DE112008001109T5

DE112008001109T5 - Elektrische Servolenkung

Info

Publication number: DE112008001109T5
Application number: DE112008001109T
Authority: DE
Inventors: Connel Brett Williams; Christopher David Finham Dixon
Original assignee: TRW Ltd
Current assignee: ZF Automotive UK Ltd
Priority date: 2007-04-26
Filing date: 2008-04-24
Publication date: 2010-10-07
Also published as: WO2008132449A1; GB0708061D0

Abstract

Elektromagnetische Vorrichtung mit:
einer mechanischen Komponente mit einem begrenzten Verfahrwegbereich mit mindestens einer Endposition; und
einem Motor, der konfiguriert ist, eine Kraft auf die mechanische Komponente auszuüben, um zu veranlassen, dass sie sich entlang ihres Verfahrweges bewegt;
wobei der Motor mindestens drei Phasen, die jeweils eine Phasenwicklung aufweisen, einen Rotor und eine Ansteuerungsschaltung zum Zuführen von Ansteuerungsströmen zu jeder der Phasen in Abhängigkeit von der Position des Rotors relativ zu den Phasenwicklungen aufweist;
wobei die Vorrichtung derart konfiguriert ist, dass, wenn sich die mechanische Komponente während des Betriebs an einer Endposition befindet, die Stärke des mindestens einer Phase des Motors zugeführten Stroms im Wesentlichen minimal ist; und
wobei die Ansteuerungsschaltung konfiguriert ist, im Betrieb jeder Phase zyklische Ansteuerungssignale zuzuführen, wenn sich der Rotor dreht, wobei die jeder Phase zugeführten Ansteuerungssignale bezüglich den anderen Phasen zugeführten Ansteuerungssignalen phasenverschoben sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Vorrichtung und insbesondere, aber nicht ausschließlich, eine elektrische Servolenkvorrichtung.
In einer elektromechanischen Vorrichtung mit einem drehmomentausübenden Motor und einer mechanischen Komponente, die einen begrenzten Verfahrwegbereich aufweisen, existiert ein Punkt, an dem es für die Vorrichtung physikalisch nicht möglich ist, die mechanische Komponente noch weiter zu bewegen. An diesem Punkt das volle Drehmoment auszuüben ist ineffizient, und die zugeführte Leistung wird in Form von Wärme verbraucht. Ein Beispiel einer derartigen Vorrichtung ist eine elektrische Servolenk(electric power assisted steering (EPAS))vorrichtung, in der ein drehmomentausübender Motor angeordnet ist, um ein unterstützendes Drehmoment für die Lenkvorrichtung eines Fahrzeugs zu erzeugen, wobei der Verfahrweg der Lenkvorrichtung zwischen zwei ”Blockier”positionen begrenzt ist.
Wie bei allen Vorrichtungen können die elektronischen Steuer- und Antriebskomponenten für eine solche Vorrichtung nur innerhalb eines begrenzten Temperaturbereichs betrieben werden. Sollte die Temperatur der elektronischen Komponenten einen sicheren Grenzwert überschreiten, ist es wahrscheinlich, dass die Güte der elektronischen Komponenten abnimmt und die elektronischen Komponenten möglicherweise für immer ihren Betrieb einstellen. Um die Vorrichtung innerhalb des begrenzten Betriebstemperaturbereichs zu halten, kann die verfügbare Leistung vermindert werden, wenn die Vorrichtung sich dem sicheren Grenzwert nähert.
Um die Verfügbarkeit der vollen Leistung zu maximieren und das Erfordernis zum Begrenzen der verfügbaren Leistung zu begrenzen, müssen Temperaturerhöhungen minimal gehalten werden. Eine Lösung, die vorgeschlagen worden ist, besteht darin, die verfügbare Leistung am Ende des Verfahrweges der mechanischen Komponente zu begrenzen. Dies bedeutet allerdings, dass nicht die volle Leistung zur Verfügung steht, um die mechanische Komponente vom Ende des Verfahrweges weg zu bewegen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine elektromagnetische Vorrichtung bereitgestellt, mit:
einer mechanischen Komponente mit einem begrenzten Verfahrwegbereich mit mindestens einer Endposition; und
einem Motor, der konfiguriert ist, eine Kraft auf die mechanische Komponente auszuüben, um zu veranlassen, dass sie sich entlang ihres Verfahrweges bewegt;
wobei der Motor mindestens drei Phasen, die jeweils eine Phasenwicklung aufweisen, einen Rotor und eine Ansteuerungsschaltung zum Zuführen von Ansteuerungsströmen zu jeder der Phasen in Abhängigkeit von der Position des Rotors relativ zu den Phasenwicklungen aufweist; und
wobei die Vorrichtung derart konfiguriert ist, dass, wenn sich die mechanische Komponente im Betrieb an einer Endposition befindet, die Stärke des mindestens einer Phase des Motors zugeführten Ansteuerungsstroms im Wesentlichen minimal ist.
