DE102018128256A1

DE102018128256A1 - Verfahren zum Steuern eines Stellantriebs

Info

Publication number: DE102018128256A1
Application number: DE102018128256.7A
Authority: DE
Inventors: Daniel Nickel; Ullrich Kreiensen; Giovanni Biancuzzi; Fabian Armbruster; Florian BAYER
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2020-05-14
Also published as: US20200153369A1; US11218095B2

Abstract

Verfahren zum Steuern eines Stellantriebs, der einen Elektromotor und ein mit dem Elektromotor gekoppeltes Stellglied aufweist, wobei das Verfahren ein Ansteuern des Elektromotors, um das Stellglied in Richtung eines absoluten mechanischen Endanschlags zu bewegen, bis eine zuletzt registrierte Soft-Referenzposition erreicht ist, und um dann die zuletzt registrierte Soft-Referenzposition um eine vorgegebene Strecke zu überfahren, ein Erfassen der Last des Stellantriebs, und ein Aktualisieren der registrierten Soft-Referenzposition auf der Basis der erfassten Last umfasst.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Stellantrieb und ein entsprechendes Steuerverfahren.
Hintergrund
Stellantriebe erlauben die Positionierung eines Stellglieds mithilfe von elektrischen Steuersignalen und finden daher vielfältige Anwendung in der Automatisierung von technischen Vorrichtungen. Üblicherweise wird dabei die Bewegung eines Elektromotors auf eine Bewegung des Stellglieds übertragen, sodass über die Vorgabe einer Drehfrequenz oder Anzahl an Kommutierungsschritten an den Elektromotor eine beliebige absolute oder relative Stellung des Stellgliedes erzeugt werden kann.
Eine Anwendung, bei der eine Präzision der Stellmöglichkeit zusammen mit hoher Widerstandsfähigkeit gefordert wird, ist die zuverlässige Einstellung des Öffnungsgrades von Nadelventilen, wie sie beispielsweise zur Steuerung von Kühlungsströmen in Klimaanalagen von Automobilen verwendet werden. Dazu wird die relative Stellung einer Nadel bezüglich einer Aussparung derart kontrolliert, dass die für einen Gas- oder Kühlflüssigkeitsstrom effektiv zur Verfügung stehende Öffnung reguliert wird.
Gerade in solchen Anwendungen führen jedoch die auftretenden Vibrationen und die stark schwankenden Temperaturen in Zusammenspiel mit den teilweise unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der mechanischen Ventilteile mit der Zeit zu Abweichungen der Nadelstellung für eine vorgegebene Öffnungsapertur des Ventils. Daraus resultierende Ansteuerungsfehler können darüber hinaus zu einem schnelleren Verschleiß der mechanischen Teile führen. Gleichzeitig sind die Möglichkeiten zur Rekalibrierung während des Betriebs häufig begrenzt.
Die im Stand der Technik bekannten Lösungen eines Rekalibrierens an einem mechanischen Endanschlag oder das Einführen von Positionssensoren führen entweder zu höheren Verschleißraten des Stellantriebs oder sind mit höheren Kosten verbunden.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen optimierten Stellantrieb bereitzustellen, der eine über die Lebensdauer einer zugeordneten Vorrichtung eine möglichst konstante und präzise Einstellung erlaubt, ohne den Betrieb der Vorrichtung für Rekalibrierungsschritte zu unterbrechen.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Stellantrieb nach den unabhängigen Ansprüchen. Die abhängigen Ansprüche betreffen Ausführungsformen der Erfindung. Die unterschiedlichen Merkmale dieser Ausführungsformen sind kombinierbar und können zusammenwirken, um die erfindungsgemäße Aufgabe zu lösen.
In einem ersten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Steuern eines Stellantriebs, der einen Elektromotor und ein mit dem Elektromotor gekoppeltes Stellglied aufweist. Dazu umfasst das Verfahren das Ansteuern des Elektromotors, um das Stellglied in Richtung eines absoluten mechanischen Endanschlags zu bewegen, bis eine zuletzt registrierte Soft-Referenzposition erreicht ist, und um dann die zuletzt registrierte Soft-Referenzposition um eine vorgegebene Strecke zu überfahren. Das Verfahren umfasst weiterhin das Erfassen der Last des Stellantriebs, und das Aktualisieren der registrierten Soft-Referenzposition auf der Basis der erfassten Last.
Die Soft-Referenzposition bezeichnet eine Referenzposition des Stellantriebs, an der eine Änderung des mechanischen Widerstands des Stellantriebs auftritt. Die Soft-Referenzposition kann durch Erfassen einer Laststufe erkannt und angefahren werden. Die Soft-Referenzposition entspricht nicht dem absoluten mechanischen Endanschlag des Stellantriebs.
Die Laststufe ist ein sich durch die mechanische Konfiguration des Stellsystems in bestimmter Stellung ergebender mechanischer Widerstand, der beim An- oder Überfahren zu einem Lastsprung in dem Stellantrieb führt. Beispielsweise kann aufgrund der mechanischen Konfiguration des Stellsystems entlang der Stellstrecke des Stellsystems das zum Verfahren des Stellglieds erforderliche Drehmoment variieren, wobei das Überschreiten eines erforderlichen Drehmoment-Schwellwerts als Laststufe festgelegt werden kann.
Die Laststufe kann in einem Stellantrieb durch eine von dem Verfahrweg des Stellantriebs abhängigen Reibungswiderstand oder zu leistende Arbeit entstehen oder erzeugt werden. Beispielsweise kann ein zusätzlicher Bewegungswiderstand in dem Stellantrieb mit Federelementen erzeugt werden oder an der Position eines mechanischen Eingriffs zwischen Elementen des Stellantriebs entstehen.
Durch Erfassen der Last oder des Drehmoments des Elektromotors kann diese Laststufe in dem Stellantrieb beim An- oder Überfahren der Laststufe erkannt werden und dementsprechend die zuletzt registrierte Soft-Referenzposition aktualisiert werden.
Das Überfahren der Soft-Referenzposition kann dazu dienen, dass eine an der Soft-Referenzposition auftretende Laständerung regelmäßig und sicher detektiert werden kann. In Folge kann die registrierte Soft-Referenzposition regelmäßig aktualisiert werden. Im Vergleich zum Anfahren eines absoluten mechanischen Endanschlags des Stellantriebs, welcher eine absolute Kalibrierungsposition für den Stellantrieb darstellen kann, tritt beim Überfahren der Soft-Referenzposition ein geringerer Verschleiß auf. Das System wird im Gegensatz zum Anfahren des mechanischen Endanschlags nicht oder nicht nennenswert belastet.
Die Aktualisierung kann im laufenden Betrieb durchgeführt werden, ohne dass explizite Kalibrierungsschritte notwendig wären. Die Soft-Referenzposition ist vorzugsweise derart gewählt, dass sie häufig angefahren wird bzw. dass die relative Stellung bezüglich der technischen Anwendung besonders aussagekräftig ist. Beispielsweise kann für ein Nadelventil eine geschlossene Stellung des Nadelventils als eine Soft-Referenzposition gewählt werden.
In einigen Ausführungsformen wird das Verfahren daher zum Steuern eines Linearstellantriebs angewandt und das Stellglied umfasst einen linear beweglichen Schaft oder eine linear bewegliche Nadel.
In einigen Ausführungsformen ist die Soft-Referenzposition eine Soft-Endanschlagsposition, wobei die Soft-Endanschlagsposition eine Referenzposition in der Nähe des eigentlichen mechanischen Endanschlags bezeichnet.
