DE102020120241A1

DE102020120241A1 - Stellantrieb mit einem Elektromotor und Verfahren zur Positionsbestimmung eines Stellantriebes

Info

Publication number: DE102020120241A1
Application number: DE102020120241.5A
Authority: DE
Inventors: Jan Hammer; Artur Nidens; Robert KASTNER
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2020-07-31
Filing date: 2020-07-31
Publication date: 2022-02-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein einen Stellantrieb, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Stellantriebes (1) mit einem Elektromotor (3) mit einem Stator(5), einem Rotor (7) und einem Getriebe (9) mit wenigstens einem Getrieberad, wobei der Elektromotor (3) einen ersten Positionssensor (31) und einen zweiten Positionssensor (39) aufweist, und wobei der erste Positionssensor (31) an dem Rotor (5) und der zweite Positionssensor (39) an dem Getrieberad angeordnet ist. Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:- Detektieren einer Drehwinkelstellung φRotoroder Drehwinkeländerung ΔφRotordes Rotors (7) mittels des ersten Positionssensors (31); und- Detektieren einer Drehwinkelstellung φGRoder Drehwinkeländerung ΔφGRdes Getrieberades mittels des zweiten Positionssensors (39), und- Regeln des Stellantriebs (1) oder Ermitteln eines Fehlerzustandes des Stellantriebs (1) in Abhängigkeit der von dem ersten Positionssensor (31) und dem zweiten Positionssensor (39) detektierten Drehwinkelstellungen oder Drehwinkeländerungen.

Description

GEBIET
Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb mit einem Elektromotor und mit einem ersten und einem zweiten Positionssensor, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Stellantriebes in Abhängigkeit der von den Positionssensoren detektierten Drehwinkelstellungen oder Drehwinkeländerungen.
HINTERGRUND
Stellantriebe mit elektrischen Kleinmotoren wie beispielsweise bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) kommen unter anderem im Automobilbereich und in der Automatisierungstechnik zur Anwendung, zum Beispiel als Klappensteller oder Ventilsteller, beispielsweise für Nadelventile. Zur Steuerung und Überwachung können die Elektromotoren der Stellantriebe mit Sensoren ausgestattet sein, um Motorparameter wie die Rotorstellung, die Rotordrehzahl oder die Drehwinkelstellung eines mit dem Rotor gekoppelten Stellglieds zu bestimmen.
Ein Stellantrieb kann einen Positionssensor aufweisen, der an einem drehbar gelagerten Element, wie einem Rotor, einem Abtriebsrad oder einem Zwischenrad eines Getriebes angeordnet ist. Beispielsweise kann der Stellantrieb einen magnetischen Sensor, wie einen Hall-Sensor aufweisen, der dazu eingerichtet ist, eine Stärke und/oder Richtung eines Magnetfelds zu messen. Auf dem drehbar gelagerten Element des Elektromotors, z.B. auf dem Rotor, dem Abtriebsrad oder einem Zwischenrad des Getriebes, kann ein Magnet angebracht sein. Der Hall-Sensor kann in der Nähe des Abtriebsrads angeordnet werden, um das von dem Magneten erzeugte Magnetfeld zu messen. Wird das Abtriebsrad bewegt, ändert sich das Magnetfeld am Ort des Sensors. Anhand des gemessenen Magnetfelds kann somit die Drehwinkelstellung des Abtriebsrads sowie gegebenenfalls die Stellung eines damit gekoppelten Stellglieds ermittelt werden. Ebenso sind magnetoresistive Sensoren, wie AMR-Sensoren, möglich. Ein Stellantrieb mit einem an einem Abtriebsrad angeordneten magnetischen Positionssensor ist beispielsweise aus der WO 2018060630 A1 bekannt.
In anderen Ausgestaltungen kann ein induktiver Sensor als Positionssensor vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein elektrisch leitfähiges Target auf dem beweglichen Element, wie dem Rotor, einem Zwischenrad oder dem Abtriebsrad angeordnet sein, wobei eine Drehung des Targets eine Änderung der effektiven Induktivität eines elektrischen Schwingkreises bewirkt, woraus auf die Drehwinkelstellung des beweglichen Elements geschlossen werden kann. Der Schwingkreis kann insbesondere einen LC-Schwingkreis mit einer Empfangsspule umfassen. Ferner kann eine separate Sendespule vorgesehen sein, deren Anregung über das Target an die Empfangsspule vermittelt wird. Eine Änderung der effektiven Induktivität kann über die damit einhergehende Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises von einer Auswerteelektronik detektiert werden.
In weiteren Ausgestaltungen kann ein kapazitiver Sensor vorgesehen sein, wobei ein kapazitives Target auf dem beweglichen Element angeordnet ist. Eine stationäre Messelektrode kann dann die Änderung der effektiven Kapazität während der Bewegung des beweglichen Elementes detektieren. Beispielsweise kann auf dem Abtriebsrad eines Stellmotors ein kapazitives Element angeordnet sein. Das kapazitive Target kann insbesondere eine metallische Beschichtung oder ein auf dem Abtriebsrad befestigte Scheibe sein.
Tritt nun ein Fehler in der Mechanik des Getriebes, des Stellgliedes oder des Elektromotors auf, wird das im Idealfall über eine Auswertung des Signals des Positionssensors erkannt. Jedoch kann nicht jeder Fehlerzustand durch solch einen Positionssensor erkannt werden. Insbesondere ist es oft nicht möglich festzustellen, an welchem Bauteil der Fehler aufgetreten ist. So bewirken eine Blockade des Stellgliedes, des Abtriebsrades, eines Zwischenrade oder des Rotors jeweils, dass eine Änderung des Positionssignals ausbleibt, ohne dass festgestellt werden kann, welches der Bauteile blockiert ist. Ein weiterer typischer Fehlerfall kann durch ein durchdrehendes Zahnrad, beispielsweise aufgrund einer defekten Verzahnung oder einer defekten Lagerung des Zahnrades, vorliegen, sodass ein Positionssensor am Abtrieb keine oder nur eine zu langsame Bewegung erkennen würde. Dies könnte fälschlicherweise als eine Blockade interpretiert werden. Ein einzelner Sensor am Rotor würde hingegen weiterhin eine Drehbewegung erkennen, so dass der Fehler eventuell nicht erkannt würde.
ÜBERBLICK
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung einen Elektromotor bereitzustellen, der zwei Positionssensoren aufweist und dazu eingerichtet ist, mittels der Sensorsignale eine möglichst effiziente Regelung des Elektromotors zu ermöglichen und/oder eine Differenzierung beim Erkennen von Fehlerzuständen vorzunehmen. In einem weiteren Aspekt ist es eine Aufgabe der Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Erkennen von Fehlerzuständen beim Betreiben eines Elektromotors bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Verfahren zum Betreiben eines Stellantriebes mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen Stellantrieb mit einem Elektromotor mit den Merkmales des Anspruchs 23 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Stellantriebes mit einem Elektromotor vorgeschlagen, wobei der Stellantrieb einen Rotor und einen Stator umfasst, sowie mit einem Getriebe mit wenigstens einem Getrieberad, wobei der Stellantrieb einen ersten Positionssensor und einen zweiten Positionssensor aufweist, und wobei der erste Positionssensor an dem Rotor des Elektromotors und der zweite Positionssensor an dem Getrieberad angeordnet ist, wobei das Verfahren umfasst:

- Detektieren einer Drehwinkelstellung φ_Rotor oder Drehwinkeländerung Δφ_Rotor des Rotors mittels des ersten Positionssensors; und
- Detektieren einer Drehwinkelstellung φ_GR oder Drehwinkeländerung Δφ_GR des Getrieberades mittels des zweiten Positionssensors, und
- Regeln des Stellantriebs oder Erkennen eines Fehlerzustandes des Stellantriebs in Abhängigkeit der von dem ersten Positionssensor und dem zweiten Positionssensor detektierten Drehwinkelstellungen oder Drehwinkeländerungen.

Der Elektromotor kann beispielsweise ein elektronisch kommutierter, bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor), insbesondere ein dreiphasiger, BLDC-Motor, sein. Ebenso kann das Verfahren zum Betreiben eines Stellantriebs mit einem anderen elektronisch kommutierten Elektromotor oder mit einem Gleichstrommotor verwendet werden. Beispielsweise kann das Verfahren auch mit einem Schrittmotor, wie einem bipolaren zweiphasigen Schrittmotor, verwendet werden.