Indem mindestens eine Phase bei einem minimalen Strom gehalten wird, kann der Phasenstrom-Spitzenwert an der Endposition, und damit der Phasenleistungs-Spitzenwert an dieser Position, vermindert werden. Dies ist wichtig, weil die Temperaturerhöhungsrate in jeder Phase und in der Ansteuerungsschaltung für diese Phase von der Leistung durch diese Phase abhängig sein wird. Durch Vermindern des Phasenleistungs-Spitzenwertes an der Endposition wird der Temperaturanstieg in jeder Phase oder ihrer Ansteuerungsschaltung vermindert, so dass die Wahrscheinlichkeit, dass eine Phase oder ihre Ansteuerungsschaltung einen sicheren Temperaturgrenzwert überschreiten wird, vermindert wird. Dadurch ist ein kontinuierlicher, sicherer Betrieb der Vorrichtung mit voller Leistung für eine längere Zeit möglich als dies ansonsten der Fall wäre.
Vorzugsweise beträgt der der Phase an der Endposition zugeführte minimale Ansteuerungsstrom im Wesentlichen null.
Die Erfindung ist insbesondere auf eine Vorrichtung anwendbar, bei der die Ansteuerungsschaltung derart konfiguriert ist, dass im Betrieb jeder Phase zyklische Ansteuerungssignale zugeführt werden, wenn sich der Rotor dreht, wobei die jeder Phase zugeführten Ansteuerungssignale bezüglich anderen Phasen zugeführten Ansteuerungssignalen phasenverschoben sind. In der bevorzugten Ausführungsform sind die zyklischen Ansteuerungssignale im Wesentlichen sinusförmig.
Der Motor wird typischerweise außerdem einen Winkelpositionssensor zum Erfassen der Winkelposition des Rotors relativ zu den Wicklungen während des Betriebs und zum Bereitstellen eines diese Position anzeigenden Rotorwinkelpositionssignals im Betrieb aufweisen. Vorzugsweise bestimmt die Ansteuerungsschaltung die der Phase zuzuführenden Ansteuerungsströme in Abhängigkeit von dem Rotorwinkelpositionssignal.
In einer Ausführungsform besteht eine konsistente Beziehung zwischen der Position der mechanischen Komponente und der Position des Rotors bezüglich der Phasenwicklungen, so dass die Endposition der mechanischen Komponente der Position in dem einer Phase zugeführten zyklischen Ansteuerungssignal entspricht, die dazu führt, dass dieser Phase eine im Wesentlichen minimale Stromstärke zugeführt wird.
Alternativ kann im Betrieb, wenn sich die mechanische Komponente an einer Endposition befindet, das Rotorwinkelpositionssignal unabhängig von der tatsächlichen Position des Rotors eine Rotorposition anzeigen, die einer Position einer minimalen Stromstärke in einem der zyklischen Ansteuerungssignale entspricht. Dadurch kann ein Standard-Motorsteuerungsverfahren verwendet werden, bei dem sich ausschließlich die Ausgabe des Winkelpositionssensors ändert.
Der Winkelpositionssensor kann derart konfiguriert sein, dass über einen Bereich von Positionen der mechanischen Komponente von der Endposition zu einer ersten Position, die der nächsten Position des Rotors entspricht, die einer Position einer minimalen Stromstärke in einem der zyklischen Ansteuerungssignale entspricht, das Rotorwinkelpositionssignal die erste Position anzeigt.
In einer Alternative kann das Rotorwinkelpositionssignal außerhalb des Bereichs den Winkelpositionssensor des Rotors anzeigen, wie es normal ist. In einer anderen Alternative ist der Winkelpositionssensor jedoch derart konfiguriert, dass über einen zweiten Bereich von Positionen der mechanischen Komponente von der Endposition zu einem Schwellenwert, das Rotorwinkelpositionssignal derart quantisiert wird, dass es nur Werte ausgibt, die Positionen des Rotors entsprechen, die Punkten in den zyklischen Ansteuerungssignalen entsprechen, an denen einer der Phasen eine minimale Stromstärke zugeführt würde. Dadurch wird die Genauigkeit reduziert, die erforderlich ist, um zu definieren, wenn sich die mechanische Komponente in der Nähe der Endposition befindet.
Die mechanische Komponente kann zwei Endpositionen haben, wobei die Vorrichtung derart konfiguriert sein kann, dass, wenn sich die mechanische Komponente im Betrieb an einer der beiden Endpositionen befindet, der mindestens einer Phase des Motors zugeführte Ansteuerungsstrom im Wesentlichen minimal ist. Alle der vorstehend erwähnten optionalen Merkmale können auf die Endposition an jedem Ende des Verfahrweges der mechanischen Komponente angewendet werden.
Wenn der Winkelpositionssensor dafür konfiguriert ist, ein Rotorwinkelpositionssignal auszugeben, das die Position des Rotors nicht direkt anzeigt, kann dies unter Verwendung einer Begrenzungsschaltung erreicht werden, die das Rotorwinkelpositionssignal in der gewünschten Weise begrenzt. Diese kann Teil des Winkelpositionssensors selbst oder innerhalb der Ansteuerungsschaltung angeordnet sein. Die Begrenzungsschaltung kann in einem Mikroprozessor oder in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) implementiert sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Motor drei Phasen auf.
