DE102013102525A1

DE102013102525A1 - Verfahren zur Steuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors und Stelleinrichtung mit einer Stelleinheit und einem bürstenlosen Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE102013102525A1
Application number: DE102013102525.0A
Authority: DE
Inventors: Francesco Flögel
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2014-09-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors, bei dem in einer Anfahrphase der Gleichstrommotor mit einem ersten Motorstrom angesteuert wird, der ausgehend von einem Stromanfangswert auf einer ersten Kennlinie ansteigt, während der Anfahrphase die Drehzahl des Gleichstrommotors erfasst wird und bei Überschreiten eines Drehzahlgrenzwertes von der Anfahrphase in eine Einstellphase übergegangen wird, und in der Einstellphase die Drehzahl des Gleichstrommotors auf der Grundlage eines Sollwertes geregelt wird. Die Erfindung sieht auch eine Stelleinrichtung mit einer Stelleinheit und einem Gleichstrommotor, der gemäß diesem Verfahren getrennt wird, vor.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors sowie eine Stelleinrichtung mit einer Stelleinheit und einem bürstenlosen Gleichstrommotor.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf Stelleinrichtungen, die über einen bürstenlosen Gleichstrommotor betätigt werden, wobei zwischen die Stelleinrichtung und den Motor ein Getriebe geschaltet ist. Solche Stelleinrichtungen finden sich beispielsweise im Automobilbereich als elektrische Stellantriebe für die Sitzverstellung, aber auch in zahlreichen anderen Anwendungen, wie verstellbare Tische oder Tragkonstruktionen jeder Art, Sitze, Liegen, Arbeitsgeräte und anderes. Die Erfindung ist auf keine bestimmte Anwendung beschränkt. Im Folgenden ist die Erfindung rein beispielhaft in Bezug auf die Anwendung als Verstellantrieb für einen Fahrzeugsitz beschrieben.
Bei der Verstellung von Fahrzeugsitzen besteht in der Praxis die Anforderung, dass eine Verstellung der Sitzposition und -neigung zügig und gleichmäßig, ohne nennenswerte Geräusche, Rucken oder dergleichen erfolgt. Die Verstellung soll unmittelbar nach Betätigen eines entsprechenden Schalters beginnen. Hierzu werden im Stand der Technik heute häufig Bürstenmotore verwendet, die über Relais von einem Schalter oder einem zentralen Steuergerät betätigt werden. Die eigentliche Verstellmechanik ist mit dem Bürstenmotor in der Regel über ein Getriebe gekoppelt, beispielsweise über ein Schneckengetriebe.
Über das Relais wird der Gleichstrommotor mit Strom versorgt, wobei durch das plötzliche Bestromen eines Gleichstrommotors auch sofort ein großes Antriebsmoment an der Motorwelle anliegt. Die Verstellung kann daher sehr zügig beginnen. Das sofortige Anliegen des Antriebsmoments bringt allerdings auch Nachteile mit sich, weil insbesondere bei einer Umkehr der Verstellrichtung ein vorhandenes Getriebespiel deutlich wahrgenommen wird. Wird zum Beispiel ein Schneckengetriebe verwendet, dann löst sich in diesem Fall die Schnecke schlagartig von ihrem Spiel und schlägt in die folgende Getriebestufe ein. Dieser Vorgang ist akustisch wahrnehmbar, was gerade bei hochwertigen Fahrzeugen unerwünscht ist. Durch das sofort anliegende große Antriebsmoment kann es ferner passieren, dass der Beginn des Verstellvorgangs als ruckartig wahrgenommen wird, was ebenfalls nicht erwünscht ist.
Diese Probleme lassen sich grundsätzlich durch die Verwendung von bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) lösen, weil BLDC-Motoren für ihre Kommutierung Sensoren zur Drehlageerfassung aufweisen und dadurch grundsätzlich gut und einfach geregelt werden können. Durch eine Drehzahlregelung kann ein sanftes Anfahren der BLDC-Motoren programmiert und so die Geräuschentwicklung unterdrückt werden. Andererseits wird, wie oben dargelegt, an die Stelleinrichtung auch die Anforderung gestellt, dass nach dem Aktivieren des Motors, beispielsweise bei Betätigung eines Schalters durch einen Benutzer, die gewünschte Verstellung zügig erfolgt, sodass innerhalb einer kurzen vorgegebenen Zeit, von z. B. 200 Millisekunden, die gewünschte Drehzahl und ein gewünschtes (maximales) Drehmoment des Motors anliegen können müssen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors und eine Stelleinrichtung mit einer Stelleinheit und einem bürstenlosen Gleichstrommotor anzugeben, die einen guten Kompromiss zwischen einem sanften Anfahren und einem zügigen Erreichen einer gewünschten Drehzahl und eines gewünschten Drehmoments schaffen.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und durch eine Stelleinrichtung gemäß Patentanspruch 13 gelöst.
