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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben und zur Ermittlung eines Betriebszustands eines elektromagnetischen Aktors. Die Erfindung betrifft auch eine Kupplungsvorrichtung mit einem Kupplungsmittel zum wahlweise mechanischen Verbinden und Trennen zweier Bauteile sowie einem elektromagnetischen Aktor zur Betätigung der Kupplung. Die Erfindung betrifft auch einen Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einer solchen Kupplungsvorrichtung.
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Elektromagnetische Aktoren werden eingesetzt, um Stellaufgaben zu realisieren, beispielsweise zur Betätigung von Kupplungen in Kraftfahrzeuggetrieben. Dabei ist es oftmals von großer Bedeutung die aktuelle Aktorposition (= Stellposition, welche der Aktor einnimmt) für Regelstrategien oder Sicherheitskonzepte zu kennen. Darüber hinaus kann es oftmals erforderlich sein, die Temperatur des Aktors zu kennen, beispielsweise zur Zustandsüberwachung (Condition Monitoring). Häufig sind dazu externe Sensoren im Einsatz. Der Aufwand für externe Sensoren ist jedoch hoch. Es wird beispielsweise Bauraum benötigt, die Integration ist schwierig, eine Verkabelung muss berücksichtigt werden und normalerweise ist auch die Wandlung des Sensorsignals in ein digitales Signal erforderlich. Zudem führt die Toleranzkette der beteiligten Bauteile zu Ungenauigkeiten. Durch die Nutzung sogenannter inhärenter Messeffekte innerhalb elektromagnetischer Aktoren kann auf externe Sensoren verzichtet werden.
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Methoden zur inhärenten Zustandserkennung von Elektromotoren sind bekannt. Weniger weitläufig bekannt sind Lösungen für eine Zustandserkennung bei elektromagnetischen Linearaktoren oder vergleichbaren Magnetaktoren. Bei diesen Aktoren werden zur Erfassung der Aktorposition daher meist externe Wegmesssysteme oder Annäherungssensoren eingesetzt.
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Das in der
DE 102005018012 A1 vorgeschlagene Konzept einer inhärenten Positionserkennung basiert auf dem Drosselspulenprinzip. Bei dem in der
DE 102007034768 B3 vorgeschlagenen Konzept kommt die so genannte Hystereseverstärkung zum Einsatz.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch die in den Hauptansprüchen angegebenen Merkmale gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen hiervon sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Demnach wird eine Vorrichtung zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktors und zur Ermittlung eines Betriebszustands des Aktors vorgeschlagen. Die Vorrichtung weist einen Zweipunktregler zum Betreiben des Aktors und ein Ermittlungsmittel auf. Das Ermittlungsmittel ist dazu ausgebildet, einen zeitlichen Verlauf eines von dem Zweipunktregler ausgegebenen Ansteuerungssignals zu ermitteln und hieraus den Betriebszustand zu bestimmen. Insbesondere wird dazu eine Dynamik des Ansteuerungssignals ermittelt.
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Die Vorrichtung ist ausgebildet, auf Grundlage des Ansteuerungssignals dem Aktor einen elektrischen Strom, im Folgenden auch kurz „Aktorstrom“ genannt, zuzuführen. Entsprechend des zeitlichen Verlaufs des Ansteuerungssignals bildet sich ein charakteristischer zeitlicher Verlauf des Aktorstroms aus. Darin ist der Betriebszustand des Aktors inhärent enthalten, denn dieser bestimmt wesentlich, die Geschwindigkeit, mit der sich der Aktorstrom aufbaut und wieder abbaut, sowie die maximale und durchschnittliche Höhe des Aktorstroms.
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Es wurde nun erkannt, dass sich auf Grund der charakteristischen Regelung eines Zweipunktereglers der Betriebszustand des Aktors auch im Ansteuerungssignal selbst wiederfindet. Der zeitliche Verlauf des Aktorstroms schlägt sich nämlich im Ansteuerungssignal wieder. Diese Erkenntnis macht sich die Erfindung zu Nutze und nimmt dementsprechend das Ansteuerungssignal des Zweipunktreglers heran, um daraus sehr einfach und genau auf den Betriebszustand des Aktors zu schließen.
