DE102020134540A1

DE102020134540A1 - Verfahren zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE102020134540A1
Application number: DE102020134540.2A
Authority: DE
Inventors: Klaus Moosmann; Christian Dieterich; Markus Weh; Fabian Armbruster; Giovanni Biancuzzi
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2022-06-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors mit einem Stator und einem Rotor sowie einen Stellantrieb, der einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor umfasst. Das Verfahren umfasst das Empfangen eines Verfahrwegs, um den der Rotor gedreht werden soll; das Vergleichen eines Betrags des Verfahrwegs mit einem Schwellenwert; und das Drehen des Rotors um den Verfahrweg, wobei der Rotor in einem ersten Betriebsmodus gedreht wird, wenn der Betrag des Verfahrwegs kleiner als der Schwellenwert ist, und in einem zweiten Betriebsmodus gedreht wird, wenn der Betrag des Verfahrwegs größer als der Schwellenwert ist. Der erste Betriebsmodus und der zweite Betriebsmodus unterscheiden sich dabei in einem Kommutierverfahren für den elektronisch kommutierten Gleichstrommotor und/oder in einer Drehrichtung des Rotors.

Description

GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors sowie einen Stellantrieb, der einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor umfasst.
HINTERGRUND
Stellantriebe mit elektrischen Kleinmotoren wie beispielsweise bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) kommen unter anderem im Automobilbereich und in der Automatisierungstechnik zur Anwendung, zum Beispiel als Antrieb für Stellglieder wie Klappen oder Ventile, beispielsweise Nadelventile. Zur Steuerung und Überwachung können solche Stellantriebe mit Sensoren wie beispielsweise Hall-Sensoren ausgestattet sein, um Parameter wie die Rotorstellung, die Rotordrehzahl oder die Stellung eines mit dem Rotor gekoppelten Stellglieds zu bestimmen. Aus Kosten- oder Platzgründen kommt der Einbau von Sensoren für viele Anwendungen allerdings nicht in Frage. In diesen Fällen kommen daher sensorlose bürstenlose Gleichstrommotoren zum Einsatz, die sich aufgrund ihrer kompakten Bauweise und ihrer hohen Effizienz gerade für derartige Anwendungen eignen.
Jedoch ist bei BLDC-Motoren ein sensorloser Betrieb nicht ohne weiteres zu realisieren, da diese Motoren eine auf die Rotorlage abgestimmte Kommutierung elektrischer Antriebsignale erfordern. Daher werden Verfahren benötigt, die indirekte Rückschlüsse auf die Rotorlage erlauben. Ein solches Verfahren basiert auf der Messung der Spannung, die durch die Rotorbewegung in einer Phasenwicklung des Motors im unbestromten Zustand induziert wird und häufig als back electromotive force (BEMF)/gegenelektromotorische Kraft (GEMK) bzw. BEMF-Spannung bezeichnet wird. Abhängig von der Motorgeometrie weist die BEMF-Spannung einen oder mehrere charakteristische Nulldurchgänge auf, wobei ein Nulldurchgang auftritt, wenn der Rotor eine bestimmte Stellung durchläuft. Anhand eines solchen Nulldurchgangs kann somit der Zeitpunkt bestimmt werden, zu dem sich ein bewegter Rotor in dieser Stellung befindet. Dies ermöglicht es, die Antriebssignale der Rotorlage entsprechend zu kommutieren.
Dieses Verfahren kann allerdings erst ab einer gewissen Drehzahl angewendet werden, da die induzierte Spannung mit abnehmender Drehzahl kleiner wird. Es kann daher in der Regel unterhalb einer Drehzahl von etwa 800 min^-1 bis 1000 min^-1 nicht mehr eingesetzt werden. Dies ist bei der Beschleunigung des Rotors aus dem Stillstand der Fall, aber beispielsweise auch im Regelbetrieb von niedrig drehenden bürstenlosen Gleichstrommotoren. In diesen Situationen wird nach dem Stand der Technik die Kommutierung blind, d.h. unabhängig von der Rotorlage, durchgeführt. Durch eine solche Zwangskommutierung kann der Rotor aus dem Stillstand innerhalb weniger Kommutierungsschritte auf eine Drehzahl beschleunigt werden, die ausreicht, um zu einer synchronen Kommutierung auf Basis der BEMF-Spannung überzugehen.
Bei BLDC-Motoren in Stellantrieben ist anfänglich häufig eine hohe Beschleunigung erforderlich, um eine Kraft bereitzustellen, die ausreichend groß ist, das mit dem Motor gekoppelte Stellglied aus dem Stillstand in Bewegung zu versetzen. Dies kann allerdings beispielsweise bei kurzen Verfahrwegen problematisch sein, da ein rechtzeitiges Einbremsen des Rotors und des Stellglieds unter Umständen nicht möglich ist und der Rotor entsprechend dazu neigt, über die angestrebte Zielposition hinaus nachzudrehen. Dadurch kann insbesondere bei kurzen Verfahrwegen die Positioniergenauigkeit des Stellantriebs eingeschränkt sein.
ÜBERBLICK
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors anzugeben, mit dem insbesondere bei kurzen Verfahrwegen die Positioniergenauigkeit verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einen Stellantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wird ein Verfahren zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors mit einem Stator und einem Rotor vorgesehen. Das Verfahren umfasst das Empfangen eines Verfahrwegs, um den der Rotor gedreht werden soll. Ein Betrag des Verfahrwegs wird mit einem Schwellenwert verglichen. Wenn der Betrag des Verfahrwegs kleiner als der Schwellenwert ist, wird der Rotor in einem ersten Betriebsmodus um den Verfahrweg gedreht. Wenn der Betrag des Verfahrwegs größer als der Schwellenwert ist, wird der Rotor dagegen in einem zweiten Betriebsmodus um den Verfahrweg gedreht. Der erste Betriebsmodus und der zweite Betriebsmodus unterscheiden sich dabei in einem Kommutierverfahren für den elektronisch kommutierten Gleichstrommotor und/oder in einer Drehrichtung des Rotors.
Der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor kann insbesondere ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor in einem Stellantrieb sein, beispielsweise in dem erfindungsgemäßen Stellantrieb gemäß einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen. Entsprechend kann der Rotor des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors zum Beispiel mit einem Abtriebsrad und/oder mit einem Stellglied mechanisch gekoppelt sein. Der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor kann beispielsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor) oder ein Schrittmotor sein.
Der Verfahrweg kann zum Beispiel von einer Steuereinheit des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors oder des Stellantriebs empfangen werden und beispielsweise von einer Einheit außerhalb des Stellantriebs wie etwa einem externen Steuergerät übermittelt worden sein. Der Verfahrweg kann eine Stellungsänderung des Rotors und/oder des Stellglieds angeben, wobei der Betrag des Verfahrwegs einen Betrag der Stellungsänderung angibt. Der Verfahrweg kann ferner eine Richtung der Stellungsänderung, beispielsweise eine Drehrichtung des Rotors, angeben, zum Beispiel durch das Vorzeichen des Verfahrwegs oder ein Richtungsbit. Der Verfahrweg kann beispielsweise eine gewünschte Drehwinkeländerung des Rotors angeben oder in entsprechende Drehwinkeländerung des Rotors umgerechnet werden. Der Verfahrweg kann die Drehwinkeländerung direkt angeben, zum Beispiel eine Anzahl von Umdrehungen des Rotors, oder indirekt, beispielsweise durch Angabe eines Parameters für ein Antriebssignal des Elektromotors, zum Beispiel eine Zeit, während der das Antriebssignal bereitgestellt wird, oder eine Anzahl von Kommutierungsschritten.
Der Betrag des Verfahrwegs wird mit dem Schwellenwert verglichen, wobei der Schwellenwert beispielsweise in der Steuereinheit gespeichert sein kann. Der Schwellenwert ist bevorzugt ein konstanter Wert, der beispielsweise im Voraus empirisch ermittelt wurde. In manchen Ausgestaltungen kann der Schwellenwert von Motorparametern abhängen, beispielsweise von einer mit dem Rotor gekoppelten Last und/oder einer Dämpfung des Rotors. In einigen Ausführungsformen beträgt der Schwellenwert zum Beispiel zwischen 20 und 200 Kommutierungsschritten, in einem Beispiel zwischen 30 und 100 Kommutierungsschritten.
