DE102015210490A1

DE102015210490A1 - Kennlinienbestimmung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE102015210490A1
Application number: DE102015210490.7A
Authority: DE
Inventors: Simon Dierolf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-06-09
Filing date: 2015-06-09
Publication date: 2016-12-22
Also published as: CN106357170A; FR3037455B1; ITUA20164145A1; CN106357170B; FR3037455A1

Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen eines Zusammenhangs zwischen einer Rotorlage eines Elektromotors (10) und einer Stellgliedlage eines mit dem Elektromotor (10) verbundenen Stellglieds (14) umfasst: Kommutieren des Elektromotors (10) mit einem Wechselstrom (20), der mithilfe eines Spannungsvektors erzeugt wird, so dass sich das Stellglied (14) in einem Stellgliedwinkelbereich bewegt; Ermitteln eines Motorwinkels (ϕel) basierend auf dem Spannungsvektor; Erfassen eines Stellgliedwinkes (ϕS) mittels eines mit dem Stellglied (14) verbundenen Sensors (18); und Erfassen einer Kennlinie (22), die einen effektiven Stellgliedwinkel in Abhängigkeit des Motorwinkels (ϕel) angibt. Der Elektromotor (10) wird so kommutiert, dass sich der Elektromotor (10) zunächst in eine erste Richtung und anschließend in eine Gegenrichtung dreht, so dass der Stellgliedwinkelbereich in der ersten Richtung und in der Gegenrichtung mit der gleichen Geschwindigkeit durchlaufen wird, und dass beim Durchlauf eines Motorwinkels (ϕel) in der ersten Richtung und beim Durchlauf des Motorwinkels (ϕel) in der Gegenrichtung jeweils ein entsprechender Stellgliedwinkel (ϕS) erfasst wird und aus den beiden erfassten Stellgliedwinkeln (ϕS) ein Mittelwert als effektiver Stellgliedwinkel (ϕS) berechnet wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Zusammenhangs zwischen einer Rotorlage eines Elektromotors und einer Stellgliedlage eines mit dem Elektromotor verbundenen Stellglieds. Außerdem betrifft die Erfindung eine Steuerungseinheit.
Stand der Technik
Eine Drosselklappe für einen Verbrennungsmotor kann über ein Getriebe von einem bürstenlosen Elektromotor (beispielsweise einem BLDC-Motor) angetrieben werden. Für die Kommutierung des Motors mit Wechselstrom ist es vorteilhaft, wenn die Winkellage des Rotors bekannt ist, da in diesem Fall der Motor im „closed loop“-Betrieb geregelt werden kann, was zu einer Energieeinsparung führt. Da man keinen eigenen Lagesensor für den Rotor verbauen will, um beispielsweise Gewicht und Kosten zu sparen, wird auch versucht, die Rotorlage indirekt über einen Lagesensor der Drosselklappe zu bestimmen.
Im Allgemeinen besteht bei Stellantrieben mit bürstenlosem Gleichstrommotor, welche über keinen eigenen Rotorlagesensor oder andere Spannungs-/Stromsensoren zur Rotorlagebestimmung verfügen, die Möglichkeit, die Kommutierung des Motors basierend auf einer Lageinformation eines Lagesensors eines mittels des Motors angetriebenen Stellglieds durchzuführen.
Hierfür sollte der mechanische Zusammenhang ϕ_M = f(ϕ_S) zwischen der Stellgliedlage ϕ_S und der mechanischen Rotorlage ϕ_M bekannt sein, um daraus die für die Kommutierung notwendige elektrische Rotorlage ϕ_el = N_p·ϕ_M zu berechnen, wobei N_p die Polpaarzahl des Motors ist. Dadurch werden beispielsweise die Getriebeübersetzung und mögliche nichtlineare Zusammenhänge zwischen dem Rotor des Motors und dem Stellglied (bzw. Stellgliedlageinformation) kompensiert.
Um diesen Zusammenhang zu ermitteln, kann der Motor mit einer vorgegebenen Kommutierung, vorzugsweise mit sehr groß gewählten Stromvektorbeträgen, gesteuert (d.h. im „open loop“-Betrieb angetrieben) und in eine bestimmte Lage bewegt werden. Dabei kann die zugehörige Lageinformation des Stellgliedlagesensors aufgezeichnet werden. Somit kann dann zu einem späteren Zeitpunkt mit einer aktuell vorliegenden Sensorlageinformation auf diese Daten zurückgegriffen und somit die Rotorlage ϕ_el = N_p·ϕ_M für eine „closed loop“-Kommutierung berechnet werden.
Auch die DE 10 2010 063 326 A1 beschäftigt sich mit einem Stellgebersystem mit einem Stellglied.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, den Zusammenhang zwischen einer Rotorlage eines Elektromotors und einer Stellgliedlage eines mit dem Elektromotor verbundenen Stellglieds, beispielsweise in der Form einer Kennlinie, genau und schnell zu bestimmen.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Zusammenhangs zwischen einer Rotorlage eines Elektromotors und einer Stellgliedlage eines mit dem Elektromotor verbundenen Stellglieds. Das Stellglied (das auch als Aktuator bezeichnet werden kann) kann über ein Getriebe mit dem Elektromotor gekoppelt sein, wodurch sich ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen der Rotorlage und der Stellgliedlage ergeben kann.
Der Elektromotor kann ein bürstenloser Gleichstrommotor sein, der über eine Brückenschaltung mit einem mehrphasigen Wechselstrom kommutiert bzw. angetrieben werden kann.
Das Stellglied kann eine Drosselklappe oder ein aktives Fahrpedal eines Fahrzeugs sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren: Kommutieren des Elektromotors mit einem Wechselstrom, der mithilfe eines Spannungsvektors erzeugt wird, so dass sich das Stellglied in einem Stellgliedwinkelbereich bewegt; Ermitteln eines Motorwinkels basierend auf dem Spannungsvektor; Erfassen eines Stellgliedwinkes mittels eines mit dem Stellglied verbundenen Sensors; und Erfassen einer Kennlinie, die einen effektiven Stellgliedwinkel in Abhängigkeit des Motorwinkels angibt. Der Stellgliedwinkelbereich kann den gesamten möglichen Bewegungsbereich des Stellglieds umfassen (beispielsweise der komplette Bereich zwischen zwei Anschlagpunkten des Stellglieds). Es ist aber auch möglich, dass der Stellgliedwinkelbereich nur ein (eventuell kleiner) Teilbereich des gesamten möglichen Bewegungsbereichs ist.
