DE102017125596A1

DE102017125596A1 - Übereinstimmungserklärung liegt vor.VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG EINER EIGENSCHAFT EINES STELLGLIEDS

Info

Publication number: DE102017125596A1
Application number: DE102017125596.6A
Authority: DE
Inventors: Brian Wightman; Ryan Howell
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2016-11-03
Filing date: 2017-11-02
Publication date: 2018-05-03
Also published as: US20180119626A1; US10125699B2

Abstract

Bereitgestellt wird ein Verfahren, das mehrere Stellungssensoren einsetzt, um eine Eigenschaft des Stellglieds oder eines Systems zu bestimmen, wobei die Eigenschaft die Veränderung der Stellung des Stellglieds verursacht oder auf die Ursache dieser Veränderung hinweist. Eine Eigenschaft kann der Totgang des Stellglieds oder Systems sein. Totgang ist die Verzögerung zwischen der Bewegung einer gesteuerten Vorrichtung und jener einer elektrischen Antriebsvorrichtung aufgrund von Nachgiebigkeit oder Lockerheit. Der Totgang eines Stellglieds kann zunehmen, wenn Komponenten verschleißen, und kann schließlich die Funktion des Stellglieds und/oder Systems verschlechtern oder dessen Versagen verursachen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Stellglieds und eines Systems dafür.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gesteuerte Vorrichtungen können verwendet werden, um Funktionen eines Verbrennungsmotors zu regeln. Diese Funktionen können umfassen; den Verstärkungsdruck innerhalb der Einlasssammelleitung des Motors, Einlassluft-Strömungssteuerung, und Abgasströmungssteuerung. Die Typen der gesteuerten Vorrichtung, die verwendet werden können, können umfassen; Turbolader, Abgasrückführungsventile, Ventile vom Klappentyp, Tellerventile, oder Drosselventile. Viele gesteuerte Vorrichtungen umfassen eine Vorrichtung zur Steuerung ihrer Funktionen und ihrer Leistung. Zum Beispiel werden pneumatische und elektrische Stellglieder verwendet, um die Stellungssteuerung verstellbarer Flügel eines Turboladers bereitzustellen, um den Druck innerhalb der Einlasssammelleitung eines Motors einzustellen und zu halten. Das Steuern des Drucks der Einlasssammelleitung stellt die optimale Leistung sicher, während gleichzeitig die gesetzlichen Fahrzeugemissionsgrenzwerte eingehalten werden. Daher ist eine exakte Positionierung der gesteuerten Vorrichtung durch ein Stellglied erwünscht, um optimale Ergebnisse bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Stellglieds, das mehrere Schritte umfasst. Während eines ersten Schritts wird ein Stellglied bereitgestellt, das eine elektrische Antriebsvorrichtung umfasst, die mit einer Leistungsquelle verbunden ist. Auch ein Läufer ist drehbar innerhalb der elektrischen Antriebsvorrichtung positioniert, so dass der Läufer sich in Ansprechen auf die Erregung der elektrischen Antriebsvorrichtung dreht. Die Drehung des Läufers erzeugt einen Bewegungskraftausgang der elektrischen Antriebsvorrichtung. Ebenfalls vorgesehen wird ein angetriebenes Element, das mit einem Ausgangselement verbunden ist, das mit einer gesteuerten Vorrichtung verbunden werden kann. Das angetriebene Element ist zwischen der elektrischen Antriebsvorrichtung und dem Ausgangselement verbunden, wobei das angetriebene Element den Bewegungskraftausgang der elektrischen Antriebsvorrichtung empfängt und zumindest einen Teil des Bewegungskraftausgangs an die gesteuerte Vorrichtung durch das Ausgangselement überträgt.
Während eines nächsten Schritts umfasst das Verfahren das Bereitstellen eines ersten Stellungssensors, der in der Nähe der elektrischen Antriebsvorrichtung oder des angetriebenen Elements verbunden ist, um die Bewegung, fehlende Bewegung und die Stellung der elektrischen Antriebsvorrichtung, des angetriebenen Elements oder des Ausgangselements zu erfassen, die durch den ersten Sensor als zumindest ein Sensorausgangswert geliefert wird. Dann umfasst das Verfahren weiter das Bereitstellen eines zweiten Stellungssensors, der mit dem angetriebenen Element oder dem Ausgangselement zur Erfassung der Bewegung, der fehlenden Bewegung und der Stellung des Ausgangselements verbunden ist, die durch den zweiten Sensor als zumindest ein zweiter Sensorausgangswert geliefert wird. Das Verfahren sieht auch ein Steuergerät vor, das mit dem Stellglied verbunden oder von dem Stellglied getrennt ist, wobei das Steuergerät dazu ausgestaltet ist, den zumindest einen ersten Sensorausgangswert und den zumindest einen zweiten Sensorausgangswert zu empfangen.
Dann erfolgt ein Schritt zur Steuerung des Stellglieds mit dem Steuergerät, um die elektrische Antriebsvorrichtung zu aktivieren, um das Ausgangselement in die zumindest eine angewiesene Stellung anzutreiben und in dieser zu halten. Dann erfolgt ein Schritt zur Erzeugung des zumindest einen ersten Sensorausgangswerts des ersten Sensors und zur Übertragung des zumindest einen ersten Sensorausgangswerts an das Steuergerät. Auch ein Schritt zur Erzeugung zumindest eines zweiten Sensorausgangswerts des ersten Sensors und zur Übertragung des zumindest einen ersten Sensorausgangswerts an das Steuergerät ist vorgesehen. Dann erfolgt ein Schritt zur Berechnung zumindest einer aktuell messbaren Eigenschaft in dem Steuergerät, durch Berechnen der Differenz zwischen dem zumindest einen ersten Sensorausgangswert und dem zumindest einen zweiten Sensorausgangswert. Dann erfolgt ein Schritt zur Aufzeichnung zumindest einer aktuell messbaren Eigenschaft in einer Datenbank.
Sobald die zumindest eine aktuell messbare Eigenschaft berechnet wurde, wird ein Schritt zur Bestimmung der Leistung durchgeführt. Leistung wird definiert als eine Rate der Veränderung der Eigenschaft über die Zeit, oder ein Versagen des Stellglieds, darunter Totgang, Lebenserwartung, Genauigkeit und künftige Wartung; wobei das Steuergerät die zumindest eine aktuell messbare Eigenschaft mit einem Algorithmus auf Grundlage eines oder mehrerer Referenzwerte vergleicht, die zuvor aufgezeichnet und in die Datenbank programmiert wurden. Wenn die zumindest eine aktuell messbare Eigenschaft geringer als der Referenzwert ist, ist die Eigenschaft des Stellglieds akzeptabel. Wenn die zumindest eine aktuell messbare Eigenschaft größer als der Referenzwert ist, ist die Eigenschaft des Stellglieds inakzeptabel.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren bereit, das mehrere Stellungssensoren einsetzt, um eine Eigenschaft des Stellglieds oder eines Systems zu bestimmen, wobei die Eigenschaft die Veränderung der Stellung des Stellglieds verursacht oder auf die Ursache dieser Veränderung hinweist. Eine Eigenschaft kann der Totgang des Stellglieds oder Systems sein. Totgang ist die Verzögerung zwischen der Bewegung einer elektrischen Antriebsvorrichtung und jener des Ausgangselements oder einer gesteuerten Vorrichtung aufgrund von Nachgiebigkeit oder Lockerheit. Der Totgang eines Stellglieds kann zunehmen, wenn Komponenten verschleißen, und kann schließlich die Funktion des Stellglieds und/oder Systems verschlechtern oder dessen Versagen verursachen.
Das Verfahren zur Erfassung von Totgang gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorteilhaft für viele Typen von Stellgliedanwendungen zur Verwendung in einem Motor mit einer Überwachungsanordnung zur Überwachung einer Eigenschaft des Stellglieds. Das Stellglied umfasst eine elektrische Antriebsvorrichtung, die zum Beispiel, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, ein Gleichstrommotor, ein Schrittmotor, ein bürstenloser Gleichstrommotor oder ein anderer Typ von elektrischer Antriebsvorrichtung sein kann. Die elektrische Antriebsvorrichtung ist mit einer Leistungsquelle verbunden und weist einen Läufer auf, der sich in Ansprechen auf einen elektrischen Eingang drehen kann. Die Drehung des Läufers erzeugt einen Bewegungskraftausgang der elektrischen Antriebsvorrichtung.
Das Stellglied umfasst auch ein Ausgangselement, das mit einer gesteuerten Vorrichtung verbindbar ist. Beispiele gesteuerter Vorrichtungen umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, gesteuerte Vorrichtungen zur Steuerung von Motor- oder Fahrzeugfunktionen, darunter Verstärkungsdruck innerhalb der Einlasssammelleitung eines Motors, Einlassluft-Strömungssteuerung, und Abgassteuerung. Beispiele für gesteuerte Vorrichtungen umfassen Turbolader, Abgasrückführungsventile, Ventile vom Klappentyp, Tellerventile oder Drosselventile. Zwischen der elektrischen Antriebsvorrichtung und dem Ausgangselement liegt ein angetriebenes Element, das in einem Beispiel ein Getriebezug ist; das angetriebene Element kann jedoch viele Formen annehmen, darunter Riemen, Hebel, Nocken etc. Das angetriebene Element empfängt den Bewegungskraftausgang der elektrischen Antriebsvorrichtung und überträgt zumindest einen Teil des Bewegungskraftausgangs an das Ausgangselement.
Das Stellglied umfasst auch einen ersten Stellungssensor, der mit der elektrischen Antriebsvorrichtung oder dem angetriebenen Element an einer Stelle verbunden ist, die dem ersten Stellungssensor ermöglicht, die Bewegung, das Fehlen der Bewegung und die Stellung der elektrischen Antriebsvorrichtung, des angetriebenen Elements oder des Ausgangselements zu messen oder zu erfassen. Der erste Stellungssensor ist in der Lage, zumindest einen ersten Sensorausgangswert zu erzeugen, der die Bewegung der elektrischen Antriebsvorrichtung, des angetriebenen Elements oder des Ausgangselements umfasst. Ein zweiter Stellungssensor ist mit dem angetriebenen Element oder dem Ausgangselement zur Erfassung der Bewegung, des Fehlens der Bewegung und der Stellung des angetriebenen Elements oder des Ausgangselements verbunden. Der zweite Stellungssensor erzeugt zumindest einen zweiten Sensorausgangswert.