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Bei dem elektromagnetischen Aktor handelt es sich insbesondere um einen elektromagnetischen Linearaktor. Der elektromagnetische Aktor kann insbesondere über zumindest oder genau eine Spule verfügen. Durch diese Spule(n) ist ein Anker des Aktors magnetisch bewegbar. Diese Bewegung ist am Aktor abgreifbar und mechanisch als Stellbewegung des Aktors nutzbar. Die Aktorposition entspricht hierbei einer Position des Ankers innerhalb des Aktors oder einer Stellposition, welche der Aktor äußerlich einnimmt. Mittels der Vorrichtung sind insbesondere eine Aktortemperatur und/oder eine Aktorposition des Aktors ermittelbar. Diese bilden dementsprechend dann den gesuchten Betriebszustand des Aktors.
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Das vorgeschlagene Konzept bietet den Vorteil, dass nur wenige Mittel eingesetzt werden brauchen, um Informationen über den gegenwärtigen Betriebszustand des Aktors zu erhalten. Diese Informationen können sofort weiterverarbeitet werden, beispielsweise zur Steuerung oder Regelung des Aktors. Durch die Verwendung der integrierten Sensoreffekte des Aktors kann die Toleranzkette gegenüber normalerweise verwendeten externen Sensoren verkürzt werden.
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Bevorzugt ist der Zweipunktregler ein analoger Zweipunktregler. Es kann sich hierbei insbesondere um einen diskret, also in Hardware, aufgebauten Zweipunktregler handeln. Bei entsprechend schneller Hardware kann der analoge Zweipunktregler auch als Softwaremodul, beispielsweise eines Steuergeräts oder eines anderweitigen Mikrocontrollers, ausgebildet sein.
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Bevorzugt sind dem Zweipunktregler eine obere Stromgrenze und eine untere Stromgrenze vorgegeben, mit der er den Aktorstrom begrenzt. Der Zweipunktregler weist außerdem insbesondere eine Komparatorschaltung sowie ein RS-Flipflop (= Reset-Set-Flipflop) auf. Der Zweipunktregler lässt dann den Aktorstrom mit Hilfe der Komparatorschaltung und des RS-Flipflops zwischen den Stromgrenzen toggeln, d.h. der Aktorstrom schwankt zwischen den Stromgrenzen. Die Stromgrenzen können beispielsweise von einem Mikrocontroller dem Zweipunktregler vorgegeben sein.
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Innerhalb des Zweipunktreglers wird der aktuelle Aktorstrom, der beispielsweise gemessen sein kann, mit den vorgegebenen Stromgrenzen verglichen. Bei einer Überschreitung der oberen Grenze wird dann die Bestromung des Aktors beendet (= Strom aus). Und bei einer Unterschreitung der unteren Grenze wird dann die Bestromung des Aktors gestartet (= Strom ein). Das von dem RS-Flipflop ausgegebene Signal für den Start und das Ende der Bestromung des Aktors dient bevorzugt als das Ansteuersignal für einen Brückentreiber einer Brückenschaltung, insbesondere einer so genannten H-Brückenschaltung. Diese Brückenschaltung dient dann wiederum zur Bereitstellung des Aktorstroms. Die Ausgänge der Brückenschaltung sind also dann dementsprechend mit den Eingängen des Aktors, insbesondere der Spule des Aktors, elektrisch kontaktiert. Der Brückentreiber steuert entsprechend des Ansteuerungssignals die Brückenschaltung an. Diese bewirkt wiederum eine entsprechende elektrische Bestromung des Aktor mit dem Aktorstrom. Daraus ergibt sich der zeitliche Verlauf des Aktorstroms.