Bei dem Verfahren wird zunächst ein Spannungsvektorwinkel ermittelt, aus dem dann beispielsweise mittels eines Spannungsbetrags ein Spannungsvektor und daraus mittels einer Clarke-Transformation eine mehrphasige Spannung berechnet wird. Aus der mehrphasigen Spannung können dann PWM-(pulse width modulation)-Signale für den Elektromotor erzeugt werden. Durch Wahl eines entsprechend hohen Spannungsbetrags kann der Elektromotor dadurch auch ohne Regelung zu einer Bewegung veranlasst werden. Der Spannungsvektorwinkel wird dabei so variiert, dass sich das mit dem Elektromotor bzw. dessen Rotor mechanisch verbundene Stellglied bewegt.
Während der Bewegung werden aus den berechneten Spannungsvektorwinkeln Motorwinkel abgeleitet (beispielsweise durch eine Formel oder durch einfaches Gleichsetzen) und aus Sensordaten Stellgliedwinkel ermittelt, die zusammen mit den Motordaten zu einer Kennlinie verarbeitet werden. Aus der Kennlinie kann dann ein effektiver Stellgliedwinkel, d.h. ein Stellgliedwinkel, bei dem beispielsweise nichtlineare Effekte des Getriebes berücksichtigt sind, in Abhängigkeit des Motorwinkels (und umgekehrt) bestimmt werden. Der Motorwinkel kann der elektrische Motorwinkel oder der mechanische Motorwinkel des Motors sein. Der mechanische Motorwinkel betrifft dabei die Winkellage des Rotors, während die elektrische Motorlage in der Regel durch Multiplizieren der mechanischen Motorwinkellage mit der Polpaarzahl des Motors bestimmbar ist.
Es ist zu verstehen, dass der Stellgliedwinkel und der Motorwinkel Informationen über die Stellgliedlage und die Rotorlage bereitstellen. Die ermittelte Kennlinie stellt also einen Zusammenhang zwischen der Stellgliedlage und der Rotorlage her.
Bei dem Verfahren wird der Elektromotor dabei derart kommutiert, dass sich der Elektromotor zunächst in eine erste Richtung und anschließend in eine Gegenrichtung dreht, so dass der Stellgliedwinkelbereich in der ersten Richtung und in der Gegenrichtung mit der gleichen Geschwindigkeit durchlaufen wird, und dass beim Durchlauf eines Motorwinkels in der ersten Richtung und beim Durchlauf des Motorwinkels in der Gegenrichtung jeweils ein entsprechender Stellgliedwinkel erfasst wird und aus den beiden erfassten Stellgliedwinkeln ein Mittelwert als effektiver Stellgliedwinkel berechnet wird.
Ist der Stellgliedwinkelbereich ein Teilbereich aus dem Bereich zwischen den Anschlagpunkten des Stellglieds so können auch mehrere Stellgliedwinkelbereiche über den kompletten Bereich zwischen den Anschlagpunkten des Stellglieds vorliegen. Jeder einzelne dieser Stellgliedwinkelbereiche kann dann in der ersten Richtung und in der Gegenrichtung mit der gleichen Geschwindigkeit durchlaufen werden.
Durch die (arithmetische) Mittelwertbildung von erfassten Stellgliedwinkeln, die bei gegenläufiger, aber gleicher Geschwindigkeit mit dem Stellgliedsensor erfasst werden, können Hystereseeffekte und geschwindigkeitsabhängige Effekte (wie etwa durch Reibung verursacht) beim Erstellen der Kennlinie ausgemittelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden der effektive Stellgliedwinkel und/oder der Motorwinkel für wenigstens eine Stützstelle der Kennlinie aus einer Mehrzahl von erfassten Stellgliedwinkeln und/oder aus einer Mehrzahl von ermittelten Motorwinkeln bestimmt, die einem die Stützstelle umgebenden Sektor zugeordnet sind. Die Kennlinie kann in mehrere Stützstellen aufgeteilt werden. Beispielsweise kann die Kennlinie in Form von Paaren aus einem effektiven Stellgliedwinkel und einem Motorwinkel abgespeichert werden und beim Auswerten der Kennlinie dazwischen interpoliert werden.
Beim Abfahren des Stellgliedwinkelbereichs werden die Stellgliedwinkel und/oder die Motorwinkel in einer Umgebung jeder Stützstelle gesammelt und anschließend durch Mittelwertbildung zu einem Wert je Stützstelle verdichtet.
Bei der Mittelwertbildung umfassend die Mehrzahl von erfassten Stellgliedwinkeln und/oder die Mehrzahl von ermittelten Motorwinkeln Werte für die erste Richtung und die Gegenrichtung. So können auch für jede Stützstelle, wie oben beschrieben, Hystereseeffekte und geschwindigkeitsabhängige Effekte ausgefiltert werden.
Beispielsweise werden eine Mehrzahl von Stellgliedwinkeln bei der Drehung in die erste Richtung und eine Mehrzahl von Stellgliedwinkeln bei der Drehung in die zweite Richtung in einem die Stützstelle umgebenden Sektor erfasst, und der effektive Stellgliedwinkel für die Stützstelle wird als Mittelwert der Mehrzahl von Stellgliedwinkeln in beiden Richtungen gebildet. Analoges kann für den Motorwinkel der Stützstelle geschehen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weisen Sektoren für Stützstellen unterschiedliche Breiten auf. Jeder Stützstelle kann ein Sektor des überfahrenen Stellgliedwinkelbereichs zugeordnet sein, wobei die Sektoren den überfahrenen Stellgliedwinkelbereich komplett überdecken können. Abhängig von einer zu erwartenden Nichtlinearität der Kennlinie können die Sektoren unterschiedlich breit angelegt werden, um die Genauigkeit einer Interpolation zwischen den Stützstellen zu erhöhen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Breite eines Sektors in Abhängigkeit einer durch den Elektromotor bedingten Fehlerperiode gewählt. Beispielsweise durch die Anzahl der Pole und/oder die Anzahl der Nuten kann der Elektromotor einen systematischen Fehler erzeugen, der periodisch schwankt, wenn der zu erfassende Stellgliedwinkelbereich überfahren wird. Diese Fehlerperiode kann aus der Anzahl der Pole und einer eventuell vorhandenen Getriebeübersetzung berechnet werden. Ist ein Sektor so breit wie ein Vielfaches dieser Fehlerperiode, wird durch die Mittelwertbildung der systematische Fehler ausgemittelt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der Motorwinkel aus einem Spannungsvektorwinkel für den Spannungsvektor durch Addieren eines Offsetwinkels ermittelt. Wie oben beschrieben, dient der Spannungsvektorwinkel zum Vorgeben einer Spannung für den Motor und dem Erzeugen des Wechselstroms. Der Motorwinkel muss nicht mit dem Spannungsvektorwinkel übereinstimmen. Hauptsächlich wird durch das Modell die Wirkung des Federmoments auf den Offset zwischen Spannungsvektorlage und Rotorlage sowie die Induktivität des Motors berücksichtigt.