In manchen Ausgestaltungen des Verfahrens ist es vorgesehen, dass der erste Positionssensor eine Schaltung zur Detektion von Nulldurchgängen der in einer Phasenwicklung des Stators induzierten Gegenelektromotorischen Spannung (englisch: back-electromotive voltage, BEMV) umfasst. Das Detektieren der Drehwinkelstellung φ_GR oder Drehwinkeländerung Δφ_GR des Rotors mittels des ersten Positionssensors umfasst dann das Detektieren von Nulldurchgängen der BEMV. Über die Anzahl der detektierten Nulldurchgänge pro Zeit kann dann auf eine Drehwinkeländerung und/oder auf eine Drehzahl geschlossen werden. Insbesondere kann die Schaltung zur Detektion der Nulldurchgänge einen oder mehrere Spannungskomparatoren umfassen. Beispielsweise kann bei einem dreiphasigen BLDC-Motor jeweils ein Eingang eines Spannungskomparators mit einer Phasenwicklung und ein anderer Eingang mit einer anderen Phasenwicklung, einem Sternpunkt, oder einem virtuellen Sternpunkt der Phasenwicklungen gekoppelt sein.
Ferner kann der erste Positionssensor eine Schaltung zur Detektion eines Phasenstroms IPhase in wenigstens einer Phasenwicklung des Stators umfassen, wobei das Detektieren der Drehwinkelstellung oder Drehwinkeländerung des Rotors mittels des ersten Positionssensors das Detektieren einer Amplitude des Phasenstroms I_Phase umfasst. Insbesondere kann die Messung des Phasenstroms I_Phase über eine einen Shuntwiderstand umfassende Schaltung und/oder mit Hilfe eines Analog-Digital-Converters (ADC) erfolgen. Der ADC kann beispielsweise in einer Steuerschaltung zum Ansteuern des Elektromotors integriert sein.
In manchen Weiterbildungen des Verfahrens ist es vorgesehen, dass der Phasenstrom I_Phase hinsichtlich seiner Welligkeit ausgewertet wird, so dass über die zeitliche Abfolge charakteristischer Merkmale des Stromverlaufs eine Drehwinkeländerung und gegebenenfalls eine aktuelle Drehzahl ermittelt werden kann. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Änderung der Drehwinkelstellung durch Detektion des zeitlichen Abstands zwischen aufeinanderfolgenden Extremalstellen oder Wendepunkten des Phasenstroms I_Phase ermittelt wird.
Ferner kann es vorgesehen sein, dass der Phasenstrom I_Phase mit einem maximalen Phasenstrom Imax verglichen wird. Der maximale Phasenstrom Imax kann beispielsweise ein vorbestimmter oberer Schwellwert sein. Ein Überschreiten des maximalen Phasenstroms Imax kann insbesondere dem Erreichen eines Endanschlages oder einer Blockade des Antriebsstrangs zugeordnet werden. Daher kann es vorgesehen sein, dass beim Erreichen des maximalen Phasenstroms Imax überprüft wird, ob die aktuelle Position entlang eines Verstellweges in einem Erwartungsbereich liegt, in dem das Erreichen eines Endanschlages erwartet wird.
Der zweite Positionssensor kann insbesondere ein induktiver Sensor, oder ein magnetischer Sensor, beispielsweise ein Hallsensor oder ein magnetoresistiver Sensor, oder ein kapazitiver Sensor sein. In solchen Ausgestaltungen umfasst das Detektieren der Drehwinkelstellung φ_GR oder Drehwinkeländerung Δφ_GR des Getrieberades mittels des zweiten Positionssensors folglich das Detektieren eines Magnetfeldes, beziehungsweise einer Änderung eines magnetischen Flusses durch den Hallsensor, oder das Detektieren einer Änderung eines magnetischen Widerstandes des magnetoresistiven Sensors, oder das Detektieren einer Änderung einer effektiven Induktivität der induktiven Sensoranordnung, oder das Detektieren einer Änderung der Kapazität des kapazitiven Sensors.
Im Falle der Positionsbestimmung mittels des Hallsensors ist es in bevorzugten Ausgestaltungen vorgesehen, dass eine Detektion der Magnetflussänderung in wenigstens zwei räumlichen Komponenten erfolgt und die Positionsbestimmung auf Grundlage beider Raumkomponenten erfolgt. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass aus beiden Komponenten eine über den Drehwinkel konstante Funktion, beispielsweise eine Arkustangensfunktion, gebildet wird, um eine einfache Positionsbestimmung zu ermöglichen.
Das Verfahren kann ferner die folgenden Schritte umfassen: Vergleichen der Drehwinkelstellung oder Drehwinkeländerung des Rotors und des Getrieberades, und Regeln des Elektromotors oder Ermitteln eines Fehlerzustandes in Abhängigkeit des Vergleichs.
Durch das Vergleichen der beiden Drehwinkelinformationen kann auf verschiedene Betriebsbedingungen oder Fehlerzustände, insbesondere mechanische Defekte, geschlossen werden. Die mechanischen Defekte können beispielsweise eine Blockade des Rotors, des Getrieberades oder eines Zwischenrades eines Getriebes, oder eines Stellgliedes umfassen. Ebenso kann ein defektes Zahnrad, dessen Zähne abgeschliffen sind oder dessen Befestigung an einer Achse oder Welle defekt ist, erkannt werden.
So kann in manchen Weiterbildungen des Verfahrens ein Fehlerzustand erkannt werden, wenn die Drehwinkelstellung oder Drehwinkeländerung des Rotors und des Getrieberades, unter Berücksichtigung eines Über- oder Untersetzungsverhältnisses i des Getriebes, nicht in Einklang miteinander sind.
Insbesondere kann es im Verfahren vorgesehen sein, dass, unter Berücksichtigung des Über- oder Untersetzungsverhältnisses i des Getriebes, die Differenz aus der Drehwinkeländerung des Rotors und der Drehwinkeländerung des Getrieberades mit einem Toleranzwinkel φ_Tol verglichen wird. Ist die Differenz größer als der Toleranzwinkel φ_Tol, so dass |i • Δφ_Rotor - Δφ_GR | > φ_Tol gilt, kann auf einen Defekt in der Übertragung der Drehbewegung des Rotors auf das Getrieberad geschlossen werden. Dies kann beispielsweise auf einen Defekt des Getrieberades oder eines Zwischenrades, das zwischen dem Rotor und dem Getrieberad angeordnet ist, oder auf einen Defekt deren Lagerung, zurückgeführt werden. Beispielsweise kann eine defekte Zahnrad-Welle-Verbindung oder eine nicht mehr greifende Verzahnung zwischen zwei Zahnrädern vorliegen, sodass die Drehbewegung nicht oder nicht vollständig übertragen wird.
Der Vergleich der Sensordaten, wie das Vergleichen der Differenz i • Δφ_Rotor - Δφ_GR mit dem Toleranzwinkel Δ_Tol, erfolgt vorzugsweise in einer mit den Sensoren gekoppelten Steuerschaltung, beispielsweise einer integrierten Schaltung oder einem Mikrocontroller. Insbesondere kann dafür ein Mikrocontroller vorgesehen sein, der auch zur Motorsteuerung ausgebildet und eingerichtet ist.
Desweiteren kann es im Verfahren vorgesehen sein, dass zusätzlich der Phasenstrom I_Phase gemessen und mit einem unteren Stromschwellwert I_min verglichen wird. Wenn nun, unter Berücksichtigung des Über- oder Untersetzungsverhältnisses i des Getriebes, die Drehwinkeländerung des Getrieberades Δφ_GR der Drehwinkeländerung Δφ_Rotor des Rotors des Elektromotors entspricht und der Phasenstrom I_Phase des Elektromotors den unteren Stromschwellwert I_min unterschreitet, wird nun auf einen Defekt eines dem Getrieberad nachgeschalteten Getriebeteils oder eines Stellgliedes geschlossen. Beispielsweise kann ein mechanischer Defekt an der Kopplung zwischen der Last und dem Getriebe vorliegen, so dass die Last nicht mehr am Abtrieb des Stellantriebs anliegt. Aufgrund der fehlenden Last, kann dann der Elektromotor mit einem minimalen Phasenstrom angetrieben werden, so dass der untere Stromschwellwert I_min nicht erreicht wird.
Zum Erkennen eines Fehlers kann es ferner vorteilhaft sein, eine aktuell Drehzahl des Getrieberades und/oder des Rotors zu ermitteln und zu bewerten. Daher umfasst das Verfahren in manchen Weiterbildungen die folgenden Verfahrensschritte:

- Bestimmen einer Drehzahl n_GR des Getrieberades und einer Drehzahl n_Rot des Rotors,
- Vergleichen der Drehzahl n_GR des Getrieberades und der Drehzahl n_Rot des Rotors,
- Regeln des Elektromotors oder Ermitteln eines Fehlerzustandes in Abhängigkeit des Vergleichs der Drehzahlen.

