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Die Erfindung betrifft einen Antrieb und ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebs.
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Bei Antrieben ist bekannt, an einem axialen Endbereich der Motorwelle, insbesondere Rotorwelle, einen Drehwinkelsensor anzuordnen und die von diesem erfassten Winkelstellungswerte der Welle einer elektronischen Schaltung, insbesondere einem Umrichter, zuzuführen, die den Motor steuert.
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Aus der
WO 02 / 32 741 A1 ist als nächstliegender Stand der Technik ein spielfreies Lenkgetriebe bekannt.
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Aus der
DE 10 2006 061 245 A1 ist eine Vorrichtung zur elektroerosiven Herstellung von Bohrungen bekannt.
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Aus der
DE 196 46 676 C1 ist ein Piezoaktor mit neuartiger Kontaktierung bekannt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb und ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebs weiterzubilden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Antrieb nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren nach den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Antrieb sind, dass er zumindest einen Motor und ein von diesem angetriebenen Getriebe aufweist,
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wobei eine Welle des Motors über Lager in einem Gehäuseteil des Motors gelagert ist, wobei zwischen einem Lager und dem Gehäuseteil zumindest ein Aktor vorgesehen ist.
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Von Vorteil ist dabei, dass die Lage der Welle beeinflussbar ist mittels der Aktoren. Dadurch ist ein Gegensteuern oder Ausregeln von ungewünschten Abweichungen ermöglicht innerhalb des Stellbereichs der Aktoren.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen mindestens zwei Lagern und dem oder einem jeweiligen Gehäuseteil zumindest ein Aktor vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass die Welle an zwei Stellen verschiebbar angeordnet ist und somit die Richtung der Wellenachse im Raum veränderlich ist innerhalb des Stellbereichs der Aktoren.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Aktor ein Linearaktor ist, insbesondere mittels dessen die relative Lage der Welle zum Gehäuseteil veränderbar. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Ansteuerung und kostengünstige Ausführung des Aktors ermöglicht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Aktor ein Piezo-Aktor, insbesondere wobei mittels einer am Piezo-Aktor anliegenden Spannung die Länge des Piezo-Aktors steuerbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache und robuste Ausführung des Aktors ermöglicht ist. Außerdem ist das Bereitstellen einer Steuerspannung einfach ausführbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Aktor als Stapel von Piezoelementen ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass mit geringen Spannungen hohe Verstellbereiche realisierbar sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Motor ein Elektromotor. Von Vorteil ist dabei, dass ein einfaches Ansteuern ausführbar ist. Außerdem ist für die elektronische Drehzahlregelung eines Elektromotors beispielsweise eine elektronische Schaltung mit Umrichterfunktionalität verfügbar, die daher in einfacher Weise erweiterbar ist, um die gewünschten Steuerspannungen für die Aktoren bereit zu stellen.
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Erfindungsgemäß wird der Aktor angesteuert oder die Aktoren werden synchronisiert angesteuert von einer elektronischen Schaltung, der Signale eines mit der Welle verbundenen Winkelsensors zugeführt werden, insbesondere wobei Signale eines mit der Abtriebswelle des Getriebes verbundenen Winkelsensors der elektronischen Schaltung ebenfalls zugeführt werden. Von Vorteil ist dabei, dass einerseits ein Ansteuern der Aktoren ermöglicht ist in Abhängigkeit von den an der Motorwelle erfassten Winkelwerten. Auf diese Weise ist auch ein Vermindern der Drehwinkelabweichung gemäß einer bei Inbetriebnahme gespeicherten Kennlinie ermöglicht. Andererseits ist auch ein Online-Regeln ermöglicht, indem auch die an der Getriebeabtriebswelle erfassten Winkelwerte der elektronischen Schaltung zugeführt werden. Auf diese Weise sind sogar nicht durch Fehlstellung bewirkte, sondern lastseitig eingebrachte Drehwinkelabweichungen ausregelbar oder zumindest verminderbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die elektronische Schaltung eine Regeleinheit auf, welcher Werte für die Drehwinkelabweichung der Getriebeabtriebswelle relativ zur Welle des Motors zugeführt werden und welche daraus Ansteuersignale für die Aktoren derart bestimmt, dass die Drehwinkelabweichung sich verringert. Von Vorteil ist dabei, dass ein einfacher und kostengünstiger Regler, beispielsweise ein linearer Regler, einsetzbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die elektronische Schaltung eine Steuereinheit auf, welcher die erfassten Werte eines mit der Welle verbundenen Winkelsensors zur Erfassung der Winkelstellung der Welle zugeführt werden und die daraus Ansteuersignale für die Aktoren bestimmt, insbesondere indem die Steuereinheit zur Bestimmung ein in ihrem Speicher gespeicherte Daten verwendet, insbesondere ein Kennlinienfeld. Von Vorteil ist dabei, dass bei Inbetriebnahme eine Vermessung der Übertragungsfunktion des Antriebs ausführbar ist, so dass eine entsprechende Kennlinie abspeicherbar ist beziehungsweise eine Schar von Kennlinien, deren jede einem jeweiligen Betriebspunkt des Motors entspricht.
