-
Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft einen Antrieb und ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebs.
-
Stand der Technik
-
Aus dem Stand der Technik sind Antriebe mit einem kommutierten Elektromotor bekannt. In der
EP 1 338 775 A2 treibt ein bürstenloser elektronisch kommutierter Elektromotor ein Getriebe an. Die Abtriebsseite des Getriebes ist wiederum mit einem Stellglied verbunden. Aus der Stellung bzw. der Position des Stellgliedes kann eine Winkellage am Abtrieb des Getriebes abgeleitet werden. Aus der Abtriebs-Winkellage kann wiederum grob auf die Rotor-Winkellage des Elektromotors geschlossen werden, wobei ein mögliches Getriebespiel bzw. die Getriebesteifigkeit bei der herkömmlichen Lösung unberücksichtigt bleibt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Antrieb oder ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Antriebs anzugeben. Insbesondere sollte die Abtriebs-Winkellage auch bei großen Getriebeübersetzungen oder großen Getriebeuntersetzungen möglichst genau erfasst werden können.
-
Die Aufgabe wird mit einem Antrieb nach dem Anspruch 1 und einem Verfahren zum Betreiben eines Antriebs nach dem nebengeordneten Anspruch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dieser Beschreibung.
-
Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Antrieb mit einem kommutierten Elektromotor, einem mit dem Elektromotor verbundenen koaxialen Getriebe, welches ein Hohlrad mit einer Innenverzahnung, einen Zahnträger, in welchem eine Mehrzahl von Zähnen zum Eingriff mit der Innenverzahnung aufgenommen sind, wobei die Zähne relativ zu dem Zahnträger in Längsrichtung der Zähne radial verschieblich gelagert sind, und ein Antriebselement mit einer Profilierung zum radialen Antrieb der radial verschieblich gelagerten Zähne umfasst, wobei der Antrieb ferner einen Getriebe-Drehgeber aufweist, welcher mit dem Abtrieb des Getriebes verbunden ist, wobei der Getriebe-Drehgeber angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, eine Abtriebs-Winkellage zu erfassen und als Abtriebs-Winkelsignal auszugeben.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines typischen Antriebs, mit Erfassen der Abtriebs-Winkellage auf der Abtriebsseite des Getriebes; Berechnen einer berechneten Rotor-Winkellage des Elektromotors aus der erfassten Abtriebs-Winkellage und einem Übertragungsverhältnis des Getriebes; und Bereitstellen eines Kommutierungssignals für den Elektromotor unter Verwendung der berechneten Rotor-Winkellage.
-
Typische Ausführungsformen bieten den Vorteil, dass das koaxiale Getriebe bei einer definierten Getriebeübersetzung oder Getriebeuntersetzung steif und weitgehend spielfrei ist. Typischerweise erlaubt daher die erfasste Abtriebs-Winkellage einen Rückschluss auf die Rotor-Winkellage des Elektromotors mit hoher Genauigkeit.
-
Üblicherweise umfasst das bei der Erfindung verwendete koaxiale Getriebe ein Antriebselement mit einer Profilierung und ein Hohlrad mit einer innenliegenden Verzahnung. Die Verzahnung ist typischerweise eine umlaufende Verzahnung. In die Verzahnung greifen die Mehrzahl von Zähnen oder die Zahnköpfe der Zähne ein, wobei die Zähne typischerweise linear radial verschieblich relativ zu dem Zahnträger gelagert sind. Dabei bedeutet „linear radial“ üblicherweise, dass eine Führung in radialer Richtung vorliegt, welche lediglich eine Bewegung des Zahnes in radialer Richtung zulässt. Typischerweise lässt sich durch die Führung das Zahnsegment in genau einer Richtung linear verschieben. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Zahn über eine bestimmte Streckenlänge einen gleichbleibenden Querschnitt in Verschieberichtung aufweist, wobei der Zahnträger ebenfalls eine Öffnung für das Zahnsegment mit gleichbleibendem Querschnitt aufweist.
-
Üblicherweise sind die Zähne in dem Zahnträger jeweils in genau einer Richtung verschieblich gelagert, typischerweise in Richtung der Längsachse des Zahnes. Weiterhin ist typischerweise der Rotationsfreiheitsgrad der Zähne relativ zu dem Zahnträger um die Längsachse des Getriebes gesperrt.
-
Typischerweise ist zumindest ein Teil der Zähne biegesteif ausgeführt. Der Begriff „biegesteif“ ist dabei typischerweise technisch zu verstehen, das heißt, dass Biegungen der Zähne aufgrund der Steifigkeit des Materials der Zähne derart klein sind, dass sie für die Kinematik des Getriebes zumindest im Wesentlichen unbedeutend sind. Biegesteife Zähne umfassen insbesondere Zähne, welche aus einer Metalllegierung, insbesondere Stahl oder einer Titanlegierung, einer Nickellegierung oder anderen Legierungen hergestellt sind. Weiterhin können auch biegesteife Zähne aus Kunststoff vorgesehen werden, insbesondere bei Getrieben, bei welchen auch zumindest einer der folgenden Teile ebenfalls aus Kunststoff hergestellt ist: Verzahnung an einem Hohlrad, Zahnträger und Antriebselement.