Dabei kann dann, wenn unter Berücksichtigung des Über- oder Untersetzungsverhältnisses i des Getriebes die detektierte Drehzahl n_GR des Getrieberades größer als die Drehzahl n_Rot des Rotors ist, auf einen Antrieb des Getrieberades durch eine externe Kraft geschlossen wird geschlossen werden. Ist der erste Positionssensor beispielsweise als Schaltung zur Messung des Phasenstroms realisiert, wird eine Drehzahlerkennung oder Rotorlageerkennung auf Basis der Welligkeit des Phasenstroms, die erhöhte Drehzahl aufgrund der externen Kraft nicht registrieren. Jedoch wird der zweite Positionssensor die erhöhte Drehzahl registrieren. Aus dem Vergleich der beiden Drehzahlen kann folglich auf den Antrieb durch eine externe Kraft geschlossen werden. Stimmen beide Drehzahlen überein, so kann darauf geschlossen werden, dass die Last nur durch Stellantrieb, beziehungsweise dessen Elektromotor, angetrieben wird.
Ist der Elektromotor beispielsweise unbestromt, so dass anhand der Strommessung am Rotor die Drehzahl n_Rotor = o ermittelt wird, während am Getrieberad eine Rotation mit einer Drehzahl n_GR > 0 erkannt wird, wird auf eine Bewegung des Abtriebes aufgrund einer externen Kraft geschlossen.
In manchen vorteilhaften Ausgestaltungen ist das Getrieberad ein Abtriebsrad des Elektromotors. Dadurch kann im Verfahren eine möglichst genaue Positionsbestimmung eines mit dem Abtriebsrad gekoppelten Stellglieds erreicht werden, und eine Diskrepanz zwischen einer Winkelstellung des Abtriebsrads und der des Rotors präzise bestimmt werden.
In weiteren Fortbildungen des Verfahrens ist es zusätzlich vorgesehen, dass nach dem Erkennen eines Fehlers während einer Drehbewegung in einer ersten Richtung, insbesondere einer Blockade, der Elektromotor für eine Drehbewegung des Rotors in einer zweiten, entgegengesetzten Richtung, angesteuert wird. Durch das Zurückfahren kann festgestellt werden, ob ein Fehler während des Durchlaufens des Getriebespiels auftritt und um welchen Drehwinkel sowohl der Rotor als auch das Getrieberad gedreht werden können, bevor erneut ein Fehlerzustand detektiert wird.
Vorzugsweise umfasst die Drehbewegung in die zweite Richtung so viele Umdrehungen des Rotors, dass ein Getriebespiel des Getriebes des Stellantriebes vollständig durchlaufen wird.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren in solchen Ausgestaltungen die folgenden Verfahrensschritte:

- Ansteuern des Elektromotors für eine Drehbewegung des Rotors in der ersten Drehrichtung,
- Messen des Phasenstroms durch wenigstens eine Phasenwicklung des Elektromotors, und/oder Messen der in der Phasenwicklung induzierten gegenelektromotorischen Spannung U_BEMV,
- Erkennen einer Blockade des Stellantriebes oder von dem Stellantrieb angetriebenen Last anhand des Verlaufs des gemessenen Phasenstroms I_Phase und/oder anhand des Verlaufs der gemessenen gegenelektromotorischen Spannung U_BEMV,
- Stoppen des Elektromotors, wenn eine Blockade erkannt wurde.

Beispielsweise kann dabei der gemessene Phasenstroms I_Phase mit einem Stromgrenzwert Imax verglichen werden und eine Blockade erkannt werden, wenn der Phasenstroms I_Phase den Stromgrenzwert Imax überschreitet. Zusätzlich kann weiterhin die Welligkeit des Phasenstroms analysiert werden. Insbesondere kann die zeitliche Abfolge lokaler Extrema oder Wendepunkte im Verlauf des Phasenstroms ermittelt werden und dann, wenn ein solcher charakteristischer Kurvenpunkt nicht innerhalb eines vorherbestimmten Zeitfensters auftritt, auf eine Blockade des Stellantriebes geschlossen werden.
Alternativ oder zusätzlich kann, beispielsweise bei einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor, die zeitliche Abfolge der Nulldurchgänge der gegenelektromotorischen Spannung U_BEMV analysiert werden. Insbesondere kann ein Zeitfenster zischen zwei Kommutierungsschritten definiert sein, in welchem ein Nulldurchgang erwartet wird. Wird der Nulldurchgang nicht innerhalb dieses Zeitfensters detektiert oder bleibt dieser aus, kann dies ein Hinweis auf eine Blockade sein. Die zeitliche Sequenz der detektierten Nulldurchgänge und/oder der zeitliche Verlauf des Phasenstroms können dabei auch mit dem zurückgelegten Drehwinkel des Rotors beim Durchlaufen des Getriebespiels verglichen werden, wobei die gewonnen Informationen dazu verwendet werden können, die Blockade einem Getriebeteil zuzuordnen. Tritt beispielsweise ein verzögerter Nulldurchgang der BEMV, und/oder tritt ein lokales Extrema im Verlauf des Phasenstroms, und/oder ein Anstieg des Phasenstroms über den Stromgrenzwert Imax bereits nach dem Durchlaufen des halben Getriebespiels auf, kann dies ein Hinweis auf einen Defekt an einem Zwischenrad des Getriebes sein.
Während der Drehbewegung in die zweite Richtung kann also weiter der Phasenstrom detektiert und mit dem Stromgrenzwerts Imax oder einem anderen Schwellwert verglichen werden. Dabei ist es in manchen Ausgestaltungen des Verfahrens vorgesehen, dass das Erkennen einer Blockade, beispielsweise durch das Detektieren des Überschreitens des Stromgrenzwerts Imax durch den Phasenstrom I_Phase, dem Erreichen eines Endanschlages oder einer Blockade eines Stellgliedes zugerechnet wird, wenn das Getriebespiel während der Drehbewegung in die zweite Richtung vollständig durchlaufen wurde, ohne dass eine weitere Blockade detektiert wurde. Das Getriebespiel kann in manchen Ausgestaltungen auch in einem Referenzlauf zu Beginn der Drehbewegung in die zweite Richtung ermittelt werden, indem der zurückgelegte Drehwinkel des Rotors und/oder die Anzahl der erfolgten Kommutierungsschritte, von dem Beginn der Drehbewegung in der zweiten Richtung bis zur Detektion einer Drehbewegung des Abtriebsrades durch den zweiten Positionssensor, ermittelt wird.
Zum Durchlaufen des Getriebespiels kann eine Rotation des Rotors um einen Drehwinkel φ_GS vorgesehen sein, wobei die Blockade a) einem Defekt des Getrieberades oder dessen Lagerung zugerechnet wird, wenn eine erneute Blockade während der Drehung in der zweiten Richtung nach einer Rotation des Rotors um einen Drehwinkel φ mit φ = φ_GS erkannt wird.
Alternativ oder zusätzlich kann die Blockade b) einem Defekt eines Zwischenrades, das zwischen dem Rotor und dem Getrieberad angeordnet ist, oder dessen Lagerung zugerechnet werden, wenn eine erneute Blockade während der Drehung in der zweiten Richtung nach einer Rotation des Rotors um einen Drehwinkel φ mit 0 < φ < φ_GS, erkannt wird.
Ferner kann es alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass die Blockade c) einem Defekt des Rotors zugerechnet wird, wenn eine erneute Blockade während der Drehung in der zweiten Richtung nach einer Rotation des Rotors um einen Drehwinkel φ mit φ = o, erkannt wird. Dabei kann jeweils ein Toleranzbereich φ_Tol, mit φ_Tol << φ_GS vorgesehen sein.
Das Verfahren kann auch zur Bewertung von allgemeinen Laufeigenschaften des Getriebes verwendet werden, beispielsweise zum Bewerten des Zustandes einer Schmierung. Das Verfahren kann daher auch die folgenden Schritte umfassen:

- Ansteuern des Elektromotors zum Durchlaufen des Getriebespiels des Stellantriebes in einer ersten Richtung
- Stoppen des Elektromotors,
- Ansteuern des Elektromotors zum erneuten Durchlaufen des Getriebespiels in der zweiten Richtung,
- Vergleichen der Drehwinkeländerung Δφ_Rotor des Rotors und der Drehwinkeländerung Δφ_GR des Getrieberades und messen des Phasenstroms I_Phase und/oder der BEMV während dem Durchlaufen des Getriebespiels in der zweiten Richtung,
- Bewerten der Laufeigenschaften des Getrieberades und/oder wenigstens eines Zwischenrades in Abhängigkeit von dem gemessenen Phasenstrom I_Phase und/oder der gemessenen BEMV, sowie in Abhängigkeit der Drehwinkeländerungen Δφ_GR, Δφ_Rotor des Rotors und des Getrieberades.

