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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Stellgeber mit einem elektronisch kommutierten Antrieb, die in Umgebungen eingesetzt werden, in denen eine Blockierung während einer Inbetriebnahme auftreten kann. Insbesondere betrifft die Erfindung Maßnahmen zum Lösen der Blockierung und zum Bestimmen einer Läuferlage eines Läufers des elektronisch kommutierten Antriebs, um ein maximales Drehmoment zur Verfügung zu stellen.
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Stand der Technik
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Antriebe für Stellgeber können beispielsweise elektronisch kommutierte Motoren aufweisen. Ein elektronisch kommutierter Motor, wie beispielsweise ein Synchronmotor, weist einen Läufer mit Permanentmagneten auf, der sich relativ zu einem Stator bewegt. Der Stator ist mit mehreren Statorspulen versehen, wobei durch die läuferlagerichtige Bestromung der Statorspulen ein Motormagnetfeld erzeugt wird, das mit einem durch die Permanentmagneten erzeugten Erregermagnetfeld so zusammenwirkt, dass eine gewünschte Antriebskraft auf den Läufer wirkt. Um einen maximalen Wirkungsgrad zu erreichen, ist es wünschenswert, dass das Motormagnetfeld eine Voreilung von 90° eines elektrischen Lagewinkels zu dem Erregermagnetfeld aufweist. Aus diesem Grund ist zur läuferlageabhängigen Bestromung der Statorspulen eine Information bezüglich der Lage des Läufers notwendig. Diese Läuferlage kann entweder über Sensoren erfasst oder durch so genannte sensorlose Verfahren zur Lagedetektion ermittelt werden.
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Anhand der Läuferlage des Läufers und der gewünschten Bewegungsrichtung kann durch eine geeignete Steuereinheit ein entsprechendes Kommutierungsmuster vorgegeben werden, das bestimmt, wie die Statorspulen angesteuert werden sollen, um die erforderliche Antriebskraft bzw. das erforderliche Drehmoment bereitzustellen.
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Bei einfachen Synchronmotoren erfolgt die Erfassung der Läuferlage über einen internen Lagesensor, es besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Lagesensor extern an dem Stellglied anzuordnen bzw. einen dort angeordneten Lagesensor zusätzlich für die Ermittlung der Läuferlage zu verwenden. Dadurch kann der Aufwand sowohl für den Synchronmotor als auch für die Verkabelung zwischen dem Synchronmotor und einem Steuergerät reduziert werden.
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Die Ansteuerung des Synchronmotors kann mit verschiedenen Kommutierungsarten erfolgen, wobei zum Erreichen eines maximalen Antriebsmoments das von den Statorspulen erzeugte Motormagnetfeld möglichst um 90° in Bewegungsrichtung voreilend zu dem von den Permanentmagneten des Läufers erzeugten Erregermagnetfeld eingestellt wird. Eine Abweichung von dieser Voreilung um 90° führt zu einer Abnahme der Antriebskraft bzw. des Antriebsmoments. Um die Ansteuerung stets mit dem maximal möglichen Drehmoment zu erreichen, ist eine genaue Läuferlageinformation notwendig. Abweichungen zwischen realer und gemessener Läuferlage, die beispielsweise durch Sensortoleranzen und Auflösungsungenauigkeiten hervorgerufen werden können, führen teilweise zu erheblichen Reduzierungen des Wirkungsgrads.
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Insbesondere bei einer Ausführung des Stellgebers mit einem externen Lagesensor, der die Lageinformation an einem Stellglied aufnimmt, das über ein untersetzendes Getriebe angekoppelt ist, kann die Abweichung zwischen realer und gemessener Läuferlage noch verstärkt werden. Ein Beispiel, bei dem ein externer Lagesensor vorgesehen sein kann, ist beispielsweise der Drosselklappensteller, bei dem eine Lagerückmeldung der Stellung der Drosselklappe ohnehin vorgesehen ist, um eine genaue Stellungangabe der Drosselklappe zu erhalten. Eine Verwendung der Stellungsangabe des an der Drosselklappe angeordneten Lagesensors ebenfalls für die Kommutierung des die Drosselklappe ansteuernden Synchronmotors kann zu den oben genannten Abweichungen führen und dadurch zu einer beträchtlichen Reduzierung des von dem Synchronmotor bereitgestellten Stellmoments.
