DE102020134580A1 - Method for detecting a fault condition in an electronically commutated DC motor - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands bei einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor mit einem Stator, einem Rotor und einer Vielzahl von Phasenwicklungen sowie einen Stellantrieb, der einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor umfasst. Das Verfahren umfasst das Betreiben des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors mittels Zwangskommutierung, umfassend das Bereitstellen zwangskommutierter Antriebssignale für die Phasenwicklungen, wobei die zwangskommutierten Antriebssignale zu vorgegebenen Zeiten unabhängig von einer Rotorlage kommutiert werden; das Bestimmen, ob eine induzierte Spannung in einer unbestromten Phasenwicklung einen Nulldurchgang aufweist, während der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor mittels Zwangskommutierung betrieben wird; und das Bestimmen, ob ein Fehlerzustand vorliegt, abhängig davon, ob ein Nulldurchgang der induzierten Spannung in der unbestromten Phasenwicklung erkannt wurde.The invention relates to a method for detecting a fault condition in an electronically commutated DC motor with a stator, a rotor and a large number of phase windings, and an actuator which includes an electronically commutated DC motor. The method includes operating the electronically commutated DC motor by means of forced commutation, comprising providing forced commutated drive signals for the phase windings, the forced commutated drive signals being commutated at predetermined times independently of a rotor position; determining whether an induced voltage in a de-energized phase winding has a zero crossing while the electronically commutated DC motor is operated by forced commutation; and determining whether a fault condition exists based on whether a zero crossing of the induced voltage in the de-energized phase winding has been detected.

Description

GEBIETAREA

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands bei einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor sowie einen Stellantrieb, der einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor umfasst.The invention relates to a method for detecting a fault condition in an electronically commutated DC motor and an actuator that includes an electronically commutated DC motor.

HINTERGRUNDBACKGROUND

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.Actuators with small electric motors such as brushless direct current motors (BLDC motors) are used, among other things, in the automotive sector and in automation technology, for example as a drive for actuators such as flaps or valves, for example needle valves. For control and monitoring, such actuators can be equipped with sensors such as Hall sensors, in order to determine parameters such as the rotor position, the rotor speed or the position of an actuator coupled to the rotor. For reasons of cost or space, however, the installation of sensors is out of the question for many applications. In these cases, sensorless, brushless DC motors are used, which are particularly suitable for such applications due to their compact design and high efficiency.

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.However, with BLDC motors, it is not easy to implement sensorless operation, since these motors require commutation of electrical drive signals that is matched to the rotor position. Therefore, methods are required that allow indirect conclusions to be drawn about the rotor position. One such method is based on measuring the voltage induced by rotor motion in a phase winding of the motor in the de-energized state, often referred to as the back electromotive force (BEMF) or BEMF voltage. Depending on the motor geometry, the BEMF voltage has one or more characteristic zero crossings, where a zero crossing occurs when the rotor passes through a certain position. Such a zero crossing can thus be used to determine the point in time at which a moving rotor is in this position. This makes it possible to commutate the drive signals according to the rotor position.

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. Desweiteren sind Verfahren zur Bestimmung der Rotorlage bekannt, in welchen eine Induktivitätsvarianz der Phasenwicklungen gemessen wird. Diese Verfahren können jedoch oft nicht angewendet werden, weil beispielsweise die Motorgeometrie dafür ungeeignet ist.However, this method can only be used above a certain speed, since the induced voltage decreases as the speed decreases. It can therefore generally no longer be used below a speed of about 800 rpm to 1000 rpm. This is the case when the rotor accelerates from standstill, but also, for example, in the regular operation of low-speed brushless DC motors. In these situations, according to the prior art, the commutation is carried out blindly, ie independently of the rotor position. Furthermore, methods for determining the rotor position are known, in which an inductance variance of the phase windings is measured. However, these methods often cannot be used because, for example, the engine geometry is unsuitable for it.

Bei einer solchen Zwangskommutierung ist es aber im Gegensatz zu einer sensorgesteuerten Kommutierung oder einer sensorlosen Kommutierung auf Basis der BEMF-Spannung nicht ohne Weiteres möglich, eine Bewegung des Rotors zu detektieren. Somit kann beispielsweise eine Blockade des Rotors oder eines damit gekoppelten Stellglieds nicht oder erst spät erkannt werden. Dies kann zu einer Beschädigung des Rotors und/oder anderer Komponenten des Stellantriebs führen.In contrast to a sensor-controlled commutation or a sensorless commutation based on the BEMF voltage, however, with such a forced commutation it is not readily possible to detect a movement of the rotor. Thus, for example, a blockage of the rotor or of an actuator coupled thereto cannot be detected or can be detected only late. This can result in damage to the rotor and/or other actuator components.

ÜBERBLICKOVERVIEW

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands bei einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor anzugeben, mit dem auch bei einem Betrieb des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors mittels Zwangskommutierung eine Blockade erkannt werden kann.It is therefore an object of the invention to specify a method for detecting a fault condition in an electronically commutated direct current motor, with which a blockage can also be detected when the electronically commutated direct current motor is being operated by forced commutation.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands bei einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einen Stellantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved according to the invention by a method for detecting a fault condition in an electronically commutated DC motor having the features of claim 1 and an actuator having the features of claim 14. Developments of the invention are specified in the dependent claims.

Es wird ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands bei einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor vorgesehen, wobei der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor einen Stator, einen Rotor und eine Vielzahl von Phasenwicklungen aufweist. Das Verfahren umfasst das Betreiben des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors mittels Zwangskommutierung, umfassend das Bereitstellen zwangskommutierter Antriebssignale für die Phasenwicklungen, wobei die zwangskommutierten Antriebssignale zu vorgegebenen Zeiten unabhängig von einer Rotorlage kommutiert werden. Während der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor mittels Zwangskommutierung betrieben wird, wird bestimmt, ob eine induzierte Spannung in einer unbestromten Phasenwicklung einen Nulldurchgang aufweist. Abhängig davon, ob ein Nulldurchgang der induzierten Spannung in der unbestromten Phasenwicklung erkannt wurde, wird bestimmt, ob ein Fehlerzustand vorliegt.A method is provided for detecting a fault condition in an electronically commutated DC motor, the electronically commutated DC motor having a stator, a rotor and a plurality of phase windings. The method includes the operation of the electronically commutated DC motor by means of forced commutation, including the provision of forced commutated drive signals for the phase windings, the forced commutated drive signals being commutated at predetermined times independently of a rotor position. While the electronically commutated DC motor is operated by means of forced commutation, it is determined whether an induced voltage in a non-energized phase winding has a zero crossing. Depending on whether a zero crossing of the induced voltage in the de-energized phase winding has been detected, it is determined whether a fault condition exists.

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. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise ganz oder in Teilen von einer Steuereinheit des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors oder des Stellantriebs ausgeführt.The electronically commutated DC motor can in particular be an electronically commutated DC motor in an actuator, for example in the actuator according to the invention according to one of the embodiments described herein. Correspondingly, the rotor of the electronically commutated DC motor can be mechanically coupled, for example, to a driven wheel and/or to an actuator. The electronically commutated DC motor can be, for example, a brushless DC motor (BLDC motor) or a stepper motor. The method according to the invention is preferably carried out in whole or in part by a control unit of the electronically commutated DC motor or of the actuator.

Für die Zwangskommutierung können die Antriebssignale beispielsweise mit einer vorgegebenen Frequenz kommutiert werden, wobei die Frequenz konstant oder auch variabel sein kann, zum Beispiel um eine Geschwindigkeit des Rotors anzupassen. Die Zwangskommutierung kann beispielsweise dazu genutzt werden, um den Rotor aus dem Stillstand zu beschleunigen und/oder um den Rotor mit einer geringen Geschwindigkeit zu bewegen, die beispielsweise zu klein für eine zuverlässige sensorlose Kommutierung basierend auf der induzierten Spannung in der unbestromten Phasenwicklung sein kann. Die Antriebssignale können von der Steuereinheit bereitgestellt werden, beispielsweise durch Kommutierung einer Versorgungsspannung mittels einer Brückenschaltung wie unten beschrieben. Vorzugsweise wird der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor während des gesamten Verfahrens durchgängig mittels Zwangskommutierung betrieben.For the forced commutation, the drive signals can be commutated, for example, with a predetermined frequency, with the frequency being able to be constant or also variable, for example in order to adapt a speed of the rotor. The forced commutation can be used, for example, to accelerate the rotor from standstill and/or to move the rotor at a low speed which, for example, can be too small for reliable sensorless commutation based on the induced voltage in the de-energized phase winding. The drive signals can be provided by the control unit, for example by commutation of a supply voltage using a bridge circuit as described below. The electronically commutated direct current motor is preferably operated throughout the entire process by means of forced commutation.

Die induzierte Spannung in der unbestromten Phasenwicklung kann beispielsweise mittels eines Spannungsmessgerätes bestimmt werden, welches dazu eingerichtet ist, die Spannung zwischen Eingängen der entsprechenden Phasenwicklung zu messen. Bevorzugt wird die induzierten Spannung in jeder Phasenwicklung des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors gemessen, insbesondere während der Kommutierungsschritte, in denen die jeweilige Phasenwicklung unbestromt ist, d.h. zu den Zeitpunkten, zu denen keine externe Spannung an der Phasenwicklung anliegt. Der Nulldurchgang der induzierten Spannung kann beispielsweise mittels eines Spannungskomparators und/oder mittels eines Analog-Digital-Wandlers und digitaler Datenverarbeitung in der Steuereinheit detektiert werden. Insbesondere kann bestimmt werden, ob die induzierte Spannung der unbestromten Phasenwicklung einen Nulldurchgang innerhalb eines Kommutierungsschrittes, d.h. zwischen zwei aufeinander folgenden Kommutierungen der Antriebssignale, aufweist.The induced voltage in the de-energized phase winding can be determined, for example, by means of a voltmeter which is set up to measure the voltage between inputs of the corresponding phase winding. The induced voltage is preferably measured in each phase winding of the electronically commutated DC motor, in particular during the commutation steps in which the respective phase winding is not energized, i.e. at the times when no external voltage is applied to the phase winding. The zero crossing of the induced voltage can be detected, for example, by means of a voltage comparator and/or by means of an analog/digital converter and digital data processing in the control unit. In particular, it can be determined whether the induced voltage of the de-energized phase winding has a zero crossing within a commutation step, i.e. between two successive commutations of the drive signals.

Abhängig davon, ob ein Nulldurchgang detektiert wird, beispielsweise innerhalb des letzten Kommutierungsschritts, kann bestimmt werden, ob ein Fehlerzustand, beispielsweise eine Blockade des Rotors oder eines mit dem Rotor mechanisch gekoppelten Elements, vorliegt oder ein Normalzustand, in dem der Rotor sich beispielsweise ungehindert drehen kann. Das Nichtauftreten eines Nulldurchgangs kann zum Beispiel darauf hindeuten, dass der Rotor blockiert ist und sich nicht bewegen kann. Umgekehrt kann das Auftreten eines Nulldurchgangs darauf hindeuten, dass der Rotor sich bewegt und entsprechend eine Spannung in der unbestromten Phasenwicklung induziert.Depending on whether a zero crossing is detected, for example within the last commutation step, it can be determined whether there is a fault condition, for example a blockage of the rotor or an element mechanically coupled to the rotor, or a normal condition in which the rotor rotates unhindered, for example can. For example, the non-occurrence of a zero crossing may indicate that the rotor is locked and unable to move. Conversely, the occurrence of a zero crossing may indicate that the rotor is moving and correspondingly inducing a voltage in the de-energized phase winding.

Auch wenn die Drehzahl des Rotors nicht ausreichend hoch ist, um beispielsweise eine zuverlässige Detektion des Zeitpunkts, zu dem ein Nulldurchgang der induzierten Spannung auftritt, und damit eine sensorlose Kommutierung basierend auf der induzierten Spannung zu ermöglichen, kann die induzierte Spannung nichtsdestotrotz ausreichend hoch sein, um zu detektieren, ob überhaupt ein Nulldurchgang auftritt. Das Auftreten eines Nulldurchgangs kann beispielsweise bereits anhand von Extrema der induzierten Spannung bestimmt werden, die schon bei niedrigen Drehzahlen, zum Beispiel zwischen 200 min-1 und 800 min-1 groß genug für eine zuverlässige Detektion sein können. Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren auch bei einem Betrieb des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors mittels Zwangskommutierung und bei niedrigen Drehzahlen das Erkennen einer Blockade des Rotors.Even if the speed of the rotor is not high enough, for example, to enable reliable detection of the instant at which a zero crossing of the induced voltage occurs and thus allow sensorless commutation based on the induced voltage, the induced voltage can nevertheless be sufficiently high, to detect whether a zero crossing occurs at all. The occurrence of a zero crossing can already be determined, for example, on the basis of extremes of the induced voltage, which can be large enough for reliable detection even at low speeds , for example between 200 rpm and 800 rpm. The method according to the invention thus makes it possible to detect a blockage of the rotor even when the electronically commutated DC motor is operated by means of forced commutation and at low speeds.

