DE102017128542A1

DE102017128542A1 - Verfahren zum Erkennen einer Endposition eines Stellantriebs

Info

Publication number: DE102017128542A1
Application number: DE102017128542.3A
Authority: DE
Inventors: Klaus Moosmann; Martin Winker; Mario Ruoff; Markus Weh; Fabian Armbruster
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2016-12-02
Filing date: 2017-12-01
Publication date: 2018-06-07

Abstract

Verfahren zum Erkennen einer Endposition (E_P1; E_P2) eines Stellantriebs (1) mit einem elektrischen Antriebsmotor (3), bei dem die Endposition (E_P1) durch Anstieg des Motorstroms (I_M) auf einen Blockgrenzwert (I_B) erkannt wird, wobei in einem Erwartungsbereich (7) des Verstellweges (4) des Stellantriebs (1), in dem der mechanische Endanschlag (E_A) erwartet wird, der Blockgrenzwert (I_B) auf einen Erwartungsgrenzwert (I_E) verändert, insbesondere abgesenkt, wird. ()

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen einer Endposition eines Stellantriebsmit mit einem elektrischen Antriebsmotor, wobei der Motorstrom kontinuierlich gemessen und mit einem Blockgrenzwert verglichen wird und die Endposition erkannt wird, wenn der Motorstrom des Antriebsmotors den Blockgrenzwert erreicht oder überschreitet.
Elektrische Stellantriebe auf Basis von Elektromotoren sind in einer Vielzahl an Ausgestaltungen im Stand der Technik vorbekannt. Sie werden typischerweise eingesetzt, um ein Stellelement, beispielsweise ein Ventil oder eine Strömungsklappe, über einen Verstellweg hinweg zu verstellen. Hierbei können Getriebe und weitere Mechanik eingesetzt werden, um beispielsweise eine Drehung einer Antriebsachse des Elektromotors in eine gewünschte Stellbewegung des Stelleelements umzusetzen, beispielsweise eine Linear-, Schwenk- oder Drehbewegung.
Das Verfahren des Stellelements wird häufig durch Steuerung eines Motorstroms des Elektromotors des Stellantriebs erreicht. Beispielsweise sind Stellantriebe bekannt, bei denen während des Verfahrens des Stellelements eine gewisse Drehzahl des Motors und damit eine gewisse Verfahrgeschwindigkeit durch eine geeignete Motorregelung beibehalten werden soll. Fällt bei einem solchen Drehzahl geregelten Stellantrieb die Drehzahl des Motors ab, so erhöht die Motorregelung den Motorstrom als Steuerungsgröße, um mehr Drehmoment bereitzustellen und damit die Drehzahl wieder anzuheben. Ein solches Absinken der Drehzahl kann beispielsweise dadurch verursacht sein, dass das Stellelement beim Verfahren auf einen mechanischen Anschlag oder ein sonstiges Hindernis stößt, welches Drehmoment hemmend auf den Stellantrieb einwirkt und somit die auf den Elektromotor wirkende Last erhöht.
Damit der Stellantrieb zumindest während des Verfahrens entlang des Verstellwegs Hindernisse oder Blockaden überwinden kann, wird die Regelung typischerweise so ausgelegt, dass diese bei Bedarf einen relativ hohen maximal einstellbaren Motorstrom einstellen kann, um ein ausreichendes Drehmoment im Elektromotor zu bewirken. Dieser von der Motorregelung am Elektromotor maximal einstellbare Motorstrom, der der Überwindung von Blockaden dient, wird auch als Blockstrom bezeichnet. Anders ausgedrückt, wird der durch den Elektromotor fließende Motorstrom im Betrieb auf den Blockstrom begrenzt.
Bei wie eingangs beschriebenen Stellantrieben besteht eine häufige Aufgabe darin, das Stellelement in definierter Weise bis zu einer Endposition zu verfahren. Als Beispiel sei ein Stellantrieb genannt, der ein Stellelement in Form einer Lüftungsklappe bis zu einer Endposition verfahren soll, die durch einen mechanischen Anschlag gebildet ist.
Anstatt das Erreichen der Endposition durch eine aufwendige Sensorik zu detektieren, ist im Stand der Technik die Lösung bekannt, ein Ansteigen des durch die Motorregelung gesteuerten Motorstroms über einen gewissen Grenzwert hinaus zu detektieren und dieses Überschreiten des Grenzwerts zur Detektion der Endposition zu verwenden. Mit anderen Worten gilt bei dieser Lösung die Endposition als erreicht, sobald der Motorstrom einen zuvor definierten Grenzwert erreicht. Damit kann die Motorregelung den Motorstrom ausschalten, sobald der Motorstrom den Grenzwert erreicht und damit ein weiteres Verfahren des Stellelements gegen den Anschlag wirksam unterbinden. Typischerweise wird als Grenzwert der Wert des eingestellten Blockstroms verwendet, wobei über den gesamten Verstellweg ein gleichbleibend hoher von der Motorregelung maximal einstellbarer Motorstrom verwendet wird.