Der Motor kann ein Linearmotor sein, wobei der ”Rotor” in diesem Fall das Teil aufweist, das sich relativ zu den Phasen bewegt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Servolenkvorrichtung mit einem Lenkmechanismus für ein Fahrzeug und einem mit dem Lenkmechanismus verbundenen Elektromotor zum Unterstützen eines Fahrers des Fahrzeugs bei der Betätigung des Lenkmechanismus im Betrieb bereitgestellt, wobei die Vorrichtung eine elektromagnetische Vorrichtung des ersten Aspekts der Erfindung ist, bei der die mechanische Komponente der Lenkmechanismus oder ein Teil des Lenkmechanismus und der Motor der Elektromotor ist.
In diesem Fall kann die Endposition eine ”Blockier”position des Lenkmechanismus sein, die die Begrenzung des Lenkweges in eine Richtung darstellt. Wenn zwei Endpositionen vorhanden sind, können die Endpositionen die beiden Blockierungen des Lenkmechanismus sein.
Wenn der Lenkmechanismus ein Handrad aufweist, kann der Schwellenwert bezüglich der Drehung des Handrades weniger als 10° von einer Endposition sein.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern eines Motors in einer elektromechanischen Vorrichtung bereitgestellt, die den Motor und eine mechanische Komponente mit einem begrenzten Verfahrwegbereich mit mindestens einer Endposition aufweist, wobei der Motor konfiguriert ist, eine Kraft auf die mechanische Komponente auszuüben, um zu veranlassen, dass sie sich entlang ihres Verfahrwegbereichs bewegt, wobei der Motor mindestens drei Phasen, die jeweils eine Phasenwicklung aufweisen, und einen Rotor aufweist;
wobei das Verfahren das Steuern des den Phasen des Motors zugeführten Stroms umfasst, so dass, wenn sich die mechanische Komponente im Betrieb an einer Endposition befindet, die Stärke des mindestens einer Phase des Motors zugeführten Ansteuerungsstroms im Wesentlichen minimal ist.
Vorzugsweise beträgt der der relevanten Phase des Motors an der Endposition zugeführte minimale Strom im Wesentlichen null.
Die Erfindung ist insbesondere auf Verfahren anwendbar, in denen jeder Phase zyklische Ansteuerungssignale zugeführt werden, wenn der Rotor sich dreht, wobei die jeder Phase zugeführten Ansteuerungssignale bezüglich anderen Phasen zugeführten Ansteuerungssignalen phasenverschoben sind. In der bevorzugten Ausführungsform sind die zyklischen Ansteuerungssignale im Wesentlichen sinusförmig.
Typischerweise wird das Verfahren außerdem die Verwendung eines Winkelpositionssensors zum Erfassen der Winkelposition des Rotors relativ zu den Wicklungen und zum Bereitstellen eines diese Position anzeigenden Rotorwinkelpositionssignals im Betrieb umfassen, wobei das Verfahren das Bestimmen der jeder Phase zuzuführenden Ansteuerungsströme in Abhängigkeit von dem Rotorwinkelpositionssignal umfasst.
Das Verfahren kann einen Schritt aufweisen, gemäß dem, wenn sich die mechanische Komponente an einer Endposition befindet, der Winkelpositionssensor derart begrenzt wird, dass er unabhängig von der tatsächlichen Position des Rotors ein Signal ausgibt, das eine Rotorposition anzeigt, die einer Position einer minimalen Stromstärke in einem der zyklischen Ansteuerungssignale entspricht. Dadurch kann ein Standard-Motorsteuerungsverfahren verwendet werden, bei dem sich ausschließlich die Ausgabe des Winkelpositionssensors ändern kann.
Das Verfahren kann den Schritt des Begrenzens des Winkelpositionssensors umfassen, um über einen Bereich von Positionen der mechanischen Komponente von der Endposition zu einer ersten Position, die der nächsten Position des Rotors entspricht, die einer minimalen Stromstärkenposition in einem der zyklischen Ansteuerungssignale entspricht, ein Signal auszugeben, das die erste Position anzeigt.
Das Verfahren kann außerdem den Schritt des Ausgebens eines Signals von dem Winkelpositionssensor aufweisen, wenn sich die mechanische Komponente außerhalb des Anzeigebereichs des Winkelpositionssensors des Rotors befindet, wie es normal ist. In einer anderen Alternative kann das Verfahren jedoch das Begrenzen der Ausgabe des Winkelpositionssensors über einen zweiten Bereich von Positionen der mechanischen Komponente umfassen, der sich von der Endposition zu einem Schwellenwert erstreckt, so dass sie derart quantisiert wird, dass sie nur Werte anzeigt, die Positionen des Rotors entsprechen, die Punkten in den zyklischen Ansteuerungssignalen entsprechen, an denen einer der Phasen eine minimale Stromstärke zugeführt wird.
Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine elektrische Servolenkvorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt;
2a und 2b Graphen des Stroms und der Leistung der Ansteuerungssignale des Motors der elektrischen Servolenkvorrichtung gemäß 1 als Funktion der Rotorposition zeigen;
3 einen Graphen der Ausgabe der Winkelposition des Rotors des Motors und der durch den Winkelpositionssensor gemäß 1 angezeigten Position in einer ersten Ausführungsform als Funktion der Position des Lenkmechanismus zeigt;
4 ein Ablaufdiagramm zeigt, das die Funktionsweise des Winkelpositionssensors gemäß 3 darstellt;
5 einen dem Graph von 3 entsprechenden Graph für einen Winkelpositionssensor einer zweiten Ausführungsform zeigt; und
6 ein Ablaufdiagramm zeigt, das die Funktionsweise des Winkelpositionssensors gemäß 5 darstellt.
1 der beigefügten Zeichnungen zeigt eine elektrische Servolenkvorrichtung 1, die eine elektromechanische Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bildet.
Die Vorrichtung 1 weist eine Lenkwelle 2 auf, die an einem Ende zusammenwirkend mit einem Handrad 3 und an ihrem anderen Ende über eine Zahnstange 5 mit einem Paar von Straßenrädern 4 verbunden ist. Das Handrad 3 ist dazu geeignet, die Lenkwelle zu drehen und dadurch die Zahnstange zu versetzen und schließlich die Straßenräder zu drehen. Das für das Handrad zulässige Bewegungsmaß zwischen Anschlagpositionen (sogenannte ”Umdrehungen von Blockier- zu Blockierposition”) wird durch die Straßenradgeometrie und das Design der die Räder haltenden Aufhängung bestimmt, in allen Fällen ist hierfür jedoch mehr als eine volle Umdrehung vorgesehen, typischerweise zwei bis vier Umdrehungen.
Ein Elektromotor 6 ist über ein Reduktionsgetriebe 7 mit der Lenkwelle verbunden. Eine Steuerschaltung 11 führt dem Motor 6 in Reaktion auf die Ausgabe eines auf der Lenkwelle montierten Drehmomentsensors 8 Strom zu. Der Drehmomentsensor 8 misst das durch den Fahrer angeforderte Drehmoment, und basierend darauf wird der Motorstrom berechnet, um je nach Erfordernis mehr oder weniger Unterstützung bereitzustellen.
Außer dem Drehmomentsensor 8 ist ein Winkelpositionssensor 10 auf dem Motorrotor angeordnet. Der Sensor erzeugt ein Ausgangssignal, und diese Signale werden der Steuerschaltung 11 zugeführt, um ein die Position des Rotors 9 des Motors 6 anzeigendes Signal zu erzeugen.
Der Motor 6 ist ein sternförmig gewickelter Dreiphasen-Permanentmagnetmotor. Daher ist es notwendig, die Winkelposition des Motors zu kennen, um den jeder Phase zuzuführenden korrekten Strom zu bestimmen, um den Motor zu betreiben. 2a der beigefügten Zeichnungen zeigt einen beispielhaften Graph der jeder Phase des Motors zugeführten Ströme. Jede der Kurven 12, 13, 14 stellt den einer Phase des Motors 6 zugeführten Strom dar, wobei eine Normierung auf ±1 für einen maximalen Strom vorgenommen wurde.
Diese zyklischen Ansteuerungssignale sind sinusförmig, wobei die Wellenform für jede Phase um 120° von der nächsten versetzt ist. Die Graphen in den 2a und 2b der beigefügten Zeichnungen sind in Radian dargestellt, und der Winkel ist der elektrische Winkel des Motors; die Periode der Ansteuerungssignale als elektrischer Winkel beträgt daher 2π Radian (360°). Für einen vorgegebenen physikalischen Winkel des Rotors bezüglich eines Bezugspunkts und eine Anzahl n von Permanentmagnetpolpaaren in dem Rotor wird der elektrische Winkel relativ zu dem gleichen Bezugspunkt das n-fache des physikalischen Winkels sein. Daher wird für einen Rotor mit zwei Polpaaren der elektrische Winkel dem Doppelten des physikalischen Winkels entsprechen, so dass die Periode der Wellenformen im Vergleich zu der physikalischen Winkelposition des Rotors 180° betragen wird.
Die Vorrichtung 1 bildet daher eine elektromechanische Vorrichtung. Der Lenkmechanismus und insbesondere die Zahnstange 5 können als eine mechanische Komponente dieser elektromechanischen Vorrichtung betrachtet werden, die durch den Motor 6 zwischen ihren Endpositionen angetrieben werden kann. Die ”Blockier”positionen definieren daher Grenzen des Verfahrweges der Zahnstange 5.