Das Bestimmen, ob die induzierte Spannung in der unbestromten Phasenwicklung einen Nulldurchgang aufweist, kann das Bestimmen eines Vorzeichens der induzierten Spannung umfassen. Beispielsweise kann ein erstes Vorzeichen der induzierten Spannung in der unbestromten Phasenwicklung zu einem ersten Zeitpunkt und ein zweites Vorzeichen der induzierten Spannung in der unbestromten Phasenwicklung zu einem zweiten Zeitpunkt nach dem ersten Zeitpunkt bestimmt werden. Das erste und das zweite Vorzeichen können miteinander verglichen werden, um zu bestimmen, ob ein Nulldurchgang zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt aufgetreten ist, d.h. dass das erste und das zweite Vorzeichen unterschiedlich sind. Das Vorzeichen der induzierten Spannung kann beispielsweise mittels eines Spannungskomparators bestimmt werden. Der Spannungskomparator kann zum Beispiel dazu eingerichtet sein, ein erstes Signal, zum Beispiel eine erste Spannung oder ein erstes digitales Signal auszugeben, wenn die induzierte Spannung größer als ein Referenzwert, zum Beispiel oV, ist und eine zweite Spannung oder ein zweites digitales Signal auszugeben, wenn die induzierte Spannung kleiner als der Referenzwert ist.Determining whether the induced voltage in the de-energized phase winding has a zero crossing may include determining a sign of the induced voltage. For example, a first sign of the induced voltage in the de-energized phase winding can be determined at a first point in time and a second sign of the induced voltage in the de-energized phase winding can be determined at a second point in time after the first point in time. The first and second signs can be compared to determine whether a zero crossing has occurred between the first and second times, i.e. that the first and second signs are different. The sign of the induced voltage can be determined, for example, by means of a voltage comparator. The voltage comparator can be set up, for example, to output a first signal, for example a first voltage or a first digital signal, when the induced voltage is greater than a reference value, for example oV, and to output a second voltage or a second digital signal when the induced voltage is less than the reference value.

In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Bestimmen des ersten Vorzeichens und das Bestimmen des zweiten Vorzeichens jeweils das Vergleichen der induzierten Spannung mit einem positiven Schwellenwert und/oder einem negativen Schwellenwert, wobei das jeweilige Vorzeichen positiv ist, wenn die induzierte Spannung den positiven Schwellenwert überschreitet, und negativ ist, wenn die induzierte Spannung den negativen Schwellenwert unterschreitet. Hierfür kann beispielsweise ein Spannungskomparator mit einer entsprechenden Hysterese verwendet werden. Der Spannungskomparator kann zum Beispiel dazu eingerichtet sein, das erste Signal solange auszugeben, wie die induzierte Spannung größer als der negative Schwellenwert ist, und das zweite Signal erst auszugeben, wenn die induzierte Spannung den negativen Schwellenwert unterschreitet, und umgekehrt. Durch den Vergleich mit dem positiven und dem negativen Schwellenwert kann beispielweise die Zuverlässigkeit der Nulldurchgangsdetektion erhöht und etwa die Anfälligkeit gegenüber kurzfristigen Schwankungen oder Messungenauigkeiten verbessert werden.In an advantageous development, determining the first sign and determining the second sign each includes comparing the induced voltage with a positive threshold value and/or a negative threshold value, with the respective sign being positive if the induced voltage exceeds the positive threshold value, and is negative when the induced voltage falls below the negative threshold. A voltage comparator with a corresponding hysteresis can be used for this purpose, for example. For example, the voltage comparator can be set up to output the first signal as long as the induced voltage is greater than the negative threshold value and only output the second signal when the induced voltage falls below the negative threshold value, and vice versa. The comparison with the positive and the negative threshold value can, for example, increase the reliability of the zero crossing detection and improve the susceptibility to short-term fluctuations or measurement inaccuracies.

Der erste und der zweite Zeitpunkt, zu denen das erste und das zweite Vorzeichen bestimmt werden, liegen vorzugsweise innerhalb eines Kommutierungsschrittes oder innerhalb zweier unmittelbar aufeinander folgender Kommutierungsschritte. Der erste Zeitpunkt kann beispielsweise innerhalb eines ersten Zeitintervalls um einen ersten Kommutierungszeitpunkt liegen und der zweite Zeitpunkt innerhalb eines zweiten Zeitintervalls um einen unmittelbar auf den ersten Kommutierungszeitpunkt folgenden zweiten Kommutierungszeitpunkt. Eine Länge des ersten Zeitintervalls und eine Länge des zweiten Zeitintervalls können jeweils weniger als 25%, bevorzugt weniger als 10% einer Zeitdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Kommutierungszeitpunkt betragen. In anderen Worten können der erste und der zweite Zeitpunkt zum Beispiel jeweils kurz vor oder kurz nach einer Kommutierung liegen. Vorzugsweise sind der erste und der zweite Zeitpunkt um die gleiche Zeitdifferenz gegenüber dem entsprechenden Kommutierungszeitpunkt verschoben, d.h. das erste und das zweite Vorzeichen werden jeweils zu entsprechenden Zeitpunkten in zwei aufeinander folgenden Kommutierungsschritten bestimmt. In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird das Vorzeichen jeweils möglichst nahe des Maximalwertes der BEMF Spannung ermittelt, beispielsweise unmittelbar zum Kommutierungszeitpunkt vor Ausführung der eigentlichen Kommutierung. Vorzugsweise werden der erste und der zweite Zeitpunkt so gewählt, dass der erste Zeitpunkt vor dem ersten Kommutierungszeitpunkt (ti) liegt und der zweite Zeitpunkt vor dem zweiten Kommutierungszeitpunkt (t2) liegt.The first and the second point in time, at which the first and the second sign are determined, preferably lie within a commutation step or within two commutation steps that follow one another directly. The first point in time can be, for example, within a first time interval around a first commutation point in time and the second point in time can lie within a second time interval around a second commutation point in time that immediately follows the first commutation point in time. A length of the first time interval and a length of the second time interval can each be less than 25%, preferably less than 10%, of a time difference between the first and second commutation times. In other words, the first and the second point in time can be, for example, just before or just after a commutation. Preferably, the first and the second point in time are shifted by the same time difference in relation to the corresponding commutation point in time, i.e. the first and the second sign are each determined at corresponding points in time in two successive commutation steps. In an advantageous development of the method, the sign is determined as close as possible to the maximum value of the BEMF voltage, for example immediately at the time of commutation before the actual commutation is carried out. The first and second points in time are preferably chosen such that the first point in time is before the first commutation point in time (ti) and the second point in time is before the second commutation point in time (t2).

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird die induzierte Spannung bei mehreren, vorzugsweise bei allen Phasenwicklungen des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors überwacht, um Nulldurchgänge zu detektieren. Die induzierte Spannung kann zum Beispiel eine erste induzierte Spannung in einer ersten Phasenwicklung sein, während die erste Phasenwicklung unbestromt ist. Das Verfahren kann weiterhin das Bestimmen, ob eine zweite induzierte Spannung in einer zweiten Phasenwicklung einen Nulldurchgang aufweist, während die zweite Phasenwicklung unbestromt ist, umfassen.In an advantageous development of the method, the induced voltage is monitored in several, preferably in all, phase windings of the electronically commutated DC motor in order to detect zero crossings. For example, the induced voltage may be a first induced voltage in a first phase winding while the first phase winding is de-energized. The method may further include determining whether a second induced voltage in a second phase winding crosses zero while the second phase winding is de-energized.

Ob ein Fehlerzustand vorliegt, kann abhängig davon bestimmt werden, ob ein Nulldurchgang der ersten induzierten Spannung erkannt wurde und/oder ob ein Nulldurchgang der zweiten induzierten Spannung erkannt wurde. Beispielsweise kann ein Fehlerzustand erkannt werden, wenn die erste induzierte Spannung innerhalb eines ersten Kommutierungsschritts keinen Nulldurchgang aufweist und die zweite induzierte Spannung innerhalb eines unmittelbar auf den ersten Kommutierungsschritt folgenden zweiten Kommutierungsschritts keinen Nulldurchgang aufweist. Hierdurch kann das Erkennen von Fehlerzuständen verbessert werden. Beispielsweise kann ein fehlender Nulldurchgang innerhalb des ersten oder des zweiten Kommutierungsschrittes neben einer Blockade des Rotors auch durch ein Vorauslaufen oder Nachlaufen des Rotors aufgrund der nicht-synchronen Zwangskommutierung bedingt sein. Ein Fehlen eines Nulldurchgangs sowohl innerhalb des ersten als auch innerhalb des zweiten Kommutierungsschritts kann dagegen auf eine Blockade hindeuten.Whether an error condition is present can be determined depending on whether a zero crossing of the first induced voltage was detected and/or whether a zero crossing of the second induced voltage was detected. For example, an error state can be detected if the first induced voltage does not have a zero crossing within a first commutation step and the second induced voltage does not have a zero crossing within a second commutation step immediately following the first commutation step. This can improve the detection of error states. For example, a missing zero crossing within the first or the second commutation step can be caused not only by a blockage of the rotor but also by the rotor running ahead or lagging due to the non-synchronous forced commutation. On the other hand, the absence of a zero crossing both within the first and within the second commutation step can indicate a blockage.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann das Verfahren ferner das Bestimmen einer Richtung des Nulldurchgangs der induzierten Spannung in der unbestromten Phasenwicklung, beispielsweise der ersten und/oder der zweiten induzierten Spannung, umfassen. Das Bestimmen, ob ein Fehlerzustand vorliegt, kann abhängig davon erfolgen, ob ein Nulldurchgang der induzierten Spannung erkannt wurde, zum Beispiel wie oben beschrieben, und/oder ob eine Richtung des Nulldurchgangs einer zu erwartenden Richtung entspricht. Beispielsweise kann ein Fehlerzustand zusätzlich zu oder statt der oben beschriebenen Fälle erkannt werden, wenn ein Nulldurchgang der ersten und/oder der zweiten induzierten Spannung auftritt, aber die Richtung des Nulldurchgangs nicht der zu erwartenden Richtung entspricht. Eine Blockade des Rotors kann in bestimmten Fällen aufgrund zwangskommutierten Antriebssignale zu einer zeitweisen Umkehr der Drehrichtung des Rotors führen, so dass zwar eine Spannung in den Phasenwicklungen induziert wird, diese aber nicht dem erwarteten Verlauf entspricht.In a further advantageous development, the method can also include determining a direction of the zero crossing of the induced voltage in the de-energized phase winding, for example the first and/or the second induced voltage. Determining whether a fault condition exists may be based on whether a zero crossing of the induced voltage has been detected, for example as described above, and/or whether a direction of the zero crossing corresponds to an expected direction. For example, a fault condition can be detected in addition to or instead of the cases described above if a zero crossing of the first and/or the second induced voltage occurs, but the direction of the zero crossing does not correspond to the direction to be expected. In certain cases, a blocked rotor can lead to a temporary reversal of the direction of rotation of the rotor due to forced commutated drive signals, so that although a voltage is induced in the phase windings, this does not correspond to the expected course.

Das Verfahren kann ferner das Stoppen des Betriebs des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors, d.h. ein Unterbrechen der Antriebssignale, und/oder das Umkehren einer Drehrichtung des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors umfassen, wenn ein Fehlerzustand vorliegt. Durch ein Stoppen des Betriebs des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors kann beispielsweise eine Beschädigung des Rotors und/oder des Stellglieds vermieden werden. Durch ein Umkehren der Drehrichtung kann der Rotor beispielsweise aus einer Blockade herausgefahren werden, zum Beispiel um eine Beschädigung aufgrund von auf den Rotor und/oder das Stellglied durch die Blockade ausgeübten Kräften zu vermeiden.The method may further include stopping operation of the electronically commutated DC motor, ie interrupting drive signals, and/or reversing a direction of rotation of the electronically commutated DC motor when a fault condition exists. By stopping the operation of the electronically commutated DC motor, damage to the rotor and/or the actuator can be avoided, for example. By reversing the direction of rotation, the rotor can, for example, be moved out of a blockage, for example in order to avoid damage due to forces exerted on the rotor and/or the actuator by the blockage.

In manchen Ausführungsformen kann das Verfahren ein Umschalten auf eine sensorlose Kommutierung umfassen, wenn kein Fehlerzustand vorliegt, wobei bei der sensorlosen Kommutierung Antriebssignale für die Phasenwicklungen abhängig von einem elektrischen Signal an einer Phasenwicklung kommutiert werden. Das elektrische Signal für die sensorlose Kommutierung kann beispielsweise die induzierte Spannung in einer unbestromten Phasenwicklung sein. Die Antriebssignale für die Phasenwicklungen können dabei zum Beispiel abhängig von dem Zeitpunkt eines Nulldurchgangs der induzierten Spannung kommutiert werden. 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 dem Zeitpunkt eines charakteristischen Kurvenpunkts des Stromverlaufs und/oder des Erreichens eines Schwellenwerts durch den Strom kommutiert werden. Der charakteristische Kurvenpunkt kann beispielsweise ein Extremum oder ein Wendepunkt des Stromverlaufs sein. In anderen Ausführungsformen kann kein Umschalten auf eine sensorlose Kommutierung erfolgen und der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor ausschließlich mittels Zwangskommutierung betrieben werden.In some embodiments, the method may include switching to sensorless commutation when there is no fault condition, wherein in sensorless commutation drive signals for the phase windings are commutated depending on an electrical signal on a phase winding. The electrical signal for the sensorless commutation can be, for example, the induced voltage in a phase winding without current. The drive signals for the phase windings can be commutated, for example, depending on the point in time at which the induced voltage crosses zero. In other embodiments, the electrical signal for the sensorless commutation can also be a current through one or more phase windings. The drive signals for the phase windings can be commutated, for example, depending on the point in time of a characteristic curve point of the current curve and/or when the current reaches a threshold value. The characteristic curve point can be, for example, an extremum or a point of inflection in the course of the current. In other embodiments, there can be no switchover to sensorless commutation and the electronically commutated DC motor can be operated exclusively by means of forced commutation.