Die Erfindung sieht ein Verfahren zur Steuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors vor, bei dem in einer Anfahrphase der Gleichstrommotor mit einem ersten Motorstrom angesteuert wird, der ausgehend von einem Stromanfangswert auf einer ersten Kennlinie ansteigt, während der Anfahrphase die Drehzahl des Gleichstrommotors erfasst wird und bei Überschreiten eines Drehzahlgrenzwertes von der Anfahrphase in eine Einstellphase übergegangen wird. In der Einstellphase wird die Drehzahl des Gleichstrommotors auf der Grundlage eines Sollwertes geregelt. Anders gesagt sieht die Erfindung einen dynamischen Algorithmus zur Steuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors vor, bei dem abhängig von der Drehzahl des Motors von einer Stromsteuerung auf eine Drehzahlregelung umgeschaltet wird. Die Drehzahlregelung kann auf der Grundlage einer Solldrehzahl oder durch eine Stromregelung erfolgen, oder es kann eine Drehzahlregelung mit überlagerter Stromregelung vorgesehen werden.
Die Stromsteuerung in der Anfahrphase erfolgt nicht abrupt sondern entlang einer Kennlinie, die einen definierten Anstieg für den Motorstrom vorgibt. Dadurch kann erreicht werden, dass eine von dem Motor angetriebene Stelleinrichtung den Stellvorgang zügig, aber nicht ruckartig beginnt und geräuschlos in ein möglicherweise vorhandenes Getriebespiel einfährt. Beim Anfahren kommt es dadurch weder zu Rucken noch zu Knackgeräuschen oder dergleichen. Die Kennlinie für den Motorstrom kann so eingestellt werden, dass innerhalb einer vorgegebenen, parametrisierbaren Zeit das maximale Drehmoment des Motors erreicht wird. Dieses maximale Drehmoment kann so bemessen sein, dass es ausreichend groß ist, um den Motor in Gang zu setzen, wenn der Motor der Drehung einen überdurchschnittlichen Widerstand entgegensetzt oder wenn ein nachgeschaltetes Getriebe schwergängig ist, sodass der Rotor des Gleichstrommotors oder das Getriebe freigebrochen werden muss.
Prinzipiell bezieht sich die Erfindung auf den gesamten mechanischen Antriebsteil. Das Getriebe kann zum Beispiel, bedingt durch Vereisung der Zahnräder oder des Schmiermittels, einen erhöhten Widerstand beim Andrehen aufweisen, so dass der Motor zum Freibrechen des Getriebes ein höheres Drehmoment aufbringen muss. Dabei ist die Erfindung keineswegs auf den Moment des Andrehens beschränkt. Genauso kann die Schwergängigkeit des Antriebsteils während einer Anfahrphase über einen längeren Abschnitt des Verstellweges bestehen und muss vom Motor durch ein entsprechend hohes Drehmoment kompensiert werden.
Da die Anfahrphase beendet wird, sobald die Drehzahl des Gleichstrommotors einen vorgegebenen, parametrisierbaren Drehzahlgrenzwert erreicht, wird in den Fällen, dass das Getriebe normal arbeitet, der maximale Motorstrom und das maximale Drehmoment nicht erreicht, weil das Verfahren schon vorher in den Regelbetrieb übergeht. Die Steuerung betreibt somit den bürstenlosen Gleichstrommotor immer nur mit gerade so viel Energie, wie für die aktuelle Verstellung notwendig ist. Erreicht der Gleichstrommotor den Drehzahlgrenzwert, dann kann davon ausgegangen werden, dass das Getriebespiel überwunden wurde und der Rotor bei Schwergängigkeit freigebrochen ist. Die Steuerung kann dann in eine „normale“ Einstellphase übergehen, in der die Drehzahl des Gleichstrommotors auf an sich bekannte Weise geregelt wird.