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Wichtige Merkmale bei dem Verfahren zum Betreiben eines Antriebs, umfassend zumindest einen Motor und eine Welle, sind, dass
- - die Winkelstellung einer Welle des Antriebs erfasst wird, insbesondere in Zeitabständen, insbesondere in regelmäßiger zeitlicher Abfolge,
- - von einer elektronischen Schaltung aus den erfassten Winkelwerten Ansteuersignale für Aktoren erzeugt werden,
- - die relative Lage der Welle zu einem Gehäuseteil mittels der Aktoren gesteuert wird, insbesondere während des Betriebs.
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Von Vorteil ist dabei, dass ein Vermindern der Drehwinkelabweichungen in einfacher Weise mittels einer entsprechenden Ansteuerung ermöglicht ist. Dabei müssen nur an der Welle die Drehwinkelwerte erfasst werden und dann mittels der elektronischen Schaltung die Ansteuersignale zum Gegensteuern bestimmt werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird bei Inbetriebnahme oder Herstellung des Antriebs ein Einmessvorgang ausgeführt, währenddessen in Abhängigkeit von jeweiligen Winkelwerten der Welle die zugehörigen Drehwinkelwerte einer Getriebeabtriebswelle bestimmt werden, insbesondere so dass daraus eine entsprechende Kennlinie bestimmbar ist,
- - wobei die bestimmten Werte oder daraus bestimmte Drehwinkelabweichungswerte, insbesondere in einem Speicher der elektronischen Schaltung, abgespeichert werden.
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Von Vorteil ist dabei, dass ein Winkelsensor an der Antriebswelle einsparbar ist. Somit ist der Antrieb in der üblichen Ausführung, also umfassend Motor, Getriebe und Winkelsensor an der Motorwelle, verwendbar. Ein weiterer Winkelsensor ist nur beim Vermessen, also bei Inbetriebnahme oder Herstellung des Antriebs, notwendig.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden während des Betriebs des Antriebs aus den gespeicherten Werten in Abhängigkeit von den jeweils erfassten Winkelwerten der Welle die Ansteuersignale der Aktoren bestimmt. Von Vorteil ist dabei, dass entsprechend der Winkelstellung der Motorwelle die Drehwinkelabweichungen ausregelbar sind.
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Erfindungsgemäß wird die Winkelstellung einer Getriebewelle, insbesondere einer Getriebeabtriebswelle, erfasst, insbesondere in Zeitabständen, insbesondere in regelmäßiger zeitlicher Abfolge, und von der elektronischen Schaltung aus den erfassten Winkelwerten der Getriebewelle und aus den erfassten Werten der Welle werden die Ansteuersignale für Aktoren erzeugt, so dass Drehwinkelabweichungen vermindert werden oder Drehwinkelabweichungsverläufe verbessert werden. Von Vorteil ist dabei, dass ein Ausregeln der Fehler oder unerwünschten Abweichungen im Betrieb ermöglicht ist, also auch temperaturbedingte, alterungsbedingte oder belastungsbedingte Abweichungen ausregelbar sind.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
- In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Antrieb schematisch skizziert.
- In der 2 ist eine von Aktoren verschiebbare Lagerung gezeigt.
- In der 3 ist das Prinzip eines Planetengetriebes gezeigt, wobei ein Pfeil die Positionsverschiebung des Sonnenrades bei vorhandenem Winkelstellungsfehler des Sonnenrades zeigt.