In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Verfahren ferner das Empfangen eines Verfahrwegs, um den der Rotor gedreht werden soll. Ein Betrag des Verfahrwegs wird mit einem Schwellenwert verglichen. Abhängig davon, ob der Verfahrweg kleiner oder größer als der Schwellenwert ist, wird der Rotor in einem ersten bzw. in einem zweiten Betriebsmodus um den Verfahrweg gedreht. Der erste Betriebsmodus und der zweite Betriebsmodus können sich dabei zum Beispiel in einem Kommutierverfahren für den elektronisch kommutierten Gleichstrommotor und/oder in einer Drehrichtung des Rotors unterscheiden.In a preferred embodiment, the method further includes receiving a travel distance by which the rotor is to be rotated. An amount of travel is compared to a threshold. Depending on whether the displacement path is smaller or larger than the threshold value, the rotor is rotated by the displacement path in a first or in a second operating mode. The first operating mode and the second operating mode can differ, for example, in a commutation method for the electronically commutated DC motor and/or in a direction of rotation of the rotor.

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.The travel path can be received, for example, by a control unit of the electronically commutated DC motor or the actuator and can have been transmitted, for example, by a unit external to the actuator, such as an external control device. The travel distance may indicate a change in position of the rotor and/or the actuator, with the amount of travel being indicative of an amount of the change in position. The travel distance can also indicate a direction of the position change, for example a direction of rotation of the rotor, for example by the sign of the travel distance or a direction bit. The travel path can, for example, specify a desired change in the angle of rotation of the rotor or be converted into a corresponding change in the angle of rotation of the rotor. The travel can specify the change in the angle of rotation directly, for example a number of revolutions of the rotor, or indirectly, for example by specifying a parameter for a drive signal of the electric motor, for example a time during which the drive signal is provided, or a number of commutation steps.

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. Der Schwellenwert kann zum Beispiel so gewählt sein, dass für Verfahrwege, die größer als der Schwellenwert sind, der Rotor in einem normalen Betriebsmodus des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors vor Durchlaufen des Verfahrwegs eingebremst werden kann und der Rotor ohne Nachlaufen an einer Endposition angehalten werden kann.The amount of travel is compared to the threshold value, it being possible for the threshold value to be stored in the control unit, for example. The threshold value is preferably a constant value which, for example, has been determined empirically in advance. In some configurations, the threshold may depend on motor parameters, such as a load coupled to the rotor and/or a damping of the rotor. For example, in some embodiments, the threshold is between 20 and 200 commutation steps, in one example between 30 and 100 commutation steps. The threshold value can be selected, for example, so that for travel distances that are greater than the threshold value, the rotor can be braked in a normal operating mode of the electronically commutated DC motor before the travel distance is traversed and the rotor can be stopped at an end position without overrunning.

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.The rotor is then rotated by the travel distance from a start setting or starting position to an end setting or end position. The rotor is preferably initially at a standstill in the starting position. Depending on the amount of travel, different operating modes are selected for moving the rotor, which differ at least in sections in the commutation method used and/or in the direction of rotation of the rotor. In each of the modes of operation, the movement of the rotor can occur in one or more sections or time periods. The sections of movement in an operating mode can be changed, for example, by the used Commutation, the direction of rotation and / or a target speed of the rotor differ from each other. In the first operating mode, the rotor is rotated at least in a section of the movement by means of a different commutation method and/or in a different direction of rotation than in a corresponding section in the second operating mode. The method according to the invention thus enables a suitable adaptation of the corresponding movement parameters to short travel distances in the first operating mode, as a result of which the positioning accuracy can be improved for short travel distances.

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 some embodiments, the method of moving the rotor in the first operating mode includes moving the rotor by a minimum amount in a reverse direction of rotation, the reverse direction of rotation being opposite to a target direction of rotation predetermined by the travel path, and moving the rotor by the sum of the minimum amount and the amount of travel in the target direction of rotation. The minimum amount is preferably selected to be sufficiently large to enable timely braking of the rotor after an initial acceleration when starting and to avoid after-rotation of the rotor when the rotor is stopped, for example as described below. For example, the minimum amount may be greater than or equal to the threshold. Such a differential movement of the motor makes it possible to implement even small travel distances that are well below the threshold value without impairing the positioning accuracy. For this purpose, the movement is divided into two movements in different directions, in which the rotor is rotated at least by the minimum amount and the difference between the two movements corresponds to the desired travel path.

In einer bevorzugten Ausgestaltung können der erste Betriebsmodus und der zweite Betriebsmodus sich zusätzlich oder vorzugsweise alternativ zu der Drehrichtung in dem verwendeten Kommutierverfahren für den elektronisch kommutierten Gleichstrommotor unterscheiden. Das Drehen des Rotors in dem ersten Betriebsmodus kann beispielsweise das Bewegen des Rotors mittels Zwangskommutierung um den gesamten Betrag des Verfahrwegs umfassen, zum Beispiel in der Soll-Drehrichtung. Das Drehen des Rotors in dem zweiten Betriebsmodus kann das Bewegen des Rotors mittels sensorloser Kommutierung für zumindest einen Teil des Verfahrwegs umfassen.In a preferred embodiment, the first operating mode and the second operating mode can differ in addition or preferably as an alternative to the direction of rotation in the commutation method used for the electronically commutated DC motor. The turning of the rotor in the first operating mode can include, for example, moving the rotor by means of forced commutation by the entire amount of the travel path, for example in the desired direction of rotation. Rotating the rotor in the second mode of operation may include moving the rotor by means of sensorless commutation for at least part of the travel.

Das Drehen des Rotors in dem zweiten Betriebsmodus kann beispielsweise umfassen: Beschleunigen des Rotors mittels Zwangskommutierung in einem ersten Zeitraum der Bewegung, zum Beispiel in die Soll-Drehrichtung, sowie Bewegen des Rotors mittels sensorloser Kommutierung in einem zweiten Zeitraum der Bewegung nach dem ersten Zeitraum, zum Beispiel in die Soll-Drehrichtung. Bei der sensorlosen Kommutierung werden Antriebssignale für die Phasenwicklungen vorzugsweise wie oben beschrieben abhängig von einem Nulldurchgang einer induzierten Spannung in einer unbestromten Phasenwicklung kommutiert.The turning of the rotor in the second operating mode can include, for example: accelerating the rotor by means of forced commutation in a first period of movement, for example in the desired direction of rotation, and moving the rotor by means of sensorless commutation in a second period of movement after the first period, for example in the desired direction of rotation. In the case of sensorless commutation, drive signals for the phase windings are preferably commutated, as described above, as a function of a zero crossing of an induced voltage in a phase winding which is not supplied with current.

Die oben beschriebene Bestimmung des Nulldurchgangs der induzierten Spannung sowie die Bestimmung, ob ein Fehlerzustand vorliegt, kann in manchen Ausführungsformen nur in dem ersten Betriebsmodus durchgeführt werden, vorzugsweise über den gesamten Verfahrweg. Alternativ oder zusätzlich können die entsprechenden Schritte auch in dem zweiten Betriebsmodus durchgeführt werden, beispielsweise während der Beschleunigung mittels Zwangskommutierung.In some embodiments, the above-described determination of the zero crossing of the induced voltage and the determination of whether a fault condition is present can only be carried out in the first operating mode, preferably over the entire travel distance. Alternatively or additionally, the corresponding steps can also be carried out in the second operating mode, for example during acceleration using forced commutation.

In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren des Rotors in dem ersten Betriebsmodus das Beschleunigen des Rotors mittels Zwangskommutierung mit einer ersten Kommutierungsfrequenz in einem ersten Zeitraum der Bewegung und 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 ist. Das Verfahren kann ferner das Anhalten des Rotors an einer Zielposition, zum Beispiel nach dem Ende des zweiten Zeitraums, umfassen.In some embodiments, moving the rotor in the first mode of operation includes accelerating the rotor via forced commutation at a first commutation frequency during a first period of motion and moving the rotor via forced commutation at a second commutation frequency during a second period of motion after the first period. The second commutation frequency is preferably lower than the first commutation frequency. The method may further include stopping the rotor at a target position, for example after the end of the second time period.

Bei der Zwangskommutierung kann die Geschwindigkeit des Rotors beispielsweise durch die Kommutierungsfrequenz vorgegeben werden, wobei die Geschwindigkeit des Rotors am Ende des zweiten Zeitraums bevorzugt so gewählt ist, dass der Rotor ohne Nachdrehen zum Stillstand gebracht werden kann. Durch die kleinere zweite Kommutierungsfrequenz kann der Rotor in dem zweiten Zeitraum vor dem Anhalten des Rotors an der Zielposition auf eine Abbremsgeschwindigkeit abgebremst werden, die zum Beispiel 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 kann. 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 Geschwindigkeit am Ende des ersten Zeitraums kann beispielsweise zwischen 800 min-1 und 2000 min-1 betragen. Die zweite Kommutierungsfrequenz kann beispielsweise zwischen 30 % und 90 %, in einem Beispiel zwischen 50% und 80% der ersten Kommutierungsfrequenz betragen.In the case of forced commutation, the speed of the rotor can be specified, for example, by the commutation frequency, with the speed of the rotor at the end of the second time period preferably being chosen such that the rotor can be brought to a standstill without re-rotating. Due to the lower second commutation frequency, the rotor can be decelerated to a deceleration speed in the second time period before the rotor is stopped at the target position, which is, for example, between 400 min -1 and 2000 min -1 , preferably between 600 min -1 and 1200 min - 1 , in one example between 800 rpm and 1000 rpm. At the same time, a higher commutation frequency can be selected for the initial start-up of the rotor, for example to ensure sufficient force to accelerate an actuator from standstill. The speed at the end of the first period can be, for example, between 800 rpm and 2000 rpm. The second commutation frequency can for example be between 30% and 90%, in one example between 50% and 80% of the first commutation frequency.

Es wird weiterhin ein Stellantrieb vorgesehen, der einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor mit einem Stator, einem Rotor und wenigstens zwei Phasenwicklungen umfasst. Der Stellantrieb umfasst ferner ein Abtriebsrad, welches mit dem Rotor mechanisch gekoppelt ist und dazu eingerichtet ist, mit einem Stellglied mechanisch gekoppelt zu werden. Außerdem umfasst der Stellantrieb eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands bei einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor nach einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen auszuführen.Furthermore, an actuator is provided which comprises an electronically commutated direct current motor with a stator, a rotor and at least two phase windings. The actuator further includes an output gear mechanically coupled to the rotor and configured to be mechanically coupled to an actuator. In addition, the actuator includes a control unit that is set up to carry out a method for detecting a fault state in an electronically commutated DC motor according to one of the embodiments described herein.

Der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor kann beispielsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor oder ein Schrittmotor sein. Die wenigstens zwei Phasenwicklungen können an oder in dem Stator angeordnet sein, wobei der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor beispielsweise zwischen 2 und 16 aus den Phasenwicklungen gebildete Statorspulen aufweisen kann. Der Rotor kann einen oder mehrere Magnete, insbesondere Permanentmagnete, aufweisen und kann als Außen- oder Innenläufer ausgebildet sein.The electronically commutated DC motor can be a brushless DC motor or a stepper motor, for example. The at least two phase windings can be arranged on or in the stator, in which case the electronically commutated direct current motor can have, for example, between 2 and 16 stator coils formed from the phase windings. The rotor can have one or more magnets, in particular permanent magnets, and can be designed as an external or internal rotor.

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.The actuator may include a gearbox that mechanically couples the rotor to the output gear. The gear can be a step-up or step-down gear and can comprise, for example, a large number of gear wheels which are coupled to one another and convert a rotary movement of the rotor into a rotary movement of the driven wheel. The driven wheel can, for example, have a driven shaft with a suitable carrier profile or can be connected to such a driven shaft in order to mechanically couple the driven wheel to the actuator.

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.The control unit can be implemented as hardware and/or software and can include, for example, a processor and a storage medium, the storage medium containing program instructions that can be executed by the processor in order to provide the functionality described here and in particular to carry out the method steps described. Alternatively or additionally, the control unit can include further analog and/or digital electronic circuits. The control unit can be set up to provide suitably commutated drive signals for the electronically commutated DC motor in order to move the rotor. For this purpose, the control unit can have a voltage and/or current source, for example, and/or be set up to control such a source, for example by means of a bridge circuit. In particular, the control unit can be set up to control an amplitude, a pulse width modulation duty cycle, a sign and/or a duration of the drive signals.

