DE102011089820A1

DE102011089820A1 - Verfahren zum Ermitteln der Absolutposition eines Linearaktuators

Info

Publication number: DE102011089820A1
Application number: DE102011089820A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Böhm; Peter Stauder; Tom Kaufmann; Marco Besier; Andreas Schirling
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2013-06-27
Also published as: CN104011991A; US20150316371A1; KR20140106593A; EP2795788A1; CN104011991B; WO2013092147A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Ermitteln der Absolutposition eines Linearaktuators beschrieben. Hierbei wird die Drehwinkellage des Rotors des zugehörigen Elektromotors des Linearaktuators mit einem ersten Sensor ermittelt. Ferner wird die Drehwinkellage eines mit dem Rotor über ein spezielles Übersetzungsverhältnis gekoppelten Geberrades eines zweiten Sensors ermittelt. Aus dem Differenzwert der ermittelten Drehwinkellagen wird die Absolutposition des Linearaktuators abgeleitet. Das Verfahren lässt sich auf einfache und kostengünstige Weise durchführen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Absolutposition eines Linearaktuators.
In vielen elektromechanisch betätigten Systemen, insbesondere Bremssystemen, kommen Linearaktuatoren zum Einsatz, die neben dem eigentlichen Aktuatorelement einen Elektromotor und mindestens ein nachgeschaltetes Getriebe zum Antreiben des Aktuatorelementes aufweisen. Ein Bespiel für ein derartiges Getriebe ist ein Kugelgewindetrieb.
Beim Betrieb von derartigen Systemen ist es erforderlich, neben der Bewegungsstrecke des Linearaktuators dessen absolute Position zu kennen. Der Einsatz eines linear messenden Aktuatorpositionssensors ist hierbei eine Möglichkeit, die Position des Linearaktuators zu bestimmen.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, über einen Sensor die Änderung der Winkellage des Rotors des zugehörigen Elektromotors des Linearaktuators zu ermitteln und hieraus die Positionsveränderung des Linearaktuators zu berechnen. Ein solcher Rotorlagesensor ist zum Betrieb des Motors erforderlich, wenn ein elektronisch kommutierter Motor, wie beispielsweise eine Synchronmaschine, zum Einsatz kommt. Aufgrund der gewählten Übersetzungen ergibt es sich üblicherweise, dass für das Zurücklegen des gesamten Aktuatorhubs eine Vielzahl von Motorumdrehungen notwendig ist. Geht man davon aus, dass Linearaktuatorposition und Rotorlage mit der gleichen Auflösung und Genauigkeit eingelesen werden, so kann man durch Aufsummieren der Rotorlageänderung ein Ersatzsignal für die Aktuatorposition bilden, dass um ein Vielfaches genauer und höher aufgelöst ist als das Signal eines Aktuatorpositionssensors.
Zur Verwendung des Aktuatorpositionsersatzsignales (durch Erfassung der Änderung der Rotorlage) muss dieses jedoch auf die tatsächliche Aktuatorposition referenziert werden. Es ist dabei bekannt, dies über konstruktive Maßnahmen zu realisieren, die sicherstellen, dass sich der Aktuator bei Systemstart an einer bekannten Position befindet (Sperrklinke, Feder). Eine andere Maßnahme besteht darin, einen Referenzlauf des Aktuators vorzusehen. Beide Methoden haben jedoch Nachteile. Das Vorsehen zusätzlicher Konstruktionselemente verursacht zusätzliche Kosten und erweitert das Feld möglicher Fehlerquellen und ist meist nur dann sinnvoll, wenn eine entsprechende Funktionalität auch anderweitig benötigt wird (z.B. Sperrklinke für Parkbremse). Zur Durchführung eines Referenzlaufs bei Systemstart müssen einige Randbedingungen erfüllt sein. Der Aktuator muss freigängig sein, es darf keine Beeinflussung des Systems von außen erfolgen, und es muss die Zeit zur Durchführung des Referenzlaufs bei jedem Systemstart zur Verfügung stehen. Dies führt zu Einschränkungen bei der Systemverfügbarkeit und zur Notwendigkeit, eine externe Beeinflussung des Referenzlaufs sicher auszuschließen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ermitteln der Absolutposition eines Linearaktuators zur Verfügung zu stellen, das auf besonders einfache und kostengünstige Weise durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Ermitteln der Absolutposition eines Linearaktuators gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:
Ermitteln der Drehwinkellage des Rotors des zugehörigen Elektromotors des Linearaktuators mit einem ersten Sensor;
Ermitteln der Drehwinkellage eines mit dem Rotor über ein spezielles Übersetzungsverhältnis gekoppelten Geberrades eines zweiten Sensors;
und
Berechnen des Differenzwertes aus den ermittelten Drehwinkellagen und Ableiten der Absolutposition des Linearaktuators aus dem ermittelten Differenzwert.
Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, den Linearaktuator mit einem zweiten rotatorischen Sensor auszustatten, der mit einer besonders gewählten Übersetzung angekoppelt ist, so dass die Drehwinkellage des Rotors und die sich aus einer übersetzten Rotordrehung resultierende Drehwinkellage erfasst werden können. Aus den ermittelten Drehwinkeln wird ein Differenzwert errechnet, aus dem die lineare Absolutposition des Linearaktuators abgeleitet werden kann. So ergibt sich die absolute Position des Aktuators aus der folgenden Beziehung: Absolute Position des Aktuators = ermittelter Differenzwinkel × theoretischer Gesamthub/360°
Mit „theoretischem Gesamthub“ ist hierbei der Erfassungsbereich multipliziert mit der Steigung des Systems gemeint.
Da sich der Differenzwinkel über die Anzahl der Umdrehungen verändert, kann hieraus die Absolutposition des Linearaktuators ermittelt werden. Die Kopplung des Geberrades des zweiten Sensors mit dem Rotor erfolgt vorzugsweise über ein formschlüssiges Getriebe. Für dieses wird vorzugsweise ein Übersetzungsverhältnis von 1:x gewählt, wobei x einen geringfügig von einer ganzen Zahl abweichenden Wert darstellt. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird ein Übersetzungsverhältnis von 1:2,1 verwendet, wobei hier beispielsweise ein Geberrad des zweiten Sensors mit 42 Zähnen und ein Geberrad des ersten Sensors mit 20 Zähnen eingesetzt wird.
Für das Beispiel mit einem Übersetzungsverhältnis von i = 1:2,1 kann durch Anwendung der folgenden Rechenvorschrift Differenzwinkel X = Drehwinkel des Rotors – 2·Drehwinkel des zweiten Sensors
ein monoton ansteigendes Signal über ca. 10 Motorumdrehungen erzeugt werden, welches mittels Multiplikation mit der Getriebeübersetzung und Verrechnung mit einem linearen Offset direkt als Positionssignal verwendet werden kann.
Generell gilt, dass die Absolutposition des Linearaktuators aus der Drehwinkeldifferenz vorzugsweise unter Berücksichtigung eines linearen Offset ermittelt wird.
Hinsichtlich des Winkeloffsets sei das Verfahren wie folgt präzisiert:
Bei Produktion oder bei einem Referenzlauf des Systems werden die Winkeloffsets der beiden Sensoren in einer bekannten Lage gemessen und gespeichert. Die bekannte Lage ist sinnvollerweise eine Endlage. Nach Einschalten des Systems werden dann ein Winkel 1 aus Winkel_1 = atan sin1/cos1)-Winkeloffset_1 und ein Winkel 2 aus Winkel_2 = atan(sin2/cos2) – Winkeloffset_2 gebildet. In der Endlage sind beide Winkel = 0. Jetzt kann die weitere Auswertung mittels der beschriebenen Gleichungen ablaufen. Zum Betrieb des Elektromotors ist ein weiterer Winkeloffset notwendig, der den Winkelunterschied zwischen Rotorwinkel aus atan(sin/cos) und der Lage der Permanentmagnete beschreibt. Hiermit wird ein Winkel_Motor = atan(sin1/cos1) – Winkeloffset_Motor gebildet und für die Regelung des Motors verwendet.
Nach der Ermittlung der Absolutposition des Linearaktuators ist es vorteilhaft, nur noch den ersten Sensor zur Gewinnung der Linearposition des Linearaktuators zu verwenden, um entsprechenden Rechenaufwand zu sparen.