-
Typischerweise sind der Zahnträger und die Zähne aus einer Metalllegierung oder zusätzlich noch die Verzahnung oder weiter zusätzlich das Antriebselement aus einer Metalllegierung hergestellt. Solche Getriebe bieten den Vorteil, dass sie äußerst verdrehsteif und hoch belastbar sind. Getriebe aus Kunststoff bieten den Vorteil, dass sie ein geringes Gewicht aufweisen. Mit dem Ausdruck „biegesteif“ ist insbesondere eine Biegesteifigkeit um eine Querachse des Zahnsegments gemeint. Dies bedeutet insbesondere, dass bei einer Ansicht des Zahnsegments als Balken von einem Zahnfuß zu einem Zahnkopf eine Biegesteifigkeit vorliegt, welche Biegeverformungen zwischen Zahnkopf und Zahnfuß zumindest im Wesentlichen ausschließt. Durch die Biegesteifigkeit wird eine extrem hohe Belastbarkeit und Verdrehsteifigkeit des Getriebes erreicht.
-
Bei typischen Ausführungsformen ist zwischen dem Zahn und der Profilierung ein Schwenksegment angeordnet, welches auf einer Wälzlagerung gelagert ist, welche wiederum auf der Profilierung aufliegt. Vorteilhafte Ausführungsformen umfassen ein Schwenksegment, welches zwischen dem Antriebselement mit der Profilierung und jeweils mindestens einem Zahn angeordnet ist. Das Schwenksegment ermöglicht eine Verkippung des Zahnes relativ zu der Profilierung oder relativ zu dem Schwenksegment. Typischerweise sind auf einem Schwenksegment mindestens zwei Zähne gelagert. Mehrere auf einem Schwenksegment gelagerte Zähne sind typischerweise in einer Reihe in axialer Richtung nebeneinander angeordnet.
-
Typischerweise ist das Zahnsegment mit dem Schwenksegment lose verbunden. Dabei bedeutet „lose Verbindung“ vorzugsweise, dass das Zahnsegment lediglich auf das Schwenksegment aufgestellt, üblicherweise direkt aufgestellt ist. Bevorzugte Schwenksegmente umfassen ein Profil, welches ein Abrutschen des Zahnes von dem Schwenksegment oder ein Verrutschen des Schwenksegments zumindest in einer Richtung verhindert. Es sollte berücksichtigt werden, dass die Schwenksegmente auf diese Weise durch die radial und linear geführten Zähne in ihrer Lage in Umlaufrichtung relativ zu dem Zahnträger gehalten werden. Ein solches Profil kann beispielsweise ein Wulst sein, welcher in eine Vertiefung eingreift. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass das Zahnsegment nicht über das Schwenksegment gleitet. Damit wird erreicht, dass das Schwenksegment auf die Position des Zahnes festgelegt wird und eine Relativbewegung ìn Umfangsrichtung zwischen Zahnsegment und Schwenksegment ausgeschlossen wird. Vorzugsweise ist dabei das Profil derart angeordnet, dass eine Verschieblichkeit in Umfangsrichtung gesperrt wird, sodass ein Abrutschen in Umfangsrichtung vermieden wird. Bei weiteren Ausführungsformen können jedoch auch Kalotten-förmige, Kugel-förmige oder andere Erhebungen vorgesehen sein, welche ein Verrutschen der Schwenksegmente relativ zu den Zähnen verhindern.
-
Typische Schwenksegmente ermöglichen eine segmentierte Lagerung. Bei typischen Ausführungsformen bilden die Schwenksegmente oder andere Lagersegmente wie Platten eine segmentierte Lagerung. Die segmentierte Lagerung bietet den Vorteil, dass sie sich der Profilierung des Antriebselements anpassen kann und andererseits eine zuverlässige Kraftübertragung in radialer Richtung ermöglicht.
-
Die Schwenksegmente weisen vorzugsweise einander zugewandte Kanten mit Erhebungen und Vertiefungen auf, beispielsweise eine Wellenform oder eine gezackte Form. Dies bietet den Vorteil, dass Nadelrollen, welche unterhalb der Schwenksegmente angeordnet sind, auch bei einem größeren Abstand zwischen den Schwenksegmenten zuverlässig in dem Raum zwischen den Schwenksegmenten und dem Antriebselement gehalten werden.