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.The control unit is preferably set up to commutate drive signals for the electronically commutated DC motor. For this purpose, the control unit can be set up, for example, to generate a trigger or switching signal for a bridge circuit that has a number of switches and is set up to commutate an input voltage by means of the switches. The bridge circuit may comprise, for example, a six-switch, six-pulse (B6) bridge circuit for driving a three-phase BLDC motor, or two H-bridges, each with four switches, for driving a bipolar stepper motor. The switches are preferably in the form of semiconductor switches. In some embodiments, the bridge circuit may also include one or more freewheeling diodes, each connected in parallel with one of the switches.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Stellantrieb einen oder mehrere Spannungskomparatoren auf, die jeweils dazu eingerichtet sind, die Spannung an einer der Phasenwicklungen mit einem Schwellen- oder Referenzwert zu vergleichen. Der Schwellenwert kann beispielsweise eine Referenzspannung sein, zum Beispiel Null Volt oder eine Spannung an einem Sternpunkt oder einem virtuellen Sternpunkt des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors. In manchen Ausgestaltungen kann der Spannungskomparator eine Hysterese mit einem positiven und einem negativen Schwellenwert aufweisen, zum Beispiel wie oben beschrieben. In einer weiteren Ausgestaltung kann der Komparator auch durch einen Analog-Digital-Umsetzer gleichwertig ersetzt oder ergänzt werden, um die Phasenspannungen direkt oder indirekt zu ermitteln, beispielsweise mittels eines Spannungsteilers.In a preferred embodiment, the actuator has one or more voltage comparators, each set up to compare the voltage across one of the phase windings with a threshold or reference value. For example, the threshold value can be a reference voltage, for example zero volts or a voltage at a star point or a virtual star point of the electronically commutated DC motor. In some configurations, the voltage comparator may have hysteresis with a positive and a negative threshold, for example as described above. In a further embodiment, the comparator can also be replaced or supplemented by an analog-to-digital converter in order to determine the phase voltages directly or indirectly, for example by means of a voltage divider.

Die Steuereinheit kann einen Mikrocontroller umfassen. Der Spannungskomparator kann in die Steuereinheit und insbesondere in den Mikrocontroller integriert sein oder kann als von der Steuereinheit getrennte Einheit ausgebildet sein. Der Spannungskomparator kann eine analoge und/oder digitale elektronische Schaltung, insbesondere einen Differenzverstärker, umfassen.The control unit may include a microcontroller. The voltage comparator can be integrated into the control unit and in particular into the microcontroller, or can be designed as a unit that is separate from the control unit. The voltage comparator can include an analog and/or digital electronic circuit, in particular a differential amplifier.

Figurenlistecharacter list

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 zum Erkennen eines Fehlerzustands bei einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor gemäß einem Beispiel;
  • 4: einen Verlauf der Spannungen an den Phasenwicklungen eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors gemäß einem Beispiel;
  • 5: ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erkennen eines Fehlerzustands bei einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor gemäß einem weiteren Beispiel; und
  • 6: ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erkennen eines Fehlerzustands bei einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor mit zwei Betriebsmodi gemäß einem Beispiel.
The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. The figures show in a schematic representation:
  • 1 : a device with an electronically commutated DC motor according to an example;
  • 2a 1: an actuator with an electronically commutated DC motor according to an example in an exploded view;
  • 2 B : the actuator off 2a in a plan view;
  • 2c : the actuator off 2a in a perspective view;
  • 3 : a flow chart of a method for detecting a fault condition in an electronically commutated DC motor according to an example;
  • 4 : a course of the voltages at the phase windings of an electronically commutated DC motor according to an example;
  • 5 1: a flowchart of a method for detecting an error state in an electronically commutated DC motor according to a further example; and
  • 6 1 is a flow diagram of a method for detecting a fault condition in an electronically commutated DC motor with two operating modes, according to an example.

BESCHREIBUNG DER FIGURENDESCRIPTION OF FIGURES

1 zeigt eine Vorrichtung 100 gemäß einem Beispiel, mit der das erfindungsgemäße Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands bei einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor implementiert werden kann, zum Beispiel die unten in Bezug auf 3, 5 und 6 beschriebenen Verfahren 300, 500 und/oder 600. Die Vorrichtung 100 kann beispielsweise Teil eines erfindungsgemäßen Stellantriebs sein, zum Beispiel Teil des Stellantriebs 200 aus 2a-c. 1 12 shows a device 100 according to an example with which the method according to the invention for detecting a fault condition in an electronically commutated DC motor can be implemented, for example the one below with reference to FIG 3 , 5 and 6 described methods 300, 500 and/or 600. The device 100 can, for example, be part of an actuator according to the invention, for example part of the actuator 200 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.The device 100 includes an electronically commutated DC motor 102, in this example a three-phase brushless DC (BLDC) motor. The electronically commutated DC motor 102 has an outer stator 104 and a movably mounted inner rotor 106 . The rotor 106 includes one or more permanent magnets 108 and may be mechanically coupled to other moving elements (not shown), for example to an actuator such as a valve, for example a valve of an air conditioning unit of a motor vehicle, or a flap, for example a flap of a ventilation device of a motor vehicle. The stator 104 has three phase windings 110 , one end of each of which is connected to the other phase windings 110 via a neutral point 112 . In other configurations of the device 100, the phase windings 110 can also be connected via a delta circuit or be individually controllable.

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.To control the motor, the device includes a control unit 114, a voltage source 116 and a bridge circuit 118. In the example of FIG 1 these are shown as separate entities. In other configurations, however, the control unit 114, the voltage source 116 and/or the bridge circuit 118 can also be integrated in one unit. The control unit 114 is set up to regulate the currents through the phase windings 110 by means of the voltage source 116 and/or the bridge circuit 118 in such a way that a time-dependent magnetic field is generated which causes the rotor 106 to move. Motor movement can be controlled by controlling the currents. The voltage source can be set up to generate electrical voltage pulses with a variable pulse duty factor as supply voltage for the phase windings 110 by means of pulse width modulation (PWM). In another example, the device 100 can alternatively comprise a controllable DC voltage source which is set up to provide one or more variable DC voltages as supply voltage, and/or the device 100 and in particular the control unit 114 can be set up to use the bridge circuit 118 to carry out pulse width modulation the supply voltage.

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.Voltage source 116 is connected to phase windings 110 via bridge circuit 118, bridge circuit 118 being set up to commutate the supply voltage provided by voltage source 116, for example on the basis of a trigger or control signal generated by control unit 114. An output of the voltage source 116 is connected to an input 120 of the bridge circuit 118 to apply the supply voltage, for example PWM voltage pulses.

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.An output 122 of the bridge circuit 118 is connected to a ground contact 124 . The input 120 can be connected via a series of input switches 126 to that end of a phase winding 110 which is not connected to the star point 112 . Likewise, the appropriate end can be coupled to the output 122 by means of a series of output switches 128 . The input and output switches 126, 128 are preferably in the form of semiconductor switches, in particular metal-oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFETs). Preferably, the bridge circuit 118 further includes freewheeling diodes (not shown) each connected in parallel with one of the switches 126,128. The freewheeling diodes are set up in direction to block the output 122 and to conduct it in the direction of the input 120.

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. So können an den Phasenwicklungen 110 beispielweise Spannungsverläufe ähnlich den in 4 gezeigten Verläufen erzeugt werden.The control unit 114 is set up to actuate the input switches 126 and the output switches 128 in a suitable manner in order to commutate the supply voltage present at the input 120 . For this purpose, for example, the phase windings 110 can be successively connected in pairs to the input 120 or output 122, so that one phase winding pair is connected in series via the star point 112 between the input 120 and the output 122 and is switched to another phase winding pair with each commutation becomes. For example, voltage curves similar to those in 4 shown curves are generated.

Für die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erkennen eines Fehlerzustands bei einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor 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, 5 und 6 beschriebene Verfahren 300, 500, 600 ganz oder in Teilen auszuführen.The control unit 114 has an analog/digital converter 130 and a microcontroller 132 for the implementation of the method according to the invention for detecting an error state in an electronically commutated DC motor. The microcontroller 132 includes a processor, for example a central processing unit (CPU), a graphics processing unit (GPU), an application specific integrated circuit (ASIC) and/or a field programmable gate array (FPGA), and a non-volatile storage medium, where the storage medium contains program instructions executable by the processor to provide the functionality described herein. In particular, the microcontroller 132 is set up to one or more of the following with respect to the 3 , 5 and 6 to carry out the methods 300, 500, 600 described in whole or in part.

Der Analog-Digital-Wandler 130 ist dazu eingerichtet, ein oder mehrere analoge Eingangssignale in entsprechende digitale Signale umzuwandeln, beispielsweise analoge Messsignale von Spannungsmessgeräten 134, einem Messgerät 138 und/oder einem oder mehreren Spannungskomparatoren. 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. Zur Anpassung der hohen Spannungen, die an den Motor-Phasen auftreten können, kann der Analog-Digital-Wandler 130 weiterhin interne oder externe Spannungsteiler oder gleichwertige Schaltkreise umfassen, welche zur Anpassung der zu messenden Signale am Eingangsbereich des Analog-Digital-Wandler 130 ausgebildet sind.The analog-to-digital converter 130 is set up to convert one or more analog input signals into corresponding digital signals, for example analog measurement signals from voltage measuring devices 134, a measuring device 138 and/or one or more voltage comparators. For this purpose, the analog/digital converter 130 can have a sample-and-hold circuit, for example. In one example, analog-to-digital converter 130 may have 12-bit resolution. The controller 114 may further include an amplifier circuit (not shown) to amplify the analog input signal prior to conversion. To adjust the high voltages that can occur at the motor phases, the analog-to-digital converter 130 can also include internal or external voltage dividers or equivalent circuits, which are designed to adjust the signals to be measured at the input range of the analog-to-digital converter 130 are.

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.The voltage measuring devices 134 are each set up to measure the voltage present at one of the phase windings 110 . For this purpose, one input of each voltage measuring device 134 is connected to the star point 112 and another input is connected to the end of the corresponding phase winding 110 that is connected to the bridge circuit 118. In other embodiments, the voltage measuring devices 134 can be set up, for example, to measure the voltage applied to the corresponding phase winding 110 Voltage to measure against a virtual star point (not shown). The control unit 114 can determine, for example, the voltage induced in a phase winding 110 without current by means of the voltage measuring devices 134 .

In manchen Ausführungsformen können die Spannungsmessgeräte 134 jeweils als Spannungskomparator ausgebildet sein, der beispielsweise dazu eingerichtet sein kann, die Potenziale an den beiden Enden der entsprechenden Phasenwicklung miteinander zu vergleichen oder die zwischen den beiden Enden anliegende Spannung mit einer Referenzspannung zu vergleichen. Die Komparatoren können jeweils dazu eingerichtet sein, ein analoges oder digitales Ausgangssignal abhängig von den beiden Eingangsspannungen des entsprechenden Komparators auszugeben, wobei das Ausgangssignal beispielsweise einen ersten Wert annehmen kann, wenn eine erste der Eingangsspannungen größer als eine zweite der Eingangsspannung ist, und einen zweiten Wert, wenn die erste Eingangsspannungen kleiner als die zweite Eingangsspannung ist.In some specific embodiments, the voltage measuring devices 134 can each be in the form of a voltage comparator which can be set up, for example, to compare the potentials at the two ends of the corresponding phase winding with one another or to compare the voltage present between the two ends with a reference voltage. The comparators can each be set up to output an analog or digital output signal depending on the two input voltages of the corresponding comparator, with the output signal being able to assume a first value, for example, if a first of the input voltages is greater than a second of the input voltages, and a second value , when the first input voltage is less than the second input voltage.

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.In addition, the device 100 can also have another measuring device 138 which is set up, for example, to measure a current through a shunt resistor 136 which is located between the output 122 of the bridge circuit 118 and the ground contact 124 . The measuring device 138 can be set up, for example, to measure the voltage drop across the shunt resistor 136 . The control unit 114 can use the measuring device 138 to determine, for example, the current flowing through an energized phase winding pair 110 . In other examples, the measuring device 138 can also be set up to measure currents in branches of the bridge circuit and/or in the feed lines between the bridge circuit 118 and the phase windings 110 .

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 kann ferner dazu eingerichtet sein, eine sensorlose Kommutierung der Antriebssignale abhängig von einem elektrischen Signal an einer Phasenwicklung durchzuführen.The microcontroller 132 is set up to generate control signals for the voltage source 116 and/or the bridge circuit 118, for example in order to carry out a commutation as described above. The microcontroller 132 is set up, in particular, to carry out forced commutation of the drive signals at predetermined times, independently of a position of the rotor 108 microcontroller 132 can also be set up to carry out sensorless commutation of the drive signals depending on an electrical signal at a phase winding.