Anschließend wird der Rotor um den Verfahrweg von einer Startstellung oder Startposition in eine Endstellung oder Endposition gedreht. Vorzugsweise ist der Rotor dabei anfänglich im Stillstand in der Startposition. Abhängig von dem Betrag des Verfahrwegs werden für das Bewegen des Rotors verschiedene Betriebsmodi gewählt, die sich zumindest abschnittsweise in dem verwendeten Kommutierverfahren und/oder in der Drehrichtung des Rotors unterscheiden. In jedem der Betriebsmodi kann die Bewegung des Rotors in einem oder mehreren Abschnitten oder Zeiträumen erfolgen. Die Abschnitte der Bewegung in einem Betriebsmodus können sich beispielsweise durch das verwendete Kommutierverfahren, die Drehrichtung und/oder eine Soll-Drehzahl des Rotors voneinander unterscheiden. Der Rotor wird in dem ersten Betriebsmodus zumindest in einem Abschnitt der Bewegung mittels eines anderen Kommutierverfahrens und/oder in eine andere Drehrichtung gedreht als in einem entsprechenden Abschnitt in dem zweiten Betriebsmodus. Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine geeignete Anpassung der entsprechenden Bewegungsparameter an kurze Verfahrwege in dem ersten Betriebsmodus, wodurch die Positioniergenauigkeit bei kurzen Verfahrwegen verbessert werden kann.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren des Rotors in dem ersten Betriebsmodus das Bewegen des Rotors um einen Mindestbetrag in einer umgekehrten Drehrichtung, wobei die umgekehrte Drehrichtung einer durch den Verfahrweg vorgegebenen Soll-Drehrichtung entgegengesetzt ist, sowie das Bewegen des Rotors um die Summe aus dem Mindestbetrag und dem Betrag des Verfahrwegs in der Soll-Drehrichtung. Der Mindestbetrag ist vorzugsweise ausreichend groß gewählt, um ein rechtzeitiges Einbremsen des Rotors nach einer anfänglichen Beschleunigung beim Anfahren zu ermöglichen und ein Nachdrehen des Rotors beim Anhalten des Rotors zu vermeiden, zum Beispiel wie im Folgenden beschrieben. Der Mindestbetrag kann beispielsweise größer oder gleich dem Schwellenwert sein. Ein solches differenzielles Bewegen des Motors ermöglicht es, selbst kleine Verfahrwege, die deutlich unterhalb des Schwellenwerts liegen, ohne Beeinträchtigung der Positioniergenauigkeit zu realisieren. Hierzu wird die Bewegung in zwei Bewegungsvorgänge in unterschiedliche Richtungen aufgeteilt, in denen der Rotor jeweils mindestens um den Mindestbetrag gedreht wird und wobei die Differenz der beiden Bewegungen gerade dem gewünschten Verfahrweg entspricht.
In manchen Ausgestaltungen wird der Rotor in dem ersten Betriebsmodus zuerst in der umgekehrten Drehrichtung und anschließend in der Soll-Drehrichtung bewegt. Dies kann beispielsweise bei einem Stellantrieb vorteilhaft sein, dessen Stellglied eine richtungsabhängige Hysterese oder eine anderweitige Richtungsabhängigkeit seines Bewegungsverlaufs aufweist, da in einer solchen Ausgestaltung der letzte Bewegungsvorgang jeweils in der Soll-Drehrichtung erfolgt. In anderen Ausführungsformen wird der Rotor in dem ersten Betriebsmodus dagegen zuerst in der Soll-Drehrichtung und anschließend in der umgekehrten Drehrichtung bewegt oder die Reihenfolge abhängig von einer Stellung des Rotors und/oder des Stellglieds gewählt, beispielsweise so, dass in der Nähe eines Endanschlages die Bewegung zunächst in einer Drehrichtung weg von dem Endanschlag ausgeführt wird.
In dem zweiten Betriebsmodus wird der Rotor vorzugsweise nur in der Soll-Drehrichtung bewegt und nicht in der umgekehrten Drehrichtung. Da der Betrag des Verfahrwegs in dem zweiten Betriebsmodus größer als der Schwellenwert ist, ist in diesem Fall auch ohne Bewegung in die umgekehrte Drehrichtung ein ausreichend großer Verfahrweg gewährleistet, um ein rechtzeitiges Einbremsen des Rotors zu ermöglichen. Hierdurch können unnötige Bewegungsvorgänge vermieden werden.
Der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor kann wenigstens zwei Phasenwicklungen aufweisen, die beispielsweise in dem Stator angeordnet sein können und dazu eingerichtet sind, ein zeitabhängiges Magnetfeld zu erzeugen, durch welches der mit einem oder mehreren Magneten versehene Rotor in Bewegung versetzt werden kann. Hierzu kann die Steuereinheit des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors oder des Stellantrieb dazu eingerichtet sein, geeignet kommutierte Antriebssignale für die Phasenwicklungen bereitzustellen, beispielsweise wie unten beschrieben. Die Phasenwicklungen können jeweils eine oder mehrere Statorspulen umfassen.
Vorzugsweise umfasst das Bewegen des Rotors in dem ersten Betriebsmodus und das Bewegen des Rotors in dem zweiten Betriebsmodus jeweils die folgenden Abschnitte oder Zeiträume: (1) Beschleunigen des Rotors mittels Zwangskommutierung in einem ersten Zeitraum der Bewegung, wobei bei der Zwangskommutierung Antriebssignale für die Phasenwicklungen zu vorgegebenen Zeiten unabhängig von einer Rotorlage kommutiert werden; (2) Bewegen des Rotors mittels sensorloser Kommutierung in einem zweiten Zeitraum der Bewegung nach dem ersten Zeitraum, wobei bei der sensorlosen Kommutierung Antriebssignale für die Phasenwicklungen abhängig von einem elektrischen Signal an einer Phasenwicklung kommutiert werden; und (3) Anhalten des Rotors an einer jeweiligen Zielposition.
Bei der Zwangskommutierung können die Antriebssignale für die Phasenwicklungen beispielsweise mit einer vorgegebenen Frequenz kommutiert werden, beispielsweise mit einer variablen oder vorzugsweise einer konstanten Frequenz. Die Zwangskommutierung kann beispielsweise genutzt werden, um den Rotor aus dem Stillstand zu beschleunigen. Der Übergang von der Zwangskommutierung zu der sensorlosen Kommutierung kann zum Beispiel bei einer vorgegebenen Drehzahl, bei Erreichen eines Schwellenwerts durch das elektrische Signal oder nach einer vorgegebenen Anzahl von Kommutierungsschritten erfolgen. Während der Bewegung des Rotors mittels sensorloser Kommutierung kann eine Geschwindigkeit oder Drehzahl des Rotors auf eine Soll-Drehzahl geregelt werden, beispielsweise durch Anpassen einer Amplitude und/oder eines Pulsweitenmodulations-Tastverhältnisses der Antriebssignale.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Bewegen des Rotors in dem ersten Betriebsmodus und/oder das Bewegen des Rotors in dem zweiten Betriebsmodus weiterhin jeweils das Abbremsen des Rotors auf eine Abbremsgeschwindigkeit mittels sensorloser Kommutierung vor dem Anhalten des Rotors an der Zielposition. Die Abbremsgeschwindigkeit ist vorzugsweise so gewählt, dass der Rotor von der Abbremsgeschwindigkeit zum Stillstand gebracht werden kann, ohne über die Zielposition hinaus zu drehen. Die Abbremsgeschwindigkeit kann beispielsweise zwischen 400 min^-1 und 2000 min^-1, vorzugsweise zwischen 600 min^-1 und 1200 min^-1, in einem Beispiel zwischen 800 min^-1 und 1000 min^-1 betragen. Die Abbremsgeschwindigkeit ist bevorzugt ausreichend groß, um eine zuverlässige sensorlose Kommutierung zu gewährleisten. Zum Abbremsen des Rotors kann beispielsweise die Soll-Drehzahl für den zweiten Zeitraum entsprechend gewählt oder innerhalb des zweiten Zeitraums entsprechend angepasst werden. Die Beschleunigung des Rotors in dem ersten Zeitraum und/oder zu Beginn des zweiten Zeitraums kann zum Beispiel so groß sein, dass die Geschwindigkeit des Rotors zunächst über die Abbremsgeschwindigkeit ansteigt und vor dem Anhalten des Rotors verringert werden muss, um ein Nachdrehen des Rotors zu vermeiden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor zum Abbremsen des Rotors auf die Abbremsgeschwindigkeit in einem aktiven Freilauf betrieben, in dem die Phasenwicklungen während eines Kommutierungsschrittes, d.h. zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungen, zwischen einer Motorkonfiguration und einer Generatorkonfiguration umgeschaltet werden. In der Motorkonfiguration kann den Phasenwicklungen elektrische Energie zugeführt werden, die über das von den Phasenwicklungen erzeugte Magnetfeld in kinetische Energie des Rotors umgewandelt wird. In der Generatorkonfiguration kann den Phasenwicklungen elektrische Energie entzogen werden, die durch das von dem Rotor erzeugte Magnetfeld in den Phasenwicklungen induziert wird. In dem aktiven Freilauf können die Phasenwicklungen beispielsweise innerhalb des Kommutierungsschritts zeitweise von einem Versorgungsspannungseingang getrennt werden, bis ein Strom durch die Phasenwicklungen aufgrund der von dem Rotor induzierten Spannung die Richtung wechselt. Nach dem Richtungswechsel des Stroms können die Phasenwicklungen mit dem Versorgungsspannungseingang und/oder einem Energiespeicher wie beispielsweise einem kapazitiven Element gekoppelt werden, um Energie aus den Phasenwicklungen an dem Versorgungsspannungseingang bereitzustellen und/oder in den Energiespeicher einzuspeisen. In anderen Ausgestaltungen können die Phasenwicklungen alternativ oder zusätzlich mit einem dissipativen Element wie beispielsweise einem Widerstand und/oder einer Freilaufdiode gekoppelt werden, um Energie aus den Phasenwicklungen zu dissipieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Abbremsgeschwindigkeit kleiner oder gleich einer Geschwindigkeit des Rotors am Ende des ersten Zeitraums. Beispielsweise kann ein Überschießen der Rotorgeschwindigkeit über die Abbremsgeschwindigkeit aufgrund der anfänglichen Beschleunigung in dem ersten Zeitraum und/oder zu Beginn des zweiten Zeitraums durch das Abbremsen zumindest vollständig kompensiert oder sogar teilweise überkompensiert werden. Dies erlaubt es, den Rotor in dem ersten Zeitraum mit einer hohen Beschleunigung aus dem Stillstand in Bewegung zu versetzen und zudem den Rotor ohne Nachdrehen an der Zielposition anzuhalten. In manchen Beispielen beträgt die Abbremsgeschwindigkeit zwischen 30% und 100%, in einem Beispiel zwischen 50% und 80% der Geschwindigkeit des Rotors am Ende des ersten Zeitraums.