Auch in der Einstellphase kann die Solldrehzahl auf einer Kennlinie verlaufen, sie muss also nicht notwendig konstant sein. Zum Beispiel kann in der Einstellphase eine zweite Kennlinie vorgesehen werden, die in einem ersten Intervall eine erste konstante Drehzahl, in einem zweiten Intervall eine ansteigende Drehzahl, in einem dritten Intervall eine zweite konstante Drehzahl und in einem vierten Intervall eine abfallende Drehzahl als Solldrehzahl vorgibt. Dadurch kann eine Verstellung zur Feinjustierung zunächst mit einer konstanten niedrigeren Drehzahl bewirkt werden, um dann, wenn der Verstellvorgang länger andauert, die Drehzahl zu erhöhen. Am Ende des Verstellvorgangs sollte kein abrupter Stillstand des Gleichstrommotors vorgesehen werden, sondern ein für den Nutzer angenehm empfundenes Abbremsen.
Erfindungsgemäß kann ferner eine Strombegrenzung mit wenigstens zwei unterschiedlichen Motorstromgrenzwerten vorgesehen werden, zum Beispiel einem höheren Motorstromgrenzwert, der nur während einer begrenzten Zeit für das möglicherweise notwendige Freibrechen des Gleichstrommotors vorgesehen wird, und einem niedrigeren Motorstromgrenzwert während des Verfahrbetriebs. Der erste größere Motorstromgrenzwert kann während der Anfahrphase und eines Teils der Einstellphase vorgesehen werden, während dann der zweite kleinere Motorstromgrenzwert während des verbleibenden Teils der Einstellphase vorgesehen wird.
In seiner Grundfunktion arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren unter der Annahme, dass bis zum Ende der Anfahrphase, während derer der Motorstrom auf der ersten Kennlinie ansteigt, der Drehzahlgrenzwert erreicht wird und somit ein mögliches Getriebespiel überwunden und der Motor gegebenenfalls frei gebrochen ist, sodass der Motor am Ende der Anfahrphase unter normalen Lastbedingungen läuft. Falls aber der Motor vollständig blockiert, kann innerhalb der Anfahrphase der Drehzahlgrenzwert nicht erreicht werden. Für diesen Fall sieht die Erfindung vor, dass dann, wenn in der Anfahrphase bis zum Ende der ersten Stromkennlinie der Drehzahlgrenzwert nicht erreicht wird, der Motorstrom gemäß einer vorgegebenen zweiten Stromkennlinie eingestellt wird. Diese zweite Stromkennlinie kann beispielsweise so definiert sein, dass der Motorstrom während einer vorgegebenen Zeit auf einem konstanten Wert gehalten und dann, wenn auch nach dieser vorgegebenen Zeit der Gleichstrommotor nicht anläuft, abgeschaltet wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren findet somit eine Drehzahlregelung nicht in der Anfahrphase, sondern nur in der Einstellphase statt, während in der Anfahrphase eine Stromsteuerung vorgesehen wird. Um von der Anfahrphase in die Einstellphase überzugehen, kann ein Drehzahlregler mit der zuletzt erfassten Drehzahl vorgeladen werden. Ein überlagerter Stromregler kann mit dem zuletzt erfassten Motorstrom vorgeladen werden.
Die Erfindung sieht auch eine Stelleinrichtung mit einer Stelleinheit und einem bürstenlosen Gleichstrommotor vor, der mit der Stelleinheit über ein Getriebe gekoppelt ist, und mit einer Steuereinrichtung, die das oben beschriebene Verfahren realisiert. Der Drehzahlgrenzwert ist so gewählt, dass bei Erreichen des Drehzahlgrenzwertes ein vorhandenes Getriebespiel überwunden ist. Die erste Kennlinie der Anfahrphase ist ferner vorzugsweise so gewählt, dass auf dieser Kennlinie ein maximaler Motorstromgrenzwert erreicht werden kann, der ein maximal zulässiges Motormoment erzeugt, um den Rotor des Gleichstrommotors gegebenenfalls freizubrechen.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung ist im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Stelleinrichtung mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor, in dem die Erfindung zum Einsatz kommen kann;
2A zeigt ein Beispiel für eine erste Kennlinie zur Stromsteuerung in der Anfahrphase und Motorstromgrenzwerte für die Anfahrphase und die Einstellphase;