Die Soft-Endanschlagsposition kann einer Position des Stellantriebs zugeordnet sein, an welcher der linear beweglichen Schaft oder die linear beweglichen Nadel eine außerhalb des Stellantriebs liegenden Begrenzung des Stellwegs berührt. Eine Soft-Endanschlagsposition kann in diesem Fall z.B. durch eine elastische Lagerung der Nadel oder von Teilen des Stellsystems, welche mit der Nadel in Verbindung stehen, in dem Stellantrieb erzeugt werden. Folglich kann die Begrenzung des Stellwegs von dem Stellantrieb überfahren werden und die Kraftwirkung der elastischen Lagerung zum Erzeugen der Laststufe der Soft-Referenzposition verwendet werden.
In einigen Ausführungsformen wird die Soft-Referenzposition im Betrieb des Stellantriebs regelmäßig ausgehend von einem Steuerbefehl aktualisiert, der das Anfahren der geschlossenen Stellung des Stellantriebs vorgibt oder auf das Anfahren der geschlossenen Stellung des Stellantriebs folgt.
In einigen Ausführungsformen wird die registrierte Soft-Referenzposition aktualisiert, wenn ein Lastanstieg oder Lastabfall in dem Elektromotor erfasst wird.
Vorzugsweise wird die zuletzt registrierte Soft-Referenzposition aktualisiert, wenn ein Lastanstieg in dem Elektromotor erfasst wird. Ein Lastanstieg kann einfacher als ein Lastabfall zu bestimmen sein. In anderen Ausgestaltungen kann es jedoch auch vorgesehen sein, die Soft-Referenzposition in Abhängigkeit von der Erfassung eines Lastabfalls zu aktualisieren.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Stellantrieb eine Laststufe, wobei die Laststufe einen Lastanstieg in einer öffnenden Richtung des Stellantriebs weg von dem absoluten mechanischen Endanschlag erzeugt.
Der Lastanstieg in der öffnenden Richtung kann durch einen erhöhten Widerstand gegenüber dem Verfahren des Stellantriebs in einem Abschnitt des Verfahrwegs des Stellantriebs erzeugt werden.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Ansteuern des Elektromotors, um das Stellglied weg von dem absoluten mechanischen Endanschlag zu bewegen, nachdem die zuletzt registrierte Soft-Referenzposition um eine vorgegebene Strecke überfahren wurde, und umfasst weiter das Aktualisieren der registrierten Soft-Referenzposition, wenn während der Bewegung weg von dem absoluten mechanischen Endanschlag ein Lastanstieg oder Lastabfall in dem Elektromotor detektiert wird.
Wenn die Soft-Referenzposition in der Nähe des absoluten mechanischen Endanschlags gewählt wird, kann sowohl das Ansteuern als auch das Verweilen an der Soft-Referenzposition häufig vorgegeben sein. Nach einem längeren Verweilen nach Überfahren der Soft-Referenzposition kann eine während des Verweilens erfolgte thermische Anpassung der Mechanik des Stellantriebs durch das Aktualisieren der zuletzt registrierten Soft-Referenzposition automatisch im Rahmen der Stellbewegung weg von dem absoluten mechanischen Endanschlag berücksichtigt werden.
In einigen Ausführungsformen wird die Last auf der Basis des Motorstroms des Elektromotors erfasst.
Über eine Messung des Motorstroms und gegebenenfalls weiterer elektrischer Parameter kann eine direkte Messung des Drehmoments durchgeführt werden. Damit kann ein Lastsprung, welcher an der Soft-Referenzposition auftritt, anhand des Verlaufs des Motorstroms während der Bewegung des Stellglieds erfasst werden. Der Lastsprung kann prinzipiell sowohl durch einen Lastanstieg, als auch durch einen Lastabfall gegeben sein.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Erfassen der Last des Stellantriebs das Ermitteln einer vorgegebenen Winkelstellung des Elektromotors, das Ermitteln einer erfassten Winkelstellung des Elektromotors, das Ansteuern des Elektromotors, um das Stellglied mit einem ersten niedrigen Drehmoment zu bewegen und das Detektieren eines ersten Lastsprungs durch Vergleichen der erfassten Winkelstellung mit der vorgegebenen Winkelstellung des Elektromotors.
Das erste niedrige Drehmoment ist dabei vorzugsweise kleiner als eine der Soft-Referenzposition zugeordnete Laststufe. Dann kann ein Lastsprung detektiert werden, wenn die vorgegebene Winkelstellung und die erfasste Winkelstellung bei der Laststufe durch einen erhöhten Widerstand gegenüber der Bewegung des Elektromotors auseinanderfallen. Eine anhand des Widerstands im Verfahrweg des Elektromotors erfasste Laststufe kann eine höhere Genauigkeit bei der Bestimmung der Soft-Referenzposition als eine direkte Lastmessung über den Motorstrom erlauben.
In einigen Ausführungsformen wird die vorgegebene Winkelstellung anhand des Motorstroms des Elektromotors erfasst, beispielsweise anhand einer Stromverteilung zwischen verschiedenen Phasen des Motorstroms des Elektromotors. Der Lastsprung kann in einigen Ausgestaltungen der Erfindung auch anhand der zwischen verschiedenen Phasen des Motorstroms des Elektromotors detektierten Stromverteilung erkannt werden. Beispielsweise kann der detektierte Strom durch die Motorphasen mit einem ohne einen Lastsprung zu erwartenden Strom verglichen werden. Insbesondere kann hierzu ein Erwartungsbereich des Motorstroms definiert werden, und bei einem Über- oder Unterschreiten des Erwartungswertes auf einen Lastsprung geschlossen werden.
In einigen Ausführungsformen wird das Ermitteln der erfassten Winkelstellung anhand von Messdaten eines Hall-Sensors durchgeführt. Die Winkelstellung kann jedoch auch mittels eines anderen Sensors, beispielsweise mittels eines kapazitiven Sensors, erfasst werden.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren zusätzlich eine Kalibrierung des Stellantriebs. Die Kalibrierung umfasst das Ansteuern des Elektromotors, um das Stellglied mit einem zweiten vorgegebenen Drehmoment in Richtung des absoluten mechanischen Endanschlags zu bewegen, bis ein zweiter Lastsprung in dem Elektromotor detektiert wird, und das Ansteuern des Elektromotors, um das Stellglied mit einem dritten höheren Drehmoment weg von dem absoluten mechanischen Endanschlags zu bewegen, um den Stellantrieb von dem absoluten mechanischen Endanschlag zu lösen und um eine vorgegebene Strecke zu entfernen. Das Verfahren umfasst weiter das Ansteuern des Elektromotors, um das Stellglied mit einem vierten niedrigen Drehmoment weg von dem absoluten mechanischen Endanschlags zu bewegen, bis ein dritter Lastsprung in dem Elektromotor detektiert wird, und das Registrieren der Position des Stellantriebs bei dem dritter Lastsprung als Soft-Referenzposition; wobei in Richtung des mechanischen Endanschlag eine Schließbewegung und in der entgegengesetzten Richtung eine Öffnungsbewegung des Stellgliedes erfolgt.
Bei einer neuen Inbetriebnahme oder nach einem Reset des Stellantriebs beispielsweise im Rahmen eines End-of-Line oder Servicevorgangs, kann die Stellung des Stellglieds unbestimmt sein. Im Rahmen der Kalibrierung kann daher der absolute mechanische Endanschlag angefahren werden, und der mit dem absoluten mechanischen Endanschlag assoziierte Lastsprung zur Bestimmung einer absoluten Stellantriebsposition erfasst werden. Um eine mechanische Blockade des Stellantriebs zu vermeiden, wird das dritte höhere Drehmoment vorgegeben und der Stellantrieb von dem absoluten mechanischen Endanschlag gelöst.