In einigen Ausgestaltungen ist das elektrische Signal für die sensorlose Kommutierung eine induzierte Spannung in einer unbestromten Phasenwicklung. Die Antriebssignale für die Phasenwicklungen können dabei zum Beispiel abhängig von einem Nulldurchgang der induzierten Spannung kommutiert werden. Die Kommutierung kann beispielsweise an einem bestimmten Zeitpunkt nach Auftreten des Nulldurchgangs der induzierten Spannung durchgeführt werden, wobei der Zeitpunkt zum Beispiel anhand einer vorgegebenen Zeitdauer und/oder anhand einer Zeitdifferenz zwischen einem vorherigen Kommutierungszeitpunkt und dem Zeitpunkt des Auftretens des Nulldurchgangs bestimmt werden kann.
In anderen Ausführungsformen kann das elektrische Signal für die sensorlose Kommutierung auch ein Strom durch eine oder mehrere Phasenwicklungen sein. Die Antriebsignale für die Phasenwicklungen können dabei zum Beispiel abhängig von einem charakteristischen Kurvenpunkt des Stromverlaufs und/oder dem Erreichen eines Schwellenwerts durch den Strom kommutiert werden. Der charakteristische Kurvenpunkt kann beispielsweise ein Extremum oder ein Wendepunkt des Stromverlaufs sein. Eine Kommutierung basierend auf dem Phasenstrom kann beispielsweise bei niedrigdrehenden elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren vorteilhaft sein und/oder eine niedrigere Abbremsgeschwindigkeit ermöglichen.
Das Anhalten des Rotors an der jeweiligen Zielposition kann beispielsweise das Bestromen von Phasenwicklungen mit einem konstanten Haltestrom umfassen. Durch den konstanten Haltestrom durch die entsprechenden Phasenwicklungen kann ein konstantes Magnetfeld erzeugt werden, welches eine feste Gleichgewichtslage für den Rotor vorgibt. Durch den Haltestrom kann der sich bewegende Rotor eingebremst und in der Gleichgewichtslage zum Stillstand gebracht werden. Zudem kann ein Auslenken des Rotors aus der Gleichgewichtslage verhindert oder zumindest erschwert werden. Bevorzugt ist die Abbremsgeschwindigkeit so gewählt, dass der Rotor nach Anlegen des Haltestroms höchstens um 180°, vorzugsweise höchstens um 120°, in einem Beispiel höchstens um 60° über die Gleichgewichtslage hinaus weiterdreht. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass der Rotor anschließend in der Gleichwichtslage zum Stehen kommen ohne eine oder mehrere weitere vollständige Umdrehungen zu durchlaufen und somit in einer um 360° oder ein Vielfaches davon weitergedrehten Gleichgewichtsposition zum Stehen zu kommen. In anderen Ausführungsformen ist die Abbremsgeschwindigkeit so gewählt, dass der Rotor nach Anlegen des Haltestrom eine vorgegebene Anzahl von Umdrehungen nachdreht, zum Beispiel genau eine Umdrehung.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist der Mindestbetrag gleich dem Schwellenwert. Der Schwellenwert kann beispielsweise im Voraus empirisch bestimmt werden als der minimale Verfahrweg, bei dem der Motor ohne unkontrolliertes Nachdrehen zum Stillstand gebracht werden kann, zum Beispiel als der minimale Verfahrweg, innerhalb dessen der Motor auf die Abbremsgeschwindigkeit abgebremst werden kann. Somit kann eine hohe Positioniergenauigkeit erreicht werden, ohne den Rotor unnötig weit verfahren zu müssen.
In manchen Ausgestaltungen können der erste Betriebsmodus und der zweite Betriebsmodus sich alternativ oder zusätzlich in dem verwendeten Kommutierverfahren für den elektronisch kommutierten Gleichstrommotor unterscheiden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor wenigstens zwei Phasenwicklungen auf und das Drehen des Rotors in dem ersten Betriebsmodus umfasst das Bewegen des Rotors mittels Zwangskommutierung um den gesamten Betrag des Verfahrwegs, während das Drehen des Rotors in dem zweiten Betriebsmodus das Bewegen des Rotors mittels sensorloser Kommutierung für zumindest einen Teil des Verfahrwegs umfasst. Bei der Zwangskommutierung können Antriebssignale für die Phasenwicklungen wie oben beschrieben zu vorgegebenen Zeiten unabhängig von der Rotorlage kommutiert werden. Bei der sensorlosen Kommutierung können die Antriebssignale für die Phasenwicklungen dagegen abhängig von einem elektrischen Signal an einer Phasenwicklung, zum Beispiel einer induzierten Spannung in einer unbestromten Phasenwicklung oder einem Strom durch eine bestromte Phasenwicklung, kommutiert werden.
Bei der Zwangskommutierung in dem ersten Betriebsmodus kann die Geschwindigkeit des Rotors beispielsweise durch die Kommutierungsfrequenz vorgegeben werden, wobei die Geschwindigkeit des Rotors bevorzugt so gewählt ist, dass der Rotor ohne Nachdrehen zum Stillstand gebracht werden kann. Vorzugsweise wird der Rotor dabei sowohl in dem ersten Betriebsmodus als auch in dem zweiten Betriebsmodus nur in der durch den Verfahrweg vorgegebenen Soll-Drehrichtung bewegt. Dadurch kann eine Zusatzbewegung des Rotors sowie gegebenenfalls eines damit gekoppelten Stellglieds wie bei den oben beschriebenen Verfahren mit einer umgekehrten Drehrichtung vermieden werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens umfasst das Drehen des Rotors in dem ersten Betriebsmodus (1) das Beschleunigen des Rotors mittels Zwangskommutierung mit einer ersten Kommutierungsfrequenz in einem ersten Zeitraum der Bewegung sowie (2) das Bewegen des Rotors mittels Zwangskommutierung mit einer zweiten Kommutierungsfrequenz in einem zweiten Zeitraum der Bewegung nach dem ersten Zeitraum. Die zweite Kommutierungsfrequenz ist vorzugsweise kleiner als die erste Kommutierungsfrequenz. Dadurch kann ähnlich dem oben beschriebenen Abbremsen des Rotors mittels sensorloser Kommutierung der Rotor in dem zweiten Zeitraum vor dem Anhalten des Rotors an der Zielposition auf eine Abbremsgeschwindigkeit abgebremst werden. Zugleich kann für das anfängliche Anfahren des Rotors eine höhere Kommutierungsfrequenz gewählt werden, um beispielsweise eine ausreichende Kraft zur Beschleunigung eines Stellglieds aus dem Stillstand zu gewährleisten. Die zweite Kommutierungsfrequenz kann beispielsweise zwischen 30 % und 90 %, in einem Beispiel zwischen 50% und 80% der ersten Kommutierungsfrequenz betragen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Schwellenwert, mit dem der Betrag des empfangenen Verfahrwegs verglichen wird, zum Beispiel einem Verfahrweg bzw. einer Drehwinkeländerung des Rotors bei einer vorgegebenen Zahl von Kommutierungsschritten entsprechen. Mit anderen Worten kann der erste Betriebsmodus gewählt werden, wenn die Zahl der zum Drehen des Rotors um den empfangenen Verfahrweg benötigten Kommutierungsschritte kleiner als die vorgegebene Zahl von Kommutierungsschritten ist. Die vorgegebene Zahl von Kommutierungsschritten kann zum Beispiel zwischen 20 und 200, bevorzugt zwischen 30 und 100 liegen.
Es wird weiterhin ein Stellantrieb vorgesehen, der einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor mit einem Stator und einem Rotor sowie ein Abtriebsrad umfasst. Das Abtriebsrad ist mit dem Rotor mechanisch gekoppelt und ist dazu eingerichtet, mit einem Stellglied mechanisch gekoppelt zu werden. Der Stellantrieb umfasst weiterhin eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren nach einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen auszuführen.
Der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor kann beispielsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor oder ein Schrittmotor sein. Der Stator kann eine Vielzahl von Phasenwicklungen, zum Beispiel zwei oder drei Phasenwicklungen, aufweisen. Die Phasenwicklungen können ferner eine Vielzahl an Statorspulen bilden, beispielsweise zwei bis 16 Statorspulen. Beispielsweise kann jede Phasenwicklung eine, zwei, drei oder vier Statorspulen umfassen. Der Rotor kann einen oder mehrere Magnete, insbesondere Permanentmagnete, aufweisen und kann als Außen- oder Innenläufer ausgebildet sein.
Der Stellantrieb kann ein Getriebe aufweisen, das den Rotor mechanisch mit dem Abtriebsrad koppelt. Das Getriebe kann ein Übersetzungs- oder Untersetzungsgetriebe sein und zum Beispiel eine Vielzahl miteinander gekoppelter Getrieberäder umfassen, die eine Drehbewegung des Rotors in eine Drehbewegung des Abtriebsrads übersetzen. Das Abtriebsrad kann beispielsweise eine Abtriebswelle mit einem geeigneten Mitnahmeprofil aufweisen oder mit einer solchen Abtriebswelle verbunden sein, um das Abtriebsrad mechanisch mit dem Stellglied zu koppeln.