Die Differenz (d.h. der Offsetwinkel) kann jedoch basierend auf einem mathematischen Modell des Elektromotors und/oder des Stellglieds aus einem Spannungsbetrag und/oder einer Geschwindigkeit des Spannungsvektors ermittelt werden. Dazu können beispielsweise eine vorberechnete Formel ausgewertet werden, in die bekannte Größen (wie etwa der aktuelle Spannungsvektorwinkel, der aktuelle Strom und/oder die aktuelle Spannung) eingehen und die den Offsetwinkel liefert.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung berücksichtigt das mathematische Modell ein winkelabhängiges auf den Elektromotor wirkendes Drehmoment. Ein durch das Stellglied auf den Elektromotor wirkendes winkelabhängiges und/oder richtungsabhängiges Drehmoment kann auch in die Ermittlung des Offsetwinkels einfließen. Beispielsweise kann dieses Drehmoment, das beispielsweise durch eine im Stellglied vorhandene Feder erzeugt wird, aus einer weiteren Kennlinie abgeleitet werden, die beispielsweise für das Verfahren vorgegeben sein kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Winkelposition eines Anschlagpunkts des Stellglieds aktiv ermittelt. Dies kann geschehen durch: Feststellen, dass sich der Anschlagpunkt nähert, da eine Winkelgeschwindigkeit des durch den Sensor erfassten Stellgliedwinkels einen Schwellwert unterschreitet; anschließendes Erhöhen des Spannungsvektorwinkels so lange, bis der erfasste Stellgliedwinkel einen Maximalwert überschritten hat; und Festlegen des Maximalwerts als Winkelposition des Anschlagpunkts.
Das Nähern eines Anschlagpunkts kann dadurch bestimmt werden, dass die Winkelgeschwindigkeit des Stellglieds, die über den vom Sensor bereitgestellten Stellgliedwinkel durch Differenzieren berechnet werden kann, unter einen vorgegebenen Wert sinkt. Dies geschieht, da der Anschlag dem Drehmoment des Rotors einen immer größer werdenden Widerstand entgegensetzt.
Anschließend kann der Spannungsvektorwinkel so lange erhöht werden, bis ein Maximalwert des Stellgliedwinkels überschritten wird. Durch das Erhöhen des Spannungsvektorwinkels auf diese Weise nimmt das von dem Rotor auf das Stellglied bewirkte Drehmoment zu und wieder ab und das Stellglied wird so mit unterschiedlichen Drehmomenten gegen den Anschlagpunkt gepresst. Dabei kann angenommen werden, dass bei einem maximalen Drehmoment auch der maximale Stellgliedwinkel erreicht wird (durch kleine elastische Verformungen) und sich bei diesem maximalen Stellgliedwinkel der Anschlagpunkt befindet.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Stellglied von einem Ausgangspunkt bis zu einem ersten Anschlagpunkt in der ersten Richtung, von dem ersten Anschlagpunkt bis zu einem zweiten Anschlagpunkt in der Gegenrichtung und von dem zweiten Anschlagpunkt bis zu dem Ausgangspunkt in der ersten Richtung bewegt. Der Ausgangspunkt kann beispielsweise durch eine neutrale Lage des Stellglieds (wie etwa ein Notluftpunkt einer Drosselklappe) bestimmt sein. Von dort wird das Stellglied so lange in eine Richtung bewegt, bis das Verfahren einen ersten Anschlagpunkt ermittelt hat. Dann wird das Stellglied in Gegenrichtung bewegt, bis ein zweiter Anschlagpunkt ermittelt wird. Anschließend wird das Stellglied wieder zum Ausgangspunkt zurückbewegt. Auf diese Weise kann für den gesamten möglichen Winkelbereich des Stellglieds die Kennlinie bestimmt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der Elektromotor beim Drehen in eine Richtung zunächst mit einer ersten Geschwindigkeit und anschließend mit einer zweiten Geschwindigkeit gedreht. Auf diese Weise können auf Trägheit basierende Effekte verringert werden. Diese Effekte können Fehler sein, die im mathematischen Modell der Offsetwinkelschätzung nicht berücksichtigt wurden. Diese Effekte können durch eine rampenförmige Geschwindigkeitsveränderung gering gehalten werden.
Auch ist es möglich, die Bewegung des Stellglieds in einem Bereich, in dem ein Anschlagpunkt erwartet wird, bereits zu verlangsamen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Steuerungseinheit, die dazu ausgeführt ist, das Verfahren, so wie obenstehend und unterstehend beschrieben, auszuführen. Die Steuerungseinheit kann beispielsweise einen Prozessor umfassen, auf dem das Verfahren als Computerprogramm ausgeführt wird. Das Verfahren kann auf einem Computer-lesbaren Medium (wie etwa einem EPROM) in der Steuerungseinheit gespeichert sein.
Weiter kann die Steuerungseinheit auch dazu ausgeführt sein, basierend auf dem ermittelten Zusammenhang bzw. der Kennlinie den Elektromotor unter Zuhilfenahme von erfassten Stellgliedwinkeln zu regeln.
Die Steuerungseinheit kann auch eine Endstufe umfassen, die dazu ausgeführt ist, basierend auf PWM-(„pulse width modulation“)-Signalen aus einem Gleichstrom einen (in der Regel mehrphasigen) Wechselstrom zu erzeugen, mit dem der Motor dann kommutiert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
1 zeigt schematisch ein System aus einem Elektromotor und einem Stellglied.
2 zeigt schematisch eine Steuerungseinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt ein Diagramm, das einen Bewegungsablauf illustriert, der durch ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erzeugt wird.
4 zeigt ein Diagramm, mit einem Geschwindigkeitsprofil, das durch ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erzeugt wird.
5 zeigt ein Diagramm mit einer Kennlinie, die durch ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erzeugt wird.
6 zeigt ein Diagramm mit Messwertlinien, die ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung illustrieren.
7 zeigt ein Diagramm mit einer Kennlinie für ein Drehmoment, die in einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung Verwendung findet.
8 zeigt ein Diagramm, mit dem das Finden eines Anschlagspunkts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung illustriert wird.
Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
Ausführungsformen der Erfindung
Systemübersicht
1 zeigt ein System mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor 10, der über ein Getriebe 12 mit einem Stellglied 14 mechanisch gekoppelt ist. Beispielsweise ist das System eine Drosselvorrichtung, bei der ein BLDC-Motor 10 über ein Getriebe 12 mit dem Übersetzungsverhältnis 20:1 mit einer Drosselklappe als Stellglied 14 gekoppelt ist.
Die 1 illustriert auch Größen, die im Folgenden verwendet werden. ϕ_el bezeichnet den elektrischen Motorwinkel, ϕ_M den mechanischen Motorwinkel und ϕ_S den Stellgliedwinkel. Dabei gilt ϕ_el = N_p·ϕ_M, wobei N_p die Polpaarzahl des Elektromotors 10 ist. Der BLDC-Motor 10 besitzt beispielsweise eine Polpaarzahl von N_p = 2. Das Stellglied 14 weist beispielsweise einen Verfahrweg von ca. 90° auf, so dass zwischen den beiden mechanischen Anschlägen des Stellglieds 14 eine Motorbewegung von ϕ_M = 1800° bzw. ein elektrischer Motorwinkel von ϕ_el = N_p·ϕ_M = 3600° möglich ist.
Der Stellgliedwinkel ϕ_S hängt normalerweise in einer nichtlinearen Form von dem Winkel ϕ_el bzw. ϕ_M ab. Im Folgenden wird ein Verfahren beschrieben, mit dem der Zusammenhang zwischen diesen Größen von einer Steuerungseinheit „online“, d.h. während des Betriebs, ermittelt werden kann.
Die 2 zeigt diese Steuerungseinheit 16, die mittels eines Lagesensors 18 des Stellglieds einen aktuellen Stellgliedwinkel ϕ_S empfängt und einen Wechselstrom 20 mit den Phasen U, V, W erzeugt, der den Motor 10 in Drehung versetzt. Da der Motor 10 über das Getriebe 12 mit dem Stellglied 14 verbunden ist, hat dies in der Regel eine Rückwirkung auf den Stellgliedwinkel ϕ_S. Wenn aus dem aktuellen, erfassten Stellgliedwinkel ϕ_S der elektrische Motorwinkel ϕ_el ermittelt werden kann, kann die Steuerungseinheit 16 den Motor 10 darüber regeln, was zu einer erheblichen Energieersparnis führen kann.
Im Folgenden wird beschrieben, wie die Steuerungseinheit 16 eine Kennlinie 22 ermitteln kann, mittels der aus dem erfassten Stellgliedwinkel ϕ_S der elektrische Motorwinkel ϕ_el (und umgekehrt) bestimmt werden kann.
Dazu koordiniert (konkret steuert) die Steuerungseinheit 16 im Block 24 („Grundadaption“) die Ausrichtung bzw. den Spannungsvektorwinkel φ_v des Spannungsvektors U →(φ_v) sowie dessen Kreisfrequenz bzw. Geschwindigkeit φ ._v. Der gewünschte Spannungsvektorwinkel φ_v wird im Block 26 zusammen mit einem frei parametrierbaren Betrag des Spannungsvektors |U →| durch eine Clarke-Transformation in Motorphasenspannungen umgerechnet:
Basierend auf beispielsweise der aktuellen Batteriespannung, die die Versorgungsspannung der Endstufe 28 darstellt, können vom Block 26 dann drei PWM-Tastverhältnisse PWM1, PWM2 und PWM3 berechnet und über die Endstufe 28, die die Phasenströme für die Phasen U, V, W erzeugt, an den Motor 10 ausgegeben werden.
Der Motor 10 wird entsprechend seinen mechanischen Motorwinkel ϕ_M verändern, was wiederum über das Getriebe 12 die Lage des Stellglieds 14 und damit den Stellgliedwinkel ϕ_S beeinflusst.
Zur Ermittlung der Kennlinie 22 wird im Block 30 aus dem aktuellen Stellgliedwinkel ϕ_S und weiteren Größen 32 des Systems, die weiter unten beschrieben werden, ein Offsetwinkel ∆φ_el geschätzt, der zum Spannungsvektorwinkel φ_v addiert wird, um einen geschätzten elektrischen Motorwinkel φ_el zu erzeugen.
Die Werte für den geschätzten elektrischen Motorwinkel φ_el und den Stellgliedwinkel ϕ_S werden in Verbindung gebracht und in der Rotorlagekennlinie 22 abgelegt. Die in der Rotorlagekennlinie 22 (nichtflüchtig) gespeicherten Informationen ϕ_M = f(ϕ_S) können dann zur Regelung der Kommutierung des Motors 10 verwendet werden.
Verfahrensablauf
Die 3 zeigt ein Diagramm, bei dem nach rechts die Zeit in Sekunden und nach oben der elektrische Motorwinkel φ_el des Motors 10 aufgetragen ist. Das Diagramm zeigt, wie das Verfahren den Winkel φ_el während der Aufnahme der Kennlinie verändert. Die 4 zeigt ein korrespondierendes Geschwindigkeitsprofil, d.h. ein Diagramm, bei dem nach rechts der Stellgliedwinkel ϕ_S (als Sensorspannung des Sensors 18 in Volt) und nach oben die Rotorgeschwindigkeit φ ._v (in rad pro Sekunde) aufgetragen ist.
In den 3 und 4 sind ein Ausgangspunkt 34 der Bewegung, ein erster, oberer Anschlagpunkt 36 und ein zweiter, unterer Anschlagpunkt 38 des Stellglieds 14 eingezeichnet. Während der Aufnahme der Kennlinie 22 wird das Stellglied 14 in beide Richtungen einmal komplett vom Anschlagpunkt 36 zum Anschlagpunkt 38 bewegt. Der Verlauf startet im Ausgangspunkt 34 zwischen den Anschlagpunkten 36, 38. Beispielsweise bei dem sogenannten Notluftpunkt einer Drosselklappe, bei der die Drosselklappe beispielsweise ca. 8° offen ist, da sich die Drosselklappe im stromlosen Zustand federgetrieben zu diesem Punkt 34 bewegt.
Der weitere Verlauf ist so gesteuert, dass jede Position bzw. jeder Winkel des möglichen Stellgliedwinkelbereichs einmal in eine erste (beispielsweise öffnende) Richtung und einmal in eine zweite (beispielsweise schließende) Richtung mit derselben Geschwindigkeit (bestimmt durch die Kreisfrequenz φ ._v) durchfahren wird.