Zur Ermittlung der zunächst unbestimmten Soft-Referenzposition wird anschließend das vierte Drehmoment vorgegeben, welches derart gewählt werden sollte, dass der Stellantrieb zwischen dem absoluten mechanischen Endanschlag und der Soft-Referenzposition bewegt wird, jedoch ein Überfahren der Soft-Referenzposition ausgehend von dem mechanischen Endanschlag durch die Laststufe, welche dem Soft-Referenzposition zugeordnet ist, verhindert werden kann. Damit kann auch bei unbekannter Distanz zwischen dem absoluten Endanschlag und der Soft- Referenzposition ein sicheres Erfassen der Soft-Referenzposition gewährleistet werden. Danach kann im Normalbetrieb das Anfahren des absoluten mechanischen Endanschlags ausbleiben und beispielsweise nur die Soft-Referenzposition angefahren und aktualisiert werden. Vorzugsweise wird das vierte vorgegebene Drehmoment also derart gewählt, dass die Laststufe zu einer Blockade des Elektromotors führt. Desweiteren ist es in manchen bevorzugten Ausgestaltungen des Verfahrens vorgesehen, dass der erste Lastsprung analog durch Erkennen einer Blockade des Elektromotors detektiert wird.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Kalibrierung ferner das Ansteuern des Elektromotors, um das Stellglied mit einem fünften Drehmoment weg von dem absoluten mechanischen Endanschlag über eine erste vorgegebene Strecke zu bewegen, das Verifizieren der Bewegung des Stellglieds anhand der Last des Stellantriebs, und das Ansteuern des Elektromotors, um das Stellglied mit einem sechsten Drehmoment in Richtung des absoluten mechanischen Endanschlags über eine zweite größere vorgegebene Strecke zu bewegen.
Das fünfte Drehmoment ist vorzugsweise derart gewählt, dass im Normalbetrieb des Stellantriebs das Stellglied bewegt wird. Durch die zusätzlichen Verifizierungsschritte kann demnach eine fehlerhaft als Soft-Referenzposition identifizierte mechanische Blockade auf der Stellstrecke erkannt werden. Nach dem Vorgeben des sechsten Drehmoments über die zweite vorgegebene Strecke befindet sich der Stellantrieb in einer Stellung, ausgehend von der die Soft-Referenzposition bei Vorgabe einer Öffnungsbewegung aktualisiert wird.
In einigen Ausführungsformen wird die vorgegebene Strecke über eine vorgegebene Anzahl an Kommutierungsschritten des Elektromotors vorgegeben.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf einen Stellantrieb. Der Stellantrieb umfasst einen Elektromotor und ein mit dem Elektromotor gekoppeltes Stellglied, wobei der Stellantrieb eingerichtet ist, den Elektromotor anzusteuern, um das Stellglied in Richtung eines absoluten mechanischen Endanschlags zu bewegen, bis eine zuletzt registrierte Soft-Referenzposition erreicht ist, und um dann die zuletzt registrierte Soft-Referenzposition um eine vorgegebene Strecke zu überfahren, die Last des Stellantriebs zu erfassen, und die registrierte Soft-Referenzposition auf der Basis der erfassten Last zu aktualisieren.
In einigen Ausführungsformen ist der Stellantrieb eingerichtet, das Verfahren gemäß des ersten Aspekts oder der Ausführungsformen des ersten Aspekts zu implementieren, um den Stellantrieb zu steuern.
In einigen Ausführungsformen ist der Soft-Referenzposition eine Laststufe entlang des Verfahrwegs des Stellantriebs zugeordnet.
In einigen Ausführungsformen wird die registrierte Soft-Referenzposition anhand eines Lastanstiegs oder Lastabfalls bei Überfahren der Soft-Referenzposition aktualisiert.
In einigen Ausführungsformen ist der Stellantrieb eingerichtet, die zuletzt registrierte Soft-Referenzposition um eine vorgegebene Strecke zumindest regelmäßig dann zu überfahren, wenn eine geschlossene Stellung des Stellsystems vorgegeben ist.
In einigen Ausführungsformen ist der Stellantrieb zur Kalibrierung eingerichtet, ein zweites Drehmoment in eine schließende Richtung, in Richtung des absoluten mechanischen Endanschlags des Stellantriebs, vorzugeben, bis ein zweiter Lastsprung in dem Elektromotor detektiert wird, ein drittes höheres Drehmoment in eine der schließenden Richtung entgegengesetzten, öffnenden Richtung vorzugeben, um den Stellantrieb von dem absoluten mechanischen Endanschlag zu lösen und um eine vorgegebene Strecke zu entfernen, ein viertes, niedriges Drehmoment in die öffnende Richtung vorzugeben, bis ein dritter Lastsprung in dem Elektromotor detektiert wird, und die Position des Stellantriebs bei dem dritten Lastsprung als Soft-Referenzposition zu registrieren.
In einigen Ausführungsformen ist der Stellantrieb eingerichtet, nach der Kalibrierung ein fünftes Drehmoment in die öffnende Richtung für eine vorgegebene Strecke vorzugeben, eine Drehung des Rotors zu verifizieren, und ein sechstes Drehmoment in die schließende Richtung für eine zweite größere vorgegebene Strecke vorzugeben.
In einigen Ausführungsformen ist der Stellantrieb ein Linearstellantrieb und das Stellglied umfasst einen linear beweglichen Schaft.
In einigen Ausführungsformen weist der linear bewegliche Schaft ein Gewinde auf, das in ein Gewinde einer mit dem Rotor des Elektromotors drehfest verbundenen Mutter eingreift, sodass eine Drehbewegung des Rotors zu einer linearen Verschiebung zwischen dem Schaft und der Mutter führt.
In einigen Ausführungsformen wird eine Drehbewegung des Schafts durch Formschluss zwischen dem Schaft und dem Gehäuse des Linearstellantriebs verhindert.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Linearstellantrieb ein elastisches Element, welches den linear beweglichen Schaft in Richtung des absoluten mechanischen Endanschlags vorspannt, wobei die Mutter in dem Linearstellantrieb linear beweglich gelagert ist und auf einer dem elastischen Element gegenüberliegenden Auflagefläche des Linearstellantriebs aufliegt, sodass, wenn der Linearstellantrieb die Soft-Referenzposition überfährt, die Mutter eine lineare Bewegung in dem Linearstellantrieb vollführt.
Durch die Möglichkeit der linearen Bewegung der Mutter in dem Linearstellantrieb ohne gleichzeitige Belastung des Gewindes durch die Rückstellkraft des elastischen Elements kann eine Laststufe in dem Linearstellantrieb an einem Anschlag des Stellglieds an einer externen Begrenzung hergestellt werden. Die Laststufe erzeugt einen Lastanstieg in der öffnenden Richtung des Stellantriebs. Das elastische Element kann ein Federelement sein.
In einigen Ausführungsformen ist die Auflagefläche die Oberseite eines Kugellagers des Linearstellantriebs.