Die Steuereinheit kann als Hardware und/oder Software implementiert sein und kann zum Beispiel einen Prozessor sowie ein Speichermedium umfassen, wobei das Speichermedium Programmbefehle enthält, die von dem Prozessor ausgeführt werden können, um die hier beschriebene Funktionalität bereitzustellen und insbesondere die beschriebenen Verfahrensschritte auszuführen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit weitere analoge und/oder digitale elektronische Schaltungen umfassen. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, geeignet kommutierte Antriebssignale für den elektronisch kommutierten Gleichstrommotor bereitzustellen, um den Rotor zu bewegen. Hierzu kann die Steuereinheit beispielsweise eine Spannungs- und/oder Stromquelle aufweisen und/oder dazu eingerichtet sein, eine solche Quelle zu steuern, beispielsweise mittels einer Brückenschaltung. Die Steuereinheit kann insbesondere dazu eingerichtet sein, eine Amplitude, ein Pulsweitenmodulations-Tastverhältnis, ein Vorzeichen und/oder eine Dauer der Antriebssignale zu steuern.
Die Steuereinheit ist vorzugsweise dazu eingerichtet, Antriebssignale für den elektronisch kommutierten Gleichstrommotor zu kommutieren. Hierzu kann die Steuereinheit beispielsweise dazu eingerichtet sein, ein Trigger- oder Schaltsignal für eine Brückenschaltung zu erzeugen, die eine Anzahl von Schaltern aufweist und dazu eingerichtet ist, mittels der Schalter eine Eingangsspannung zu kommutieren. Die Brückenschaltung kann beispielsweise eine Sechspuls-Brückenschaltung (B6-Brückenschaltung) mit sechs Schaltern zum Ansteuern eines dreiphasigen BLDC-Motors oder zwei H-Brücken mit jeweils vier Schaltern zum Ansteuern eines bipolaren Schrittmotors umfassen. Vorzugsweise sind die Schalter als Halbleiterschalter ausgebildet. In manchen Ausführungsformen kann die Brückenschaltung zudem eine oder mehrere Freilaufdioden umfassen, die jeweils parallel zu einem der Schalter geschaltet sind.
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 Vorrichtung mit einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor gemäß einem Beispiel;
2a: einen Stellantrieb mit einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor gemäß einem Beispiel in einer Explosionsdarstellung;
2b: den Stellantrieb aus 2a in einer Draufsicht;
2c: den Stellantrieb aus 2a in einer perspektivischen Ansicht;
3: ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors gemäß einem Beispiel;
4: ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Drehen eines Rotors eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors in einem ersten Betriebsmodus gemäß einem Beispiel;
5: einen Verlauf einer Geschwindigkeit des Rotors während des Verfahrens aus 4 gemäß einem Beispiel; und
6: ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors gemäß einem weiteren Beispiel.

BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt eine Vorrichtung 100 gemäß einem Beispiel, mit der das erfindungsgemä-ße Verfahren zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors implementiert werden kann, zum Beispiel die unten in Bezug auf 3, 4 und 6 beschriebenen Verfahren 300 und 600. Die Vorrichtung 100 kann beispielsweise Teil eines erfindungsgemäßen Stellantriebs sein, zum Beispiel Teil des Stellantriebs 200 aus 2a-c.
Die Vorrichtung 100 umfasst einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor 102, in diesem Beispiel einen dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC-Motor). Der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor 102 weist einen äußeren Stator 104 und einen beweglich gelagerten inneren Rotor 106 auf. Der Rotor 106 umfasst einen oder mehrere Permanentmagnete 108 und kann mit anderen beweglichen Elementen (nicht gezeigt) mechanisch gekoppelt sein, zum Beispiel mit einem Stellglied wie einem Ventil, beispielsweise einem Ventil einer Klimatisierungseinheit eines Kraftfahrzeugs, oder einer Klappe, beispielsweise einer Klappe einer Lüftungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs. Der Stator 104 weist drei Phasenwicklungen 110 auf, von denen jeweils ein Ende über einen Sternpunkt 112 mit den anderen Phasenwicklungen 110 verbunden ist. In anderen Ausgestaltungen der Vorrichtung 100 können die Phasenwicklungen 110 auch über eine Dreiecksschaltung verbunden sein oder einzeln ansteuerbar sein.
Zur Steuerung des Motors umfasst die Vorrichtung eine Steuereinheit 114, eine Spannungsquelle 116 und eine Brückenschaltung 118. Im Beispiel der 1 sind diese als getrennte Einheiten dargestellt. In anderen Ausgestaltungen können die Steuereinheit 114, die Spannungsquelle 116 und/oder die Brückenschaltung 118 aber auch in einer Einheit integriert sein. Die Steuereinheit 114 ist dazu eingerichtet, die Ströme durch die Phasenwicklungen 110 mittels der Spannungsquelle 116 und/oder der Brückenschaltung 118 so zu regeln, dass ein zeitabhängiges Magnetfeld erzeugt wird, welches den Rotor 106 in Bewegung versetzt. Durch Regelung der Ströme kann die Motorbewegung kontrolliert werden. Die Spannungsquelle kann dazu eingerichtet sein, mittels Pulsweitenmodulation (PWM) elektrische Spannungspulse mit einem variablen Tastverhältnis als Versorgungsspannung für die Phasenwicklungen 110 zu erzeugen. In einem anderen Beispiel kann die Vorrichtung 100 alternativ eine regelbare Gleichspannungsquelle umfassen, die dazu eingerichtet ist, eine oder mehrere variable Gleichspannungen als Versorgungsspannung bereitzustellen, und/oder die Vorrichtung 100 und insbesondere die Steuereinheit 114 kann dazu eingerichtet sein, mittels der Brückenschaltung 118 eine Pulsweitenmodulation der Versorgungsspannung durchzuführen.
Die Spannungsquelle 116 ist über die Brückenschaltung 118 mit den Phasenwicklungen 110 verbunden, wobei die Brückenschaltung 118 dazu eingerichtet ist, das von der Spannungsquelle 116 bereitgestellte Versorgungsspannung zu kommutieren, beispielsweise auf Basis eines von der Steuereinheit 114 erzeugten Trigger- oder Steuersignal. Ein Ausgang der Spannungsquelle 116 ist mit einem Eingang 120 der Brückenschaltung 118 verbunden, um die Versorgungsspannung anzulegen, zum Beispiel PWM-Spannungspulse.
Ein Ausgang 122 der Brückenschaltung 118 ist mit einem Erdungskontakt 124 verbunden. Über eine Reihe von Eingangsschaltern 126 kann der Eingang 120 jeweils mit demjenigen Ende einer Phasenwicklung 110 verbunden werden, welches nicht mit dem Sternpunkt 112 verbunden ist. In gleicher Weise kann das entsprechende Ende mittels einer Reihe von Ausgangsschaltern 128 an den Ausgang 122 gekoppelt werden. Die Eingangs- und Ausgangsschalter 126, 128 sind bevorzugt als Halbleiterschalter, insbesondere als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), ausgebildet. Bevorzugt umfasst die Brückenschaltung 118 ferner Freilaufdioden (nicht gezeigt), die jeweils parallel zu einem der Schalter 126, 128 geschaltet sind. Die Freilaufdioden sind dazu eingerichtet, in Richtung des Ausgangs 122 zu sperren und in Richtung des Eingangs 120 zu leiten.
Die Steuereinheit 114 ist dazu eingerichtet, die Eingangsschalter 126 und die Ausgangsschalter 128 geeignet anzusteuern, um die am Eingang 120 anliegende Versorgungsspannung zu kommutieren. Dafür können zum Beispiel die Phasenwicklungen 110 sukzessive paarweise mit dem Eingang 120 bzw. Ausgang 122 verbunden werden, so dass jeweils ein Phasenwicklungspaar über den Sternpunkt 112 in Reihe zwischen den Eingang 120 und den Ausgang 122 geschaltet ist und bei jeder Kommutierung auf ein anderes Phasenwicklungspaar umgeschaltet wird.
Für die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors weist die Steuereinheit 114 einen Analog-Digital-Wandler 130 und einen Mikrocontroller 132 auf. Der Mikrocontroller 132 umfasst einen Prozessor, zum Beispiel eine Central Processing Unit (CPU), eine Graphics Processing Unit (GPU), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) und/oder ein Field Programmable Gate Array (FPGA), sowie ein nichtflüchtiges Speichermedium, wobei das Speichermedium Programmbefehle enthält, die von dem Prozessor ausgeführt werden können, um die hier beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Insbesondere ist der Mikrocontroller 132 dazu eingerichtet, eines oder mehrere der im Folgenden in Bezug auf die 3, 4 und 6 beschriebene Verfahren 300, 600 ganz oder in Teilen auszuführen.
Der Analog-Digital-Wandler 130 ist dazu eingerichtet, ein oder mehrere analoge Eingangssignale in entsprechende digitale Signale umzuwandeln, beispielsweise analoge Messsignale von Spannungsmessgeräten 134 und/oder einem Messgerät 138. Hierzu kann der Analog-Digital-Wandler 130 zum Beispiel eine Sample-and-Hold-Schaltung aufweisen. In einem Beispiel kann der Analog-Digital-Wandler 130 eine Auflösung von 12 Bit aufweisen. Die Steuereinheit 114 kann ferner eine Verstärkerschaltung (nicht gezeigt) umfassen, um das analoge Eingangssignal vor der Umwandlung zu verstärken.