-
Die lose Verbindung zwischen dem Zahnsegment und dem Schwenksegment bietet den Vorteil eines einfachen Aufbaus. Dabei bedeutet „lose Verbindung“ insbesondere, dass die Zähne nicht gegenüber einem Abheben von den Schwenksegmenten geschützt sind. Ein Abheben der Zähne von den Schwenksegmenten ist bei gattungsgemäßen Getrieben in der Regel dadurch verhindert, dass die Zähne an den Zahnköpfen durch die Verzahnung geführt sind.
-
Typische Ausführungsformen der Erfindung umfassen ein Antriebselement mit einer Profilierung. Die Profilierung weist vorzugsweise eine nicht-kreisförmige oder eine nicht-ellipsoide Bogenform oder Kurve auf. Die nicht-kreisförmige oder nicht-ellipsoide Bogenform bietet den Vorteil, dass beliebige Profilierungen verwendet werden können, um beispielsweise unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse einzustellen. Im Sinne dieser Anmeldung fallen Exzenter ebenfalls unter kreisförmige oder ellipsoide Formen, da bei Exzentern lediglich die Drehachse nicht der Mittelachse der Kreisform entspricht, gleichwohl jedoch eine Kreisform vorhanden ist. Bei typischen Ausführungsformen sind der Zahnträger oder die Verzahnung kreisförmig ausgebildet. Dies bietet den Vorteil einer einfachen Geometrie für den Zahnträger und die Verzahnung. Typischerweise erfolgt die Kraftübertragung auf der langsamen Seite des Getriebes zwischen der Verzahnung und dem Zahnträger. Dies bietet den Vorteil, dass der Weg für die Kraftübertragung äußerst kurz ist, sodass eine äußerst hohe Steifigkeit erreicht werden kann. Ausführungsformen, welche diese Bedingungen erfüllen, sind in einer nicht abschließenden Ausführung: Getriebe mit innenliegender Kurvenscheibe als Antrieb und außenliegendem Hohlrad mit Verzahnung, wobei der Zahnträger zwischen Hohlrad und Kurvenscheibe angeordnet ist; außenliegende Profilierung an einem Hohlrad zum Antrieb der radial beweglichen Zähne nach innen gegen eine Verzahnung, welche auf einem Zahnrad oder einer Zahnstange angeordnet ist.
-
Die Verzahnung und die Zähne weisen typischerweise gekrümmte Flanken auf. Beispiele für Krümmungen der Flanken sind eine zylinderförmige Krümmung oder eine Krümmung in Form einer logarithmischen Spirale. Für eine mögliche Ausführungsform einer Krümmung in Form einer logarithmischen Spirale wird auf die
DE 10 2007 011 175 A1 verwiesen. Die gekrümmte Oberfläche bietet den Vorteil, dass die in Eingriff stehenden Flanken flächig und nicht lediglich linien- oder punktförmig anliegen. Auf diese Weise wird eine extreme Steifigkeit bei der Kraftübertragung zwischen der Verzahnung und den Zähnen erreicht.
-
Typischerweise sind bei Ausführungsformen die Schwenksegmente relativ zueinander in Umfangsrichtung beweglich. Dies ermöglicht eine zwangsfreie Führung der Zähne sowie der Schwenksegmente. Auf diese Weise können zu hohe Zwangskräfte im Zusammenhang mit einer Vorspannung vermieden werden. Um diese Beweglichkeit zu erreichen, können die Schwenksegmente beispielsweise einen bestimmten Abstand zwischen sich aufweisen.
-
Bei typischen Ausführungsformen ist der Getriebe-Drehgeber ein optischer Geber, beispielsweise ein optischer Geber mit einer Codierscheibe mit einem oder mehreren Gray-Code-Spuren.
-
Der Getriebe-Drehgeber kann auch ein magnetischer Geber sein, üblicherweise mit einem Hall-Sensor. Der Getriebe-Drehgeber kann auch als kapazitiver Drehgeber oder als induktiver Drehgeber ausgebildet sein.
-
Der Getriebe-Drehgeber ist typischerweise ein Absolutwert-Drehgeber, beispielsweise ein Singleturn-Absolutwert-Drehgeber oder ein Multiturn-Absolutwert-Drehgeber.
-
Typischerweise löst der Getriebe-Drehgeber mit einer Genauigkeit von 1° oder besser auf, bevorzugt mit einer Genauigkeit von 0,5° oder besser, noch bevorzugter mit einer Genauigkeit von 0,1° oder besser.
-
Bei typischen Ausführungsformen ist der Antrieb mit einer Kommutierungseinrichtung für den Elektromotor versehen, wobei die Kommutierungseinrichtung dazu ausgebildet ist, aus dem Abtriebs-Winkelsignal eine berechnete Rotor-Winkellage des Elektromotors zu bestimmen und ein Kommutierungssignal für den Elektromotor unter Verwendung der berechneten Rotor-Winkellage zu erzeugen.
