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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Stellgeber, insbesondere Verfahren einer präzisen Lageregelung für einen Stellgeber.
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Stand der Technik
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In einem Kraftfahrzeug werden zahlreiche Stellgeber verwendet. Die Stellgeber umfassen üblicherweise einen elektromotorischen Stellantrieb, ein Getriebe oder eine Mechanik sowie ein Stellglied, dessen Stellung durch den Stellantrieb und über das Getriebe eingestellt werden kann. Beispielsweise können derartige Stellgeber als Drosselklappensteller, als Abgasrückführungsventile, für Ladungsbewegungsklappen und für zahlreiche vergleichbare Komponenten eingesetzt werden.
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Je nach Einsatzgebiet sind derartige Stellgeber häufig mit einem Lagesensor zum Rücklesen der tatsächlichen Iststellung des Stellglieds versehen. Ein solcher Lagesensor kann zum einen zum Überprüfen der korrekten Stellung des Stellglieds verwendet werden. Dadurch kann überwacht werden, ob die angesteuerte Stellung des Stellglieds auch der tatsächlichen Stellung des Stellglieds entspricht.
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Zum anderen kann mithilfe der durch den Lagesensor erfassten Iststellung eine Lageregelung des Stellglieds durchgeführt werden, indem die gemessene Iststellung im Vergleich zur vorgegebenen Soll-Stellung geregelt wird.
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Als Stellantriebe für derartige Stellgeber werden zusehends elektronisch kommutierte Elektromotoren eingesetzt, die im Gegensatz zu bürstenkommutierten Elektromotoren jedoch eine externe Kommutierung erfordern. Die externe Kommutierung erfordert in der Regel eine Kenntnis der Läuferlage, um ein Stellmoment einzustellen zu können, das als Stellgröße für Lageregelungen dient. Dazu ist üblicherweise ein Lagesensor im Elektromotor vorgesehen, der die Läuferlage unmittelbar detektiert.
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Es sind Stellgebersysteme bekannt, bei denen auf den motorinternen Lagesensor verzichtet wird und für die Kommutierung eine Information von einem an dem Stellglied angeordneten Lagesensor verwendet wird. Da der Stellantrieb häufig über das Getriebe bzw. die Mechanik mit dem Stellglied verbunden ist, wird die Genauigkeit der Bestimmung der Läuferlage in dem Elektromotor durch die Genauigkeit des Lagesensors und das Spiel des Getriebes bestimmt.
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Üblicherweise werden elektronisch kommutierte Elektromotoren mit einem Kommutierungsverfahren betrieben, wie beispielsweise einem Sinus-, Block- oder Trapezkommutierungsverfahren, mit dem ein umlaufendes Statormagnetfeld vorgegeben werden kann.
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In der Regel treten bei elektronisch kommutierten Elektromotoren Läuferlageabhängigkeiten des Stellmoments auf. Dieser Effekt ist bedingt durch in realen Anordnungen stets auftretende Oberwellen der permanentmagnetischen Durchflutung einerseits und der Statordurchflutung andererseits, die sich aus der räumlichen Verteilung der Wicklungen im Stellantrieb ergeben und letztlich zu Oberschwingungen der Kommutierungssignale führen. Zur Durchführung einer Lageregelung mithilfe eines derartigen Stellantriebs sind die Momentenschwankungen störend und können die Genauigkeit der Lageregelung beeinträchtigen.
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Die Druckschrift
DE 10 2004 035 954 A1 offenbart ein Verfahren zum Vermindern der Drehmomentwelligkeit bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor. Das Verfahren sieht vor, eine Regelfrequenz zu bestimmen, die Auskunft über einen vorhandenen Stromsollwert und über eine Drehzahl gibt, die Regelfrequenz mit einem ausgewählten Vielfachen zu multiplizieren und ein darauf reagierendes Modulationssignal zu erzeugen, ein Profil für einen modifizierten Sollwert zu formulieren, das Profil für den modifizierten Sollwert mit dem vorhandenen Stromsollwert und einer Rotorlage zu korrelieren und zu synchronisieren und einen Sollwert für den modulierten Strom zu generieren. Weiterhin ist vorgesehen, dass der Sollwert für den modulierten Strom so konfiguriert wird, dass die Drehmomentwelligkeit bei einer Frequenz gemindert wird, die in etwa der Regelfrequenz entspricht.