2B zeigt eine Kennlinie zur Vorgabe von Soll-Drehzahlen;
3A und 3B zeigen im Stand der Technik bekannte, schematische Darstellungen eines möglichen Stromverlaufs und eines möglichen Drehzahlverlaufs beim Anfahren des Motors bei durchschnittlicher Last und ohne Getriebespiel, im Vergleich zu den Kennlinien der 2A und 2B;
3C und 3D zeigen schematische Darstellungen eines möglichen Stromverlaufs und eines möglichen Drehzahlverlaufs beim Anfahren des Motors bei durchschnittlicher Last und ohne Getriebespiel, im Vergleich zu den Kennlinien der 2A und 2B;
4A und 4B zeigen im Stand der Technik bekannte, schematische Darstellungen eines möglichen Stromverlaufs und eines möglichen Drehzahlverlaufs beim Anfahren des Motors bei Schwergängigkeit des Getriebes und Getriebespiel, im Vergleich zu den Kennlinien der 2A und 2B;
4C und 4D zeigen schematische Darstellungen eines möglichen Stromverlaufs und eines möglichen Drehzahlverlaufs beim Anfahren des Motors bei Schwergängigkeit des Getriebes und Getriebespiel, im Vergleich zu den Kennlinien der 2A und 2B;
5A und 5B zeigen im Stand der Technik bekannte, schematische Darstellungen eines möglichen Stromverlaufs und eines möglichen Drehzahlverlaufs beim Anfahren des Motors bei Blockieren des Motors oder des Getriebes, im Vergleich zu den Kennlinien der 2A und 2B;
5C und 5D zeigen schematische Darstellungen eines möglichen Stromverlaufs und eines möglichen Drehzahlverlaufs beim Anfahren des Motors bei Blockieren des Motors oder des Getriebes, im Vergleich zu den Kennlinien der 2A und 2B;
AUSFÜHRLICH BESCHREIBUNG EINES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
1 zeigt eine Schnittdarstellung durch einen Stellantrieb, in dem die Erfindung eingesetzt werden kann. Der Stellantrieb umfasst einen bürstenlosen Gleichstrommotor 10, eine Getriebeeinheit 14 und eine Stellspindel 12, welche über die Getriebeeinheit 14 mit dem Gleichstrommotor 10 gekoppelt ist. Der Gleichstrommotor 10 kann einen an sich bekannten Aufbau haben und umfasst eine Welle 16 mit einem Rotor 18, die zur Drehung innerhalb eines Stators 20 gelagert sind. An einem Stirnende des Rotors 18 ist eine Schaltungsplatte 22 angeordnet, welche die Ansteuerelektronik für den Gleichstrommotor, wie Leistungstransistoren, sowie die Sensorik zur Erfassung der Drehlage des Rotors, wie Hall-Sensoren, trägt. Über die Schaltungsplatte 22 sind auch Anschlüsse 24 des Gleichstrommotors nach außen geführt.
An dem gegenüberliegenden Stirnende des Gleichstrommotors 10 ist die Welle 16 mit der Getriebeeinheit 16 verbunden. Die Getriebeeinheit 14 kann beispielsweise als Schneckengetriebe ausgebildet sein und treibt auf ihrer Abtriebsseite die Stellspinde 12 an. Die Stellspinde 12 ihrerseits kann mit einem Stellmechanismus gekoppelt sein, beispielsweise zur Sitzpositions-, Höhen- oder Neigungsverstellung in einem Kraftfahrzeugsitz.
Wenn der Gleichstrommotor 10 die Getriebeeinheit 14 und somit die Stellspinde 12 antreibt und hierfür anfährt oder seine Richtung ändert, wird das Anfahren des Gleichstrommotors 10 erfindungsgemäß mit einem speziellen Algorithmus gesteuert und anschließend geregelt, um möglichst geräuschfrei in das Getriebespiel einzufahren und den Rotor gegebenenfalls freizubrechen. Der Algorithmus für die Ansteuerung des Gleichstrommotors ist im Folgenden mit Bezug auf die 2 bis 5 beschrieben.
2A zeigt ein Beispiel für eine mögliche erste Kennlinie zur Steuerung des Motorstroms während der Anfahrphase und zur Strombegrenzung in der Anfahrphase und der Einstellphase. Die Ordinate gibt den Motorstrom wieder, wobei ein erster größerer Motorstromgrenzwert I₁ und ein zweiter kleinerer Motorstromgrenzwert I₂ eingezeichnet sind. Die Kennlinie gibt somit Einstellparameter für die Strombegrenzung auf den ersten und den zweiten Motorstromgrenzwert I₁ und I₂ sowie einen linearen Anstieg des Motorstroms für die Anfahrphase vor. Die beiden Motorstromgrenzwerte und der lineare Stromanstieg sind in 2A durch punktierte Linien dargestellt.