Alle unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung haben dahingehend das gleiche Merkmal, dass, wenn sich die Zahnstange an einer ihrer Endpositionen befindet, der Motor derart gesteuert wird, dass das einer der Phasen zugeführte Ansteuerungssignal im Wesentlichen einem Nullstrom entspricht. Indem veranlasst wird, dass der einer Phase zugeführte Strom im Wesentlichen eine minimale Stärke hat, wobei null die optimale minimale Stromstärke darstellt, wird der Phasenstrom-Spitzenwert über alle Phasen vermindert.
Die Steuerschaltung wird typischerweise für jede Phase einen Satz Schalter aufweisen. Durch Vermindern des Phasenstrom-Spitzenwertes wird der maximale ohmsche Leistungsverlust, der durch I²R bestimmt wird, für einen Satz Schalter vermindert, wobei I der in diesem Schalter fließende Strom und R der Widerstand ist.
Dies ist in 2b der beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Der Nullstrom in 2a entspricht einer Nullleistung in 2b, wenn ohmsche Leistungsverluste I²R berücksichtigt werden. Aus 2b ist die maximale Phasenleistung ersichtlich; diese würde dem Maximum jeder Phase 12, 13, 14 bei einem vorgegebenen Winkel entsprechen. Das Maximum ist der Leistungswert einer beliebigen Phase, durch die gemäß I²R bei einem vorgegebenen Winkel die meiste Leistung fließt. Es ist ersichtlich, dass die Minima der maximalen Leistung auftreten, wenn sich eine der Phasen bei einem Nullstrom und daher einer Nullleistung befindet. Die beiden anderen Phasen werden jeweils die gleiche Leistung aufweisen. Bewegt man sich vom Nullstrompunkt weg, führt dies dazu, dass bei einer der Nicht-Nullstromphasen ein höherer Leistungsverlust auftritt (und daher eine größere Erwärmung stattfindet) als bei der anderen Nicht-Nullstromphase. Dies könnte in nachteiliger Weise dazu führen, das sich dieser Satz schneller als die anderen erwärmt, so dass eine Fehlfunktion auftritt, wodurch die gesamte Vorrichtung außer Betrieb gehen kann.
Anhand von 2b ist ersichtlich, dass der gesamte I²R-Leistungsverlust 15 unabhängig vom Rotorwinkel konstant ist. Die gesamte Verlustleistung ist konstant; erfindungsgemäß ist beabsichtigt, die Verlustleistung derart zu verteilen, dass die nachteiligen Wirkungen der Verlustleistung minimiert werden.
Um die Erfindung zu implementieren, kann der Winkelpositionssensor 10 derart modifiziert werden, dass er eine modifizierte Ausgabe ausgibt, wenn die Zahnstange die Endposition ihres Verfahrweges erreicht. Obwohl hierin darauf Bezug genommen wird, dass die Ausgabe des Winkelpositionssensors 10 bestimmte Werte hat, ist auch der Fall eingeschlossen, dass die Ausgabe des Winkelpositionssensors 10 in der Steuerschaltung 11 modifiziert wird, bevor sie zum Berechnen der Ansteuerungssignale für den Motor 6 verwendet wird. Beide Fälle sind gleichermaßen anwendbar; durch Modifizieren der Ausgabe des Winkelpositionssensors kann ein Standardalgorithmus zum Bestimmen der zyklischen Ansteuerungssignale verwendet werden, der durch einen ”Trick” in der vorliegenden Erfindung anwendbar ist.
In der in den 3 und 4 der beigefügten Zeichnungen dargestellten ersten Ausführungsform überwacht die Steuereinheit 11 die Position der mechanischen Komponente, d. h. der Zahnstange 5. Bei dieser Überwachung kann ein vorhandenes, die absolute Lenkposition (Absolute Steering Position (ASP)) anzeigendes Signal genutzt werden, das im Fahrzeug bereits auf bekannte Weise bereitgestellt oder durch Zählen der Umdrehungen des Motorrotors erhalten wird. Wenn die Zahnstange 5 die letzte Nullposition des Phasenstroms (Null-Phasenstromposition) vor der Endposition passiert, begrenzt die Steuereinheit 11 die Ausgabe des Winkelpositionssensors derart, dass sie auf einen Wert festgelegt wird, der diese letzte Nullposition des Phasenstroms anzeigt. Daher wird, wenn sich die Zahnstange 5 der Blockierposition nähert, der Strom in einer der Phasen des Motors 6 gleich null.
Dies ist in 3 dargestellt, die die Ausgabe des Winkelpositionssensors 10 in durchgezogenen Linien und die durch die Steuereinheit 11 begrenzte Ausgabe in gestrichelten Linien zeigt. Die y-Achse stellt den elektrischen Winkel in Grad dar. Die Null-Phasenstrompositionen 20, 21 sind auf dem Graph markiert und entsprechen den Nulldurchgängen in 2a oder den Nullwerten in 2b. Wenn sich die Zahnstange der Endblockierposition nähert, wird die begrenzte Ausgabe (gestrichelte Linie) auf die letzte Null-Phasenstromposition 21 vor der Endblockierposition begrenzt.