Die Anordnung umfasst ferner ein Steuergerät, das mit dem Stellglied verbunden oder von dem Stellglied getrennt ist, wobei das Steuergerät dazu ausgestaltet ist, den zumindest einen ersten Sensorausgangswert und den zumindest einen zweiten Sensorausgangswert durch eine festverdrahtete elektrische Verbindung oder durch drahtlose Signale wie Wi-Fi, BluetoothⓇ oder andere drahtlose Signaltypen zu empfangen. Das Steuergerät bestimmt oder berechnet zumindest eine aktuell messbare Eigenschaft des Stellglieds, die durch Berechnen der Differenz zwischen dem zumindest einen ersten Sensorausgangswert und dem zumindest einen zweiten Sensorausgangswert bestimmt wird. Die zumindest eine aktuell messbare Eigenschaft wird in einer Datenbank des Steuergeräts aufgezeichnet und wird für mehrere Zwecke verwendet, darunter das Überwachen von vergangenen und aktuellen Stellgliedleistungsproblemen, sowie das Extrapolieren, wann zukünftige Probleme auftreten oder Wartungen erforderlich sein werden.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Bestimmung der Rate, mit welcher sich der Totgang über ein Intervall verändert, bereit. Die Fähigkeit, den Totgang und die Rate, mit der sie sich ändern kann, zu bestimmen, können nützlich sein, um ein unmittelbar bevorstehendes oder zukünftiges Problem mit dem Stellglied und/oder System zu identifizieren.
Andere Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung werden durch die im Folgenden gegebene detaillierte Beschreibung deutlich werden. Es sollte klar sein, dass die detaillierte Beschreibung sowie die spezifischen Beispiele, auch wenn sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, rein dem Zweck der Veranschaulichung dienen und den Umfang der Erfindung nicht einschränken sollen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen deutlicher werden, in denen:

1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Systems, das ein Stellglied verwendet, um einen Turbolader zur Regelung des Verstärkungsdrucks innerhalb der Einlasssammelleitung eines Verbrennungsmotors zu steuern.
2 zeigt eine dreidimensionale perspektivische Ansicht eines Stellglieds gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine dreidimensionale perspektivische Ansicht eines Stellglieds gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei das Gehäuse entfernt wurde, um die innenliegenden Komponenten zu zeigen.
4 zeigt eine Draufsicht eines Stellglieds gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von oben, wobei das Gehäuse entfernt wurde, um die innenliegenden Komponenten zu zeigen.
5 zeigt eine Draufsicht eines Stellglieds gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von oben, wobei das Gehäuse entfernt wurde, um die innenliegenden Komponenten zu zeigen.
6 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht entlang der Schnittlinien 6-6, die in 5 gezeigt sind.
7 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht entlang der Schnittlinien 7-7, die in 5 gezeigt sind.
8 zeigt eine graphische Darstellung des Stellglieds und Verfahrens zur Bestimmung einer Eigenschaft gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt eine graphische Darstellung des Stellglieds und Verfahrens zur Bestimmung einer Eigenschaft gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt eine graphische Darstellung des Stellglieds und Verfahrens zur Bestimmung einer Eigenschaft gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 zeigt eine dreidimensionale perspektivische Ansicht eines Stellglieds und Ventils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 zeigt eine graphische Darstellung des Stellglieds und Verfahrens zur Bestimmung einer Eigenschaft gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13 zeigt eine dreidimensionale perspektivische Ansicht eines Stellglieds und Ventils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
14 zeigt einen vergrößerten Abschnitt des Ständers und Läufers, die in 3 gezeigt werden.
15 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
16 zeigt eine seitliche Schnittansicht gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) erfolgt rein beispielhaft und soll in keiner Weise den Umfang der Erfindung, ihre Anwendung oder ihre Einsatzmöglichkeiten beschränken.
1 zeigt ein Schema eines Systems, das ein Stellglied verwendet, um einen Turbolader zur Regelung des Verstärkungsdrucks innerhalb der Einlasssammelleitung 8 eines Verbrennungsmotors 9 zu steuern. Wie in 1 gezeigt umfasst das System die elektronische Steuereinheit (ECU) 1 des Fahrzeugs, das Steuergerät 2, das Stellglied 3, den Turbolader 4, und die variable Flügelsteuerung 5 (des Turboladers 4); es fällt jedoch auch in den Umfang dieser Erfindung, dass eine größere oder kleinere Anzahl von Komponenten verwendet werden kann. Die ECU 1 ist mit dem Steuergerät 2 über einen Kabelbaum 6 mit mehreren Leitern und Anschlüssen verbunden. Das Steuergerät 2 ist auch mit dem Stellglied 3 über einen Kabelbaum 7 mit mehreren Leitern und Anschlüssen verbunden. Für diese Veranschaulichung ist das Steuergerät 2 als separate Komponente dargestellt, es ist jedoch auch möglich, dass es in das Stellglied 3 oder in die ECU 1 integriert ist.
Das in 1 gezeigte System funktioniert wie folgt: die ECU 1 liefert ein elektrisches Stellungseingangssignal, das auf eine gewünschte Stellung des Stellglieds 3 hinweist, an das Steuergerät 2. Die gewünschte Stellung kann auch als die befohlene oder angewiesene Stellung des Stellglieds 3 bezeichnet werden. Das Steuergerät 2 liefert das erforderliche elektrische Steuersignal, um das Stellglied 3 zu bewegen. Das Stellglied 3 bewegt die variable Flügelsteuerung oder den Mechanismus 5 des Turboladers 4 in eine Stellung, um einen gewünschten Druck innerhalb der Einlasssammelleitung 8 des Motors 9 zu erzielen. Das Stellglied 3 umfasst auch Sensoren zur Erfassung der Stellung des Stellglieds und zum Liefern einer Rückkoppelung in der Form eines elektrischen Stellungsausgangssignals an das Steuergerät 2. Wenn dies geschieht, wird ein „Regelkreis“-Steuerschema verwendet, um eine angewiesene Stellgliedstellung aufrecht zu erhalten, indem der rückgekoppelte elektrische Stellungsausgangssignal-Wert mit einem angewiesenen Wert verglichen und das elektrische Steuersignal an das Stellglied 3 eingestellt wird, um die Stellung und den gewünschten Verstärkungsdruck aufrecht zu erhalten.
Das Stellglied 3 verwendet eine elektrische Antriebsvorrichtung, etwa einen DC-Motor, um eine Bewegungskraft bereitzustellen. Der Motor verwendet Bürsten, um sein drehendes Element zu schalten, oder er kann bürstenlos oder ein noch anderer Typ Motor sein. Der Stellgliedausgang kann eine Dreh- oder Linearbewegung sein und kann auch ein angetriebenes Element, mit einer Welle oder Ausgangselement, umfassen, um die Bewegungskraft der elektrischen Antriebsvorrichtung an die gesteuerte Vorrichtung zu übertragen, etwa einen Turbolader oder ein Ventil. Das angetriebene Element weist eine Vielzahl von eingerückten Zahnrädern, ein Gestänge, eine Vielzahl von Zahnrädern und Ketten, eine Vielzahl von Zahnrädern und Antriebsriemen, eine Vielzahl von Riemenscheiben und Antriebsriemen, Wellen oder eine Kombination davon auf. Spezielle Motoren und Sensoranordnungen werden im Folgenden noch detaillierter beschrieben. Der Mechanismus 5 ist mit dem Ausgang des Stellglieds 3 verbunden, wie im Folgenden beschrieben wird.
Die Erfassung der Stellung des Stellglieds 3 und des Mechanismus 5 kann einen absoluten oder relativen Stellungssensor umfassen, um wirkmäßig die Bewegung, das Fehlen der Bewegung und die Stellung der elektrischen Antriebsvorrichtung oder der angetriebenen Vorrichtung zu überwachen. Ein absoluter Sensor ist ein Typ, bei dem der Ausgang in einer gegebenen Stellung direkt auf diese Stellung übertragen wird. Wenn zum Beispiel ein absoluter Sensor einen Ausgangsbereich von 0,0 bis 5,0 Volt DC (VDC) aufweist, kann ein elektrisches Ausgangssignal von 2,5 Volt auf eine Stellung bei 50 % des Gesamtbereichs der Bewegung hinweisen. Anders gesagt: wenn der Gesamtbereich der Bewegung 90 Grad ist, stellen 2,5 VDC eine Stellung von 45 Grad dar. Für dieses Beispiel ist der Ausgang des Stellungssensors ein analoges Signal, das von 0,0 VDC bis 5,0 VDC reicht. Der Ausgang des absoluten Sensors kann auch ein digitales Signal sein, das auf die absolute Stellung hinweist. Ein relativer Sensor ist ein Typ, bei dem Intervallschritte oder Zustandsveränderungen von einem Referenzpunkt gemessen werden. Die Zustandsveränderung kann eine elektrische Spannung oder ein Strompegel sein, wenn ein DC-Motor geschaltet wird. Alternativ kann der Referenzpunkt ein physischer Anschlag an jedem Ende des Gesamtbereichs der Bewegung (oder Spanne) des Stellglieds sein. Wenn zum Beispiel eine Gesamtzahl von 200 Intervallschritten über den Gesamtbereich der Bewegung des Stellglieds vorhanden ist, kann eine Messung von 100 Intervallschritten auf eine Stellung bei 50% des Gesamtbereichs hinweisen. Anders ausgedrückt: wenn der Gesamtbereich 90 Grad der Bewegung darstellt, stellen die 100 Intervallschritte eine Stellung von 45 Grad dar.
2 und 3 zeigen einen Typ des Stellglieds 100, mit dem das Verfahren zur Bestimmung einer Eigenschaft implementiert ist. Das Stellglied 100 umfasst wie gezeigt ein erstes Gehäuse 101, ein zweites Gehäuse 102 und ein drittes Gehäuse 103. Das erste und dritte Gehäuse 101, 103 können aneinander durch einen Klemmring 104 gesichert sein. Das zweite und dritte Gehäuse 102, 103 können aneinander durch Gewindebefestigungselemente 105 gesichert sein. Es fällt jedoch auch in den Umfang dieser Erfindung, dass eine größere oder kleinere Anzahl von Gehäusen implementiert werden kann. Das erste Gehäuse 101 umfasst eine elektrische Antriebsvorrichtung 106, die eine Bewegungskraft in Ansprechen auf ein elektrisches Steuersignal liefert. Die elektrische Antriebsvorrichtung 106 ist ein Motor, der verschiedene Motortypen darstellen kann, darunter einen DC-Bürstenmotor, einen Schrittmotor, einen bürstenlosen DC-Motor, oder einen anderen Typ von elektrischer Antriebsvorrichtung. Es gehört auch zum Umfang dieser Erfindung, dass die elektrische Antriebsvorrichtung 106 eine separate Komponente sein kann, die in dem ersten Gehäuse 101 gesichert ist, oder mehrere Komponenten umfassen kann, die als Teil des ersten Gehäuses 101 gesichert werden können, wie in 2 und 3 gezeigt.
Das erste Gehäuse 101 umfasst auch einen elektrischen Anschluss 107, der als Teil des ersten Gehäuses 101 ausgebildet ist, oder alternativ auch Teil einer separaten Komponente sein kann, die durch Befestigungselemente oder andere geeignete Verfahren angeordnet sind. Der elektrische Anschluss 107 umfasst in der Regel eine Anzahl von Klemmen (nicht dargestellt), die als Teil von elektrischen Leitungen ausgebildet sind, oder einen Leitungsrahmen, der wirkmäßig an dem ersten Gehäuse 101 angebracht ist. Die elektrischen Leitungen (nicht dargestellt) liefern die gewünschten elektrischen Verbindungen, darunter die gewünschten elektrischen Steuersignale zwischen den Klemmen 108 und der elektrischen Antriebsvorrichtung 106.