Der lineare Anstieg der ersten Kennlinie des Motorstroms in der Anfahrphase ist für einen Zeitraum von t = 0 bis t_CR vorgesehen, wobei t_CR den Zeitpunkt angibt, zu dem ein schwergängiger Motor spätestens freigebrochen sein sollte. Spätestens zu diesem Zeitpunkt sollte auch ein bestimmter vorgegebener Drehzahlgrenzwert n_min, der den Übergang von der Anfahrphase in die Einstellphase definiert erreicht bzw. überschritten sein. Der Motorstrom ist noch bis zu einem weiteren Zeitpunkt t_HC auf den höheren Motorstromgrenzwert I₁ begrenzt, um bei einem fortdauernden Blockieren des Motors für eine begrenzte Zeit weiterhin das maximal zulässige Motormoment zu erzeugen und so zu versuchen, den Rotor freizubrechen. Um zu verhindern, dass der Motor überhitzt, wird dann jedoch zu dem Zeitpunkt t_HC der Motorstrom auf den zweiten niedrigeren Motorstromgrenzwert I₂ begrenzt, der solange gilt, bis der Motor abgeschaltet wird. Die Strombegrenzung auf die Motorstromgrenzwerte I₁ und I₂ wird in der Regel nur wirksam, wenn der Motor blockiert, wie unten beschrieben ist. Die von 0 bis I₁ ansteigende erste Kennlinie gilt nur für die Anfahrphase, also bis die Drehzahl des Motors den Drehzahlgrenzwert n_min erreicht und die Einstellphase beginnt.
2B zeigt ein Beispiel für eine zweite Kennlinie für die Drehzahlregelung, die ausgehend von einer minimalen Drehzahl n_min bis zu einer ersten Betriebs-Solldrehzahl n₁ ansteigt, während einer definierten Zeitspanne t₂ auf dieser ersten Betriebs-Solldrehzahl n₁ bleibt und dann auf eine zweite Betriebs-Solldrehzahl n₂ ansteigt. Die zweite Betriebs-Solldrehzahl n₂ wird dann solange als Sollwert für die Motordrehzahl vorgegeben, bis der Stellvorgang beendet wird, beispielsweise durch Loslassen oder Drücken eines entsprechenden Tasters.
Durch Vorsehen der zwei unterschiedlichen Betriebs-Solldrehzahlen n₁ und n₂ kann der Gleichstrommotor so geregelt werden, dass er zunächst die Stelleinrichtung mit einer langsameren Geschwindigkeit bewegt und nur dann, wenn ein längerer Stellvorgang gewünscht ist, auf eine höhere Stellgeschwindigkeit übergeht.
Die 3A und 3B zeigen einen im Stand der Technik bekannten, möglichen Verlauf von Motorstrom und Drehzahl der Motorwelle für eine Stelleinrichtung, die ein Getriebe ohne Getriebespiel aufweist, bei durchschnittlicher Last und ohne Blockieren des Motors. Man erkennt, dass ohne besonders hohe Last und ohne Blockieren des Motors dieser recht schnell mit hohen Strömen beaufschlagt wird (3A), so dass die Drehzahl sehr schnell die gewünschte Drehzahl erreicht. Dabei kann es auch zu einem Überschwingen kommen, also einer stärkeren Drehzahlerhöhung als es gewünscht ist. Das abrupte Beschleunigen kann dabei vom Benutzer als unangenehm empfunden werden.
Die 3C und 3D zeigen einen auf der Erfindung beruhenden, möglichen Verlauf von Motorstrom und Drehzahl der Motorwelle für eine Stelleinrichtung, die ein Getriebe ohne Getriebespiel aufweist, bei durchschnittlicher Last und ohne Blockieren des Motors.