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Durch die Vorgabe der oberen und unteren Stromgrenze ergibt sich ein Stromband, in welchem der Aktor betrieben wird. Durch das Stromband ergibt sich eine charakteristische Dynamik des Stromauf- und Stromabbaus, in dem die Information über den Betriebszustand des Aktors, insbesondere seiner Position und Temperatur, enthalten ist. Die Erkenntnis ist, dass diese Dynamik über die Frequenz bzw. die Periodendauer und die Einschaltdauer bzw. den Tastgrad (auch duty-cycle oder DC genannt), also das Verhältnis der Einschaltdauer zur Schaltperiode, des vom Zweipunktregler ausgegebenen Ansteuerungssignals extrahiert werden kann. Das Ermittlungsmittel kann also aus der Frequenz bzw. Periodendauer und der Einschaltdauer bzw. dem Tastgrad des Ansteuersignals auf den Betriebszustand des Aktors schließen.
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Das Ermittlungsmittel verfügt beispielsweise über einen sogenannten Capture-Eingang, mit dem es das Ansteuerungssignal vom Zweipunktregler abgreift. Bei einem derartigen Capture-Eingang handelt es sich um einen Eingang, beispielsweise bei einem Mikroprozessor, mit dem in hoher Genauigkeit die Schaltzeitpunkte von binären Signalen ermittelt werden können. Bei dem Ansteuerungssignal handelt es sich insbesondere um ein PWM-Signal (PWM = pulsweitenmoduliert / Pulsweitenmodulation).
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Das Ermittlungsmittel kann dazu ausgebildet sein, eine Einschaltdauer des Ansteuerungssignals zu ermitteln sowie aus der Einschaltdauer die Temperatur des Aktors zu bestimmen. Ein extra Temperatursensor ist demnach nicht erforderlich. Die somit ermittelte Aktortemperatur spiegelt eine Temperatur der Spule des Aktors wieder. Diese verändert nämlich temperatur- und werkstoffabhängig ihren elektrischen Widerstand. Bei den gewöhnlich in Spulen verwendeten Leiterwerkstoffen, wie beispielsweise Kuper, nimmt der elektrische Widerstand bei steigender Temperatur zu. Um einen bestimmten, geforderten Aktorstrom unter einer konstanten Versorgungsspannung zur Verfügung stellen zu können, muss die Einschaltdauer daher an die Aktortemperatur angepasst werden. So erfordert eine hohe Aktortemperatur eine vergleichsweise lange Einschaltdauer, während eine geringe Aktortemperatur eine vergleichsweise kurze Einschaltdauer erfordert, um denselben Aktorstrom zur Verfügung zu stellen. Also besteht ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Einschaltdauer und der Aktortemperatur. Somit kann anhand der Einschaltdauer bzw., gleichbedeutend, dem Tastgrad die Aktortemperatur ermittelt werden.
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Die vom Ermittlungsmittel (11C) bestimmte Aktortemperatur kann dazu genutzt werden, die dem Aktor zugeführte elektrische Leistung zu verändern. So kann bei einer relativ hohen Aktortemperatur, die dem Aktor zugeführte elektrische Leistung gezielt reduziert werden.
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Das Ermittlungsmittel kann auch dazu ausgebildet sein, eine Frequenz des Ansteuerungssignals und den Aktorstrom zu ermitteln, sowie aus der Frequenz und dem Aktorstrom eine Position des Aktors zu bestimmen. Somit ist einfach die Aktorposition ermittelbar.
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Bevorzugt ist das Ermittlungsmittel auch dazu ausgebildet, eine aktuelle Versorgungsspannung des Aktors bei der Bestimmung des Betriebszustands einzubeziehen. Normalerweise ist die Versorgungsspannung im Wesentlichen konstant. Dann brauchen Änderungen der Versorgungsspannung bei der Ermittlung des Betriebszustands nicht extra berücksichtigt werden. In manchen Fällen kann die Versorgungsspannung jedoch schwanken. Dann ist es vorteilhaft diese bei der Bestimmung des Betriebszustands zu berücksichtigen.