Beim Erkennen eines Fehlerzustandes oder Defektes kann es in allen Ausgestaltungen vorgesehen sein, dass eine Fehlermeldung in einem Speicher der Steuerschaltung des Stellantriebes hinterlegt wird. Beispielsweise kann die Steuerschaltung einen Mikrocontroller mit einem Motortreiber umfassen, wobei die Sensordaten des ersten und zweiten Sensors von dem Mikrocontroller empfangen und ausgewertet werden und ein Fehlercode in einen von dem Mikrocontroller verwendeten Speicher geschrieben wird, insbesondere in einen nichtflüchtigen Speicher, wie einen Flashspeicher.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Stellantrieb mit einem Elektromotor, wobei der Elektromotor einen Rotor, einen Stator und ein Getriebe mit wenigstens einem Getrieberad, sowie einen ersten Positionssensor und einen zweiten Positionssensor aufweist. Der erste Positionssensor ist dabei an dem Rotor und der zweite Positionssensor an dem Getrieberad angeordnet. Desweiterem weist der Stellantrieb eine Steuerschaltung auf, die dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.
Der erste Positionssensor des Stellantriebes kann insbesondere eine Spannungskomparatorschaltung zum Erkennen von Nulldurchgängen der in den Phasenwicklungen induzierten gegenelektromotorischen Spannung und/oder eine Schaltung zum Messen des Phasenstroms umfassen. In Abhängigkeit der Lage der von dem Spannungskomparator detektierten Nulldurchgänge relativ zu den Kommutierungszeitpunkten eines elektronisch kommutierten Elektromotors können die Sensordaten auch zum Einstellen eines Arbeitspunktes durch das Anpassen des Kommutierungszeitpunktes verwendet werden. Beispielsweise kann während einer Beschleunigungsphase eine Vorkommutierung vorgesehen sein. Ebenso kann es vorgesehen sein, dass beim Kommutieren des BLDC-Motors oder Schrittmotors auftretende Flybackpulse detektiert werden. Der Zeitpunkt des Auftretens der Flybackpulse, deren Amplitude und/oder deren zeitliche Ausdehnung können dabei ebenfalls zur Regelung des BLDC-Motors oder Schrittmotors verwendet werden.
Die Schaltung zum Messen des Phasenstroms kann in manchen Ausgestaltungen einen Shuntwiderstand, sowie einen Analog-Digitalwandler umfassen.
Desweiteren kann es vorgesehen sein, dass der zweite Positionssensor ein induktiver Sensor, ein magnetischer Sensor wie ein Hallsensor oder ein AMR-Sensor, oder ein kapazitiver Sensor ist. Der zweite Sensor kann dabei auf einer Leiterplatte angeordnet sein, welche an dem Getrieberad angeordnet ist. Auf der Leiterplatte können auch weitere elektronische Komponenten, insbesondere eine Steuerschaltung zum Ansteuern des Elektromotors und/oder eine Schaltung zum Auswerten der Sensorsignale, angeordnet sein. Vorteilhafter weise werden die Sensorsignale des ersten und des zweiten Positionssensors von derselben Steuerschaltung, beispielsweise von einem Mikrocontroller, empfangen und ausgewertet. Der Mikrocontroller kann ferner eine B6-Brückenschaltung mit sechs Halbleiterschaltern zum Ansteuern eines dreiphasigen BLDC-Motors oder zwei H-Brücken mit jeweils vier Halbleiterschaltern zum Ansteuern eines bipolaren Schrittmotors umfassen. Ebenso kann der Analog-Digital-Wandler zum Messen des Phasenstroms in dem Mikrocontroller integriert sein.
Vorzugsweise ist umfasst der zweite Positionssensor ein elektrisch leitfähiges Target oder einen Permanentmagneten, wobei das elektrisch leitfähige Target oder der Permanentmagnet auf dem Getrieberad angeordnet sind.
In manchen Ausgestaltungen des Stellantriebes ist das Getrieberad das Abtriebsrad des Stellantriebes. Das Abtriesrad kann dabei einteilig mit einer als Hohlwelle ausgebildeten Abtriebswelle ausgeformt sein.
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 beispielhafte Ausgestaltung eines Stellantriebes mit einem Elektromotor und zwei Positionssensoren gemäß der Erfindung;
2: Eine Schnittansicht des Stellantriebes aus 1;
3: Eine weitere Schnittansicht des Stellantriebes aus der 1;
4: Eine Explosionsansicht des Stellantriebes aus der 1;
5: Eine Explosionsansicht einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Stellantriebes als Heizungsventilsteller mit einem Gleichstrommotor und zwei Positionssensoren;
6a und 6b: Zwei perspektivische Ansichten einer beispielhaften Ausgestaltung des zweiten Positionssensors als kapazitiver Sensor;
7: Ein schematisches Ablaufdiagramm einer beispielhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
8: Ein schematisches Ablaufdiagramm einer beispielhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
9: Ein schematisches Ablaufdiagramm einer beispielhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
10: Ein schematisches Ablaufdiagramm einer beispielhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
11: Ein weiteres schematisches Ablaufdiagramm einer beispielhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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 dem erfindungsgemäßen Stellantrieb ergibt sich allein aus den folgenden Ansprüchen.
1 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung eines Stellantriebs 1 gemäß der Erfindung in einer Draufsicht. Eine Schnittansicht des Stellantriebs 1 aus der 1 ist in der 2 gezeigt, während 3 eine perspektivische Schnittansicht und 4 eine Explosionsdarstellung desselben Stellantriebs zeigen.
Der Stellantrieb 1 der 1 bis 4 umfasst einen Elektromotor 3 mit einem Stator 5 und einem Rotor 7. Der Stator 5 und der Rotor 7 sind zusammen mit einem Getriebe 9 in einem Gehäuse 11 mit einer Gehäuseschale 13 einem Deckel 15 angeordnet. Der Elektromotor ist als BLDC-Motor ausgebildet, wobei der Rotor 7 einen als Permanentmagnet ausgebildeten Rotormagneten 17 und der Stator 5 drei Phasenwicklungen 19 umfasst. Das Getriebe 9 ist als Untersetzungsgetriebe mit einem Antriebsrad 20 des Rotors 7, drei Doppelzahnrädern 21-1. 21-2. 21-3 als Zwischenräder 21 und einem Abtriebsrad 23, ausgebildet. Ferner ist das Abtriebsrad 23 einteilig mit einer Hohlwelle 25 ausgeformt. Dabei ist die Hohlwelle 25 zum Verbinden mit einem Stellglied als Last über eine Öffnung 27 in der Gehäuseschale eingerichtet.
Ferner ist über dem Stator 5 liegend eine Leiterplatte 29 mit einer Steuerschaltung angeordnet. Die Steuerschaltung umfasst eine Schaltung zum Ansteuern des dreiphasigen BLDC-Motors. Der Elektromotor, beziehungsweise der Stellantrieb, umfasst einen ersten Positionssensor 31, der dazu ausgebildet ist, die Nulldurchgänge der durch die Drehbewegung des Rotormagneten 17 in den Phasenwicklungen induzierten gegenelektromotorischen Spannung U_BEMV zu detektieren. Der Signalgeber des ersten Positionssensors 31 umfasst folglich den Permanentmagneten des Rotors 7 des BLDC-Motors. Der Signalnehmer des ersten Positionssensors umfasst in dieser Ausgestaltung die Phasenwicklungen 19 und eine Komparatorschaltung zum Messen der Nulldurchgänge der BEMV. Alternativ oder zusätzlich kann der Signalnehmer einen Analog-Digitalwandler zum Messen des Spannungsverlaufes an den Phasenwicklungen umfassen.
Über eine Öffnung 33 in der Leiterplatte 29 ist ein Antriebsrad 20 des Rotors 7 über die Zwischenräder 21 des Getriebes 9 mit dem Abtriebsrad 23 gekoppelt. Die drei Zwischenräder 21 sind auf der dem Stator 5 gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 29 liegend angeordnet. Das Zwischenrad 21-3 kämmt mit dem Abtriebsrad 23, welches auf derselben Seite der Leiterplatte 29 wie der Stator 5 liegend im Gehäuse angeordnet ist.