Figurenliste
Die Erfindung ist im Folgenden anhand verschiedener Beispiele mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert, wobei:

1 einen schematischen Linearstellantrieb für die Bereitstellung eines Nadelventils gemäß einem Beispiel zeigt;
2 eine Ausgestaltung des Linearstellantrieb der 1 gemäß einem Beispiel zeigt;
3 einen Verlauf des erforderlichen Drehmoments zur Bewegung eines Stellglieds als Funktion des Verfahrwegs gemäß einem Beispiel zeigt;
4 ein Verfahren zum Steuern eines Stellantriebs gemäß einem Beispiel zeigt;
5 ein weiteres Verfahren zum Steuern eines Stellantriebs gemäß einem Beispiel zeigt; und
6 einen Verlauf des Motorstroms eines Stellantriebs als Funktion der Zeit während eines Aktualisierens der Soft-Referenzposition gemäß einem Beispiel zeigt;
7 ein Verfahren zur Kalibrierung eines Stellantriebs gemäß einem Beispiel zeigt; und
8 einen Verlauf des Motorstroms während einer Kalibrierung eines Stellantriebs als Funktion der Zeit gemäß einem Beispiel zeigt.

1 zeigt einen beispielhaften Linearstellantrieb 10 in einer Ventilanwendung, der die relative Position einer Nadel 12 eines Stellglieds 14 bezüglich einer Aussparung 16 steuert. Der Stellantrieb 10 umfasst das Stellglied 14, welches in einem Gehäuse 18 angeordnet ist und über ein Gewinde 20 mit einer Mutter 22 gekoppelt ist. Die Mutter 22 ist drehfest mit dem Rotor 24 eines Elektromotors (nur der innenläufige Rotor ist gezeigt) verbunden und liegt auf einer Auflagefläche A eines Kugellagers 26 auf. Ein elastisches Element 28, beispielsweise eine Feder, spannt das Stellglied 14 in Richtung der Aussparung 16 vor.
Über das Gewinde 20 wird eine Rückstellkraft F des elastischen Elements 28 von dem Stellglied 14 auf die Mutter 22 übertragen, sodass sich das Stellglied 14 im Normalbetrieb über das Gewinde 20 und die Mutter 22 auf der Auflagefläche A abstützt. Eine Drehbewegung des Stellglieds 14 kann durch Formschluss eines Vorsprungs des Stellglieds 14 mit dem Gehäuse 18 verhindert werden.
Durch Drehen des Rotors 24 kann über das Gewinde 20 eine Drehbewegung in eine lineare Verschiebungsbewegung M zwischen dem Stellglied 14 und der Mutter 22 umgewandelt werden. Die lineare Verschiebungsbewegung M kann die Nadel 12 in die Aussparung 16 eintauchen lassen, oder die Nadel 12 aus der Aussparung 16 herausziehen.
Durch einen Kanal 30 kann ein Kühlstrom 32 fließen, dessen Fluss über das Ventil bestehend aus der Nadel 12 und der Aussparung 16 gesteuert werden kann.
Wenn die Nadel 12 von einer zumindest teilweise offenen Ventilstellung in eine geschlossene Ventilstellung übergeht, sodass die Nadel 12 die Aussparung 16 abschließt, kann die Rückstellkraft F des elastischen Elements 28 über das Stellglied 14 direkt auf die Aussparung 16 wirken. Somit stützt sich das Stellglied 14 in der geschlossenen Ventilstellung nicht mehr über das Gewinde 20 und die Mutter 22 auf der Auflagefläche A ab.
In der geschlossenen Ventilstellung wird über das Gewinde 20 folglich keine Kraft des elastischen Elements 28 mehr auf die Mutter 22 übertragen. Ausgehend von dieser geschlossenen Ventilstellung kann eine weitere Drehbewegung des Rotors 24 zu einer linearen Verschiebungsbewegung des Rotors 24 in dem Gehäuse 18 des Stellantriebs 10 weg von der Aussparung 16 führen. Der Rotor 24 kann innerhalb des Gehäuses 18 bis zu einem absoluten mechanischen Endanschlag 34 an einer Innenwand des Gehäuses 18 des Stellantriebs 10 verschoben werden. Somit ist der Verfahrweg des Stellantriebs 10 nicht durch die Kontaktstellung zwischen der Nadel 12 und der Aussparung 16 an der geschlossenen Ventilstellung begrenzt. Stattdessen hebt sich ausgehend von dieser Kontaktstellung der Rotor 24 von der Auflagefläche A ab, und eine Bewegung findet in dem gezeigten Beispiel dann nur zwischen dem Rotor 24 und dem Gehäuse 18 statt. Der absolute mechanische Endanschlag 34 ist daher nicht wie im üblichen Sinne durch die Begrenzung des Stellwegs des Stellglieds 14 gegeben, sondern er ist durch den Anschlag des im Gehäuse 18 freidrehenden Rotors 24 an der Gehäuseinnenwand definiert.
Die Verfahrrichtung des Rotors 24 hin zu dem absoluten mechanischen Endanschlag 34 wird im Folgenden als schließende Richtung bezeichnet, während die Verfahrrichtung weg von dem absoluten mechanischen Endanschlag 34 als öffnende Richtung bezeichnet wird.
2 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung eines Nadelventils entsprechend der schematischen Darstellung der 2. In der 2 ist zusätzlich auch ein Stator 40 des Elektromotors mit einer Statorwicklung 42 gezeigt. Der Stator 40 ist koaxial zum Rotor 24 angeordnet. Zwischen dem Statorkern und der Statorwicklung 42 ist eine Nutisolation 43 angebracht. Der Stator 40 ist zusammen mit einer Leiterplatte 44 in einem Außengehäuse 46 angeordnet. Die Leiterplatte 44 kann insbesondere eine Motorsteuerung zum Ansteuern des Elektromotors umfassen. Über an dem Außengehäuse 46 angeordnete Anschlüsse 48 kann die Leiterplatte 44 von außen elektrisch kontaktiert werden.
Das auf den Rotor wirkende elastische Element 28 ist hier als Feder 50 ausgebildet. Die Feder 50 liegt auf einem auf einem Gewindestab 36 gelagertem Ring 51 auf, so dass in axialer Richtung eine Kraft auf den Gewindestab 36 wirkt, wodurch zwischen einem Gewinde 20 des Gewindestabs 36 und einem Gewinde der Mutter 22 eine Vorspannung erzielt werden kann. Der Gewindestab 36 ist mittels eines Stiftes 56 gegen eine Rotationsbewegung gesichert und mit einem Zwischenteil 54 verbunden. Das Zwischenteil 54 koppelt ferner den Gewindestab 36 mit der Nadel 12. An der Nadel 12 ist auch eine zweite Feder 52 angebracht, welche eine Federkraft in die öffnende Richtung der Nadel 12 bewirkt. Bei geschlossenem Ventil liegt die Federkraft der Feder 50 über das Zwischenteil 54 an der Nadel 12 an und wird nicht mehr auf die Mutter 22 übertragen. Ebenso liegt die Federkraft der zweiten Feder 52 nicht an der Mutter 22 an. Die Mutter 22 kann sich folglich frei auf dem Gewinde des Gewindestabs 36 bewegen, so dass der Rotor 24 angehoben wird, sofern der Elektromotor über die Schließposition des Ventils hinaus weiter in Schließrichtung angetrieben wird. Ist das Ventil vollständig geschlossen, während der Elektromotor sich weiter in Schließrichtung bewegt, wird somit die Mutter 22 samt dem Rotor 24 angehoben, wobei die resultierende Bewegung des Gewindestabs 36 in axialer Richtung durch den Endstopp 34 begrenzt wird. Ebenso kann die Mutter 22 ohne gegen die Federkraft der zweiten Feder 52 arbeiten zu müssen, vom absoluten mechanischen Endanschlag 34 weg, bis zur Schließposition des Ventils hin, bewegt werden.