Bei dieser vorbekannten Lösung ist von großem Nachteil, dass der Stellantrieb zum Erkennen der Endposition das Stellelement solange verfährt, bis der Motorstrom auf den Blockstrom ansteigt. Dabei ist es so, dass der Motorstrom erst ab dem Erreichen des mechanischen Endanschlags beginnt anzusteigen. Da dieser Blockstrom entlang des Verstellwegs unter Umständen relativ hoch gewählt werden muss, um ein fehlerfreies Verfahren des Stellelements zu gewährleisten, verfährt der Stellantrieb das Stellelement somit mit dem maximal vorgesehenen Drehmoment gegen den mechanischen Endanschlag. In der Folge können dauerhaft hohe Belastungen am Getriebe, an Achsen der Mechanik, oder am Stellelement selbst auftreten und zwar immer dann, wenn die Endposition erreicht wird. Im schlimmsten Fall können sich Bauteile des Stellantriebs verformen, was zu fehlerhaften Positionierungen des Stellelements führen kann. Zudem kann es zu einem unerwünschten Zurückschnappen oder Zurückfedern des Stellelements kommen, sodass eine Regelungseinheit des Stellantriebs die aktuelle Position des Stellelements nur noch fehlerhaft kennt. In der Folge kann zum einen aufgrund der hohen mechanischen Belastung die Lebensdauer des Stellantriebs verkürzt sein. Zum anderen kann ein fehlerfreies Funktionieren des Stellantriebs nicht mehr gewährleistbar sein.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein im Vergleich zum Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Stellantriebes mit einem Motor bereit zu stellen, mit dem das Erreichen einer Endposition eines Stellelements sicher detektiert werden kann und gleichzeitig die mechanische Belastung auf den Stellantrieb, insbesondere auf das Stellelement, minimiert werden kann. Zudem soll das Verfahren ein fehlerfreies Funktionieren des Stellantriebs sicherstellen. Mittels der Erfindung sollen also insbesondere die zuvor benannten Nachteile im Stand der Technik behoben oder zumindest abgemildert werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum Betreiben eines Stellantriebs die Merkmale von Anspruch 1 vorgesehen.
Insbesondere wird beim erfindungsgemäßen Verfahren in einem Erwartungsbereich des Verstellweges des Stellantriebs der Blockgrenzwert auf einen Erwartungsgrenzwert verändert. Der Blockgrenzwert entspricht in der Regel wie oben beschrieben der maximal mögliche Motorstrom. Der Erwartungsgrenzwert ist in der Regel daher kleiner als der zuvor gültige Blockgrenzwert. Auf diese Weise wird der Grenzwert, mit dem der Motorstrom kontinuierlich verglichen wird, um die Endposition zu erkennen in zwei Werte unterteilt. Im normalen Verstellweg ist somit weiterhin beispielsweise der maximale Motorstrom als Blockgrenzwert gültig. Erst bei der Annäherung des Stellgliedes an die erwartete Position des mechanischen Endanschlags wird dieser Vergleichswert auf den Erwartungsgrenzwert abgesenkt. Fährt das Stellglied gegen den mechanischen Endanschlag, steigt der Motorstrom an. Aufgrund des nun wesentlich geringeren Grenzwertes ist der Vergleichswert schneller erreicht und die Endposition wird früher erkannt. Auf diese Weise ist die mechanische Belastung des Stellantriebes und des Endanschlags kürzer und damit weniger schädlich. Zusätzlich ist aufgrund des reduzierten Motorstroms das Drehmoment, das in dieser kürzeren Zeit wirkt ebenfalls deutlich verringert. Die mechanische Belastung des Stellantriebes ist dadurch insgesamt wesentlich geringer. Wodurch die zuvor beschriebenen Probleme behoben oder stark abgemildert werden.
Damit der Erwartungsbereich definiert werden kann, muss die Position des Stellgliedes zu jeder Zeit bekannt sein. Dazu kann ein Positionsgeber in irgendeiner Form vorhanden sein. Zudem muss die Position des Endanschlags zumindest angenähert bekannt sein.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist der Antriebsmotor des Stellantriebs ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor. Hier können einfach die einzelnen Kommutierungsschritte gezählt werden, um auf die Position des Stellgliedes zu schließen. Die Position eines Endanschlags kann hier beispielsweise in einer Referenzfahrt ermittelt und gespeichert werden. Eine solche Referenzfahrt kann beispielsweise einmalig bei der Montage erfolgen, wobei die Positionen in einem nichtflüchtigen Speicher hinterlegt werden. Es kann jedoch auch bei jedem Einschalten eine erneute Referenzfahrt durchgeführt werden.
Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn der Erwartungsbereich an einem Erwartungsstartwert beginnt, der in Verstellrichtung vor dem mechanischen Endanschlag liegt. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn der Erwartungsbereich bis über den mechanischen Endanschlag hinaus reicht. Somit wird sichergestellt, dass der Endanschlag nicht mit dem vollen sondern nur mit dem reduzierten Drehmoment angefahren wird.
Der Erwartungsstartwert ist vorzugsweise in Bezug zum mechanischen Abstand eines Stellgliedes zum mechanischen Endanschlag definiert. Bei einem Verstellweg, der insgesamt einige cm beträgt, kann der Erwartungsstartwert etwa 0,5 cm vor dem mechanischen Endanschlag liegen. Auf diese Weise besteht eine Sicherheit von 0,5 cm und/oder in Bezug zur Motorposition ist.
Wie bereits erwähnt, ist der Erwartungsgrenzwert kleiner als der Blockgrenzwert. Er kann jedoch auch gleich sein, wenn es die Anwendung erfordert. Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn der Erwartungsgrenzwert größer als der aktuelle oder ein gemittelter Motorstrom ist.