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Das Ermittlungsmittel weist bevorzugt zumindest eine Lookup-Tabelle, ein Kennfeld oder eine andere Funktion auf und ist demensprechend dazu ausgebildet, den Betriebszustand aus dem Ansteuerungssignal zu ermitteln. Insbesondere kann die Relation zwischen Einschaltdauer und Aktortemperatur sowie die Relation zwischen Aktorposition, Aktorstrom und Frequenz jeweils in einer Lookup-Tabelle oder einem Kennfeld oder einer anderen Funktion hinterlegt sein. Als weiterer Faktor kann dann in der Lookup-Tabelle oder dem Kennfeld oder der anderen Funktion die Abhängigkeit von der Versorgungsspannung hinterlegt sein. Die Lookup-Tabelle oder das Kennfeld oder die andere Funktion können insbesondere vorab empirisch ermittelt worden sein oder anhand von Modellberechnungen vorab ermittelt worden sein.
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Durch die Verwendung eines gut elektrisch leitfähigen Materials, wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer, in gezielten Bereichen des Aktors, kann die Abhängigkeit der Stromaufbaudynamik des Aktors vom Betriebszustand hinsichtlich der Betriebszustandsüberwachung optimiert werden. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass durch die vorgeschlagene Vorgehensweise / Vorrichtung im Grunde positionsabhängige Wirbelstromeffekte innerhalb des Aktors ausgewertet werden. Insbesondere hat es sich daher als vorteilhaft erwiesen, den Anker und/oder das Magnetjoch des Aktors mit einem gut elektrisch leitfähigen Wirbelstromring zu versehen, beispielsweise aus einem Kupfer- oder Aluminiumwerkstoff.
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Es wird außerdem eine Kupplungsvorrichtung mit einem Kupplungsmittel zum wahlweise mechanischen Verbinden und Trennen zweier Bauteile sowie einem elektromagnetischen Aktor zur Bewegung des Kupplungsmittels vorgeschlagen. Die Kupplungsvorrichtung weist dabei die vorgeschlagene Vorrichtung zum Betreiben und zur Ermittlung des Betriebszustands des Aktors auf. Somit werden keine extra Sensoren zur Ermittlung des Betriebszustands des Aktors benötigt.
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Bei den beiden Bauteilen kann es sich beispielsweise um Wellen handeln. Eines der Bauteile kann fest und das andere relativ dazu beweglich sein, beispielsweise drehbar oder verschiebbar. Außerdem können auch beide Bauteile im nicht-gekoppelten Zustand relativ zueinander drehbar oder verschiebbar sein. Das von dem Aktor bewegbare Kupplungsmittel kann beispielsweise eine Kupplungsmuffe oder eine Kupplungsscheibe oder eine Kupplungsdruckplatte sein.
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Bei der Kupplungsvorrichtung kann es sich insbesondere um eine Kupplungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugantriebsstranges handeln, beispielsweise für einen Personen- oder Lastkraftwagen. Die Kupplungsvorrichtung kann beispielsweise in einem oder für ein Kraftfahrzeuggetriebe realisiert sein. Ein solcher Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einer solchen Kupplungsvorrichtung wird daher ebenfalls vorgeschlagen.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung kann neben den bereits Genannten folgende Abwandlungen oder Vorteile aufweisen:
- • Die Hardware-Logik (analoger Zweipunktregler) kann bei schneller Abtastrate in Software realisiert werden (FPGA, DSP, schneller µC).
- • Die Vorgabe der oberen und unteren Stromgrenze kann variiert werden, beispielsweise um die Arbeitsfrequenz in gezielte, vorteilhafte Bereiche zu bringen und/oder konstant dort zu halten.
- • Durch die Vorgabe der Stromgrenzen ist gleichzeitig ein robuster Stromregler implementiert. D. h., der durch die Aktorspule fließende Strom liegt (außer bei sehr schnellen, infolge des praktisch begrenzten Aktorhubs üblicherweise höchstens kurzzeitig auftretenden Bewegungen des Aktors) stets innerhalb des durch den unteren und oberen Grenzwert vorgegeben Toleranzbandes.
- • Durch die Verwendung des analogen Zweipunktreglers ist auch gleichzeitig eine Überstromabschaltung impliziert.