-
Der Elektromotor ist typischerweise ein bürstenloser Drehstrom-Synchronmotor, der oft auch als EC-Motor bezeichnet wird. Typischerweise ist der Rotor des Elektromotors permanenterregt, üblicherweise mittels Permanentmagneten, und der Stator des Elektromotors weist Drehstromwicklungen auf, typischerweise drei Drehstromwicklungen.
-
Typische Ausführungsformen bieten den Vorteil, dass auf einen Drehgeber zur direkten Bestimmung der Rotor-Winkellage verzichtet werden kann. Oft werden Antriebe in industriellen Umgebungen eingesetzt, beispielsweise in der industriellen Automation. Dort können technisch anspruchsvolle Umgebungsbedingungen herrschen, beispielsweise hohe Temperaturen, große Feuchtigkeit usw. Bei typischen Ausführungsformen wird die Rotor-Winkellage aus der erfassten Abtriebs-Winkellage berechnet, typischerweise unter Verwendung der bekannten Getriebeübersetzung oder Getriebeuntersetzung. Typischerweise ist die so bestimmte Rotor-Winkellage aufgrund der großen Getriebesteifigkeit und/oder des sehr geringen Getriebespiels des koaxialen Getriebes auch bei großen Getriebeübersetzungen oder Getriebeuntersetzungen sehr genau. Typischerweise erzeugt die Kommutierungseinrichtung das Kommutierungssignal für den Elektromotor zuverlässig und genau aus der berechneten Rotor-Winkellage.
-
Das Kommutierungssignal dient typischerweise dazu, jede der Drehstromwicklungen des Elektromotors jeweils mit einem von der momentanen Rotor-Winkellage abhängigen Strom zu beaufschlagen, so dass der Rotor des Elektromotors auf gewünschte Weise rotiert. Bei einem rotierenden Rotor ist die Rotor-Winkellage demnach zeitveränderlich, so dass das Kommutierungssignal typischerweise ebenfalls zeitveränderlich geeignet erzeugt wird.
-
Das Kommutierungssignal kann ein blockförmiges Kommutierungssignal sein, typischerweise ein dreiphasiges blockförmiges Kommutierungssignal. Bei einem blockförmigen Kommutierungssignal erfolgt eine Umschaltung des jeweiligen Ansteuerungssignals jeder der Drehstromwicklungen bei diskreten Rotor-Winkellagen, beispielsweise bei Rotor-Winkellagen von 60°, 120°, 180°, 240°, 300° und 360° (≙0°). Typischerweise wird ein Übergang des Rotors von einem Winkellagen-Sektor in den nachfolgenden Winkellagen-Sektor verwendet, um den Zeitpunkt der Umschaltung des Ansteuerungssignals zu bestimmen.
-
Das Kommutierungssignal kann auch ein kontinuierliches (weitgehend sinusförmiges) Kommutierungssignal sein, typischerweise ein dreiphasiges Kommutierungssignal. Ein kontinuierliches Kommutierungssignal, das den Drehstromwicklungen des Elektromotors zugeführt wird, stellt typischerweise ein Magnetfeld zur Verfügung, welches sich mit der Drehzahl des Elektromotors dreht. Die Rotor-Winkellage ist beim Erzeugen eines kontinuierlichen Kommutierungssignals typischerweise höher aufgelöst als beim Erzeugen eines blockförmigen Kommutierungssignals. Typischerweise wird die Rotor-Winkellage im Wesentlichen kontinuierlich ermittelt.
-
Typische Ausführungsformen bieten den Vorteil, dass die Genauigkeit hoch ist, mit welcher sich die Rotor-Winkellage aus der erfassten Abtriebs-Winkellage ermitteln lässt. Dadurch ist es typischerweise leicht möglich, ein genaues Kommutierungssignal, z. B. ein blockförmiges Kommutierungssignal oder ein kontinuierliches Kommutierungssignal, zu erzeugen.
-
Bei typischen Ausführungsformen sind das Getriebe und der Elektromotor mittels einer Hohlwelle zur Übertragung eines Antriebsmomentes des Elektromotors miteinander verbunden. Eine Hohlwelle ist typischerweise für die Durchführung von Komponenten nutzbar, typischerweise von Signalleitungen oder Versorgungsleitungen.
-
Bei typischen Ausführungsformen ist der Getriebe-Drehgeber auf der Nicht-Abtriebsseite des Elektromotors angeordnet. Typischerweise ist eine Welle mit dem Abtrieb des Getriebes verbunden, und die Welle ist durch die Hohlwelle hindurchgeführt, die der Übertragung des Antriebsmoments vom Elektromotor auf das Getriebe dient. Der Getriebe-Drehgeber ist dann typischerweise an demjenigen Ende der Welle angeordnet, welches nicht unmittelbar mit dem Abtrieb des Getriebes verbunden ist. Typischerweise wird die Welle auf der Nicht-Abtriebsseite des Elektromotors wieder aus diesem herausgeführt, d. h. die Welle geht durch den Elektromotor hindurch.