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Bei sehr tiefen Temperaturen, denen das Motorsystem ausgesetzt sein kann, kann es zu einer Vereisung kommen. Diese blockiert die Bewegung des Stellglieds bei einer Wiederaufnahme des Betriebs des Motorsystems. Um diesen Blockierzustand zu lösen, insbesondere um eine Neukalibrierung der Läuferlage durch Anfahren einer Referenzposition oder durch Anfahren einer Endposition durchzuführen, ist unmittelbar zu Startbeginn ein maximales Stellmoment des Synchronmotors erforderlich. Um dieses maximale Stellmoment bereitzustellen ist es notwendig, dass die Abweichung zwischen realer und gemessener Läuferlage möglichst gering ist, so dass das Stellmoment möglichst maximal sein kann. Aufgrund der Temperatur könnte jedoch eine entsprechend ausgeprägte Temperaturdrift des Lagesensors zu einem signifikanten Fehlwinkel führen und damit eine nicht zulässige Drehmomentschwächung des Synchronmotors verursachen. Unter Umständen kann die Drehmomentschwächung dazu führen, dass das vereiste Stellglied nicht aus seiner Blockierung gelöst werden kann und somit das Motorsystem nicht betriebsfähig ist.
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Weiterhin ist der Lagesensor am Stellglied nur als relativer Lagesensor ausgebildet, so dass bei Inbetriebnahme des Stellsystems die tatsächliche Lage des Läufers nicht festgelegt ist. Während zum Kalibrieren normalerweise das Stellglied an einen vordefinierte Endanschlag verfahren wird, um das Stellglied dann in optimaler Weise ansteuern zu können, ist dies bei einer Blockierung des Stellglieds nicht möglich, so dass ein initiales Ansteuern des Läufers mit einer maximalen Antriebskraft nicht möglich ist.
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Die Druckschrift
DE 41 35 913 A1 offenbart ein Verfahren zur Steuerung einer Verstelleinrichtung, wobei bei der Vorstartphase und/oder nach Abstellen der Antriebseinheit oder des Fahrzeugs die Verstelleinrichtung ausgehend von einer beliebigen Stellung für jede mögliche Bewegungsrichtung mindestens einmal zumindest über den Großteil ihres maximal möglichen Bewegungsbereichs bewegt wird, so dass sie wenigstens auf einer Seite außerhalb ihres normalen Arbeitsbewegungsbereichs geführt wird. Auf diese Weise kann Verklemmungen vorgebeugt werden.
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Die Druckschrift
DE 37 43 309 A1 offenbart ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erkennung eines verklemmten oder festgefrorenen Stellelements einer Brennkraftmaschine, wobei das Stellelement im Fall einer Verklemmung losgerüttelt wird. Das Losrütteln kann beispielsweise erfolgen, indem der elektrische Antrieb der Verstelleinrichtung reversierend angesteuert wird.
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Die Druckschrift
DE 100 17 546 A1 offenbart ein Verfahren zum Erkennen eines Blockierens der Drosselklappe abhängig von einem Istwert und einem Sollwert der Stellung der Drosselklappe. Nach einem Erkennen eines Blockierens wird der Sollwert für die Stellung der Drosselklappe variiert.
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Die Druckschrift
EP 0 391 930 B1 offenbart ein Verfahren zum Einstellen einer Betriebskenngröße einer Brennkraftmaschine, wobei ein Verklemmen eines Stellglieds zur Einstellung der Luftzufuhr der Brennkraftmaschine anhand einer Abweichung zwischen vorgegebener und momentaner Position erkannt wird und das Stellglied bei erkannter Verklemmung zu einer periodisch rüttelnden Bewegung veranlasst wird, um die Verklemmung zu lösen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Lösen einer Blockierung eines Stellglieds eines Stellgebers bzw. einer Ansteuerung nach einer Inbetriebnahme des Motorsystems mit einem maximalen Stellmoment zur Verfügung zu stellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Ansteuern eines Stellgebers gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung und das Stellgebersystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Stellgebersystems mit einem elektronisch kommutierten Stellantrieb zum Antreiben eines Stellglieds vorgesehen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- – nichtflüchtiges Speichern einer zuletzt erfassten Stellungsangabe des Stellglieds bzw. eines Läufers des Stellantriebs als Referenzlage vor einem Abschalten des Stellgebersystems; und
- – bei einem Einschalten des Stellgebersystems, Abrufen der Referenzlage und Ansteuern des Stellantriebs durch Bestromen des Stellantriebs gemäß einem Raumzeiger, der von der Referenzlage abhängig ist.
