DE102019119887A1

DE102019119887A1 - Verfahren zum betreiben eines elektromotors und elektromotor

Info

Publication number: DE102019119887A1
Application number: DE102019119887.9A
Authority: DE
Inventors: Florian BAYER; Fabian Armbruster; Klaus Moosmann
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2019-07-23
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2021-01-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors mit einer Steuerschaltung und mit einer Anordnung zur Positionserkennung eines rotierenden Elements des Elektromotors, wobei die Anordnung zur Positionserkennung wenigstens ein erstes Element (100) und wenigstens ein zweites Element (102) umfasst, wobei das erste Element (100) an dem rotierenden Element angeordnet ist und das zweite Element (102) zum Detektieren des ersten Elementes und zum Ausgeben eines Sensorsignals an die Steuerschaltung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung dazu eingerichtet ist die folgenden Schritte zur Positionserkennung auszuführen: Bestimmen oder Empfangen eines Verhältnisses α zwischen einer Drehwinkeländerung Δφ eines Drehwinkels φ des rotierenden Elements und einer Anzahl n an ausgeführten Kommutierungsschritten, Ansteuern des Elektromotors, so dass das rotierende Element um einen ersten Drehwinkel θ1gedreht wird, und Empfangen der Sensorsignale des ersten Elementes durch die Steuerschaltung während der Drehung des rotierenden Elements an k ersten Stützstellen, Zuordnen von Drehwinkelpositionen zu Sensorsignalwerten an den ersten k Stützstellen auf Grundlage des Verhältnisses α, der Anzahl der zum Erreichen der jeweiligen ersten Stützstelle zurückgelegten Kommutierungsschritte, und der an den ersten Stützstellen erfassten Sensorsignalwerte.

Description

GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors mit einer Positionserkennung, sowie einen Elektromotor mit einer entsprechenden Positionserkennung und einen Stellantrieb mit einem solchen Elektromotor.
HINTERGRUND
In vielen Anwendungen von Elektromotoren ist eine Positionserkennung erforderlich. Insbesondere kann es bei einem elektromotorisch angetrieben Stellglied nötig sein, dessen Position entlang des Stellweges zu kennen. Es wird dabei zwischen einer relativen und einer absoluten Positionserkennung unterschieden. Eine relative Positionserkennung kann beispielsweise sensorlos erfolgen, indem die Anzahl der Kommutierungsschritte des Elektromotors entlang eines Verfahrweges gezählt werden. Dies kann direkt über die Kommutierungssignale oder über das Detektieren der Nulldurchgänge der sogenannten Gegenelektromotorischen Spannung (BEMV, englisch: back-electromotive voltage) erfolgen. Die BEMV bezeichnet die, aufgrund der Drehbewegung eines Rotormagneten, in einer oder mehreren Phasenwicklungen eines Stators des Elektromotors induzierte Spannung.
In einigen Anwendungen ist es jedoch erforderlich, die absolute Rotorposition oder eine absolute Position eines von dem Elektromotor angetriebenen Stellgliedes zu kennen. Hierfür ist bekannt, optische Sensoren, magnetische Sensoren, induktive Sensoren, kapazitive Sensoren oder resistive Sensoren zu verwenden. Als magnetische Sensoren kommen hierbei insbesondere Hallsensoren in bekannter Weise zur Verwendung, wobei üblicherweise drei bis vier Hallsensoren an einer Leiterplatte angeordnet sind. Die Hallsensoren sind dabei einem an einem Rotor eines Elektromotors angeordneten Permanentmagneten gegenüberliegend angeordnet sind. Die Hallsensoren können somit die Änderung des magnetischen Feldes des Rotormagneten oder eines am Rotor angebrachten Messmagneten detektieren und somit eine Lagebestimmung ermöglichen.
Üblicherweise stellen derartige Positionssensoren einen digitalen Sensorwert bereit, wobei diese Sensordaten typischerweise auf eine Auflösung von 8 bis 16 Bit begrenzt sind. Beispielsweise kann ein Positionssensor mit 12 Bit bis zu 4096 Winkelschritte auflösen.
Die bereitgestellten Sensordaten zeigen typischerweise eine näherungsweise linearen Verlauf entlang einer Änderung des Drehwinkels. Jedoch können Abweichungen von diesem linearen Verlauf auftreten, wobei die Abweichungen beispielsweise bis zu 20% des Sensorwertes betragen. Dadurch wird die Genauigkeit der Sensoren deutlich reduziert. Insbesondere können Toleranzen der Bauteile des Sensorsystems und dessen Anordnung an dem Elektromotor Abweichungen von dem linearen Verlauf hervorrufen.
Aufgrund der oben erwähnten Toleranzen, ist in den meisten Anwendungen ferner eine Kalibrierung der Sensorwerte notwendig. Diese erfolgt in bekannten Ausgestaltungen beispielsweise über eine Programmierschnittstelle der Sensoranordnung mit Hilfe eines externen Computers. Daher ist der Kalibrierungsprozess vergleichsweise aufwendig, da eine Referenzmessung durchgeführt und die Steuerschaltung der Sensoranordnung während oder nach einer Auswertung der Referenzmessung mit einer Programmierschnittstelle verbunden werden muss. Ferner erfolgt die Kalibrierung in bekannten Anwendungen typischerweise mit einer erhöhten Programmierspannung, welche dem Sensor durch eine Steuer- oder Versorgungsschaltung bereitgestellt werden muss, was mit zusätzlichen Kosten verbunden ist.
ÜBERBLICK
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors, insbesondere zum Zuordnen von Sensorwerten zu Drehwinkelpositionen, sowie einen Elektromotor, der zum Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, und einen Stellantrieb mit solch einem Elektromotor, bereitzustellen. Das Verfahren soll eine genaue Kalibrierung ermöglichen, so dass ein Sensorsystem mit einer hohen Auflösung bereitgestellt werden kann. Ferner soll das Verfahren einfach und kostengünstig umzusetzen sein, und insbesondere auch kurze Produktionszyklen ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung, insbesondere auch ein entsprechender Elektromotor und Stellantrieb, sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors mit einer Steuerschaltung mit einer Anordnung zur Positionserkennung eines rotierenden Elementes des Elektromotors vorgeschlagen, wobei die Anordnung zur Positionserkennung wenigstens ein erstes Element und wenigstens ein zweites Element umfasst, und wobei das erste Element an dem rotierenden Element angeordnet und das zweite Element zum Ausgeben eines Sensorsignals ausgebildet ist. Die Steuerschaltung ist dazu eingerichtet, die folgenden Schritte zur Positionserkennung auszuführen:

- Bestimmen oder Empfangen eines Verhältnisses α zwischen einer Drehwinkeländerung Δφ des Drehwinkels φ des rotierenden Elements und einer Anzahl n an ausgeführten Kommutierungsschritten während dieser Änderung des Drehwinkels φ,
- ansteuern des Elektromotors, so dass das rotierende Element um eines ersten Drehwinkel θ₁ gedreht wird, und Empfangen der Sensorsignale der Anordnung zur Positionserkennung durch die Steuerschaltung während der Drehung des rotierenden Elements an k ersten Stützstellen (SS1), und
- zuordnen von Drehwinkelpositionen zu Sensorsignalwerten an den ersten Stützstellen auf Grundlage des Verhältnisses α, der Anzahl der zum Erreichen der jeweiligen ersten Stützstelle (SS1) zurückgelegten Kommutierungsschritte, und der an den ersten Stützstellen (SS1) erfassten Sensorsignalwerte.

Die Reihenfolge der angegebenen Verfahrensschritte kann dabei, sofern dies technisch möglich ist, beliebig variiert werden.