- • Der Aktor kann hinsichtlich seiner Sensitivität optimiert werden, um den Betriebszustand genauer ermitteln zu können. Beispielsweise ist eine hierauf gezielte modellbasierte Entwicklung des Aktors über FEM-Simulation möglich.
- • Die ermittelten Betriebszustände des Aktors können mit erwarteten Betriebszuständen bzw. Intervallen tolerierbarer Betriebszustände verglichen werden. Auf diese Weise ist bspw. eine Überwachung des Aktors auf Fehlfunktionen bzw. auf Verschleiß möglich (Diagnose bzw. Condition Monitoring).
- • Die ermittelte Aktortemperatur kann dazu genutzt werden, den Aktor vor Auftreten einer Überhitzung abzuschalten.
- • Vor Erreichen der Überhitzung kann die in den Aktor eingebrachte elektrische Leistung sukzessive reduziert und so ein Weiterbetrieb mit verringerter Leistung ermöglicht werden, um eine Überhitzung zu verhindern (sogenannte Derating-Funktion).
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, aus welchen weitere bevorzugte Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung entnehmbar sind. Dabei zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
- 1 ein elektromagnetischer Aktor mit einer Kupplungsvorrichtung,
- 2 ein System zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktors,
- 3 ein Kennfeld zur Bestimmung einer Aktorposition,
- 4 ein weiteres Kennfeld.
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Der elektromagnetische Aktor 1 gemäß 1 dient zur Bewegung eines Kupplungsmittels 7 in einer Kupplungsvorrichtung 2. Der Aktor 1 weist beispielhaft eine einzige Magnetspule 3 auf sowie einen linear beweglichen Anker 4. Bei dem Aktor 1 handelt es sich also um einen Linearaktor. Die Beweglichkeit des Ankers 4 wird durch den Doppelpfeil veranschaulicht. Durch elektrische Bestromung der Spule 3 kann eine Magnetkraft auf den Anker 4 ausgeübt werden, welche den Anker 4 in Richtung der Spule 3 drängt. Eine Rückstellkraft, die gegen die Magnetkraft wirkt, kann beispielsweise durch ein Federmittel aufgebracht werden. In Abhängigkeit der Höhe der Magnetkraft und der Rückstellkraft ergibt sich dann die Position des Ankers 4 im Aktor 1.
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Ortsfest auf dem Anker 4 kann optional ein Wirbelstromring 5 angeordnet sein. Dieser besteht aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, beispielsweise aus einem Kupfer- oder Aluminiumwerkstoff.
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Die Spule 3 ist ortsfest in einem Gehäuse 6 angeordnet. Der Anker 4 ist in dem Gehäuse 6 zumindest linear beweglich geführt. Der Anker 4 wirkt auf das Kupplungsmittel 7, das vorliegend beispielhaft als Kupplungsmuffe ausgebildet ist. Zumindest die Linearbewegung des Ankers 4 wird somit auf das Kupplungsmittel 7 übertragen. Das Kupplungsmittel 7 wird also mit dem Anker 4 linear mitbewegt. Es kann eine Drehentkopplung zwischen Anker 4 und Kupplungsmittel 7 vorgesehen sein, welcher verhindert, dass eine Rotation des Kupplungsmittels 7 auf den Anker 4 übertragen wird.
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Das Kupplungsmittel 7 ist dazu ausgebildet, zwei Bauteile 8, 9 wahlweise mechanischen zu verbinden und zu trennen. In einer ersten Position des Kupplungsmittels 7 sind die Bauteile 8, 9 daher miteinander mechanisch gekoppelt und in einer zweiten Position des Kupplungsmittels 7 sind die Bauteile 8, 9 daher voneinander mechanisch getrennt. Die Bauteile 8, 9 sind vorliegend beispielhaft Wellen, die im getrennten Zustand relativ zueinander drehbar sind und im gekoppelten Zustand nur gemeinsam drehbar sind. Hierzu sind sie im Gehäuse 6 durch entsprechende Lagermittel 10, beispielsweise Wälzlager, drehbar gelagert. Eine Rotationsachse der Bauteile 8, 9 ist mit dem Bezugszeichen L gekennzeichnet.