-
Typische Ausführungsformen bieten den Vorteil, dass der Getriebe-Drehgeber auf einer Seite des Antriebs angeordnet ist, auf welcher er gut geschützt liegt, beispielsweise gut geschützt gegen Umgebungseinflüsse, die auf der Abtriebsseite auftreten können. Typische Ausführungsformen bieten den weiteren Vorteil, dass der Getriebe-Drehgeber auf der Nicht-Abtriebsseite des Elektromotors angeordnet ist, so dass er keinen Bauraum im Abtriebsbereich beansprucht.
-
Bei typischen Ausführungsformen weist der Antrieb zusätzlich einen Motor-Drehgeber auf, welcher übersetzungslos mit dem Elektromotor verbunden ist. Typischerweise ist der Motor-Drehgeber dazu eingerichtet, die Rotor-Winkellage des Elektromotors zu ermitteln. Die Steifigkeit des Getriebes ist üblicherweise bekannt. Es ist typischerweise möglich, aus der bekannten Steifigkeit des Getriebes, der aus der Abtriebs-Winkellage bestimmten Rotor-Winkellage und der mit dem Motor-Drehgeber ermittelten Rotor-Winkellage einen Winkellage-Abweichungswert oder Verdrehwinkel zu berechnen.
-
Bei typischen Ausführungsformen ist der Motor-Drehgeber ein optischer Geber, beispielsweise ein optischer Geber mit einer Codierscheibe mit einem oder mehreren Gray-Code-Spuren.
-
Der Motor-Drehgeber kann auch ein magnetischer Geber sein, üblicherweise mit einem Hall-Sensor. Der Motor-Drehgeber kann auch als kapazitiver Drehgeber oder als induktiver Drehgeber ausgebildet sein.
-
Der Motor-Drehgeber ist typischerweise ein Absolutwert-Drehgeber, beispielsweise ein Singleturn-Absolutwert-Drehgeber oder ein Multiturn-Absolutwert-Drehgeber.
-
Bei typischen Ausführungsformen sind die Zähne des Getriebes in dem Zahnträger jeweils radial und/oder linear geführt, und/oder der Rotationsfreiheitsgrad der Zähne relativ zu dem Zahnträger ist um die Längsachse des Getriebes gesperrt. Dies wird beispielweise mit einer linearen Führung der Zähne in radialer Richtung in dem Zahnträger erreicht. Auf diese Weise drehen sich die Zähne mit dem Zahnträger um die Längsachse des Getriebes, allerdings nicht relativ zu dem Zahnträger.
-
Bei typischen Ausführungsformen umfasst das Antriebselement ferner eine Kurvenscheibe. Typischerweise erhöht die Kurvenscheibe die Getriebesteifigkeit und gewährleistet ein großes Übertragungsverhältnis.
-
Bei typischen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält das Kommutierungssignal ein Sollmomentsignal, und das Verfahren weist ein Bestimmen eines geschätzten Winkellage-Abweichungswerts zwischen der berechneten Rotor-Winkellage und einer geschätzten Rotor-Winkellage aus dem Sollmomentsignal und der Steifigkeit des Getriebes; ein Bestimmen eines Korrektursignals für die Rotor-Winkellage aus dem Abweichungswert; und ein Überlagern des Korrektursignals auf das Kommutierungssignal auf.
-
Das Korrektursignal wird typischerweise ohne einen zusätzlichen Drehgeber bestimmt, d. h. nur mit Hilfe des Getriebe-Drehgebers, dem Sollmomentsignal und der Steifigkeit des Getriebes. Mit einem überlagerten Korrektursignal ist es typischerweise möglich, den Einfluss der Steifigkeit des Getriebes und des Lastmoments (des abtriebsseitigen Moments) auf die Rotor-Winkellage zu verringern. Typischerweise ist eine genaue Kommutierung auch bei großer Last (bei großen abtriebsseitigen Momenten) möglich.
-
Bei typischen Ausführungsformen weist das Verfahren ein Messen einer Gegenspannung an einer Erregerwicklung des Elektromotors; ein Schätzen einer geschätzten Rotor-Winkellage des Elektromotors aus der Gegenspannung; ein Bestimmen eines Winkellage-Abweichungswerts zwischen der berechneten Rotor-Winkellage und der geschätzten Rotor-Winkellage; und ein Bestimmen eines Abtriebs-Drehmoments aus dem Drehwinkellage-Abweichungswert und der Steifigkeit des Getriebes auf.