Vom Ausgangspunkt 34 wird die Geschwindigkeit zu einem ersten Wert erhöht, mit der sich das Stellglied 14 bis vor den ersten Anschlagpunkt 36 bewegt. Im Bereich des Anschlagpunkts 36 wird die Geschwindigkeit auf einen zweiten Wert vermindert. Dann wird, wie es weiter unten beschrieben ist, die Position des Anschlagpunkts 36 ermittelt. Anschließend wird zunächst mit der zweiten Geschwindigkeit, dann mit der ersten Geschwindigkeit und ab dem Ausgangspunkt 34 wieder mit der zweiten Geschwindigkeit der weitere Weg abgefahren. Hier wird am Ende auch der zweite Anschlagpunkt 38 ermittelt und am Ende mit der zweiten Geschwindigkeit zum Ausgangspunkt 34 zurückgekehrt.
In beiden 3 und 4 ist sichtbar, dass jede Position innerhalb des Stellgliedwinkelbereichs einmal in die eine Richtung und einmal in die andere Richtung mit der gleichen Geschwindigkeit angefahren wird. Für eine bestimmte elektrische Rotorlage φ_el,k, wobei k der Abtastpunkt ist, wird also φ_S,öffnend,k und φ_{S,schließend,k} ermittelt. Wird dann für den entsprechenden Punkt φ_el,k = f(φ_S,k) in der Rotorlagekennlinie 22 der arithmetische Mittelwert φ_S,k = 1 / 2 (φ_S,öffnend,k + φ_{S,schließend,k}) gebildet und dieser abgelegt, werden implizit bei der Abtastung des Sensorsignals auftretende Verzögerungen und dadurch entstehende Messfehler kompensiert. Wird in öffnender Richtung zunächst, begründet durch die zeitdiskrete Abtastung des Sensorsignals und/oder einen vorgeschalteten Anti-Aliasing-Filter, ein zu kleiner Wert für φ_S,öffnend,k zwischengespeichert, wird der anschließend an selber Position φ_el,k ermittelte symmetrisch zu große Wert φ_{S,schließend,k} das Endergebnis φ_S,k wieder korrigieren.
Erfolgt eine Berücksichtigung der Abtastverzögerungen (bspw. durch ein PDT1-Glied, ein Proportional-Differentialglied 1. Ordnung/1. Verzögerung), würde diese Maßnahme mögliche Fehler der Zeitkonstante und/oder Verzögerungszeit ausgleichen.
Werden bei der Aufnahme der Rotorlagekennlinie 22 durch die Schätzung des Offsetwinkels ∆φ_el im Block 30 auch Reibungsanteile berücksichtigt, wird der durch mögliche (symmetrische) Reibung hervorgerufene Fehlerwinkel durch diese Maßnahme ebenso reduziert.
Die symmetrische Aufzeichnung der Rotorlagekennlinie 22 mit positionsabhängig gleicher Geschwindigkeit kann zu den folgenden Vorteilen führen. Von nicht in einer Software berücksichtigten Abtastverzögerungen bzw. Fehlerkompensationen bei Berücksichtigung der Abtastverzögerungen werden unabhängig von der aktuell konfigurierten Geschwindigkeit bzw. Kreisfrequenz φ ._v kompensiert. Der durch (symmetrische) Reibungsanteile hervorgerufene Fehler bei der Schätzung des Offsetwinkels ∆φ_el wird reduziert.
Sektoraufteilung der Kennlinie und Mittelwertbildung
Die 5 zeigt ein Diagramm mit einer Kennlinie 22, das nach rechts analog der 4 den Stellgliedwinkel ϕ_S und nach oben den elektrischen Motorwinkel φ_el anzeigt. Die Kennlinie ist mittels einer Mehrzahl von Stützstellen 40 gebildet, die jeweils ein Paar aus einem elektrischen Motorwinkel φ_el und einem Stellgliedwinkel ϕ_S umfassen. Diese Stützstellen können in einem Speicher der Steuerungseinheit 16 abgelegt werden. Der Zusammenhang der Werte zwischen den Stützstellen kann durch Interpolation berechnet werden.
Jeder Stützstelle 40 ist ein Sektor 42 des Stellgliedwinkelbereichs zugeordnet, der zur Berechnung des den Stellgliedwinkel ϕ_S und des elektrischen Motorwinkels φ_el dient.
Diese Sektoren 42 sind auch in der 6 gezeigt, deren Diagramm wie die 5 nach rechts den Stellgliedwinkel ϕ_S und nach oben den Fehler von aus dem Stellgliedwinkel ϕ_S ermittelten elektrischen Motorwinkeln φ_el zeigt. Der Fehler wurde in Bezug auf einen gemessenen Motorwinkel berechnet, der direkt an der Motorwelle von einem dort befestigten Rotorlagesensor bestimmt wurde. Dieser Rotorlagesensor ist normalerweise bei dem System der 1 nicht vorhanden und wurde nur zum Ermitteln des Fehlers hinzugefügt.
Die Linien 44 zeigen den Fehler des Spannungsvektorwinkels φ_v. Der obere Abschnitt der Linie 44 bezieht sich dabei auf den Hinweg, während sich der untere Teil der Linie 44 auf den Rückweg bezieht. Deutlich sichtbar ist hierbei die hohe Differenz von mehr als 40° zwischen dem öffnend (Hinweg) und dem schließend (Rückweg) aufgenommenen Teil. Würde der Verfahrbereich des Stellglieds 14 nur in einer (z.B. öffnender) Richtung durchgeführt (d.h. ohne Mittelwertbildung und Offsetwinkelschätzung), wäre der ermittelte Motorwinkel um ca. 40° falsch. Durch das Bilden des Mittelwerts zwischen den beiden Teilen der Linie 44 wird somit der Fehler auf weniger als 20° reduziert.
Die Linien 46 zeigen den ermittelten Motorwinkel φ_el nach Berücksichtigung des Offsetwinkels ∆φ_el ohne die Kompensation durch die Mittelwertbildung. Wieder bezieht sich der obere Abschnitt der Linie 46 auf den Hinweg, während sich der untere Teil der Linie 46 auf den Rückweg bezieht. Die Linien 46 zeigen eine deutliche Abweichung zu dem gemessenen Motorwinkel von ca. 20°. Wird nun der Mittelwert gebildet, wird die Abweichung auf unter 5° reduziert (Linie 48).
Um den Stellgliedwinkel ϕ_S und den Motorwinkel φ_el für die Stützstellen 40 zu ermitteln, werden während der Bewegung des Motors 10 kontinuierlich Datenpunkte ϕ_S,k und ϕ_el,k gesammelt. k markiert hierbei den Rechenschritt innerhalb der zeitdiskreten Berechnung, beispielsweise in einem Microcontroller der Steuerungseinheit 16.