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Die Druckschrift
EP 089 53 44 A2 offenbart ein Verfahren zum Reduzieren einer Drehmomentwelligkeit eines elektronisch kommutierten Elektromotors. Dabei wird ein Drehmomentwelligkeitswert aus einem Speicher entnommen und in ein Drehmomentkompensationssignal umgewandelt. Das Drehmomentkompensationssignal wird mit dem zum Ansteuern des Elektromotors bereitgestellten Motorstrom multipliziert, um einen Drehmomentwelligkeitssteuerstrom zu erzeugen und diesen an die Phasenwicklungen anzulegen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Regelung eines Stellgebers mit einem elektronisch kommutierten Stellantrieb zur Verfügung zu stellen, mit dem eine genauere Lageregelung möglich ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Regeln eines Stellglieds eines Stellgebers gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung, das Stellgebersystem, das Computerprogramm und das Computerprogrammprodukt gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zur Regelung der Stellung eines Stellglieds eines Stellgebers vorgesehen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- – Durchführen einer Regelung basierend auf einer Regelabweichung zwischen einer vorgegebenen Sollstellung und einer Iststellung des Stellglieds, um eine Stellgröße zu generieren;
- – Umsetzen der Stellgröße in eine oder mehrere Ansteuergrößen zum Betreiben eines Stellantriebs des Stellgebers;
- – Korrigieren der Stellgröße abhängig von einer Läuferlage eines Läufers des Stellantriebs, so dass das Auftreten eines Rastmoments und/oder eines Rippelmoments kompensiert wird.
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Ein üblicherweise als Stellantrieb verwendeter herkömmlicher, permanentmagneterregter, elektronisch kommutierter Elektromotor weist ein so genanntes magnetisches Rastmoment und ein elektrodynamisch erzeugtes Rippelmoment auf. Das Rastmoment tritt schon im unbestromten Elektromotor auf, während das Rippelmoment sowohl aus oberwellenbehafteten magnetischen Luftspaltfeldern als auch aus oberwellenbehafteten Durchflutungen resultiert. Insbesondere für die Lageregelung ist das auftretende Rippelmoment störend und die Genauigkeit der Lageregelung wird davon beeinträchtigt. Wie oben erwähnt sind die Rippelmomente läuferlageabhängig, so dass bei jeder Läuferlage bekannt ist, in welchem Maß das von dem Stellantrieb bereitgestellte tatsächliche Moment von einer durch eine Stellgröße der Regelung vorgegebenen Stellmomentenangabe abweicht. Da weiterhin in dem obigen Stellgebersystem die Stellung des Stellglieds bekannt ist, um die Kommutierung des Stellantriebs durchführen zu können, kann die erfasste Stellungsangabe auch dazu verwendet werden, den Einfluss der Rippelmomente durch einen Eingriff in die Lageregelung zu minimieren.
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Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, die läuferlageabhängige Drehmomentenabgabe eines elektronisch kommutierten Stellantriebs mithilfe eines Eingriffs in die Regelung so zu verbessern, dass die Drehmomentenabgabe unabhängiger von der Läuferlage wird. Dadurch wird eine verbesserte Regelgenauigkeit der Lageregelung erreicht.
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Insbesondere wird der Eingriff in die Regelung so realisiert, dass die Stellgröße, die bei Lageregelungen in der Regel ein Stellmoment des Stellantriebs angibt, vor der Umsetzung in entsprechende an den Stellantrieb anzulegende elektrische Größen mit einer Korrekturgröße beaufschlagt wird, mit deren Hilfe die Schwankungen des tatsächlich von dem Stellantrieb gelieferten Stellmoments korrigiert werden. Auf diese Weise ist es möglich, die von der Regelung bereitgestellte Stellgröße insoweit zu korrigieren, dass baulich oder kommutierungsbedingte läuferlageabhängige Drehmomentenschwankungen ausgeglichen werden können.
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Weiterhin kann die Stellgröße durch additive oder multiplikative Beaufschlagung mit einer Korrekturgröße korrigiert werden.