Bei Verwendung von Rotorlagesensoren (ersten Sensoren), die nicht direkt absolut zur elektrischen Motorlage sind (Beispiel: MR-Sensor und Synchronmotor mit ungerader Polpartzahl), kann mithilfe des Aktuatorpositionsersatzsignales ein auf eine Motorumdrehung absolutes Rotorlageersatzsignal gebildet werden. Aus diesem (und aus im Speicher abgelegten Offsetwerten) kann dann direkt auf die zur Motorkommutierung erforderliche elektrische Winkellage des Elektromotors geschlossen werden. Auf diese Weise kann bei der Systemauslegung die Auswahl der Motorpolpaarzahl und des eingesetzten Rotorpositionssensors (ersten Sensors) voneinander unabhängig erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich einfach und kostengünstig durchführen. Es ist lediglich ein zweiter Sensor erforderlich. Konstruktive Maßnahmen, die sicherstellen, dass sich der Aktuator bei Systemstart an einer bekannten Position befindet, sind nicht nötig. Des Weiteren muss kein Referenzlauf bei Systemstart durchgeführt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 ein Diagramm der Rohsignale des Rotorsensors (ersten Sensors) und des zweiten Sensors; und
2 ein Diagramm, das das Ausgangssignal über Motorumdrehungen zeigt.
Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sitzt der erste Sensor (Rotorlagesensor) mittig auf der Motorwelle und besitzt ein Zahnrad mit 20 Zähnen. Parallel neben diesem ersten Sensor ist ein zweiter Sensor angeordnet, dessen Geberrad 42 Zähne aufweist und mit dem Zahnrad des ersten Sensors kämmt. Der zweite Sensor ist somit mit einem Übersetzungsverhältnis von i = 1:2,1 mit dem ersten Sensor gekoppelt.
Die entsprechende Abtastung der Zahnräder erfolgt über Magneten. Die Signalauswertung wird über Platinen mit zwei Sensor/ICs durchgeführt.
Bei einer anderen Ausführungsform wird die Winkellage der Zahnräder durch Messung der Richtung des emittierten Magnetfeldes von formschlüssig mit den Zahnrädern verbundenen Magneten über zwei magnetische Sensoren (bevorzugt MR-Sensoren) ermittelt.
In 1 sind die Rohsignale des Rotorsensors (ersten Sensors) und des zweiten Sensors dargestellt, die den Verlauf der gemessenen Umdrehungen bezogen auf die Motorumdrehungen wiedergeben. Durch die Rechenvorschrift Drehwinkeldifferenz X = Rotorwinkel – 2·Winkel Sensor 2 kann ein monoton ansteigendes Signal über ca. 10 Motorumdrehungen erzeugt werden, welches mittels Multiplikation mit der Getriebeübersetzung und Verrechnung mit einem linearen Offset direkt als Positionssignal verwendet werden kann. Dieses Signal ist in 2 dargestellt. Wie erwähnt, müssen vor Ausführung der Berechnung noch die Offsets der beiden Sensoren abgezogen werden, d.h. die Winkelwerte, die sich ergeben, wenn sich der Linearaktuator in der Endposition befindet.

Claims

Verfahren zum Ermitteln der Absolutposition eines Linearaktuators mit den folgenden Schritten: Ermitteln der Drehwinkellage des Rotors des zughörigen Elektromotors des Linearaktuators mit einem ersten Sensor; Ermitteln der Drehwinkellage eines mit dem Rotor über ein spezielles Übersetzungsverhältnis gekoppelten Geberrades eines zweiten Sensors; und Berechnen des Differenzwertes aus den ermittelten Drehwinkellagen und Ableiten der Absolutposition des Linearaktuators aus dem ermittelten Differenzwert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch kennzeichnet, dass ein Übersetzungsverhältnis von 1:x gewählt wird, wobei x einen geringfügig von einer ganzen Zahl abweichenden Wert darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übersetzungsverhältnis von 1:2,1 verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Geberrad des zweiten Sensors mit 42 Zähnen und ein Geberrad des ersten Sensors mit 20 Zähnen verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absolutposition des Linearaktutors aus der Drehwinkeldifferenz unter Berücksichtigung eines linearen Offset ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Ermittlung der Absolutposition des Linearaktutors nur noch der erste Sensor zur Gewinnung der Linearposition des Linearaktuators verwendet wird.