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.The microcontroller 132 can be set up, for example, to carry out the sensorless commutation depending on a zero crossing of an induced voltage measured by the voltage measuring devices 134 in a phase winding without current. For this purpose, the device 100 and in particular the control unit 114 in some embodiments can also have a comparator circuit (not shown) which is set up to detect zero crossings of the voltages measured by the voltage measuring devices 134 . The zero crossings of the voltage induced in an unenergized phase winding 110 can occur at a specific angular position of the rotor 106 and thus allow conclusions to be drawn about the angular position of the rotor 106 and thus a synchronous commutation matched to the rotor position.

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.Alternatively or additionally, microcontroller 132 can also be set up to carry out the sensorless commutation as a function of a current through phase windings 110 measured by measuring device 138, for example as a function of characteristic curve points such as extremes and/or turning points in the current curve and/or the achievement of a or multiple thresholds through the current.

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. 2a , 2 B and 2c show an exemplary embodiment of an actuator 200 according to the invention. The actuator 200 is in 2a shown in an exploded view, in 2 B in a plan view without the lid 208B and in 1C in a perspective view, with the housing 208 only partially shown as a sectional view.

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.The actuator 200 comprises a device with an electronically commutated DC motor 102 with a stator 104 and a rotor 106 and a control unit 114 similar to the device 100 1 , where corresponding elements are provided with the same reference numbers. In this example, the electronically commutated DC motor 102 is also designed as a brushless DC motor (BLDC motor), the rotor 106 having a rotor magnet (not shown) designed as a permanent magnet and the stator 104 having three phase windings 110 .

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.The actuator 200 also includes a gear 202 which mechanically couples the rotor 106 to an output gear 204 . The stator 104 and the rotor 106 are arranged together with the transmission 202 and the output wheel 204 in a housing 208 with a housing shell 208A and a cover 208B. The gear 202 is designed as a reduction gear with a drive wheel 202 - 1 of the rotor 106 and three double gears 202 - 2 , 202 - 3 , 202 - 4 as intermediate wheels and is set up to transmit a rotational movement of the rotor 106 to the driven wheel 204 . The driven wheel 204 is mounted in the housing 208 by means of a guide element 210 so as to be rotatable about an axis of rotation 212 . Furthermore, the output gear 204 is formed in one piece with an output shaft designed as a hollow shaft. The output shaft is set up as a load for connection to an actuator (not shown) via an opening in the housing shell 208A and has a corresponding carrier profile on its inner circumference for this purpose. The actuator 200 can be used, for example, as a valve positioner and set up to move a valve controller such as a valve pin or a valve flap.

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, 500 und/oder 600.Furthermore, a printed circuit board or circuit board 214 with the control unit 114 and a position sensor 216 is arranged above the stator 104 . The control unit 114 is designed similarly to the control unit of the device 100 described above and is set up to control the three-phase BLDC motor 102 and in particular to provide suitably commutated drive signals for the phase windings 110 . The control unit 114 is also set up to carry out the method according to the invention according to one of the embodiments described here, for example the methods 300, 500 and/or 600 described below.

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.The position sensor 216 is connected to the control unit 114 and is arranged on the circuit board 214 above the driven wheel 204 such that the axis of rotation 212 extends through the position sensor 216 . The position sensor 216 is set up to determine an angular position of the driven wheel 204 about the axis of rotation 212 . For this purpose, a disk-shaped permanent magnet 218, for example an injection-molded or pressed rare-earth magnet such as a plastic-bonded neodymium-iron-boron magnet (NdFeB), is fastened on one end face of the driven wheel 204. The magnet 218 is arranged in a recess in the end face of the output gear 204 so that the axis of rotation 212 extends through the magnet 218 . The position sensor 216 includes a magnetic field sensor, for example a two-dimensional or three-dimensional Hall sensor, which is set up to determine a strength of the magnetic field generated by the magnet 218 along two or three spatial directions. The control unit 114 is set up to use a sensor transmitted by the position sensor 216 sorsignals to determine the angular position of the driven wheel 204, for example by means of a corresponding calibration curve. In some embodiments, actuator 200 may not include position sensor 216 and magnet 218 .

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.The drive gear 202 - 1 of the rotor 106 is coupled to the intermediate gears 202 - 2 , 202 - 3 , 202 - 4 of the transmission 202 via an opening 214A in the circuit board 214 and to the driven gear 204 thereon. The three intermediate wheels 202 - 2 , 202 - 3 , 202 - 4 are arranged lying on the side of the printed circuit board 214 lying opposite the stator 104 . The intermediate wheel 202-4 meshes with the output wheel 204, which is arranged lying on the same side of the printed circuit board 214 as the stator 104 in the housing 208.

3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 300 zum Erkennen eines Fehlerzustands bei einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor 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 ist nicht auf die durch das Flussdiagramm in 3 angedeutete Abfolge beschränkt. Soweit technisch möglich, können die Schritte des Verfahrens 300 in einer beliebigen Reihenfolge und insbesondere zumindest teilweise gleichzeitig ausgeführt werden, beispielsweise die Schritte 302 und 304. 3 FIG. 3 shows a flow diagram of a method 300 for detecting a fault condition in an electronically commutated DC motor according to an exemplary embodiment of the invention. The method 300 can be carried out with the device 100, for example 1 or the actuator 200 off 2a-c are carried out, which are used below to illustrate the method 300 by way of example. In particular, the method 300 can be carried out in whole or in part by the control unit 114 of the device 100 or the actuator 200 . Method 300 is not limited to that defined by the flowchart in 3 indicated sequence limited. As far as technically possible, the steps of method 300 can be carried out in any order and in particular at least partially simultaneously, for example steps 302 and 304.

Das Verfahren 300 umfasst, in Schritt 302, das Betreiben des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors mittels Zwangskommutierung. Hierzu können durch die Steuereinheit 114 und die Brückenschaltung 118 zwangskommutierte Antriebssignale für die Phasenwicklungen 110 bereitgestellt werden. Die zwangskommutierten Antriebssignale werden zu vorgegebenen Zeiten unabhängig von einer Rotorlage kommutiert, beispielsweise mit einer konstanten oder variablen Kommutierungsfrequenz. Während jedes Kommutierungsschritts kann jeweils ein entsprechendes Paar von Phasenwicklungen 110 mittels der Schalter 126, 128 zwischen dem Eingang 120 und dem Ausgang 122 der Brückenschaltung 118 über den Sternpunkt 112 in Reihe geschaltet sein.The method 300 includes, in step 302, the operation of the electronically commutated DC motor by forced commutation. For this purpose, forced commutated drive signals for the phase windings 110 can be provided by the control unit 114 and the bridge circuit 118 . The forced commutated drive signals are commutated at predetermined times independently of a rotor position, for example with a constant or variable commutation frequency. A respective pair of phase windings 110 can be connected in series between the input 120 and the output 122 of the bridge circuit 118 via the neutral point 112 by means of the switches 126, 128 during each commutation step.

Für einen dreiphasigen BLDC-Motor wie beispielsweise in 1 gezeigt können die Spannungen VU, VV, VW an den drei Phasenwicklungen 110 dabei Verläufe 400, 402, 404 wie in 4 schematisch dargestellt annehmen. Zu den Zeitpunkten t0, t1, ..., t6 wird dabei jeweils eine Kommutierung durch entsprechendes Umschalten der Schalter 126, 128 vorgenommen. Jede der Phasenwicklungen 110 wird dabei jeweils in zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungsschritten mit einer ersten Polung oder Orientierung mit der Versorgungsspannung verbunden, in einem dritten Kommutierungsschritt nicht bestromt (d.h. von der Versorgungsspannung getrennt), in zwei weiteren aufeinanderfolgenden Kommutierungsschritten mit einer der ersten Polung entgegengesetzten zweiten Polung mit der Versorgungsspannung verbunden und schließlich in einem sechsten Kommutierungsschritt wiederum nicht bestromt, ehe die entsprechende Sequenz wieder von vorne beginnt.For a three-phase BLDC motor such as in 1 shown, the voltages V U , V V , V W at the three phase windings 110 can have curves 400, 402, 404 as in FIG 4 assume shown schematically. At the times t0, t1, . . . Each of the phase windings 110 is connected to the supply voltage in two successive commutation steps with a first polarity or orientation, is not energized in a third commutation step (i.e. separated from the supply voltage), in two further successive commutation steps with a second polarity opposite to the first polarity connected to the supply voltage and finally not energized again in a sixth commutation step before the corresponding sequence starts again from the beginning.

Während der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor 102 mittels Zwangskommutierung betrieben wird, wird in Schritt 304 bestimmt, ob die induzierte Spannung in einer unbestromten Phasenwicklung einen Nulldurchgang aufweist. Beispielsweise kann bestimmt werden, ob die Spannung VU an einer ersten Phasenwicklung 110 während des zweiten Kommutierungsschrittes zwischen den Kommutierungszeitpunkten t1 und t2 einen Nulldurchgang aufweist. Hierzu kann das Vorzeichen der Spannung VU zu einem ersten Zeitpunkt, beispielsweise kurz vor oder kurz nach dem Kommutierungszeitpunkt t1, und zu einem zweiten Zeitpunkt, beispielsweise kurz vor oder kurz nach dem Kommutierungszeitpunkt t2, bestimmt werden. Das Vorzeichen der Spannung VU kann zum Beispiel mittels eines Spannungskomparators in den Spannungsmessgeräten 134 oder in der Steuereinheit 114 bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Vorzeichen der Spannung VU auch von der Steuereinheit 114 anhand der durch den Analog-Digital-Wandler 130 in ein digitales Signal umgewandelten Spannung VU mittels computer-gestützter Datenverarbeitung ermittelt werden.While the electronically commutated DC motor 102 is operated by forced commutation, it is determined in step 304 whether the induced voltage in a non-energized phase winding has a zero crossing. For example, it can be determined whether the voltage V U at a first phase winding 110 has a zero crossing during the second commutation step between the commutation times t 1 and t 2 . For this purpose, the sign of the voltage V U can be determined at a first time, for example shortly before or shortly after the commutation time t 1 , and at a second time, for example shortly before or shortly after the commutation time t 2 . The sign of the voltage V U can be determined, for example, using a voltage comparator in the voltage measuring devices 134 or in the control unit 114 . Alternatively or additionally, the sign of the voltage V U can also be determined by the control unit 114 using the voltage V U converted into a digital signal by the analog/digital converter 130 by means of computer-aided data processing.

Bevorzugt wird das Vorzeichen der Spannung VU bestimmt, indem die Spannung VU sowohl mit einem positiven Schwellenwert V+ als auch mit einem negativen Schwellenwert V-verglichen wird. Das Vorzeichen der Spannung VU wird als positiv bestimmt, wenn die Spannung VU größer als der positive Schwellenwert V+ ist, und als negativ bestimmt, wenn die Spannung VU kleiner als der negative Schwellenwert V- ist. Zwischen dem negativen und dem positiven Zwischenwert kann das Vorzeichen beispielsweise als unverändert, d.h. entsprechend einem zuvor bestimmten Vorzeichen, bestimmt werden oder als undefiniert, d.h. dass das Vorzeichen nicht eindeutig bestimmt werden kann.Preferably, the sign of the voltage V U is determined by comparing the voltage V U to both a positive threshold V + and a negative threshold V-. The sign of the voltage V U is determined to be positive when the voltage V U is greater than the positive threshold V + and negative when the voltage V U is less than the negative threshold V - . Between the negative and the positive intermediate value, the sign can be determined, for example, as unchanged, ie corresponding to a previously determined sign, or as undefined, ie that the sign cannot be determined unambiguously.

In Schritt 306 wird dann abhängig davon, ob in Schritt 304 ein Nulldurchgang der Spannung VU in der unbestromten Phasenwicklung 110 erkannt wurde, bestimmt, ob ein Fehlerzustand vorliegt. Beispielsweise kann ein Fehlerzustand erkannt werden, wenn kein Nulldurchgang innerhalb des entsprechenden Kommutierungsschrittes, d.h. zwischen den Zeitpunkten t1 und t2, auftritt.In step 306 it is then determined whether a fault condition is present depending on whether in step 304 a zero crossing of the voltage V U in the de-energized phase winding 110 was detected. For example, an error condition can be detected if no zero crossing occurs within the corresponding commutation step, ie between times t 1 and t 2 .

Das Verfahren 300 kann in einer Weiterbildung zudem in Schritt 304 auch das Bestimmen umfassen, ob eine induzierte Spannung in einer oder beiden der anderen Phasenwicklungen, d.h. eine der Spannungen VV und VW, einen Nulldurchgang in einem unbestromten Zustand aufweist, zum Beispiel wie oben für VU beschrieben. Entsprechend kann ein Fehlerzustand beispielsweise erkannt werden, wenn mindestens eine der Spannungen VU, VV, VW innerhalb eines entsprechenden Kommutierungsschrittes keinen Nulldurchgang aufweist. In anderen Fällen kann ein Fehlerzustand beispielsweise erst dann erkannt werden, wenn mindestens zwei der Spannungen VU, VV, VW innerhalb von zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungsschrittes keinen Nulldurchgang aufweisen, beispielsweise wie im Folgenden für das Verfahren 500 aus 5 beschrieben. Bevorzugt werden die Spannungen VU, VV, VW kontinuierlich überwacht, während der elektronisch kommutierte Gleichstrommotors mittels der Zwangskommutierung betrieben wird.In a refinement, method 300 may also include, in step 304, determining whether an induced voltage in one or both of the other phase windings, ie one of voltages V V and V W , has a zero crossing in a de-energized state, for example as above described for V U. Correspondingly, an error state can be detected, for example, if at least one of the voltages V U , V V , V W does not have a zero crossing within a corresponding commutation step. In other cases, an error state can only be detected, for example, if at least two of the voltages V U , V V , V W do not have a zero crossing within two consecutive commutation steps, for example as described below for method 500 from FIG 5 described. The voltages V U , V V , V W are preferably continuously monitored while the electronically commutated DC motor is operated by means of forced commutation.