Das rotierende Element kann insbesondere ein Rotor des Elektromotors, ein Zwischenrad eines Getriebes des Elektromotors oder eine Abtriebsrad des Getriebes des Elektromotors sein. Beispielsweise treibt der Elektromotor ein Abtriebsrad über ein Untersetzungsgetriebe an, wobei das Abtriebsrad mit einem Stellglied eines Stellantriebes gekoppelt ist. Das rotierende Element kann dann insbesondere ein Zahnrad des Untersetzungsgetriebes oder das Abtriebsrad sein. Eine Sensoranordnung am Abtriebsrad hat den Vorteil, dass die tatsächliche Drehwinkeländerung am Abtrieb gemessen werden kann, so dass Toleranzen in der Positionsbestimmung aufgrund eines Getriebespiels nicht relevant sind.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ein Interpolieren einer Zuordnung von Drehwinkelpositionen zu Sensorsignalwerten an einer Anzahl 1 an zweiten Stützstellen. Insbesondere erfolgt die Zuordnung dabei auf Grundlage des Verhältnisses α zwischen der Drehwinkeländerung Δφ des Drehwinkels φ des Rotors und der Anzahl n an ausgeführten Kommutierungsschritten während dieser Drehwinkeländerung, der Anzahl der zum Erreichen der jeweiligen zweiten Stützstelle zurückgelegten Kommutierungsschritte, und der an den ersten Stützstellen erfassten Sensorsignalwerte. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn das Auflösungsvermögen der Sensoranordnung einzelne Kommutierungsschritte nicht hinreichend sicher unterscheiden kann. Bei einem Messbereich von 360° weist ein Sensor, welcher intern mit einer Auflösung von 12 Bit arbeitet, eine Winkelauflösung von 360/4096 = 0,088° auf. Ist die Anzahl der Kommutierungsschritte pro mechanischer Umdrehung nun größer als 4096, kann die unzureichende Auflösung durch eine Interpolation intermediärer Drehwinkelpositionen als Funktion des Sensorsignalwertes wenigstens teilweise kompensiert werden.
Desweiteren ist es in manchen Ausgestaltungen des Verfahrens bevorzugt, dass die Zuordnung der Drehwinkelpositionen zu den Sensorsignalwerten an den ersten Stützstellen eine Linearisierung der Sensorsignalwerte umfasst. Viele Sensoranordnungen geben ein Sensorsignal aus, welches einen näherungsweise linearen Verlauf als Funktion des Drehwinkels aufweist. Jedoch treten dabei nennenswerte Abweichung von einem idealen, exakt linearen Verlauf auf, welche die Zuordnung von Drehwinkelpositionen zu Sensorsignalwerten verfälscht. In machen Ausgestaltungen wird daher die bekannte Änderung des Drehwinkels φ pro Kommutierungsschritt dazu verwendet, bezüglich des exakten linearen Verlaufs eine Fehlerfunktion zu berechnen und dadurch die Abweichung von dem exakten linearen Verlauf zu berechnen. Die Abweichung kann folglich mittels einer Linearisierungsroutine korrigiert werden. Dadurch kann eine genaue Zuordnung des Drehwinkels φ zu den Sensorsignalwerten erreicht werden und die Genauigkeit der Anordnung zur Positionserkennung verbessert werden.
Vorzugsweise wird entlang der Drehung um den ersten Drehwinkel jedem Kommutierungsschritt eine zweite Stützstelle zugeordnet. In solchen Ausgestaltungen wird also zu jedem Kommutierungsschritt, der eine bekannte Änderung der Drehwinkelposition bewirkt, ein Sensorsignalwert der jeweiligen zweiten Stützstelle (SS2) zugeordnet. Die Zuordnung wird dabei interpoliert, beispielsweise durch Auswerten der Linearisierungsroutine. Die Zuordnung kann ferner auf Basis der beiden ersten Stützstellen SS1 erfolgen, welche der jeweils betrachteten zweiten Stützstelle nächstliegend sind.
In manchen Ausgestaltungen des Verfahrens ist die Steuerschaltung dazu eingerichtet, Sensorsignalwerte in einem Datenspeicher zu speichern. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass dabei nicht die Absolutwerte der Sensorsignalwerte, sondern deren Änderung, gespeichert wird. Durch das Speichern des inkrementellen Wertes, sind die zu speichernden Werte kleiner, so dass auch nur ein vergleichsweise kleiner Zahlenraum vorgehalten werden muss. Somit kann die zum Erstellen einer Zuordnungstabelle von Drehwinkeln zu Sensorsignalwerten erforderliche Speichergröße gering gehalten werden. Die Zuordnungstabelle kann insbesondere in einem nichtflüchtigen Speicher der Steuerschaltung gespeichert werden. Der Datenspeicher kann beispielsweise ein Flash-Speicher oder ein EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) sein.
Ferner ist es in manchen Ausgestaltungen des Verfahrens vorteilhaft, wenn die Drehung um den ersten Drehwinkel mit einer Drehgeschwindigkeit erfolgt, die kleiner als eine Drehgeschwindigkeit in einem Normalbetrieb ist und/oder, dass nach jedem Kommutierungsschritt der Elektromotor zur Erfassung des Sensorwertes gestoppt oder gebremst wird. Somit kann sichergestellt werden, dass die an der Erfassung und Verarbeitung des Sensorsignals beteiligten elektronischen Schaltungen genügen Zeit zur Verarbeitung der Messsignale haben. Beispielsweise liegt die Abtastfrequenz handelsüblicher Hallsensoren im Bereich 500 Hz bis 10 kHz. Daher ist es bevorzugt, dass der zeitliche Abstand zwischen dem Erreichen zweier erster Stützstellen im Bereich von 0,01 ms bis 0,2 ms liegt. Die Drehgeschwindigkeit des Rotors des Elektromotors im Normalbetrieb kann beispielsweise im Bereich 500 bis 5000 Umdrehungen pro Minute liegen. Die Drehung um den ersten Drehwinkel kann zur Kalibrierung beispielsweise im Bereich von einer bis zu 200 Umdrehungen pro Minute liegen, insbesondere im Bereich von einer bis zu zehn Umdrehungen pro Minute.
Vorzugsweise gibt die Anordnung zur Positionserkennung wenigstens über einen Abschnitt eines Messbereichs hinweg ein im Wesentlichen lineares Sensorsignal an die Steuerschaltung aus. Dadurch kann eine einfache Zuordnung entlang einer Drehbewegung des rotierenden Elementes und der Sensorsignalwerte erfolgen.
In manchen Ausgestaltungen des Verfahrens ist es vorgesehen, dass der Messbereich einer vollständigen Umdrehung des rotierenden Elements entspricht. Beispielsweise kann das erste Element ein Permanentmagnet mit ringförmigem oder kreisförmigem Querschnitt und das zweite Element einen oder mehrere auf einer Leiterplatte angeordnete Hallsensoren umfassen. Im Falle eines zweipoligen Permanentmagneten ist die Menge an möglichen Werten der Flussdichte des magnetischen Feldes über eine vollständige mechanische Umdrehung des Permanentmagneten verteilt, so dass die Drehwinkelposition entlang eines maximalen Drehwinkelbereichs von 360° bestimmt werden kann.
Desweiteren ist es zur Umsetzung des Verfahrens vorteilhaft, wenn das Ende jedes linearen Bereichs einen Sprung des Sensorsignales umfasst. Umfasst das erste Element also mehrere lineare Bereiche, die zusammen einen Drehwinkelbereich von 360° abdecken, so ist bei einer Drehung des ersten Elementes eine kontinuierliche Abfolge aus einem linearen Bereich und einem darauf folgenden Sprung im Sensorsignal detektierbar. Somit ist auch jeder lineare Bereich von zwei Sprüngen des Sensorsignals begrenzt. Der durch den linearen Bereich abgedeckte Drehwinkelbereich kann daher über eine Detektion eines Sprunges zu dessen Beginn und eines Sprunges an dessen Ende vermessen werden. Durch einen Vergleich der Anzahl, der für die Drehbewegung ausgeführten Kommutierungsschritte und die Anzahl der für eine vollständige Umdrehung erforderlichen Kommutierungsschritte, kann die Länge des linearen Bereichs ermittelt werden. Desweitern kann das Erfassen der Spanne der Sensorsignalwerte über diesen Bereich hinweg zum Kalibrieren der Sensoranordnung verwendet werden. Insbesondere können für wenigstens einen linearen Bereich an Stützstellen die Sensorsignalwerte oder deren Änderung mit einer Anzahl an Kommutierungsschritten, beziehungsweise mit deren Änderung, verglichen werden und auf Basis des Vergleichs eine Zuordnung der Sensorsignalwerte zu einer Drehwinkelposition, beziehungsweise zu einer Drehwinkeländerung, erfolgen.