Der Erwartungsgrenzwert kann ein fester Wert sein, beispielsweise die Hälfte oder ein Drittel des Blockgrenzwertes. Dabei kann es jedoch passieren, dass der Motorstrom durch eine Belastung im normalen Betrieb bereits höher liegt und somit sofort bei Erreichen des Erwartungsstartwertes die Endposition erkannt würde.
Aus diesem Grund ist es besonders zweckmäßig, wenn der Erwartungsgrenzwert in Abhängigkeit des Motorstroms dynamisch angepasst wird.
Dazu kann insbesondere zum jeweils aktuellen Motorstrom oder einem gebildeten Mittelwert des Stromes ein Offset hinzuaddiert werden. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Erwartungsgrenzwert stets höher ist, als der gerade für den aktuellen Betriebsfall notwendig anliegende Motorstrom. Insbesondere kann hierbei jedoch darauf geachtet werden, dass der Blockgrenzwert nicht überschritten wird. Die gebildete Summe kann daher bei Überschreiten des Blockgrenzwertes auf diesen beschnitten werden.
Der Offset wiederum kann ein fester Wert sein oder selbst auch dynamisch gebildet werden. So kann der Offset beispielsweise abhängig vom Stromwert sein, so dass bei großen Strömen ein größerer Offset addiert wird. Insbesondere kann der Offset als ein prozentualer Anteil des mittleren Stromes gebildet sein. Insbesondere kann der Anteil auch über 100% liegen, so dass der Offset auch größer als der Motorstrom sein kann.
In einer vorteilhaften Ausführung wird der mittlere Motorstrom kontinuierlich oder periodisch aus dem Mittelwert einer vorgegebenen Anzahl an vorausgegangenen Strommesswerten bestimmt. Beispielsweise kann der Mittelwert aus den letzten 3 bis 30 detektierten Motorstromwerten gebildet werden.
Wie bereits weiter oben erwähnt, kann die Position des Endanschlags oder auch mehrerer, insbesondere zwei, Endanschläge in einer Referenzfahrt ermittelt werden. In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird hier bei der Anfahrt des ersten Endanschlags die Position noch mit dem Blockgrenzwert ermittelt. Aufgrund der Geometrie und der bekannten Schrittweite einer Motorumdrehung kann davon ausgehend bereits ein Erwartungsstartwert bestimmt werden, so dass beim oder vor dem Referenzieren des zweiten Endanschlags bereits eine erfindungsgemäße Reduzierung auf den Erwartungsgrenzwert im Erwartungsbereich erfolgen kann. In einer abgewandelten Form der Erfindung ist es dadurch auch möglich, den Motor mit nur einem ermittelten oder einem Referenzierten Endanschlag zu betreiben. Da für den zweiten Endanschlag nicht die genaue Position sondern nur der Erwartungsstartwert benötigt wird. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass eine Reduzierung des Blockgrenzwertes auf den Erwartungsgrenzwert erst nach dem Detektieren beider Endanschläge erfolgt. In anderen Ausgestaltungen kann es auch vorgesehen sein, dass die Reduzierung des Blockgrenzwertes auf den Erwartungsgrenzwert bereits vor der oder den Referenzfahrten erfolgt. Beispielsweise können die Einbauposition und der zu erwartende Verstellweg bis zum Erreichen des mindestens einen Endanschlags hinreichend genau bekannt sein, so dass ein Erwartungsbereich, insbeosondere ein Erwartungsstartwert, vor der Referenzierung festgelegt und die Reduzierung des Blockgrenzwertes auf den Erwartungsgrenzwert vorab vorgenommen werden kann.
Die Erfindung umfasst insbesondere auch einen Stellantrieb mit einem Stellglied und einem Antriebsmotor, der nach einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird. Dieser Stellantrieb kann insbesondere Mittel zur Bestimmung des Motorstroms, und zum Vergleichen mit einem Grenzwert aufweisen. Vorzugsweise weist der Stellantrieb eine Motorsteuerung mit einem Motorcontroller oder einem Mikrocontroller auf. Der Motorstrom kann beispielsweise durch eine Strommessung direkt bestimmt werden. Die Messung kann dabei beispielsweise kontinuierlich oder periodisch erfolgen. Alternativ kann auch eine andere Messgröße, zum Beispiel ein anliegendes Drehmoment, ermittelt werden und von dieser Messgröße auf den Motorstrom geschlossen werden.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann auch der Gradient des Stromes überwacht werden, also der Anstieg des Stromwertes über eine definierte Zeit betrachtet werden. Dabei wird ein Endanschlag dadurch detektiert, dass der Stromwert in einer definierten Zeit um einen gewissen Prozentsatz oder alternativ um einen festgelegten Wert ansteigt. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Zeit und/oder der Stromwert als Bereich mit einem Minimal- bzw. Maximalwert definiert werden um Toleranzen und Variationen in der Applikation auszugleichen.