Während der Anfahrphase, bis spätestens zum Zeitpunkt t_CR wird der Motorstrom auf einer ansteigenden Rampe, von i = 0 bis i = I₁, gesteuert, wobei nun in der Praxis zu erwarten ist, dass der tatsächliche Strom diese Rampe nicht übersteigt, es also zu keinem Überschwingen kommt; siehe 3A. Der Motor fährt an, und die Drehzahl erhöht sich von n = 0 bis zu n = n_min und nicht darüber hinaus, wie in 3B gezeigt. Im Vergleich zum Stand der Technik ist die Beschleunigung auf die Solldrehzahl weniger abrupt, da bis dorthin der Motorstrom der einstellbaren Stromrampe folgt, so dass der Benutzer keine ruckartigen Bewegungen und kein Aufsummen des Elektromotors bemerkt. Gleichzeitig ist die Beschleunigung auf die Solldrehzahl trotzdem zügig genug, weshalb keine Verzögerung beim Anfahren des Sitzes zu spüren sind. Wenn die Motordrehzahl n einen Grenzwert erreicht, wie die minimale Drehzahl n_min, geht die Ansteuerung des Motors von der Anfahrphase in einer Einstellphase über, und die Stromsteuerung wird abgelöst durch eine Drehzahlregelung. In der Praxis wird der Drehzahlregelung noch eine Stromregelung überlagert werden. Dadurch wird erreicht, dass die Drehzahl n der Motorwelle genau auf der in 2B gezeigten Kennlinie verläuft; siehe 3D. Der Motor beschleunigt bis zu der ersten Solldrehzahl n₁, wird dann während einer vorgegebenen Zeitspanne t₂ auf dieser Drehzahl gehalten und, sofern die Stelleinrichtung weiter betätigt wird, beschleunigt der Motor anschließend auf die zweite Solldrehzahl n₂, auf der er bleibt, bis er kein Steuersignal mehr erhält. Die erste Solldrehzahl n₁ kann beispielsweise zur Feinjustierung einer Stelleinrichtung genutzt werden, und die zweite Solldrehzahl n₂ kann für eine Grobjustierung genutzt werden.
Die in den Figuren dargestellten Zeitspannen sind nicht maßstäblich zu verstehen. So kann beispielsweise der Zeitraum t₁ zur Beschleunigung auf die erste Solldrehzahl n₁ in der Größenordnung 100 Millisekunden liegen, und der Zeitraum t₂ für die Feinjustierung kann in der Größenordnung von z. B. 2 Sekunden liegen. Für die Beschleunigung im Zeitraum t₃ können wieder beispielsweise 100 Millisekunden vorgesehen sein, ebenso wie für das Abbremsen im Zeitraum t₄. Die Dauer der Verstellung mit der zweiten Solldrehzahl n₂ ist abhängig davon, wie lange die Stelleinrichtung von einem Nutzer betätigt wird.
Die 4A und 4B zeigen einen im Stand der Technik bekannten, möglichen Verlauf von Motorstrom und Drehzahl der Motorwelle für eine Stelleinrichtung, die ein Getriebe mit Getriebespiel aufweist, wobei das Getriebe schwergängig ist und/oder der Rotor des Gleichstrommotors freigebrochen werden muss.
Die Schwergängigkeit des Getriebes bezieht sich hier und im Folgenden neben dem Getriebe selbst auch auf alle mit dem Getriebe zusammenwirkenden mechanischen Bauteile.
Durch das Getriebespiel ist zu Beginn des Anfahrens die Solldrehzahl schnell erreicht, so dass zuerst nur ein kleiner Motorstrom anliegt, der dann zu gering ist, um das schwergängige Getriebe bewegen zu können bzw. den Gleichstrommotor freizubrechen. Dies führt zu einem sehr abrupten Anstieg des Motorstroms (siehe 4A). Aufgrund der noch sehr niedrigen Drehzahl liegt dann auch ein sehr hohes Drehmoment an. Nachdem der Widerstand überwunden ist, wird die Solldrehzahl erreicht, beziehungsweise sogar überschritten (siehe 4B), was zu einem schlagartigen Abbremsen des Motors führt. Das hohe Drehmoment und die abrupten Drehzahländerungen führen unter Umständen zu schnellen Änderungen der Verstellgeschwindigkeit des Sitzes und zu großer Geräuschentwicklung. Beide können vom Benutzer als unangenehm empfunden werden und sind daher nicht erwünscht.
Die 4C und 4D zeigen einen auf der Erfindung beruhenden, möglichen Verlauf von Motorstrom und Drehzahl der Motorwelle für eine Stelleinrichtung, die ein Getriebe mit Getriebespiel aufweist, wobei das Getriebe schwergängig ist und/oder der Rotor des Gleichstrommotors freigebrochen werden muss.