Die Spannungsmessgeräte 134 sind jeweils dazu eingerichtet, die an einer der Phasenwicklungen 110 anliegende Spannung zu messen. Hierzu ist jeweils ein Eingang jedes Spannungsmessgeräts 134 mit dem Sternpunkt 112 verbunden und ein anderer Eingang mit dem mit der Brückenschaltung 118 verbundenen Ende der entsprechenden Phasenwicklung 110. In anderen Ausführungsformen können die Spannungsmessgeräte 134 beispielsweise dazu eingerichtet sein, jeweils die an der entsprechenden Phasenwicklung 110 anliegende Spannung gegenüber einem virtuellen Sternpunkt (nicht gezeigt) zu messen. Mittels der Spannungsmessgeräte 134 kann die Steuereinheit 114 beispielsweise die in einer unbestromten Phasenwicklung 110 induzierte Spannung bestimmen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung 100 auch ein weiteres Messgerät 138 aufweisen, das zum Beispiel dazu eingerichtet ist, einen Strom durch einen Shunt-Widerstand 136 zu messen, der sich zwischen dem Ausgang 122 der Brückenschaltung 118 und dem Erdungskontakt 124 befindet. Das Messgerät 138 kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, die über den Shunt-Widerstand 136 abfallende Spannung zu messen. Mittels des Messgeräts 138 kann die Steuereinheit 114 zum Beispiel den durch ein bestromtes Phasenwicklungspaar 110 fließenden Strom bestimmen. In anderen Beispielen kann das Messgerät 138 auch dazu eingerichtet sein, Ströme in Zweigen der Brückenschaltung und/oder in den Zuleitungen zwischen der Brückenschaltung 118 und den Phasenwicklungen 110 zu messen.
Der Mikrocontroller 132 ist dazu eingerichtet, Steuersignale für die Spannungsquelle 116 und/oder die Brückenschaltung 118 zu erzeugen, beispielsweise um eine Kommutierung wie oben beschrieben durchzuführen. Der Mikrocontroller 132 ist insbesondere dazu eingerichtet, eine Zwangskommutierung der Antriebssignale zu vorgegebenen Zeiten unabhängig von einer Lage des Rotors 108 durchzuführen. Der Mikrocontroller 132 ist ferner dazu eingerichtet, eine sensorlose Kommutierung der Antriebssignale abhängig von einem elektrischen Signal an einer Phasenwicklung durchzuführen.
Der Mikrocontroller 132 kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, die sensorlose Kommutierung abhängig von einem Nulldurchgang einer mittels der Spannungsmessgeräte 134 gemessenen induzierten Spannung in einer unbestromten Phasenwicklung durchzuführen. Hierzu kann die Vorrichtung 100 und insbesondere die Steuereinheit 114 in manchen Ausführungsformen auch eine Komparatorschaltung (nicht gezeigt) aufweisen, die dazu eingerichtet ist, Nulldurchgänge der von den Spannungsmessgeräten 134 gemessenen Spannungen zu detektieren. Die Nulldurchgänge der in einer unbestromten Phasenwicklung 110 induzierten Spannung können bei einer bestimmten Drehwinkelstellung des Rotors 106 auftreten und somit Rückschlüsse auf die Drehwinkelstellung des Rotors 106 und damit eine auf die Rotorlage abgestimmte, synchrone Kommutierung erlauben.
Alternativ oder zusätzlich kann der Mikrocontroller 132 auch dazu eingerichtet sein, die sensorlose Kommutierung abhängig von einem mittels des Messgeräts 138 gemessenen Strom durch die Phasenwicklungen 110 durchzuführen, beispielsweise abhängig von charakteristischen Kurvenpunkten wie Extrema und/oder Wendepunkten in dem Stromverlauf und/oder dem Erreichen eines oder mehrere Schwellenwerte durch den Strom.
2a, 2b und 2c zeigen eine beispielhafte Ausgestaltung eines Stellantriebs 200 gemäß der Erfindung. Der Stellantrieb 200 ist in 2a in einer Explosionsdarstellung gezeigt, in 2b in einer Draufsicht ohne den Deckel 208B und in 1C in einer perspektivischen Ansicht, wobei das Gehäuse 208 nur teilweise als Schnittansicht dargestellt ist.
Der Stellantrieb 200 umfasst eine Vorrichtung mit einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor 102 mit einem Stator 104 und einem Rotor 106 und einer Steuereinheit 114 ähnlich der Vorrichtung 100 aus 1, wobei entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor 102 ist in diesem Beispiel ebenfalls als bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor) ausgebildet, wobei der Rotor 106 einen als Permanentmagnet ausgebildeten Rotormagneten (nicht gezeigt) und der Stator 104 drei Phasenwicklungen 110 aufweist.
Der Stellantrieb 200 umfasst ferner ein Getriebe 202, welches den Rotor 106 mechanisch mit einem Abtriebsrad 204 koppelt. Der Stator 104 und der Rotor 106 sind zusammen mit dem Getriebe 202 und dem Abtriebsrad 204 in einem Gehäuse 208 mit einer Gehäuseschale 208A und einem Deckel 208B angeordnet. Das Getriebe 202 ist als Untersetzungsgetriebe mit einem Antriebsrad 202-1 des Rotors 106 sowie drei Doppelzahnrädern 202-2, 202-3, 202-4 als Zwischenräder ausgebildet und ist dazu eingerichtet, eine Drehbewegung des Rotors 106 auf das Abtriebsrad 204 zu übertragen. Das Abtriebsrad 204 ist mittels eines Führungselements 210 in dem Gehäuse 208 um eine Drehachse 212 drehbar gelagert. Ferner ist das Abtriebsrad 204 einteilig mit einer als Hohlwelle ausgebildeten Abtriebswelle ausgeformt. Dabei ist die Abtriebswelle zum Verbinden mit einem Stellglied (nicht gezeigt) als Last über eine Öffnung in der Gehäuseschale 208A eingerichtet und weist hierzu an ihrem Innenumfang ein entsprechendes Mitnahmeprofil auf. Der Stellantrieb 200 kann beispielsweise als Ventilsteller eingesetzt werden und dazu eingerichtet sein, einen Ventilregler wie beispielsweise einen Ventilstift oder eine Ventilklappe zu bewegen.
Ferner ist über dem Stator 104 liegend eine Leiterplatte oder Platine 214 mit der Steuereinheit 114 und einem Positionssensor 216 angeordnet. Die Steuereinheit 114 ist ähnlich der oben beschriebenen Steuereinheit der Vorrichtung 100 ausgebildet und ist dazu eingerichtet, den dreiphasigen BLDC-Motor 102 anzusteuern und insbesondere geeignet kommutierte Antriebssignale für die Phasenwicklungen 110 bereitzustellen. Die Steuereinheit 114 ist ferner dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren nach einer der hier beschriebenen Ausführungsformen auszuführen, zum Beispiel die unten beschriebenen Verfahren 300 und/oder 600.
Der Positionssensor 216 ist mit der Steuereinheit 114 verbunden und auf der Platine 214 über dem Abtriebsrad 204 angeordnet, so dass die Drehachse 212 sich durch den Positionssensor 216 hindurch erstreckt. Der Positionssensor 216 ist dazu eingerichtet, eine Drehwinkelstellung des Abtriebsrads 204 um die Drehachse 212 zu bestimmen. Hierzu ist auf einer Stirnseite des Abtriebsrads 204 ein scheibenförmiger Permanentmagnet 218, zum Beispiel ein gespritzter oder gepresster Seltenerdmagnet wie etwa ein kunststoffgebundener Neodym-Eisen-Bor-Magnet (NdFeB), befestigt. Der Magnet 218 ist in einer Vertiefung in der Stirnseite des Abtriebsrads 204 angeordnet, so dass die Drehachse 212 sich durch den Magneten 218 hindurch erstreckt. Der Positionssensor 216 umfasst einen Magnetfeldsensor, beispielsweise einen zwei-dimensionalen oder drei-dimensionalen Hall-Sensor, der dazu eingerichtet ist, eine Stärke des von dem Magneten 218 erzeugten Magnetfeld entlang zwei bzw. drei Raumrichtungen zu bestimmen. Die Steuereinheit 114 ist dazu eingerichtet, anhand eines von dem Positionssensor 216 übermitteln Sensorsignals die Drehwinkelstellung des Abtriebsrads 204 zu ermitteln, zum Beispiel mittels einer entsprechenden Kalibrierungskurve. In einigen Ausführungsformen kann der Stellantrieb 200 den Positionssensor 216 und den Magneten 218 nicht umfassen.
Über eine Öffnung 214A in der Leiterplatte 214 ist das Antriebsrad 202-1 des Rotors 106 mit den Zwischenrädern 202-2, 202-3, 202-4 des Getriebes 202 und darüber mit dem Abtriebsrad 204 gekoppelt. Die drei Zwischenräder 202-2, 202-3, 202-4 sind auf der dem Stator 104 gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 214 liegend angeordnet. Das Zwischenrad 202-4 kämmt mit dem Abtriebsrad 204, welches auf derselben Seite der Leiterplatte 214 wie der Stator 104 liegend im Gehäuse 208 angeordnet ist.
3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 300 zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors mit einem Rotor und einem Stator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren 300 kann beispielsweise mit der Vorrichtung 100 aus 1 oder dem Stellantrieb 200 aus 2a-c durchgeführt werden, die im Folgenden zur beispielhaften Illustration des Verfahrens 300 herangezogen werden. Insbesondere kann das Verfahren 300 ganz oder in Teilen von der Steuereinheit 114 der Vorrichtung 100 oder des Stellantriebs 200 ausgeführt werden.