In anderen Ausgestaltungen kann die Sensoranordnung auch als sogenannter „Multi Turn Sensor“ ausgebildet sein, wobei der Messbereich mehr als eine Umdrehung des rotierenden Elementes umfasst. Insbesondere kann der Messbereich mehrere vollständige Umdrehungen des rotierenden Elementes umfassen. Beispielsweise kann das Sensorsignal ein 16-Bit Signed-Integer Wert sein, so dass insgesamt zweimal acht Umdrehungen mit jeweils 4096 Sensorsignalwerten aufgelöst werden können.
In manchen Ausgestaltungen ist das erste Element ein Permanentmagnet, der beispielsweise ringförmig auf einem Zahnrad eines Untersetzungsgetriebes angeordnet ist, wobei das zweite Element dazu ausgebildet ist, den magnetischen Fluss des Permanentmagneten in wenigstens zwei Raumdimensionen zu detektieren. Insbesondere kann das zweite Element ein 2D-Hallsensor oder ein 3D-Hallsensor sein. Zur Aufnahme des Permanentmagneten kann das Zahnrad beispielsweise eine ringförmige Ausnehmung aufweisen.
Desweiteren kann es vorgesehen sein, dass das erste Element und das zweite Element eine induktive Sensoranordnung bilden. Das erste Element kann insbesondere einen LC-Resonanzkreis umfassen, beispielsweise in Form einer rotationssymmetrischen elektrisch leitfähigen Scheibe. Das erste Element kann beispielsweise eine Metallscheibe, eine Blechscheibe oder eine mit leitenden Strukturen beschichtete Leiterplatte sein. Ferner kann das erste Element eine n-zählige Rotationssymmetrie aufweisen, wobei n eine natürliche positive Zahl größer als Null ist. Beispielsweise weist das erste Element eine n-zählige Rotationssymmetrie mit n im Bereich von 2 bis 50 liegend auf.
Das zweite Element umfasst in manchen Ausgestaltungen einer induktiven Anordnung wenigstens eine Spule. Die Spule kann insbesondere als eine Sende- und Empfangsspule ausgebildet sein. In anderen Ausgestaltungen können eine Sendespule und wenigstens eine separate Empfangsspule vorgesehen sein. Die Sendespule und die Empfangsspule können insbesondere als Leiterbahnen einer Leiterplatte ausgebildet sein. In manchen Weiterbildungen umfasst das zweite Element zwei, drei, oder mehr Empfangsspulen. Die Sendespule kann beispielsweise ein elektromagnetisches Feld mit einer Frequenz im Bereich von 50 kHz bis 20 MHz aussenden. Die Erregerfrequenz der Sendespule ist vorteilhafter Weise mit einem sinusförmigen Amplitudenverlauf moduliert. Ebenso ist jedoch eine einfacher zu generierende rechteckige Amplitudenmodulation möglich. Die kapazitive Kopplung der Sende- und Empfangsspulen kann beispielsweise im Bereich einiger pF liegen. Die Sende- und Empfangsspulen können jeweils auf mehreren Lagen einer Leiterplatte angeordnet sein, wobei die Lagen über eine Durchkontaktierung der Spulen miteinander gekoppelt sein können. Die Analyse des durch das erste Element beeinflussten Signals der Empfangsspule kann durch eine Steuerschaltung, insbesondere einen Mikrocontroller, ausgewertet werden, beispielsweise mittels Demodulationsalgorithmen.
Insbesondere kann es in manchen Ausgestaltungen des Verfahrens vorgesehen sein, dass die von dem zweiten Element detektierte physikalische Größe, beispielsweise der magnetische Fluss oder die Induktivität, in wenigstens zwei räumlichen Komponenten gemessen wird. Das zweite Element kann in einigen Ausgestaltungen des Verfahrens die wenigstens zwei räumlichen Komponenten des Messsignals zu einem Messsignal kombinieren und das Messsignal an die Steuerschaltung ausgeben. In anderen Ausgestaltungen kann es hingegen vorgesehen sein, dass das zweite Element die detektierten Komponenten als eigenständige Messsignale ausgibt.
In manchen Ausgestaltungen des Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Spanne des Sensorsignals im Bereich des Sprungs ermittelt wird, wobei die Interpolation der Zuordnung der Drehwinkelpositionen zu den Sensorsignalwerten auf Grundlage der Spanne des Sensorsignals im Bereich des Sprungs ermittelt wird.
Vorzugsweise umfasst der Messbereich exakt einen linearen Bereich.
Ebenso ist es in manchen Ausgestaltungen des Verfahrens bevorzugt, dass der Messbereich wenigstens einen ersten linearen Bereich und einen zweiten linearen Bereich umfasst. Besonders bevorzugt ist es in manchen Ausgestaltungen, den ersten linearen Bereich und den zweiten linearen Bereich so auszubilden, dass diese unterschiedlich große Drehwinkelbereiche abdecken. Dadurch kann eine Rotationssymmetrische Anordnung der Bereiche vermieden werden und somit sicher erkannt werden, welcher der Bereiche von dem zweiten Element detektiert wird. Alternativ können auch mehr als zwei lineare Bereiche, beispielsweise 3 oder 4 lineare Bereiche, vorgesehen sein.
Ferner kann der Sensorsignalwert entlang des ersten linearen Bereichs und entlang des zweiten linearen Bereichs unterschiedliche Steigungen aufweisen. In manchen Weiterbildungen solcher Ausgestaltungen kann es daher vorgesehen sein, dass zur Kalibrierung der linearen Bereiche und/oder zur Positionsbestimmung die Steigung des Sensorsignalwertes ausgewertet wird. Anhand der Auswertung kann dann das Sensorsignal einem der linearen Bereiche zugeordnet werden. Schließlich kann über dem Sensorsignalwert eine Position entlang des ersten linearen Bereichs oder einer Position entlang des zweiten linearen Bereichs zugeordnet werden.
Der durch den ersten linearen Bereich abgedeckte Drehwinkelbereich und der durch den zweiten linearen Bereich abgedeckte Drehwinkelbereich können in manchen Ausgestaltungen des Verfahrens auch vorherbestimmt sein. Der jeweils zugehörige Drehwinkelbereich kann also vorherbestimmt sein. Zur Kalibrierung des Stellantriebes kann dann die Steigung an der aktuellen Drehwinkelposition bestimmt werden, beispielsweise indem das rotierende Element durch den Elektromotor gedreht und wenigstens zwei Sensorsignalwerte erfasst und ausgewertet werden. Der Elektromotor führt dabei folglich wenigstens einen Kommutierungsschritt aus. Vorzugsweise führt der Elektromotor dabei 10 bis 200 Kommutierungsschritte aus. Ebenso ist es vorteilhaft, wenigstens 4 Sensorsignalwerte zur Bestimmung der Steigung zu ermitteln.
In einigen vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens werden entlang des Messbereichs der oder die Sprünge des Sensorsignals erfasst und die Anzahl der zwischen dem Auftreten jeweils zweier Sprünge ausgeführten Kommutierungsschritte bestimmt. Insbesondere ist in die Steuerschaltung dazu eingerichtet ist, auf Basis der Anzahl der ausgeführten Kommutierungsschritte, eine Winkelausdehnung der zwischen den Sprüngen liegenden linearen Bereichen zu ermitteln.
