustdrehmoment-Funktion gemäß dem Ausführungsbeispiel; und 2 an illustration of a calibration loss torque function and an operation loss torque function according to the embodiment; and

3 eine Darstellung des mathematischen Vergleichs anhand einer Kreuzkorrelation. 3 a representation of the mathematical comparison based on a cross-correlation.

1 zeigt eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. 1 zeigt schematisch einen Aufbau einer Motorsteuerung 9, 6 und 7 für einen Piezoringmotor 1, mit dem ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Online-Positionsinitialisierung ausgeführt werden kann. Die Einrichtungen 9, 6 und 7 sind Bestandteil der Motorsteuerung. Einrichtung 9 bezeichnet ein Benutzer-Interface, das beispielsweise ein digitaler Datenbus, eine serielle Schnittstelle und dergleichen sein kann. Einrichtung 6 beinhaltet eine Steuerung zum Erzeugen der Steuersignale der Aktoren, insbesondere Sinus- und/oder Kosinus-Funktionen, des Piezoringmotors 1. Bei einem Normalbetrieb, d. h. es liegt keine Überlast an dem Piezoringmotor 1 an, folgt dieser schlupffrei den Steuersignalen. Mit dem Zählen der Perioden, bei bekanntem Anfangsdrehwinkel, kann mit ausreichender Genauigkeit der gerade aktuelle Drehwinkel der Motorwelle ermittelt werden. Einrichtung 7 ist ein Mehrkanalpiezotreiber 7, der die Ausgangssignale der Steuerung 6 an die piezoelektrischen Aktoren des Piezoringmotors 1 anpasst. Einrichtung 2 ist ein Wandler, der die Rückwirkungssignale der Aktoren auswertet und eine drehmomentproportionale Spannung U(φ) erzeugt. Einrichtung 3 ist eine Umschalteinrichtung 3, die nur zur Aufnahme der Kalibrierfunktion, d. h. der vor dem Betrieb des Stellantriebs 1 aufgenommenen Kalibrier-Verlustdrehmoment-Funktion M(φ), auf eine Position a geschaltet wird. Im Betrieb ist die Umschalteinrichtung 3 auf Position b geschaltet. Die Einrichtung 5 ist eine Speichereinrichtung 5, in der die Kalibrier-Verlustdrehmoment-Funktion (Kalibrierfunktion) abgespeichert wird. Ist die Umschalteinrichtung 3 auf Position b geschaltet, wird die gemessene Betriebs-Verlustdrehmoment-Funktion U(φ) an einen Kreuzkorrelator 4 übergeben, der die gemessene Betriebs-Verlustdrehmoment-Funktion mit der in der Speichereinrichtung 5 abgespeicherten Kalibrierfunktion uc(φ) vergleicht. Die Kreuzkorrelationsfunktion r(Δφ) gibt den Wert für die Ähnlichkeit von zwei Eingangsfunktionen wieder. Dazu wird die gemessene Betriebs-Verlustdrehmoment-Funktion entlang der X-Achse, bzw. der φ-Achse, gegenüber der Kalibrierfunktion verschoben. Für jede Position wird ein Korrelationskoeffizient berechnet. Ist der Betrag des Korrelationskoeffizienten r=1, dann sind beide Eingangsfunktionen identisch. Das heißt, die Ausgangsfunktion an der Einrichtung 4 zum mathematischen Vergleich der Kalibrierfunktion uc(φ) mit der Betriebs-Verlustdrehmoment-Funktion u(φ), ist eine Funktion, deren globales Maximum bei einem Verschiebungswinkel Δφ zu finden ist, bei dem sich die Kalibrierfunktion und die gemessene Betriebs-Verlustdrehmoment-Funktion am ähnlichsten sind. Eine Einrichtung 8 sucht den zum globalen Maximum der Kreuzkorrelationsfunktion r(Δφ) zugehörigen Verschiebungswinkel Δφ und gibt diesen an die Steuerung 6 aus. Die Steuerung 6 addiert den Verschiebungswinkel Δφ zum Momentanwert des Drehwinkels φG, den die Steuerung 6 gespeichert hat und kompensiert dadurch den Fehler beim abgespeicherten Drehwinkelwert. Im Normalbetrieb sollte die Verschiebung Δφ=0 sein, d. h. ei ne Korrektur mittels einer Online-Initialisierung führt zu keiner Änderung des momentan in der Steuerung 6 hinterlegten Wertes für den Motordrehwinkel. Im Fall einer Überlast, d. h. eines zu hohen Drehmomentes, kann es zu einer Änderung des Motordrehwinkels kommen, wodurch der in der Steuerung 6 momentan gespeicherte Motordrehwinkel φG vom realen Motordrehwinkelwert abweicht. In diesem Fall wird eine Verschiebung Δφ≠0 durch den Kreuzkorrelator 4 erfasst. Durch die Addition von Δφ zum momentan gespeicherten Motordrehwinkel φG wird dieser korrigiert und das System online initialisiert. 