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Insbesondere kann die Korrekturgröße mithilfe eines vorgegebenen Drehmomentenschwankungsmodells basierend auf der Läuferlage ermittelt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Läuferlage aus einer Stellung des Stellglieds ermittelt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere eine Recheneinheit, zur Regelung der Stellung eines Stellglieds eines Stellgebers vorgesehen, umfassend:
- – einen Regelungsblock zum Durchführen einer Regelung basierend auf einer Regelabweichung zwischen einer vorgegebenen Sollstellung und einer Iststellung des Stellglieds, um eine Stellgröße zu generieren;
- – einen Kennfeldblock zum Umsetzen der Stellgröße in eine oder mehrere Ansteuergrößen zum Betreiben eines Stellantriebs des Stellgebers;
- – einen Korrekturblock zum Ermitteln einer Korrekturgröße abhängig von einer Läuferlage eines Läufers des Stellantriebs; und
- – einen Beaufschlagungsblock zum Korrigieren der Stellgröße mithilfe der Korrekturgröße.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Stellgebersystem vorgesehen, umfassend:
- – einen Stellantrieb;
- – ein Stellglied, das zum Stellen durch den Stellantrieb ausgebildet ist; und
- – die obige Vorrichtung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln vorgesehen, um alle Schritte des obigen Verfahrens durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in der obigen Vorrichtung, ausgeführt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, das einen Programmcode enthält, der auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist und der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinrichtung 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, bei dem ein externer Lagesensor für eine Kommutierung des Stellantriebs verwendet wird; und
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2 ein Funktionsdiagramm zur Veranschaulichung einer Lageregelung für den Stellgeber mit einem elektronisch kommutierten Stellantrieb und mit einer Korrekturfunktion für eine Stellgröße der Regelung;
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3 ein Diagramm zur Darstellung der Verläufe der Stellgröße, der Korrekturgröße und des resultierenden Stellmoments bei einem Leerlauf des Stellantriebs dargestellt; und
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4 ein Diagramm zur Darstellung der Verläufe der Stellgröße, der Korrekturgröße und des resultierenden Stellmoments bei einem auftretendem Stellmoment dargestellt.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein Stellgebersystem 1 mit einem Stellgeber 2, der von einem Steuergerät 3 angesteuert wird. Der Stellgeber 2 umfasst als Stellantrieb 4 einen elektronisch kommutierten, d. h. bürstenlosen, Elektromotor, wie beispielsweise einen Synchronmotor, einen Asynchronmotor oder dergleichen.
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Der Stellantrieb 4 weist eine Abtriebswelle auf, die mit einem Getriebe 5 gekoppelt ist. Das Getriebe 5 ist weiterhin mit einem Stellglied 6 gekoppelt, so dass das Stellglied 6 durch entsprechendes Ansteuern des Stellantriebs 4 gestellt werden kann. Das Stellglied 6 soll angesteuert durch das Steuergerät 3 in eine vorgegebene Stellung verfahren bzw. verstellt werden. Das Steuergerät 3 erhält dazu eine Stellungsvorgabe S wie z. B. ein Fahrerwunschmoment bei einem Drosselklappensteller.
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Das Getriebe 5 ist insbesondere als untersetzendes Getriebe 5 ausgebildet, so dass einem Läuferweg des Stellantriebs 4 ein kleinerer Stellweg des Stellglieds 6 zugeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich zu dem Getriebe 5 kann auch eine anderweitige koppelnde Mechanik vorgesehen sein.
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An dem Stellglied 6 oder alternativ an dem Getriebe 5 ist ein Lagesensor 7 angeordnet. Mithilfe des Lagesensors 7 kann eine Stellbewegung bzw. die Stellung des Stellglieds 6 erfasst werden. Eine Stellungsangabe über die erfasste Stellung des Stellglieds 6 wird in geeigneter Weise an das Steuergerät 3 übermittelt. Beispielsweise kann der Lagesensor 7 einen GMR-Sensor (GMR: Giant Magnetic Resistance), einen Hall-Sensor oder dergleichen aufweisen. Alternativ können auch optische Verfahren angewendet werden. Als Stellungsangabe kann beispielsweise eine Detektorspannung an das Steuergerät 3 bereitgestellt werden, die die Stellungsangabe z. B. mithilfe eines Analog-Digital-Wandlers vor der Weiterverarbeitung digitalisiert.