Das Verfahren 300 umfasst, in Schritt 302, das Empfangen eines Verfahrwegs, um den der Rotor 106 gedreht werden soll. Der Verfahrweg kann beispielsweise von einem externen Steuergerät an die Steuereinheit 114 übermittelt werden und kann zum Beispiel eine Drehwinkeländerung des Rotors 106, insbesondere eine Anzahl von Umdrehungen des Rotors 106, sowie eine Soll-Drehrichtung für den Rotor 106 angeben. In manchen Ausgestaltungen kann die Drehwinkeländerung des Rotors 106 beispielsweise durch eine Anzahl von durchzuführenden Kommutierungsschritten angegeben sein.
In Schritt 304 wird ein Betrag des in Schritt 302 empfangenen Verfahrwegs mit einem Schwellenwert verglichen, der beispielsweise in einem Speicher der Steuereinheit 114 hinterlegt sein kann. Der Schwellenwert kann ein konstanter Wert sein oder kann zum Beispiel von einer mit dem Rotor 106 gekoppelten Last und/oder einer Dämpfung des Rotors 106 abhängig sein. Ist der Betrag des Verfahrwegs kleiner als der Schwellenwert, wird das Verfahren mit Schritt 306 fortgesetzt. Ist der Betrag des Verfahrwegs größer oder gleich dem Schwellenwert, wird das Verfahren 300 mit Schritt 308 fortgesetzt.
In Schritt 306 wird der Rotor 106 in einem ersten Betriebsmodus um den Verfahrweg gedreht, d.h. beispielsweise indem die durch den Verfahrweg vorgegebene Anzahl von Kommutierungsschritten durchgeführt wird. In Schritt 308 wird der Rotor 106 stattdessen in einem zweiten Betriebsmodus um den Verfahrweg gedreht, wobei der erste Betriebsmodus und der zweite Betriebsmodus sich zumindest abschnittsweise in dem verwendeten Kommutierverfahren für den elektronisch kommutierten Gleichstrommotor 102 und/oder in einer Drehrichtung des Rotors 106 unterscheiden, beispielsweise wie im Folgenden in Bezug auf 4 oder 6 ausgeführt.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Drehen des Rotors 106 des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors 102 in dem ersten Betriebsmodus gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung. Das in 4 gezeigte Verfahren kann beispielsweise in Schritt 306 des Verfahrens 300 ausgeführt werden. Dabei wird der Rotor 106 in den Schritten 306A-306D um einen Mindestbetrag in einer umgekehrten Drehrichtung bewegt, die der durch den Verfahrweg vorgegebenen Soll-Drehrichtung entgegengesetzt ist. In den Schritten 306E-306H wird der Rotor um den Mindestbetrag und den Betrag des Verfahrwegs in der Soll-Drehrichtung bewegt. Ein beispielhafter Verlauf 500 der Geschwindigkeit des Rotors 106 als Funktion der Zeit während der Schritte 306A-306D bzw. 306E-306H ist in 5 dargestellt. Das Verfahren ist nicht auf die durch das Flussdiagramm in 4 angedeutete Abfolge der Schritte 306A-306H beschränkt. Soweit technisch möglich, können die Schritte 306A-306H in einer beliebigen Reihenfolge und auch zumindest teilweise gleichzeitig ausgeführt werden. Insbesondere können beispielsweise die Schritte 306E-306H entweder vor oder auch nach den Schritten 306A-306D ausgeführt werden und/oder die Schritte 306B und 306C bzw. 306F und 306G gleichzeitig ausgeführt werden.
Um den Rotor 106 um den Mindestbetrag in der umgekehrten Drehrichtung zu bewegen, wird der Rotor 106 zunächst in Schritt 306A in einem ersten oder Anfahr-Zeitraum 502 mittels Zwangskommutierung in die umgekehrte Drehrichtung beschleunigt, beispielsweise aus dem Stillstand ausgehend von einer Startposition, in der der Rotor 106 zuvor angehalten wurde. Bei der Zwangskommutierung werden die Antriebsignale für die Phasenwicklung 110 von der Steuereinheit 114 mittels der Brückenschaltung 118 zu vorgegebenen Zeiten unabhängig von der Lage des Rotors 106 kommutiert, beispielsweise mit einer in dem Speicher der Steuereinheit 114 hinterlegten ersten oder Anfahr-Kommutierungsfrequenz. Die Anzahl der Kommutierungsschritte im Anfahr-Zeitraum 502, die Amplitude und/oder das Tastverhältnis der von der Spannungsquelle 116 bereitgestellten Versorgungsspannung sowie die Anfahr-Kommutierungsfrequenz sind so gewählt, dass der Rotor 106 am Ende des Anfahr-Zeitraums 502 zum Zeitpunkt t₁ eine erste Geschwindigkeit V₁ erreicht, die beispielsweise zwischen 800 min^-1 und 2000 min^-1 betragen kann. Die erste Geschwindigkeit V₁ ist bevorzugt ausreichend groß, so dass zum Beispiel Nulldurchgänge der durch den Rotor 106 in der jeweils unbestromten Phasenwicklung 110 induzierten Spannung von der Steuereinheit 114 zuverlässig erkannt werden können, um eine auf die Rotorlage abgestimmte sensorlose Kommutierung durchführen zu können. In einem Beispiel umfasst der Anfahr-Zeitraum 502 zwischen 2 und 10 Kommutierungsschritte.
Anschließend wird in Schritt 306B das Kommutierverfahren auf eine sensorlose Kommutierung umgestellt, mittels derer der Rotor 106 in einem zweiten Zeitraum 504 weiter in die umgekehrte Drehrichtung bewegt wird. Dabei werden die Antriebsignale für die Phasenwicklungen 110 von der Steuereinheit 114 mittels der Brückenschaltung 118 abhängig von einem elektrischen Signal an den Phasenwicklungen 110 kommutiert. Das elektrische Signal kann insbesondere wie oben beschrieben die induzierte Spannung in der jeweils unbestromten Phasenwicklung 110 sein und die Antriebssignale für die Phasenwicklungen 110 abhängig von einem Nulldurchgang der induzierten Spannung kommutiert werden. Während des zweiten Zeitraums 504 kann der Rotor 106 in einigen Ausführungsformen wie in 5 gezeigt weiter beschleunigt werden bis auf eine zweite Geschwindigkeit v₂ am Ende des zweiten Zeitraums 504 zum Zeitpunkt t₂, wobei die zweite Geschwindigkeit beispielsweise zwischen 1000 min^-1 und 5000 min^-1 betragen kann.
In Schritt 306C wird der Rotor 106 dann in einem dritten Zeitraum 506 auf eine Abbremsgeschwindigkeit v₃ abgebremst, die der Rotor 106 beispielsweise am Ende des dritten Zeitraums 506 zum Zeitpunkt t₃ erreicht. Die Abbremsgeschwindigkeit ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass eine sensorlosen Kommutierung beispielsweise anhand der Nulldurchgänge der induzierten Spannung bei der Abbremsgeschwindigkeit gerade noch zuverlässig durchgeführt werden kann, aber die Abbremsgeschwindigkeit ausreichend gering ist, so dass der Rotor 106 ohne Nachdrehen angehalten werden kann. Die Abbremsgeschwindigkeit kann zum Beispiel kleiner oder gleich der ersten Geschwindigkeit V1 sein und kann beispielsweise zwischen 600 min^-1 und 1200 min^-1 betragen.
Zum Abbremsen des Rotors 106 wird der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor 102 vorzugsweise in einem aktiven Freilauf betrieben, in dem die Phasenwicklungen 110 während jedes Kommutierungsschrittes mehrfach zwischen einer Motorkonfiguration und einer Generatorkonfiguration umgeschaltet werden. In der Generatorkonfiguration kann den Phasenwicklungen 110 elektrische Energie entzogen werden, die durch das von dem Rotor 106 erzeugte Magnetfeld in den Phasenwicklungen 110 induziert wird, und somit dem Rotor 106 kinetische Energie entzogen werden. Die Phasenwicklungen 110 können in der Generatorkonfiguration beispielsweise mittels der Brückenschaltung 118 mit einem Kondensator gekoppelt werden, um die den Phasenwicklungen 110 entzogene Energie zwischenzuspeichern.
Ein entsprechendes Verfahren ist beispielsweise aus der DE 10 2014 116 689 A1 bekannt und kann mittels der Schalter 126, 128 und den Freilaufdioden in der Brückenschaltung 118 implementiert werden. Dabei können die Phasenwicklungen 110 beispielsweise innerhalb eines Kommutierungsschritts zeitweise mittels der Eingangsschalter 126 von der Spannungsquelle 116 getrennt werden. Der Strom durch die Phasenwicklungen 110 kann dann über eine Freilaufdiode parallel zu dem entsprechenden Ausgangsschalter 128 weiterfließen. Aufgrund der von dem Rotor 106 induzierten Spannung kann die Richtung des Stroms wechseln und die Phasenwicklungen 110 können nach dem Richtungswechsel mittels der Eingangsschalter 126 wieder mit der Spannungsquelle 116 und/oder dem Kondensator gekoppelt werden, beispielsweise um den Kondensator durch den von den Phasenwicklungen 110 getriebenen Strom aufzuladen. Hierdurch kann vorteilhafterweise die dem Rotor 106 beim Abbremsen entzogene Energie zumindest teilweise rekuperiert werden und beispielsweise genutzt werden, um anschließend die Antriebssignale für den Rotor 106 bereitzustellen und damit den Energiebedarf des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors 102 zu senken.
In manchen Ausführungsformen können die Schritte 306B und 306C miteinander kombiniert werden und der Rotor 106 beispielsweise unmittelbar nach Umschalten auf die sensorlose Kommutierung auf die Abbremsgeschwindigkeit v₃ abgebremst werden. Entsprechend können der zweite und der dritte Zeitraum 504, 506 zu einem Zeitraum zusammengefasst sein.