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Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, dass, sobald ein Stellglied nach einem Abschalten des Stellgebersystems seine Ruhelage eingenommen hat, beispielsweise in der Nachlaufphase der Motorsteuerung bei einem Stopp eines Verbrennungsmotors, die eingenommene Stellung des Stellglieds detektiert und im Steuergerät als Referenzlage nichtflüchtig abgespeichert wird. Bei einem erneuten Start des Stellgebersystems kann der Lagedetektor mit der Referenzlage kalibriert oder justiert werden, so dass der Stellgeber gemäß einem geeigneten Raumzeiger bestromt werden kann. Dies bedeutet, dass der Stellantrieb so angesteuert werden kann, dass der elektronisch kommutierte Stellantrieb ein Motormagnetfeld erzeugt, das im Wesentlichen senkrecht zur Lage des Erregermagnetfelds ist, das unmittelbar von der Läuferlage abhängt.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass nach dem Einschalten des Stellgebersystems festgestellt wird, ob das Stellglied blockiert ist, wobei, wenn festgestellt wird, dass das Stellglied blockiert ist, der Stellantrieb gemäß einem Raumzeiger bestromt wird, der um einen der Referenzlage entsprechenden Raumzeiger variiert. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass, wenn festgestellt wird, dass das Stellglied blockiert ist, der Stellantrieb mit Raumzeigern angesteuert wird, die um 180° einer elektrischen Läuferlage variieren.
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Weiterhin kann nach dem Einschalten des Stellgebersystems festgestellt werden, ob das Stellglied blockiert ist, wobei, wenn festgestellt wird, dass das Stellglied blockiert ist, der Stellantrieb gemäß einem umlaufenden Raumzeiger bestromt wird.
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Dabei kann weiterhin vorgesehen sein, dass eine Umlauffrequenz des umlaufenden Raumzeigers einer vorgegebenen Umlauffrequenz entspricht, bei der das Stellgebersystem eine Resonanz aufweist, so dass die Stellkraft gegenüber einer maximalen Stellkraft des Stellantriebs erhöht ist.
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Alternativ kann eine Umlauffrequenz des umlaufenden Raumzeigers variiert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Stellgebersystems mit einem elektronisch kommutierten Stellantrieb zum Antreiben eines Stellglieds vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um
- – eine zuletzt erfasste Stellungsangabe eines Stellglieds bzw. eines Läufers des Stellantriebs als Referenzlage vor einem Abschalten des Stellgebersystems nichtflüchtig zu speichern; und
- – bei einem Einschalten des Stellgebersystems die Referenzlage abzurufen und den Stellantrieb durch Bestromen des Stellantriebs gemäß einem Raumzeiger, der von der Referenzlage abhängig ist, anzusteuern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Stellgebersystem vorgesehen. Das Stellgebersystem umfasst:
- – ein Stellglied;
- – einen elektronisch kommutierten Stellantrieb zum Antreiben des Stellglieds;
- – ein Steuergerät, das mit einem nichtflüchtigem Speicher verbunden ist, um eine zuletzt erfassten Stellungsangabe des Stellglieds als Referenzlage vor einem Abschalten des Stellgebersystems zu speichern;
wobei das Steuergerät ausgebildet ist, um bei einem Einschalten des Stellgebersystems, die Referenzlage abzurufen und den Stellantrieb durch Bestromen des Stellantriebs gemäß einem Raumzeiger, der von der Referenzlage abhängig ist, anzusteuern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, das obige Verfahren durchführt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Stellgebersystems mit einem Stellgeber zum Stellen einer Drosselklappe eines Verbrennungsmotors in einem Motorsystem; und
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2a und 2b Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben des Stellgebersystems während einer Startphase.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Stellgebersystems 1 mit einem Stellmotor 2, der als elektronisch kommutierter Synchronmotor ausgebildet ist. Der Synchronmotor 2 ist als Innenläufermotor ausgebildet, dessen Abtriebswelle 3 über ein Getriebe 4 mit einem Stellglied 5, wie beispielsweise einer Drosselklappe oder dergleichen, gekoppelt ist. Die Drosselklappe 5 ist über eine Rückstellfeder 6 mit einer Rückstellkraft beaufschlagt, so dass im unbestromten Zustand der Drosselklappe 5 diese in einem bestimmten Stellbereich, z. B. an oder nahe einem Endanschlag, angeordnet wird.