Dies ist auch im Ablaufdiagramm von 4 verdeutlicht. Die Steuereinheit 11 wird in einem normalen Betriebsmodus 32 initialisiert (Schritt 30). In diesem Modus modifiziert die Steuereinheit die Ausgabe des Winkelpositionssensors 10 nicht. Sollte sich die Zahnstange 5 innerhalb des ENDBLOCKIERSCHUTZAKTIVIERUNGS-SCHWELLENWERTES der Endposition bewegen, arbeitet die Steuereinheit im Endblockierschutzmodus 34. In diesem Modus wird die Position (in Abhängigkeit davon, an welche Blockierposition eine Annäherung erfolgt) auf ein Maximum oder Minimum der BEGRENZTEN ENDBLOCKIERPOSITION, d. h. die letzte Null-Phasenstromposition 21 begrenzt. Wenn sich die Zahnstange vom ENDBLOCKIERSCHUTZDEAKTIVIERUNGS-SCHWELLENWERT (der typischerweise ungefähr dem ENDBLOCKIERSCHUTZ-AKTIVIERUNGSSCHWELLENWERT gleicht) zurück bewegt, schaltet die Steuereinheit auf den normalen Betriebsmodus 32 zurück.
Wenn die Zahnstange sich der Endposition nähert, ist allerdings eine Positionserfassung mit einer Auflösung von 60 elektrischen Grad erforderlich. Durch Implementieren einer in den 5 und 6 der beigefügten Zeichnungen dargestellten zweiten Ausführungsform der Erfindung muss die Bestimmung der Endpositionen nicht so genau sein.
In dieser Ausführungsform begrenzt die Steuereinheit 11, wenn sich die Zahnstange innerhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes einer Endposition bewegt, die Ausgabe des Winkelpositionssensors 10 derart, dass es nur Werte anzeigt, die Null-Phasenstrompositionen anzeigen; wenn sich der Rotor bewegt, wird die begrenzte Ausgabe andere Null-Phasenstrompunkte anzeigen, wodurch weiterhin ein Betrieb des Motors ermöglicht wird.
Dies ist in 5 der beigefügten Zeichnungen ersichtlich, die eine ähnliche Darstellung wie 3 zeigt. Außerhalb des Schwellenwertes modifiziert die Steuereinheit die Ausgabe des Winkelpositionssensors nicht, wie durch die Übereinstimmung zwischen den gestrichelten und durchgezogenen Linien dargestellt ist. Wenn sich die Zahnstange 5 innerhalb des Schwellenwertes bewegt, der wesentlich größer sein kann als der Schwellenwert in der ersten Ausführungsform, quantisiert die Steuereinheit 11 die Ausgabe des Winkelpositionssensors derart, dass sie nur Werte 20, 21 aufweisen kann, die Null-Phasenstrompositionen anzeigen.
Wenn die Zahnstange 5 die Blockierposition erreicht, wird die begrenzte Ausgabe des Winkelpositionssensors 10 die letzte Null-Phasenstromposition 21 vor der tatsächlichen Blockierposition anzeigen. Daher wird der Strom in einer der Phasen über den gesamten Schwellenwert gleich null sein, insbesondere, wenn die Zahnstange 5 die Blockierposition erreicht.
6 der beigefügten Zeichnungen zeigt die Funktionsweise der Steuerschaltung 6. Die Steuerschaltung 11 wird in Schritt 40 in den normalen Betriebsmodus 42 initialisiert. In diesem Modus modifiziert die Schaltung die Ausgabe des Winkelpositionssensors 10 nicht. Wenn sich die Zahnstange 5 innerhalb des ENDBLOCKIERSCHUTZ-AKTIVIERUNGSSCHWELLENWERTES einer Blockierposition bewegt, schaltet die Steuerschaltung 11 jedoch in den Endblockierschutzmodus 44. In diesem Modus quantisiert die Steuerschaltung 11 die Ausgabe des Winkelpositionssensors derart, dass sie immer einen Wert ausgibt, der eine Nullstromposition anzeigt; die zurückgegebene Nullstromposition ist die vorangehende Nullstromposition, wenn sich die Zahnstange 5 der Blockierposition nähert. Der dargestellte beispielhafte Algorithmus nimmt die nächstniedrige ganze Zahl abgeschlossener 60°-Drehungen und multipliziert diese mit 60°, um eine quantisierte Ausgabe zu erzeugen.
Wenn sich die Zahnstange 5 von der Blockierposition weg außerhalb eines ENDBLOCKIERSCHUTZDEAKTIVIERUNGSSCHWELLENWERTES bewegt, der etwa dem ENDBLOCKIERSCHUTZAKTIVIERUNGSSCHWELLENWERT gleicht, schaltet die Steuerschaltung 11 auf den normalen Betriebsmodus 42 zurück.