Wie zuvor ausgeführt, kann die elektrische Antriebsvorrichtung 106 ein bürstenloser DC-Motor oder BLDC-Motor 113 sein. 3 zeigt eine Ansicht des Stellglieds 100 mit dem BLDC-Motor 200 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 3 zeigt das erste Gehäuse 101 mit entfernter Überformung, um eine Ansicht des BLDC-Motors 200 und seiner Komponenten zu bieten, die einen Ständer 109 mit einer Anzahl von Zähnen 110 umfassen, die radial einwärts geformt sind und eine zylindrische Öffnung 111 ausbilden. 14 ist eine vergrößerte Darstellung eines Teils von 3 und zeigt die Position von dreien der Zähne 110 und die zylindrische Öffnung 111 in größerem Detail. Eine Vielzahl von Spulen 112 sind an alternierenden Zähnen 110 montiert und mit einer elektrischen Schaltung 113 verbunden. Ein Läufer 114 ist drehbar innerhalb der zylindrischen Öffnung 111 positioniert und umfasst eine Metallnabe 115 mit Öffnungen zur Aufnahme von Permanentmagneten 116. Eine Welle 117 ist mit dem Läufer 114 verbunden und dreht sich mit dem Läufer 114. Eine Welle 117 ist innerhalb des ersten und dritten Gehäuses 101, 103 durch ein Lager 118 gelagert, wie in 3 und 6 gezeigt; es gehört jedoch auch zum Umfang dieser Erfindung, dass die Welle 117 durch andere Strukturen gelagert oder durch andere Gehäuse gelagert werden kann. Die Welle 117 stellt eine Bewegungskraft bereit, wenn die Wicklungen 112 ein elektrisches Steuersignal von der elektrischen Schaltung 113 erhalten, welches die Drehung des Läufers 114 durch den Magnetismus zwischen den Magneten des Läufers und dem induzierten Magnetfeld der Wicklungen 112 bei Erregung erzwingt. Das elektrische Steuersignal wird durch ein Steuergerät bereitgestellt, das sich an der elektrischen Schaltung 113 befindet, oder von einer externen elektrischen Steuereinheit (ECU) oder einem Steuergerät 2, wie hierin vorstehend beschrieben.
4 zeigt eine Ansicht innerhalb des Stellglieds 100, wobei das zweite Gehäuse 102 entfernt wurde. Einige Komponenten von 4 sind in Phantom- oder unterbrochenen Linien dargestellt, um diese Komponenten oder Teile eines angetriebenen Elements 119 und deren Verbindungen zwischen der elektrischen Antriebsvorrichtung 106 und einem Ausgangselement 130 eines Stellglieds zu zeigen. Das angetriebene Element 119 umfasst ein erstes Ritzel 120, das mit derselben Welle 117 verbunden ist, die mit dem Läufer 114 in 3 verbunden ist. Das Ritzel 120 steht in Eingriff mit dem zweiten Zahnrad 121, das dritte Zahnrad 122 steht in Eingriff mit dem zweiten Zahnrad 121, und das vierte Zahnrad 123 steht in Eingriff mit dem dritten Zahnrad 122, um zu erzeugen, was als ein Getriebezug bezeichnet wird, der verwendet wird, um Drehkraft von der elektrischen Antriebsvorrichtung 106 durch das angetriebene Element 119 an das Ausgangselement 130 zu übertragen, das mit dem Mechanismus 5 verbunden ist (in 1 gezeigt). Wie in 4 gezeigt, sind die zweiten und dritten Zahnräder 121, 122 zusammengesetzte Zahnräder mit Zähnen an ersten Abschnitten 124, 125 und zweiten Abschnitten 126, 127, um den Eingriff mit zwei Zahnrädern zu erleichtern. Während hier vier Zahnräder gezeigt und beschrieben sind, gehört es auch zum Umfang dieser Erfindung, dass eine größere oder kleinere Anzahl Zahnräder verwendet werden kann, in Abhängigkeit von den Anforderungen einer konkreten Anwendung. Es fällt auch in den Umfang dieser Erfindung, dass ein unterschiedlicher Typ des angetriebenen Elements 119 verwendet werden kann. Zum Beispiel könnte das angetriebene Element 119 anstelle einer Gruppe von Zahnrädern aus Riemen, Nocken, Hydraulikzylindern, oder einem beliebigen Typ von linear oder drehend angetriebenem Element etc. bestehen. Auch ist das Ausgangselement 130 wie gezeigt eine Welle, die mit dem Mechanismus 5 verbunden ist; es fällt jedoch auch in den Umfang dieser Erfindung, dass das Ausgangselement 130 andere Formen annehmen kann. Zum Beispiel könnte das Ausgangselement oder der Mechanismus 5 ein Zahnrad in Verzahnung mit anderen Zahnrädern, Riemen, Ketten, Nocken, Kurbelschleifen etc. sein, die innerhalb oder außerhalb des Stellglieds 3 positioniert sein können.
Das erste Ritzel 120 des angetriebenen Elements 119 ist mit der Welle 117 der elektrischen Antriebsvorrichtung 106 verbunden und damit drehbar. Die zweiten und dritten Zahnräder 121, 122 sind durch Zapfen 128, 129 drehbar mit dem zweiten und dritten Gehäuse 102, 103 verbunden. Das Ausgangselement 130 erstreckt sich durch das Gehäuse 102 zu dem Mechanismus 5, wie in den 1-7 gezeigt. Das Ausgangselement 130 ist wirkmäßig mit dem vierten Zahnrad 123 verbunden und damit drehbar. Das angetriebene Element 119 überträgt zumindest einen Teil des Bewegungskraftausgangs, der durch die elektrische Antriebsvorrichtung 106 geliefert wird, an das Ausgangselement 130. Das Ausgangselement 130 kann auch durch das Lager 135 und die Laufbuchse 136 drehbar mit dem zweiten und dritten Gehäuse 102, 103 verbunden sein, wie in 7 gezeigt.
Das Stellglied 100 funktioniert gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auf folgende Weise. Ein elektrisches Steuersignal wird an die elektrische Antriebsvorrichtung 106 des Stellglieds 100 geliefert und stellt eine Bewegungskraft für die Welle 117 bereit. Die Bewegungskraft wird auf das angetriebene Element 119 übertragen, um die Drehung des ersten Ritzels 120, zweiten Zahnrads 121, dritten Zahnrads 122, vierten Zahnrads 123 und des Ausgangselements 130 zu erzwingen. Die Richtung der Drehung kann von der Polarität des elektrischen Steuersignals abhängen, das an die elektrische Antriebsvorrichtung 106 angelegt wird. Zum Beispiel kann eine erste Polarität die elektrische Antriebsvorrichtung 106, die drehbare Welle 117 und das angetriebene Element 119 zwingen, das Ausgangselement 130 in eine erste Richtung 131 zu drehen, und eine zweite Polarität kann die elektrische Antriebsvorrichtung 106, die drehbare Welle 117 und das angetriebene Element 119 zwingen, das Ausgangselement 130 in eine zweite Richtung 132 zu drehen.
Die elektrische Schaltung 113, die mit dem dritten Gehäuse 103 verbunden sein kann, ist dazu ausgestaltet, Vorteile und Funktionsanforderungen in Bezug auf den Betrieb und die Stellungserfassung der elektrischen Antriebsvorrichtung 106 und des angetriebenen Elements 119 bereitzustellen. Zum Beispiel kann die Schaltung 113 die Schaltung einer elektrischen Antriebsvorrichtung 106 mit einem bürstenlosen DC- oder BLDC-Motor bereitstellen. Der Aufbau des BLDC-Motors wurde vorstehend bereits beschrieben. Unter Bezugnahme auf 3, 5 und 6 kann der BLDC-Motor geschaltet werden, indem das elektrische Steuersignal an die Wicklungen 112 kontinuierlich umgeschaltet wird, um ein elektromagnetisches Feld bereitzustellen, das die Drehung des Läufers 114 und der Welle 117 verursachen kann. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befinden sich Sensoren 133 an der elektrischen Schaltung 113 in der Nähe von Permanentmagneten 116, die an dem Läufer 114 angeordnet sind. Die Sensoren 133 können Hall-Effekt-Vorrichtungs- (HED), induktive, Magnetwiderstands- oder andere geeignete Sensoren zur Erfassung der Veränderung des Magnetfelds der Permanentmagnete 116 sein.
Das elektrische Steuersignal, das an die Wicklungen 112 angelegt wird, erzeugt ein elektromagnetisches Feld, das die an dem Läufer 114 angeordneten Permanentmagnete 116 anzieht oder abstößt, was den Läufer 114 veranlasst, sich zu drehen. Die Sensoren 133 erfassen eine Veränderung in dem Magnetfeld des Permanentmagnets 116, und wenn eine ausreichende Veränderung erfasst wird, kann die elektrische Schaltung 113 das elektrische Steuersignal an eine andere der Wicklungen 112 anschalten, um die Drehung des Läufers 114 und der drehbaren Welle 117 aufrecht zu erhalten.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung erzeugt das Erfassen der Zustandsveränderung, oder der Abstufungen, des Magnetfelds der Wicklungen 112 unter Verwendung der Sensoren 133 und der Permanentmagnete 116 gemeinsam einen ersten Sensor 134 zur Erfassung der Bewegung, des Fehlens der Bewegung und der Stellung der elektrischen Antriebsvorrichtung 106 und der prognostizierten Bewegung, fehlenden Bewegung und Stellung des angetriebenen Elements 119 und des Ausgangselements 130, das mit dem Mechanismus 5 verbunden ist.
Das Erfassen der Bewegung der elektrischen Antriebsvorrichtung 106 kann durch Überwachen und Aufzeichnen der Anzahl von schrittweisen Änderungen des Magnetfelds der Permanentmagnete 116 an dem Läufer 114 erreicht werden. Da es zehn Permanentmagnete 116 und drei Sensoren 133 gibt, werden 30 Intervallschritte für jede Drehung des Läufers 114 um 360 Grad aufgezeichnet. Ein Intervallschritt würde einer Bewegung von 360/30 = 12 Grad Drehung des Läufers 114 bedeuten. Der Ausgang des ersten Sensors 136 wird hierin als ein erster Sensorausgangswert bezeichnet, der ein einzelnes erstes Sensorsignal (z. B. ein Intervallschritt) oder eine Reihe von ersten Sensorsignalen (z. B. mehrere Intervallschritte) darstellen kann.