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Die in 1 gezeigte Kupplungsvorrichtung 2 dient bevorzugt in einem Kraftfahrzeugantriebsstrang, wie einem Kraftfahrzeuggetriebe, zur wahlweisen mechanischen Verbindung und Trennung zweier Wellen. Das Gehäuse 6 kann dann beispielsweise ein Getriebegehäuse sein.
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Die Position des Ankers 4 im Aktor 1 (= Aktorposition) bestimmt unmittelbar die Position des Kupplungsmittels 7, also auch den Kopplungszustand der Kupplungsvorrichtung 2. Um feststellen zu können, welche Aktorposition gerade anliegt, können extra Sensoren eingesetzt werden. Ebenso können externe Sensoren zur Ermittlung der Aktortemperatur eingesetzt werden. Wie eingangs bereits erwähnt, ergeben sich hierbei jedoch Nachteile. Gewünscht ist es daher, den Betriebszustand des Aktors 1, insbesondere dessen Aktorposition und dessen Aktortemperatur anhand vorhandener Mittel feststellen zu können.
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2 zeigt ein System zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktors 1, wie insbesondere desjenigen aus 1. Das System verfügt über einen Mikrocontroller 11. Außerdem ist ein analoger Zweipunkteregler 12 vorgesehen, sowie ein Brückentreiber 13. Des Weiteren ist eine Brückenschaltung 14 vorgesehen. Diese dient zur elektrischen Bestromung des Aktors 1. Der Aktor 1 ist in 2 als elektrotechnisches Ersatzschaltbild, bestehend aus einem Netzwerk ohmscher Widerstände und Induktivitäten, dargestellt. Die Elemente 11, 12, 13, 14 des Systems verfügen über entsprechende Ein- und Ausgänge, die jeweils in 2 dargestellt und bezeichnet sind.
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Der Mikrocontroller 11 weist beispielhaft zwei Module 11A, 11B auf. Diese können beispielsweise als Softwaremodule oder Hardwaremodule ausgebildet sein. Modul 11A enthält vorliegend eine überlagerte Ansteuerungslogik. Modul 11A enthält also beispielsweise Ansteuerungsfunktionen, wie insbesondere eine Funktionssoftware. Modul 11B enthält eine Sollstrombestimmung, die über einen Stromregler verfügt, eine Iststromaufbereitung sowie ein Ermittlungsmittel 11C zur Ermittlung des Betriebszustands des Aktors 1. Modul 11B enthält also beispielsweise Basisfunktionen, wie insbesondere eine Basissoftware.
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Der der Sollstrombestimmung, dem Stromregler und der Iststromaufbereitung zu Grunde liegende elektrische Strom bildet der Aktorstrom, also der dem Aktor 1 durch die Brückenschaltung 14 zugeführte elektrische Strom. Mittels der Sollstrombestimmung mit Stromregler wird ein geforderter elektrischer Strom für den Aktor 1 (Sollstrom; Soll-Aktorstrom) bestimmt. Mittels der Iststromaufbereitung wird ein aktuell dem Aktor 1 zugeführter elektrischer Strom (Iststrom; Ist-Aktorstrom) zur Verarbeitung im Mikrocontroller 11 aufbereitet und der Sollstrombestimmung mit Stromregler sowie dem Ermittlungsmittel 11C zur Verfügung gestellt.
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Die Sollstrombestimmung mit Stromregler übergibt entsprechende Ansteuerungssignale, in 2 als „PWM-Out 1“, „PWM-Out 2“ bezeichnet, an den analogen Zweipunktregler 12. Der Zweipunktregler besteht aus einer Komparatorschaltung 12A sowie einem RS-Flipflop 12B. Der Zweipunktregler 12 ist vorliegend als diskrete Hardwareschaltung aufgebaut. Alternativ kann er, eine ausreichend schnelle Abtastrate vorausgesetzt, auch als Softwaremodul, insbesondere des Mikorcontrollers 11, ausgebildet sein.