5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 500 zum Erkennen eines Fehlerzustands bei einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren 500 ist ähnlich dem Verfahren 300 aus 3 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 500 herangezogen werden. Insbesondere kann das Verfahren 500 ganz oder in Teilen von der Steuereinheit 114 der Vorrichtung 100 oder des Stellantriebs 200 ausgeführt werden. Das Verfahren 500 ist nicht auf die durch das Flussdiagramm in 5 angedeutete Abfolge beschränkt. Soweit technisch möglich, können die Schritte des Verfahrens 500 in einer beliebigen Reihenfolge und insbesondere zumindest teilweise gleichzeitig ausgeführt werden. Beispielsweise kann das Betreiben des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors mittels Zwangskommutierung 502 während einiger oder aller anderen Schritte des Verfahrens 500 fortgesetzt werden. 5 FIG. 5 shows a flowchart of a method 500 for detecting a fault condition in an electronically commutated DC motor according to a further exemplary embodiment of the invention. Method 500 is similar to method 300 3 and can be made with the device 100, for example 1 or the actuator 200 off 2a-c are carried out, which are used below to illustrate the method 500 by way of example. In particular, the method 500 can be carried out in whole or in part by the control unit 114 of the device 100 or the actuator 200 . Method 500 is not limited to that defined by the flowchart in 5 indicated sequence limited. As far as technically possible, the steps of the method 500 can be carried out in any order and in particular at least partially simultaneously. For example, the electronically commutated DC motor may continue to be operated using forced commutation 502 during some or all of the other steps of the method 500 .

Das Verfahren 500 umfasst in Schritt 502 das Betreiben des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors mittels Zwangskommutierung, beispielsweise wie in Schritt 302 des Verfahrens 300. In Schritt 504 wird eine erste induzierte Spannung in einer ersten Phasenwicklung 110 im unbestromten Zustand, beispielsweise die Spannung VU, auf einen Nulldurchgang überprüft, zum Beispiel innerhalb des Kommutierungsschrittes zwischen den Kommutierungszeitpunkten t1 und t2. Ob die Spannung VU einen entsprechenden Nulldurchgang aufweist, kann beispielsweise wie oben für das Verfahren 300 beschrieben bestimmt werden.The method 500 includes in step 502 the operation of the electronically commutated DC motor by means of forced commutation, for example as in step 302 of the method 300. In step 504, a first induced voltage in a first phase winding 110 in the de-energized state, for example the voltage V U , to a Zero crossing checked, for example within the commutation step between the commutation times t 1 and t 2 . Whether the voltage V U has a corresponding zero crossing can be determined, for example, as described above for the method 300 .

Weist die Spannung VU in der ersten Phasenwicklung 110 keinen Nulldurchgang im unbestromten Zustand auf, geht das Verfahren 500 zu Schritt 506 über. In Schritt 506 wird bestimmt, ob eine zweite induzierte Spannung in einer zweiten Phasenwicklung 110 im unbestromten Zustand innerhalb des späteren Kommutierungsschrittes einen Nulldurchgang aufweist, beispielsweise die Spannung Vw innerhalb des darauffolgenden Kommutierungsschrittes zwischen den Kommutierungszeitpunkten t2 und t3. Ist dies ebenfalls nicht der Fall, kann in Schritt 510 bestimmt werden, dass ein Fehlerzustand, insbesondere eine Blockade des Rotors 106 oder eines damit gekoppelten Elements, vorliegt. Daraufhin kann der Betrieb des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors 102 unterbrochen werden, beispielsweise indem alle Phasenwicklungen von der Versorgungsspannung getrennt werden, und der Rotor 106 gegebenenfalls in die umgekehrte Drehrichtung zurückgefahren wird. Weist die Spannung Vw dagegen wie erwartet einen Nulldurchgang auf, kann dies daraufhin deuten, dass der Rotor 106 dem von den Phasenwicklungen 110 erzeugten Magnetfeld hinterher hinkt oder vorausläuft, aber keine Blockade vorliegt (Schritt 512).If the voltage V U in the first phase winding 110 does not have a zero crossing in the de-energized state, the method 500 proceeds to step 506 . In step 506 it is determined whether a second induced voltage in a second phase winding 110 in the de-energized state has a zero crossing within the later commutation step, for example the voltage Vw within the subsequent commutation step between the commutation times t 2 and t 3 . If this is also not the case, it can be determined in step 510 that an error condition, in particular a blockage of the rotor 106 or an element coupled thereto, is present. The operation of the electronically commutated direct current motor 102 can then be interrupted, for example by all phase windings being disconnected from the supply voltage and the rotor 106 possibly being moved back in the opposite direction of rotation. On the other hand, if the voltage Vw crosses zero as expected, this may indicate that the rotor 106 is lagging or leading the magnetic field generated by the phase windings 110 but is not blocked (step 512).

Weist die Spannung VU in der ersten Phasenwicklung 110 einen Nulldurchgang im unbestromten Zustand auf, geht das Verfahren 500 zu Schritt 508 über. In Schritt 508 wird eine Richtung des Nulldurchgangs bestimmt, beispielsweise ob die Spannung VU zum ersten Zeitpunkt beispielsweise größer als V+ ist und zum zweiten Zeitpunkt kleiner als V- oder umgekehrt. Die Richtung des Nulldurchgangs wird mit einer erwarteten Richtung verglichen, die beispielsweise bei einem idealisierten Verlauf wie in 4 dargestellt zu erwarten wäre. Abhängig davon wird bestimmt, ob ein Fehlerzustand vorliegt. Stimmt die Richtung des Nulldurchgangs mit der erwarteten Richtung überein, geht das Verfahren zu Schritt 512 über, d.h. es wurde keine Blockade erkannt. Stimmt die Richtung des Nulldurchgangs dagegen nicht mit der erwarteten Richtung überein, geht das Verfahren zu Schritt 510 über, d.h. eine Blockade wurde erkannt, die beispielsweise zu einem Zurückschwingen des Rotors und entsprechend einer von dem erwarteten Spannungsverlauf abweichenden induzierten Spannung VU führen kann. In analoger Weise kann nach Schritt 506 auch die Richtung des Nulldurchgangs der Spannung VW in der zweiten Phasenwicklung 110 überprüft werden, um zu bestimmen, ob eine Blockade vorliegt.If the voltage V U in the first phase winding 110 has a zero crossing in the de-energized state, the method 500 proceeds to step 508 . In step 508, a direction of the zero crossing is determined, for example whether the voltage V U is greater than V + at the first point in time and less than V - at the second point in time, or vice versa. The direction of the zero crossing is compared with an expected direction, which for example is the case with an idealized curve as in 4 shown would be expected. Depending on this, it is determined whether an error condition is present. If the direction of the zero crossing matches the expected direction, the method goes to step 512, ie no blockage was detected. If, on the other hand, the direction of the zero crossing does not match the expected direction, the method goes to step 510, ie a blockage was detected which, for example, can lead to the rotor swinging back and correspondingly to an induced voltage V U that deviates from the expected voltage profile. In an analogous manner, after step 506, the direction of the zero crossing of the voltage V W in the second phase winding 110 can also be checked in order to determine whether a blockage is present.

6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 600 zum Erkennen eines Fehlerzustands bei einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor mit zwei Betriebsmodi gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Das Verfahren 600 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. 6 FIG. 6 shows a flow diagram of a method 600 for detecting an error condition an electronically commutated DC motor with two modes of operation according to an exemplary embodiment. The method 600 can be carried out with the device 100, for example 1 or the actuator 200 off 2a-c are carried out, which are used below to illustrate the method 600 by way of example. In particular, the method 600 can be carried out in whole or in part by the control unit 114 of the device 100 or the actuator 200 .

Das Verfahren 600 umfasst, in Schritt 602, 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.The method 600 includes, in step 602, receiving a travel distance that the rotor 106 is to be rotated. The travel path can be transmitted to control unit 114 by an external control unit, for example, and can indicate a change in the rotational angle of rotor 106, in particular a number of revolutions of rotor 106, and a target direction of rotation for rotor 106. In some configurations, the change in the angle of rotation of the rotor 106 can be specified, for example, by a number of commutation steps to be carried out.

In Schritt 604 wird ein Betrag des in Schritt 602 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 606 fortgesetzt und der Rotor 106 in einem ersten Betriebsmodus um den Verfahrweg gedreht. Ist der Betrag des Verfahrwegs größer oder gleich dem Schwellenwert, wird das Verfahren 600 mit Schritt 614 fortgesetzt und der Rotor 106 in einem zweiten Betriebsmodus um den Verfahrweg gedreht.In step 604, an amount of the travel path received in step 602 is compared with a threshold value, which can be stored in a memory of control unit 114, for example. The threshold may be a constant value or may depend on a load coupled to the rotor 106 and/or damping of the rotor 106, for example. If the amount of travel is less than the threshold, the method continues with step 606 and the rotor 106 is rotated by the travel in a first mode of operation. If the amount of travel is greater than or equal to the threshold, method 600 proceeds to step 614 and rotate rotor 106 by travel in a second mode of operation.

In dem ersten Betriebsmodus für kleinere Verfahrwege wird der Rotor 106 in Schritt 606 mittels Zwangskommutierung in die Soll-Drehrichtung gedreht, wobei der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor 102 über den gesamten Verfahrweg mittels Zwangskommutierung betrieben wird. Hierzu kann in manchen Ausführungsformen während des gesamten Verfahrwegs eine konstante Kommutierungsfrequenz verwendet werden.In the first operating mode for smaller travel distances, the rotor 106 is rotated in step 606 by means of forced commutation in the desired direction of rotation, with the electronically commutated DC motor 102 being operated over the entire travel distance by means of forced commutation. For this purpose, in some embodiments, a constant commutation frequency can be used throughout the travel.

In anderen Ausgestaltungen kann der Rotor 106 zunächst in einem ersten Abschnitt oder Zeitraum mittels Zwangskommutierung mit einer ersten oder Anfahr-Kommutierungsfrequenz aus dem Stillstand in die Soll-Drehrichtung beschleunigt werden. Die Anzahl der Kommutierungen mit der Anfahr-Kommutierungsfrequenz, die Amplitude und/oder das Tastverhältnis der von der Spannungsquelle 116 bereitgestellten Versorgungsspannung sowie die Anfahr-Kommutierungsfrequenz selbst können beispielsweise so gewählt werden, dass der Rotor 106 eine erste Geschwindigkeit erreicht, die beispielsweise zwischen 800 min-1 und 2000 min-1 betragen kann. Anschließend kann der Rotor 106 in einem auf den ersten Zeitraum folgenden zweiten Abschnitt oder Zeitraum mittels Zwangskommutierung mit einer von der ersten Kommutierungsfrequenz verschiedenen zweiten Kommutierungsfrequenz weiter in die Soll-Drehrichtung bewegt werden. Die zweite Kommutierungsfrequenz ist bevorzugt kleiner als die erste Kommutierungsfrequenz und kann beispielsweise so gewählt werden, dass der Rotor 106 auf eine Abbremsgeschwindigkeit abgebremst wird. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine andere Amplitude und/oder ein anderes Tastverhältnisses für die von der Spannungsquelle 116 bereitgestellte Versorgungsspannung verwendet werden, um den Rotor 106 abzubremsen. Die Abbremsgeschwindigkeit ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass 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 sein und kann beispielsweise zwischen 600 min-1 und 1200 min-1 betragen.In other configurations, the rotor 106 can first be accelerated in a first section or period of time by forced commutation with a first or starting commutation frequency from standstill into the desired direction of rotation. The number of commutations with the start-up commutation frequency, the amplitude and/or the pulse duty factor of the supply voltage provided by the voltage source 116 and the start-up commutation frequency itself can be selected, for example, so that the rotor 106 reaches a first speed which, for example, is between 800 min -1 and 2000 min -1 . The rotor 106 can then be moved further in the desired direction of rotation in a second section or time period following the first time period by means of forced commutation at a second commutation frequency that differs from the first commutation frequency. The second commutation frequency is preferably lower than the first commutation frequency and can be selected, for example, in such a way that the rotor 106 is braked to a deceleration speed. Alternatively or additionally, a different amplitude and/or a different pulse duty factor for the supply voltage provided by the voltage source 116 can also be used in order to decelerate the rotor 106 . The deceleration speed is preferably chosen such that the deceleration speed is sufficiently low so that the rotor 106 can be stopped without re-rotating. The deceleration speed can be less than or equal to the first speed, for example, and can be between 600 rpm and 1200 rpm, for example.