In Schritt 306D wird der Rotor 106 ausgehend von der Abbremsgeschwindigkeit v₃ an einer Zielposition angehalten, sobald der Rotor 106 um den Mindestbetrag gedreht wurde. Hierzu kann die Steuereinheit 114 beispielsweise die Geschwindigkeit des Rotors 106 und/oder die Anzahl der durchgeführten Kommutierungsschritte in den Schritten 306A-306D bestimmen, um eine Stellung des Rotors 106 zu ermitteln und mit der Startposition des Rotors 106 zu vergleichen. Um den Rotor 106 in der Zielposition anzuhalten, kann die Steuereinheit 114 mittels der Brückenschaltung 118 ein Paar der Phasenwicklungen 110 mit einem konstanten Haltestrom bestromen. Die Abbremsgeschwindigkeit v₃ ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass der Rotor 106 in der durch die Bestromung der Phasenwicklungen 110 vorgegebene Gleichgewichtslage zum Stillstand kommt ohne eine weitere vollständige Umdrehung zu durchlaufen. Der Mindestbetrag ist vorzugsweise gleich dem Schwellenwert und kann beispielsweise einer Drehung um eine vorgegebene Zahl von Kommutierungsschritten entsprechen, die zwischen 20 und 200 Kommutierungsschritten, in einem Beispiel zwischen 30 und 100 Kommutierungsschritten liegt.
Nachdem der Rotor 106 an der Zielposition zum Stillstand gekommen ist, wird die Drehrichtung des Rotors 106 umgedreht und der Rotor 106 in den Schritten 306E-306H in gleicher Weise in die Soll-Drehrichtung zurückbewegt. Der Rotor 106 wird in die Soll-Drehrichtung um die Summe aus dem Mindestbetrag und dem Betrag des Verfahrwegs bewegt, so dass der Rotor in Schritt 306 insgesamt gerade um den Betrag des Verfahrwegs gedreht wird. Hierzu wird der Rotor in Schritt 306E analog zu Schritt 306A mittels Zwangskommutierung in die Soll-Drehrichtung beschleunigt, in Schritt 306F analog zu Schritt 306B mittels sensorloser Kommutierung weiter in die Soll-Drehrichtung bewegt, in Schritt 306G analog zu Schritt 306C auf die Abbremsgeschwindigkeit abgebremst und in Schritt 306H analog zu Schritt 306D nach einer Drehung um den Mindestbetrag und den Betrag des Verfahrwegs in der Soll-Drehrichtung an einer entsprechenden Zielposition angehalten. Um den Rotor 106 um die Summe aus dem Mindestbetrag und den Betrag de Verfahrwegs zu drehen, kann die Steuereinheit 114 beispielsweise die Dauer der Bewegung mittels sensorloser Kommutierung in Schritt 306F gegenüber dem Schritt 306B verlängern.
Aufgrund der gegenüber dem tatsächlichen Verfahrweg weiteren Drehung des Rotors 106 sowohl in die umgekehrte Drehrichtung in den Schritten 306A-306D als auch in die Soll-Drehrichtung in den Schritten 306E-306H ist jeweils ein ausreichend großer Verfahrweg gegeben, um den Rotor 106 zunächst mit hoher Beschleunigung aus dem Stillstand anfahren zu können und anschließend auf die Abbremsgeschwindigkeit v₃ abbremsen zu können, so dass der Rotor 106 in der jeweiligen Zielposition ohne Nachdrehen zum Stillstand gebracht werden kann. Dadurch ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren selbst bei kleinen Verfahrwegen eine hohe Positioniergenauigkeit.
Ist der Betrag des Verfahrwegs größer oder gleich dem Schwellenwert, kann der Rotor in Schritt 308 in dem zweiten Betriebsmodus beispielsweise ähnlich den Schritten 306E-306H durch anfängliche Zwangskommutierung und anschließende sensorlosen Kommutierung um den Betrag des Verfahrwegs in die Soll-Drehrichtung gedreht werden, ohne den Rotor 106 zunächst in die umgekehrte Drehrichtung zu bewegen.
6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 600 zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors gemäß einem weiteren Beispiel. Das Verfahren 600 ist ähnlich dem Verfahren 300 und kann beispielsweise mit der Vorrichtung 100 aus 1 oder dem Stellantrieb 200 aus 2a-c durchgeführt werden, die im Folgenden zur beispielhaften Illustration des Verfahrens 600 herangezogen werden. Insbesondere kann das Verfahren 600 ganz oder in Teilen von der Steuereinheit 114 der Vorrichtung 100 oder des Stellantriebs 200 ausgeführt werden.
Das Verfahren 600 umfasst ähnlich dem Verfahren 300 das Empfangen eines Verfahrwegs, um den der Rotor 106 gedreht werden soll, in Schritt 602, das Vergleichen eines Betrags des Verfahrwegs mit einem Schwellenwert in Schritt 604 sowie das Drehen des Rotors in einem ersten oder zweiten Betriebsmodus abhängig davon, ob der Verfahrweg größer oder kleiner als der Schwellenwert ist.
Das Verfahren 600 unterscheidet sich von dem Verfahren 300 im Wesentlichen in dem ersten Betriebsmodus, in dem der Rotor 106 in den Schritten 606-610 um den Verfahrweg gedreht wird, wenn der Betrag des Verfahrwegs kleiner als der Schwellenwert ist. Anstelle eines differenziellen Drehens des Rotors 106 in entgegengesetzte Richtungen wie bei dem Verfahren 300 wird der Rotor 106 bei dem Verfahren 600 nur in die Soll-Drehrichtung gedreht, wobei der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor 102 über den gesamten Verfahrweg mittels Zwangskommutierung betrieben wird.
Hierzu wird der Rotor 106 zunächst in Schritt 606 mittels Zwangskommutierung mit einer ersten oder Anfahr-Kommutierungsfrequenz aus dem Stillstand in die Soll-Drehrichtung beschleunigt, zum Beispiel ähnlich dem Schritt 306A des Verfahrens 300. Die Anzahl der Kommutierungen in Schritt 606, die Amplitude und/oder das Tastverhältnis der von der Spannungsquelle 116 bereitgestellten Versorgungsspannung sowie die Anfahr-Kommutierungsfrequenz können beispielsweise so gewählt werden, dass der Rotor 106 in Schritt 606 die erste Geschwindigkeit V1 erreicht, die beispielsweise zwischen 800 min^-1 und 2000 min^-1 betragen kann.
Anschließend wird der Rotor 106 in Schritt 608 mittels Zwangskommutierung mit einer von der ersten Kommutierungsfrequenz verschiedenen zweiten Kommutierungsfrequenz weiter in die Soll-Drehrichtung bewegt. Die zweite Kommutierungsfrequenz ist bevorzugt kleiner als die erste Kommutierungsfrequenz und kann beispielsweise so gewählt werden, dass der Rotor 106 in Schritt 608 auf die Abbremsgeschwindigkeit v₃ abgebremst wird. Alternativ oder zusätzlich kann in Schritt 608 auch eine andere Amplitude und/oder ein anderes Tastverhältnisses für die von der Spannungsquelle 116 bereitgestellte Versorgungsspannung verwendet werden, um den Rotor 106 abzubremsen.
In Schritt 610 wird der Rotor 106 dann ausgehend von der Abbremsgeschwindigkeit v₃ an einer Zielposition angehalten, sobald der Rotor 106 um den Betrag des Verfahrwegs gedreht wurde, beispielsweise wie oben für Schritt 306D beschrieben.
Ist der Betrag des Verfahrwegs größer oder gleich dem Schwellenwert, wird der Rotor 106 in den Schritten 612-618 in einem zweiten Betriebsmodus um den Verfahrweg gedreht. Hierzu wird der Rotor 106 zunächst in Schritt 612 mittels Zwangskommutierung in die Soll-Drehrichtung aus dem Stillstand beschleunigt, beispielsweise ähnlich wie bei Schritt 306A im Zeitraum 502, zum Beispiel bis auf die erste Geschwindigkeit V₁. Anschließend wird der Rotor 106 in Schritt 614 mittels sensorloser Kommutierung weiter in die Soll-Drehrichtung bewegt, beispielsweise ähnlich wie bei Schritt 306B im Zeitraum 504, und in Schritt 616 auf die Abbremsgeschwindigkeit v₃ abgebremst, beispielsweise ähnlich wie bei Schritt 306C im Zeitraum 506. Sobald der Rotor 106 um den vorgegebenen Betrag des Verfahrwegs gedreht wurde, wird der Rotor 106 in Schritt 618 an der entsprechenden Zielposition angehalten, beispielsweise ähnlich wie bei Schritt 306D. Entsprechend kann der Verlauf der Geschwindigkeit des Rotors 106 während der Schritte 612-618 ähnlich dem in 5 gezeigten Verlauf 500 sein. Um den Verfahrweg des Rotors 106 anzupassen, kann beispielsweise die Länge des Zeitraums, in dem der Rotor in Schritt 614 mittels sensorloser Kommutierung bewegt wird, geeignet angepasst werden. Die Beschleunigung des Rotors 106 in Schritt 612 sowie das Abbremsen des Rotors auf die Abbremsgeschwindigkeit in Schritt 616 können dagegen in manchen Ausführungsformen unabhängig von dem Betrag des Verfahrwegs immer in gleicher Weise erfolgen, d.h. zum Beispiel unabhängig von dem Betrag des Verfahrwegs die gleiche Zahl von Kommutierungsschritten und/oder die gleiche Zeitdauer aufweisen.