- In der 4 ist im Unterschied zur 3 eine andere Winkelstellung gezeigt.
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In der 1 ist ein elektrischer Antrieb gezeigt, der einen Elektromotor und ein Getriebe umfasst. Dabei ist der Stator 4 am Gehäuse des Elektromotors festgelegt. Die Welle 5, insbesondere Rotorwelle, des Elektromotors ist über zwei Lager (1, 2) im Gehäuse des Elektromotors gelagert, wobei allerdings zwischen den jeweiligen Außenringen der Lager (1, 2) und dem Gehäuse linear arbeitende Aktoren 3 angeordnet sind. Somit sind die Längen der Aktoren und damit auch die Beabstandung zwischen Aktor und Gehäuse veränderlich.
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Beispielhaft werden als Aktoren Piezo-Aktoren verwendet. Diese weisen eine geringe Trägheit auf und eine hohe Grenzfrequenz. Somit ist ein sehr schnelles Beeinflussen der zum Gehäuse des Motors relativen Lage der Welle ermöglicht. Am Umfang der Welle 5 sind dabei zwei oder mehr Aktoren 3 vorsehbar. Die Aktoren sind in Umfangsrichtung vorzugsweise voneinander gleichmäßig beabstandet.
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In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist sogar eine sehr hohe Anzahl oder sogar ein Quasi-Kontinuum von Aktoren in Umfangsrichtung vorsehbar.
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In 1 treibt die Welle 5 ein Ritzel 7 an, wobei dieses Ritzel 7 zumindest in Umfangsrichtung formschlüssig verbunden ist mit der Welle 5.
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Das Ritzel 7 treibt zumindest ein weiteres Verzahnungsteil des Getriebes an, mit dem es im Eingriff steht.
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An dem vom Getriebe abgewandten axialen Endbereich der Welle 6 des Motors ist ein Winkelsensor 6 zur Erfassung der Winkelposition der Welle 5 vorgesehen.
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Ebenso ist an der Abtriebswelle 9 ein Winkelsensor 10 zur Erfassung der Winkelposition der Abtriebswelle 9 des Getriebes vorsehbar. Die Signale des Winkelsensors 10 werden einer Auswerteeinheit 11 zugeführt, deren Informationen und/oder Signale einer Ansteuereinheit 12 zugeführt werden. Die beiden Einheiten (11, 12) sind auch als eine gemeinsame elektronische Schaltung ausführbar und umfassen eine Regeleinheit.
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Der elektronischen Schaltung oder der Auswerteeinheit 11 werden auch die Signale und/oder Informationen des Winkelsensors 6 zugeführt. Auf diese Weise ist es ermöglicht, die Drehwinkelabweichung der Getriebeabtriebswelle 9 zu ihrem Sollwinkel zu bestimmen beziehungsweise auch den Drehwinkelabweichungsverlauf und den Sollwinkelverlauf. Dabei ergibt sich der Sollwinkelverlauf aus dem erfassten Winkelwerteverlauf der Welle 5 des Motors und der Übersetzung des Getriebes. Bei beispielsweise gleichförmiger Drehgeschwindigkeit der Welle 5 des Motors würden Drehgeschwindigkeitsschwankungen der Getriebeabtriebswelle auftreten, die nicht nur durch Verzahnungsfehler der Verzahnungsteile des Getriebes, sondern auch durch die Winkelfehlstellung beispielsweise der Welle 5 des Motors erzeugt sind.
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Der Regler bestimmt nun derartige Ansteuersignale für die Aktoren, dass die von den Aktoren an den zwei Lagern (1, 2) bewirkten Verschiebungen der Welle 5 zumindest einen Anteil der Drehwinkelabweichung vermindern oder zum Verschwinden bringen.
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Hierbei werden die Ansteuersignale vorzugsweise als Stellgröße eines linearen Reglers bestimmt, der beispielsweise als P-Regler, Pl-Regler oder sogar als PID-Regler ausgeführt ist. Eingangsseitig wird dem Regler die Drehwinkelabweichung zugeführt.
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Auf diese Weise ist dem Regler somit das Ausregeln der von der Winkelfehlstellung der Welle 5 erzeugten Drehwinkelabweichungen ermöglicht.
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In der beschriebenen Weise ist somit ein Online-Betrieb ermöglicht, so dass während des Betriebs des elektrischen Antriebs eine Verbesserung der Laufruhe herstellbar ist.