Während der Rotor 106 in Schritt 606 mittels Zwangskommutierung bewegt wird, kann in Schritt 608 überprüft werden, ob ein Fehlerzustand, beispielsweise eine Blockade, vorliegt, zum Beispiel mittels des Verfahrens 300 oder 500. Liegt eine Blockade vor, kann der Betrieb des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors 102 in Schritt 610 gestoppt werden, beispielsweise indem die Antriebssignale unterbrochen werden.While the rotor 106 is moved in step 606 by means of forced commutation, it can be checked in step 608 whether an error condition, for example a blockage, is present, for example using method 300 or 500. If there is a blockage, the operation of the electronically commutated DC motor can be stopped 102 can be stopped in step 610, for example by interrupting the drive signals.

Wird keine Blockade erkannt, kann die Bewegung des Rotors 106 in Schritt 606 fortgesetzt werden bis entweder eine Blockade in Schritt 608 erkannt wird oder der Rotor 106 um den gesamten Betrag des Verfahrwegs gedreht wurde. Ist letzteres der Fall, wird der Rotor 106 in Schritt 612 an einer Zielposition angehalten, sobald der Rotor 106 um den Betrag des Verfahrwegs gedreht wurde. Hierzu kann die Steuereinheit 114 beispielsweise die Geschwindigkeit des Rotors 106 und/oder die Anzahl der durchgeführten Kommutierungsschritte in Schritt 606 bestimmen, um eine Stellung des Rotors 106 zu ermitteln und mit einer 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. Der Rotor 106 wird bevorzugt ausgehend von der Abbremsgeschwindigkeit, auf die der Rotor 106 in Schritt 606 abgebremst wurde, angehalten. Die Abbremsgeschwindigkeit ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass der Rotor 106 in der durch die Bestromung der Phasenwicklungen 110 vorgegebenen Gleichgewichtslage zum Stillstand kommt ohne eine weitere vollständige Umdrehung zu durchlaufen.If no blockage is detected, the movement of the rotor 106 can be continued in step 606 until either a blockage is detected in step 608 or the rotor 106 has been rotated the entire amount of travel. If the latter is the case, the rotor 106 is stopped at a target position in step 612 once the rotor 106 has been rotated by the amount of travel. For this purpose, the control unit 114 can, for example, determine the speed of the rotor 106 and/or the number of commutation steps carried out in step 606 in order to determine a position of the rotor 106 and to compare it with a starting position of the rotor 106 . In order to stop the rotor 106 in the target position, the control unit 114 can energize a pair of the phase windings 110 with a constant holding current by means of the bridge circuit 118 . The rotor 106 is preferably stopped based on the deceleration speed to which the rotor 106 was decelerated in step 606 . The deceleration speed is preferably chosen so that the rotor 106 in the by the Bestro tion of the phase windings 110 predetermined equilibrium position comes to a standstill without going through another complete revolution.

In dem zweiten Betriebsmodus für größere Verfahrwege wird der Rotor 106 zunächst in einem ersten Abschnitt oder Zeitraum in Schritt 614 mittels Zwangskommutierung in die Soll-Drehrichtung beschleunigt, bevorzugt aus dem Stillstand. Die Anzahl der Kommutierungsschritte in Schritt 614, die Amplitude und/oder das Tastverhältnis der von der Spannungsquelle 116 bereitgestellten Versorgungsspannung sowie die Kommutierungsfrequenz sind so gewählt, dass der Rotor 106 im Schritt 614 eine erste Geschwindigkeit erreicht, die beispielsweise zwischen 800 min-1 und 2000 min-1 betragen kann. Die erste Geschwindigkeit ist bevorzugt ausreichend groß, so dass zum Beispiel die Zeitpunkte, zu denen Nulldurchgänge der durch den Rotor 106 in der jeweils unbestromten Phasenwicklung 110 induzierten Spannung auftreten, von der Steuereinheit 114 zuverlässig erkannt werden können, um eine auf die Rotorlage abgestimmte sensorlose Kommutierung durchführen zu können. In einem Beispiel umfasst die Zwangskommutierung in Schritt 606 zwischen 2 und 10 Kommutierungsschritte.In the second operating mode for larger travel distances, the rotor 106 is initially accelerated in a first section or time period in step 614 by means of forced commutation in the desired direction of rotation, preferably from a standstill. The number of commutation steps in step 614, the amplitude and/or the duty cycle of the supply voltage provided by voltage source 116, and the commutation frequency are selected such that rotor 106 reaches a first speed in step 614, which is between 800 rpm and 2000 rpm, for example can be min -1 . The first speed is preferably sufficiently high so that, for example, the times at which zero crossings of the voltage induced by rotor 106 in the respective de-energized phase winding 110 occur can be reliably detected by control unit 114 in order to carry out sensorless commutation coordinated with the rotor position to be able to carry out. In one example, the forced commutation in step 606 includes between 2 and 10 commutation steps.

In manchen Ausführungsformen kann während dieser Zwangskommutierung in Schritt 608 wie oben beschrieben überprüft werden, ob ein Fehlerzustand vorliegt, beispielsweise mittels des Verfahrens 300 oder 500, und gegebenenfalls der Betrieb des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors 102 bei Vorliegen eines Fehlerzustands in Schritt 610 gestoppt werden.In some embodiments, during this forced commutation in step 608, as described above, it can be checked whether an error condition is present, for example using method 300 or 500, and, if necessary, the operation of the electronically commutated DC motor 102 can be stopped in step 610 if an error condition is present.

Tritt während der Beschleunigung des Rotors 106 in Schritt 614 kein Fehlerzustand auf, kann in Schritt 616 auf eine sensorlose Kommutierung umgeschaltet werden, mittels derer der Rotor 106 in einem zweiten Abschnitt oder Zeitraum weiter in die Soll-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 können abhängig von den Zeitpunkten der Nulldurchgänge der induzierten Spannung kommutiert werden. In Schritt 616 kann der Rotor 106 in einigen Ausführungsformen weiter beschleunigt werden, zum Beispiel bis auf eine zweite Geschwindigkeit, die beispielsweise zwischen 1000 min-1 und 5000 min-1 betragen kann.If no error state occurs during the acceleration of the rotor 106 in step 614, it is possible to switch to a sensorless commutation in step 616, by means of which the rotor 106 is moved further in the desired direction of rotation in a second section or time period. In this case, the drive signals for the phase windings 110 are commutated by the control unit 114 by means of the bridge circuit 118 depending on an electrical signal at the phase windings 110 . In particular, as described above, the electrical signal can be the induced voltage in the respectively unenergized phase winding 110 and the drive signals for the phase windings 110 can be commutated depending on the times of the zero crossings of the induced voltage. In step 616, in some embodiments, the rotor 106 may be further accelerated, for example to a second speed, which may be, for example, between 1000 rpm and 5000 rpm.

In Schritt 618 wird der Rotor 106 dann mittels sensorloser Kommutierung auf eine Abbremsgeschwindigkeit abgebremst. 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 sein und kann beispielsweise zwischen 600 min-1 und 1200 min-1 betragen. Die Abbremsgeschwindigkeit in Schritt 618 kann der Abbremsgeschwindigkeit aus Schritt 606 entsprechen.In step 618, the rotor 106 is then decelerated to a deceleration speed using sensorless commutation. The deceleration speed is preferably selected such that a sensorless commutation can just about be carried out reliably, for example based on the zero crossings of the induced voltage at the deceleration speed, but the deceleration speed is sufficiently low so that the rotor 106 can be stopped without re-rotating. The deceleration speed can be less than or equal to the first speed, for example, and can be between 600 rpm and 1200 rpm, for example. The deceleration rate in step 618 may correspond to the deceleration rate from step 606 .

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 in Schritt 612. Um den Verfahrweg des Rotors 106 anzupassen, kann beispielsweise die Länge des Zeitraums, in dem der Rotor in Schritt 616 mittels sensorloser Kommutierung bewegt wird, geeignet angepasst werden. Die Beschleunigung des Rotors 106 in Schritt 614 sowie das Abbremsen des Rotors auf die Abbremsgeschwindigkeit in Schritt 618 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.Once the rotor 106 has rotated the predetermined amount of travel, the rotor 106 is stopped at the corresponding target position in step 618, for example similar to step 612. To adjust the travel of the rotor 106, for example, the length of the time period in which the rotor is moved in step 616 by means of sensorless commutation can be suitably adjusted. The acceleration of the rotor 106 in step 614 and the deceleration of the rotor to the deceleration speed in step 618 can, however, always take place in the same way in some embodiments, regardless of the amount of travel, i.e., for example, the same number of commutation steps regardless of the amount of travel and/or have the same duration.

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.The described embodiments according to the invention and the figures are only intended to serve as purely exemplary illustrations. The invention can vary in its form without changing the underlying functional principle. The scope of protection of the method according to the invention and the device according to the invention results solely from the following claims.

BezugszeichenlisteReference List

100100
Vorrichtungcontraption
102102
elektronisch kommutierten Gleichstrommotorelectronically commutated DC motor
104104
Statorstator
106106
Rotorrotor
108108
Rotormagnetrotor magnet
110110
Phasenwicklungenphase windings
112112
Sternpunktstar point
114114
Steuereinheitcontrol unit
116116
Spannungsquellevoltage source
118118
Brückenschaltungbridge circuit
120120
Eingang der Brückenschaltunginput of the bridge circuit
122122
Ausgang der Brückenschaltungoutput of the bridge circuit
124124
Erdunggrounding
126126
Eingangsschalterinput switch
128128
Ausgangsschalterexit switch
130130
Analog-Digital-WandlerAnalog to digital converter
132132
Mikrocontrollermicrocontroller
134134
Spannungsmessgerätetension gauges
136136
Shunt-Widerstandshunt resistance
138138
Messgerät gauge
200200
Stellantriebactuator
202202
Getriebetransmission
202-1, 202-2, 202-3, 202-4202-1, 202-2, 202-3, 202-4
Getrieberädergear wheels
204204
Abtriebsradoutput gear
208208
GehäuseHousing
208A208A
- Gehäuseschale- housing shell
208B208B
- Gehäusedeckel- Case cover
210210
Führungselementguide element
212212
Drehachseaxis of rotation
214214
Platinecircuit board
214A214A
- Öffnung in der Platine- Opening in the board
216216
Positionssensorposition sensor
218218
Magnetmagnet
300300
Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands bei einem elektronisch kommutierten GleichstrommotorMethod for detecting a fault condition in an electronically commutated DC motor
302302
Betreiben des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors mittels ZwangskommutierungOperating the electronically commutated DC motor using forced commutation
304304
Bestimmen, ob Spannung in unbestromter Phasenwicklung einen Nulldurchgang aufweistDetermining if voltage in dead phase winding has a zero crossing
306306
Bestimmen, ob ein Fehlerzustand vorliegt Determining whether an error condition exists
400400
Spannungsverlauf der Spannung VU in einer ersten PhasenwicklungVoltage curve of the voltage V U in a first phase winding
402402
Spannungsverlauf der Spannung VV in einer zweiten PhasenwicklungVoltage curve of the voltage V V in a second phase winding
404404
Spannungsverlauf der Spannung VW in einer dritten Phasenwicklung Voltage curve of the voltage V W in a third phase winding
500500
Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands bei einem elektronisch kommutierten GleichstrommotorMethod for detecting a fault condition in an electronically commutated DC motor
502502
Betreiben des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors mittels ZwangskommutierungOperating the electronically commutated DC motor using forced commutation
504504
Bestimmen, ob Spannung in erster unbestromter Phasenwicklung einen Nulldurchgang aufweistDetermining whether voltage in the first dead phase winding has a zero crossing
506506
Bestimmen, ob Spannung in zweiter unbestromter Phasenwicklung einen Nulldurchgang aufweistDetermining whether voltage in second dead phase winding has a zero crossing
508508
Überprüfen, ob Richtung des Nulldurchgangs erwarteter Richtung entsprichtVerify direction of zero crossing is in expected direction
510510
Bestimmen, dass eine Blockade vorliegtDetermining that there is a blockage
512512
Bestimmen, dass keine Blockade vorliegt Determining that there is no blockage
600600
Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands bei einem elektronisch kommutierten GleichstrommotorMethod for detecting a fault condition in an electronically commutated DC motor
602602
Empfangen des VerfahrwegsReceiving the travel distance
604604
Vergleichen des Verfahrwegs mit dem SchwellenwertCompare travel distance to threshold
606606
Bewegen des Rotors mittels Zwangskommutierung in erstem BetriebsmodusMoving the rotor using forced commutation in the first operating mode
608608
Überprüfen, ob Blockade vorliegtCheck for blockage
610610
Stoppen des Betriebs des elektronisch kommutierten GleichstrommotorsStopping the operation of the electronically commutated DC motor
612612
Anhalten des Rotors nach Drehen um den VerfahrwegStopping the rotor after rotating by the travel distance
614614
Beschleunigen des Rotors mittels Zwangskommutierung in zweitem BetriebsmodusAccelerating the rotor using forced commutation in the second operating mode
616616
Bewegen des Rotors mittels sensorloser KommutierungMoving the rotor using sensorless commutation
618618
Abbremsen der Rotors aus AbbremsgeschwindigkeitDeceleration of the rotors from deceleration speed
620620
Anhalten des Rotors nach Drehen um den VerfahrwegStopping the rotor after rotating by the travel distance