Ferner kann es in einigen Ausgestaltungen des Verfahrens vorgesehen sein, dass der Elektromotor nach einer ersten Erfassung eines Sensorsignals derart angesteuert wird, dass das erste Element eine Drehwinkelstellung relativ zu dem zweiten Element einnimmt, die in unmittelbarer Nähe zu einer Drehwinkelposition liegt, an welcher das Sensorsignal einen Sprung aufweist und das rotierende Element daraufhin von dieser Drehwinkelposition ausgehend um den ersten Drehwinkel θ₁ gedreht wird. Somit kann das rotierende Element in unmittelbare Nähe zu einem möglichen Beginn des Messbereichs verfahren werden. Insbesondere kann unmittelbar ein Sprung der Sensorsignalwerte überfahren und damit die Spanne der Sensorsignalwerte ermittelt werden.
Die Ansteuerung des Elektromotors zum Erreichen der Drehwinkelposition, an welcher das Sensorsignal einen Sprung aufweist (Sprungstelle), kann insbesondere derart erfolgt, dass die zurückgelegte Drehwinkeländerung zwischen einer aktuellen ist-Position und der Sprungstelle minimal ist. Somit kann das erste Element schnell in eine Position gebracht werden, von der aus die Spanne der Sensorwerte ermittelt und weitere Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden können.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung einen Stellantrieb mit einem Elektromotor, mit einer Steuerschaltung und einer Anordnung zur Positionserkennung eines rotierenden Elements des Stellantriebs bereit, wobei die einer Anordnung zur Positionserkennung wenigstens ein erstes Element und wenigstens ein zweites Element umfasst, wobei das erste Element an dem rotierenden Element angeordnet ist und das zweite Element zum Ausgeben eines Sensorsignals ausgebildet ist, und wobei die Steuerschaltung zum Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Dabei umfasst das erste Element ein magnetisches Element, ein induktives Element, ein kapazitives Element, oder ein resistives Element. Das erste Element kann insbesondere ein Permanentmagnet, ein elektrisch leitendes Material oder ein Dielektrikum sein.
Vorzugsweise ist das erste Element der Anordnung zur Positionserkennung des Elektromotors ringförmig ausgebildet. Beispielsweise ist das erste Element als ringförmiger Permanentmagnet ausgebildet. Insbesondere kann der Permanentmagnet auf einem Zahnrad ausgebildet sein und beispielsweise in einer konzentrisch zu einer Welle oder Achse angeordneten Aussparung angeordnet sein. Das erste Element kann in der Aussparung zum Beispiel formschlüssig, kraftschlüssig und/oder materialschlüssig befestig werden. Beispielsweise kann ein Permanentmagnet in eine Aussparung eingelegt oder eingedrückt werden und gegebenenfalls zusätzlich mittels einer Klebeverbindung befestigt werden. Die ringförmige Ausgestaltung kann insbesondere als Kreisringsegment ausgestaltet sein.
Die relative Anordnung der beiden Elemente muss nicht notwendigerweise gegenüberliegend vorgenommen werden. Entscheidend ist, dass der am zweiten Element detektierbare magnetische Fluss ein hinreichend präzise detektierbares Feld, beziehungsweise über ein Drehwinkelinkrement gesehen, eine hinreichend große Feldänderung, erzeugt.
Es ist beispielsweise auch eine Anordnung des zweiten Elementes in radialer Richtung des Abtriebrades/eines Zwischenrades, oder eine Position mit radialem und axialem Versatz, möglich. Falls es konstruktiv möglich ist, kann das zweite Element auch konzentrisch zu dem betreffenden Zahnrad und/oder konzentrisch zu dem ersten Element angeordnet sein.
Das erste Element kann auch andere, als ringförmige Ausgestaltungsformen aufweisen. Beispielsweise kann das erste Element als ein oder mehrere Ringsegmente ausgebildet sein. In anderen Ausgestaltungen ist das erste Element auf einem Trägerteil, beispielsweise einer Trägerscheibe, angeordnet, wobei das Trägerteil drehfest mit dem Abtriebsrad oder einem Zwischenrad verbunden ist.
Besonders bevorzugt ist das erste Element als Permanentmagnet ausgebildet. In einigen vorteilhaften Ausgestaltungen weist der Permanentmagnet an seiner Oberfläche, entlang einer Richtung der Relativbewegung des Permanentmagneten zu dem zweiten Element bei einer Rotation des rotierenden Elements, eine lineare Änderung der Magnetisierungsrichtung auf. Insbesondere kann der Permanentmagnet eine Hallbach-Magnetisierung aufweisen.
In manchen vorteilhaften Ausgestaltungen bezieht sich das Verfahren auf eine Anordnung zur Positionserfassung der Permanentmagnet wenigstens zwei Polpaare aufweist, wobei die Polpaare sich über unterschiedlich große Winkelbereiche ausdehnen. Die Polpaare weisen dann beispielswiese in Umfangsrichtung eine unterschiedlich große Ausdehnung auf. Beispielsweise kann solch eine Ausgestaltung des zweiten Elements, einen aperiodischen Verlauf des vom ersten Element detektierten Messsignals bewirken. Beispielsweise kann der Permanentmagnet derart magnetisiert sein, dass ein als Hallsensor ausgebildetes erstes Element einen wenigstens in etwa sinusförmigen Verlauf des magnetischen Flusses detektiert, wobei bei einer Drehung des Permanentmagneten die Signalform im Wesentlichen durch zwei aufeinanderfolgende Sinuskurven mit unterschiedlichen Periodenlängen gegeben ist.
Vorzugsweise ist der Betriebsbereich des Elektromotors derart festgelegt, dass dieser durch einen Drehwinkelbereich begrenzt ist, der exakt ein Polpaar eines als Permanentmagnet ausgebildeten ersten Elementes umfasst. Dadurch kann bei einem Permanentmagneten mit mehreren Polpaaren der Wertbereich des zweiten Elementes, der Detektionseinrichtung, auf einen Drehwinkelbereich kleiner als 360° reduziert werden. Somit kann die Auflösung der Anordnung zur Positionserkennung erhöht werden, indem die Spanne der möglichen Sensorwerte einem relativ kleinen Drehwinkelbereich, der kleiner als 360° ist, zugeordnet wird. Insbesondere kann der Drehwinkelbereich im Bereich von 120° bis 240° liegen.
Der Elektromotor kann einen Hallsensor als das das zweites Element umfassen, insbesondere einen 2D-Hallsensor oder einen 3D-Hallsensor.
Der 2D-Hallsensor, oder alternativ ein 3D-Hallsensor, kann beispielweise derart im Feld des als Permanentmagnet ausgebildeten ersten Elementes angeordnet sein, dass dieser magnetische Feldstärken im Bereich von 4 mT bis 200 mT, insbesondere im Bereich von 5 mT bis 100 mT, detektiert. Insbesondere kann der Hallsensor jedoch derart ausgebildet sein, dass das ausgegebene Sensorsignal unabhängig vom Absolutbetrag der magnetischen Flussdichte ist. Im Falle eines 2D- oder 3D-Hallsensors kann dies dadurch erreicht werden, dass das Sensorsignal auf dem Quotienten zweier Feldkomponenten basiert. Somit können störende Einflüsse von elektromagnetischen Störfeldern oder Toleranzen oder Schwankungen des Abstands zwischen dem Sensor und dem Permanentmagneten auf das Sensorsignal wenigstens teilweise eliminiert werden.