Die Schwellenwerte sollten ziemlich nahe an der Endposition gesetzt werden, weil der quantisierte Betrieb der Winkelpositionssensorausgabe während der Verwendung durch einen Fahrer zu wahrnehmbarem Drehmomentschwankungen führen könnte. Ein Schwellenwert von etwa 10°, gemessen am Handrad 3, entspricht bei einem Übersetzungsverhältnis des Getriebes 7 von 20:1 einer Drehbewegung des Motorrotors 9 von 200° mechanisch. Für einen Magnetmotor 6 mit drei Polpaaren entspricht dies 600° elektrisch. Dies ist eine erzielbare Auflösung mit einem akzeptierbaren Bereich, über den eine leichte Drehmomentschwankung durch einen Fahrer höchstwahrscheinlich nicht wahrnehmbar ist.
Die Schwellenwerte zum Aktivieren und Deaktivieren der Begrenzungen oder Quantisierungen des Signals können geringfügig verschieden sein, um eine gewisse Hysterese bereitzustellen und eine wiederholte zyklische Umschaltung zwischen den Modi zu verhindern, falls die Zahnstange sich in der Nähe der Endposition befindet.
In einer nicht dargestellten dritten Ausführungsform ist die Vorrichtung derart konfiguriert, dass die Position des Rotors 9 des Motors 6 relativ zu der Position der Zahnstange 5 konsistent ist; d. h., der Rotor 9 wird sich für jede spezifische Position der Zahnstange 5 in einer vorgegebenen Winkelposition befinden. In diesem Fall können die Blockierpositionen der Zahnstange 5 direkt Nullstrompositionen des Motors entsprechen. Dies ist jedoch nicht immer realisierbar.
Zusammenfassung
Elektrische Servolenkung
Eine elektromagnetische Vorrichtung, beispielsweise ein elektrisches Servolenkungssystem (1), umfasst: eine mechanische Komponente (5) mit einem begrenzten Verfahrwegbereich mit mindestens einer Endposition und einem Motor (6), der konfiguriert ist, eine Kraft auf die mechanische Komponente (5) auszuüben, um zu veranlassen, dass sie sich entlang ihres Verfahrweges bewegt, wobei der Motor mindestens drei Phasen, die jeweils eine Phasenwicklung aufweisen, einen Rotor und eine Ansteuerungsschaltung zum Zuführen von Ansteuerungsströmen (12, 13, 14) zu jeder der drei Phasen in Abhängigkeit von der Position des Rotors relativ zu den Phasenwicklungen aufweist, und wobei die Vorrichtung derart konfiguriert ist, dass, wenn sich die mechanische Komponente (5) während des Betriebs an einer Endposition befindet, die Stärke des mindestens einer Phase des Motors (6) zugeführten Ansteuerungsstroms im Wesentlichen minimal ist, und wobei die Ansteuerungsschaltung konfiguriert ist, im Betrieb jeder Phase zyklische Ansteuerungssignale zuzuführen, wenn sich der Rotor dreht, wobei die jeder Phase zugeführten Ansteuerungssignale bezüglich anderen Phasen zugeführten Ansteuerungssignalen phasenverschoben sind.

Claims

Elektromagnetische Vorrichtung mit: einer mechanischen Komponente mit einem begrenzten Verfahrwegbereich mit mindestens einer Endposition; und einem Motor, der konfiguriert ist, eine Kraft auf die mechanische Komponente auszuüben, um zu veranlassen, dass sie sich entlang ihres Verfahrweges bewegt; wobei der Motor mindestens drei Phasen, die jeweils eine Phasenwicklung aufweisen, einen Rotor und eine Ansteuerungsschaltung zum Zuführen von Ansteuerungsströmen zu jeder der Phasen in Abhängigkeit von der Position des Rotors relativ zu den Phasenwicklungen aufweist; wobei die Vorrichtung derart konfiguriert ist, dass, wenn sich die mechanische Komponente während des Betriebs an einer Endposition befindet, die Stärke des mindestens einer Phase des Motors zugeführten Stroms im Wesentlichen minimal ist; und wobei die Ansteuerungsschaltung konfiguriert ist, im Betrieb jeder Phase zyklische Ansteuerungssignale zuzuführen, wenn sich der Rotor dreht, wobei die jeder Phase zugeführten Ansteuerungssignale bezüglich den anderen Phasen zugeführten Ansteuerungssignalen phasenverschoben sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der der Phase an der Endposition zugeführte Ansteuerungsstrom im Wesentlichen null beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die zyklischen Ansteuerungssignale im Wesentlichen sinusförmig sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem Winkelpositionssensor zum Erfassen der Winkelposition des Rotors relativ zu den Wicklungen im Betrieb und zum Bereitstellen eines diese Position anzeigenden Rotorwinkelpositionssignals im Betrieb.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Ansteuerungsschaltung die der Phase zuzuführenden Ansteuerungsströme in Abhängigkeit von dem Rotorwinkelpositionssignal bestimmt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Beziehung zwischen der Position der mechanischen Komponente und der Position des Rotors relativ zu den Phasenwicklungen konsistent ist, so dass die Endposition der mechanischen Komponente der Position in dem einer Phase zugeführten zyklischen Ansteuerungssignal entspricht, die dazu führt, dass dieser Phase eine im Wesentlichen minimale Stromstärke zugeführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei im Betrieb, wenn sich die mechanische Komponente an einer Endposition befindet, das Rotorwinkelpositionssignal unabhängig von der tatsächlichen Position des Rotors eine Rotorposition anzeigt, die einer Position einer minimalen Stromstärke in einem der zyklischen Ansteuerungssignale entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Winkelpositionssensor derart konfiguriert ist, dass über einen Bereich von Positionen der mechanischen Komponente von der Endposition zu einer ersten Position, die der nächsten Position des Rotors entspricht, die einer Position eine minimalen Stromstärke in einem der zyklischen Ansteuerungssignale entspricht, das Rotorwinkelpositionssignal die erste Position anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Rotorwinkelpositionssignal außerhalb des Bereichs den Winkelpositionssensor des Rotors anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Winkelpositionssensor derart konfiguriert ist, dass über einen zweiten Bereich von Positionen der mechanischen Komponente von der Endposition zu einem Schwellenwert, das Rotorwinkelpositionssignal derart quantisiert wird, dass es nur Werte ausgibt, die Positionen des Rotors entsprechen, die Punkten in den zyklischen Ansteuerungssignalen entsprechen, an denen einer der Phasen eine minimale Stromstärke zugeführt würde.