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Der Zweipunktregler 12 lässt den Aktorstrom mit Hilfe der Komparatorschaltung 12A und dem RS-Flipflop 12B zwischen definierten Stromgrenzen toggeln, also schwanken. Diese Stromgrenzen, im Detail eine untere und eine obere Stromgrenze, werden vom Mikrocontroller 11 vorgegeben. In dem Zweipunktregler 12 wird der aktuelle Aktorstrom (Ist-Aktorstrom) mit den vorgegebenen Stromgrenzen verglichen. Dazu wird der aktuelle Aktorstrom dem Zweipunktregler 12 zugeführt. Bei einer Überschreitung der oberen Grenze wird dem Aktor die Bestromung entzogen (= Strom aus), bei einer Unterschreitung der unteren Grenze wird der Aktor bestromt (= Strom ein). Das Signal für die Be- und Entstromung des Aktors wird als Ansteuersignale H1, H2 von dem Zweipunktregler 12 an den Brückentreiber 13 ausgegeben. Durch die Vorgabe der Stromgrenzen werden somit gleichzeitig ein Stromregler und eine Überstromabschaltung verwirklicht.
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Der Brückentreiber 13 bedient die Brückenschaltung 14. Mittels dieser wird der Aktor 1 entsprechend den Ansteuersignalen H1, H2 elektrisch bestromt. Dabei kann der Aktor 1 durch taktweises Anlegen einer Versorgungsspannung zeitweise bestromt (= Strom ein) und zeitweise entstromt (= Strom aus) werden. Vorliegend ist die Brückenschaltung beispielhaft als H-Brückenschaltung ausgebildet. Dementsprechend verfügt der Brückentreiber 13 über einen Treiber je Brückenzweig. Diese Treiber sind in 2 als „H1-Treiber“ und „H2-Treiber“ bezeichnet.
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Im Bereich der Brückenschaltung 14 sind außerdem Mittel vorgesehen, durch die der aktuell anliegende Aktorstrom (Ist-Aktorstrom) sowie die aktuell anliegende Versorgungsspannung des Aktors 1 gemessen oder anderweitig bestimmt werden können. In 2 sind diese Mittel als „Strommessung“ und „Messung Spannung“ bezeichnet. Der aktuelle Aktorstrom wird unter anderem dem Zweipunktregler 12, im Detail der Komparatorschaltung 12A, zugeführt, damit der Aktorstrom, wie oben beschrieben, zwischen den vorgegebenen Stromgrenzen gehalten wird.
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Durch die Vorgabe der oberen und unteren Stromgrenze ergibt sich ein vorgegebenes Stromband, in welchem sich der Aktorstrom aufhält, in dem er Aktor also betrieben wird. Bei einem solchen vorgegebenen Stromband ergibt sich eine charakteristische Dynamik des Stromauf- und Stromabbaus. In 2 ist ein solcher Stromauf- und Stromabbau beispielhaft innerhalb des Blockes der Komparatorschaltung 12A dargestellt.
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Die Information über den Betriebszustand des Aktors 1, insbesondere der Aktorposition und der Aktortemperatur, ist implizit in dieser Dynamik enthalten. Diese Dynamik findet sich durch die spezielle Regelcharakteristik des Zweipunktreglers 12 auch in dessen Ansteuerungssignalen H1, H2 wieder. Sie kann also aus der Frequenz und Einschaltdauer der Ansteuersignale H1, H2 extrahiert werden. Dem Mikrocontroller 11 wird daher zumindest eines der Ansteuersignale H1, H2 über einen Capture-Eingang zugeführt. In 2 ist dies das Ansteuerungssignal H1. Der Capture-Eingang ist in 2 als „PWM-In 1“ bezeichnet. Der Abgriff für das Ansteuersignal H1 befindet sich beispielhaft an dem jeweiligen Ausgang des RS-Flipflops 12B bzw. des Zweipunktreglers 12 (in 2 an dessen oberen Ausgang).