Während der Anfahrphase wird der Motorstrom entsprechend der ansteigenden Rampe von i = 0 bis i = I₁ vorgegebenen sollte. Da in dem Beispielfall der 4A und 4B jedoch angenommen wird, dass das Getriebe schwergängig ist, läuft der Motor zunächst nicht an, sodass der Motorstrom aufgrund des hohen Motorwiderstandes steil ansteigt und sich ein entsprechendes Drehmoment aufbaut. Dadurch wird die Schwergängigkeit des Getriebes überwunden und/oder der Rotor des Gleichstrommotors oder andere mechanische Bauteile freigebrochen, sodass die Motorwelle zu drehen beginnt. Nach dem Überwinden des Getriebespiels erreicht die Drehzahl den Drehzahlgrenzwert n_min, wobei dann von der Anfahrphase in die Einstellphase übergegangen wird. Die Stromsteuerung wird abgelöst durch eine Drehzahlregelung gemäß der zweiten, in 2B gezeigten Kennlinie; siehe 4D. Der Verlauf der Drehzahl und des zugehörigen Motorstrom sind dann im Wesentlichen wie oben mit Bezug auf die 3A und 3B beschrieben. Wegen der Schwergängigkeit des Getriebes kann der zum Erreichen der Soll-Drehzahl notwendige Motorstrom höher sein als in dem Beispiel der 3C und 3D. Gleichwohl werden auch bei dem Anwendungsfall der 4A und 4B die Grenzwerte I₁ und I₂ für den Motorstrom nicht erreicht oder gar überschritten. Jedoch folgt der Motorstrom, im Unterschied zum Stand der Technik, bis zum Erreichen des Drehzahlgrenzwertes n_min der voreingestellten Rampe. Beim Erreichen der Soll-Drehzahl und dem Umstellen auf eine Drehzahlregelung wird dann zwar der Motorstrom über die Rampe hinaus erhöht, so dass der Motor auf die Soll-Drehzahl beschleunigen kann, jedoch ist das anliegende Drehmoment geringer, da dem Motorstrom der durch die Relativbewegung der bestromten Statorwicklungen zum Rotormagnet induzierten Spannung (auch „back electromotive force“ genannt) entgegenwirkt. Desweiteren ist während des in der 4C gezeigten Anstiegs des Motorstroms die Differenz der aktuellen Drehzahl zur Soll-Drehzahl geringer als dies beim abrupten Ansteigen des Motorstroms nach dem Stand der Technik der Fall ist, so dass auch ein durch die Drehzahlregelung bedingtes Überschwingen verhindert werden kann.
Insgesamt wird der Benutzer auch bei einer Schwergängigkeit des Getriebes keine ruckartigen Bewegungen oder starke Geräuschentwicklungen spüren.
In den Anwendungsfällen der 3 und 4 wird ein Drehzahlregler beim Übergang von der Anfahrphase in die Einstellphase mit dem aktuell anliegenden Drehzahlen und Motorstromwerten des Gleichstrommotors vorgeladen. Diese Werte werden in der Praxis während der Anfahrphase laufend ermittelt und gegebenenfalls gespeichert. Der Drehzahlregler ist zu Beginn des Betriebs der Stelleinrichtung, während der Anfahrphase, deaktiviert und wird erst bei Erreichen des definierten Drehzahlgrenzwertes in Betrieb gesetzt.
Die 5A bis 5D schließlich zeigen einen Anwendungsfall, bei dem der Motor und/oder das Getriebe blockiert.
Während der Anfahrphase sollte der Motorstrom auf der ansteigenden Rampe von i = 0 bis I₁ ansteigen. Da aber der Motordrehung ein unendlicher Widerstand entgegengesetzt wird, steigt der in der 5A gezeigte Verlauf des Motorstroms nach dem Stand der Technik in der Praxis abrupt bis zu dem ersten höheren Motorstromgrenzwert I₁ an und bleibt dort bis zu dem Zeitpunkt t_CR, der die Zeitspanne begrenzt, während derer der höhere Motorstromgrenzwert I₁ anliegen darf. Die Drehzahl n der Motorwelle (siehe 5B) bleibt während dieser Zeit auf Null; das heißt, der Motor läuft trotz des hohen Motorstroms I₁ nicht an. Um ein Überhitzen des Motors zu verhindern, wird der Motorstrom anschließend auf einen zweiten niedrigeren Motorstromgrenzwert I₂ begrenzt, sodass auch nur ein entsprechend niedrigeres Drehmoment erzeugt wird. Dieser Strom liegt solange an, wie die Stelleinrichtung betätigt wird. Wenn auch das fortdauernde niedrigere Drehmoment, das bei dem niedrigeren Motorstromgrenzwert I₂ erzeugt wird, nicht ausreichend ist, um den Motor in Gang zu setzen, wie bei dem gezeigten Anwendungsfall, bleibt die Drehzahl n der Motorwelle auf Null; siehe 5B. Der Motorstrom wird abgeschaltet, wenn der (fehlgeschlagene) Stellvorgang beendet wird, beispielsweise durch Loslassen oder Drücken eines entsprechenden Tasters.