Elektrische Servolenkungsvorrichtung mit einem Lenkmechanismus für ein Fahrzeug und einem mit dem Lenkmechanismus verbundenen Elektromotor zum Bereitstellen einer Unterstützung für einen Fahrer des Fahrzeugs beim Betätigen des Lenkmechanismus im Betrieb, wobei die Vorrichtung eine elektromechanische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche ist, bei der die mechanische Komponente der Lenkmechanismus oder Teil des Lenkmechanismus und der Motor der Elektromotor ist.
Verfahren zum Steuern eines Motors in einer elektromechanischen Vorrichtung, die einen Motor und eine mechanische Komponente mit einem begrenzten Verfahrwegbereich mit mindestens einer Endposition aufweist, wobei der Motor konfiguriert ist, eine Kraft auf die mechanische Komponente auszuüben, um zu veranlassen, dass sie sich entlang ihres Verfahrweges bewegt, wobei der Motor mindestens drei Phasen, die jeweils eine Phasenwicklung aufweisen, und einen Rotor aufweist; wobei das Verfahren das Steuern des den Phasen des Motors zugeführten Stroms umfasst, so dass, wenn sich die mechanische Komponente im Betrieb an einer Endposition befindet, die Stärke des mindestens einer Phase des Motors zugeführten Ansteuerungsstroms im Wesentlichen minimal ist; wobei das Verfahren ferner das Zuführen zyklischer Ansteuerungssignale zu jeder Phase aufweist, wenn sich der Rotor dreht, wobei die jeder Phase zugeführten Ansteuerungssignale bezüglich den anderen Phasen zugeführten Ansteuerungssignalen phasenverschoben sind.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der der relevanten Phase des Motors an der Endposition zugeführte minimale Strom im Wesentlichen null beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei das Verfahren die Verwendung eines Winkelpositionssensors zum Erfassen der Winkelposition des Rotors relativ zu den Wicklungen und zum Bereitstellen eines diese Position anzeigenden Rotorwinkelpositionssignals umfasst, und wobei das Verfahren das Bestimmen der jeder Phase zuzuführenden Ansteuerungsströme in Abhängigkeit von dem Rotorwinkelpositionssignal umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Verfahren einen Schritt aufweist, gemäß dem, wenn sich die mechanische Komponente an einer Endposition befindet, der Winkelpositionssensor derart begrenzt wird, dass er unabhängig von der tatsächlichen Position des Rotors ein Signal ausgibt, das eine Rotorposition anzeigt, die der Position einer minimalen Stromstärke in einem der zyklischen Ansteuerungssignale entspricht.
Verfahren nach Anspruch 14, mit dem Schritt des Begrenzens des Winkelpositionssensors derart, dass er über einen Bereich von Positionen der mechanischen Komponente von der Endposition zu einer ersten Position, die der nächsten Position des Rotors entspricht, die der Position einer minimalen Stromstärke in einem der zyklischen Ansteuerungssignale entspricht, ein die erste Position anzeigendes Signal ausgibt.
Verfahren nach Anspruch 16, mit dem Schritt des Ausgebens eines den Winkelpositionssensor des Rotors anzeigenden Signals von dem Winkelpositionssensor, wenn sich die mechanische Komponente außerhalb des Bereichs befindet, wie es normal ist.
Verfahren nach Anspruch 16, mit dem Schritt des Begrenzens der Ausgabe des Winkelpositionssensors über einen zweiten Bereich von Positionen der mechanischen Komponente von der Endposition zu einem Schwellenwert, so dass sie derart quantisiert wird, dass sie nur Werte anzeigt, die Positionen des Rotors entsprechen, die Punkten in den zyklischen Ansteuerungssignalen entsprechen, an denen einer der Phasen eine minimale Stromstärke zugeführt würde.