An dem Abtriebsrad 23 ist ein zweiter Positionssensor 39 angeordnet. Als Signalgeber dient ein Permanentmagnet 41, welcher in dem Abtriebsrad 23 angeordnet und befestigt ist. Der Permanentmagnet 41 ist hier zylinderförmig ausgebildet und mittig in einer Ausnehmung des Abtriebsrad 23 angeordnet. Alternativ könnte beispielsweise auch ein ringförmiger Permanentmagnet vorgesehen sein, der beispielsweise konzentrisch auf einer Oberfläche des Abtriebsrad 23 oder auf einem Außenumfang der Abtriebswelle angeordnet ist. Zum Detektieren des Sensorsignals ist auf der Leiterplatte 29 ein Hallsensor 43 als Signalnehmer angeordnet. Ferner ist in der gezeigten Ausgestaltung eine Haltevorrichtung 44 vorgesehen, welche an dem Gehäuse 11 befestigt ist und einen Bereich der Leiterplatte 29, der in Richtung des Abtriebsrads 23 ragt, stützt. Somit kann der Hallsensor 43 toleranzarm montiert und daher nahe an dem Permanentmagneten 41 angeordnet werden. Ein Ausgang des Hallsensors 43 ist mit einem Mikrocontroller 45 der Steuerschaltung verbunden, welche dazu eingerichtet ist, die Sensorsignale zu verarbeiten. Insbesondere kann der Mikrocontroller 45 dazu eingerichtet sein, den Stellantrieb 1 auf Basis der Sensorsignale des ersten Positionssensors 31 und des zweiten Positionssensors 39 zu regeln und/oder Fehlerzustände zu erkennen.
Eine Ausgestaltung eines als Ventilsteller ausgebildeten erfindungsgemäßen Stellantriebes 101 ist in der Explosionsdarstellung der 5 gezeigt. Der Stellantrieb 101 ist in einem Gehäuse angeordnet, wobei von dem Gehäuse lediglich ein Gehäuseboden 111 dargestellt ist. Als Antrieb ist in dem Gehäuse ein Gleichstrommotor 103 angeordnet und mit einem Getriebe 109 gekoppelt. Ein Abtriebszahnrad 111 des Gleichstrommotor 103 treibt über als Doppelzahnräder 121-1 bis 121-3 ausgebildete Zwischenräder 121 ein Abtriebsrad 123 an. Auf dem Abtriebsrad 123 ist ein Übersetzungselement 124 angeordnet, welches über ein Übertragungselement 125 auf einen Ventilstift eines Heizkörperventils wirkt und die Drehbewegung des Abtriebsrades 123 in eine Linearbewegung des Ventilstiftes des Ventils übersetzt. Das Übersetzungselement 124 ist als archimedische Spirale ausgebildet, welche dir Rotationsbewegung in eine lineare Stellbewegung übersetzt. Unterhalb des Getriebes ist eine Leiterplatte 129 angeordnet, auf welcher eine Steuerschaltung zum Ansteuern des Gleichstrommotors angeordnet ist. An der Leiterplatte 129 ist ferne eine Batterie oder ein Akkumulator 131 angeordnet, um den Elektromotor mit Strom zu versorgen. Der Akkumulator 131 kann beispielsweise über einen nicht dargestellten thermoelektrischen Energiewandler (TEG) geladen werden. Eine Warmseite des TEG kann thermisch mit dem Heizkreislauf gekoppelt sein, während eine Kaltseite thermisch mit der Umgebung gekoppelt ist. Im Beispiel sind auf der Leiterplatte 129 ferner eine Antenne 133 zur drahtlosen Kommunikation mit einer mobilen oder zentralen Steuereinheit, sowie ein Temperatursensor 135 zur Regelung einer Raumtemperatur mittels des Heizkörperventilstellers, angeordnet. Die Leiterplatte 129 kann mittels Schrauben 137 an dem Gehäuse befestigt werden.
Als erster Positionssensor ist in dieser Ausgestaltung wenigstens ein nicht gezeigter Hallsensor an einem feststehenden Bauteil nahe dem Rotor des Gleichstrommotors 103 angeordnet. Insbesondere können drei Hallsensoren in der Umgebung des Rotors angeordnet sein. Beispielsweise können die Hallsensoren an einem axialen Ende des Stator an einer Leiterplatte oder Sensorhalterung befestigt und einer Stirnseite des Rotors gegenüberliegend angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann der erste Positionssensor des beispielhaften Heizkörperventilstellers in Form eine Sensorik zum Messen des Phasenstroms realisiert sein. Insbesondere kann mittels des ersten Positionssensors ein Auswerten der Welligkeit des Phasenstroms vorgesehen sein.
In den 6a und 6b ist eine Ausgestaltung eines zweiten Positionssensors 139 als kapazitiver Sensor, jeweils in einer perspektivischen Explosionsdarstellung gezeigt. Der zweite Positionssensor 139 ist an dem ersten Zwischenrad 121-1 des Stellantriebs 101 aus der 5 angeordnet. Eine elektrisch leitfähige Targetelektrode 141 ist direkt an dem ersten Zwischenrad 121-1 angeordnet und drehfest mit diesem verbunden. Die Targetelektrode 141 ist im Beispiel kreuzförmig ausgebildet und kann beispielsweise auf dem Zwischenrad 121-1 aufgeklebt oder auf andere Weise befestigt sein.
Dem ersten Zwischenrad 121-1 gegenüberliegend sind auf der Leiterplatte 129 eine erste Kontaktierelektrode 143 und eine zweite Kontaktierelektrode 145 angeordnet, beispielsweise als elektrisch leitfähige Beschichtung der Leiterplatte 129. Die zweite Kontaktierelektrode 145 umfasst zwei Teilbereiche 145a und 145b, welche je nach Ausgestaltung entweder elektrische verbunden oder mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen beaufschlagt werden können. Die erste Kontaktierelektrode 143 und die zweite Kontaktierelektrode 145 sind konzentrisch um eine Öffnung 149 der Leiterplatte 129, durch welche sich eine Achse 151 der ersten Zwischenrades 121-1 erstreckt, angeordnet. Die aus der ersten Kontaktierelektrode 143 und der zweiten Kontaktierelektrode 145 gebildete Kapazität verändert sich nun in Abhängigkeit von der Drehwinkelstellung der Targetelektrode 141, beziehungsweise des se ersten Zwischenrades 121-1. Mittels einer geeignet Messschaltung kann die Kapazität nun gemessen und zum Bestimmen des Drehwinkels oder der Drehzahl durch die Steuerschaltung 129 ausgewertet werden. Zur elektromagnetischen Abschirmung ist auf der Unterseite der Leiterplatte 129, den Kontaktierelektroden 143 und 145 gegenüberliegend, eine Abschirmelektrode 147 angeordnet, beispielsweise in Form einer elektrisch leitfähigen Beschichtung der Leiterplatte 129.
In anderen Ausgestaltungen kann der kapazitive Sensor des in den 5, 6a und 6b dargestellten Heizungsventilstellers auch an einem anderen Zwischenrad 121-2 , 121-3 oder am Abtriebsrad 123 angeordnet sein, wobei wenigstens eine Kontaktierelektrode dem Zwischenrad 121-2 , 121-3 oder Abtriebsrad 123 gegenüberliegend angeordnet ist.
7 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausgestaltung eines Verfahrens gemäß der Erfindung am Beispiel des Stellantriebes 1 der 1 bis 4. Im Betrieb wird in einem Verfahrensschritt Si eine Drehwinkelstellung φ_Rotor oder Drehwinkeländerung Δφ_Rotor des Rotors mittels des ersten Positionssensors 31 detektiert.
Parallel dazu wird in einem Verfahrensschritt S3 eine Drehwinkelstellung φ_GR oder Drehwinkeländerung Δφ_GR des Abtriebsrades 23 des Stellantriebes detektiert. Die Sensorsignale können beispielsweise von einer Steuerschaltung mit einem Mikrocontroller empfangen und ausgewertet werden.
In einem Verfahrensschritt S5 wird der Stellantrieb 1 nun in Abhängigkeit von den erfassten Sensorsignalen geregelt und/oder dahingehend überwacht, ob ein Fehlerzustand detektiert wird.
Bezüglich der Regelung kann insbesondere der erste Positionssensor 31 zur Detektion der Drehzahl des Elektromotors 3 verwendet werden. Ebenso kann die Regelung zur Optimierung des Arbeitspunktes des Elektromotors 3 auf Grundlage der Sensordaten des ersten Positionssensors 31 ausgebildet sein. Umfasst der erste Positionssensor 31 eine Schaltung zur Detektion des Phasenstroms, kann beispielsweise die Größe einer anliegenden Last auf Basis des Phasenstroms IPhase, beispielsweise auf Basis eines mittleren Phasenstroms bestimmt werden und/oder der Arbeitspunkt, beispielsweise durch das Anpassen einer Pulsweitenmodulation (PWM), angepasst werden. Ebenso kann dazu die Welligkeit des Phasenstroms I_Phase analysiert werden, wobei der zeitliche Abstand sukzessive auftretender charakteristischer Kurvenpunkte, wie Extremalstellen und Wendepunkte, zur Bestimmung der Drehzahl herangezogen werden. Ferner können zum Regeln des Elektromotors 3 eine Dämpfung der Welligkeit und/oder der Anstieg des Phasenstroms I_Phase nach dem Umschalten der Phasenwicklung detektiert und ausgewertet.