Das Erfassen der Bewegung des angetriebenen Elements 119 kann unter Verwendung der Übersetzung des angetriebenen Elements 119 erhalten werden, und Bestimmen der Anzahl der Umdrehungen des Ausgangselements 130 gegen die Drehung des Läufers 114. Für dieses Beispiel hat das angetriebene Element 119 eine mechanische Übersetzung von 50 zu 1. Dies erfordert, dass der Läufer 114 sich 50 Mal dreht, um eine einzelne Drehung des Ausgangselements 130 um 360 Grad zu erreichen. Um die Bewegung des Ausgangselements 130 für jede Schrittänderung des Läufers 114 zu berechnen, muss die Gesamtzahl der Schrittänderungen für 50 Umdrehungen des Läufers 114 bestimmt und das Ergebnis in die Drehung des Ausgangselements 130 um 360 Grad geteilt werden. Daher würde jede Schrittänderung des Läufers 114 um 12 Grad einer Bewegung von (360 / (30 x 50)) = 0,24 Grad des Ausgangselements 130 entsprechen. Wie hierin bereits ausgeführt, wird diese Art der Stellungserfassung als relative Erfassung bezeichnet, und muss eine Referenzstellung aufweisen, um die Anzahl von Schrittänderungen aufzuzeichnen und die Stellung des Ausgangselements 130 zu bestimmen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann es verschiedene Typen von Referenzstellungen geben. In einer Ausführungsform ist die Referenzstellung ein fester Anschlag an einem Ende des Bereichs der Bewegung des Ausgangselements 130. Die Referenzstellung kann auch eine Stellung sein, die durch eine gesteuerte Vorrichtung, etwa einen Turbolader oder ein Ventil, definiert wird, oder sie kann eine andere Referenz sein, etwa ein programmierter Wert, der in einer Nachschautabelle enthalten ist, die in das Steuergerät an der elektrischen Schaltung 113 oder in ein externes Steuergerät 2 (in 1 gezeigt) einprogrammiert ist. Totgang innerhalb des angetriebenen Elements 119 kann zu einer Bewegung der elektrischen Antriebsvorrichtung 106 führen, wenn das Ausgangselement 130 in einer fixierten Stellung gehalten wird. Die Bewegung der elektrischen Antriebsvorrichtung 106 geht weiter, bis die Nachgiebigkeit, Lockerheit und Spielräume innerhalb des angetriebenen Elements 119 überwunden wurden. In ähnlicher Weise kann es eine erzwungene Bewegung des Ausgangselements 130 vor der Bewegung der elektrischen Antriebsvorrichtung 106 geben, bis die Nachgiebigkeit, Lockerheit und Spielräume innerhalb des angetriebenen Elements 119 überwunden wurden.
7 zeigt einen Querschnitt des Stellglieds 100 und eines zweiten Sensors 137 zur direkten Erfassung der Stellung des Ausgangselements 130, um die tatsächliche Stellung des Ausgangselements 130 zu bestimmen. Wie zuvor ausgeführt, wird diese Art von Sensor als absoluter Stellungssensor bezeichnet. Der zweite Sensor 137 umfasst einen Permanentmagnet 138, der an dem Ausgangselement 130 angebracht ist, und einen Sensor 139, der an der elektrischen Schaltung 113 in der Nähe des Permanentmagnets 138 angeordnet ist. Der zweite Sensor 139 kann ein Hall-Effekt-Vorrichtungs- (HED), induktiver, Magnetwiderstands- oder anderer geeigneter Sensor zur Erfassung der Veränderung des Magnetfelds des Permanentmagnets 138 sein. Der Sensor 139 kann eine variable Veränderung in dem Magnetfeld des Permanentmagnets 138 erfassen, was auf die tatsächliche Stellung des Ausgangselements 130 hinweisen kann.
Der Ausgang des Sensors 139 wird hierin als ein zweiter Sensorausgangswert bezeichnet, der ein einzelnes zweites Sensorsignal oder eine Reihe von zweiten Sensorsignalen darstellen kann. In einer Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Sensorausgangswert eine variable Ausgangsspannung im Bereich von 0,0 VDC bis 5,0 VDC, oder er kann ein digitaler Ausgang sein. Ist der Ausgang eine analoge Spannung, kann die elektrische Schaltung 113 einen Analog-/Digital- oder A/D-Wandler umfassen, um die von dem Sensor 139 eingehende analoge Spannung zu verarbeiten und in einen digitalen Wert umzuwandeln, der innerhalb der elektrischen Schaltung 113 verwendet wird, um die tatsächliche Stellung des Ausgangselements 130 zu bestimmen. Der zweite Stellungssensor 137 kann so kalibriert werden, dass ein erstes Ende des Bereichs der Bewegung des Ausgangselements 130 eine niedrigere Spannung darstellen kann, und ein zweites Ende des Bereichs der Bewegung des Ausgangselements 130 eine hohe Spannung darstellen kann. Eine Stellung zwischen den ersten und zweiten Enden des Bereichs der Bewegung des Ausgangselements 130 kann durch die Zunahme oder die Differenz zwischen der hohen und niedrigen Spannung bestimmt werden. Zum Beispiel kann der niedrigste Bereich der Bewegung 0,0 Grad sein, und der zweite Stellungssensor 137 kann auf 0,0 VDC programmiert werden, und der höchste Bereich der Bewegung des Ausgangselements 130 kann 90,0 Grad betragen und der zweite Stellungssensor 137 auf 5,0 VDC programmiert werden. Jedes Grad der Drehung würde durch Division des Gesamtbereichs der Spannung, 5,0 VDC, durch den Gesamtbereich der Bewegung des Ausgangselements 130 bestimmt werden und gleich (5,0/90) = 0,05555 VDC/Grad betragen. Wenn daher der zweite Stellungssensor 137 eine Ausgangsspannung von 2,0 VDC aufweist, würde die Stellung des Ausgangselements 130 gleich (2,0/0,05555) = 36,0 Grad sein.
7 zeigt zwei alternative Stellungen für den zweiten Sensor, die nicht unbedingt mit dem Ausgangselement 130 verbunden sein müssen. Stattdessen kann der zweite Sensor mit einem der anderen Zahnräder verbunden sein. Wie in 7 gezeigt ist ein zweiter Sensor 137' mit dem vierten Zahnrad 123 verbunden und ein zweiter Sensor 137" ist mit dem dritten Zahnrad 122 verbunden. Es fällt jedoch in den Umfang dieser Erfindung, dass der zweite Sensor mit einem beliebigen der Zahnräder des angetriebenen Elements 119 verbunden sein kann, was auch ein tatsächliches Stellungssensorsignal ergeben oder liefern kann, das zur Bestimmung des Totgangs des Stellglieds 100 verwendet werden kann.
Der absolute Sensor liefert die tatsächliche Stellung des Ausgangselements 130, kann jedoch an sich nicht bestimmen, ob die elektrische Antriebsvorrichtung 106 in Bewegung oder in Ruhe ist; die Anwendung der zwei Stellungssensoren 134, 137 stellt jedoch ein Verfahren bereit, um eine Eigenschaft des Stellglieds zu bestimmen, die nicht durch einen einzelnen Stellungssensor bestimmt werden kann. Im Speziellen kann das Verfahren den Totgang des Stellglieds oder Systems sowie auch andere Eigenschaften bestimmen.
Wie hierin bereits ausgeführt ist der Totgang die Verzögerung zwischen der Bewegung der elektrischen Antriebsvorrichtung 106 oder des Motors und dem angetriebenen Element 119, oder dem Ausgang des Stellglieds (d. h. Ausgangselement 130), der mit dem Mechanismus 5 verbunden ist, und zwar aufgrund der Nachgiebigkeit oder Lockerheit zwischen allen Komponenten des Stellglieds, darunter auch dem angetriebenen Element 119. 4 zeigt den Totgang zwischen dem zweiten Zahnrad 121, dritten Zahnrad 122 und vierten Zahnrad 124. Der Totgang kann sich aus Spielräumen zwischen Komponenten innerhalb des angetriebenen Elements 119 ergeben, und kann auch Spielräume zwischen den Zahnrädern 120, 121, 122, und 123 des angetriebenen Elements 119 einschließen. Der Totgang eines Stellglieds nimmt zu, wenn Komponenten verschleißen, und verschlechtert schließlich die Funktion des Stellglieds und/oder Systems.
Der Totgang kann zum Teil durch Überwachen einer Stellung oder eines Bereichs der Stellung des Ausgangselements 130 oder Stellglieds 100 bestimmen werden. Die Stellung oder der Bereich der Stellung kann an einer angewiesenen Stellung des Ausgangselements 130 gemessen werden, oder sie kann zwischen zwei oder mehr angewiesenen Stellungen des Ausgangselements 130 gemessen werden. Der Bereich der Stellung kann als die Differenz zwischen einer maximalen und minimalen Stellung definiert sein. Wenn die maximale erfasste Stellung 45 Grad beträgt und die minimale erfasste Stellung 43 Grad, beträgt der Bereich der Stellung (45 - 43) = 2 Grad.
Unter Bezugnahme auf 5, 6, 7 und 8 kann der Totgang durch einen Bereich der Stellung bestimmt werden, der an einer angewiesenen Stellung 140 des Ausgangselements 130 gemessen wird. 8 zeigt eine grafische Darstellung der Bewegung und Stellung des Ausgangselements 130, wobei die Stellung des Ausgangselements 130 grafisch als die Linie 140 dargestellt ist. Die Skala 141 zeigt ein Maß der Bewegung und Stellung des Ausgangselements 130. Die Intervalle 142 sind alle geeigneten Intervalle, die zur Messung der Bewegung und Stellung des Ausgangselements 130 verwendet werden, etwa Grad, Radians, Zoll oder Millimeter. Die Intervalle 142 können auch die Schrittänderung darstellen, die auf die Bewegung der elektrischen Antriebsvorrichtung 106 und des Ausgangselements 130 hinweist. Die Bewegung des Ausgangselements 130 kann eine drehende oder lineare Bewegung sein, wie vorstehend hierin beschrieben. Ein erstes Ende 143 der Skala 141 zeigt eine erste Grenze 144 für die Bewegung des Ausgangselements 130 in eine erste Richtung 145, und ein zweites Ende 146 der Skala 141 zeigt eine zweite Grenze 147 für die Bewegung des Ausgangselements 130 in eine zweite Richtung 148. Die ersten und zweiten Grenzen 144, 147 können physische Anschläge in dem Stellglied 100, Ausgangselement 130, Mechanismus 5 oder der gesteuerten Vorrichtung sein.