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Das Ansteuersignal H1 wird über den Capture-Eingang des Mikrocontrollers 11 dem Ermittlungsmittel 11C zugeführt. Außerdem wird dem Ermittlungsmittel 11C über einen weiteren Eingang des Mikrocontrollers 11 (in 2 als „ADC-In 2“ bezeichnet) die aktuell anliegende Versorgungsspannung zugeführt. Wie oben erläutert, erhält das Ermittlungsmittel 11C außerdem von der Iststromaufbereitung des Moduls 11B den aktuell dem Aktor zugeführten elektrischen Strom (Ist-Aktorstrom).
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Zur Ermittlung des Betriebszustands anhand der eingehenden Informationen / Signale weist das Ermittlungsmittel 11C ein oder mehrere Kennfelder auf. Es ist dazu ausgebildet, den Betriebszustands des Aktors damit zu ermitteln.
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Beispiele für solche Kennfelder sind 3 und 4 beispielhaft entnehmbar. Diese können beispielsweise vorab empirisch ermittelt worden sein.
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3 zeigt ein Kennfeld, mittels dessen das Ermittlungsmittel 11C anhand des Aktorstroms („Strom, A“) und der Frequenz des Ansteuerungssignals H1 („Frequenz, Hz“) die Aktorposition („Position, mm“) ermitteln kann. Hiermit lässt sich jedem Wertepaar aus Strom und Frequenz genau eine Aktorposition eindeutig zuordnen.
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Bei unterschiedlichen Versorgungsspannungen können sich unterschiedliche Zuordnungen von Strom, Frequenz und Aktorposition ergeben. Sofern die Versorgungsspannung daher im Wesentlichen gleichbleibend ist, braucht diese nicht weiter in die Ermittlung des Betriebszustands einbezogen werden. Sofern diese schwankt, kann es jedoch erforderlich sein, mehrere derartiger Kennfelder für unterschiedliche Versorgungsspannungen oder Versorgungsspannungsbereich vorzusehen.
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4 zeigt mehrere Kennfelder für unterschiedliche Versorgungsspannungen (zwischen 36V und 56V), mittels denen das Ermittlungsmittel 11C anhand des Aktorstroms („Strom, A“) und der Einschaltdauer des Ansteuersignals H1 („DutyCyle, %“) die Aktorposition („Position, mm“) ermitteln kann. Hiermit lässt sich bei einer Versorgungsspannungen zwischen 36V und 56V jedem Wertepaar aus Strom und Einschaltdauer genau eine Aktorposition eindeutig zuordnen. Das oberste Kennfeld in 2 bildet dasjenige für die Versorgungsspannung im Bereich von 36V und das unterste Kennfeld in 2 bildet dasjenige für die Versorgungsspannung im Bereich von 56V.
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Entsprechende Kennfelder können alternativ oder zusätzlich für die Aktortemperatur vorgesehen sein, welche sich insbesondere aus der Einschaltdauer und der Versorgungsspannung ergibt. Ein solches Kennfeld bildet den eindeutigen Zusammenhang zwischen der Aktortemperatur und der Einschaltdauer ab.
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Bei dem System gemäß 2 können neben den explizit beschriebenen oder benannten Komponenten optionale Filter 15 vorgesehen sein. Die Elemente 16 stellen je eine optionale Signalaufbereitung für den Zweipunktregler 12 dar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromagnetischer Aktor
- 2
- Kupplungsvorrichtung
- 3
- Magnetspule
- 4
- Anker
- 5
- Wirbelstromring
- 6
- Gehäuse
- 7
- Kupplungsmittel, Kupplungsmuffe
- 8
- Bauteil, Welle
- 9
- Bauteil, Welle
- 10
- Lagermittel
- 11
- Mikrocontroller
- 11A, 11B
- Modul
- 11C
- Ermittlungsmittel
- 12
- Analoger Zweipunkteregler
- 12A
- Komparatorschaltung
- 12B
- RS-Flipflop
- 13
- Brückentreiber
- 14
- Brückenschaltung
- 15
- Filter
- 16
- Signalaufbereitung
- H1, H2
- Ansteuerungssignal
- L
- Rotationsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005018012 A1 [0004]
- DE 102007034768 B3 [0004]