1 shows a representation of an embodiment of a device according to the invention. 1 schematically shows a structure of a motor controller 9 . 6 and 7 for a piezo ring motor 1 with which a method according to the invention for online position initialization can be carried out. The facilities 9 . 6 and 7 are part of the engine control. Facility 9 denotes a user interface, which may be, for example, a digital data bus, a serial interface, and the like. Facility 6 includes a controller for generating the control signals of the actuators, in particular sine and / or cosine functions of the piezo ring motor 1 , In normal operation, ie there is no overload on the piezo ring motor 1 on, this slip-free follows the control signals. By counting the periods, with a known initial rotation angle, the just current rotation angle of the motor shaft can be determined with sufficient accuracy. Facility 7 is a multi-channel piezo driver 7 , which controls the output signals 6 to the piezoelectric actuators of the piezo ring motor 1 adapts. Facility 2 is a converter that evaluates the feedback signals of the actuators and generates a torque-proportional voltage U (φ). Facility 3 is a switching device 3 , which are only used to record the calibration function, ie before the operation of the actuator 1 recorded calibration loss torque function M (φ), is switched to a position a. In operation, the switching device 3 switched to position b. The device 5 is a storage device 5 in which the calibration loss torque function (calibration function) is stored. Is the switching device 3 Switched to position b, the measured operating loss torque function U (φ) to a cross-correlator 4 pass the measured operating loss torque function with that in the memory device 5 stored calibration function u c (φ) compares. The cross-correlation function r (Δφ) represents the value for the similarity of two input functions. This is done by measuring the measured operating loss torque ment function along the X-axis, or the φ-axis, relative to the calibration function. For each position, a correlation coefficient is calculated. If the magnitude of the correlation coefficient r = 1, then both input functions are identical. That is, the output function on the device 4 for mathematically comparing the calibration function u c (φ) with the operating loss torque function u (φ), is a function whose global maximum is found at a displacement angle Δφ at which the calibration function and the measured operating loss torque function are most similar. An institution 8th searches the shift angle Δφ associated with the global maximum of the cross-correlation function r (Δφ) and sends it to the controller 6 out. The control 6 adds the displacement angle Δφ to the instantaneous value of the angle of rotation φ G which the controller controls 6 has saved and thereby compensates for the error in the stored angle of rotation value. In normal operation, the shift should be Δφ = 0, ie ei ne correction by means of an online initialization leads to no change of the moment in the controller 6 stored value for the motor rotation angle. In the case of an overload, ie a too high torque, there may be a change in the motor rotation angle, which in the control 6 currently stored motor rotation angle φ G deviates from the real motor rotation angle value. In this case, a shift Δφ ≠ 0 by the cross-correlator 4 detected. By adding Δφ to the currently stored motor rotation angle φ G , it is corrected and the system is initialized online.