Während des Betriebs wird ein elektrisches Steuersignal an das elektrische Antriebsvorrichtung 106 geliefert, um das angetriebene Element 119 und das Ausgangselement 130 in der angewiesenen Stellung 140 zu positionieren. Der Ausgang des ersten Sensors 134 wird überwacht, um zu bestätigen, dass die elektrische Antriebsvorrichtung 106 die Stellung des Ausgangselements 130 innerhalb eines ersten Stellungsbereichs 149 steuert, der das angetriebene Element 119 und das Ausgangselement 130 innerhalb eines geeigneten Bereichs der einzelnen angewiesenen Stellung 140 hält. Der erste Stellungsbereich 149 hat einen Wert von null, wenn keine Bewegung der elektrischen Antriebsvorrichtung 106 durch den ersten Sensor 134 erfasst wird, was auf keine Bewegung des Ausgangselements 130 hinweist. Interne und externe Kräfte können direkt oder indirekt auf das Ausgangselement 130 oder einen Mechanismus oder eine gesteuerte Vorrichtung, die wirkmäßig mit dem Ausgangselement 130 verbunden ist, wirken. Der Totgang des angetriebenen Elements 119 kann dem Ausgangselement 130 ermöglichen, sich in die erste oder zweite Richtung 145, 148 zu bewegen, ohne dass die elektrische Antriebsvorrichtung 106, wie durch den ersten Sensor 134 bestätigt, bewegt wird. Die internen und externen Kräfte können, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, eine Federkraft, Einlass-Verstärkungsdruck, Abgasdruck, Abgasschwankungen, Vibrationen, physische Stöße oder andere interne und externe Kräfte sein. Der Ausgang des zweiten Stellungssensors 137 weist auf einen zweiten Stellungsbereich 150 des Ausgangselements 130 hin, der durch den Totgang des angetriebenen Elements 119 verursacht wird. Der zweite Stellungsbereich 150 weist einen Wert von null auf, wenn keine Bewegung des Ausgangselements 130 durch den zweiten Sensor 137 erfasst wird. Die Differenz zwischen dem ersten Stellungsbereich 149 des Ausgangselements 130, gemessen durch den ersten Sensor 134, und dem zweiten Stellungsbereich 150 des Ausgangselements 130, gemessen durch den zweiten Stellungssensor 137, ist der Totgang des angetriebenen Elements 119, wenn ein solcher Totgang erfasst wird.
Bezugnehmend auf 5, 6, 7 und 9 wird der Totgang auch durch eine Stellung bestimmt, die durch den ersten und zweiten Stellungssensor 134, 137 an einer angewiesenen Stellung 174 des Ausgangselements 130 gemessen wird. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist die angewiesene Stellung 174 die zweite physische Grenze 147 zur Begrenzung der Bewegung des Ausgangselements 130 in der zweiten Richtung 148. 9 ist ähnlich der 8 und zeigt eine grafische Darstellung der Bewegung und Stellung des Ausgangselements 130, wie sie durch den ersten und zweiten Stellungsensor 134, 137 gemessen wird. Diese Ausführungsform des Verfahrens erfordert ein elektrisches Steuersignal, um die Bewegung der elektrischen Antriebsvorrichtung 106 zu erzwingen, um das angetriebene Element 119 und Ausgangselement 130 an der einen angewiesenen Stellung 174 zu positionieren. Wird die zweite Grenze 147 an der angewiesenen Stellung 174 kontaktiert, kann sich das Ausgangselement 130 nicht weiter bewegen und der Ausgang des zweiten Stellungssensors 137 kann sich nicht weiter verändern; der Totgang des angetriebenen Elements 119 kann jedoch der elektrischen Antriebsvorrichtung 106 ermöglichen, sich weiter zu bewegen, bis die Lockerheit oder Spielräume des angetriebenen Elements 119 überwunden sind. Wenn sich die elektrische Vorrichtung 106 nicht länger bewegt, verändert sich der Ausgang des ersten Sensors nicht weiter. Der Ausgang des ersten Sensors weist auf eine erste Stellung 175 des Ausgangselements 130 hin und der Ausgang des zweiten Sensors 137 weist auf eine zweite Stellung 176 des Ausgangselements 130 hin. In dieser bestimmten Ausführungsform der Erfindung ist die Differenz 177 zwischen der ersten Stellung 175 und der zweiten Stellung 176 der Totgang des angetriebenen Elements 119.
Unter Bezugnahme auf die 5, 6, 7 und 10 wird der Totgang auch durch einen Stellungsbereich bestimmt, der zwischen zwei oder mehr Stellungen des Gesamtbereichs der Bewegung des Ausgangselements 130 gemessen wird, umfassend die erste und zweite Grenze 144, 147, welche die Grenzen der Bewegung des Ausgangselements 130 definieren. 10 ist ähnlich der 8 und zeigt eine grafische Darstellung der Bewegung und Stellung des Ausgangselements 130, wie sie durch den ersten und zweiten Stellungsensor 134, 137 gemessen wird. Dieses Verfahren erfordert ein elektrisches Steuersignal, um die Bewegung der elektrischen Antriebsvorrichtung 106 zu erzwingen, um das angetriebene Element 119 und Ausgangselement 130 an einer ersten und zweiten angewiesenen Stellung 151 und 152 zu positionieren. Der Ausgang des ersten Stellungssensors 134 weist auf einen ersten Stellungsbereich 153 des Ausgangselements 130 zwischen der ersten und zweiten angewiesenen Stellung 151, 152 hin. Der Ausgang des zweiten Stellungssensors 137 weist auf einen zweiten Stellungsbereich 154 des Ausgangselements 130 zwischen der ersten und zweiten angewiesenen Stellung 151, 152 hin. Die zweite angewiesene Stellung 152 kann ein physischer Anschlag innerhalb des Stellglieds 100 sein, der einen maximalen oder minimalen Bereich der Bewegung des Ausgangselements 130 definiert. Wird der physische Anschlag an der zweiten angewiesenen Stellung 152 kontaktiert, kann sich das Ausgangselement 130 nicht weiter bewegen und der Ausgang des zweiten Stellungssensors 137 verändert sich nicht weiter; der Totgang des angetriebenen Elements 119 ermöglicht jedoch der elektrischen Antriebsvorrichtung 106, sich weiter zu bewegen, bis die Lockerheit oder Spielräume des angetriebenen Elements 119 überwunden sind. Die zusätzliche Bewegung wird durch den ersten Stellungssensor 134 gemessen und umfasst den Totgang des angetriebenen Elements 119. Die Differenz zwischen dem ersten Stellungsbereich 153 des Ausgangselements 130, gemessen durch den ersten Sensor 134, und dem zweiten Stellungsbereich 154 des Ausgangselements 130, gemessen durch den zweiten Stellungssensor 137, ist der Totgang des angetriebenen Elements 119.
Die vorstehenden Ausführungsformen und Beschreibungen zur Bestimmung des Totgangs des Stellglieds 100 setzen ein Verfahren 200 ein, das viele Schritte umfassen kann, wie sie in 15 mit in den 1-7 gezeigten Komponenten umrissen werden. Bei einem Schritt 202 wird ein Steuergerät vorgesehen, das Teil eines Stellglieds 100 oder davon getrennt ist. Bei Schritt 204 wird das Stellglied 100 mit einer elektrischen Antriebsvorrichtung 106 zur Bereitstellung eines Bewegungskraftausgangs der elektrischen Antriebsvorrichtung 106 vorgesehen. Das Stellglied 100 umfasst ferner das angetriebene Element 119 und das Ausgangselement 130 zur Aufnahme der Bewegungskraft und Übertragung der Bewegungskraft auf eine Weise, die das Ausgangselement 130 positioniert. Das Stellglied umfasst ferner den ersten Stellungssensor 134 zur Erfassung der Bewegung, des Fehlens der Bewegung und der Stellung der elektrischen Antriebsvorrichtung 106, des angetriebenen Elements 119, und des Ausgangselements 130, sowie den zweiten Stellungssensor 137 zur Erfassung der Bewegung, des Fehlens der Bewegung und der Stellung des angetriebenen Elements 119 und des Ausgangselements 130.
Als Nächstes umfasst das Verfahren einen Schritt 206 zur Bereitstellung eines elektrischen Steuersignals, welches das Stellglied mit dem Steuergerät anweist, um die elektrische Antriebsvorrichtung 106 zu aktivieren, um das Ausgangselement 130 in zumindest eine angewiesene Stellung anzutreiben und in dieser zu halten. Bei Schritt 208 bewegt die elektrische Antriebsvorrichtung das angetriebene Element 119, und bei Schritt 210 treibt das angetriebene Element das Ausgangselement 130 in eine oder mehrere angewiesene Stellungen 140, 151, 152, 174 innerhalb eines Gesamtbereichs der Bewegung des Ausgangselements 130 an, wobei bei Schritt 212 die Kraft oder Bewegung des Ausgangselements 130 auf den Mechanismus 5 oder die gesteuerte Vorrichtung übertragen wird und diese bewegt.
Bei Schritt 214 umfasst das Verfahren ferner das Überwachen des Ausgangs des ersten Stellungssensors 134 an der einen oder den mehreren angewiesenen Stellungen 140, 151, 152, 174 des Ausgangselements 130 und das Bestimmen einer ersten Stellung oder eines ersten Stellungsbereichs 149, 153, 175 des Ausgangselements 130 an der einen oder den mehreren angewiesenen Stellungen 140, 151, 152, 174. Der Schritt 214 umfasst auch das Erzeugen des zumindest einen ersten Sensorausgangswerts an das Steuergerät.
Bei Schritt 216 umfasst das Verfahren ferner das Überwachen des Ausgangs des zweiten Stellungssensors 137 an der einen oder den mehreren angewiesenen Stellungen 140, 151, 152, 174 des Ausgangselements 130 und; das Bestimmen einer zweiten Stellung oder zweiten Stellungsbereich 150, 154, 176 des Ausgangselements 130 an der einen oder den mehreren angewiesenen Stellungen 140, 151, 152, 174. Der Schritt 216 umfasst auch das Erzeugen des zumindest einen zweiten Sensorausgangswerts an das Steuergerät.
Bei Schritt 218 umfasst das Verfahren ferner das Berechnen zumindest einer aktuell messbaren Eigenschaft in dem Steuergerät, durch Berechnen oder Vergleichen der Werte der ersten Stellung oder des ersten Stellungsbereichs 149, 153, 175 und der zweiten Stellung oder des zweiten Stellungsbereichs 150, 154, 176 des Ausgangselements 130 an der einen oder den mehreren angewiesenen Stellungen 140, 151, 152, 174. Die Differenz zwischen der ersten Stellung oder dem ersten Stellungsbereich 149, 153, 175 und der zweiten Stellung oder dem zweiten Stellungsbereich 150, 154, 176 des Ausgangselements 130, an der einen oder den mehreren angewiesenen Stellungen 140, 151, 152, 174 des Ausgangselements 130, weisen auf einen Wert für den Totgang des angetriebenen Elements 119 des Stellglieds 100 hin. Bei Schritt 220 wird der zumindest eine Wert der aktuell messbaren Eigenschaft in einer Datenbank aufgezeichnet, die innerhalb des Steuergeräts vorliegt oder damit verbunden ist. Es sollte klar sein, dass die Eigenschaft auch auf den Totgang durch Bedingungen wie die Lockerheit zwischen Welle 117 und Läufer 114, Lockerheit zwischen Ausgangselement 130 und Antriebszahnrad 123 hinweisen kann; solche Bedingungen können aus Montagefehlern oder Schäden während des Betriebs des Stellglieds und/oder der gesteuerten Vorrichtung resultieren.