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

100: Vorrichtung
102: elektronisch kommutierten Gleichstrommotor
104: Stator
106: Rotor
108: Rotormagnet
110: Phasenwicklungen
112: Sternpunkt
114: Steuereinheit
116: Spannungsquelle
118: Brückenschaltung
120: Eingang der Brückenschaltung
122: Ausgang der Brückenschaltung
124: Erdung
126: Eingangsschalter
128: Ausgangsschalter
130: Analog-Digital-Wandler
132: Mikrocontroller
134: Spannungsmessgeräte
136: Shunt-Widerstand
138: Messgerät
200: Stellantrieb
202: Getriebe
2021, 2022, 2023, 2024: Getrieberäder
204: Abtriebsrad
208: Gehäuse
208A: Gehäuseschale
208B: Gehäusedeckel
210: Führungselement
212: Drehachse
214: Platine
214A: Öffnung in der Platine
216: Positionssensor
218: Magnet
300: Verfahren zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors
302: Empfangen des Verfahrwegs
304: Vergleichen des Verfahrwegs mit dem Schwellenwert
306: Drehen des Rotors in dem ersten Betriebsmodus
308: Drehen des Rotors in dem zweiten Betriebsmodus
306A: Beschleunigen des Rotors mittels Zwangskommutierung in die umgekehrte Drehrichtung
306B: Bewegen des Rotors mittels sensorloser Kommutierung in die umgekehrte Drehrichtung
306C: Abbremsen des Rotors auf die Abbremsgeschwindigkeit
306D: Anhalten des Rotors nach Drehen um den Mindestbetrag
306E: Beschleunigen des Rotors mittels Zwangskommutierung in die Soll-Drehrichtung
306F: Bewegen des Rotors mittels sensorloser Kommutierung in die Soll-Drehrichtung
306G: Abbremsen des Rotors auf die Abbremsgeschwindigkeit
306H: Anhalten des Rotors nach Drehen um den Mindestbetrag und Betrag des Verfahrwegs
500: Geschwindigkeitsverlauf des Rotors
502: erster Zeitraum
504: zweiter Zeitraum
506: dritter Zeitraum
600: Verfahren zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors
602: Empfangen des Verfahrwegs
604: Vergleichen des Verfahrwegs mit dem Schwellenwert
606: Beschleunigen des Rotors in die Soll-Drehrichtung mittels Zwangskommutierung mit erster Kommutierungsfrequenz
608: Bewegen des Rotors in die Soll-Drehrichtung mittels Zwangskommutierung mit zweiter Kommutierungsfrequenz
610: Anhalten des Rotors nach Drehen um Verfahrweg
612: Beschleunigen des Rotors mittels Zwangskommutierung in die Soll-Drehrichtung
614: Bewegen des Rotors mittels sensorloser Kommutierung in die Soll-Drehrichtung
616: Abbremsen des Rotors auf die Abbremsgeschwindigkeit
618: Anhalten des Rotors nach Drehen um den Verfahrwegs

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014116689 A1 [0064]

Claims

Verfahren (300, 600) zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors (102) mit einem Stator (104) und einem Rotor (106), wobei das Verfahren (300, 600) umfasst: Empfangen eines Verfahrwegs, um den der Rotor (106) gedreht werden soll; Vergleichen eines Betrags des Verfahrwegs mit einem Schwellenwert; und Drehen des Rotors (106) um den Verfahrweg, wobei der Rotor (106) in einem ersten Betriebsmodus gedreht wird, wenn der Betrag des Verfahrwegs kleiner als der Schwellenwert ist, und in einem zweiten Betriebsmodus gedreht wird, wenn der Betrag des Verfahrwegs größer als der Schwellenwert ist, wobei der erste Betriebsmodus und der zweite Betriebsmodus sich in einem Kommutierverfahren für den elektronisch kommutierten Gleichstrommotor (102) und/oder in einer Drehrichtung des Rotors (106) unterscheiden.
Verfahren (300) nach Anspruch 1, wobei das Drehen des Rotors (106) in dem ersten Betriebsmodus umfasst: Bewegen des Rotors (106) um einen Mindestbetrag in einer umgekehrten Drehrichtung, wobei die umgekehrte Drehrichtung einer durch den Verfahrweg vorgegebenen Soll-Drehrichtung entgegengesetzt ist; und Bewegen des Rotors (106) um den Mindestbetrag und den Betrag des Verfahrwegs in der Soll-Drehrichtung.
Verfahren (300) nach Anspruch 2, wobei der Rotor (106) in dem ersten Betriebsmodus zuerst in der umgekehrten Drehrichtung und anschließend in der Soll-Drehrichtung bewegt wird.
Verfahren (300) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Rotor (106) in dem zweiten Betriebsmodus nur in der Soll-Drehrichtung bewegt wird.
Verfahren (300) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor (102) wenigstens zwei Phasenwicklungen (110) aufweist und das Bewegen des Rotors (106) in dem ersten Betriebsmodus und das Bewegen des Rotors (106) in dem zweiten Betriebsmodus jeweils umfasst: Beschleunigen des Rotors (106) mittels Zwangskommutierung in einem ersten Zeitraum (502) der Bewegung, wobei bei der Zwangskommutierung Antriebssignale für die Phasenwicklungen (110) zu vorgegebenen Zeiten unabhängig von einer Rotorlage kommutiert werden; Bewegen des Rotors (106) mittels sensorloser Kommutierung in einem zweiten Zeitraum (504, 506) der Bewegung nach dem ersten Zeitraum (502), wobei bei der sensorlosen Kommutierung Antriebssignale für die Phasenwicklungen (110) abhängig von einem elektrischen Signal an einer Phasenwicklung (110) kommutiert werden; und Anhalten des Rotors (106) an einer jeweiligen Zielposition.
Verfahren (300) nach Anspruch 5, wobei das Bewegen des Rotors (106) in dem ersten Betriebsmodus und das Bewegen des Rotors (106) in dem zweiten Betriebsmodus weiterhin jeweils umfasst: Abbremsen des Rotors (106) auf eine Abbremsgeschwindigkeit (v3) mittels sensorloser Kommutierung vor dem Anhalten des Rotors (106) an der Zielposition.
Verfahren (300) nach Anspruch 6, wobei der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor (102) zum Abbremsen des Rotors (106) auf die Abbremsgeschwindigkeit (v₃) in einem aktiven Freilauf betrieben wird, in dem die Phasenwicklungen (110) während eines Kommutierungsschrittes zwischen einer Motorkonfiguration und einer Generatorkonfiguration umgeschaltet werden.
Verfahren (300) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Abbremsgeschwindigkeit (v₃) kleiner oder gleich einer Geschwindigkeit (v₁) des Rotors (106) am Ende des ersten Zeitraums (502) ist.
Verfahren (300) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das elektrische Signal für die sensorlose Kommutierung eine induzierte Spannung in einer unbestromten Phasenwicklung (110) ist und die Antriebssignale für die Phasenwicklungen (110) abhängig von einem Nulldurchgang der induzierten Spannung kommutiert werden.
Verfahren (300) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei das Anhalten des Rotors (106) an der jeweiligen Zielposition das Bestromen von Phasenwicklungen (110) mit einem konstanten Haltestrom umfasst.
Verfahren (300) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei der Mindestbetrag gleich dem Schwellenwert ist.
Verfahren (600) nach Anspruch 1, wobei: der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor (102) wenigstens zwei Phasenwicklungen (110) aufweist; das Drehen des Rotors (106) in dem ersten Betriebsmodus das Bewegen des Rotors (106) mittels Zwangskommutierung um den gesamten Betrag des Verfahrwegs umfasst, wobei bei der Zwangskommutierung Antriebssignale für die Phasenwicklungen (110) zu vorgegebenen Zeiten unabhängig von einer Rotorlage kommutiert werden; und das Drehen des Rotors (106) in dem zweiten Betriebsmodus das Bewegen des Rotors (106) mittels sensorloser Kommutierung umfasst, wobei bei der sensorlosen Kommutierung Antriebssignale für die Phasenwicklungen (110) abhängig von einem elektrischen Signal an einer Phasenwicklung (110) kommutiert werden.
Verfahren (600) nach Anspruch 12, wobei das Drehen des Rotors (106) in dem ersten Betriebsmodus umfasst: Beschleunigen des Rotors (106) mittels Zwangskommutierung mit einer ersten Kommutierungsfrequenz in einem ersten Zeitraum (502) der Bewegung; und Bewegen des Rotors (106) mittels Zwangskommutierung mit einer zweiten Kommutierungsfrequenz in einem zweiten Zeitraum (504, 506) der Bewegung nach dem ersten Zeitraum (502), wobei die zweite Kommutierungsfrequenz kleiner als die erste Kommutierungsfrequenz ist.
Verfahren (600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schwellenwert einem Verfahrweg des Rotors (106) bei einer vorgegebenen Zahl von Kommutierungsschritten entspricht und die vorgegebene Zahl von Kommutierungsschritten zwischen 20 und 200, bevorzugt zwischen 30 und 100 liegt.
Stellantrieb (200), umfassend: einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor (102) mit einem Stator (104) und einem Rotor (106); ein Abtriebsrad (204), welches mit dem Rotor (106) mechanisch gekoppelt ist und dazu eingerichtet ist, mit einem Stellglied mechanisch gekoppelt zu werden; und eine Steuereinheit (114), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren (300, 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.