Der 2D- oder 3D-Hallsensor ist vorzugsweise derart konfiguriert und relativ zu dem magnetischen Feld des Permanentmagneten angeordnet, dass dieser eine axiale Komponente und eine radiale Komponente des magnetischen Flusses detektiert. Das zweite Element kann in axialer Richtung einen Abstand zu dem ersten Element von beispielsweise 1mm bis 10 mm, insbesondere im Bereich von 1,5 mm bis 6 mm aufweisen. In radialer Richtung kann das zweite Element 102 beispielsweise in einem Abstand von der Drehachse des Abtriesrades angeordnet sein, der im Bereich von 5 mm bis 15 mm, insbesondere im Bereich von 6 mm bis 12 mm liegt. Alternativ kann das erste Element auch konzentrisch angeordnet sein. Der 2D-Hallsensor stellt an einem Ausgang beispielsweise ein 14-Bit großes Sensorsignal bereit. Das Sensorsignal wir der Steuerschaltung zugeführt und damit auch für die Regelung des Elektromotors 4 bereitgestellt.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Stelleantrieb mit einem Elektromotor der zum Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Insbesondere kann der Stellantrieb in einem Automobil zum Verstellen wenigstens einer Klappe oder wenigstens eines Ventils verwendet werden. Beispielsweise kann der Stellantrieb zum Verstellen eines Ventils eines Kreislaufs für das Wärmemanagement eines als Elektromotor ausgebildeten Antriebsmotors, eines Verbrennungsmotors, einer Mischform der beiden Antriebsformen, einer Fahrgastzelle, eines Frachtraumes, oder einer Batterie. Der Stellantrieb kann ferner als Klappensteller verwendet werden, und beispielsweise zum Verstellen von Klappen einer Klimavorrichtung oder einer Kühlergrilljalousie eingerichtet sein. Der Stellantrieb kann dazu ein Gehäuse mit einem an einer Gehäuseseite angeordneten Elektromotor umfassen. Ferner kann der Stellantrieb eine Steuerschaltung zum Ansteuern des Elektromotors umfassen. Insbesondere kann die Steuerschaltung dazu eingerichtet sein, das erfindungsgemäße Verfahren zu implementieren. Der Elektromotor 4 kann zum Beispiel ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor) oder ein Schrittmotor sein, der einen Stator und einen beweglich gelagerten Rotor umfasst. Der Stator kann eine oder mehrere Statorspulen umfassen, die zu einer oder mehreren Phasenwicklungen U, V, W verschaltet sind und in ihrer Gesamtheit eine Statorwicklung des Stators bilden. Der Rotor kann auf einer Achse drehgelagert angeordnet sein und kann insbesondere einen Rotormagneten umfassen. Der Rotormagnet kann beispielsweise zwei bis sechzehn Magnetpole aufweisen. Ferner kann der Rotor drehfest mit einem Antriebszahnrad verbunden sein. Das Antriebszahnrad kann ein Abtriebsrad des Elektromotors antreiben, wobei ein oder mehrere Zwischenräder einer Getriebestufe zwischengeschaltet sein können. Die Getriebestufe kann beispielsweise ein Untersetzungsgetriebe sein. Beispielsweise kann das Untersetzungsgetriebe ein Untersetzungsverhältnis zwischen dem Antriebszahnrad und dem Abtriebsrad im Bereich von 1/80 bis 1/2000 bewirken. Das Abtriebsrad kann beispielsweise einteilig mit einer Abtriebswelle ausgebildet sein. Die Abtriebswelle kann insbesondere als Hohlwelle ausgebildet, und beispielsweise an einem oder an beiden distalen Enden ein Drehmoment an einem Stellglied bereitstellen. Ferner kann die das Abtriebsrad tragende Hohlwelle an jeweils einer Gehäuseunterseite (Gehäuseboden) und einer Gehäuseoberseite (Deckel) drehgelagert sein, insbesondere durch als Gleitlager wirkende Ausformungen an dem Gehäuseboden und/oder dem Deckel.
Der Elektromotor ist in manchen Ausgestaltungen mit einer Steuerschaltung verbunden, die dazu eingerichtet ist, den Elektromotor zu steuern. Die Steuerschaltung kann insbesondere eine Leiterplatte umfassen, auf der beispielsweise ein Mikrocontroller und andere elektronische Komponenten angeordnet sind. Ferner kann die Steuerschaltung eine B6-Brückenschaltung umfassen und zum Kommutieren eines dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors eingerichtet sein. In anderen Ausgestaltungen kann die Steuerschaltung zwei Brückenschaltungen mit jeweils wenigstens vier Brückenschaltern umfassen, und zum Ansteuern eines bipolaren Schrittmotors eingerichtet sein. Die Brückenschalter können insbesondere Feldeffekttransistoren, beispielsweise MOSFET(Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren, englisch: metal-oxide-semiconductor field-effect transistors), sein. Die Brückenschaltungen können insbesondere in den Mikrocontroller integriert sein.
Die Steuerschaltung kann auch einen oder mehrere Spannungskomparatoren aufweisen, mittels dessen Nulldurchgänge der BEMV erkannt werden. Die Spannungskomparatoren können beispielsweise jeweils zwischen einer Phasenwicklung und deinem Sternpunkt, beziehungsweise einem virtuellen Sternpunkt, oder zwischen jeweils zwei Phasenwicklungen angeordnet sein. Ein Ausgang der Spannungskomparatoren kann dann jeweils mit einer Logikeinheit, beispielsweise dem zuvor erwähnten Mikrocontroller, verbunden sein. Die Spannungskomparatoren können insbesondere auch in dem Mikrocontroller integriert sein. Somit können die Zeitpunkte der Nulldurchgänge der BEMV ermittelt und für die Regelung des Elektromotors verwendet werden. Die BEMV kann dabei auch zur Optimierung des Arbeitspunktes des Elektromotors verwendet werden. Dies kann beispielsweise durch ein Analysieren der Flyback-Pulse mittels der BEMV-Messung erfolgen. Als Flyback-Pulse werden die Strompulse genannt, welche aufgrund der Induktivität der Phasenwicklungen beim Öffnen der Brückenschalter einer zuvor bestromten Phasenwicklung entstehen.
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen in schematischer Darstellung

1: eine perspektivische teilexplodierte Ansicht einer Ausgestaltung eines Stellantriebes mit einem Elektromotor und einer zum Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichteten Steuereinheit gemäß einem Beispiel;
2: eine weitere perspektivische Ansicht teilexplodierte Ansicht des Stellantriebes aus 1;
3: eine Draufsicht auf den Stellantrieb aus den 1 und 2;
4:eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A aus 3;
5: ein schematischer Verlauf eines Sensorsignals als Funktion des Drehwinkels;
6: ein schematischer Verlauf eines Sensorsignals als Funktion der Anzahl an Kommutierungsschritten;
7: ein schematischer Verlauf eines Sensorsignals zur Illustration der Stützstellen zur Kalibrierung des Sensorsignals;
8a: eine beispielhafte Ausgestaltung des ersten Sensorelements als diametral magnetisierter Permanentmagnet;
8b: eine beispielhafte Ausgestaltung des ersten Sensorelements als vierpoliger Permanentmagnet mit unterschiedlich großen Magnetsegmenten;
9: ein schematisch dargestellter Verlauf eines Sensorsignals für eine Sensoranordnung mit dem Permanentmagneten aus 8b;
10: ein Vergleich zwischen einem gemäß der Erfindung kalibrierten und einem unkalibrierten Sensorsignal gemäß einem Beispiel.