Statt die erfassten einzelnen Samples φ_el,k = f (φ_S,k) für die Kennlinie 22 alle abzuspeichern, werden pro Sektor 42 lediglich gemittelte Werte abgespeichert. Dadurch wird die abzulegende Datenmenge drastisch reduziert, ohne die Genauigkeit wesentlich zu verschlechtern. Der Motorwinkel φ_el,k kann im Anschluss dann per Interpolation zwischen den beiden benachbarten Stützstellen auf Basis von φ_S,k berechnet werden.
Für die Bereiche unterhalb des Notluftpunkts 34 und oberhalb des Notluftpunkts 34 sind unterschiedliche Stützstellenabstände bzw. unterschiedliche Breiten für die Sektoren 42 parametriert, um die individuell in diesen Bereichen auftretenden Nichtlinearitäten bei möglichst geringer Speichernutzung bestmöglich abzudecken.
Die Stützstelle 40 kann durch den Mittelwert aller innerhalb des zugehörigen Sektors 42 erfassten Werte für φ_S,k und φ_el,k definiert werden. Es gehen insbesondere die Werte beider Bewegungsrichtungen ein. Die Werte für eine einzelne Stützstelle 40 (mit Nummer N) bestimmen sich also wie folgt:
Hierbei ist N₁ der erste Samplewert und N₂ der letzte Samplewert innerhalb des Sektors 42 mit der Nummer N. φ_S,N und φ_el,N bestimmen dann zusammen als Wertepaar die Stützstelle 40 für den Sektor 42 mit der Nummer N.
Der Motorwinkel zwischen benachbarten Stützstellen 40 kann durch ein Interpolationsverfahren berechnet werden. Im Randbereich kann die Berechnung des Motorwinkels durch ein entsprechendes Extrapolationsverfahren auf Basis der abgelegten Stützstellen 40 ermittelt werden.
Bezüglich der Wahl der Breite eines Sektors 42 sollte im Wesentlichen ein guter Kompromiss zwischen Speicherbedarf und guter Abdeckung der Sensor-/Systemnichtlinearitäten erreicht werden.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Breite eines Sektors 42 auf den vorliegenden Motorripple (ein periodischer Fehler durch den Motor 10) abzustimmen. Ein Motorripple (sichtbar auch in 6) ist bei jedem BLDC-Motor 10 zu einem gewissen Grad vorhanden und führt zu Abweichungen bei der Identifikation der Rotorlagekennlinie 22. Wird allerdings die Breite eines Sektors 42 entsprechend einer einzelnen (oder ganzzahligen Vielfachen davon) auf die Stellgliedseite des Getriebes umgerechnete Ripple-Periode abgestimmt, wird dieser Fehler eliminiert. Folgende Bedingung muss hierzu erfüllt sein:
i_G ist dabei die Getriebeübersetzung. Das Definieren der Kennlinie 22 basierend auf Stützstellen 40 und deren Ermittlung über Sektoren 42 kann zu folgenden Vorteilen führen: Das Verfahren wird robuster gegenüber einzelnen Samples mit Messfehlern und hochfrequenter Anteile oder Rauschen durch Mittelung über mehrere Samples. Die Rotorlagekennlinie 22 wird speicheroptimiert abgebildet, bei guter Abdeckung von Nichtlinearitäten in Sensorkennlinie oder System. Außerdem können Rippleeffekte durch Wahl der Sektorbreite abgestimmt auf die Periode des Ripples kompensiert werden.
Schätzung des Offsetwinkels
Durch verschiedene Ursachen liegt in der Regel immer ein Differenzwinkel ∆φ_el = φ_v – φ_el zwischen dem Spannungsvektorwinkel φ_v und des tatsächlichen elektrischen Motorwinkels φ_el vor. Diese Ursachen sind bspw. das dauerhaft durch eine Rückstellfeder im Stellglied 14 auf den Motor 10 aufgeprägte Drehmoment (siehe hierzu auch 7), das aus der Reibung resultierende Motordrehmoment sowie induktive und magnetische Effekte des Motors 10 und andere Effekte.
Grundsätzlich lässt sich dieser Differenzwinkel ∆φ_el durch die Wahl eines maximal großen Spannungsvektors |U →| minimieren, hier sind allerdings durch die zur Verfügung stehende Versorgungsspannung und dem maximalen Endstufen-/Motorstrom Grenzen erreicht.
Der übrig bleibende Fehler ∆φ_el kann jedoch auch durch ein inverses Motormodell online geschätzt werden und damit der erwartete elektrische Motorwinkel φ_el = φ_v – ∆φ_el genauer berechnet werden. Es ist möglich, die Daten offline zu rechnen und als Kennfeld in Bezug auf Position und Geschwindigkeit abzulegen.
Die Berechnung des Offsetwinkels ∆φ_el basiert auf einem vereinfachten inversen Motormodell, das wie folgt berechnet werden kann: Die Spannungsgleichungen U_d = I ._dL_d + R_sI_d – L_qI_qω_el (5) U_q = I ._qL_q + R_sI_q + L_dI_dω_el + ψ_pω_el (6) werden durch Entfall der Terme, die die induktive Gegenspannung repräsentieren, vereinfacht zu U_d = R_sI_d – L_qI_qω_el (7) U_q = R_sI_q + L_dI_dω_el + ψ_pω_el. (8)
Da die Batteriespannung und der Betrag des ausgegebenen Spannungsvektors bekannt ist, kann folgender Zusammenhang definiert werden: U·sin(∆φ_el) = R_sI_d – L_qI_qω_el (9) U·cos(∆φ_el) = R_sI_q + L_dI_dω_el + ψ_pω_el. (10)
Durch Erweiterung um die Momentengleichung T_i = 3 / 2N_p(ψ_p + (L_d – L_q)I_d)I_q (11) entsteht ein Gleichungssystem mit drei Gleichungen und den drei Unbekannten: Längsstrom I_d, Querstrom I_q und dem gesuchten Differenzwinkel ∆φ_el. Die Motorparameter 32 (siehe 1) wie R_s, ψ_p, L_d, L_q und N_p sind aus dem Motormodell bekannt und können (ggf. temperaturkompensiert) eingesetzt werden. Die elektrische Kreisfrequenz bzw. Geschwindigkeit ω_el entspricht der Kreisfrequenz bzw. Geschwindigkeit des Spannungsvektors (φ ._v ≈ φ ._el) und ist damit ebenso bekannt.
Das Motordrehmoment T_i kann beispielsweise positionsabhängig von der Steuerungseinheit 16 berechnet werden.