Das Verfahren zur Bestimmung des Totgangs des Stellglieds 100 umfasst auch einen zusätzlichen Schritt 222 zur Durchführung einer Leistungsbestimmung durch Vergleichen der zumindest einen aktuell messbaren Eigenschaft für den Totgang mit einem Referenzwert, um zu bestimmen, ob der Totgang akzeptabel oder inakzeptabel ist. Ist der Wert akzeptabel, startet dann bei Schritt 224 das Verfahren erneut. Ist der Wert bei Schritt 222 inakzeptabel, wird bei Schritt 226 ein Alarm erzeugt. Der Alarm kann ein Signal an den Fahrer sein, oder ein Alarm, der an ein entferntes Fahrzeug-Statusüberwachungssystem gesendet wird. Bei Schritt 222 kann der Schritt auch das Vergleichen des Werts für den Totgang mit einem Referenzwert für den Totgang umfassen, und wenn der Wert für den Totgang geringer ist als der Referenzwert, kann der Totgang des angetriebenen Elements 119 des Stellglieds 100 akzeptabel sein. Wenn der Wert für den Totgang größer ist als der Referenzwert, ist der Totgang des angetriebenen Elements 119 des Stellglieds 100 inakzeptabel.
Die Dauer, über welche der Totgang bestimmen werden kann, kann in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Systems variieren. Zum Beispiel kann die Dauer eine Sekunde oder weniger betragen, wenn die Positionierung des Ausgangselements 130 sich häufig ändern muss, um den gewünschten Betrieb des Systems sicherzustellen. Bei stabilen Zustandsbedingungen muss die Stellung des Ausgangselements 130 für mehrere Sekunden nicht verändert werden. Bei stabilen Zustandsbedingungen und einer konstanten angewiesenen Stellung des Ausgangselements 130 kann die maximale Variation in der Stellung gemessen werden, wenn die hierin zuvor erwähnten externen Kräfte auf das Ausgangselement 130 wirken. Es kann daher vorteilhaft sein, die Zeit zu verlängern, über welche die Stellung des Ausgangselements 130 gemessen wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren bei Schritt 222 das Bestimmen der Rate, mit welcher der Totgang sich über ein Intervall verändert. Die Fähigkeit, den Totgang und die Rate, mit welcher sich der Totgang ändern kann, zu bestimmen, kann nützlich sein, um ein unmittelbar bevorstehendes oder zukünftiges Problem mit dem Stellglied und/oder System zu identifizieren. Das Verfahren zur Bestimmung der Rate der Veränderung des Totgangs des Stellglieds 100 umfasst das Bestimmen zumindest eines ersten und zweiten Werts für den Totgang des Stellglieds 100 während zumindest eines Intervalls, und anschließend das Bestimmen der Differenz zwischen den ersten und zweiten Werten des Totgangs des Stellglieds 100, die während des zumindest einen Intervalls bestimmt wurden. Die Differenz zwischen dem ersten und zweiten Wert des Totgangs, die während des zumindest einen Intervalls bestimmt wurden, können verwendet werden, um die Rate der Veränderung des Totgangs des Stellglieds 100 über das zumindest eine Intervall zu bestimmen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren zur Bestimmung der Rate der Veränderung des Totgangs des Stellglieds 100 den weiteren Schritt des Vergleichens der bestimmten Rate der Veränderung des Totgangs mit einem Referenzwert für die Rate der Veränderung des Totgangs, um zu bestimmen, ob die Rate der Veränderung akzeptabel und inakzeptabel ist. Eine akzeptable Rate der Veränderung kann darauf hinweisen, dass das angetriebene Element 119 des Stellglieds 100 das Referenzniveau für den akzeptablen Totgang über ein prognostiziertes Intervall nicht überschreiten kann. Eine inakzeptable Rate der Veränderung kann darauf hinweisen, dass das angetriebene Element 119 des Stellglieds 100 das Referenzniveau für den akzeptablen Totgang über ein prognostiziertes Intervall überschreiten kann. Das Verfahren gemäß dieses konkreten Bestimmungsverfahrens umfasst ferner den Vergleich der bestimmten Rate der Veränderung des Totgangs für das angetriebene Element 119 des Stellglieds 100 mit einem Referenzwert für die Rate der Veränderung des Totgangs. Wenn die Differenz zwischen dem bestimmten Wert für die Rate der Veränderung des Totgangs geringer ist als der Referenzwert, kann die Rate der Veränderung des Totgangs des Stellglieds 100 akzeptabel sein. Wenn die Differenz zwischen dem bestimmten Wert für die Rate der Veränderung des Totgangs größer ist als der Referenzwert, ist die Rate der Veränderung des Totgangs des Stellglieds 100 inakzeptabel.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Intervall zwischen der Bestimmung des Totgangs des angetriebenen Elements 119 des Stellglieds 100 die abgelaufene Zeit zwischen der Überwachung beider Ausgänge der ersten und zweiten Stellungssensoren 134, 137. Es kann auch eines der folgenden Ereignisse sein, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein: ein Einschaltvorgang, ein Ausschaltvorgang, Start der Leistungszufuhr, Stopp der Leistungszufuhr, Ausgang des ersten Stellungssensors, Ausgang des zweiten Stellungssensors, eine vorbestimmte Differenz zwischen dem ersten und zweiten Stellungssensor, ein Eingang von einem weiteren Sensor oder eine Kombination davon.
Die Erfindung kann auch ein vollständiges System sein, das ein Stellglied und die gesteuerte Vorrichtung umfasst, etwa die verstellbaren Flügel eines Turboladers oder der Ventilteller eines Ventils. 11 zeigt ein System 155 umfassend ein Stellglied 100 und ein Ventil 164. Für diese beispielhafte Ausführungsform ist das Stellglied ähnlich dem Stellglied 100, daher werden gleiche Bezugszeichen zur Identifizierung gleicher Teile verwendet. Das Stellglied 100 verwendet einen bürstenlosen DC-Motor als elektrische Antriebsvorrichtung 106 und ein angetriebenes Mehrgang-Element 119 mit einem Ausgangselement 130, das wirkmäßig mit einem der Zahnräder des angetriebenen Elements 119 verbunden ist. Die ersten und zweiten Stellungssensoren 134, 137 sind ebenfalls ähnlich wie bei Stellglied 100 und überwachen die Bewegung und Stellung der elektrischen Antriebsvorrichtung 106, des angetriebenen Elements 119 und des Ausgangselements 130. Das Stellglied 100 ist mit dem Ventil 164 verbunden. Das Ventil 164 umfasst ein Ventilgehäuse 156. Das Ausgangselement 130, das hier in Phantomlinien gezeigt ist, erstreckt sich in das Ventilgehäuse 156 und kann wirkmäßig mit einem Ventilteller 157 durch Befestigungselemente 158 verbunden sein. Das Ausgangselement 130 kann drehbar mit dem Ventilgehäuse 156 gekoppelt sein, um für die Drehung eines Ventiltellers 157 innerhalb einer Bohrung 159 des Ventilgehäuses 156 zu sorgen. Das Stellglied 100 kann drehbar den Ventilteller 157 zwischen einer geschlossenen und offenen Stellung positionieren, um die Fluidströmung durch die Bohrung 159 des Ventilgehäuses 156 zu steuern.
Das Stellglied 100 und das Ventil 164 des Systems 155 funktionieren auf folgende Weise. Ein elektrisches Steuersignal wird an die elektrische Antriebsvorrichtung 106 des Stellglieds 100 geliefert und auf das angetriebene Element 119 und das Ausgangselement 130 des Stellglieds 100 übertragen, wie vorstehend hierin beschrieben. Der Ventilteller 157, wirkmäßig mit dem Ventilausgangselement 130 verbunden, dreht sich innerhalb der Bohrung 159 des Ventilgehäuses 156. Die Richtung der Drehung des Ventiltellers 157 ist von der Polarität des elektrischen Steuersignals abhängig, das an die elektrische Vorrichtung 106 des Stellglieds 100 angelegt wird. Eine erste Polarität kann die elektrische Antriebsvorrichtung 106 des Stellglieds 100 zwingen, die Drehung des Ventilausgangselements 130 und des Ventiltellers 157 in eine erste oder Schließrichtung 160 zu erzwingen, und eine zweite Polarität kann die elektrische Antriebsvorrichtung 106 des Stellglieds 100 zwingen, die Drehung des Ventilausgangselements 130 und des Ventiltellers 157 in eine zweite oder Öffnungsrichtung 161 zu erzwingen.
Das Stellglied 100 und das Ventil 164 des Systems 155 weisen ähnliche Probleme mit Totgang auf, wie sie hierin vorstehend beschrieben wurden. 12 zeigt eine grafische Darstellung der Bewegung und Stellung des Ausgangselements 130 und des Ventiltellers 157, wie sie durch den ersten und zweiten Stellungsensor 134, 137 gemessen werden. 12 ist ähnlich der 8. Die Skala 141 zeigt die Bewegung des Ausgangselements 130 und des Ventiltellers 157. Die Intervalle 142 sind alle geeigneten Intervalle, die zur Messung der Wellenbewegung geeignet sind, wie vorstehend hierin beschrieben. Ein erstes Ende 170 der Skala 141 zeigt eine erste Grenze 171 für die Bewegung des Ausgangselements 130 und des Ventiltellers 157 in einer ersten oder Schließrichtung 160, und; ein zweites Ende 172 der Skala 141 zeigt eine zweite Grenze 173 für die Bewegung des Ausgangselements 130 und des Ventiltellers 157 in einer zweiten oder Öffnungsrichtung 161. Die erste Grenze 171 ist ein physischer Anschlag in dem Ventil 164, etwa der Kontakt des Ventiltellers 157 mit der Bohrung 159 in dem Ventilgehäuse 156. Die zweite Grenze 173 ist ein physischer Anschlag des Stellglieds 100, der die maximale Öffnungsstellung des Ventiltellers 157 innerhalb der Bohrung 159 des Ventilgehäuses 156 begrenzen kann.
Unter Bezugnahme auf 11 und 12 wird ein elektrisches Steuersignal an die elektrische Antriebsvorrichtung 106 des Stellglieds 100 geliefert, um das angetriebene Element 119, das Ausgangselement 130, und den Ventilteller 157 des Ventils 164 an einer oder mehreren angewiesenen Stellungen 165 zu positionieren. Der Ausgang des ersten Stellungssensor 134 bestätigt, dass die elektrische Antriebsvorrichtung 106 innerhalb einer ersten Stellung oder eines ersten Stellungsbereichs 166 ist, der das angetriebene Element 119, das Ausgangselement 130 und den Ventilteller 157 innerhalb eines geeigneten Bereichs der einen oder der mehreren angewiesenen Stellungen 165 hält. Die erste Stellung oder der erste Stellungsbereich 166 können einen Wert von null aufweisen, wenn keine Bewegung der elektrischen Antriebsvorrichtung 106 durch den ersten Stellungssensor 134 erfasst wird. Interne und externe Kräfte können direkt oder indirekt auf das Ausgangselement 130 und den Ventilteller 157 des Ventils 164 ausgeübt werden und; der Totgang des angetriebenen Elements 119 kann dem Ausgangselement 130 und dem Ventilteller 157 ermöglichen, sich in die erste oder zweite Richtung 160, 161 zu bewegen, ohne dass die elektrische Antriebsvorrichtung 106, wie durch den ersten Sensor 134 bestätigt, bewegt wird. Die internen und externen Kräfte können, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, umfassen: Federkraft, Abgasdruck, Abgasschwankungen, Vibrationen, physische Stöße oder andere interne und externe Kräfte. Der Ausgang des zweiten Stellungssensors 137 kann auf eine zweite Stellung oder einen zweiten Stellungsbereich 169 hinweisen, die durch den Totgang der Antriebsvorrichtung 119 ermöglicht werden. Die Differenz zwischen der ersten Stellung oder dem ersten Stellungsbereich 166, gemessen durch den ersten Stellungssensor 134, und; der zweiten Stellung oder dem zweiten Stellungsbereich 169, gemessen durch den zweiten Stellungssensor 137, ist der Totgang des angetriebenen Elements 119.