Es wird daher, analog zum oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren, auch ein alternatives Verfahren zum Betreiben eines Stellantriebs mit einem elektrischen Antriebsmotor bereitgestellt, wobei eine zeitliche Änderung des Motorstrom ermittelt wird und mit einem Gradient-Blockgrenzwert verglichen wird und der Antriebsmotor gestoppt wird, wenn die zeitliche Änderung des Motorstroms des Antriebsmotors den Gradient-Blockgrenzwert erreicht oder überschreitet. In dieser Ausgestaltung der Erfindung wird im Erwartungsbereich des Verstellweges des Stellantriebs der Gradient-Blockgrenzwert auf einen Gradient-Erwartungsgrenzwert verändert. Vorzugsweise wird dann, wenn im Erwartungsbereich die zeitliche Änderung des Motorstroms den Gradient-Erwartungsgrenzwert erreicht oder übersteigt, eine dem Endanschlag zugeordnete Endposition bestimmt. Vorzugsweise ist der Gradient-Erwartungsgrenzwert kleiner als der Gradient-Blockgrenzwert.
In manchen Ausgestaltungen der Erfindung ist es dabei vorgesehen, dass in dem Erwartungsbereich, in Anhängigkeit von dem Gradient-Erwartungsgrenzwert, ein Wertebereich für den Gradient-Erwartungsgrenzwert festgelegt wird, wobei die Änderung des Motorstroms mit diesem Wertebereich verglichen wird. Dabei wird der Endanschlag detektiert, wenn die zeitliche Änderung des Motorstroms in dem Wertebereich liegt. Die Position des Endanschlags kann dann beispielsweise in einem Speicher einer Steuerschaltung gespeichert werden. Vorzugsweise sind alle Werte des Wertebereichs kleiner oder gleich dem Gradient-Blockgrenzwert sind. Üblicherweise stellt das Erreichen der Endanschläge eine relative weiche Blockade dar, während typische Fehlerfälle, wie beispielsweise ein Kurzschluss der Motorwicklungen, eine relativ harte Blockade darstellen. Daher kann durch eine geeignete Wahl des Wertebereichs für den Gradient-Erwartungsgrenzwert eine zuverlässige und sehr schnelle Erkennung der Endanschläge realisiert werden. Der Wertebereich kann beispielsweise durch den Gradient-Erwartungsgrenzwert nach unten hin begrenzt sein. Die obere Grenze kann beispielsweise durch addieren eines Offsets zum Gradient-Erwartungsgrenzwert gebildet werden. Analog zu den oben beschriebenen Varianten, kann der Gradient-Erwartungsgrenzwert, beziehungsweise der Wertebereich, in Abhängigkeit von einem Mittelwert von entlang des Verstellwegs bestimmten Änderungen des Motorstroms bestimmt werden. Zusätzlich zur zeitlichen Änderung des Motorstroms kann auch weiterhin eine Überwachung des Motorstroms erfolgen, so dass die Regelung des Antriebsmotors eine Strombegrenzung umfasst.
Sowohl der Erwartungsgrenzwert, als auch der Gradient-Erwartungsgrenzwert, können in Abhängigkeit von einer Temperatur bestimmt werden. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass der Erwartungsgrenzwert oder der Gradient-Erwartungsgrenzwert erhöht wird, wenn sich die Außentemperatur oder die Temperatur im Bereich des Antriebsmotors oder eines damit gekoppelten Getriebes reduziert.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass nach einer Festlegung des Erwartungsgrenzwerts ein Strom-Sollwert festgelegt wird. Wenn der Motor danach stoppt und nach dem Stoppen wieder beschleunigt, wird dieser zum Anfahren derart angesteuert, dass der Motorstrom auf den Strom-Sollwert geregelt oder durch den Strom-Sollwert begrenzt wird. Durch das Festlegen des Erwartungsgrenzwertes ist ein Stromwert bekannt, der bei konstanter Last zum Antreiben des Motors an seiner aktuellen Position genügt. Diese Kenntnis kann nun dazu verwendet werden, den Motorstrom beim Anfahren auf einen Wert zu regeln oder zu beschränken, der unterhalb des Blockgrenzwertes liegt. Dadurch kann zum einen der Energieverbrauch reduziert werden und zum anderen können elektromagnetische Störfelder reduziert werden, das Verhalten bezüglich elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) also verbessert werden.
Der Strom-Sollwert wird vorzugsweise bei jeder Neubestimmung des Erwartungsgrenzwertes, oder bei jedem Stoppen des Motors, neu festgelegt. Alternativ kann es aber auch vorgesehen sein, dass der Strom-Sollwert nur manchmal, beispielsweise beim Erreichen eines Endanschlages oder nur während einer Initialisierung, bestimmt wird. Das Festlegen des Strom-Sollwertes und/oder das Anfahren des Motors nach einem Stopp mit einer Regelung des Phasenstroms auf den Strom-Sollwert ist jedoch nicht auf das Anfahren nach dem Erreichen eines Endstopps beschränkt und kann vielmehr jeden Anfahrprozess betreffen. Dem Strom-Sollwert kann auch ein Initialwert zugeordnet sein, so dass auch ein erstes Anfahren vor einem ersten Stopp-Ereignis mit einer Regelung oder Begrenzung auf den Strom-Sollwert erfolgen kann. Dies kann beispielsweise nach einem Neustart des Motorcontrollers eines Stellantriebes oder dem Aufwachen aus einem Energiesparmodus umgesetzt werden.