Beispielsweise zeigt die 7 ein Diagramm mit einer Drehmomentkennlinie 50, bei der der Stellgliedwinkel nach rechts und das winkel- und richtungsabhängige Drehmoment T_i nach oben dargestellt ist. Im Beispielfall wird das Drehmoment T_i von einer Rückstellfeder plus Reibung erzeugt. Im Falle einer Drosselklappe ist über Federvorspannung und Federsteifigkeit die komplette Federkennlinie bekannt, wodurch zusammen mit der bekannten Gleitreibung des Systems das innere Drehmoment T_i des Motors 10 winkel- bzw. positionsabhängig berechnet werden kann.
Löst man das Gleichungssystem der Gleichungen (9), (10) und (11) nach ∆φ_el auf, erhält man zwei Lösungen, wobei die folgende (12) die einzige stabile darstellt.
Die Gleichung kann entweder (vereinfacht) online gerechnet werden oder in Form einer Kennlinie oder einer Kennfeldes in der Steuerungseinheit 16 abgelegt werden.
Zusammengefasst führt die modellbasierte Schätzung des Offsetwinkels ∆φ_el bei der Bewegung des Stellglieds 14 im gesteuerten Betrieb zu dem Vorteil einer erhöhten Genauigkeit. Die Fehler in der Rotorlagekennlinie 22 sinken durch dieses Verfahren beispielsweise von 35° auf 15°.
Bestimmung der Anschlagsposition
Um einen reibungslosen Betrieb des Stellglieds 14 sicherzustellen, kann es wichtig sein, Fertigungstoleranzen dadurch auszugleichen, dass die Position von mechanischen Anschlägen online bestimmt wird.
Hierbei kann mittels des Motors 10 das Stellglied 14 in die jeweilige Position eines Anschlagpunkts 36, 38 gedrückt werden und dann das dabei vorliegende Signal des Lagesensors 18 abgespeichert werden. Der zugehörige Stellgliedwinkel des Stellglieds 14 kann als Referenzposition für die weitere Positionsregelung dienen.
Vorteilhaft zur Bestimmung eines Anschlagpunkts 36, 38 sind eine sichere Anlage des Stellglieds 14 am mechanischen Anschlagpunkt sowie eine gute Reproduzierbarkeit des Vorgangs.
Da häufig bei der Anschlagbestimmung eines Stellglieds 14 mit BLDC-Motor 10 die Rotorlagekennlinie 22 noch nicht bestimmt wurde, ist eine wirkungsgradoptimale Kommutierung und damit genaue Einstellung des Motordrehmoments noch nicht möglich. Die Bestimmung der Anschläge 36, 38 muss somit im gesteuerten Betrieb erfolgen, in dem sich der Rotor des Motors 10, wie oben beschrieben, nach einem starken angelegten Spannungsvektor ausrichtet und diesem folgt.
Eine Bestimmung eines Anschlagpunkts 36, 38 kann während einer auf diese Art durchgeführten kontinuierlichen Bewegung des Stellglieds 14 durch Bildung des Gradienten des vom Sensor 18 gelieferten Stellgliedwinkels ϕ_S erfolgen, bspw. mittels eines (zeitdiskreten) DT2-Elements (ein differenzierenden Übertragungselement 2. Ordnung/2. Verzögerung). Das Auftreffen auf einen mechanischen Anschlagpunkt 36, 38 kann also durch einen plötzlichen Abfall der berechneten Bewegungsgeschwindigkeit detektiert werden, bspw. über den Vergleich mit einem Schwellwert. Der Stellgliedwinkel ϕ_S zum Zeitpunkt des Überschreitens der Bewegungsgeschwindigkeitsschwelle besitzt aber in der Regel nur eine begrenzte Aussagekraft bezüglich des mechanischen Anschlagpunkts 36, 38. Ursache hierfür können Reibungseffekte sein, die sich in der Nähe des Anschlagpunkts 36, 38 verändern, wie auch das Ripple-Moment des Motors 10, das sich auch deutlich in der berechneten Bewegungsgeschwindigkeit zeigt (siehe Oberwellen in der 6).
Um die Genauigkeit einer Anschlagpunktsbestimmung zu erhöhen, kann nachgelagert nach der (Vor-)Erkennung des Anschlagpunkts 36, 38 durch Abfall der Bewegungsgeschwindigkeit ein weiterer Schritt angehängt werden. Im Folgenden wird dieser weitere Schritt beschrieben.
8 zeigt ein Diagramm mit dem prinzipiellen Verlauf des Zusammenhangs zwischen dem Differenzwinkel ∆φ_el, der nach rechts aufgetragen ist, und dem relativen Motordrehmoment, das nach oben aufgetragen ist. Dieser Zusammenhang ist als Linie 52 dargestellt. Die 100%-Marke 54 liegt hierbei bei dem Drehmoment, das beim aktuell angelegten Spannungs-/Stromvektorbetrag und idealer Kommutierung erzielt werden kann.
Zu Beginn der Positionsbestimmung eines Anschlagpunkts 36, 38 liegt der Differenzwinkel ∆φ_el beispielsweise bei Bewegung in öffnende Richtung entgegen des Federmoments (in etwa einer Drosselklappe) in dem Bereich 56. Bewegt sich das Stellglied 14 an den mechanischen Anschlagpunkt 36, 38 (hier in öffnender Richtung), beginnt sich ∆φ_el durch das steigende Drehmoment zu erhöhen. In Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit, der Filterzeitkonstante des DT2-Filters sowie dem Schwellwert für die Bewegungsgeschwindigkeit erfolgt dann die (Vor-)Erkennung des Anschlagpunkts 36, 38 an der Position der gestrichelten Linie 58. Diese Vorerkennung des Anschlagpunkts sollte erfolgen, bevor das Momentenmaximum im Punkt 54 erreicht wird, d.h. wenn die gestrichelte Linie 58 links vom Maximum 54 liegt.
Im nächsten Schritt wird dann die Rotation des Spannungsvektors fortgeführt und dabei das Signal des Lagesensors 18, d.h. des Stellgliedwinkels ϕ_S, überwacht. Dieser Vorgang ist durch den Bereich 60 gekennzeichnet. Das Überfahren des Maximalmoments 54 kann über den Verlauf des Lagesensorsignals bzw. den Stellgliedwinkel ϕ_S überwacht werden. Durch elastische Verformung des Stellglieds im Anschlagpunkt 36, 38 wird der höchste Stellgliedwinkel ϕ_S am Punkt des Maximaldrehmoments erreicht. Bei fortgeführter Spannungsvektordrehung nimmt der Stellgliedwinkel ϕ_S wieder ab. Hier kann als Abbruchbedingung eine Verdrehung des Spannungsvektors um einen bestimmten Betrag (bspw. 30°) seit der letzten Erkennung eines „neuen“ Maximalwerts verwendet werden. Diese Stelle ist durch die gepunktete Linie 62 dargestellt. Der bei Auftreten der Abbruchbedingung bekannte Maximalwert des Stellgliedwinkels ϕ_S wird dann als Anschlagpunktsposition betrachtet und abgespeichert.