-
Typischerweise kann ein Abtriebs-Drehmoment bereitgestellt werden, ohne dass zusätzlich ein Drehmomentsensor erforderlich ist.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, wobei die Figuren zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht eines Antriebs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
-
2 eine schematische Ansicht eines Regelungssystems für den Antrieb gemäß der Ausführungsform;
-
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben des Antriebs gemäß der Ausführungsform; und
-
4 eine halbe Schnittansicht des Getriebes des Antriebs gemäß der Ausführungsform.
-
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
-
Nachfolgend werden typische Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren beschrieben, wobei die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt ist, vielmehr wird der Umfang der Erfindung durch die Ansprüche bestimmt. Bei der Beschreibung der Ausführungsform werden unter Umständen in verschiedenen Figuren und für verschiedene Ausführungsformen gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Teile verwendet, um die Beschreibung übersichtlicher zu gestalten. Dies bedeutet jedoch nicht, dass entsprechende Teile der Erfindung auf die in den Ausführungsformen dargestellten Varianten beschränkt sind.
-
In der 1 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebs in einer schematischen Ansicht gezeigt. Der Antrieb wird in der Ausführungsform zur Lageregelung eines Stellgliedes eingesetzt.
-
Ein Elektromotor 10 ist in der Ausführungsform als kommutierter bürstenloser Drehstrom-Synchronmotor ausgebildet. Der Elektromotor 10 ist mittels einer Hohlwelle 15 mit der Antriebsseite eines koaxialen Getriebes 20 verbunden und dazu eingerichtet, das Getriebe 20 mittels eines über die Hohlwelle übertragenen Drehmoments anzutreiben.
-
Zur besseren Anschaulichkeit ist in der 1 die Abtriebsseite des Elektromotors 10 mit dem Buchstaben „B“ gekennzeichnet; die Nicht-Abtriebsseite des Elektromotors 10 ist entsprechend mit dem Buchstaben „A“ gekennzeichnet. Die Abtriebsseite „B“ und die Nicht-Abtriebsseite „A“ sind mittels einer strichpunktierten Linie getrennt dargestellt.
-
Das Getriebe 20, das weiter unten noch unter Bezugnahme auf 4 näher erläutert wird, ist als steifes und im Wesentlichen spielfreies Koaxialgetriebe ausgebildet und weist eine bekannte Übersetzung sowie eine bekannte Getriebesteifigkeit auf. Beispielsweise weist das Getriebe 20 eine Übersetzung von ungefähr 30:1 auf; möglich ist aber auch, dass das Getriebe 20 beispielsweise eine Übersetzung von 300:1 aufweist. Diese Werte sind anschaulich und nicht einschränkend zu verstehen; sie sollen vielmehr den großen Bereich von möglichen Getriebe-Übertragungsverhältnissen zeigen, in welchem die Erfindung einsetzbar ist.
-
Am Ausgang des Getriebes 20, d. h. auf der Abtriebsseite des Getriebes 20, ist eine Abtriebswelle 25 vorgesehen, welche mit ihrem vorderen Ende 26 aus dem Getriebe 20 austritt und beispielsweise eine (nicht dargestellte) Last antreibt.
-
Die Abtriebswelle 25 ist außerdem in Richtung der Nicht-Abtriebsseite A des Elektromotors verlängert und durch die Hohlwelle 15 und den Elektromotor 10 hindurchgeführt, so dass sie aus dem Elektromotor 10 mit ihrem hinteren Ende 27 auf der Nicht-Abtriebsseite A austritt.
-
Am hinteren Ende 27 der Abtriebswelle ist ein Getriebe-Drehgeber 30 angeordnet. Der Getriebe-Drehgeber 30 ist in der dargestellten Ausführungsform als optischer Absolutwertgeber ausgebildet und weist eine Auflösungsgenauigkeit von besser als 0,1° auf. Der Getriebe-Drehgeber 30 ist dazu ausgebildet, die Winkellage der Abtriebswelle 25 zu erfassen und als ein Abtriebs-Winkelsignal δ auszugeben.
-
Unter Bezugnahme auf die schematische Darstellung eines Regelungssystems in 2 wird nun beispielhaft erläutert, wie das Abtriebs-Winkelsignal δ erfindungsgemäß verwendet werden kann.
-
Auf der rechten Seite der Darstellung in 2 sind wiederum der Elektromotor 10, die Hohlwelle 15, das koaxiale Getriebe 20 und die Abtriebswelle 25 dargestellt. Eine schematisch dargestellte Last 70 wird von der Abtriebswelle 25 mit einem Drehmoment beaufschlagt. Aus Gründen der Einfachheit der Darstellung ist der Getriebe-Drehgeber 30 in 2 so dargestellt, dass er die Abtriebs-Winkellage an der Abtriebswelle 25 in der Nähe der Last 70 erfasst; der Getriebe-Drehgeber 30 kann jedoch, wie oben im Zusammenhang mit der 1 erläutert, weiterhin auf der Nicht-Abtriebsseite des Elektromotors 10 angeordnet sein.