Der Strom-Sollwert liegt vorzugsweise über dem Erwartungsgrenzwert aber unter dem Blockgrenzwert. Ebenso ist es bevorzugt, dass der Strom-Sollwert midenstens 5% über dem Erwartungsgrenzwert liegt, besonders bevorzugt im Bereich von 10% bis 40% über dem Erwartungsgrenzwert. In manchen Ausgestaltungen des Verfahrens ist es ferner bevorzugt, dass der Strom-Sollwert im Bereich von 25 mA bis 300 mA über dem Erwartungsgrenzwert liegt, insbesondere im Bereich von 50 mA bis 150 mA.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Phasenwicklungen des Antriebsmotors zum Anfahren entsprechend vorherbestimmter Kommutierungszeitpunkte bestromt werden. Die Kommutierungszeitpunkte können beispielsweise in einer Tabelle in einem Speicher, beispielsweise einem nichtflüchtigen Speicher wie einem EEPROM oder einem Flash-Speicher des Motorcontrollers, abgespeichert sein. Beim Übergang von der Anfahrphase in eine Beschleunigungsphase oder einen Normalbetrieb kann die Steuerung und/oder Regelung wieder geändert werden. Beispielsweise kann dann von dem Betrieb mit vorherbestimmten Kommutierungszeiten in einen Betrieb mit einer Drehzahlregelung und/oder einer Stromregelung gewechselt werden, beispielsweise im Rahmen einer sensorlosen Regelung.
Gelingt nach einem Stopp das Wiederanfahren mit einer Stromregelung oder Begrenzung auf den Strom-Sollwert nicht, kann es vorgesehen sein, dass dann wieder auf den Grenzwert des Blockstroms zurückgegriffen wird, beispielsweise auf einen Betrieb mit Stromregelung und Begrenzung auf den Blockstrom. Dieser Rückgriff kann nach dem ersten Fehlversuch oder auch erst nach einem wiederholten Scheitern des Anfahrens erfolgen. Insbesondere kann es dann vorgesehen sein, dass die Phasenwicklungen des Motors entsprechend vorherbestimmter Kommutierungszeiten bestromt werden, wobei der Strom auf den Blockstrom geregelt oder durch diesen begrenzt wird.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, ist aber nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.
Es zeigt:

1 ein beispielhafter Motorstromverlauf mit einer Endpositionserkennung gemäß dem Stand der Technik,
2 ein beispielhafter Motorstromverlauf mit einer erfindungsgemäßen Endpositionserkennung,
3 eine schematische Darstellung eines Stellantriebs mit linear bewegbarem Stellglied,
4 eine schematische Darstellung eines Stellantriebs mit einem schwenkbaren Stellglied,
5 den Motorstromverlauf der 2, wobei der Strom-Sollwert zum Anfahren nach einem Stopp gezeigt ist, und
6 einen Motorstromverlauf mit einer Regelung des Motorstrom auf den Strom-Sollwert.

In 3 ist schematisch ein beispielhafter Stellantrieb 1 gezeigt, der ein Stellglied 2 mit einem Antriebsmotor 3 aufweist. Das Stellglied 2 weist einen linearen Verstellweg 4 auf, der auf beiden Seiten jeweils durch einen mechanischen Endanschlag 5 begrenzt ist. Der Stellantrieb 1 kann beispielsweise ein Sitzversteller in einem Kraftfahrzeug sein, mit dem ein Sitz als Stellglied 2 in einer Verstellrichtung 6 bewegbar ist.
Der Antriebsmotor 3 kann beispielsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor sein, der drehzahlgeregelt betrieben wird. Es kann aber auch ein einfacher Schrittmotor oder ein anderer Synchronmotor sein. Das bedeutet, dass die Verfahrgeschwindigkeit im Wesentlichen konstant gehalten wird, und dazu der Motorstrom angepasst wird, wenn der Widerstand am Stellglied steigt. Beispielsweise durch das Gewicht des Fahrers.
Die 1 zeigt einen typischen Verlauf des Motorstroms I_M bei einer Endpositionserkennung gemäß dem Stand der Technik. Die 1 zeigt nun vereinfacht einen konstanten Stromverlauf entlang des Verstellweges s eines Stellantriebs, wie er beispielsweise bei gleichbleibender Last auftritt. Sobald das Stellglied den mechanischen Endanschlag E_A erreicht, erfährt der Antriebsmotor einen Widerstand. Dadurch steigt der Motorstrom I_M, bis er den maximal möglichen Blockstrom I_B erreicht. Zur Drehzahlregelung ist eine kontinuierliche Messung des Motorstromes notwendig. Diese Strommesswerte werden nun kontinuierlich mit dem Blockstrom I_B verglichen. Im Beispiel beträgt I_B = 600 mA. Die Strommessung erfolgt in der Regel über eine Motorsteuerung, wobei die Abtastrate der Strommessung zweckmäßigerweise an die Frequenz einer PWM angepasst ist und beispielsweise bei 20 kHz liegt.
Steigt der Motorstrom I_M auf den Blockstrom I_B an, geht die Steuerung von einem Erreichen der Endposition E_P1 aus und schaltet den Motor aus. Da zwischen dem Erreichen des mechanischen Endanschlags E_A und dem Erkennen der Endposition E_P1 durch Anstieg des Motorstroms auf den Blockstrom I_B eine Zeitdifferenz vorliegt, die im Bereich von Millisekunden liegt, wird der Stellantrieb und auch der mechanische Endanschlag während dieser Zeit mit dem maximalen Drehmoment belastet. Dadurch kann der Stellantrieb beschädigt werden. Die erkannte Endposition würde also prinzipiell hinter dem mechanischen Endanschlag liegen.