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Der Synchronmotor 2 wird über ein Steuergerät 7 angesteuert, um ein bestimmtes Stellmoment bereitzustellen, das über das Getriebe 4 auf das Stellglied 5 wirkt. In der Regel wird in dem Steuergerät 7 eine Lageregelung implementiert, die mithilfe eines im Steuergerät 7 implementierten Lageregelkreises eine gewünschte Solllage des Stellglieds 5 einstellt. Dazu ist das Stellglied 5 mit einem Lagesensor 8 gekoppelt, der eine Angabe über die Lage des Stellglieds 5 an das Steuergerät 7 übermittelt. Abhängig von der in dem Steuergerät 7 bereitgestellten Angabe über die Solllage des Stellglieds 5 und der von dem Lagesensor 8 bereitgestellten Istlage des Stellglieds 5 kann der Synchronmotor 2 so angesteuert werden, dass ein bestimmtes Stellmoment über das Getriebe 4 auf das Stellglied 5 wirkt. Der Winkel, auf den das Stellglied 5 eingestellt werden soll, wird in dem Steuergerät 7 basierend auf einer von einem Fahrpedal 9 bereitgestellten Fahrpedalstellung, d. h. basierend auf einer Fahrervorgabe, und unter Umständen weiteren Systemgrößen ermittelt und als Sollstellung für den Lageregelkreis vorgegeben. Das Steuergerät 7 ist weiterhin mit einem nichtflüchtigen Speicher 10 verbunden, um Parameter wie z. B. Korrekturparameter oder dergleichen dauerhaft zu speichern, auch wenn das Stellgebersystem 1 abgeschaltet ist.
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Bei sehr tiefen Temperaturen und Stillstand des Stellgebersystems 1, z. B. bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor, kann es zu einer Vereisung des Stellglieds 5 kommen. Die Vereisung kann unter Umständen die Bewegung des Stellglieds 5 blockieren, so dass es notwendig wird, den Blockierzustand unmittelbar zu Startbeginn des Verbrennungsmotors aufzulösen. Dies kann beispielsweise durch Bereitstellen eines maximalen Drehmoments durch den Synchronmotor 2 erreicht werden. Aus diesem Grund ist es bereits während des Startbeginns des Verbrennungsmotors notwendig, die Läuferlage des Synchronmotors 2 exakt zu kennen, damit es zu einer möglichst geringen Reduzierung des Stellmoments aufgrund einer ungenauen Bestimmung der Läuferage kommt.
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Jedoch kann aufgrund der tiefen Temperaturen bei einer entsprechend ausgeprägten Temperaturdrift des Lagesensors 8 nur ungenau auf die Läuferlage zurückgeschlossen werden, was zu einer signifikanten Abweichung zwischen der ermittelten Läuferlage und der realen Läuferlage führt.
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Manche Stellgebersysteme weisen relative Lagesensoren auf, die vor Inbetriebnahme aus einem abgeschalteten Zustand zunächst kalibriert werden müssen, indem diese in einem lediglich gesteuerten Betrieb des Läufers des Synchronmotors an eine vorbekannte Position verfahren werden. Bei einer etwaigen Blockierung des Stellglieds kann diese Kalibrierung nicht durchgeführt werden, so dass mithilfe des Lagesensors keine Angabe über die tatsächliche Läuferlage ermittelt werden kann.
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Wenn keine Angabe über die tatsächliche Läuferlage vorhanden ist, kann der Läufer des Synchronmotors 2 nicht optimal angesteuert werden, d. h. der Synchronmotor 2 kann nicht das maximale Antriebsmoment bereitstellen, um eine etwaige Blockierung des Stellglieds 5 aufzulösen.
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In den 2a und 2b ist ein Flussdiagramm dargestellt, mit dem bereits während der Motorstartphase ein maximales Drehmoment auf das Stellglied 5 ausgeübt werden kann.
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Das Flussdiagramm der 2a veranschaulicht einen Verfahrensablauf, der nach dem Abschalten des Verbrennungsmotors während einer Nachlaufphase durchgeführt wird. Dabei wird das Stellglied 5 überwacht (Schritt S1). Bei einem Stillstand des Stellglieds 5 (Alternative: Ja), was beispielsweise festgestellt werden kann, wenn der Synchronmotor 2 nicht mehr bestromt wird, wird eine Angabe über die zuletzt von dem Lagesensor 8 detektierte Stellung des Stellglieds 5 als Referenzstellung durch das Steuergerät 7 in dem nichtflüchtigen Speicher 10 abgespeichert (Schritt S2). Alternativ kann eine Referenzläuferlage, die sich aus der zuletzt detektierten Stellung des Stellglieds ergibt, in dem nichtflüchtigen Speicher 10 gespeichert werden.