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Derartige Stellgeber 2 werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen eingesetzt, z. B. bei Drosselklappen, Abgasrückführungsventilen, Ladungsbewegungsklappen und zahlreichen ähnlichen Komponenten. Insbesondere finden solche Stellgeber 2 dort Einsatz, wo die korrekte Stellbewegung des Stellgebers 2 funktionswesentlich ist und daher ohnehin der Lagesensor 7 an dem Stellglied 6 vorgesehen ist, um dessen Stellung zu überprüfen.
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Beim Verstellen des Stellglieds 6 wirkt auf dieses aufgrund von Reibungen sowohl im Getriebe 5 als auch in dem Stellantrieb 4 und dem Stellglied 6 eine der Stellbewegung entgegengesetzte Gegenkraft. Weiterhin kann das Stellglied 6 je nach Einsatzgebiet mit einer Rückstellkraft beaufschlagt sein, die beispielsweise über eine Rückstellfeder 8, insbesondere eine vorgespannte Rückstellfeder 8, auf das Stellglied 6 einwirkt, so dass das Stellglied 6 im stromlosen Zustand des Stellantriebs 4 in eine Ruheposition gebracht wird.
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Zum Betreiben des elektronisch kommutierten Stellantriebs 4 ist eine Kenntnis der Läuferlage eines in dem Stellantrieb 4 vorgesehenen Läufers 41 erforderlich.
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Das Ansteuern erfolgt in der Regel durch Ansteuersignale bzw. Kommutierungssignale, die eine Statormagnetisierung hervorrufen, die zur Erzeugung eines Motormagnetfelds führt. Das Motormagnetfeld wechselwirkt mit dem Erregermagnetfeld, das von dem Läufer 41 generiert wird, und führt so zur Erzeugung eines Antriebsmoments.
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2 zeigt eine Funktionsdarstellung einer Lageregelung, die in der Steuereinheit 3 durchgeführt wird. Die Funktionsdarstellung zeigt den Regelkreis mit dem Stellantrieb 4, dem Getriebe 5 und dem Stellglied 6, dessen Iststellung φist durch den Lagesensor 7 erfasst und bereitgestellt wird.
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Der Lagesensor 7 kann beispielsweise mit einem Magnetfeldsensor und mit einem Magnetgeberrad ausgebildet sein, so dass bei einer Bewegung des Stellglieds 6 Lagesignale als Impulse erzeugt werden. Die Lagesignale werden in dem Lagesensor 7 mithilfe eines Zählers und/oder einer Zeitmessung ausgewertet, um die Angabe zur Iststellung φist zu erhalten.
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Die Iststellung φist wird einem Auswerteblock 11 zugeführt, der mit Kenntnis der Getriebeübersetzung aus der Iststellung φist des Stellglieds 6 eine Stellungsangabe φrot, die die Stellung des Läufers 41 angibt, rückrechnet. Weiterhin kann durch Kenntnis der Getriebeübersetzung aus der Stellgeschwindigkeit des Stellglieds 6 eine Stellgeschwindigkeitsangabe ωrot, die eine Stellgeschwindigkeit des Läufers 41 angibt, rückgerechnet werden.
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Die Regelung wird in einem Regelungsblock 12 durchgeführt, der basierend auf einer Regelabweichung Δφ eine Stellgröße S bereitstellt. Die Regelabweichung Δφ entspricht einer Differenz zwischen einer vorgegebenen Sollstellung φsoll des Stellglieds 6 und der Iststellung φist des Stellglieds 6, die in einem Differenzglied 13 ermittelt wird. Die Stellgröße S entspricht einer Stellmomentenangabe, die eine Höhe des von dem Stellantrieb 4 bereitzustellenden Stellmoments angibt.
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Die Stellgröße S wird in einem Beaufschlagungsblock 14, der beispielsweise als Summierglied ausgebildet sein kann, mit einer Korrekturgröße K beaufschlagt, die die Stellgröße S so korrigiert, dass man eine korrigierte Stellgröße Skorr erhält. Diese korrigierte Stellgröße Skorr wird nun in einem Kennfeldblock 15 in einen Spannungszeiger umgewandelt, der in Polarkoordinaten angegeben wird. Der Spannungszeiger entspricht dann Ud, Uq in einem umlaufenden Koordinatensystem.