Die 5C und 5D schließlich zeigen einen Anwendungsfall, bei dem der auf der Erfindung beruhenden Motor und/oder das Getriebe blockiert. Trotz hohem Motorstroms läuft der Motor auch hier nicht an. Da aber der Drehzahlgrenzwert n_min nicht erreicht wird, schaltet die Regelung nicht auf eine Drehzahlregelung um, sondern folgt der Rampe für den Motorstrom bis der Motorstromgrenzwert I₁ erreicht wird. Um ein Überhitzen des Motors zu verhindern, wird der Motorstrom anschließend auf einen zweiten niedrigeren Motorstromgrenzwert I₂ begrenzt, sodass auch nur ein entsprechend niedrigeres Drehmoment erzeugt wird. Dieser Strom liegt solange an, wie die Stelleinrichtung betätigt wird.
Bezugszeichenliste

10: bürstenloser Gleichstrommotor
12: Stellspindel
14: Getriebeeinheit
16: Welle
18: Rotor
20: Stator
22: Schaltungsplatte
24: Anschlüsse

Claims

Verfahren zur Steuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors (10), bei dem in einer Anfahrphase der Gleichstrommotor (10) mit einem ersten Motorstrom angesteuert wird, der ausgehend von einem Stromanfangswert auf einer ersten Kennlinie ansteigt, während der Anfahrphase die Drehzahl des Gleichstrommotors (10) erfasst wird und bei Überschreiten eines Drehzahlgrenzwertes von der Anfahrphase in eine Einstellphase übergegangen wird, und in der Einstellphase die Drehzahl des Gleichstrommotors (10) auf der Grundlage eines Sollwertes geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in der Einstellphase eine Drehzahlregelung auf eine Solldrehzahl erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Drehzahlregelung eine Stromregelung überlagert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Sollwert in der Einstellphase eine Solldrehzahl ist, die auf einer zweiten Kennlinie verläuft.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Drehzahlgrenzwert für den Übergang von der Anfahrphase in die Einstellphase auf der zweiten Kennlinie liegt und die zweite Kennlinie in der Anfahrphase ansteigend ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die zweite Kennlinie in einem ersten Intervall der Einstellphase eine erste konstante Drehzahl, in einem zweiten Intervall der Einstellphase eine ansteigende Drehzahl, in einem dritten Intervall der Einstellphase eine zweite konstante Drehzahl und in einem vierten Intervall der Einstellphase eine absteigende Drehzahl als Solldrehzahl vorgibt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Strombegrenzung mit wenigstens zwei unterschiedlichen Motorstromgrenzwerten vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein erster größerer Motorstromgrenzwert während der Anfahrphase und eines ersten Teils der Einstellphase und ein zweiter kleinerer Motorstromgrenzwert während eines zweiten Teils der Einstellphase vorgesehen werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Kennlinie eine erste Stromkennlinie ist und dann, wenn in der Anfahrphase bis zum Ende der ersten Stromkennlinie der Drehzahlgrenzwert nicht erreicht wird, der Motorstrom gemäß einer vorgegebenen zweiten Stromkennlinie eingestellt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 8 und 9, wobei die zweite Stromkennlinie nacheinander während einer ersten Zeitspanne den ersten größeren Motorstromgrenzwert und während einer zweiten Zeitspanne den zweiten kleineren Motorstromgrenzwert vorgibt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in der Anfahrphase keine Drehzahlregelung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei beim Übergang von der Anfahrphase in die Einstellphase ein Drehzahlregler mit der zuletzt erfassten Drehzahl vorgeladen wird.
Stelleinrichtung mit einer Stelleinheit (12) und einem bürstenlosen Gleichstrommotor (10), der mit der Stelleinheit (12) über ein Getriebe (14) gekoppelt ist, und mit einer Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche auszuführen, wobei der Drehzahlgrenzwert so gewählt ist, dass bei Erreichen des Drehzahlgrenzwert ein Getriebespiel überwunden ist.
Stelleinrichtung nach Anspruch 13, wobei die erste Kennlinie der Anfahrphase so eingestellt ist, dass dann, wenn der Motorstrom auf der ersten Kennlinie einen maximalen Motorstromgrenzwert erreicht, ein maximales zulässiges Motormoment erzeugt wird, um den Rotor (18) des Gleichstrommotors (10) freizubrechen.