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Der Regler ist sogar in der Lage, von der Last verursachte Drehwinkelabweichungen oder Drehzahlschwankungen zu vermindern, wobei allerdings der elektrische Antrieb genügend stabil auszuführen ist.
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Statt Online mit dem Winkelsensor 10 die Abweichung zu erfassen und durch geeignetes Ansteuern der Aktoren die Abweichung zu vermindern ist auch eine Vermessung bei Inbetriebnahme ausführbar. Dabei werden wiederum in Abhängigkeit von den erfassten Winkelwerten des Winkelsensors 6 die vom Winkelsensor 10 erfassten Winkelwerte erfasst und die Abweichung ausgewertet. Dies wird vorzugsweise auch bei verschiedenen Drehzahlen der Welle des Motors ausgeführt, um ein entsprechendes Kennlinienfeld zu erzeugen. Die erfassten Daten, insbesondere das Kennlinienfeld, werden in einem Speicher einer der Einheiten oder der elektronischen Schaltung abgelegt und bei Betrieb werden daraus und in Abhängigkeit von den erfassten Werten des Winkelsensors 6 die Ansteuersignale erzeugt. Somit ist ein gesteuerter Betrieb ermöglicht, der allerdings nicht im Betrieb auftretende Veränderungen berücksichtigbar macht.
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In der 2 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem ein als Gehäuseteil ausgeführtes Lagerschild 20 ein Lager 2 für die Welle 5 aufnimmt und mittels zwischen dem Stator 4 des Motors und dem Lagerschild 20 zwischengeordneten Aktoren 3 verschiebbar ist. Da am Umfang drei Aktoren 3 vorgesehen werden ist bei geeigneter Ansteuerung eine schnelle Verschiebung der Welle 5 in jeder radialen Richtung, also in einer Richtung innerhalb der Zeichnungsebene der 2, ermöglicht. Die drei Aktoren sind in Umfangsrichtung wiederum voneinander gleichmäßig beabstandet. Auf diese Weise ist mittels einfacher mathematischer Beziehungen ein synchrones Ansteuern der Aktoren ausführbar. Dabei werden die von den einzelnen Aktoren jeweils bewirkten Verschiebevektoren derart geeignete bestimmt, dass der gewünschte resultierende Vektor an der Welle 5 wirksam wird.
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In 3 ist das Prinzip eines Umlaufgetriebes, insbesondere Planetengetriebes, gezeigt. Ein beispielsweise von der Welle 5 des Motors angetriebenes, das Ritzel 7 aus 1 ersetzendes Sonnenrad 31 treibt dabei die Umlaufräder 32, welche auch als Planetenräder bezeichenbar sind, an, wobei diese jeweils nicht nur mit dem Sonnenrad 31 im Eingriff stehen, sondern auch mit der Innenverzahnung eines Hohlrades 33.
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In 3 ist hierbei mit einem Pfeil die von einem Winkelstellungsfehler bewirkte Richtung einer Positionsverschiebung relativ zur Idealposition gezeigt. Dabei ist die Pfeillänge übertrieben lang gezeichnet. Die Positionsverschiebung führt dabei zu einer Druckkraft in Pfeilrichtung, da die Umlaufräder der Verschiebung begrenzend entgegenwirken. Die hierbei belasteten Eingriffsbereiche sind gekennzeichnet mit einer jeweiligen Ellipse in 3.
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In 4 ist bei einer anderen Winkelstellung der Welle 5 des Motors wiederum eine entsprechende Richtung gezeigt. Die entsprechende Druckkraft ist wiederum in Pfeilrichtung gezeigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lager
- 2
- Lager
- 3
- Aktor
- 4
- Stator
- 5
- Welle, insbesondere Rotorwelle
- 6
- Winkelsensor zur Erfassung der Winkelposition der Welle 5
- 7
- Ritzel, formschlüssig verbunden auf der Welle 5
- 8
- Verzahnungsteil
- 9
- Getriebeabtriebswelle
- 10
- Winkelsensor
- 11
- Auswerteeinheit
- 12
- Ansteuereinheit
- 20
- Lagerschild
- 31
- Sonnenrad
- 32
- Umlaufrad
- 33
- Hohlrad mit Innenverzahnung