Als alternative Erkennung kann eine vordefinierte Verdrehung des Spannungsvektors ausgehend von der Position der Vorerkennung (bspw. 60°) verwendet werden. Hier wird ebenfalls der Maximalwert der in diesem Intervall auftretenden Stellgliedwinkel ϕ_S als Anschlagpunktsposition betrachtet und abgespeichert.
In beiden Fällen kann zur Rauschunterdrückung ein Filter (bspw. Median-Filter) eingesetzt werden.
Im Anschluss an diesen Schritt der Anschlagpunktsbestimmung kann der Spannungsvektor direkt sprunghaft zur zum Zeitpunkt der Vorerkennung vorliegenden Spannungsvektorposition zurückbewegt werden, um im Anschluss im gesteuerten Betrieb das Stellglied 14 wieder vom Anschlagpunkt 36, 38 wegzubewegen (illustriert durch den Pfeil nach links). Dies spart die Zeit, die zum (erneuten) Überdrehen des Maximums notwendig wäre und beschleunigt dadurch das Bestimmen der Kennlinie 22.
Zusammengefasst kann das Verfahren zur Anschlagpunktsbestimmung durch „Überdrehen“ des Spannungs-/Stromvektors über das Momentenmaximum zu dem Vorteil einer höheren Genauigkeit und Reproduzierbarkeit bezüglich der adaptierten Anschlagpunktsposition führen. Es wird damit sicher das maximale Drehmoment des Motors 10 erreicht und somit ein sicheres Anfahren des Anschlagpunkts 36, 38 mit hoher Kraft ermöglicht.
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“ etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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

DE 102010063326 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Zusammenhangs zwischen einer Rotorlage eines Elektromotors (10) und einer Stellgliedlage eines mit dem Elektromotor (10) verbundenen Stellglieds (14), das Verfahren umfassend: Kommutieren des Elektromotors (10) mit einem Wechselstrom (20), der mithilfe eines Spannungsvektors erzeugt wird, so dass sich das Stellglied (14) in einem Stellgliedwinkelbereich bewegt; Ermitteln eines Motorwinkels (ϕ_el) basierend auf dem Spannungsvektor; Erfassen eines Stellgliedwinkes (ϕ_S) mittels eines mit dem Stellglied (14) verbundenen Sensors (18); Erfassen einer Kennlinie (22), die einen effektiven Stellgliedwinkel in Abhängigkeit des Motorwinkels (ϕ_el) angibt; dadurch gekennzeichnet, dass sich der Elektromotor (10) zunächst in eine erste Richtung und anschließend in eine Gegenrichtung dreht, so dass der Stellgliedwinkelbereich in der ersten Richtung und in der Gegenrichtung mit der gleichen Geschwindigkeit durchlaufen wird; und dass beim Durchlauf eines Motorwinkels (ϕ_el) in der ersten Richtung und beim Durchlauf des Motorwinkels (ϕ_el) in der Gegenrichtung jeweils ein entsprechender Stellgliedwinkel (ϕ_S) erfasst wird und aus den beiden erfassten Stellgliedwinkeln (ϕ_S) ein Mittelwert als effektiver Stellgliedwinkel (ϕ_S) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der effektive Stellgliedwinkel (ϕ_S) und/oder der Motorwinkel für wenigstens eine Stützstelle (40) der Kennlinie (22) aus einer Mehrzahl von erfassten Stellgliedwinkeln (ϕ_S) und/oder aus einer Mehrzahl von ermittelten Motorwinkeln (ϕ_el) bestimmt werden, die einem die Stützstelle (40) umgebenden Sektor (42) zugeordnet sind; wobei die Mehrzahl von erfassten Stellgliedwinkeln (ϕ_S) und/oder die Mehrzahl von ermittelten Motorwinkeln (ϕ_el) Werte für die erste Richtung und die Gegenrichtung umfassen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei Sektoren (42) für Stützstellen (40) unterschiedliche Breiten aufweisen; und/oder wobei die Breite eines Sektors (42) in Abhängigkeit einer durch den Elektromotor (10) bedingten Fehlerperiode gewählt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Motorwinkel (ϕ_el) aus einem Spannungsvektorwinkel (φ_v) für den Spannungsvektor durch Addieren eines Offsetwinkels (∆φ_el) ermittelt wird; wobei der Offsetwinkel (∆φ_el) basierend auf einem mathematischen Modell des Elektromotors (10) und/oder des Stellglieds (14) aus einem Spannungsbetrag und/oder einer Geschwindigkeit des Spannungsvektorwinkels (φ_v) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das mathematische Modell ein winkelabhängiges auf den Elektromotor (10) wirkendes Drehmoment berücksichtigt und ein durch das Stellglied (14) auf den Elektromotor (10´) wirkendes winkelabhängiges und/oder richtungsabhängiges Drehmoment in die Ermittlung des Offsetwinkels (∆φ_el) einfließt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Winkelposition eines Anschlagpunkt (36, 38) des Stellglieds (14) ermittelt wird, durch: Feststellen, dass sich der Anschlagpunkt (36, 38) nähert, da eine Winkelgeschwindigkeit des durch den Sensor (18) erfassten Stellgliedwinkels (ϕ_S) einen Schwellwert unterschreitet; anschließendes Erhöhen des Spannungsvektorwinkels so lange, bis der erfasste Stellgliedwinkel (ϕ_S) einen Maximalwert überschritten hat; Festlegen des Maximalwerts als Winkelposition des Anschlagpunkts (36, 38).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stellglied (14) von einem Ausgangspunkt (34) bis zu einem ersten Anschlagpunkt (36) in der ersten Richtung, von dem ersten Anschlagpunkt (36) bis zu einem zweiten Anschlagpunkt (38) in der Gegenrichtung und von dem zweiten Anschlagpunkt (38) bis zu dem Ausgangspunkt (34) in der ersten Richtung bewegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor (10) beim Drehen in eine Richtung zunächst mit einer ersten Geschwindigkeit und anschließend mit einer zweiten Geschwindigkeit gedreht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stellglied (14) über ein Getriebe (12) mit dem Elektromotor (10) gekoppelt ist.
Steuerungseinheit (16), die dazu ausgeführt ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.