Wird das Ventil jedoch im normalen Verfahrbereich zwischen einer Offen- und der Schließposition betrieben, liegt die Mutter 22 auf einer Auflagefläche 23 auf. Folglich bewirkt die Drehbewegung des Rotors im normalen Verfahrbereich eine axiale Bewegung des Gewindestabs 36 und der Nadel 12, so dass sich das Ventil öffnet oder schließt.
An einer Innenseite des Gehäuses 18 ist ferner ein Formteil 58 angeordnet. Im Beispiel stellt das Formteil 58 den absoluten mechanischen Endanschlag (Endstopp) 34 für die axiale Bewegung des Rotors 24 in der Schließrichtung bereit. Ferner stellt das Formteil 58 hier ein Gleitlager 60 zur axialen Führung des Gewindestabs 36 bereit. Desweiteren stellt das Formteil 58 in dieser Ausgestaltung auch ein weiteres Gleitlager 62 zur Führung und radialen Ausrichtung des den Rotormagneten tragenden Rotors 24 bereit.
Eine schematische Aufstellung des benötigten Drehmoments zur Erzeugung einer relativen Verschiebungsbewegung in dem Stellantrieb 10 zwischen der Mutter 22 und dem Stellglied 14 aus 1 und 2 ist in 3 als Funktion des Verfahrwegs des Stellantriebs 10 gezeigt. Dem Drehmomentprofil entlang des Verfahrwegs können drei verschiedene Betriebsbereiche C1, C2, C3 des Stellantriebs 10 zugeordnet werden.
Der Betriebsbereich C2 umfasst positive Werte des Verfahrwegs, entsprechend einer Relativbewegung zwischen der Aussparung 16 und dem Stellglied 14 in einer zumindest teilweise geöffneten Stellung des Ventils. In der zumindest teilweise geöffneten Stellung des Ventils ist die Nadel 12 aus der Aussparung 16 herausgezogen und ein Kühlstrom 32 kann durch den Kanal 30 fließen. Da in der zumindest teilweise geöffneten Stellung des Ventils die Rückstellkraft des elastischen Elements 28 auf das Gewinde 20 wirkt, ist ein erforderliches Drehmoment zum Verschieben des Stellgliedes 14 in beide Richtungen aufgrund der in dem Gewinde 20 auftretenden Reibungskräfte erhöht.
Bei zunehmend positiveren Werten kann sich die Rückstellkraft des elastischen Elements 28 erhöhen und damit die zu überwindende Reibung und die zu erbringende Arbeit beeinflussen. In dem Beispiel in 3 folgt aus einer linearen Abhängigkeit der Rückstellkraft des elastischen Elements 28 von dem Verfahrweg eine gleichermaßen lineare Abhängigkeit des erforderlichen Drehmoments zur Verschiebung des Stellglieds 14.
Negative Werte des Verfahrwegs entsprechen einem Betriebsbereich C3, in dem das Stellglied 14 in die Aussparung 16 eingefahren ist und sich auf die Aussparung 16 stützt und der Kühlstrom 32 durch den Kanal 30 durch die Nadel 12 in der Aussparung 16 blockiert wird. In dem Betriebsbereich C3 erzeugt eine fortgesetzte Drehung des Rotors 24 in die schließende Richtung eine lineare Bewegung des Rotors 24 in dem Gehäuse 18 in Richtung des absoluten mechanischen Endanschlags 34. Der Rotor wird also quasi angehoben. Da in dem Betriebsbereich C3 die Rückstellkraft des elastischen Elements 28 von der Aussparung 16 aufgenommen wird und somit nicht auf das Gewinde 20 wirkt, ist das zur Verschiebung des Rotors 24 erforderliche Drehmoment sehr niedrig.
Der Punkt 0 mm auf dem Verfahrweg entspricht der geschlossenen Ventilstellung C1, in der die Nadel 12 die Aussparung 16 gerade berührt.
An dem Übergang von negativen zu positiven Werten des Verfahrwegs, zwischen dem Betriebsbereich C2 und dem Betriebsbereich C3, liegt der Rotor 24 auf der Auflagefläche A auf, und durch den Eingriff des Gewindes kann eine Drehbewegung des Rotors 24 auf das Stellglied 14 übertragen werden. Somit treten an der geschlossenen Ventilstellung C1 die von dem elastischen Element 28 in dem Gewinde 20 erzeugten Reibungskräfte abrupt auf, sodass ein deutlicher Anstieg des erforderlichen Drehmoments entsteht. Der Anstieg des erforderlichen Drehmoments entspricht einem Lastsprung S mit einer Höhe eines Drehmoment-Schwellwerts F_M .
Ausgehend von der geschlossenen Ventilstellung C1 kann das Stellglied 14 um eine vorgegebene Strecke in positiver Richtung verschoben werden, um eine beliebige Öffnungsapertur des Ventils zu erzeugen. Der Betriebsbereich C2 ist im Folgenden auch als zumindest teilweise geöffnete Ventilstellung C2 bezeichnet, und der Betriebsbereich C3 ist im Folgenden auch als überfahrene Ventilstellung C3 bezeichnet.
Im Betrieb des Ventils kann sich die Position der geschlossenen Ventilstellung C1 entlang des Verfahrwegs infolge von mechanischem Verschließ, thermischer Ausdehnung oder mechanischer Beanspruchung der Komponenten des Stellantriebs 10 verändern.
Der Übergang zwischen der weitgehend kraftfreien Bewegung des Rotors 24 und der Schließbewegung in positiver Richtung, an der der Lastsprung auftritt, kann zur Bestimmung einer Soft-Referenzposition genutzt werden. In dem vorliegenden Beispiel repräsentiert die Soft-Referenzposition die gerade geschlossene Ventilstellung C1 und kann daher zum Einstellen einer vorgegebenen Öffnungsstellung des Ventils ausgehend von der geschlossenen Ventilstellung C1 verwendet werden.
In anderen mechanischen Systemen kann eine Soft-Referenz oder ein Soft-Endanschlag unter Ausnutzung eines Lastsprung S bestimmt werden, der sich aufgrund anderer Konfigurationen oder durch Einbringen eines zusätzlichen mechanischen Widerstandes ergeben kann.
Zum Erfassen oder Aktualisieren der Soft-Referenzposition wird ein erfindungsgemäßes Verfahren verwendet, wie es beispielhaft in 4 gezeigt wird. Das Verfahren umfasst das Ansteuern des Elektromotors, um das Stellglied 14 in Richtung eines absoluten mechanischen Endanschlags 34 zu bewegen, bis eine zuletzt registrierte Soft-Referenzposition erreicht ist, und um dann die zuletzt registrierte Soft-Referenzposition um eine vorgegebene Strecke zu überfahren (S10), das Erfassen der Last des Stellantriebs (S12), und das Aktualisieren der registrierten Soft-Referenzposition auf der Basis der erfassten Last (S14).
In den beispielhaften Linearstellantrieben 10 aus den 1 und 2 entspricht die Soft-Referenzposition der gerade geschlossenen Ventilstellung C1, bei der die Nadel 12 die Aussparung 16 gerade berührt. Der Lastsprung S, welcher an der gerade geschlossenen Ventilstellung C1 auftritt, erzeugt beim An- oder Überfahren der geschlossenen Ventilstellung C1 in die öffnende Richtung einen Lastanstieg, welcher von dem Stellantrieb 10 erfasst werden kann. Die Stellung des Stellglieds 14, bei welcher der Lastsprung S auftritt, kann erfasst werden, und die zuletzt registrierte Soft-Referenzposition kann anhand der erfassten Stellung aktualisiert werden.