Die 2 zeigt nun den Stromverlauf I_M am Antriebsmotor beim erfindungsgemäßen Verfahren. Erfindungsgemäß gilt auch hier für den Antriebsmotor weiterhin der Blockstrom I_B als Grenzwert für den maximalen Motorstrom. Das bedeutet, dass im normalen Betrieb 8 Hindernissen oder Blockaden des Stellgliedes mit dem vollen Drehmoment begegnet werden kann.
Um jedoch zu verhindern, dass der Stellantrieb mit dem vollen Drehmoment in den mechanischen Endanschlag E_A fährt, wird nun in einem Erwartungsbereich 7 der Grenzwert des maximalen Stromes auf einen Erwartungsgrenzwert I_E reduziert.
Der Erwartungsbereich 7 beginnt dabei an einem Erwartungsstartwert E_S, der in aktueller Verfahrrichtung vor dem erwarteten mechanischen Endanschlag E_A liegt. Bei dem Stellantrieb 1 der 3 mit einem linearen Verstellweg 4 von einigen Zentimetern kann der Erwartungsstartwert E_S beispielsweise einen oder einen halben Zentimeter vor dem mechanischen Endanschlag E_A liegen. Wobei dieser Abstand von vielen Faktoren abhängig sein kann und praktisch beliebig wählbar ist.
Der Erwartungsbereich 7 erstreckt sich über den mechanischen Endanschlag E_A hinaus und bildet daher im Prinzip ein einseitig offenes Intervall, das am Erwartungsstartwert E_S beginnt und den mechanischen Endanschlag E_A beinhaltet.
Erreicht das Stellglied 2 den Erwartungsbereich 7, wird der Grenzwert, mit dem der Motorstrom I_M zur Endpositionserkennung verglichen wird, auf einen Erwartungsgrenzwert I_E abgesenkt. Der Erwartungsgrenzwert liegt im Beispiel 100 mA über dem zuvor anliegenden mittleren Motorstrom von 150 mA. Die Endpositionserkennung erkennt also die Endposition sobald der Motorstrom auf 250 mA ansteigt. Nachdem das Stellglied den mechanischen Endanschlag erreicht hat, steigt der Motorstrom auch hier an. Da der Erwartungsgrenzwert I_E jedoch wesentlich schneller erreicht wird, wird die Endposition E_P2 bereits früher erkannt als im Stand der Technik die E_P1. Dadurch ist die Dauer, die der Endanschlag und der Stellantrieb mechanisch belastet ist wesentlich kürzer. Außerdem ist durch den geringeren maximalen Motorstrom das Drehmoment, das beim Blockieren wirkt, stark reduziert. Insgesamt ist dadurch die mechanische Belastung wesentlich geringer als im Stand der Technik.
Zur Veranschaulichung einer analogen Ausgestaltung der Erfindung, in der nicht der Motorstrom, sondern dessen zeitliche Ableitung überwacht wird, können in 2 die auf den Motorstrom bezogenen Größen I_M, I_B und I_E durch entsprechende Grenzwerte für den Gradienten des Motorstroms ersetzt werden.
Die 4 zeigt eine schematische Ansicht eines Stellantriebs 1 mit einem schwenkbaren Stellglied 2. Das Stellglied 2 ist hier beispielsweise eine Klappe eines Kühlergrills. In diesem Beispiel liegen die beiden Erwartungsstartwerte E_S etwa 5° vor den jeweiligen mechanischen Endanschlägen E_A. Wie bereits mit Bezug auf die 2 und 3 beschrieben, erfolgt auch hier die Erkennung der Endposition wesentlich früher und die mechanische Belastung ist reduziert.
5 zeigt eine Abwandlung der 2 mit einem Strom-Sollwert I_soll. Wurde im Erwartungsbereich 7 ein mechanischer Endanschlag 5 erkannt und der Antriebsmotor 3 gestoppt, wird im Beispiel der Motorstrom I_M beim Anfahren nach dem Stopp auf den Strom-Sollwert I_soll geregelt oder durch diesen begrenzt. Der Strom-Sollwert I_soll liegt um einen Offset 10 über dem Erwartungsgrenzwert I_E, so dass ein sicheres Anfahren gewährleistet ist. Der Offset 10 beträgt beispielsweise circa 5% bis 40% des Erwartungsgrenzwert I_E, wobei der Strom-Sollwert I_soll aber kleiner oder gleich dem Wert des Blockstroms I_B sein soll. Sollte wider Erwarten ein Anfahren misslingen, können weitere Anfahrversuche mit einer Regelung oder Begrenzung des Motorstroms I_M auf den Strom-Sollwert I_soll unternommen werden. Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass der Strom-Sollwert I_soll nach einem oder mehreren fehlgeschlagenen Anfahrversuchen erhöht wird. Der Strom-Sollwert I_soll kann dann schrittweise dem Blockstrom I_B angenähert oder direkt auf diesen gesetzt werden.
Das Anfahren kann beispielsweise mit vorgegebenen Kommutierungszeiten zum Bestromen der Phasenwicklungen erfolgen. Beispielsweise sind die Kommutierungszeiten dazu in einer Tabelle in einem Speicher des Motorcontrollers hinterlegt.