BESCHREIBUNG VON BEISPIELEN
Die 1 und 2 zeigen eine Schrägansicht, sowie eine Explosionsdarstellung, eines Stellantriebs 2 mit einem Elektromotor 4 und einer Steuerschaltung 6 gemäß einem Beispiel, wobei der Stellantrieb dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren zu implementieren. Der Elektromotor 4 ist im Beispiel ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor) oder ein Schrittmotor, der einen Stator 8 und einen beweglich gelagerten Rotor 10 umfasst. Der Stator 8 umfasst insgesamt zwölf Statorspulen 12, die zu drei Phasenwicklungen U, V, W verschaltet sind und in ihrer Gesamtheit eine Statorwicklung 14 des Stators 8 bilden. Der Rotor 10 ist auf einer an einem Gehäuseboden und einem Gehäusedeckel gelagerten Achse 16 drehgelagert angeordnet und umfasst einen Rotormagneten 18. Der Rotormagnet kann beispielsweise zwei bis sechzehn Magnetpole 20 aufweisen (Vgl. 8a und 8b). Ferner ist der Rotor 10 drehfest mit einem Antriebszahnrad 22 verbunden. Das Antriebszahnrad 22 ist durch eine Ausnehmung 36 der Leiterplatte geführt und treibt über Zwischenräder 26 einer Getriebestufe 28 ein Abtriebsrad 24 des Stellantriebes 2 an. Im Beispiel umfasst die Getriebestufe insgesamt 3 jeweils als Doppelzahnrad ausgeführte Zwischenräder. Die Getriebestufe 28 ist ferner als Untersetzungsgetriebe mit einem Untersetzungsverhältnis ausgebildet, das ein Untersetzungsverhältnis von 1/600 aufweist. Das Abtriebsrad 24 ist in der gezeigten Ausgestaltung einteilig mit einer als Hohlwelle ausgebildeten Abtriebswelle 30 ausgebildet. Die Abtriebswelle ist an entsprechenden Vorsprüngen der Gehäuseinnenseite axial und/oder radial gelagert. Dadurch kann eine gute Laufruhe des Abtriebsrades und, für den Fall, dass das erste Element zur Positionsbestimmung an dem Abtriebsrad oder der Abtriebswelle angeordnet ist, eine präzise Positionsbestimmung erreicht werden.
Der Elektromotor 4 ist mit einer Steuerschaltung 6 verbunden, die dazu eingerichtet ist, den Elektromotor 4 zu steuern. Die Steuerschaltung 6 umfasst ferner eine Leiterplatte 32, auf welcher ein Mikrocontroller und andere elektronische Komponenten angeordnet sind. Ferner umfasst die Steuerschaltung 6 eine in dem Mikrocontroller integrierte B6-Brückenschaltung und ist zum Kommutieren des dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors eingerichtet. In anderen Ausgestaltungen kann die Steuerschaltung 6 zwei Brückenschaltungen mit jeweils wenigstens vier Brückenschaltern umfassen, und zum Ansteuern eines bipolaren Schrittmotors eingerichtet sein.
An der Abtriebswelle ist als ein erstes Element 100 der Anordnung zur Positionserkennung ein ringförmiger Permanentmagnet angeordnet. Der Permanentmagnet 100 kann in manchen Variationen exakt ein Polpaar (zwei Magnetpole) umfassen. Andere Variationen können wenigstens zwei Polpaare (wenigstens vier Magnetpole) umfassen. In solchen Ausgestaltungen können die beiden Polpaare jeweils den gleichen Drehwinkelbereich abdecken. Insbesondere kann es aber auch vorgesehen sein, dass wenigstens ein Polpaar einen Drehwinkelbereich abdeckt, der von dem von einem anderen Polpaar abgedeckten Drehwinkelbereich verschieden ist. Im Beispiel umfasst der Permanentmagnet 2 Magnetpolpaare, die unterschiedlich große Drehwinkelbereiche abdecken. Der Permanentmagnet 100 ist als Ringmagnet ausgebildet und an dem Abtriebsrad angeordnet. Zur Aufnahme des Permanentmagneten 100 weist das Abtriebsrad eine Ausnehmung 106 auf, in welcher der Permanentmagnet 100 befestigt wird. Die Befestigung kann beispielsweise kraftschlüssig, und/oder formschlüssig und/oder materialschlüssig erfolgen. In manchen Ausgestaltungen weist das Abtriebsrad beispielsweise eine ringförmige Ausnehmung 106 auf, in welcher der Permanentmagnet 100 angeordnet und mittels Kleber befestigt wird.
In der Umgebung des Permanentmagneten 100 ist ein zweites Element 102 der Anordnung zur Positionserkennung angeordnet. Im der gezeigten Ausgestaltung ist das zweite Element 102 als 2D-Hallsensor ausgebildet dem Permanentmagneten 100 in axialer Richtung im Wesentlichen gegenüberliegend angeordnet.
Das zweite Element 102 ist auf einer Leiterplatte 32 angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform sind das zweite Element 102 und die Motorelektronik zur Steuerung des Elektromotors 4 auf einander gegenüberliegenden Seiten der Leiterplatte 32 angeordnet. Ferner ist die Leiterplatte 32 im Beispiel über dem Stator 8 des Elektromotors 4 und das als 2D-Hallsensor ausgebildete zweite Element 104 an einer stegartigen Fortführung 34 der Leiterplatte angeordnet. Die Leiterplatte 32 weist ferner eine Ausnehmung 36 auf, durch die das Antriebszahnrad geführt ist, so dass das Antriebszahnrad 22 und der Stator des Elektromotors 4 auf verschiedenen Seiten der Leiterplatte 32 angeordnet sind.
3 ist eine Draufsicht auf das geschlossene Gehäuse des Stellantriebes 2 aus den 1 und 2 dargestellt, während 4 eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A aus 3 zeigt. In der 4 ist insbesondere gut zu erkennen, wie das erste Element 102 und das zweite Element 104 der Anordnung zur Positionsbestimmung relativ zueinander angeordnet sind. Im Beispiel sind beide Elemente sich in axialer Richtung gegenüberliegend angeordnet und circa 3 mm voneinander beabstandet. Dabei ist das als 2D-Hallsensor ausgebildete zweite Element 102 an der Unterseite der stegartigen Fortführung 34 der Leiterplatte 32 angeordnet.
Die 5 zeigt eine schematische Skizze eines typischen Sensorsignals mit näherungsweise linearem Verlauf des Sensorsignals für eine Anordnung zur Positionserkennung mit einem 2D-Hallsensors als erstes Element 100 der Anordnung zur Positionserkennung und einem ringförmigen Permanentmagneten mit zwei Magnetpolen.
Der 2D-Hallsensor ist dazu ausgebildet ein lineares Sensorsignal auszugeben. Das Sensorsignal wird über auf der Leiterplatte 32 angeordnete Leiterbahnen einem ebenfalls auf der Leitplatte angeordneten Mikrocontroller zugeführt. Das Sensorsignal kann insbesondere einer Arcustangensfunktion entsprechen, welche über 360° einen linearen Verlauf zeigt und eine Sprungstelle bei 0°, 360°, 720°, ..., aufweist. Das Argument der Arcustangensfunktion kann dabei der Quotient aus den Beiträgen zweier Komponenten des magnetischen Flusses sein. Insbesondere kann das Sensorsignal proportional zu Atan(Bx/By) sein, wobei Bx und By jeweils durch eine der Feldkomponenten Bz, Bt und Br gegeben sind. Bz, Bt und Br bezeichnen dabei eine axiale (Bz), eine tangentiale (Bt) und eine radiale Feldkomponente (Bt) des am zweiten Element 104 gemessenen magnetischen Flusses.
Der 2D-Hallsensor und der Permanentmagnet 100 sind im Beispiel derart konfiguriert und relativ zueinander angeordnet, dass der 2D-Hallsensor magnetische Feldstärken im Bereich von 5 mT bis 100 mT, detektiert.
Das Sensorsignal zeigt entlang seines Verlaufes einen Sprung. Der Sprungstelle ist beispielhaft ein Drehwinkel von 0° zugeordnet. Dadurch ergibt sich im Beispiel ein Messbereich MB von 360°, welcher durch zwei Sprünge des Sensorsignals (bei 0° und bei 360°) begrenzt ist.