Der Lastsprung S kann durch Erfassen des zur relativen Verschiebung zwischen der Mutter 22 und dem Stellglied 14 erforderlichen Drehmoments des Elektromotors detektiert werden. Beispielsweise kann bei gleichbleibender Spannung eine Erhöhung oder Verringerung des Motorstroms des Elektromotors zum Ermitteln des Drehmoments erfasst werden. Eine Veränderung des Motorstroms oder das Überschreiten eines vorgegebenen Strom-Schwellwerts kann dann dem Lastsprung S zugeordnet werden und die zuletzt registrierte Soft-Referenzposition kann entsprechend aktualisiert werden.
Ein weiteres Verfahren zum Erfassen eines Lastanstiegs anhand einer indirekten Lastmessung ist in 5 gezeigt. Das Verfahren umfasst das Ansteuern des Elektromotors, um das Stellglied 14 in Richtung eines absoluten mechanischen Endanschlags 34 zu bewegen, bis eine zuletzt registrierte Soft-Referenzposition erreicht ist, und um dann die zuletzt registrierte Soft-Referenzposition um eine vorgegebene Strecke zu überfahren (S10). Zum Erfassen der Last umfasst das Verfahren weiterhin das Ermitteln einer vorgegebenen Winkelstellung des Elektromotors (S16), das Ermitteln einer erfassten Winkelstellung des Elektromotors (S18) und das Ansteuern des Elektromotors, um das Stellglied 14 mit einem ersten niedrigen Drehmoment zu bewegen (S20). Das Verfahren umfasst weiter das Detektieren eines ersten Lastsprungs S durch Vergleichen der erfassten Winkelstellung mit der vorgegebenen Winkelstellung des Elektromotors (S22) und das Aktualisieren der registrierten Soft-Referenzposition auf der Basis der erfassten Last (S14).
Die vorgegebene Winkelstellung kann beispielsweise anhand der Stromverteilung zwischen verschiedenen Phasen des Elektromotors ermittelt werden.
Die erfasste Winkelstellung oder tatsächliche Winkelstellung des Elektromotors kann mit einem Sensor, wie einen Hall-Sensor, ermittelt werden. Zum Beispiel kann die Winkelstellung mit drei Hall-Sensoren erfasst werden.
Wird ein Unterschied zwischen der vorgegeben Winkelstellung und der erfassten Winkelstellung ermittelt, dann kann auf einen Widerstand im Verfahrweg des Elektromotors, einen sogenannten „stall“, geschlossen werden.
Damit der Lastsprung S an der geschlossenen Ventilstellung C1 mit einem Widerstand im Verfahrweg des Elektromotors zusammenfällt, kann das erste niedrige Drehmoment des Elektromotors derart gewählt werden, dass das vorgegebene erste Drehmoment kleiner als der Drehmoment-Schwellwert F_M zum Überfahren des Lastsprungs S ist.
Wenn anschließend ein Widerstand im Verfahrweg des Elektromotors anhand des Vergleichs der vorgegebenen und erfassten Winkelstellung erfasst wird, dann kann der erfassten Winkelstellung, bei der dem Widerstand im Verfahrweg des Elektromotors festgestellt wurde, der Lastsprung S des Stellantriebs 10 zugeordnet werden.
Ein Verlauf der Ströme eines Elektromotors als Funktion der Zeit in Zusammenhang mit einer Aktualisierung der Soft-Referenzposition gemäß dem schematisch in 5 dargestellten Verfahren ist in 6 für einen beispielhaften Stellantrieb 10 gezeigt. Der Verlauf kann grundsätzlich in fünf Zeitabschnitte eingeteilt werden. In einem ersten Zeitabschnitt (1) wird ausgehend von einer beliebigen Position das Schließen des Ventils vorgegeben. Der Stellantrieb 10 ist eingerichtet daraufhin das Stellglied 14 hin zu der zuletzt registrierten Soft-Referenzposition zu bewegen, und diese um eine vorgegebene Strecke bis zu einer Verweilposition zu überfahren. Das Überfahren der Soft-Referenzposition wird in dem zweiten Zeitabschnitt (2) durchgeführt. In dem dritten Zeitabschnitt (3) verweilt der Stellantrieb 10 in der Verweilposition. Die Abschnitte eins und zwei sind in der 6 nicht dargestellt. Von dem dritten Abschnitt (3) ist lediglich das Ende des Abschnitts angedeutet.
Zu Beginn des vierten Zeitabschnitts (4) wird ein Öffnungsgrad des Ventils vorgegeben. Der Stellantrieb 10 steuert daraufhin den Elektromotor an, um das Stellglied 14 mit dem ersten niedrigen Drehmoment entsprechend einer Öffnungsbewegung weg von dem absoluten mechanischen Endanschlag zu bewegen. Zum Zeitpunkt t₀ wird ein Lastsprung S von dem Stellantrieb 10 erfasst. Dadurch wird erkannt, dass der Rotor 24 auf der Auflagefläche A aufliegt und die geschlossene Ventilstellung C1 erreicht wurde. Die registrierte Soft-Referenzposition wird daraufhin aktualisiert, sodass sie der Stellung des Stellantriebs 10 an dem Lastsprung S entspricht. Im Beispiel umfasst der vierte Zeitabschnitt einen ersten Unterabschnitt (4a), in welchem die Öffnungsbewegung erfolgt, sowie einen optionalen Unterabschnitt (4b), der eine kurze Haltephase umfasst. In der Haltephase (4b) wird der Elektromotor mit einem Haltestrom bestromt, so dass der Stellantrieb kurzzeitig in der Soft-Referenzposition verweilt. Während der Haltephase (4b) können beispielsweise zwei Phasenwicklungen eines dreiphasigen Elektromotors konstant bestromt sein. Im Zeitabschnitt (5) wird ein zweites höheres Drehmoment vorgegeben, um die Soft-Referenzposition zu überfahren und das Stellglied 14 um eine vorgegebene Strecke von der Soft-Referenzposition zu entfernen, um den vorgegebenen Öffnungsgrad des Ventils zu erzeugen. Der Zeitabschnitt (5) ist im Beispiel in zwei Unterabschnitte unterteilt, wobei ein erster Unterabschnitt (5a) die Stellbewegung umfasst und ein zweiter Unterabschnitt (5b) einen Bremsvorgang darstellt, in welchem die Drehzahl des Elektromotors bis zum vollständigen Stopp reduziert wird.
Nach einem Reset bzw. bei einer Erstinbetriebnahme des Stellantriebs 10, zum Beispiel im Rahmen eines End-of-Line Prozesses, kann die Soft-Referenzposition unbestimmt sein. In einem solchen Fall kann zunächst eine Kalibrierung des Stellantriebs 10 durchgeführt werden. Ein entsprechendes Verfahren ist schematisch in 7 dargestellt.
Das Verfahren aus 7 umfasst das Ansteuern des Elektromotors, um das Stellglied 14 mit einem zweiten vorgegebenen Drehmoment in Richtung des absoluten mechanischen Endanschlags 34 zu bewegen, bis ein zweiter Lastsprung in dem Elektromotor detektiert wird (S24), das Ansteuern des Elektromotors, um das Stellglied 14 mit einem dritten höheren Drehmoment weg von dem absoluten mechanischen Endanschlags 34 zu bewegen, um den Stellantrieb 10 von dem absoluten mechanischen Endanschlag 34 zu lösen und um eine vorgegebene Strecke zu entfernen (S26), das Ansteuern des Elektromotors, um das Stellglied 14 mit einem vierten niedrigen Drehmoment weg von dem absoluten mechanischen Endanschlags zu bewegen, bis ein dritter Lastsprung in dem Elektromotor detektiert wird (S28) und das Registrieren der Position des Stellantriebs 10 bei dem zweiten Lastsprung als Soft-Referenzposition (S30).