Die vorstehende Ausführungsform und Beschreibung der Bestimmung des Totgangs eines Systems 155 verwendet ein Verfahren, das den Schritt des Vorsehens des Stellglieds 100 zur Verwendung in einem Motor umfasst. Ebenso vorhanden sind ein Stellglied mit der elektrischen Antriebsvorrichtung 106 zur Bereitstellung einer Bewegungskraft, dem angetriebenen Element 119 mit dem Ausgangselement 130 zum Empfang der Bewegungskraft und Übertragen der Kraft, um das Ausgangselement 130 zu positionieren. Das Verfahren umfasst ferner das Bereitstellen des ersten Stellungssensors 134 zur Erfassung der Bewegung, des Fehlens der Bewegung und der Stellung der elektrischen Antriebsvorrichtung 106, des angetriebenen Elements 119 und des Ausgangselements 130. Der zweite Stellungssensor 137 wird zur Erfassung der Bewegung, des Fehlens der Bewegung und der Stellung der elektrischen Antriebsvorrichtung 119 und des Ausgangselements 130 vorgesehen. Auch eine gesteuerte Vorrichtung 157, 164 wird vorgesehen, die wirkmäßig mit dem Ausgangselement 130 des angetriebenen Elements 119 verbunden ist und davon positioniert wird.
Das Verfahren umfasst als Nächstes das Liefern eines elektrischen Steuersignals an die elektrische Antriebsvorrichtung 106, um die Bewegung der elektrischen Antriebsvorrichtung 106 zu erzwingen, um das angetriebene Element 119, das Ausgangselement 130 und die gesteuerte Vorrichtung 157, 164 in eine oder mehrere angewiesene Stellungen 165 innerhalb eines Bewegungsbereichs des Ausgangselements 130 und der gesteuerten Vorrichtung 157, 164 zu bewegen. Dann folgt der Schritt des Überwachens des Ausgangs des ersten Stellungssensors 134 an der einen oder den mehreren angewiesenen Stellungen 165 und des Bestimmens einer ersten Stellung oder eines ersten Stellungsbereichs 166 der elektrischen Antriebsvorrichtung 106 und der gesteuerten Vorrichtung 157, 164. Dann folgt der Schritt des Überwachens des Ausgangs des zweiten Stellungssensors 137 an der einen oder den mehreren angewiesenen Stellungen 165 und der Schritt des Bestimmens einer zweiten Stellung oder eines zweiten Stellungsbereichs 169 des Ausgangselements 130 und der gesteuerten Vorrichtung 157, 164.
Als Nächstes umfasst das Verfahren den Schritt des Vergleichens der Werte der ersten Stellung oder des ersten Stellungsbereichs 166 und der zweiten Stellung oder des zweiten Stellungsbereichs 169, wobei die Differenz zwischen der ersten Stellung oder dem ersten Stellungsbereich 166 und der zweiten Stellung oder dem zweiten Stellungsbereich 169 auf den Totgang des Stellglieds 100 innerhalb des Systems 155 hinweist. Die vorstehende beispielhafte Ausführungsform eines Systems 155 umfasst das Stellglied 100 und ein Ventil 164. Es gehört auch zum Umfang der Erfindung, dass das System andere gesteuerte Vorrichtungen umfassen kann, etwa verstellbare Flügel eines Turboladers, ein Tellerventil, oder ein Klappenventil.
Eine weitere Ausführungsform eines Systems 178, die in 13 gezeigt wird, umfasst ein separates Stellglied 100 und eine separate gesteuerte Vorrichtung 179, die an einer Halterung 180 montiert ist/sind. Die gesteuerte Vorrichtung 179 ist ein Ventil, das eine ähnliche Funktion wie das Ventil 164 (in 11 gezeigt) aufweist. Das Stellglied 100 und das Ventil 164 sind durch ein Gestänge 181 mit einem ersten Hebel 182 und einer Verbindungsstange 183 und einem zweiten Hebel 184 verbunden. Das Ausgangselement 130, der erste Hebel 182, 183, die Verbindungsstange und der zweite Hebel 184 bilden einen Teil des angetriebenen Elements 119', der sich außerhalb des Stellglieds befindet. Der erste Hebel 182 ist an dem Ausgangselement 130 angebracht, der sich von dem Stellglied 100 erstreckt. Die Verbindungsstange 183 ist durch Zapfen 185 drehbar mit dem ersten und zweiten Hebel 182, 184 gekoppelt. Der zweite Hebel 184 ist wirkmäßig mit einer Ventilwelle 186 verbunden, die drehbar mit einem Ventilgehäuse 187 verbunden ist. Das Gehäuse 187 umfasst eine Bohrung 188 zur Aufnahme und Abgabe einer Fluidströmung. Ein Ventilteller 189 ist innerhalb der Bohrung 188 angeordnet und ist wirkmäßig durch Befestigungselemente 190 mit der Ventilwelle 186 verbunden. Der Ventilteller 189 ist mit der Ventilwelle 186 innerhalb der Bohrung 188 drehbar. Der Ventilteller 189 dreht sich in eine Ventilschließrichtung 168 und eine Ventilöffnungsstellung 167, um die Fluidströmung durch die Bohrung 188 zu steuern. Der zweite Stellungssensor 137 wurde verschoben, so dass er die Stellung der Ventilwelle 186 und des Ventiltellers 189 überwacht.
Das Stellglied 100 und das Ventil 179 des Systems 178 funktionieren auf folgende Weise. Ein elektrisches Steuersignal wird an die elektrische Antriebsvorrichtung 106 des Stellglieds 100 geliefert und auf das Ausgangselement 130 des Stellglieds 100 übertragen, wie vorstehend hierin beschrieben. Die Drehkraft wird weiter auf die Ventilwelle 186 durch das Gestänge 181 übertragen, das den ersten Hebel 182, die Verbindungsstange 183 und den zweiten Hebel 184 umfasst. Der Ventilteller 189 ist wirkmäßig mit der Ventilwelle 186 verbunden, um sich innerhalb der Bohrung 188 des Ventilgehäuses 186 zu drehen. Die Richtung der Drehung des Ventiltellers 189 ist von der Polarität des elektrischen Steuersignals abhängig, das an die elektrische Antriebsvorrichtung 106 des Stellglieds 100 angelegt wird. Zum Beispiel kann eine erste Polarität die elektrische Antriebsvorrichtung 106 des Stellglieds 100 zwingen, die Drehung des Ausgangselements 130, des Gestänges 181, der Ventilwelle 186 und des Ventiltellers 189 in eine erste oder Schließrichtung 168 erzwingen, und eine zweite Polarität kann die elektrische Antriebsvorrichtung 106 des Stellglieds 100 zwingen, die Drehung des Ausgangselements 130, des Gestänges 181, der Ventilwelle 186 und des Ventiltellers 189 in eine zweite oder Öffnungsrichtung 167 zu erzwingen. Der Drehungsbereich des Ventiltellers 189 in die erste oder Schließrichtung 168 kann durch den Kontakt des Ventiltellers 189 mit der Bohrung 188 des Ventilgehäuses 187 begrenzt werden. Der Drehungsbereich des Ventiltellers 189 in die zweite oder Öffnungsrichtung 167 kann durch einen physischen Anschlag in dem Stellglied 100 begrenzt werden.
Das Stellglied 100 und das Ventil 179 des Systems 178 können ähnliche Probleme mit Totgang aufweisen wie das Stellglied 100 und Ventil 164 des Systems 155, wie sie hierin vorstehend beschrieben wurden; außerdem kann es zusätzlichen Totgang in Verbindung mit dem Gestänge 181 aufweisen. Der Totgang des angetriebenen Elements 119 und des Gestänges 181 können unter Verwendung des Verfahrens zur Bestimmung des Totgangs für das System 155 bestimmt werden, das hierin vorstehend beschrieben wurde. Das Verfahren verwendet den Ausgang der ersten und zweiten Sensoren 134, 137, um einen Wert für den Totgang zu bestimmen.
Das Verfahren und die beispielhaften Ausführungsformen, die hierin beschrieben wurden, werden zur Bestimmung der Eigenschaft des Totgangs für das Stellgliedsystem verwendet. Es fällt jedoch auch in den Umfang der Erfindung, dass andere Eigenschaften bestimmt werden können, die durch Vergleichen des Ausgangs der ersten und zweiten Stellungssensoren 134, 137 bestimmt werden könnten. Eine zweite Eigenschaft kann der Verschleiß des Ventiltellers sein, der durch wiederholten Kontakt mit der Ventilbohrung verursacht wird. Der Verschleiß kann die Stellung des Ventiltellers verändern, wie sie durch die Stellungsensoren 134, 137 gemessen wird. Eine dritte Eigenschaft kann der Verschleiß der verstellbaren Flügel eines Turboladers sein, was eine Veränderung ihrer Stellung verursacht. Die erwähnten zweiten und dritten Eigenschaften des Verschleißes des Ventiltellers oder des Verschleißes der verstellbaren Flügel eines Turboladers können als zusätzlicher Totgang betrachtet werden, wie er durch das Verfahren der Erfindung gemessen werden kann.
In den vorstehenden beispielhaften Ausführungsformen und der Beschreibung wird ein Magnetfeld eines Permanentmagnets verwendet, um die Bewegung und Stellung der elektrischen Antriebsvorrichtung 106 zu erfassen. Dem Fachmann wird jedoch klar sein, dass die Bewegung der elektrischen Antriebsvorrichtung 106 durch Erfassen eines anderen Parameters erfasst werden kann, darunter elektrischer Strom, Spannung, elektromagnetische Gegenkraft (cemf), oder ein anderer Parameter. Es fällt daher in den Umfang der Erfindung, dass auch ein anderer Parameter verwendet werden kann, um die Bewegung und/oder Stellung der elektrischen Antriebsvorrichtung 106 zu erfassen.