Desweiteren kann in solchen Varianten, in welchen der erste Positionssensor 31 zur Detektion der BEMV ausgebildet ist, eine Erkennung der Nulldurchgänge der BEMV, insbesondere mittels einer Komparatorschaltung, vorgesehen sein. Die Komparatorschaltung kann auf der Leiterplatte 29 angeordnet und beispielsweise in einem Mikrocontroller integriert sein.
Die im Verfahrensschritt S3 mittels des zweiten Positionssensors 39 gewonnenen Sensorsignale können insbesondere zur Bestimmung einer Position eines Stellgliedes entlang eines Verstellweges verwendet werden. Dabei kann insbesondere auch das Erkennen einer Blockades des Getrieberades, des Abtriebs des Stellantriebes und/oder eines Stellgliedes vorgesehen sein. Die Blockade kann sowohl eine mechanische Blockade, einen mechanischen Defekt und/oder das Erreichen eines Endanschlages umfassen. Neben einer Blockade können jedoch in manchen Anwendungen auch weitere Fehlerzustände erkannt werden. Insbesondere eine fehlerhafte Verzahnung der das Getrieberad umfassenden Getriebestufen oder einer defekte Lagerung des Getrieberades können zum „Durchdrehen“ des Getrieberades oder eines mit dem Getrieberad kämmenden Zahnrades führen. Die von dem ersten Positionssensor 31 und dem zweiten Positionssensor 39 detektierten Drehwinkel und Drehwinkeländerungen können dazu verwendet werden, auch solche Fehler zu erkennen. Beispielsweise kann der zweite Positionssensor 39 an dem Abtriebsrad 23 des Stellantriebes angeordnet sein. Ist nun die Verbindung zwischen dem Abtriebsrad 23 und einem Stellglied defekt, beispielsweise wegen einer losen Verbindung zwischen Zahnrad und Welle, wird zwar eine Rotation des Abtriebsrades 23 im Schritt S3 detektiert, jedoch kann ein zu geringer mittlerer Phasenstrom I_Phase das Wegfallen der Last anzeigen und ein entsprechender Fehler erkannt werden.
8 zeigt ein weiteres schematisches Ablaufdiagram einer Weiterbildung des Verfahrens. Hierbei ist in einem zusätzlichen Schritt S7 ein Vergleich der aus den durch den ersten Positionssensor 31 und den zweiten Positionssensor 39 detektierten Drehwinkelstellungen und/oder Drehwinkeländerungen vorgesehen, wobei ein Übersetzungsverhältnis zwischen dem Rotor 7 des Elektromotors 3 und dem Getrieberad berücksichtigt wird. Durch den Vergleich kann zum einen eine Plausibilität des Sensorsignals des jeweils anderen Sensors geprüft werden und zum anderen kann aus dem Vergleich, insbesondere aus der Differenz der beiden Signale, eine Fehlerquelle bestimmt, eingegrenzt oder ausgeschlossen werden. Schließlich wird der Stellantrieb 1 im Schritt S9 in Abhängigkeit von dem Vergleich geregelt und/oder eine Fehlermeldung ausgegeben, beziehungsweise gespeichert. Beispielsweise kann beim Anfahren eines Endanschlages, oder beim Erkennen einer Blockade, der Elektromotor 3 gestoppt werden und/oder eine Notposition angefahren werden. Im Falle einer Blockade kann auch ein Zurückfahren aus der Blockade erfolgen, beispielsweise um eine mechanische Belastung des Stellantriebes 1 oder Stellgliedes zu reduzieren. Ist das Stellglied ein Ventil, kann beispielsweise versucht werden, dieses in einen geöffneten oder geschlossenen Zustand zu verstellen.
Die 9 zeigt ein weiteres schematisches Ablaufdiagramm des Verfahrens. Hier werden die ermittelten Drehwinkeländerungen unter Berücksichtigung der Getriebeübersetzung oder -untersetzung i im Schritt S7' miteinander verglichen, wobei die Differenz i · Δφ_Rotor - Δφ_GR ermittelt wird. Beispielsweise wird geprüft, ob i · Δφ_Rotor - Δφ_GR > φ_Tol erfüllt ist. φ_Tol ist dabei ein Toleranzwinkel, für den φ_Tol << φ_GS gilt. Im Schritt S9' kann der Stellantrieb wiederum in Abhängigkeit des Vergleichs geregelt werden. Insbesondere wird auf eine Störung in der Vermittlung der Drehbewegung des Rotors 7 auf das Getrieberad geschlossen, wenn i · Δφ_Rotor - Δφ_GR > φ_Tol erfüllt ist, beispielsweise aufgrund eines Defekts des Getrieberades oder des Zwischenrades oder deren Lagerung.
In der 10 ist ein weiteres schematisches Ablaufdiagramm des Verfahrens dargestellt. Der Vergleich der beiden Sensorinformationen umfasst hier den Vergleich der Drehzahlen und/oder der Drehzahländerungen. Der Vergleich der Drehzahlen und/oder der Drehzahländerung kann insbesondere zur Detektion eines Fehlerfalls, bei dem die Vermittlung der Drehbewegung auf das Getrieberad gestört ist, vorteilhaft sein.
In einem Verfahrensschritt S11 wird eine Drehzahl n_GR und/oder eine Drehzahländerung Δn_GR des Getrieberades, beispielsweise des Abtriebsrades 23 aus den 1 bis 3, bestimmt. Desweiteren wird eine Drehzahl n_Rotor und/oder eine Drehzahländerung Δn_Rotor des Rotors 7 des Elektromotors 3 bestimmt. In einem weiteren Schritt S13 wird ein Vergleich der zuvor bestimmten Drehzahlen n_GR, n_Rotor und/oder Drehzahländerungen Δn_GR, ΔnRotor vorgenommen. Schließlich wird der Stellantrieb im Schritt S15 in Abhängigkeit des Vergleichs geregelt und/oder ein Fehlerzustand erkannt. Beispielsweise kann analog zur 9 überprüft werden, ob i · n_Rotor - nGR > nTol, wobei nTol eine Toleranz für die Drehzahldifferenz angibt
Beispielsweise kann aufgrund einer defekten Verzahnung oder Lagerung eines mit dem Getrieberad kämmenden und diesem vorgeschalteten Zahnrades die Drehzahl n_GR des Getrieberades zu klein sein, oder einen unerwarteten Abfall der Drehzahl zeigen.
Bei einer im Beispiel der 1 bis 4 gezeigten Ausführung der Zwischenräder 21 als Doppelzahnräder 21-1 bis 21-3 kann insbesondere die Vermittlung der Drehbewegung auf das Abtriebsrad 23 auch aufgrund einer defekten Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Zahnkranz eines der Doppelzahnräder 21 auftreten. Dabei kann es vorkommen, dass das Getrieberad mit einem daran angebrachten Signalgeber des zweiten Positionssensors 39, wie dem in der Figur gezeigten Permanentmagneten 41 des Abtriebsrads 23, eine geringere Drehzahl als erwartet aufweist oder einen unerwarteten Abfall in der Drehzahl zeigt. Somit kann im Beispiel, unter Berücksichtigung des Untersetzungsverhältnisses i, eine geringere Drehzahl des Abtriebsrades 23 im Vergleich zur Drehzahl des Rotors 7 ein Hinweis auf einen Defekt eines der Doppelzahnräder 21-1 bis 21-3 sein, beispielsweise aufgrund einer defekten Verbindung zwischen zwei Zahnkränzen von einem der Zwischenräder 21, oder aufgrund einer Störung in der mechanischen Kopplung zwischen einem der Zwischenräder und einem anderen der Zwischenräder 21, dem Antriebsrad oder dem Abtriebsrad. Im Schritt S15 wird nun ein entsprechender Fehlerzustand erkannt, wobei eine Fehlermeldung in einem Speicher hinterlegt werden kann. Nach dem Erkennen des Fehlers kann der Stellantrieb 1 in einem Fehlermodus betrieben oder gestoppt werden. In manchen Anwendungen kann der Stellantrieb dann zum Anfahren einer Notposition angesteuert werden.