In einigen Ausgestaltungen der Erfindung werden der Strom-Sollwert I_soll und/oder der Erwartungsgrenzwert I_E in Abhängig von einer Temperatur bestimmt. Die Temperatur kann sich unter anderem auf eine Umgebungstemperatur, eine Temperatur im Bereich des Antriebsmotors, oder eine Temperatur im Bereich eines mit dem Antriebsmotor 3 gekoppelten Getriebes oder eines Stellgliedes beziehen. Beispielsweise werden der Strom-Sollwert I_soll und/oder der Erwartungsgrenzwert I_E invers proportional zur Umgebungstemperatur festgelegt, um einen höheren mechanischen Widerstand eines gekoppelten Getriebes und Stellgliedes 2 bei niedrigen Temperaturen auszugleichen. Im Beispiel der 5 würden dann bei einer höheren Temperatur der Strom-Sollwert I_soll und/oder der Erwartungsgrenzwert I_E kleinere Werte annehmen, also im Bild nach unten verschoben dargestellt sein.
Ein beispielhafter Verlauf des Motorstroms I_M während des Anfahrprozesses ist als Funktion der Zeit t in 6 dargestellt. Nach einem Stopp beginnt der Antriebsmotor zu einer Zeit t₀ zu beschleunigen, wobei der Motorstrom I_M auf den Strom-Sollwert I_soll geregelt wird. Um ein sicheres Anfahren zu gewährleisten, kann dies beispielsweise mit vorgegebenen Kommutierungszeiten erfolgen. Der Anfahrprozess endet zu einer Zeit t₁, beispielsweise nach einer vorgegebenen Anzahl an Kommutierungsschritten oder nach dem Erreichen einer vorgegebenen Drehzahl. Der Anfahrprozess dauert beispielsweise im Bereich von 50 ms bis 1000 ms und umfasst typischerweise 2 bis 30 Kommutierungsschritte. Zur Zeit t₁ erfolgt dann ein Übergang in eine andere Betriebsphase. Dies kann ein Betriebsmodus mit sensorloser Regelung, zum Beispiel mit einer Drehzahlregelung sein. Dadurch wird ein besonders effizienter Betrieb ermöglicht, und der Motorstrom reduziert sich. Nach dem Anfahrprozess kann dabei wieder eine Strombegrenzung auf den Blockstrom I_B vorgesehen sein. Sobald ein Erwartungsbereich 7 des Verstellweges 4 erreicht wird, kann die Strombegrenzung wiederum von dem Blockstrom I_B auf den Erwartungsgrenzwert I_E reduziert werden.
Bezugszeichenliste

1: Stellantrieb
2: Stellglied
3: Antriebsmotor
4: Verstellweg
5: Endanschlag
6: Verstellrichtung
7: Erwartungsbereich
8: Offset
9: Normalbetrieb
10: Offset
I_M: Motorstrom
I_B: Blockstrom
I_E: Erwartungsgrenzwert
I_soll: Strom-Sollwert
E_A: Endanschlag
E_S: Erwartungsstartwert
E_P1: Endposition
E_P2: Endposition

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Stellantriebs (1) mit einem elektrischen Antriebsmotor (3), wobei der Motorstrom (I_M) ermittelt und mit einem Blockgrenzwert (I_B) verglichen wird und der Antriebsmotor gestoppt wird, wenn der Motorstrom (I_M) des Antriebsmotors (3) den Blockgrenzwert (I_B) erreicht oder überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Erwartungsbereich (7) des Verstellweges (4) des Stellantriebs (1) der Blockgrenzwert (I_B) auf einen Erwartungsgrenzwert (I_E) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn im Erwartungsbereich der Motorstrom (I_M) den Erwartungsgrenzwert (I_E) erreicht oder übersteigt, eine einem Endanschlag (5, E_A) zugeordnete Endposition (E_P2) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorstrom (I_M) dadurch bestimmt wird, dass er gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Erwartungsbereich (7) an einem Erwartungsstartwert (E_S) des Verstellweges (4) beginnt, wobei der Erwartungsstartwert (E_S) in Verstellrichtung vor dem mechanischen Endanschlag (E_A) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Erwartungsbereich (7) von dem Erwartungsstartwert (E_S) bis zum mechanischen Endanschlag (5, E_A) oder von dem Erwartungsstartwert (E_S) bis über den mechanischen Endanschlag (5, E_A) hinaus reicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Erwartungsstartwert (E_S) in Bezug zum mechanischen Abstand eines Stellgliedes (2) zum mechanischen Endanschlag (5, E_A) und/oder in Bezug zur Motorposition definiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Erwartungsgrenzwert (I_E) kleiner als der Blockgrenzwert (I_B) ist und/oder dass der Erwartungsgrenzwert (I_E) größer als der aktuelle oder ein gemittelter Motorstrom (I_M) ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Erwartungsgrenzwert (I_E) durch Addition eines Offsets (8) zum Motorstrom (I_M) gebildet wird oder durch einen vorherbestimmten Wert, der kleiner als der Blockgrenzwert (I_B) ist, festgelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Offset (8) fest vorgegeben oder in Abhängigkeit vom Motorstrom (I_M) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Motorstrom (I_M) kontinuierlich oder periodisch aus dem Mittelwert vorausgegangener Strommesswerte bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Initialisierung des Stellantriebs (1) der Endanschlag (5, E_A) angefahren wird und der Endanschlag (5, E_A) durch Erreichen eines vorherbestimmten Blockgrenzwerts (I_B) erkannt wird, wobei eine dem Endanschlag (5, E_A) zugeordnete Endposition (E_P1) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Blockgrenzwert (I_B) während der Initialisierung erst nach dem Erkennen des Endanschlags (5, E_A) auf den Erwartungsgrenzwert (I_E) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vorhanden sein von zwei Endanschlägen im Verstellweg bei der Initialisierung des Stellantriebs (1) beide Endanschläge (5, E_A) angefahren werden und die Endanschläge jeweils durch Erreichen eines vorherbestimmten Blockgrenzwerts (I_B) erkannt werden, wobei der Blockgrenzwert (I_B) nach dem Anfahren des ersten Endanschlags auf den Erwartungsgrenzwert (I_E) reduziert wird, oder wobei der Blockgrenzwert (I_B) erst nach dem Anfahren beider Endanschläge auf den Erwartungsgrenzwert (I_E) reduziert wird.