Für die vorliegende Ausführungsform der Erfindung wird eine Differenz zwischen Ausgängen der ersten und zweiten Stellungssensoren 134, 137 verwendet, um die Eigenschaft des Stellglieds 100 zu bestimmen, wie in 7 gezeigt. Es fällt jedoch auch in den Umfang der Erfindung, dass andere Sensoren und Sensorpositionen verwendet werden können. Zum Beispiel zeigt 16, die ähnlich der 7 ist, eine alternative Ausführungsform für ein Stellglied 100' mit einem alternativen ersten Sensor 191. Der alternative erste Sensor 191 kann einen Ringmagnet 192 umfassen, der koaxial mit der Welle 117 sein kann. Der Ringmagnet kann an der Welle 117 durch Mittel wie Aufpressen, Kleben oder andere geeignete Mittel angebracht sein. Zumindest ein Sensor 193 kann elektrisch mit der Schaltung 113 verbunden sein und kann ein Ausgangssignal an die Schaltung 113 liefern, das auf die Bewegung, fehlende Bewegung und Stellung der Welle 117 und des Läufers 114 hinweisen kann. Der Ringmagnet 192 kann mehrere alternierende magnetische Pole umfassen, und die Übergange oder das Schalten der Pole kann erfasst werden, während sie an dem Sensor 193 vorbeilaufen. Die Schaltereignisse können zur Erfassung der Stellung auf ähnliche Weise, wie sie für den hierin vorstehend beschriebenen ersten Stellungssensor 134 verwendet wurden, verwendet werden. Alternativ kann der Ringmagnet 191 eine Feldstärke aufweisen, die abnimmt oder zunimmt, wenn sich die Welle 117 und der Läufer 114 drehen. Die Änderung der Intensität des Magnetfelds kann durch den Sensor 193 erfasst werden, und der Sensor 193 kann einen Ausgangswert liefern, der auf die Bewegung, fehlende Bewegung und Stellung der Welle 117 und des Läufers 114 hinweisen kann. Die Differenz zwischen dem Ausgang des alternativen ersten Sensors 191 und dem Ausgang des zweiten Sensors 137 kann verwendet werden, um die Eigenschaft des Stellglieds 100' zu bestimmen, die der Totgang sein kann.
Der alternative erste Stellungssensor 191 kann akzeptable Ergebnisse zur Bestimmung der Eigenschaft des Stellglieds 100' liefern, kann jedoch auch einige Einschränkungen aufweisen. Für die in 16 gezeigte beispielhafte Ausführungsform kann der alternative erste Sensor 191 nur direkt die Bewegung der Welle 117 messen und kann nicht direkt die zusätzliche Bewegung des Läufers 114 messen, die aus der Verbindung zwischen Welle 117 und Läufer 114 herrühren kann. Die Verbindung zwischen Läufer 114 und Welle 117 kann ein Presssitz, eine Gewindeverbindung, eine Schweißung oder eine andere geeignete Verbindung sein. Die Verbindung kann eine Nachgiebigkeit oder Lockerheit aufweisen, die durch Fehlmontage, Verschleiß, Belastung, Vibration oder andere Faktoren verursacht wird. Da der alternative erste Stellungssensor 191 die Stellung der Welle 117 nur direkt misst, umfasst der Ausgang des alternativen ersten Sensors 191 nicht die zusätzliche Bewegung des Läufers 114, die durch die Nachgiebigkeit oder Lockerheit der Verbindung zwischen der Welle 117 und dem Läufer 114 verursacht wird, und die Eigenschaft des Stellglieds, die durch die Differenz der Ausgänge des alternativen ersten Sensors 191 und des zweiten Sensors 137 bestimmt wird, umfasst diese zusätzliche Bewegung ebenfalls nicht. Die alternative Ausführungsform von 16, die den alternativen ersten Sensor 191 verwendet, steht im Gegensatz zu der Ausführungsform von 7, bei der der erste Stellungssensor 134 direkt die Bewegung, fehlende Bewegung und Stellung des Läufers 114 erfasst, und die Differenz zwischen den Ausgängen des ersten Sensors 134 und zweiten Sensors 137 die Eigenschaft des Stellglieds bestimmt, welche die Nachgiebigkeit und Lockerheit der Verbindung zwischen der Welle 117 und dem Läufer 114 umfasst. Die Entscheidung für einen bestimmten Sensortyp und eine konkrete Sensorposition kann von Bauraum, Genauigkeit, Zuverlässigkeit, Lebensdauer, Kosten und weiteren Faktoren abhängig sein.
Es fällt auch in den Umfang der Erfindung, dass der Totgang von Stellgliedern bestimmt wird, die sowohl eine Dreh- als auch Linearbewegung bereitstellen. Das hierin beschriebene Stellglied 100 stellt einen Drehausgang über das angetriebene Element 119 mit dem Ausgangselement 130 bereit. Stellglieder mit einem linearen Ausgang können einen Mechanismus zur Umwandlung einer Dreh- in eine Linearbewegung aufweisen. Ein üblicher Mechanismus, wie etwa eine Kurbelschleife, können für eine solche Umwandlung verwendet werden. Ein weiterer Mechanismus zur Umwandlung von Dreh- in Linearbewegung kann einen Nockenschlitz-Lager-Antriebsmechanismus umfassen, wie er in dem US-Patent 8,803,388 beschrieben wird, das ausdrücklich durch Verweis hierin aufgenommen ist.
Die Beschreibung der Erfindung ist rein beispielhafter Natur, und somit werden auch Variationen, die vom Prinzip der Erfindung nicht abweichen, als in den Umfang der Erfindung fallend betrachtet. Solche Variationen werden nicht als Abweichungen vom Geist und Umfang der Erfindung betrachtet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8803388 [0066]

Claims

Stellglied zur Verwendung in einem Motor, mit einer Überwachungsanordnung zur Überwachung einer Eigenschaft des Stellglieds, wobei das Stellglied umfasst: eine elektrische Antriebsvorrichtung, die mit einer Leistungsquelle verbunden ist, und einen Läufer und eine Welle, die drehbar innerhalb der elektrischen Vorrichtung positioniert sind, um sich in Ansprechen auf einen elektrischen Eingang, der die elektrische Antriebsvorrichtung stromführend schaltet, zu drehen, wobei die Drehung des Läufers einen Bewegungskraftausgang der elektrischen Antriebsvorrichtung erzeugt; ein Ausgangselement; ein angetriebenes Element mit einem Ausgangselement, das zwischen der elektrischen Antriebsvorrichtung und dem Ausgangselement verbunden ist, wobei das angetriebene Element den Bewegungskraftausgang der elektrischen Antriebsvorrichtung empfängt und zumindest einen Teil des Bewegungskraftausgangs an das Ausgangselement des angetriebenen Elements überträgt; einen ersten Stellungssensor in der Nähe der elektrischen Antriebsvorrichtung zur Erfassung der Bewegung, fehlenden Bewegung und der Stellung der elektrischen Antriebsvorrichtung, des angetriebenen Elements und des Ausgangselements und zur Erzeugung zumindest eines ersten Sensorausgangswerts; einen zweiten Stellungssensor in der Nähe des angetriebenen Elements oder Ausgangselements zur Erfassung der Bewegung, der fehlenden Bewegung und der Stellung des angetriebenen Elements oder Ausgangselements, wobei der zweite Sensor zumindest einen zweiten Sensorausgangswert erzeugt; ein Steuergerät, das mit dem Stellglied verbunden oder von dem Stellglied getrennt ist, wobei das Steuergerät dazu ausgestaltet ist, den zumindest einen ersten Sensorausgangswert und den zumindest einen zweiten Sensorausgangswert zu empfangen; und zumindest eine aktuell messbare Eigenschaft, die durch das Steuergerät berechnet und durch Berechnen der Differenz zwischen dem zumindest einen ersten Sensorausgangswert und dem zumindest einen zweiten Sensorausgangswert bestimmt wird, wobei die zumindest eine aktuell messbare Eigenschaft in einer Datenbank des Steuergeräts aufgezeichnet wird.
Stellglied nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine aktuell messbare Eigenschaft der Totgang des Stellglieds ist.
Stellglied nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend eine Leistungsbestimmung, die durch das Steuergerät vorgenommen wird, indem die zumindest eine aktuell messbare Eigenschaft mit einem oder mehreren zuvor in der Datenbank aufgezeichneten Referenzwerten verglichen wird, und wobei, wenn die zumindest eine aktuell messbare Eigenschaft geringer als der Referenzwert ist, die Eigenschaft des Stellglieds akzeptabel ist, und wenn die zumindest eine aktuell messbare Eigenschaft größer als der Referenzwert ist, die Eigenschaft des Stellglieds inakzeptabel ist.
Stellglied nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend zumindest einen physischen Anschlag zur Definition einer Stellung oder eines Stellungsbereichs des angetriebenen Elements oder Ausgangselements, wenn das angetriebene Element oder Ausgangselement mit dem zumindest einen physischen Anschlag in Kontakt gelangt, und wobei die zumindest eine aktuell messbare Eigenschaft zum Teil unter Verwendung des zumindest einen physischen Anschlags des angetriebenen Elements oder Ausgangselement berechnet wird.
Stellglied nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine erste Sensorausgangswert und der zumindest eine zweite Sensorausgangswert über zumindest ein Intervall gemessen werden, und die zumindest eine aktuell messbare Eigenschaft für das zumindest eine Intervall bestimmt wird und auf eine Rate der Veränderung der zumindest einen aktuell messbaren Eigenschaft während des zumindest einen Intervalls hinweist.
Stellglied nach Anspruch 5, wobei das zumindest eine Intervall die abgelaufene Zeit oder die Motorbetriebsstunden zwischen der Überwachung der Ausgänge des zumindest einen ersten Sensorausgangswerts und des zumindest einen zweiten Sensorausgangswerts ist.
Stellglied nach Anspruch 5, wobei das zumindest eine Intervall durch eines aus der folgenden Gruppe bestimmt wird: einen Einschaltvorgang, einen Ausschaltvorgang, einen Motorstart, einen Motorabstellvorgang, zumindest einen ersten Sensorausgangswert, zumindest einen zweiten Sensorausgangswert, eine vorbestimmte Differenz zwischen dem zumindest einen ersten Sensorausgangswert und dem zumindest einen zweiten Sensorausgangswert, einen Eingang von einem weiteren Sensor oder Kombinationen davon.
Stellglied nach Anspruch 5, wobei das Stellglied die Rate der Veränderung der Eigenschaft mit einem Referenzwert für die Rate der Veränderung der Eigenschaft vergleicht; wobei, wenn die Differenz zwischen der Rate der Veränderung der Eigenschaft kleiner als der Referenzwert ist, die Rate der Veränderung der Eigenschaft akzeptabel ist, und wobei, wenn die Differenz zwischen der Rate der Veränderung der Eigenschaft größer als der Referenzwert ist, die Rate der Veränderung der Eigenschaft inakzeptabel ist.
Stellglied nach Anspruch 1, wobei der erste Stellungssensor und der zweite Stellungssensor entweder ein absoluter Stellungssensor oder ein relativer Stellungssensor sind.
Stellglied nach Anspruch 1, wobei das angetriebene Element das Ausgangselement, eine Vielzahl von in Eingriff stehenden Zahnrädern, ein Gestänge, eine Vielzahl von Zahnrädern und Ketten, eine Vielzahl von Zahnrädern und Antriebsriemen, eine Vielzahl von Riemenscheiben und Antriebsriemen, Wellen und eine Kombination davon umfasst.