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Das Flussdiagramm der 2b veranschaulicht einen Verfahrensablauf, der nach dem Einschalten des Verbrennungsmotors durchgeführt wird. Bei Start des Verbrennungsmotors und gleichzeitigem Einschalten des Stellgebersystems 1 wird die gespeicherte Stellungsangabe aus dem nichtflüchtigen Speicher 10 als Referenz abgerufen (Schritt S3) und die nun von dem Lagesensor 8 bereitgestellte Stellungsangabe mithilfe der abgespeicherten Referenzstellungsangabe bzw. der Referenzläuferlage korrigiert (Schritt S4), um so die Temperaturdrift des Lagesensors 8 zu eliminieren. Bei Verwendung eines relativen Lagesensors 8 kann mithilfe der Referenzstellungsangabe bzw. der Referenzläuferlage eine initiale Kalibrierung (Initialisierung) durchgeführt werden.
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Anschließend (Schritt S5) wird eine Blockierdetektion durchgeführt, indem das Steuergerät 7 den Synchronmotor 2 so ansteuert, dass ein Stellmoment bereitgestellt wird, das zu einer Stellungsänderung des Stellglieds 5 führt. Wird in Schritt S6 eine solche Stellungsänderung erkannt (Alternative: Ja), so ist die Drosselklappe 5 nicht blockiert und das Stellgebersystem kann basierend auf Fahrervorgaben und dergleichen eine Lageregelung für den herkömmlichen Betrieb des Verbrennungsmotors durchführen.
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Wird in Schritt S6 eine Blockierung des Stellglieds 5 detektiert (Alternative: Nein), so wird der Synchronmotor 2 mithilfe des Steuergeräts 7 so angesteuert (Schritt S7), dass der Raumzeiger um den der gespeicherten Referenzstellung entsprechenden Raumzeiger variiert, um so ein schwankendes Stellmoment um das maximale bereitstellbare Stellmoment zu bewirken. Mithilfe des variierenden Stellmoments wird daher versucht, das Stellglied 5 aus dem Blockierzustand zu lösen.
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Es kann weiter vorgesehen sein, dass vor dem wechselweisen Bestromen der Statorspulen des Synchronmotors 2 um die gespeicherte Referenzstellung ein um 180° elektrisch gedrehter Raumzeiger an dem Synchronmotor 2 angelegt wird, um eine etwaige Blockierung des Stellgebersystems zu lösen.
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Wird in Schritt S8 festgestellt, dass, obwohl der Raumzeigerwinkel variiert worden ist und dadurch sichergestellt ist, dass der Bereich eines maximalen Stellmoments überstrichen worden ist, sich die Blockierung nicht gelöst hat (Alternative: Ja), so kann das Steuergerät 7 den Synchronmotor 2 so ansteuern, dass der entsprechende Raumzeiger, der das Statormagnetfeld bestimmt, synchron mit geeigneter Frequenz umlaufen gelassen wird (Schritt S9). Hierbei werden periodisch nacheinander die maximalen Stellmomente in beiden Motordrehrichtungen erzeugt. Es stellt sich ein Schütteln ein, wobei bei geeigneter Wahl der Umlauffrequenz eine Resonanzerhöhung der Amplitude des dadurch erzeugten maximalen Stellmoments erreicht und damit sogar Losbrechamplituden über dem maximalen Stellmoment des Synchronmotors 2 erzeugt werden können. Um die Resonanz zu erreichen, kann dieses Verfahren mit veränderlichen Umlauffrequenzen, beispielsweise mit steigender Umlauffrequenz, durchgeführt werden, so dass der Bereich einer Resonanz des Stellgebersystems aufgefunden werden kann.
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Wird in Schritt S6 keine Blockierung des Stellglieds 5 detektiert (Alternative: Ja) oder wird in Schritt S8 festgestellt, dass sich die Blockierung gelöst hat (Alternative: Nein) so wird das Verfahren beendet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4135913 A1 [0009]
- DE 3743309 A1 [0010]
- DE 10017546 A1 [0011]
- EP 0391930 B1 [0012]