-
Der Elektromotor 10 ist in der dargestellten Ausführungsform als dreiphasiger Drehstrom-Synchronmotor ausgebildet und wird mit einem dreiphasigen Kommutierungssignal k beaufschlagt. Dieses Kommutierungssignal k ist in der Ausführungsform ein blockförmiges Kommutierungssignal und muss in Abhängigkeit der momentanen Rotor-Winkellage für jede der drei Phasen passend erzeugt werden.
-
Hierzu ist gemäß der Ausführungsform eine Kommutierungseinrichtung 40 vorgesehen, die das Kommutierungssignal k elektronisch erzeugt. Die Kommutierungseinrichtung 40 weist einen Stromregler 41, einen Leistungsverstärker 42 und eine Kommutierungs-Umrechnungseinrichtung 45 auf.
-
Der Kommutierungs-Umrechnungseinrichtung 45 wird das Abtriebs-Winkelsignal δ aus dem Getriebe-Drehgeber zugeführt. Sie bestimmt unter Verwendung der bekannten Getriebesteifigkeit des Getriebes 20 und dessen bekannten Übersetzungsverhältnisses aus dem Abtriebs-Winkelsignal δ ein Rotor-Winkelsignal γ1, welches die berechnete Rotor-Winkellage des Rotors des Elektromotors 10 angibt. Dieses Rotor-Winkelsignal γ1 wird dem Stromregler 41 zugeführt, welcher mittels des Leistungsverstärkers das Kommutierungssignal k erzeugt.
-
Aus dem Abtriebs-Winkelsignal δ bestimmt ferner eine Drehzahl-Umrechnungseinrichtung 55 die Drehzahl des Rotors des Elektromotors 10 und führt diese einem Drehzahlregler zu. Auf ähnliche Weise bestimmt eine Lage-Umrechnungseinrichtung 65 aus dem Abtriebs-Winkelsignal δ und einem Lagesensor-Signal s (einem Referenzsignal) ein Lagepositions-Signal p. Dieses Lagepositions-Signal p wird einem Lageregler 60 zugeführt.
-
Der Lageregler 60, der Drehzahlregler 50 und der Stromregler 41 der Kommutierungseinrichtung 40 sind in einer Regler-Kaskade zusammengeschaltet. Der Regler-Kaskade wird beispielsweise ein Lage-Sollwert für die Lage des Stellglieds zugeführt.
-
Bei der Ausführungsform kann erfindungsgemäß auf einen zusätzlichen Drehgeber auf der Abtriebsseite B verzichtet werden. Der Getriebe-Drehgeber 30 wiederum kann aber – wie bei der Ausführungsform gezeigt – auf der Nicht-Abtriebsseite A angeordnet sein, wo er in der Regel weniger den potentiell schädlichen Prozesseinflüssen ausgesetzt ist, die auf der Abtriebsseite B vorliegen können. Des Weiteren kann eine genaue Motorkommutierung des Elektromotors 10 erfolgen, ohne einen zusätzlichen Motor-Drehgeber vorsehen zu müssen. Es kann eine genaue Lageregelung der Lage des Stellglieds erfolgen, ohne einen zusätzlichen Drehgeber vorsehen zu müssen.
-
Das in 2 gezeigte Regelsystem ist nur beispielhaft zu verstehen. Ebenso kann statt der Lageregelung auch eine Drehzahlregelung oder eine Halteregelung erfolgen. Des Weiteren kann eine Drehmomentregelung erfolgen, z. B. als Stromfolgeregelung bei Vorgabe eines Strom-Sollwerts.
-
Unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm in 3 wird nun ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebs erläutert. Der Ablauf beginnt in Schritt S101. In Schritt S102 wird anschließend zunächst die Abtriebs-Winkellage auf der Abtriebsseite des Getriebes 20 erfasst. Im sich anschließenden Schritt S103 wird eine Rotor-Winkellage des Elektromotors 10 aus der erfassten Abtriebs-Winkellage und einem Übertragungsverhältnis des Getriebes 20 berechnet. Im sich anschließenden Schritt S104 wird dann ein Kommutierungssignal k für den Elektromotor 10 unter Verwendung der berechneten Rotor-Winkellage bereitgestellt. In dem Ablauf wird anschließend zu Schritt S102 zurückgesprungen, so dass eine in Abständen wiederholende Erzeugung des Kommutierungssignals k erfolgt.