Die Kreuzkorrelation kann nach folgender Gleichung berechnet werden:

Figure 00090001
The cross-correlation can be calculated according to the following equation:
Figure 00090001

Von Nachteil ist die Kompensation von Verschiebungen der Eingangsfunktion uc(φ) und u(φ) zueinander durch das Subtrahieren der Mittelwerte beider Funktionen nach Gleichung 1. Dies ist lediglich notwendig, falls sich auf Grund der Änderung der Randbedingungen die Mittelwerte der Funktionen über große Zeiträume verändern, wie dies beispielsweise bei Alterung der Fall ist. Sind die Randbedingungen stabil, führt eine folgende Gleichung 2 zu besseren Ergebnissen, da zusätzlich die Mittelwerte in die Ähnlichkeitsanalyse mit einbezogen werden:

Figure 00090002
The disadvantage is the compensation of displacements of the input function u c (φ) and u (φ) to each other by subtracting the average values of both functions according to equation 1. This is only necessary if due to the change of the boundary conditions, the mean values of the functions over large Change periods, as is the case with aging, for example. If the boundary conditions are stable, a following Equation 2 leads to better results, since in addition the mean values are included in the similarity analysis:
Figure 00090002

In einem Experiment wurden mit Hilfe geeigneter Software die wichtigsten Schritte eine Online-Initialisierung an einen Piezoringmotor 1 nachvollzogen. Dazu wurde als erstes eine Kalibrier-Verlustdrehmoment-Funktion bzw. Kalibrierfunktion aufgenommen, die in 2 dargestellt ist. Deutlich ist ein charakteristischer Verlauf zu erkennen, der einem Fingerabdruck des Piezoringmotors 1 vergleichbar ist. Nach einigen Umdrehungen des Piezoringmotors 1 wurde über einen Winkelbereich von α=206° die Betriebs-Verlustdrehmoment-Funktion M(φ) gemessen, die gemäß 2 gepunktet dargestellt ist. Der zugehörige Drehwinkel wurde zum Start mit φG=0° festgelegt und sollte durch eine Initialisierung korrigiert werden. Ziel war es, die durch Kreuzkorrelation der Kalibrierfunktion und der Betriebs-Verlustdrehmoment-Kurve die Funktion der Korrelation zum Verschiebungswinkel Δφ zu berechnen.In an experiment, the most important steps using an appropriate software were an online initialization to a piezo ring motor 1 traced. For this purpose, a calibration loss torque function or calibration function was first recorded in 2 is shown. Significantly, a characteristic course can be seen, the fingerprint of the piezo ring motor 1 is comparable. After a few turns of the piezo ring motor 1 The operating loss torque function M (φ) has been measured over an angular range of α = 206 ° 2 dotted is shown. The associated rotation angle was set to start with φ G = 0 ° and should be corrected by an initialization. The aim was to calculate the function of the correlation to the displacement angle Δφ by cross-correlation of the calibration function and the operating loss torque curve.

Ein Ergebnis der Berechnung der Korrelationsfunktion ist gemäß 3 dargestellt. Die Position des Maximums der Funktion bezüglich der X-Achse ergibt die Verschiebung der gemessenen Betriebs-Verlustdrehmoment-Funktion zur Kalibrierfunktion. Bei dem Experiment wurde eine Verschiebung von Δφ=241,4° ermittelt. Zur Korrektur, d. h. zur Initialisierung, ist dem ursprünglich 0° definierenden Winkel φG der Verschiebungswinkel Δφ hinzuzuaddieren. Zur Kontrolle wurde parallel zum beschriebenen Versuchsablauf eine herkömmliche Messung mit einem an die Motorwelle gekoppelten Drehwinkelgeber durchgeführt. Die Messung ergab eine Verschiebung von Δφ=239,9°. Der Vergleich zwischen den Messergebnissen der Messung basierend auf der Kreuzkorrelation und eines externen Drehwinkelsensors zeigt eine gute Übereinstimmung mit einer Abweichung von lediglich 1,5°.A result of the calculation of the correlation function is according to 3 shown. The position of the maximum of the function with respect to the X-axis gives the shift of the measured operating loss torque function to the calibration function. In the experiment, a shift of Δφ = 241.4 ° was determined. For the correction, ie for the initialization, the shift angle Δφ must be added to the angle φ G originally defining 0 °. As a check, a conventional measurement with a rotary encoder coupled to the motor shaft was carried out in parallel to the described test procedure. The measurement showed a shift of Δφ = 239.9 °. The comparison between the measurement results of the measurement based on the cross correlation and an external rotation angle sensor shows a good agreement with ei ner deviation of only 1.5 °.

Bei einer Verwendung der Gleichung 2 zum Ähnlichkeitsvergleich wird bei einem gleichen Datensatz, eine Abweichung zwischen Drehwinkelmesswert auf Grundlage des Ähnlichkeitsvergleiches und des Messwertes eines externen Drehwinkelgebers von nur 0,5° berechnet.at use of Equation 2 for similarity comparison becomes a same data set, a deviation between the rotational angle measured value based on the similarity comparison and the measured value of an external rotary encoder of only 0.5 °.