Die zweipolige Ausgestaltung des Permanentmagneten 100 bedingt ferner einen sinusförmigen Verlauf des Magnetflusses der Komponenten Bz und Br entlang einer vollständigen mechanischen Umdrehung des Permanentmagneten 100, wobei die Phasen der Komponenten Bz und Br vorzugsweise eine Verschiebung um 90° zueinander aufweisen. In anderen Ausgestaltungen kann das zweite Element jedoch auch dazu ausgebildet sein, eine andere Anzahl an räumlichen Komponenten des magnetischen Flusses oder Komponenten einer anderen physikalischen Größe, beispielsweise der Kapazität, der Induktivität oder des elektrischen Widerstandes, zu detektieren.
In der 6 ist eine weitere schematische Darstellung des Sensorsignals gezeigt, wobei diese als Funktion der Anzahl der zurückgelegten Kommutierungsschritte n aufgetragen ist. Im Beispiel ist der Messbereich durch die Sprungstellen des Sensorsignals bei n = 500 und n = 3000 definiert, so dass der Messbereich insgesamt 2500 Kommutierungsschritte umfasst. Das Sensorsignal umfasst dabei Werte von SWmin bis SWmax. Die Spanne des Sensorsignals wird beispielsweise aus der Differenz des maximalen und des minimalen Sensorsignalwerts SWmax - SWmin bestimmt. Die Steigung der Ausgleichsgeraden kann dann anhand der bekannten Anzahl der Kommutierungsschritte über eine vollständige mechanische Umdrehung hinweg oder über den Messbereich hinweg und der Spanne des Sensorsignals bestimmt werden. Im Beispiel ergibt sich folglich als Steigung dSW/dn = (SWmax - SWmin)/3000.
In der 7 ist ein Ausschnitt des Sensorsignals aus 6 gezeigt, wobei erste Stützstellen SS1_i und zweite Stützstellen SS2i, mit i = 1,2, 3, .., festgelegt sind. An den ersten Stützstellen SS1 werden Sensorsignalwerte ermittelt und einem Drehwinkel zugeordnet. In manchen Ausgestaltungen wird den ersten Stützstellen SS1 anhand eines aktuell bestimmten Sensorsignalwerts eine Differenz zum vorher bestimmten Sensorsignalwert ermittelt. Die Sensormesswerte oder die Sensormesswertänderungen werden dann einem Drehwinkel φ oder einer Drehwinkeländerung Δφ zugeordnet. Insbesondere werden in manchen Ausgestaltungen die Sensorsignalwerte oder die Sensorsignalwertänderungen in einer Tabelle gespeichert. Anhand der Tabelle kann nun jedem Sensorsignalwert eine Drehwinkelposition zugeordnet werden.
In der 8a ist ein ringförmiger zweipoliger Permanentmagnet, mit einem Nordpol N und einem Südpol S, als erstes Element 100 der Anordnung zur Positionserkennung skizziert. Die Magnetpole 20 sind symmetrisch ausgebildet, so dass jeder Magnetpol 20 ein Kreisringsegment von jeweils 180° umfasst.
Die 8b zeigt eine Ausgestaltung des ersten Elements 100 der Anordnung zur Positionserkennung als vierpoligen Permanentmagneten, dessen zwei Magnetpolpaare unterschiedlich große Winkelsegmente abdecken. Ein erstes Magnetpoolpaar erstreckt sich im Beispiel über einen ersten Drehwinkelbereich φLB1 von 240° und ein zweites Magnetpolpaar über einen zweiten Drehwinkelbereich φLB2 von 120°. Im Beispiel erstrecken sich die Magnetpole 20 der Magnetpoolpaare jeweils über gleich große Drehwinkelbereiche φLB1/2, bzw. φLB2/2. In alternativen Ausgestaltungen können sich jedoch auch die jeweiligen Magnetpole 20 über unterschiedlich große Drehwinkelbereiche erstrecken.
9 zeigt schematisch einen Verlauf des Messsignals über eine vollständige mechanische Umdrehung des rotierenden Elements hinweg, wobei der Messbereich einen ersten linearen Bereich LB1 und einen zweiten linearen Bereich LB2 umfasst. Der erste lineare Bereich LB1 und der zweite lineare Bereich LB2 sind so ausgebildet, dass diese unterschiedlich große Drehwinkelbereiche φLB1, φLB2 abdecken. Beispielsweise entsprechen der erste lineare Bereich LB1 und der zweite lineare Bereich LB2 einem durch ein erstes Magnetpolpaar und einem durch ein zweites Magnetpolpaar definiertem linearen Bereich. Insbesondere kann das dem Messsystem zugrundeliegende erste Element 100 der Anordnung zur Positionsbestimmung einen in 8b skizzierten Permanentmagneten mit 2 Polpaaren umfassen. Der für eine Positionsbestimmung relevante Messbereich kann auf den ersten linearen Bereich LB1 (Drehwinkelbereich φLB1) oder auf den zweiten linearen Bereich LB2 (Drehwinkelbereich φLB2) beschränkt werden. Somit stehen für einen durch eine Verstellanordnung vorgegeben Drehwinkelbereich, welcher kleiner als 360° ist, mehr Sensorwerte zur Verfügung. Folglich kann dadurch die Auflösung der Sensoranordnung erhöht werden. Beispielsweise können die möglichen Sensorsignalwerte SW auf einen Verfahrweg des zweiten linearen Bereichs LB2 verteilt werden. Der zweite lineare Bereich LB2 umfasst im Beispiel einen Drehwinkelbereich von φLB2 =120°. Somit kann im Vergleich zu einer Sensoranordnung, in welcher die Sensorwerte eine vollständige Umdrehung von 360° abdecken, die Auflösung um einen Faktor drei erhöht werden. Ferner hat eine Anordnung, in welcher der erste lineare Bereich LB1 und der zweite lineare Bereich LB2 unterschiedlich große Drehwinkelabschnitte abdecken, im Vergleich zu einer Symmetrischen Ausgestaltungen, den Vorteil, dass entlang einer vollständigen mechanischen Umdrehung von 360° eine absolute Positionsbestimmung möglich ist. So kann ein Verlauf mehrerer Sensorsignalwerte mit dem erwarteten Signalverlauf entlang des ersten linearen Bereichs LB1 und des zweiten linearen Bereichs LB2 verglichen werden und auf Basis des Vergleichs eine Zuordnung der Drehwinkelposition vorgenommen werden. Insbesondere können die Steigungen der Sensorsignalwerte als Funktion des Drehwinkels des ersten linearen Bereichs LB1 und des zweiten linearen Bereichs LB2 mit der Steigung des Verlaufs der gemessenen Werte über den Drehwinkel hinweg verglichen werden. Im Beispiel weist der zweite lineare Bereich LB2 eine größere Steigung als der erste lineare Bereich LB1 auf.
10 zeigt eine Vergleichsmessung des Sensorsignalwerts als Funktion des Drehwinkels des rotierenden Elements, wobei Sensorsignalwerte SW ohne eine Anpassung durch ein erfindungsgemäßes Verfahren und korrigierten Sensorsignalwerte LSW nach der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt sind. Ferner ist eine Differenz ΔSW der beiden Kurven dargestellt. Es ist gut zu erkennen, dass die Differenz ΔSW bis zu einigen Prozent des Sensorsignalwertes betragen kann.
Die beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen und die Figuren dienen nur zur rein beispielhaften Illustration. Die Erfindung kann in ihrer Gestalt variieren, ohne dass sich das zugrundeliegende Funktionsprinzip ändert. Der Schutzumfang des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich allein aus den folgenden Ansprüchen.