-
4. zeigt schließlich in einer halben Schnittansicht ein in dem Antrieb gemäß der Ausführungsform verwendetes Getriebe 20. Das Getriebe 20 weist ein Hohlrad 3 mit einer innen liegenden, umlaufenden Verzahnung 5 auf. Eine zweite Hälfte des Getriebes 20 ist im Schnitt dem dargestellten Schnitt analog aufgebaut. In die Verzahnung 5 greifen Zähne 7 ein. Zur besseren Übersichtlichkeit ist nicht jedes Zahnsegment 7 der 4 auch mit dem Bezugszeichen 7 versehen. Die Zähne 7 sind in einem Zahnträger 11 radial verschieblich gelagert. Hierzu weist der Zahnträger 11 radial ausgerichtete kanalartige runde oder schlitzartige Öffnungen auf, welche eine radiale Führung der Zähne 7 in dem Zahnträger 11 gewährleisten. Aufgrund der radialen Führung in den Öffnungen ist es für die Zähne 7 lediglich möglich, sich in radialer Richtung entlang ihrer Längsachse zu bewegen, insbesondere ist eine Verdrehung relativ zu dem Zahnträger 11 um eine Längsachse des Getriebes 20 ausgeschlossen.
-
Die Längsachse der Zähne bezeichnet typischerweise die vom Zahnfuß zum Zahnkopf verlaufende Achse, während die Längsachse des Getriebes in Richtung der Drehachse des Getriebes zeigt. Dies kann beispielsweise die Drehachse des als Abtrieb verwendbaren Zahnträgers sein oder auch die Drehachse einer Kurvenscheibe.
-
Die Zähne 7 werden durch ein Antriebselement angetrieben, welches eine hohle Kurvenscheibe 21 umfasst. Die Kurvenscheibe 21 weist eine Profilierung 22 auf, um die Zähne 7 in radialer Richtung anzutreiben. Die Profilierung 22 weist einen Verlauf mit zwei Erhebungen über den Umfang auf, sodass jeweils gegenüberliegende Zähne 7 am weitesten in Zahnlücken der Verzahnung 5 eingetreten sind.
-
Die Zähne 7 sind bei dem in 4 dargestellten Getriebe 1 mit einer Wälzlagerung auf der Profilierung des Antriebselements angeordnet. Die Wälzlagerung umfasst Wälzkörper 23, welche bei diesem Ausführungsbeispiel als Nadelrollen ausgeführt sind.
-
Das Getriebe 20 umfasst eine segmentierte Lagerung für die Zähne 7. Die segmentierte Lagerung umfasst Schwenksegmente 24, welche jeweils auf der dem Zahn 7 zugewandten Seite eine runde Zahnlagerfläche aufweisen, welche einen Wulst bildet, auf dem der Fuß eines Zahnes 7 angeordnet sein kann. Der Wulst verhindert zusammen mit einer entsprechenden Ausnehmung im Zahnfuß des jeweiligen Zahnes 7 ein Verrutschen des Zahnes 7 auf dem Schwenksegment 24.
-
Mit den Wulsten werden jeweils Fußgelenke für die Zähne 7 ausgebildet, sodass sich die Zähne 7 relativ zu den Schwenksegmenten 24 verkippen können, um eine zwangsfreie Führung zu gewährleisten. Die Schwenksegmente 24 sind relativ zueinander in Umlaufrichtung verschieblich, sodass sich die Abstände zwischen den Schwenksegmenten 24 verändern lassen. Auf diese Weise ist auch der Freiheitsgrad in Umlaufrichtung der Schwenksegmente 24 nicht gesperrt. Dies ermöglicht eine weitgehend zwangsfreie Führung und ein weitgehend zwangsfreien radialen Antrieb der Schwenksegmente 24 durch die Profilierung 22 der Kurvenscheibe 21. Für eine Minimierung des Reibungswiderstandes zwischen der Profilierung 22 und den Schwenksegmenten 24 sind die Wälzkörper 23 als Nadelrollen vorgesehen.
-
Die Zähne 7 sind derart ausgeführt, dass sie zwischen dem Antriebselement und der Verzahnung 5 des Hohlrades 21 unter Mitwirkung der Führung durch den Zahnträger 11 eingespannt sind. Dies wird erreicht, indem die Zähne 7 ein Übermaß von 0,01% des Durchmessers der Verzahnung 5 aufweisen. Die Zähne 7 sind also so lang ausgeführt, dass sie mit einer Vorspannung in dem Getriebe 20 aufgenommen sind. Dies bewirkt eine innere Vorspannung des Getriebes 20. Das Getriebe 20 ist dadurch sehr steif aufgebaut. Hierdurch wiederum ist ein genauer Rückschluss aus der Abtriebs-Winkellage δ auf die Rotor-Winkellage möglich, so dass eine genaue und zuverlässige Kommutierung des Elektromotors 10 möglich wird.
-
Die Erfindung ist nicht auf zuvor beschriebene Ausführungsform beschränkt, vielmehr wird der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche bestimmt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 1338775 A2 [0002]
- DE 102007011175 A1 [0018]