Verfahren zum Betreiben eines Stellantriebs (1) mit einem elektrischen Antriebsmotor (3), wobei eine zeitliche Änderung des Motorstrom (I_M) ermittelt und mit einem Gradient-Blockgrenzwert (I_B) verglichen wird und der Antriebsmotor gestoppt wird, wenn die zeitliche Änderung des Motorstroms (I_M) des Antriebsmotors (3) den Gradient-Blockgrenzwert (I_B) erreicht oder überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Erwartungsbereich (7) des Verstellweges (4) des Stellantriebs (1) der Gradient-Blockgrenzwert auf einen Gradient-Erwartungsgrenzwert verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn im Erwartungsbereich die zeitliche Änderung des Motorstroms den Gradient-Erwartungsgrenzwert erreicht oder übersteigt, eine einem Endanschlag (5, E_A) zugeordnete Endposition (E_P2) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Gradient-Erwartungsgrenzwert kleiner als der Gradient-Blockgrenzwert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Erwartungsbereich (7) an einem Erwartungsstartwert (E_S) des Verstellweges (4) beginnt, wobei der Erwartungsstartwert (E_S) in Verstellrichtung vor dem mechanischen Endanschlag (5, E_A) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Erwartungsbereich (7) von dem Erwartungsstartwert (E_S) bis zum mechanischen Endanschlag (E_A) oder von dem Erwartungsstartwert (E_S) bis über den mechanischen Endanschlag (5, E_A) hinaus reicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass auch der Motorstrom (I_M) ermittelt wird und mit einem Blockgrenzwert (I_B) verglichen wird, wobei der Stellantrieb gestoppt wird, wenn der Motorstrom einen Blockgrenzwert (I_B) erreicht oder übersteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Erwartungsbereich (7), in Anhängigkeit von dem Gradient-Erwartungsgrenzwert, ein Wertebereich für den Gradient-Erwartungsgrenzwert festgelegt wird, wobei die Änderung des Motorstroms mit diesem Wertebereich verglichen wird und der Endanschlag (5, E_A) detektiert wird, wenn die zeitliche Änderung des Motorstroms in dem Wertebereich liegt.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass alle Werte des Wertebereichs kleiner oder gleich dem Gradient-Blockgrenzwert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (3) des Stellantriebs (1) beim Erreichen der Endposition (E_P1, E_P2) stoppt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei der Motorstrom (I_M) ermittelt und mit dem Blockgrenzwert (I_B) verglichen wird und der Antriebsmotor gestoppt wird, wenn der Motorstrom (I_M) des Antriebsmotors (3) den Blockgrenzwert (I_B) erreicht oder überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Erwartungsbereich (7) des Verstellweges (4) des Stellantriebs (1) der Blockgrenzwert (I_B) auf einen Erwartungsgrenzwert (I_E) verändert wird und wobei in Abhängigkeit von dem Erwartungsgrenzwert (I_E) ein Strom-Sollwert (I_soll) des Motorstroms (I_M) festgelegt wird und der Motorstrom (I_M) des Antriebsmotors (3) bei einem Anfahren nach einem Stopp auf den Strom-Sollwert (I_soll) begrenzt oder geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom-Sollwert (I_soll) bei jedem Stopp des Antriebsmotors (3) oder bei jedem Erreichen eines Endanschlags (5, E_A) neu festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass immer dann, wenn der Blockgrenzwert (I_B) auf einen Erwartungsgrenzwert (I_E) verändert wird auch der der Strom-Sollwert (I_soll) neu festgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom-Sollwert (I_soll) kleiner als der Blockgrenzwert und größer als der Erwartungsgrenzwert (I_E) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom-Sollwert (I_soll) im Bereich von 25 mA bis 300 mA über dem Erwartungsgrenzwert (I_E) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom-Sollwert (I_soll) mindestens 5% über dem Erwartungsgrenzwert (I_E) liegt.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom-Sollwert (I_soll) im Bereich von 10% bis 40% über dem Erwartungsgrenzwert(I_E) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebmotors (3) ein bürstenloser Gleichstrommotor oder ein Schrittmotor ist, wobei die Phasenwicklungen des Antriebsmotors (3) zum Anfahren nach einem Stopp entsprechend vorherbestimmter Kommutierungszeiten bestromt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Erwartungsgrenzwert (I_E), beziehungsweise der Gradient-Erwartungsgrenzwert, in Abhängigkeit von einer Temperatur ermittelt wird.
Stellantrieb (1) mit einem Stellglied (2) und einem Antriebsmotor (3), der nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 31 betrieben wird.