Claims (11)

Vorrichtung zur im Betrieb erfolgenden Positionsinitialisierung eines Stellantriebs (1), insbesondere eines piezoelektrischen Stellantriebs (1), gekennzeichnet durch – eine Einrichtung (2) zur Erfassung der von einer Winkelposition φ des Stellantriebs (1) abhängigen Verlustdrehmoment-Funktion M(φ), und zwar vor dem Betrieb des Stellantriebs (1) als Kalibrier-Verlustdrehmoment-Funktion M(φ) und im Betrieb als Betriebs-Verlustdrehmoment-Funktion M(φ), – eine Einrichtung (4) zum mathematischen Vergleich der Kalibrier-Verlustdrehmoment-Funktion M(φ) mit der Betriebs-Verlustdrehmoment-Funktion M(φ), insbesondere mittels Korrelation, – eine Einrichtung (8) zur Bestimmung der Position des Maximums der Korrelation r(Δφ) über einem Verschiebungswinkel Δφ, – eine Motorsteuereinrichtung (6, 7, 9) zur Korrektur der als anfängliche Ausgangsposition gespeicherten Winkelposition φG mit dem Verschiebungswinkel Δφ.Device for operating position initialization of an actuator ( 1 ), in particular a piezoelectric actuator ( 1 ), characterized by - a device ( 2 ) for detecting the angular position φ of the actuator ( 1 ) dependent loss torque function M (φ), before the operation of the actuator ( 1 ) as a calibration loss torque function M (φ) and in operation as an operating loss torque function M (φ), - a device ( 4 ) for mathematically comparing the calibration loss torque function M (φ) with the operating loss torque function M (φ), in particular by means of correlation, 8th ) for determining the position of the maximum of the correlation r (Δφ) over a displacement angle Δφ, - a motor control device ( 6 . 7 . 9 ) for correcting the angular position φ G stored as an initial starting position with the displacement angle Δφ. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (2) zur Erfassung der Verlustdrehmoment-Funktionen M(φ), diese in drehmomentproportionale Spannungsfunktionen U(φ) umwandelt.Device according to claim 1, characterized in that the device ( 2 ) for detecting the loss torque functions M (φ), converts them into torque-proportional voltage functions U (φ). Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (4) zum mathematischen Vergleich ein Kreuzkorrelator ist oder eine alternative Vergleichsfunktion verwendet.Device according to claim 1 or 2, characterized in that the device ( 4 ) is a cross-correlator for mathematical comparison or uses an alternative comparison function. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb (1) ein Piezoringmotor (1) ist, und – mindestens zwei elektromechanische Antriebselemente, – mindestens einen Antriebsring (10), der durch einen Hub der elektromechanischen Antriebselemente zu einer umlaufenden Verschiebebewegung anregbar ist, – eine Welle (11), die an den Antriebsring aufsetzbar ist, so dass durch die Verschiebebewegung des Antriebsrings die Welle rotierbar ist, aufweist, und der mindestens eine Antriebsring (10) mit den Antriebselementen mechanisch steif verbunden ist.Device according to one or more of the preceding claims 1 to 3, characterized in that the actuator ( 1 ) a piezo ring motor ( 1 ), and - at least two electromechanical drive elements, - at least one drive ring ( 10 ), which is excitable by a stroke of the electromechanical drive elements to a circumferential displacement movement, - a shaft ( 11 ), which can be placed on the drive ring, so that the shaft is rotatable by the displacement movement of the drive ring has, and the at least one drive ring ( 10 ) is mechanically rigidly connected to the drive elements. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer formschlüssigen Variante des Motors, bei der Antriebsring (10) und Welle (11) mit geeigneten Verzahnungen beaufschlagt sind, mindestens ein Zahnkopf auf dem Antriebsring (10) und mindestens ein dazugehöriges Zahntal auf der Welle (11) und/oder mindestens ein Zahntal auf dem Antriebsring (10) und mindestens ein dazugehöriger Zahnkopf auf der Welle (11) eine von einer Idealform abweichende Formgebung zur Erzeugung mindestens eines charakteristischen Pulses in den Verlustdrehmoment-Funktionen aufweisen.Apparatus according to claim 4, characterized in that in a positive-locking variant of the engine, in the drive ring ( 10 ) and wave ( 11 ) are acted upon with suitable toothing, at least one tooth tip on the drive ring ( 10 ) and at least one associated tooth valley on the shaft ( 11 ) and / or at least one tooth valley on the drive ring ( 10 ) and at least one associated tooth tip on the shaft ( 11 ) have a shape deviating from an ideal shape for generating at least one characteristic pulse in the loss torque functions. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Speichereinrichtung (5) zur Speicherung der Kalibrier-Verlustdrehmoment-Funktion Mc(φ).Device according to one or more of the preceding claims 1 to 5, characterized by a memory device ( 5 ) for storing the calibration loss torque function M c (φ). Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Umschalteinrichtung (3), die in einer ersten Betriebsart Betriebs-Verlustdrehmoment-Funktionen M(φ) der Einrichtung (4) zum mathematischen Vergleich und in einer zweiten Betriebsart eine Kalibrier-Verlustdrehmoment-Funktion M(φ) der Speichereinrichtung (5) zuführt.Device according to one or more of the preceding claims 1 to 6, characterized by a switching device ( 3 ), which in a first mode operating loss torque functions M (φ) of the device ( 4 ) for mathematical comparison and in a second mode, a calibration loss torque function M (φ) of the memory device ( 5 ) feeds. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Mehrkanalpiezotreiber (7) zur Anpassung der Ausgangssignale der Motorsteuereinrichtung (6) an piezoelektrische Aktoren des Stellantriebs (1).Device according to one or more of the preceding claims 1 to 7, characterized by a multi-channel piezo driver ( 7 ) for adapting the output signals of the engine control device ( 6 ) to piezoelectric actuators of the actuator ( 1 ). Verfahren zum im Betrieb erfolgenden Positionsinitialisieren eines Stellantriebs (1), insbesondere eines piezoelektrischen Stellantriebs (1) oder Piezoringmotors (1), gekennzeichnet durch – Erfassen der von einer Winkelposition φ des Stellantriebs (1) abhängigen Verlustdrehmoment-Funktion M(φ), und zwar vor dem Betrieb des Stellantriebs (1) als Kalibrier-Verlustdrehmoment-Funktion M(φ) und im Betrieb als Betriebs-Verlustdrehmoment-Funktion M(φ), – mathematisches Vergleichen der Kalibrier-Verlustdrehmoment-Funktion M(φ) mit der Betriebs-Verlustdrehmoment-Funktion M(φ), insbesondere mittels Korrelation, – Bestimmen der Position des Maximums der Korrelation r(Δφ) über einem Verschiebungswinkel Δφ, – Korrigieren der als anfängliche Ausgangsposition in einer Motorsteuereinrichtung gespeicherten Winkelposition φG, mit dem Verschiebungswinkel Δφ.Method for initializing the position of an actuator in operation ( 1 ), in particular a piezoelectric actuator ( 1 ) or piezo ring motor ( 1 ), characterized by - detecting the of an angular position φ of the actuator ( 1 ) dependent loss torque function M (φ), before the operation of the actuator ( 1 ) as a calibration loss torque function M (φ) and in operation as an operation loss torque function M (φ), Mathematically comparing the calibration loss torque function M (φ) with the operating loss torque function M (φ), in particular by correlation, - determining the position of the maximum of the correlation r (Δφ) over a displacement angle Δφ, - Correcting the initial home position stored in a motor controller angular position φ G , with the displacement angle Δφ. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelation eine Kreuzkorrelation oder eine alternative Vergleichsfunktion ist.Method according to claim 9, characterized in that that the correlation is a cross-correlation or an alternative Comparative function is. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer von einer Idealform abweichende Formgebung von Antriebsring (10) und/oder Welle (11) des Stellantriebs (1) mindestens ein charakteristischer Puls in den Verlustdrehmoment-Funktionen erzeugt wird.A method according to claim 9 or 10, characterized in that by means of a deviating from an ideal shape shaping of drive ring ( 10 ) and / or wave ( 11 ) of the actuator ( 1 ) at least one characteristic pulse is generated in the loss torque functions.
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