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Der Spannungszeiger Ud, Uq wird in einem nachfolgenden Transformationsblock 16 – ein dreiphasiger Stellantrieb vorausgesetzt – in entsprechende drei Phasenspannungen Ua, Ub und Uc eines Dreiphasensystems umgewandelt. In diesem Fall ist der Stellantrieb 4 als ein dreiphasiger Synchronmotor ausgebildet. Die Anzahl der Phasen des Synchronmotors ist jedoch nicht auf drei beschränkt.
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Die Funktion des Kennfeldblocks 15 wird abhängig von der von dem Auswerteblock 11 ermittelten Stellungsangabe φrot durchgeführt, um eine Kommutierung des Stellantriebs 4 zu erreichen. Das Kommutierungsschema kann einer Sinus-, Block- oder Trapezkommutierung entsprechen. Auch andere Kommutierungsarten sind denkbar. Weiterhin kann die Kommutierung auch von der Geschwindigkeitsangabe ωrot abhängen.
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Die Korrekturgröße K wird durch ein vorgegebenes Drehmomentenschwankungsmodell abhängig von der Stellungsangabe φrot in einem Korrekturblock 17 ermittelt. Die Korrektur erfolgt so, dass das bekannte Rastmoment bzw. das bekannte Rippelmoment an einer bestimmten Läuferlage weitestgehend eliminiert wird. Das heißt, bereits bei einem gewünschten Stellmoment von 0 (Stellgröße) findet über die Beaufschlagung mit einer Korrekturgröße K eine Ansteuerung statt, um die Rastmomente des Stellantriebs 4 zu kompensieren. Die Korrekturgröße K berücksichtigt also sowohl das läuferlageabhängige Rastmoment als auch das läuferlageabhängige Rippelmoment in dem Drehmomentenschwankungsmodell.
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In 3 ist ein Beispiel für einen Leerlauf des Stellantriebs 4 dargestellt. Aufgetragen ist das innere Moment M des Stellantriebs 4 über der Stellungsangabe φrot und man erkennt die Kompensation durch die Korrekturgröße K anhand des gepunkteten Verlaufs (Kurve K1) der Korrekturgröße K, so dass sich ein korrigiertes Moment Mkorr des Stellantriebs 4 einstellt (Kurve K2). Dadurch können die Schwankungen des Rastmoments MRast (Kurve K3) korrigiert werden, indem das Stellmoment S der Lageregelung bei einer Ansteuerung des Stellantriebs 4 durch entsprechende Vorgabe einer Sollstellung φsoll mit der Korrekturgröße K additiv oder multiplikativ beaufschlagt wird. Das innere Moment wird durch die Korrektur zu konstant 0 und ist durch die gestrichelte Linie dargestellt.
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Im Betrieb des Stellgebers 2 wird das zusätzlich zu dem durch die Stellgröße S bewirkten Stellmoment wirkende Rastmoment und/oder Rippelmoment abhängig von der Läuferlage des Stellantriebs 4 korrigiert, um das Stellmoment des Stellantriebs 4 unabhängig von der Läuferlage konstant zu halten. Dies ist in dem Diagramm der 4 dargestellt. Man erkennt einen konstanten Verlauf der Stellgröße S (Kurve K4) über der Stellungsangabe φrot, wobei das läuferlageabhängige Stellmoment mit einer auf den Regelkreis abgestimmten Korrektur beispielsweise in dem Transformationsblock 16 korrigiert werden kann.
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Kurve K5 zeigt den Verlauf der korrigierten Stellgröße Skorr, nachdem die Korrektur durchgeführt wurde, und Kurve K6 den Verlauf des Stellmoments bei Ansteuerung mit der korrigierten Stellgröße Skorr. Die Kurve K7 zeigt den Verlauf des vom Stellantrieb 4 generierten Stellmoments, wie er durch das Beaufschlagen mit der Stellgröße S ohne der Korrekturgröße K erreicht würde.
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Im Allgemeinen kann die Beaufschlagung zur Vermeidung des Rippelmoments in dem Transformationsblock 16 oder in dem Beaufschlagungsblock 14 durch additive oder multiplikative Beaufschlagung erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004035954 A1 [0009]
- EP 0895344 A2 [0010]