In dem zuvor gezeigten Beispiel eines Linearstellantriebs 10 in einer Ventilanwendung kann der zweite Lastsprung dem Erreichen des absoluten mechanischen Endanschlags 34 an der Innenwand des Gehäuses 18 zugeordnet werden. Um den Stellantrieb 10 von dem absoluten mechanischen Endanschlag 34 zu lösen, kann das dritte Drehmoment höher als das zweite Drehmoment sein. Das dritte höhere Drehmoment wird über eine vorgegebene Strecke, welche klein gegenüber der erwarteten Strecke zwischen dem absoluten mechanischen Endanschlag 34 und der Soft-Referenzposition ist, vorgegeben.
Anschließend wird das vierte niedrige Drehmoment vorgegeben, welches dem ersten Drehmoment zum Aktualisieren der zuletzt registrierten Soft-Referenzposition entsprechen kann. Somit kann der dritte Lastsprung in dem Elektromotor ähnlich dem ersten Lastsprung S der Soft-Referenzposition zugeordnet und die Soft-Referenzposition im Rahmen der Kalibrierung registriert werden.
8 zeigt einen entsprechenden Stromverlauf der Motorströme des Elektromotors eines beispielhaften Stellantriebs 10 während der Kalibrierung, der in fünf Zeitabschnitte eingeteilt wurde. In einem ersten Zeitabschnitt (1) wird das Anfahren des absoluten mechanischen Endanschlags des Stellantriebs 10 in der schließenden Richtung vorgegeben. Der Stellantrieb 10 ist eingerichtet daraufhin das Stellglied 14 bis zum Detektieren des zweiten Lastsprungs mit dem zweiten vorgegebenen Drehmoment zu bewegen. Der zweite Lastsprung wird zum Zeitpunkt t₁ detektiert. Dies entspricht in dem Stellantrieb 10 aus 1 einer Blockade der Bewegung des Rotors 24 an dem absoluten mechanischen Endanschlag 34.
In dem zweiten Zeitabschnitt (2) wird das dritte höhere Drehmoment für eine bestimmte Strecke in die öffnende Richtung vorgegeben, sodass das Stellglied 14 von dem absoluten mechanischen Endanschlag 34 gelöst wird. Zum Erfassen der Soft-Referenzposition wird anschließend im dritten Zeitabschnitt (3) das vierte niedrige Drehmoment in die öffnende Richtung vorgegeben, welches kleiner als das zum Überfahren des Lastsprung S erforderliche Drehmoment F_M ist. Zum Zeitpunkt t₂ wird ein dritter Lastsprung in dem Stellantrieb 10 detektiert. Dies entspricht der geschlossenen Ventilstellung C1, an welcher der Rotor 24 auf der Auflagefläche A aufliegt und die Rückstellkraft des elastischen Elements 28 auf das Gewinde 20 wirkt. Die Position, an welcher der dritte Lastsprung detektiert wurde, wird als Soft-Referenzposition in dem Stellantrieb 10 registriert.
Anschließend wird eine Beweglichkeit des Stellglieds 14 überprüft. Dazu wird im vierten Zeitabschnitt (4) das fünfte Drehmoment in die öffnende Richtung vorgegeben, um die Soft-Referenzposition zu überfahren, und anschließend im fünften Zeitabschnitt (5) das sechste Drehmoment in die entgegengesetzte schließende Richtung vorgegeben, um das Stellglied 14 in die Verweilposition zu überführen. Dies entspricht einer überfahrenen Ventilstellung C3 in der Nähe der Soft-Referenzposition, in welcher der Rotor 24 eine geringe Strecke von der Auflagefläche A abgehoben ist.
Danach kann ein vorgegebener Öffnungsgrad des Stellantriebs 10 bezüglich der Soft-Referenzposition angefahren werden, wobei beim Überfahren der Soft-Referenzposition in die öffnende Richtung die zuletzt registrierte Soft-Referenzposition aktualisiert werden kann.
Der Elektromotor wird vorzugsweise synchron angesteuert, wobei die Kommutierungszeitpunkte von der Motorsteuerung fest vorgegeben werden. Alternativ kann es bevorzugt sein, dass der Elektromotor sensorlos angesteuert wird. In solchen Ausgestaltungen kann zur Bestimmung der Rotorlage, beziehungsweise Drehzahl des Elektromotors eine Erfassung der aufgrund der Drehbewegung des Rotors in den Phasenwicklungen induzierten Spannung, der sogenannten gegenelektromotorischen Kraft (englisch: back-electromotive force, BEMF) erfolgen. Die BEMF kann beispielsweise mit Hilfe einer Nulldurchgangserkennung mittels Spannungskomparatoren detektiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Drehzahl mittels einer Auswertung des Motorstroms erfolgen.
Der Elektromotor kann insbesondere mit einer sogenannten Blockkommutierung angesteuert werden. Dabei werden die Phasenwicklungen jeweils mit der vollen Spannungsamplitude bestromt, wobei eine Pulsweitenmodulation (PWM) überlagert sein kann. Alternativ kann eine sogenannte Sinuskommutierung vorgesehen sein, wobei die Spannungsamplitude entsprechend einer Sinuskurve moduliert wird. Auch bei der Sinuskommutierung kann eine PWM überlagert sein.
Die vorhergehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, Beispiele und Zeichnungen soll nur dazu dienen, die Erfindung und die damit verbundenen Vorteile zu veranschaulichen, und soll nicht so verstanden werden, dass sie den Schutzbereich einschränkt. Der Schutzbereich der Erfindung soll vielmehr ausschließlich anhand der beigefügten Ansprüche ermittelt werden.