Eine weitere Ausgestaltung eines Verfahrens gemäß der Erfindung ist in 11 schematisch dargestellt. Hierbei wird der Elektromotor 3 des Stellantriebes 1 in einem Schritt S21 für eine Drehbewegung des Rotors 7 in eine erste Drehrichtung angesteuert. Während der Stellbewegung gemäß der ersten Drehrichtung wird wiederum in einem Schritt S22 die Drehwinkelstellung φ_Rotor und/oder die Drehwinkeländerung Δφ_Rotor des Rotors 7 mittels des ersten Positionssensors 31 detektiert. Parallel dazu wird im Schritt S23 die Drehwinkelstellung φ_GR und/oder die Drehwinkeländerung Δφ_GR des als Abtriebsrad 23 ausgebildeten Getrieberades mittels des zweiten Positionssensors 39 detektiert. Während der Drehbewegung wird ferner der Phasenstrom I_Phase detektiert, beispielsweise mittels einer kontinuierlich oder periodisch wiederholten Messung über einen Shuntwiderstand. Im Schritt S25 wird der detektierte Phasenstrom I_Phase mit einem Stromgrenzwert Imax verglichen, was ebenfalls kontinuierlich oder periodisch erfolgen kann. Wird im Vergleich festgestellt, dass der Betrag des Phasenstrom | I_Phase | den Betrag des Stromgrenzwertes |Imax| übersteigt, so dass also | I_Phase |>| I_max | gilt, kann der Elektromotor im Schritt S26 gestoppt werden. Nach dem Stoppen wird der Elektromotor 3 nun für eine Drehbewegung des Rotors 7 in eine zweite Richtung, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist, angesteuert. Dabei wird zum Beginn der Drehbewegung das Getriebespiel des Stellantriebes 1 durchfahren. Während der Drehbewegung in der zweiten Richtung werden weiterhin die Sensorsignale des ersten Positionssensors 31 und des zweiten Positionssensors 39 empfangen und ausgewertet. Ebenso wird im Schritt S28 weiterhin der Phasenstrom I_Phase detektiert und im Schritt S29 wieder mit dem Stromgrenzwert Imax verglichen. Im Schritt S30 wird nun in Abhängigkeit der Sensordaten des ersten Positionssensors 31 und des zweiten Positionssensors 39, sowie in Abhängigkeit von dem Vergleich des Phasenstroms I_Phase mit dem Stromgrenzwert Imax, ein Fehlerzustand oder Betriebszustand ermittelt.
Wurde kein erneutes überschreiten des Stromgrenzwertes Imax festgestellt, und die Sensorsignale der beiden Positionssensoren sind in Einklang miteinander, kann das Überschreiten des Stromgrenzwertes während der Drehbewegung in der ersten Richtung einer Blockade des Stellgliedes oder Abtriebsrades 23 in dieser ersten Drehrichtung zugeordnet werden.
Wird jedoch |I_Phase|>|I_max| nach einer Drehbewegung in die zweite Richtung detektiert, die einem vollständigen Durchlaufen des Getriebespiels entspricht, kann auf eine Blockade des Stellgliedes oder Abtriebsrades 23 in beide Drehrichtungen geschlossen werden.
Wird | I_Phase | > | I_max| nach einem teilweise Durchlaufen des Getriebespiels detektiert, kann auf eine Blockade eines Zwischenrades 21 geschlossen werden.
Wird ein Stromanstieg mit | I_Phase |>| I_max | sofort zu Beginn der Drehbewegung in die zweite Richtung detektiert, kann auf eine Blockade des Rotors geschlossen werden.
In Abhängigkeit von den Änderungen der Drehwinkeln des Rotors 7 und des Getrieberades, insbesondere auch deren Drehzahlen und/oder der zeitlichen Verzögerungen, kann auf weitere Eigenschaften, Betriebszustände oder Fehler geschlossen werden, beispielsweise auf die Selbsthemmung des Getriebes 9 oder einzelner Getriebestufen, oder auf den Zustand eines Schmiermittels.
Bezugszeichenliste

1: Stellantrieb
3: Elektromotor
5: Stator
7: Rotor
9: Getriebe
11: Gehäuse
13: Gehäuseschale
15: Deckel
17: Permanentmagnet
19: Phasenwicklungen
20: Antriebsrad
21: Zwischenräder
21-1, 21-2, 21-3: Doppelzahnräder
23: Abtriebsrad
25: Hohlwelle
27: Öffnung der Gehäuseschale
29: Leiterplatte
31: Erster Positionssensor
33: Öffnung der Leiterplatte
39: zweiter Positionssensor
41: Permanentmagnet
43: Hallsensor
45: Mikrocontroller
101: Stellantrieb
103: Elektromotor
109: Getriebe
111: Gehäuse
120: Antriebsrad
121: Zwischenräder
121-1, 121-2, 121-3: Doppelzahnräder
123: Abtriebsrad
124: Übersetzungselement
125: Übertragungselement
129: Leiterplatte
131: Batterie
133: Antenne
135: Temperatursensor
137: Schrauben
139: zweiter Positionssensor
141: Targetelektrode
143: Erste Kontaktierelektrode
145: Zweite Kontaktierelektrode
145a, 145b: Teilbereiche der zweiten Kontaktierelektrode
147: Abschirmelektrode
149: Öffnung der Leiterplatte
151: Achse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2018060630 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Stellantriebes (1, 101) mit einem Elektromotor (3, 103) mit einem Stator (5), einem Rotor (7) und einem Getriebe (9) mit wenigstens einem Getrieberad, wobei der Elektromotor einen ersten Positionssensor (31) und einen zweiten Positionssensor (39, 139) aufweist, und wobei der erste Positionssensor (31) an dem Rotor (7) und der zweite Positionssensor (39, 139) an dem Getrieberad angeordnet ist; das Verfahren umfassend: Detektieren einer Drehwinkelstellung φ_Rotor oder Drehwinkeländerung Δφ_Rotor des Rotors (7) mittels des ersten Positionssensors (31); und Detektieren einer Drehwinkelstellung φ_GR oder Drehwinkeländerung Δφ_GR des Getrieberades mittels des zweiten Positionssensors (39, 139), und Regeln des Stellantriebes (1, 101) oder Ermitteln eines Fehlerzustandes des Stellantriebes (1, 101) in Abhängigkeit der von dem ersten Positionssensor (31) und dem zweiten Positionssensor (39, 139) detektierten Drehwinkelstellungen oder Drehwinkeländerungen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Positionssensor (31) eine Schaltung zur Detektion von Nulldurchgängen der in einer Phasenwicklung des Stators (5) induzierten Gegenelektromotorischen Spannung BEMV umfasst, und wobei das Detektieren der Drehwinkelstellung φ_GR oder Drehwinkeländerung Δφ_GR des Rotors (7) mittels des ersten Positionssensors (31) das Detektieren von Nulldurchgängen der BEMV umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Positionssensor (31) eine Schaltung zur Detektion eines Phasenstroms I_Phase in wenigstens einer Phasenwicklung des Stators (5) umfasst, und wobei das Detektieren der Drehwinkelstellung oder Drehwinkeländerung des Rotors (7) mittels des ersten Positionssensors (31) das Messen des Phasenstroms I_Phase umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Änderung der Drehwinkelstellung durch Detektion des zeitlichen Abstands zwischen aufeinanderfolgenden Extremalstellen oder Wendepunkten des Phasenstroms I_Phase ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zweite Positionssensor (39, 139) ein induktiver Sensor, oder magnetischer Sensor ist und das Detektieren der Drehwinkelstellung φ_GR oder Drehwinkeländerung Δφ_GR des Getrieberades mittels des zweiten Positionssensors (39, 139) das Detektieren einer Änderung eines magnetischen Flusses durch den magnetischen Sensor, oder einer Änderung einer effektiven Induktivität der induktiven Sensoranordnung, oder einer Änderung der effektiven Kapazität des kapazitiven Sensors, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der magnetische Sensor ein Hallsensor ist und der Hallsensor eine Magnetflussänderung in wenigstens zwei räumlichen Komponenten detektiert und der Drehwinkel auf Grundlage beider Raumkomponenten ermittelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das Verfahren umfassend die folgenden Schritte: - Vergleichen der Drehwinkelstellung oder Drehwinkeländerung des Rotors (7) und des Getrieberades, und - Regeln des Stellantriebes (1, 101) oder Ermitteln eines Fehlerzustandes des Stellantriebes (1,101) in Abhängigkeit des Vergleichs.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein Fehlerzustand erkannt wird, wenn die Drehwinkelstellung oder Drehwinkeländerung des Rotors (7) und des Getrieberades, unter Berücksichtigung eines Über- oder Untersetzungsverhältnisses i des Getriebes (9, 109), nicht in Einklang miteinander sind.