Claims (16)

Verfahren (300, 500, 600) zum Erkennen eines Fehlerzustands bei einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor (102) mit einem Stator (104), einem Rotor (106) und einer Vielzahl von Phasenwicklungen (110), wobei das Verfahren (300, 500, 600) umfasst: Betreiben des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors (102) mittels Zwangskommutierung, umfassend das Bereitstellen zwangskommutierter Antriebssignale für die Phasenwicklungen (110), wobei die zwangskommutierten Antriebssignale zu vorgegebenen Zeiten unabhängig von einer Rotorlage kommutiert werden; Bestimmen, ob eine induzierte Spannung (VU, VV, VW) in einer unbestromten Phasenwicklung (110) einen Nulldurchgang aufweist, während der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor (102) mittels Zwangskommutierung betrieben wird; und Bestimmen, ob ein Fehlerzustand vorliegt, abhängig davon, ob ein Nulldurchgang der induzierten Spannung (VU, VV, VW) in der unbestromten Phasenwicklung (110) erkannt wurde.Method (300, 500, 600) for detecting a fault condition in an electronically commutated DC motor (102) having a stator (104), a rotor (106) and a plurality of phase windings (110), the method (300, 500, 600 ) comprises: operating the electronically commutated DC motor (102) by forced commutation, comprising providing forced commutated drive signals for the phase windings (110), the forced commutated drive signals being commutated at predetermined times independently of a rotor position; determining whether an induced voltage (V U , V V , V W ) in a de-energized phase winding (110) crosses zero while the electronically commutated DC motor (102) is forced commutation; and determining whether a fault condition exists based on whether a zero crossing of the induced voltage (V U , V V , V W ) in the de-energized phase winding (110) has been detected. Verfahren (300, 500, 600) nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen, ob die induzierte Spannung (VU, VV, VW) in der unbestromten Phasenwicklung (110) einen Nulldurchgang aufweist, umfasst: Bestimmen eines ersten Vorzeichens der induzierten Spannung (VU, VV, VW) in der unbestromten Phasenwicklung (110) zu einem ersten Zeitpunkt; Bestimmen eines zweiten Vorzeichens der induzierten Spannung (VU, VV, VW) in der unbestromten Phasenwicklung (110) zu einem zweiten Zeitpunkt nach dem ersten Zeitpunkt; und Vergleichen des ersten und des zweiten Vorzeichens.Method (300, 500, 600) according to claim 1 , wherein determining whether the induced voltage (V U , V V , V W ) in the de-energized phase winding (110) has a zero crossing comprises: determining a first sign of the induced voltage (V U , V V , V W ) in the de-energized phase winding (110) at a first time; determining a second sign of the induced voltage (V U , V V , V W ) in the dead phase winding (110) at a second time after the first time; and comparing the first and second signs. Verfahren (300, 500, 600) nach Anspruch 2, wobei das Bestimmen des ersten Vorzeichens und das Bestimmen des zweiten Vorzeichens jeweils umfasst: Vergleichen der induzierten Spannung (VU, VV, VW) mit einem positiven Schwellenwert (V+), wobei das jeweilige Vorzeichen positiv ist, wenn die induzierte Spannung (VU, VV, VW) den positiven Schwellenwert (V+) überschreitet; und Vergleichen der induzierten Spannung (VU, VV, VW) mit einem negativen Schwellenwert (V-), wobei das jeweilige Vorzeichen negativ ist, wenn die induzierte Spannung (VU, VV, VW) den negativen Schwellenwert (V-) unterschreitet.Method (300, 500, 600) according to claim 2 , wherein determining the first sign and determining the second sign each comprises: comparing the induced voltage (V U , V V , V W ) to a positive threshold (V + ), the respective sign being positive when the induced voltage (V U , V V , V W ) exceeds the positive threshold (V + ); and comparing the induced voltage (V U , V V , V W ) with a negative threshold (V - ), with the respective sign being negative if the induced voltage (V U , V V , V W ) exceeds the negative threshold (V - ) below. Verfahren (300, 500, 600) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der erste Zeitpunkt innerhalb eines ersten Zeitintervalls um einen ersten Kommutierungszeitpunkt (t1) liegt, der zweite Zeitpunkt innerhalb eines zweiten Zeitintervalls um einen unmittelbar auf den ersten Kommutierungszeitpunkt folgenden zweiten Kommutierungszeitpunkt (t2) liegt und eine Länge des ersten Zeitintervalls und eine Länge des zweiten Zeitintervalls jeweils weniger als 25%, bevorzugt weniger als 10% einer Zeitdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Kommutierungszeitpunkt (t1, t2) betragen.Method (300, 500, 600) according to claim 2 or 3 , wherein the first time is within a first time interval around a first commutation time (t 1 ), the second time is within a second time interval around a second commutation time (t 2 ) immediately following the first commutation time, and a length of the first time interval and a length of the second time interval are in each case less than 25%, preferably less than 10% of a time difference between the first and the second commutation instant (t 1 , t 2 ). Verfahren nach Anspruch 4, wobei der erste Zeitpunkt vor dem ersten Kommutierungszeitpunkt (t1) und der zweite Zeitpunkt vor dem zweiten Kommutierungszeitpunkt (t2) liegen.procedure after claim 4 , wherein the first time before the first commutation time (t 1 ) and the second time before the second commutation time (t 2 ). Verfahren (300, 500, 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: die induzierte Spannung eine erste induzierte Spannung (VU) in einer ersten Phasenwicklung (110) ist, während die erste Phasenwicklung (110) unbestromt ist; das Verfahren (500, 600) weiterhin umfasst: Bestimmen, ob eine zweite induzierte Spannung (VV, VW) in einer zweiten Phasenwicklung (110) einen Nulldurchgang aufweist, während die zweite Phasenwicklung (110) unbestromt ist; und das Bestimmen, ob ein Fehlerzustand vorliegt, abhängig davon erfolgt, ob ein Nulldurchgang der ersten induzierten Spannung (VU) erkannt wurde und ob ein Nulldurchgang der zweiten induzierten Spannung (VV, VW) erkannt wurde.The method (300, 500, 600) of any preceding claim, wherein: the induced voltage is a first induced voltage (V U ) in a first phase winding (110) while the first phase winding (110) is de-energized; the method (500, 600) further comprising: determining whether a second induced voltage (V V , V W ) in a second phase winding (110) is a zero having continuity while the second phase winding (110) is de-energized; and determining whether a fault condition exists based on whether a zero crossing of the first induced voltage (V U ) has been detected and whether a zero crossing of the second induced voltage (V V , V W ) has been detected. Verfahren (300, 500, 600) nach Anspruch 6, wobei ein Fehlerzustand erkannt wird, wenn die erste induzierte Spannung (VU) innerhalb eines ersten Kommutierungsschritts keinen Nulldurchgang aufweist und die zweite induzierte Spannung (VW) innerhalb eines unmittelbar auf den ersten Kommutierungsschritt folgenden zweiten Kommutierungsschritts keinen Nulldurchgang aufweist.Method (300, 500, 600) according to claim 6 , a fault condition being detected if the first induced voltage (V U ) does not have a zero crossing within a first commutation step and the second induced voltage (V W ) does not have a zero crossing within a second commutation step immediately following the first commutation step. Verfahren (300, 500, 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: das Verfahren ferner das Bestimmen einer Richtung des Nulldurchgangs der induzierten Spannung (VU, VV, VW) in der unbestromten Phasenwicklung (100) umfasst; und das Bestimmen, ob ein Fehlerzustand vorliegt, abhängig davon erfolgt, ob ein Nulldurchgang der induzierten Spannung (VU, VV, VW) erkannt wurde und ob eine Richtung des Nulldurchgangs einer zu erwartenden Richtung entspricht.The method (300, 500, 600) of any preceding claim, wherein: the method further comprises determining a direction of zero crossing of the induced voltage (V U , V V , V W ) in the unenergized phase winding (100); and determining whether a fault condition exists based on whether a zero crossing of the induced voltage (V U , V V , V W ) has been detected and whether a direction of the zero crossing corresponds to an expected direction. Verfahren (300, 500, 600) nach Anspruch 8, wobei ein Fehlerzustand erkannt wird, wenn die Richtung des Nulldurchgangs nicht der zu erwartenden Richtung entspricht.Method (300, 500, 600) according to claim 8 , where an error condition is detected when the direction of the zero crossing is not in the expected direction. Verfahren (300, 500, 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren das Umkehren einer Drehrichtung des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors (102) umfasst, wenn ein Fehlerzustand vorliegt.A method (300, 500, 600) according to any one of the preceding claims, the method comprising reversing a direction of rotation of the electronically commutated DC motor (102) when a fault condition exists. Verfahren (300, 500, 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ein Umschalten auf eine sensorlose Kommutierung umfasst, wenn kein Fehlerzustand vorliegt, wobei bei der sensorlosen Kommutierung Antriebssignale für die Phasenwicklungen (110) abhängig von einem elektrischen Signal (VU, VV, VW) an einer Phasenwicklung (110) kommutiert werden.Method (300, 500, 600) according to one of the preceding claims, wherein the method comprises switching to sensorless commutation when there is no fault condition, wherein in the sensorless commutation drive signals for the phase windings (110) depend on an electrical signal (V U , V V , V W ) are commutated on a phase winding (110). Verfahren (600) nach einem der vorhergehende Ansprüche, ferner umfassend: Empfangen eines Verfahrwegs, um den der Rotor (102) 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: das Drehen des Rotors (106) in dem ersten Betriebsmodus das Bewegen des Rotors (106) mittels Zwangskommutierung um den gesamten Betrag des Verfahrwegs umfasst; und das Drehen des Rotors (106) in dem zweiten Betriebsmodus umfasst: Beschleunigen des Rotors (106) mittels Zwangskommutierung in einem ersten Zeitraum der Bewegung sowie Bewegen des Rotors (106) mittels sensorloser Kommutierung in einem zweiten Zeitraum der Bewegung nach dem ersten Zeitraum, wobei bei der sensorlosen Kommutierung Antriebssignale für die Phasenwicklungen (110) abhängig von einem Nulldurchgang einer induzierten Spannung (VU, VV, VW) in einer unbestromten Phasenwicklung (110) kommutiert werden.The method (600) of any preceding claim, further comprising: receiving a travel distance by which the rotor (102) is to be rotated; comparing an amount of travel to a threshold; and rotating the rotor (106) by the travel distance, wherein the rotor (106) is rotated in a first mode of operation when the amount of travel is less than the threshold and rotated in a second mode of operation when the amount of travel is greater than the threshold is wherein: rotating the rotor (106) in the first mode of operation comprises moving the rotor (106) the full amount of travel via forced commutation; and rotating the rotor (106) in the second mode of operation comprises: accelerating the rotor (106) using forced commutation in a first period of motion and moving the rotor (106) using sensorless commutation in a second period of motion after the first period, wherein in sensorless commutation, drive signals for the phase windings (110) are commutated as a function of a zero crossing of an induced voltage (V U , V V , V W ) in a phase winding (110) without current. 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 der Bewegung; und Bewegen des Rotors (106) mittels Zwangskommutierung mit einer zweiten Kommutierungsfrequenz in einem zweiten Zeitraum der Bewegung nach dem ersten Zeitraum, wobei die zweite Kommutierungsfrequenz kleiner als die erste Kommutierungsfrequenz ist.Method (600) according to claim 12 wherein rotating the rotor (106) in the first mode of operation comprises: accelerating the rotor (106) by forced commutation at a first commutation frequency during a first period of movement; and forcing the rotor (106) to move at a second commutation frequency for a second period of movement after the first period, the second commutation frequency being less than the first commutation frequency. Stellantrieb (200), umfassend: einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor (102) mit einem Stator (104), einem Rotor (106) und einer Vielzahl von Phasenwicklungen (110); 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, 500, 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.An actuator (200) comprising: an electronically commutated DC motor (102) having a stator (104), a rotor (106) and a plurality of phase windings (110); an output gear (204) mechanically coupled to the rotor (106) and adapted to be mechanically coupled to an actuator; and a control unit (114) which is set up to carry out a method (300, 500, 600) according to one of the preceding claims. Stellantrieb (200) nach Anspruch 14, wobei der Stellantrieb (200) einen Spannungskomparator aufweist, der dazu eingerichtet ist, die Spannung (VU, VV, VW) an einer der Phasenwicklungen (100) mit einem Schwellenwert zu vergleichen.Actuator (200) after Claim 14 , wherein the actuator (200) comprises a voltage comparator which is adapted to compare the voltage (V U , V V , V W ) across one of the phase windings (100) with a threshold value. Stellantrieb (200) nach Anspruch 15, wobei die Steuereinheit (114) einen Mikrocontroller (132) umfasst und der Spannungskomparator in die Steuereinheit (114) integriert ist.Actuator (200) after claim 15 , wherein the control unit (114) comprises a microcontroller (132) and the voltage comparator is integrated into the control unit (114).
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