Bezugszeichenliste

2: Stellantrieb
4: Elektromotor
6: Steuerschaltung
8: Stator
10: Rotor
12: Statorspulen
14: Statorwicklung
16: Achse
18: Rotormagnet
20: Magnetpole
22: Antriebszahnrad
24: Abtriebsrad
26: Zwischenräder
28: Getriebestufe
32: Leiterplatte
34: Stegartige Fortführung der Leiterplatte
36: Ausnehmung der Leiterplatte
100: erstes Element/Permanentmagnet
102: zweites Element/2D-Hallsensor
104: zweites Element 104 der Anordnung zur Positionserkennung
106: Ausnehmung
SS1: erste Stützstellen
SS2: zweite Stützstellen
SW: Sensorsignalwert
LSW: korrigierten Sensorsignalwerte
ΔSW: Differenz (aus Sensorsignalwert und korrigiertem Sensorsignalwert)
MB: Messbereich
U, V, W: Phasenwicklungen
LB1: erster linearer Bereiche
LB2: zweiter linearer Bereiche
φ: Drehwinkel
Δφ: Drehwinkeländerung
Θ₁: erster Drehwinkel
φ_LS1: Drehwinkel über ersten linearen Bereich
φ_LB2: Drehwinkel über zweiten linearen Bereich

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors mit einer Steuerschaltung (6) und mit einer Anordnung zur Positionserkennung eines rotierenden Elements des Elektromotors, wobei die Anordnung zur Positionserkennung wenigstens ein erstes Element (100) und wenigstens ein zweites Element (102) umfasst, wobei das erste Element (100) an dem rotierenden Element angeordnet ist und das zweite Element (102) zum Detektieren des ersten Elementes und zum Ausgeben eines Sensorsignals an die Steuerschaltung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung dazu eingerichtet ist die folgenden Schritte zur Positionserkennung auszuführen: - Bestimmen oder Empfangen eines Verhältnisses α zwischen einer Drehwinkeländerung Δφ eines Drehwinkels φ des rotierenden Elements und einer Anzahl n an ausgeführten Kommutierungsschritten, - Ansteuern des Elektromotors, so dass das rotierende Element um einen ersten Drehwinkel θ₁ gedreht wird, und Empfangen der Sensorsignale des ersten Elementes durch die Steuerschaltung während der Drehung des rotierenden Elements an k ersten Stützstellen (SS1), - Zuordnen von Drehwinkelpositionen zu Sensorsignalwerten an den ersten k Stützstellen auf Grundlage des Verhältnisses α, der Anzahl der zum Erreichen der jeweiligen ersten Stützstelle (SS1) zurückgelegten Kommutierungsschritte, und der an den ersten Stützstellen (SS1) erfassten Sensorsignalwerte.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner ein Interpolieren einer Zuordnung von Drehwinkelpositionen zu Sensorsignalwerten an einer Anzahl 1 an zweiten Stützstellen (SS2) umfasst, wobei die Zuordnung auf Grundlage des Verhältnisses α, der Anzahl der zum Erreichen der jeweiligen zweiten Stützstelle (SS2) zurückgelegten Kommutierungsschritte, und der an den ersten Stützstellen erfassten Sensorsignalwerte erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung der Drehwinkelpositionen zu den Sensorsignalwerten an den ersten Stützstellen (SS1) eine Linearisierung der Sensorsignalwerte umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Drehung um den ersten Drehwinkel θ₁ jedem Kommutierungsschritt eine zweite Stützstelle (SS2) zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung dazu eingerichtet ist, Sensorsignalwerte in einem Datenspeicher zu speichern, wobei jeweils eine Änderung des Sensorsignalwertes gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehung um den ersten Drehwinkel θ₁mit einer Drehgeschwindigkeit erfolgt, die kleiner als eine Drehgeschwindigkeit in einem Normalbetrieb ist und/oder dass nach jedem Kommutierungsschritt der Elektromotor zur Erfassung des Sensorwertes gestoppt oder gebremst wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Element (102) der Anordnung zur Positionserkennung wenigstens über einen Abschnitt eines Messbereichs hinweg ein im Wesentlichen lineares Sensorsignal an die Steuerschaltung ausgibt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich einer vollständigen Umdrehung des rotierenden Elements entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass das Ende jedes linearen Bereichs durch einen Sprung des Sensorsignales gekennzeichnet ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanne der Sensorsignalwerte im Bereich des Sprungs ermittelt wird und das Interpolieren der Zuordnung der Drehwinkelpositionen zu den Sensorsignalwerten auf Grundlage der Spanne des Sensorsignalwertes im Bereich des Sprungs ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich exakt einen linearen Bereich Umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich wenigstens einen ersten linearen Bereich und einen zweiten linearen Bereich umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste lineare Bereich und der zweite lineare Bereich unterschiedlich große Drehwinkelbereiche abdecken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass entlang des Messbereichs der oder die Sprünge des Sensorsignals erfasst werden und die Anzahl der zwischen dem Auftreten jeweils zweier Sprünge ausgeführten Kommutierungsschritte bestimmt wird, wobei die Steuerschaltung auf Basis der Anzahl der ausgeführten Kommutierungsschritte, eine Winkelausdehnung der zwischen den Sprüngen liegenden linearen Bereichen ermittelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer ersten Erfassung eines Sensorsignals der Elektromotor derart angesteuert wird, dass das erste Element (100) eine Drehwinkelstellung relativ zu dem zweiten Element (102) einnimmt, die in unmittelbarer Nähe zu einer Drehwinkelposition liegt, an welcher das Sensorsignal einen Sprung aufweist und das rotierende Element von dieser Drehwinkelposition ausgehende um den ersten Drehwinkel θ₁ gedreht wird, wobei der Sprung im Sensorsignal detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des Elektromotors zum Erreichen der Drehwinkelposition, an welcher das Sensorsignal einen Sprung aufweist, derart erfolgt, dass die zurückgelegte Drehwinkeländerung minimal ist.
Elektromotors mit einer Steuerschaltung und einer Anordnung zur Positionserkennung eines rotierenden Elements des Elektromotors, wobei die Anordnung zur Positionserkennung wenigstens ein erstes Element (100) und wenigstens ein zweites Element (102) umfasst, wobei das erste (100) Element an dem rotierenden Element angeordnet ist und das zweite Element (102) zur Detektion des ersten Elementes (100) und zum Ausgeben eines Sensorsignals ausgebildet ist, wobei die Steuerschaltung zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (100) ein magnetisches Element, ein induktives Element, ein kapazitives Element, oder ein resistives Element umfasst.
Elektromotor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (100) ringförmig ausgebildet ist.
Elektromotor nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (100) ein Permanentmagnet oder aus einem ferromagnetischen Material gebildet ist.
Elektromotor nach Anspruch 19, wobei der Permanentmagnet an seiner Oberfläche, entlang einer Richtung der Relativbewegung des ersten Elementes (100) zu dem zweiten Element (102), eine lineare Änderung der Magnetisierungsrichtung aufweist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet eine Hallbach-Magnetisierung aufweist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet wenigstens zwei Polpaare aufweist, wobei die Polpaare sich über unterschiedlich große Winkelbereiche ausdehnen.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass Betriebsbereich des Elektromotors durch einen Drehwinkelbereich begrenzt ist, der einen durch ein einziges Polpaar abgedeckten Drehwinkelbereich umfasst.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Element (102) einen Hallsensor umfasst.
Elektromotor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Element (102) einen 2D-Hallsensor oder einen 3D-Hallsensor umfasst.
Elektromotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Element ein Rotor des Elektromotors, oder ein Zwischenrad oder ein Abtriebsrad eines Getriebes des Elektromotors ist.
Stelleantrieb mit einem Elektromotor nach einem der Ansprüche 17 bis 26.
Stellantrieb nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb ein Untersetzungsgetriebe aufweist und das erste Element (100) an einem Zwischenrad des Untersetzungsgetriebes, oder an einem Abtriebsrad des Untersetzungsgetriebes, oder an einer Welle eines solchen Zwischenrades oder Abtriebsrades, angeordnet ist.
Stellantrieb nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb in einem Automobil zum Verstellen einer Klappe oder zum Verstellen eines Ventils ausgebildet ist.