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei dann, wenn unter Berücksichtigung des Über- oder Untersetzungsverhältnisses i des Getriebes (9, 109), die Differenz aus der Drehwinkeländerung des Rotors (7) und der Drehwinkeländerung des Getrieberades größer als ein Toleranzwinkel φ_Tol ist, so dass |i · Δφ_Rotor - Δφ_GR | > φ_Tol gilt, auf einen Defekt des Getrieberades oder eines Zwischenrades, das zwischen dem Rotor und dem Getrieberad angeordnet ist, oder auf einen Defekt deren Lagerung, geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei dann, wenn unter Berücksichtigung des Über- oder Untersetzungsverhältnisses i des Getriebes (9, 109) die Drehwinkeländerung des Getrieberades der Drehwinkeländerung des Rotors (7) des Elektromotors entspricht und der Phasenstrom I_Phase des Elektromotors (3, 103) einen unteren Stromschwellwert Imin unterschreitet, auf einen Defekt eines dem Getrieberad nachgeschalteten Getriebeteils oder eines Stellgliedes geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei das Verfahren ferner umfasst: - Bestimmen einer Drehzahl n_GR des Getrieberades und einer Drehzahl n_Rot des Rotors, - Vergleichen der Drehzahl n_GR des Getrieberades und der Drehzahl n_Rot des Rotors, - Regeln des Stellantriebes (1, 101) oder Ermitteln eines Fehlerzustandes des Stellantriebes (1, 101) in Abhängigkeit des Vergleichs der Drehzahlen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei dann, wenn unter Berücksichtigung des Über- oder Untersetzungsverhältnisses i des Getriebes die detektierte Drehzahl n_GR des Getrieberades größer als die detektierte Drehzahl n_Rot des Rotors (7) ist, auf einen Antrieb des Getrieberades durch eine externe Kraft geschlossen wird, und/oder wobei dann, wenn unter Berücksichtigung des Über- oder Untersetzungsverhältnisses i des Getriebes die Drehzahl n_GR des Getrieberades kleiner als die Drehzahl n_Rot des Rotors (7) ist, auf einen Defekt des Getrieberades oder eines Zwischenrades, oder auf einen Defekt deren Lagerung, geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Getrieberad ein Abtriebsrad (23, 123) des Elektromotors (3, 103) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, das Verfahren ferner umfassend: - Ansteuern des Elektromotors (3, 103) für eine Drehbewegung des Rotors (7) in einer ersten Drehrichtung, - Messen des Phasenstroms I_Phase durch wenigstens eine Phasenwicklung des Elektromotors (3, 103), und/oder Messen der in der Phasenwicklung induzierten gegenelektromotorischen Spannung U_BEMV - Erkennen einer Blockade des Stellantriebes (1, 101) oder einer von dem Stellantriebes (1, 101) angetriebenen Last anhand des Verlaufs des gemessenen Phasenstroms I_Phase und/oder anhand des Verlaufs der gemessenen gegenelektromotorischen Spannung U-BEMV. - Stoppen des Elektromotors (3, 103), wenn eine Blockade erkannt wurde.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Phasenstroms I_Phase mit einem Stromgrenzwert Imax verglichen wird und eine Blockade erkannt wird, wenn der gemessene Phasenstrom I_Phase den Stromgrenzwert Imax überschreitet oder eine erwartete Extremalstellen oder ein erwarteter Wendepunkten des Phasenstroms I_Phase ausbleibt, und/oder wobei die Nulldurchgänge der gegenelektromotorischen Spannung U_BEMV gemessen werden und eine Blockade erkannt wird, wenn ein erwarteter Nulldurchgang der gegenelektromotorischen Spannung U_BEMV ausbleibt.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei ferner eine Position eines von dem Stellantrieb (1, 101) angetriebenen Stellgliedes bestimmt und ein Erwartungsbereich zum Erreichen eines Endanschlages durch das Stellglied bestimmt wird, und wobei dann, wenn eine Blockade während der Drehbewegung des Rotors (7) in der ersten Drehrichtung erkannt wird und die Position des Stellgliedes in dem Erwartungsbereich liegt, die Blockade dem Erreichen des Endanschlages zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei das Verfahren nach dem Stoppen des Elektromotors (3, 103) ferner das Ansteuern des Elektromotors (3, 103) für eine Drehbewegung in einer zweiten Richtung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Drehbewegung in die zweite Richtung wenigstens soweit erfolgt, dass ein Getriebespiel des Getriebes vollständig durchlaufen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, wobei - die Blockade des Stellantriebes (1, 101) dem Erreichen eines Endanschlages oder einer Blockade eines Stellgliedes zugerechnet wird, wenn das Getriebespiel während der Drehbewegung in die zweite Richtung ohne ein erneutes Erkennen einer Blockade vollständig durchlaufen wurde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei zum Durchlaufen des Getriebespiels eine Rotation des Rotors (7) um einen Drehwinkel φ_GS vorgesehen ist, und wobei die Blockade des Stellantriebes (1, 101) einem Defekt des Getrieberades oder dessen Lagerung zugerechnet wird, wenn eine erneute Blockade während der Drehung in der zweiten Richtung nach einer Rotation des Rotors (7) um einen Drehwinkel φ mit φ = φGS erkannt wird, und/oder - die Blockade des Stellantriebes (1, 101) einem Defekt eines Zwischenrades, das zwischen dem Rotor (7) und dem Getrieberad angeordnet ist, oder dessen Lagerung zugerechnet wird, wenn eine erneute Blockade während der Drehung in der zweiten Richtung nach einer Rotation des Rotors (7) um einen Drehwinkel φ mit φ < φGS, erkannt wird, und/oder - die Blockade des Stellantriebes (1, 101) einem Defekt des Rotors (7) zugerechnet wird, wenn eine erneute Blockade während der Drehung in der zweiten Richtung nach einer Rotation des Rotors (7) um einen Drehwinkel φ mit φ = 0, erkannt wird, wobei jeweils ein Toleranzbereich φTol, mit φTol << φGS vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20 mit den Schritten: - Ansteuern des Elektromotors (3, 103) zum Durchlaufen des Getriebespiels des Stellantriebes (1, 101) in der ersten Richtung - Stoppen des Elektromotors (3, 103), - Ansteuern des Elektromotors (3, 103) zum erneuten Durchlaufen des Getriebespiels in der zweiten Richtung, - Vergleichen der Drehwinkeländerung des Rotors (7) und des Getrieberades und messen des Phasenstroms I_Phase während dem Durchlaufen des Getriebespiels in der zweiten Richtung, - Bewerten der Laufeigenschaften des Getrieberades und/oder wenigstens eines Zwischenrades in Abhängigkeit von dem gemessenen Phasenstrom I_Phase und der Drehwinkeländerungen des Rotors (7) und des Getrieberades.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 21, wobei beim Erkennen eines Fehlerzustandes oder Defektes eine Fehlermeldung in einem Speicher einer Steuerschaltung des Stellantriebes (1, 101) hinterlegt wird.
Stellantrieb (1, 101) mit einem Elektromotor (3, 103), wobei der Elektromotor (3, 103) einen Stator (5), einen Rotor (7) und ein Getriebe (9, 109) mit wenigstens einem Getrieberad, sowie einen ersten Positionssensor (31) und einen zweiten Positionssensor (39, 139) aufweist, wobei der erste Positionssensor (31) an dem Rotor (7) und der zweite Positionssensor (39, 139) an dem Getrieberad angeordnet ist, und wobei der Stellantrieb (1, 101) eine Steuerschaltung aufweist, die dazu eingerichtet ist ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22 auszuführen.
Stellantrieb (1, 101) nach Anspruch 23, wobei der erste Positionssensor (31) eine Spannungskomparatorschaltung zum Erkennen von Nulldurchgängen der in den Phasenwicklungen induzierten gegenelektromotorischen Spannung U_BEMV und/oder eine Schaltung zum Messen des Phasenstroms I_Phase umfasst.
Stellantrieb (1, 101) nach Anspruch 23 oder 24, wobei der zweite Positionssensor (39, 139) ein induktiver Sensor, ein magnetischer Sensor, oder ein kapazitiver Sensor ist.
Stellantrieb (1, 101) nach Anspruch 25, wobei der zweite Positionssensor (39, 139) ein elektrisch leitfähiges Target oder einen Permanentmagneten umfasst, und wobei das elektrisch leitfähige Target oder der Permanentmagnet auf dem Getrieberad angeordnet ist.
Stellantrieb (1, 101) nach Anspruch 26, wobei das Getrieberad das Abtriebsrad (23, 123) des Stellantriebes (1, 101) ist.
Stellantrieb (1, 101) nach Anspruch 27, wobei das Abtriesrad (23) einteilig mit einer als Hohlwelle ausgebildeten Abtriebswelle ausgeformt ist.