Bezugszeichenliste

10: Stellantrieb
12: Nadel
14: Stellglied
16: Aussparung
18: Gehäuse
20: Gewinde
22: Mutter
23: Auflagefläche
24: Rotor
26: Kugellager
28: elastisches Element
30: Kanal
32: Kühlstrom
34: absoluter mechanischer Endanschlag
36: Gewindestab
40: Stator
42: Statorwicldung
43: Nutisolation
44: Leiterplatte
46: Außengehäuse
48: Anschlüsse
50: Feder
51: Ring
52: Feder
54: Zwischenteil
56: Stift
58: Formteil
60: Gleitlager
62: Gleitlager
M: Verschiebungsrichtung
F: Rückstellkraft
A: Auflagefläche
S: Lastsprung
F_M: Drehmoment-Schwellwert
C1: geschlossene Ventilstellung
C2: zumindest teilweise geöffnete Ventilstellung
C₃: überfahrene Ventilstellung
t₀: Zeitpunkt der Detektion des ersten Lastsprungs
t₁: Zeitpunkt der Detektion des zweiten Lastsprung
t₂: Zeitpunkt der Detektion des dritten Lastsprungs

Claims

Verfahren zum Steuern eines Stellantriebs, der einen Elektromotor und ein mit dem Elektromotor gekoppeltes Stellglied aufweist, das Verfahren umfassend: - Ansteuern des Elektromotors, um das Stellglied in Richtung eines absoluten mechanischen Endanschlags zu bewegen, bis eine zuletzt registrierte Soft-Referenzposition erreicht ist, und um dann die zuletzt registrierte Soft-Referenzposition um eine vorgegebene Strecke zu überfahren, - Erfassen der Last des Stellantriebs, und - Aktualisieren der registrierten Soft-Referenzposition auf der Basis der erfassten Last.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die registrierte Soft-Referenzposition aktualisiert wird, wenn ein Lastanstieg oder Lastabfall in dem Elektromotor detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das Verfahren ferner umfassend: - nachdem die zuletzt registrierte Soft-Referenzposition um eine vorgegebene Strecke überfahren wurde, Ansteuern des Elektromotors, um das Stellglied weg von dem absoluten mechanischen Endanschlag zu bewegen, und - während der Bewegung weg von dem absoluten mechanischen Endanschlag, Aktualisieren der registrierten Soft-Referenzposition wenn ein Lastanstieg oder Lastabfall in dem Elektromotor detektiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, ferner umfassend - Ermitteln einer vorgegebenen Winkelstellung des Elektromotors - Ermitteln einer erfassten Winkelstellung des Elektromotors, - Ansteuern des Elektromotors, um das Stellglied mit einem ersten niedrigen Drehmoment zu bewegen, - Detektieren eines ersten Lastsprungs durch Vergleichen der erfassten Winkelstellung mit der vorgegebenen Winkelstellung des Elektromotors.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Ermitteln der erfassten Winkelstellung anhand von Messdaten eines Hall-Sensors durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren eine Kalibrierung des Stellantriebs umfasst, die Kalibrierung umfassend: - Ansteuern des Elektromotors, um das Stellglied mit einem zweiten vorgegebenen Drehmoment in Richtung des absoluten mechanischen Endanschlags zu bewegen, bis ein zweiter Lastsprung in dem Elektromotor detektiert wird, - Ansteuern des Elektromotors, um das Stellglied mit einem dritten höheren Drehmoment weg von dem absoluten mechanischen Endanschlags zu bewegen, um den Stellantrieb von dem absoluten mechanischen Endanschlag zu lösen und um eine vorgegebene Strecke zu entfernen, - Ansteuern des Elektromotors, um das Stellglied mit einem vierten niedrigen Drehmoment weg von dem absoluten mechanischen Endanschlags zu bewegen, bis ein dritter Lastsprung in dem Elektromotor detektiert wird, und - Registrieren der Position des Stellantriebs bei dem dritten Lastsprung als Soft-Referenzposition; wobei in Richtung des mechanischen Endanschlag eine Schließbewegung und in der entgegengesetzten Richtung eine Öffnungsbewegung des Stellgliedes erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Kalibrierung ferner umfasst: - Ansteuern des Elektromotors, um das Stellglied mit einem fünften Drehmoment weg von dem absoluten mechanischen Endanschlag über eine erste vorgegebene Strecke zu bewegen, - Verifizieren der Bewegung des Stellglieds, und - Ansteuern des Elektromotors, um das Stellglied mit einem sechsten Drehmoment in Richtung des absoluten mechanischen Endanschlags über eine zweite größere vorgegebene Strecke zu bewegen.
Verfahren nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, wobei die Last auf der Basis des Motorstroms des Elektromotors erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, wobei die vorgegebene Strecke über eine vorgegebene Anzahl an Kommutierungsschritten des Elektromotors vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren zum Steuern eines Linearstellantriebs angewandt wird und das Stellglied einen linear beweglichen Schaft oder eine linear bewegliche Nadel umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, wobei im Betrieb des Stellantriebs die Soft-Referenzposition regelmäßig ausgehend von einem Steuerbefehl aktualisiert wird, der das Anfahren der geschlossenen Stellung des Stellantriebs vorgibt oder auf das Anfahren der geschlossenen Stellung des Stellantriebs folgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, wobei das erste vorgegebene Drehmoment derart gewählt ist, dass der erste Lastsprung zu einer Blockade des Elektromotors führt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12, wobei der erste Lastsprung durch Erkennen einer Blockade des Elektromotors detektiert wird.
Stellantrieb, welcher einen Elektromotor und ein mit dem Elektromotor gekoppeltes Stellglied umfasst, wobei der Stellantrieb eingerichtet ist, - den Elektromotor anzusteuern, um das Stellglied in Richtung eines absoluten mechanischen Endanschlags zu bewegen, bis eine zuletzt registrierte Soft-Referenzposition erreicht ist, und um dann die zuletzt registrierte Soft-Referenzposition um eine vorgegebene Strecke zu überfahren, - die Last des Stellantriebs zu erfassen, und - die registrierte Soft-Referenzposition auf der Basis der erfassten Last zu aktualisieren.
Stellantrieb nach Anspruch 14, wobei die registrierte Soft-Referenzposition anhand eines Lastanstiegs oder Lastabfalls bei Überfahren der Soft-Referenzposition aktualisiert wird.
Stellantrieb nach Anspruch 14 oder 15, wobei der Stellantrieb zur Kalibrierung dazu eingerichtet ist, - ein erstes Drehmoment in eine schließende Richtung in Richtung des absoluten mechanischen Endanschlags des Stellantriebs vorzugeben, bis ein erster Lastsprung in dem Elektromotor detektiert wird, - ein zweites höheres Drehmoment in eine der schließenden Richtung entgegengesetzten öffnenden Richtung vorzugeben, um den Stellantrieb von dem absoluten mechanischen Endanschlag zu lösen und um eine vorgegebene Strecke zu entfernen, - ein drittes niedriges Drehmoment in die öffnende Richtung vorzugeben, bis ein zweiter Lastsprung in dem Elektromotor detektiert wird, und - die Position des Stellantriebs bei dem zweiten Lastsprung als Soft-Referenzposition zu registrieren.
Stellantrieb nach Anspruch 16, wobei der Stellantrieb eingerichtet ist, nach der Kalibrierung - das erste Drehmoment in die öffnende Richtung für eine vorgegebene Strecke vorzugeben, - eine Drehung des Rotors zu verifizieren, und - das erste Drehmoment in die schließende Richtung für eine zweite größere vorgegebene Strecke vorzugeben.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei der Stellantrieb ein Linearstellantrieb ist und das Stellglied einen linear beweglichen Schaft umfasst.
Linearstellantrieb nach Anspruch 18, wobei der linear bewegliche Schaft ein Gewinde aufweist, das in ein Gewinde einer mit dem Rotor des Elektromotors drehfest verbundenen Mutter eingreift, sodass eine Drehbewegung des Rotors zu einer linearen Verschiebung zwischen dem Schaft und der Mutter führt.
Linearstellantrieb nach Anspruch 19, wobei der Linearstellantrieb ein elastisches Element umfasst, welches den linear beweglichen Schaft in Richtung des absoluten mechanischen Endanschlags vorspannt, und wobei die Mutter in dem Linearstellantrieb linear beweglich gelagert ist und auf einer dem elastischen Element gegenüberliegenden Auflagefläche des Linearstellantriebs aufliegt, sodass, wenn der Linearstellantrieb die Soft-Referenzposition überfährt, die Mutter eine lineare Bewegung in dem Linearstellantrieb vollführt.
Linearstellantrieb nach Anspruch 20, wobei die Auflagefläche die Oberseite eines Kugellagers des Linearstellantriebs ist.
Linearstellantrieb nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei eine Drehbewegung des Schafts durch Formschluss zwischen dem Schaft und dem Gehäuse des Linearstellantriebs verhindert wird.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 14 bis 22, wobei der Stellantrieb eingerichtet ist, die zuletzt registrierte Soft-Referenzposition um eine vorgegebene Strecke zumindest regelmäßig dann zu überfahren, wenn ein Anfahren der Soft-Referenzposition vorgegeben ist.